(57)【要約】【課題】優れた電子放出特性を発揮する三極構造型の電界電子放出型ランプを簡便な手法で低コストに製造する。【解決手段】ゲート電極に対してカソード電極上への電子放出素子形成の際に必要な触媒形成のためのマスクとしての機能を付与させる。カソード電極およびゲート電極を密着させ、ゲート電極をマスクとして利用してカソード電極上に触媒形成を行い、次にカソード電極とゲート電極を一旦引き離してカソード電極上に電子放出素子としてのナノスケール炭素材料を形成させ、さらにナノスケール炭素材料が形成されたカソード電極をゲート電極に形成された開口部の直下に配置させることにより、三極構造型の電界電子放出型ランプを製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともカソード電極と、ゲート電極と、アノード電極とを備え、前記カソード電極上に設けられた電子放出素子の形成パターンと前記ゲート電極に形成された開口部のパターンとが同一であることを特徴とする電界電子放出型ランプ。
【請求項２】
前記カソード電極は金属材料または半金属材料で構成され、前記カソード電極上に形成された前記電子放出素子はカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノフィラメント、カーボンナノホーンなどのナノスケール炭素材料によって構成され、前記ゲート電極または前記ゲート電極と同一の材質・形状の材料からなる触媒形成用マスクをマスクとして用いて触媒形成を施された部分にのみ形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出型ランプ。
【請求項３】
前記カソード電極上に形成された前記電子放出素子は前記ゲート電極に形成された開口部と同一のパターンを有し、前記カソード電極および前記ゲート電極に対して垂直な方向から見て前記電子放出素子が前記開口部の直下に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出型ランプ。
【請求項４】
前記カソード電極および前記ゲート電極を密着させ前記カソード電極上に触媒形成を行う工程と、前記カソード電極上と前記ゲート電極を一旦引き離して前記カソード電極上に前記電子放出素子を形成させる工程と、前記カソード電極上に形成された前記電子放出素子を前記ゲート電極に形成された前記開口部の直下に配置させる工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電界電子放出型ランプの製造方法。
【請求項５】
前記ゲート電極が電子を通過させるための前記開口部および前記カソード電極との位置合わせのためのアライメントマークを有しており、さらに前記ゲート電極または前記ゲート電極と同一の材質・形状の材料からなる触媒形成用マスクが前記カソード電極上への電子放出素子形成の際に必要な触媒形成のためのマスクとして利用されることを特徴とする請求項４に記載の電界電子放出型ランプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノスケール炭素材料を電子放出素子として利用した、三極構造型の電界電子放出型ランプおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電界電子放出（フィールドエミッション）とは、カーボンナノチューブをはじめとするナノスケール炭素材料などのような、アスペクト比の大きい材料に対して強電界を印加したとき、その材料の表面から電子の放出が起こる現象のことを指している。電界電子放出型ランプは、このフィールドエミッションを利用した照明器具である。電界電子放出型ランプは、従来の白熱電球や蛍光灯などと比較して低消費電力、低公害などのような優れた特徴を有しており、次世代の照明器具として注目を集めている。
【０００３】
電界電子放出型ランプとしては、様々な構造の装置が発明・考案されている。代表例として、特開２００４−２２０８９５号公報（特許文献１）および特開２００４−２２０８９６号公報（特許文献２）などのように、カソード電極、ゲート電極、アノード電極を有した三極構造型の装置がある。
【０００４】
一般に、三極構造型の電界電子放出型ランプにおいては、カソード電極に対してアノード電極を正の高電位に維持し、さらにゲート電極でカソード電極に対して印加するゲート電圧を制御している。これによりカソード電極上に形成された電子放出素子に電界が印加され、電子放出素子から電子線が放出される。この電子線をゲート電極に形成された開口部より透過させ、アノード電極上に配置された蛍光体層に照射することで蛍光体を励起し発光させることにより照明器具としての機能を発現させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２２０８９５号公報
【特許文献２】特開２００４−２２０８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、三極構造型の電界電子放出型ランプにおいては、ゲート電極の開口部のパターンとカソード電極上の電子放出素子の形成パターンとが対応していないと、電圧が印加された際に電子放出素子から放出された電子の一部ないしは大部分がゲート電極に取り込まれアノード電極まで到達せず、電子放出特性が損なわれるという問題点を抱えている。この問題を解決するために、特開２００４−２２０８９５号公報（特許文献１）では電子放出素子として用いているカーボンナノチューブのうち電子を放出させたい部分のみを位置選択的に起毛処理する方法が、特開２００４−２２０８９６号公報（特許文献２）では電子放出素子として用いているカーボンナノチューブのうち電子を放出させたくない部分を蒸着、スパッタなどにより金属で被覆する方法が提案されているが、これらの工程は電子放出素子を一旦形成した上で部分的な処理を施すものであり、製造方法の煩雑化や高コスト化が予想される。
【０００７】
そこで本発明では、電子放出素子をカソード電極上に最初からゲート電極の開口部と同一のパターンで形成させ、これにより低コストで優れた電子放出特性を発揮する三極構造型の電界電子放出型ランプ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１に係る発明は、少なくともカソード電極と、ゲート電極と、アノード電極とを備え、カソード電極上に設けられた電子放出素子の形成パターンとゲート電極に形成された開口部のパターンとが同一であることを特徴とする電界電子放出型ランプである。
【０００９】
本発明の請求項２に係る発明は、カソード電極が金属材料または半金属材料で構成され、カソード電極上に形成された電子放出素子はカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノフィラメント、カーボンナノホーンなどのナノスケール炭素材料によって構成され、ゲート電極またはゲート電極と同一の材質・形状の材料からなる触媒形成用マスクをマスクとして用いて触媒形成を施された部分にのみ形成されていることを特徴とする電界電子放出型ランプである。
【００１０】
本発明の請求項３に係る発明は、カソード電極上に形成された電子放出素子はゲート電極に形成された開口部と同一のパターンを有し、またカソード電極およびゲート電極に対して垂直な方向から見て電子放出素子が開口部の直下に配置されていることを特徴とする電界電子放出型ランプである。
【００１１】
本発明の請求項４に係る発明は、カソード電極およびゲート電極を密着させカソード電極上に触媒形成を行う工程と、カソード電極上とゲート電極を一旦引き離してカソード電極上に電子放出素子を形成させる工程と、カソード電極上に形成された電子放出素子をゲート電極に形成された開口部の直下に配置させる工程と、を含むことを特徴とする電界電子放出型ランプの製造方法である。
【００１２】
本発明の請求項５に係る発明は、ゲート電極が電子を通過させるための開口部およびカソード電極との位置合わせのためのアライメントマークを有しており、さらにゲート電極またはゲート電極と同一の材質・形状の材料からなる触媒形成用マスクがカソード電極上への電子放出素子形成の際に必要な触媒形成のためのマスクとして利用される、ことを特徴とする電界電子放出型ランプの製造方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の手法を用いることにより、三極構造型の電界電子放出型ランプにおいて電子放出素子の形成パターンとゲート電極の開口部のパターンを一致させることが可能になる。これにより電子放出素子から放出された電子のうちゲート電極に取り込まれる電子の比率が向上し、電界電子放出型ランプの電子放出特性の向上が期待できる。
【００１４】
すなわち、本発明の利用により、電子放出素子の形成パターンとゲート電極の開口部のパターンが一致していることを特徴とした、優れた電子放出特性を発揮する三極構造型の電界電子放出型ランプを簡便な手法で低コストに製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る三極構造型の電界電子放出型ランプの概略的構成を示した斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る電界電子放出型ランプの製造方法のうち、カソード電極とゲート電極を密着させてカソード電極上への触媒形成を行う工程を示した斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電界電子放出型ランプの製造方法のうち、カソード電極上への触媒形成を行った後にカソード電極からゲート電極を一旦引き離す工程を示した斜視図である。
【図４】本発明の実施形態に係る電界電子放出型ランプの製造方法のうち、触媒形成部分にナノスケール炭素材料からなる電子放出素子が合成された工程を示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に関わる三極構造型の電界電子放出型ランプの実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施の形態に何ら限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に関わる三極構造型の電界電子放出型ランプの概略的構成を示した斜視図である。図１に示した電界電子放出型ランプは、カソード電極１１、ゲート電極２１、アノード電極３１がそれぞれ平行に配置された三極構造を有している。
【００１８】
前記ゲート電極２１は、金属材料で構成されており、カソード電極１１上に形成された電子放出素子１２より放出される電子をアノード電極３１へと到達させるための開口部２２、およびゲート電極２１自身とカソード電極１１との位置合わせのためのアライメントマーク２３を有している。
【００１９】
前記カソード電極１１は、金属材料または半金属材料などのような導電性材料で構成されており、カソード電極１１自身とゲート電極２１との位置合わせのためのアライメントマーク１４を有している。カソード電極１１上に、ゲート電極２１の開口部２２と同一パターンの電子放出素子１３が形成されている。
【００２０】
これにより、カソード電極上に設けられた電子放出素子より放出された電子のうちアノード電極に到達する電子の比率が向上し、電界電子放出型ランプの電子放出特性の向上が図られる。
【００２１】
カソード電極１１は、ゲート電極２１の開口部２２と同一パターンの触媒形成部分１２を有していてもよい。電子放出素子１３は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノフィラメント、カーボンナノホーンなどのナノスケール炭素材料によって構成され、ゲート電極と同一の材質・形状の材料をマスクとして用いて触媒形成を施された触媒形成部分１２にのみ形成されていてもよい。
【００２２】
このように、電子放出素子に熱伝導性、電気伝導性の高いナノスケール炭素材料を使用することにより、電子放出特性に優れた長寿命で信頼性の高い電界電子放出型ランプの提供が可能になる。
【００２３】
また、前記カソード電極１１における触媒形成部分１２および電子放出素子１３は、ゲート電極２１およびカソード電極１１に対して垂直な方向から見てゲート電極２１における開口部２２の真下になるよう配置されていてもよい。
【００２４】
これにより、電圧が印加された際にカソード電極上の電子放出素子から放出された電子の大部分がゲート電極に取り込まれることなくアノード電極に到達するようになり、さらなる電子放出特性の向上が図られる。
【００２５】
同様に、前記カソード電極１１におけるアライメントマーク１４は、ゲート電極２１およびカソード電極１１に対して垂直な方向から見てゲート電極２１におけるアライメントマーク２３の真下になるよう配置されている。
【００２６】
前記アノード電極３１は透明導電膜で構成されている。アノード電極３１のゲート電極２１と対向する面の全体または一部分には、電子線の照射によって励起・発光する蛍光体層３２が成膜されており、この成膜部分と反対側の面（ゲート電極２１と対向する面の反対側）が励起発光面となる。
【００２７】
前記カソード電極１１、ゲート電極２１、およびアノード電極３１は真空排気された発光容器（不図示）中に設置されている。またカソード電極１１とゲート電極２１との間には外部電源４１が、カソード電極１１とアノード電極３１との間には外部電源４２が発光容器外部よりそれぞれ接続されており、両電極間に印加する電圧を任意に設定することが可能である。
【００２８】
続いて、本発明の実施形態に関わる三極構造型の電界電子放出型ランプの製造方法について、図面を参照しながら詳しく説明する。
【００２９】
はじめにゲート電極２１の加工を行う。ゲート電極２１は、カソード電極１１上の電子放出素子１３から電子を放出させ、この電子をアノード電極３１上の蛍光体層３２に照射させるための金属材料で構成された平板状電極である。ゲート電極２１は銅、ニッケル、ステンレス、アンバー材などの導電性金属材料に対して機械加工、エッチング、スクリーン印刷などの手法によって開口部２２を形成することによって得られる。また、ゲート電極２１は、機械加工、エッチング、スクリーン印刷などの手法によって形成されたアライメントマーク２３を有していてもよい。なお図１においては、開口部２２は円形、アライメントマーク２３は十字型となっているが、必ずしもこの形態に限定される必要はない。
【００３０】
次に、カソード電極１１上への触媒形成を行う。カソード電極１１は金属材料または半金属材料からなる導電性材料、例えばシリコン、ニッケル、モリブデン、ステンレス合金などの材料で構成されており、その触媒形成を行う面（ゲート電極２１と対向する面）はゲート電極２１と同一の形状を有している。図２は、カソード電極１１とゲート電極２１を密着させてカソード電極１１上への触媒形成を行う工程を示した斜視図である。カソード電極１１の触媒形成を行う面とゲート電極２１は同一の形状を有しているために、図２に示したように密着させることが可能である。この状態でゲート電極２１の側から鉄、ニッケル、コバルトなどの金属を蒸着、スパッタ法などによって堆積させることによりカソード電極１１上への触媒形成を行う。このとき、ゲート電極２１は触媒形成のためのマスクの役割を果たしてもよい。
【００３１】
ゲート電極をマスクとして利用し、ゲート電極にアラインメントマークを形成することにより、カソード電極およびゲート電極に対して垂直な方向から見た際に、カソード電極上に形成された電子放出素子をゲート電極の開口部の直下に配置させることが可能となり、優れた電子放出特性の電界電子放出型ランプを高精度で製造することが可能になる。
【００３２】
図３は、カソード電極１１上への触媒形成を行った後にカソード電極１１からゲート電極２１を一旦引き離す工程を示した斜視図である。ゲート電極２１の側からカソード電極１１上へ触媒形成を行うことにより、カソード電極１１上にはゲート電極２１の開口部２２およびアライメントマーク２３に対応した位置にそれぞれ触媒形成部分１２およびアライメントマーク１４が形成されることになる。
【００３３】
なお、このときカソード電極１１上の触媒形成部分１２およびアライメントマーク１４と同様に、ゲート電極２１の開口部２２およびアライメントマーク２３を除いた部分にも触媒金属が堆積することとなるが、そのまま以降の工程へ移るか、またはあらかじめゲート電極２１と同一の材料、形状からなる触媒形成用マスク（不図示）を用いて前記カソード電極１１上への触媒形成の工程を行うかは自由に選択してよい。ただし触媒形成用マスクを用いる場合には、ロット間のばらつきにより触媒形成用マスクとゲート電極２１との間で開口部２２およびアライメントマーク２３のパターンの不一致が起こる可能性がある。これを回避するためにはカソード電極１１上への触媒形成にゲート電極２１をマスクとして利用して、以降の工程を行うことが望ましい。
【００３４】
次に、カソード電極１１上の触媒形成部分１２へナノスケール炭素材料から構成される電子放出素子１３を合成する。このとき、触媒形成部分１２にナノスケール炭素材料が垂直配向するような合成方法を採用することが望ましい。例としては特開２００１−１６７７２１号公報のように、基板上に形成された触媒金属粒子上に化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）を利用してカーボンナノチューブを配向成長させる方法、あるいは特開２００８−２１４１４１号公報のように、有機液体中で遷移金属または遷移金属の酸化物からなる触媒を担持した基板を加熱してその基板上にカーボンナノチューブを合成する固液界面接触分解法、などがあげられる。これらの合成方法により、図４に示したように、触媒形成部分１２上にナノスケール炭素材料からなる電子放出素子１３が合成される。
【００３５】
さらにアノード電極３１を用意する。アノード電極３１は、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化スズなどのような透明導電膜で構成されており、ゲート電極２１と対向する面には、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化イットリウムなどの微粒子の分散溶液をインクジェット、スクリーン印刷などで塗布、乾燥させることにより蛍光体層３２が成膜されている。
【００３６】
なお、図１および図２においては、蛍光体層３２はアノード電極３１中央部分に矩形で成膜されているが、必ずしもこの形態に限定される必要はない。カソード電極１１上の電子放出素子１３、およびゲート電極２１における開口部２２の形状に対応するような任意の形態を取れば十分である。また、カソード電極１１上のアライメントマーク１４の部分にも電子放出素子１３が合成されているため、この部分からも電子放出が起こるが、アノード電極３１のこれに対応する部分を発光させたくない場合には、当該部分に蛍光体層３２を形成しなければよい。
【００３７】
最後に、前記カソード電極１１、ゲート電極２１、およびアノード電極３１の発光容器中への設置を行う。このとき、カソード電極１１における電子放出素子１３をゲート電極２１およびカソード電極１１に対して垂直な方向から見てゲート電極２１における開口部２２の真下になるよう配置させるため、カソード電極１１とゲート電極２１とのアライメントを行う。このアライメントは、カソード電極１１上のアライメントマーク１４および電子放出素子１３と、ゲート電極２１に形成されたアライメントマーク２３とを、同様にカソード電極１１上の触媒形成部分１２および電子放出素子１３と、ゲート電極２１に形成された開口部２２とを、カソード電極１１およびゲート電極２１に対して垂直な方向から観察して位置合わせすることによって行われる。
【００３８】
上記アライメントの後に発光容器内部を真空排気し、カソード電極１１とゲート電極２１との間に外部電源４１を、カソード電極１１とアノード電極３１との間に外部電源４２を容器外部よりそれぞれ接続することで本発明の三極構造型の電界電子放出型ランプは製造される。
【００３９】
これにより、カソード電極上へ、ゲート電極の開口部の形状に対応したパターンで電子放出素子の形成を確実に行うことができ、優れた電子放出特性の電界電子放出型ランプを安価に製造することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明に記載の三極構造型の電界電子放出型ランプは、一般照明の他、自動車用照明、液晶表示装置のバックライト、トンネル内照明、街灯などの用途での利用が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１１  カソード電極
１２  触媒形成部分
１３  電子放出素子
１４  アライメントマーク
２１  ゲート電極
２２  開口部
２３  アライメントマーク
３１  アノード電極
３２  蛍光体層
４１、４２  外部電源
【図１】
2010244737.tif 000003
【図２】
2010244737.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010244737.tif 000006