(57)【要約】【課題】制御電極の構造を簡単化でき、簡単な構造で電界放出電流の制御が可能な電界放出発光素子を提供する。【解決手段】基板１上に制御電極２を形成し、制御電極２の全体を絶縁層３で被覆する。また、絶縁層３上にカーボンナノチューブを含む電子放出層４を配置し、電子放出層４に対向して電子放出層４からの放出電子により発光する発光層５を配置する。即ち、電子放出層４の下方に絶縁層３を挟んで制御電極２を配置することで制御電極２を平坦な簡単な構造とする。またカーボンナノチューブを網目状の膜とし、カーボンナノチューブ膜の下地に対する被覆率を１パーセント以下とする。【選択図】図１
2010212004.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された制御電極と、
前記制御電極の全体を被覆する絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたカーボンナノチューブを含む電子放出層と、
前記電子放出層に対向して配置された前記電子放出層からの放出電子により発光する発光層とを備え、
前記電子放出層を基準として前記発光層に正の電圧を印加し、前記制御電極に負の電圧を印加することを特徴とする電界放出発光素子。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブは網目状の膜をなしており、前記網目状カーボンナノチューブ膜の下地に対する被覆率は１パーセント以下であることを特徴とする請求項１に記載の電界放出発光素子。
【請求項３】
前記制御電極は、平坦な構造であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界放出発光素子。
【請求項４】
前記カーボンナノチューブ膜上又は前記電子放出層の下部に当該カーボンナノチューブ膜に電気的に接続され且つ接地された、前記電子放出層のシート抵抗率を下げるための電極が配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電界放出発光素子。
【請求項５】
前記カーボンナノチューブ膜の下地に対する被覆率は０．１パーセント以下であることを特徴とする請求項４に記載の電界放出発光素子。
【請求項６】
前記カーボンナノチューブは、単層、二層又は多層ナノチューブであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電界放出発光素子。
【請求項７】
前記電子放出層と前記発光層との間の空間は真空に保たれていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電界放出発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カーボンナノチューブを電子放出材料として用いる電界放出発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）は直径がナノメートルオーダーであり、長さがミクロンオーダーの円筒構造をなすグラファイト物質である。その特異な形状と高い電気伝導性により、ＣＮＴは電子放出材料として検討が進められている。例えば、特開２００６−３５１５２４号公報にはカーボンナノチューブを用いた強誘電体電界放出素子が開示されている（特許文献１）。
【０００３】
物質内から真空中に電子を電界放出させるためには１０ＭＶ／ｃｍ程度の高い電界を物質表面に印加する必要がある。その高い電界を実現するためには、タングステンなどの物質を針状に加工して電子放出源（陰極）とし、これに対向する陽極との間に高電圧を印加する。針の先端が十分に小さければ、その先端には電界放出に十分な電界が得られ、電子放出を実現できる。
【０００４】
ＣＮＴは前述の通り非常に細い円筒導体であるため針状に加工する必要がない。更に、直径がナノメートルオーダーと十分に小さいため、ＣＮＴの先端のみならず側面からも電界放出が起る事は本願発明者等の実験により確かめている。
【０００５】
この様にＣＮＴは電界放出しやすい性質を持つため、基板上にＣＮＴ膜を塗布あるいは印刷し、これと対向する陽極との間に適当な電圧を印加すれば、ＣＮＴ膜から容易に電界放出電子が得られ、その様子は電界放出電流として計測できる。
【０００６】
電子の電界放出現象を応用した素子として代表的なものに電界放出発光素子がある。電界放出発光素子は、放出電子が衝突すると発光する性質を持つ材料が陽極に使われており、電圧印加によって陽極が発光する。この電界放出発光素子はディスプレイあるいは照明光源などに用いられる。
【０００７】
電子放出発光素子の陽極に用いる材料としては、蛍光体が一般的に用いられる。蛍光体に関する研究は従来から詳細に行われており、一般的な蛍光体においては１０ｋｅＶ程度のエネルギーを持つ電子が入射する事により最も効率的に発光する事が分っている。即ち、高い発光効率を有する電子放出発光素子を得るためには、電子放出源（陰極）と蛍光体（陽極）との間に１０ｋＶ程度の高い電圧を印加する必要がある。
【０００８】
ＣＮＴを用いた電界放出発光素子にとって、高電圧による第一の問題点はＣＮＴ膜を電子放出源として用いた場合に電界放出電流が流れ過ぎてしまう事である。即ち、ＣＮＴ先端及び側面における電界集中が非常に強くなるため、必要以上の放出電流が流れてしまう。電流が大き過ぎると電流の安定性が悪化し、また発熱などによりＣＮＴ膜が破壊され極度の電流低下が生じてしまう。
【０００９】
また、高電圧による第二の問題点は輝度制御が難しくなる点である。ディスプレイとして用いる場合、高速且つ安定な電圧制御が必要であるが、１０ｋＶの電圧を制御するためには特殊な制御回路が必要となる。
【００１０】
この様な問題点を回避するために、例えば、特開２００７−０３５６３３号公報に開示されているように、陰極や陽極に加え、第三の電極を制御電極として設置する構造がある（特許文献２）。一般的に制御電極は陰極と陽極との間に設置され、特に、陰極の近傍に配置する。この位置に配置すれば、制御電極に印加する電圧を抑えられ、放出電流の制御が容易になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−３５１５２４号公報
【特許文献２】特開２００７−０３５６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献２は平板状のゲート電極部２００と、その上に凸状に設けられた補助ゲート電極部２２０とからなる構造によってカソード電極部から放出される電子を制御するものである。そのため、特許文献２には放出電子を制御するためには補助ゲート電極構造が必要であり、それに伴い補助ゲート電極部２２０を配置するために第１開口部３２０と第２開口部５２０を形成する必要がある事が記載されている。このように特許文献２の構造では、補助ゲート電極部２２０や第１開口部３２０、第２開口部５２０が必要であるため、構造が複雑となり、製造工程も複雑になる。
【００１３】
本発明の目的は、制御電極の構造を簡単化でき、簡単な構造で電界放出電流の制御が可能な電界放出発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、基板上に形成された制御電極と、前記制御電極の全体を被覆する絶縁層と、前記絶縁層上に形成されたカーボンナノチューブを含む電子放出層と、前記電子放出層に対向して配置された前記電子放出層からの放出電子により発光する発光層とを備え、前記電子放出層を基準として前記発光層に正の電圧を印加し、前記制御電極に負の電圧を印加することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電子放出層の下方に絶縁層を挟んで制御電極を配置することにより、電子放出電流を制御するために必要となる制御電極を簡単な構造で形成することができる。そのため、簡便な成膜技術により制御電極を簡単に形成でき、素子の製造が容易で低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る電界放出発光素子の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は本発明に係る電界放出発光素子の第１の実施形態を示す断面図である。図１に示すように基板１の上に平坦な制御電極２が形成され、更にその上に制御電極２全体を覆う形で絶縁層３が形成されている。絶縁層３の上にＣＮＴ（カーボンナノチューブ）を含む電子放出層４が形成されている。電子放出層４の上方には電子放出層４に対向して放出電子により発光する発光層５が配置されている。
【００１９】
発光層５は発光層保持基板６に保持され、発光層保持基板６と絶縁層３との間の空間は支持部７によって密閉されている。発光層保持基板６と支持部７で囲まれた基板１と発光層保持基板６との間の空間は真空に保たれている。
【００２０】
基板１には、例えば、ガラス板などを使用する。制御電極２には、一般的な導電性材料を使用する。例えば、金、銀、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、クロム、コバルト、パラジウム、白金、モリブデン、タングステンなどの単一金属又は合金が用いられ、更には積層膜などでもよい。あるいは、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＳｎＯ２などの透明性導電膜でもよい。制御電極２を形成する方法としては、選択された材料に応じてスクリーン印刷、蒸着、スパッタなどが用いられる。
【００２１】
絶縁層３には一般的な絶縁材料を用いればよい。例えば、酸化シリコン、アルミナ、窒化シリコンなどでもよい。絶縁層３を形成する方法には、例えば、選択された材料に応じて蒸着やスパッタなどが用いられる。
【００２２】
電子放出層４はＣＮＴを含む材料からなり、カーボンナノチューブは単層ナノチューブ、二層ナノチューブ、多層ナノチューブのいずれでも良い。電界放出特性を考慮すると二層ナノチューブを用いるのが望ましい。電子放出層４を形成する方法としては、スプレー法、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法などを用いる事ができる。形成の際にはＣＮＴを適当な分散媒に分散させ、場合によっては添加剤を添加する。分散媒としてはメタノール、エタノール、クロロベンゼン、ジメチルホルムアミド、ＭＮＰ、ジクロロエタンなどを用いる。
【００２３】
また、界面活性剤を添加剤として添加することによりＣＮＴを水に分散させる事もできる。界面活性剤としては、例えば、ＳＤＳ、ＳＤＢＳ、ＴｒｉｔｏｎＸ、Ｂｒｉｊ７００などがある。絶縁層３への定着性を高めるために、アラビアゴム、ポリメチルメタクリレートなどを分散媒に応じて添加してもよい。
【００２４】
更に、発光層５、発光層保持基板６、支持部７に関しては通常の電子放出発光素子に用いる材料、形態、形成方法を用いればよく、本発明は、その材料、形態、形成方法は制限されるものではない。
【００２５】
発光層用電源８及び制御電極用電源９は、それぞれ発光層５及び制御電極２に電圧を印加するための電源である。電子放出層４の電圧を基準とすると、発光層５には正の電圧、制御電極２には負の電圧を印加する。つまり、電子放出層４の電圧を基準として発光層５には発光層用電源８から正の電圧を印加し、制御電極２には制御電極用電源９から負の電圧を印加する。
【００２６】
このように発光層５に電子放出層４に対して正の電圧を印加することにより、電子放出層４の近傍に電界が生じ、電子放出層４に存在する電子が放出され、この放出電子が発光層５に衝突することで発光層５が発光する。一方、制御電極２には電子放出層４に対して負の電圧を印加することにより、電子放出層４の近傍に存在する電界が弱められ、電子の放出が抑制される。電子放出電流は電子放出層４から放出される電子の量であり、実質的には電子放出層４に供給される電流と等価である。
【００２７】
本実施形態では、電子放出層４の下方に絶縁層３を挟んで制御電極２を配置することにより、制御電極２は簡単な構造でよく、簡単な構造でありながら電界放出電流の制御が可能となる。また、制御電極２の構造が簡単であるため、製造が容易で、素子の低コスト化が可能となる。
【００２８】
即ち、特許文献２に記載されているような補助ゲート電極、第１開口部、第２開口部に相当する部材は必要ではない。むしろ均一な電界放出のためにはこれらの部材は積極的に排除するのが望ましい。本実施形態では、ゲート電極（制御電極２）は平坦な構造であり、且つ、絶縁層３、電子放出層４に開口部を形成する必要はない。また、カーボンナノチューブ膜の下地に対する被覆率を適切な値に設定することにより、制御電極２による制御効果をより高めることが可能となる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態を示す斜視図である。図２では図１の発光層５、発光層支持基板６、支持部７などは省略し、電子放出層４を詳細に示す。なお、図２では図１と同一部分には同一符号を付している。図２では電子放出層４を主に構成するＣＮＴ４１を非常に薄くする事に特徴がある。
【００３０】
カーボンナノチューブ膜４１は網目状の膜をなしており、下地の絶縁層３を全て覆ってしまうと制御電極２による制御効果が小さくなる。本願発明者の実験では、カーボンナノチューブ膜の下地に対する被覆率が１パーセント以下であると効果があり、０．１パーセント以下であると更に効果が高いことを確認した。図２では網目状のカーボンナノチューブ膜の下地に対する被覆率は１パーセント以下とする。
【００３１】
（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態を示す斜視図である。図３では同様に図１の発光層５、発光層支持基板６、支持部７などは省略し、電子放出層４を詳細に示す。図３では図１、図２と同一部分には同一符号を付している。カーボンナノチューブ膜４１は同様に電子放出層４上に網目状の形で配置されている。なお、図１に示すように電子放出層４は電気的に接地されている。
【００３２】
電子放出層４を主に構成する網目状のカーボンナノチューブ膜４１の下地に対する被覆率を０．１パーセント以下まで低下させると、電子放出層４のシート抵抗率が高くなる問題が生じる。本実施形態では、この問題を改善するため、電極４２を電子放出層４の上部に配置している。電極４２は、例えば、銀ペーストをスクリーン印刷することで電子放出層４のカーボンナノチューブ膜４１上に形成されている。電極４２はカーボンナノチューブ膜４１に電気的に接続され、且つ、電気的に接地されている。
【００３３】
電極４２は、上述のように電子放出層４のシート抵抗率を下げるために配置され、図３の例では櫛状形状となっている。本発明はこれに限ることなく、例えば、格子状等電極４２の形状は限定されるものではない。
【００３４】
また、電極４２は絶縁基板３上に配置された電極（図示せず）にワイヤボンディングによって接続されており、そこから外部に引き出され、配線を用いて図１の発光層用電源８と制御電極用電源９との接続点に繋がっている。このように電極４２をカーボンナノチューブ膜４１上に配置し、電極４２をカーボンナノチューブ膜４１に電気的に接続且つ接地することにより、カーボンナノチューブ膜４１の下地に対する被覆率を０．１パーセント以下としても、電子放出層４のシート抵抗率の低下という弊害を改善でき、制御電極２による制御効果をより高めることが可能となる。
【００３５】
なお、電極４２は電子放出層４の下部に設置しても同様な効果が得られる。電極４２が電子放出層４の下部に配置されている場合も、電極４２はカーボンナノチューブ膜４１に接した状態となり、同様に電極４２はカーボンナノチューブ膜４１に電気的に接続され、且つ、接地される。
【符号の説明】
【００３６】
１  基板
２  制御電極
３  絶縁層
４  電子放出層
５  発光層
６  発光層支持基板
７  支持部
８  発光層用電源
９  制御電極用電源
４１  カーボンナノチューブ膜（ＣＮＴ）
４２  電極
【図１】
2010212004.tif 000003
【図２】
2010212004.tif 000004
【図３】
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