(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子衝撃加熱蒸着法を使用してカーボンナノチューブ上に半導体又は絶縁体を蒸着し、該カーボンナノチューブ上に半導体層又は絶縁体層を堆積して形成されるフィールド・エミッタであって、前記半導体層又は絶縁体層が硼素（Ｂ）化合物、炭素（Ｃ）化合物及び窒素（Ｎ）化合物のうちの一つ、又は酸化物からなり、前記カーボンナノチューブ上に堆積される前記半導体層又は絶縁体層は、電子の伝導度を増すようにN型ドープされる、フィールド・エミッタ。
【請求項２】
アルゴン・スパッタリング法を使用してカーボンナノチューブ上に半導体層又は絶縁体層を堆積して形成されるフィールド・エミッタであって、前記半導体層又は絶縁体層が硼素（Ｂ）化合物、炭素（Ｃ）化合物及び窒素（Ｎ）化合物のうちの一つ、又は酸化物からなり、前記カーボンナノチューブ上に堆積される前記半導体層又は絶縁体層は、電子の伝導度を増すようにN型ドープされる、フィールド・エミッタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般にはカーボンナノチューブ系表示装置及びマイクロ波増幅器を含む種々の装置のためのフィールド・エミッタに関するもので、より詳しくは、フィールド・エミッタを装備した表示装置中のエミッタ材料としてカーボンナノチューブを使用するフィールド・エミッタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１９６８年に既にそのアイデアが紹介された、電界放出型表示素子（ＦＥＤ；Field Emission Display）は、ＣＲＴ（陰極線管）、ＴＦＴ−ＬＣＤ及び大型スクリーンＰＤＰに続く新世代の表示装置として継続して研究、開発が行われてきた。
【０００３】
このようなフィールド・エミッション（電界放出）型表示装置において、最も核心的な部品の一つは、ＣＲＴにおける電子銃と同等のフィールド・エミッタであり、その材料として、金属（主にモリブデン）、半導体又はダイアモンド等が検討されてきた。１９９５年頃、カーボンナノチューブをエミッタとして使用しようという提案がなされた以降、カーボンナノチューブの使用に関連する研究開発がなされてきた。
【０００４】
カーボンナノチューブをエミッタとして使用すると次のような効果がある。すなわち、カーボンナノチューブが、これまで使用されたエミッタよりもかなり薄く、低電圧の印加により高電流が生じ、先端が数多く存在することにより、冗長度が大きく、そしてカーボンの結合特性が金属エミッタよりも高い安定性を保証する等の利点がある。
【０００５】
これまで提案された炭素ナノチューブの製造アプローチとしてはつぎのようなものがある。
一番目に、化学的蒸着法（ＣＶＤ）を使用して、ニッケル等のような触媒が覆われたガラス基板上に、炭化水素を通すことで、カーボンナノチューブをガラス基板上に垂直に成長させる技術が提案されている。
【０００６】
二番目に、従来から使用されているアーク放電又はレーザーアブレーション法によって数多くのカーボンナノチューブを生成して、該カーボンナノチューブを他の金属接着剤と混合し、この混合体を基板上に整列させる技術が提案されている。
【０００７】
三番目に、酸性溶液中に浸漬されたアルミニウムに電圧を印加し、酸化アルミニウム膜を連続的に浸食して規則的に孔をあけて微細な孔を形成し（いわゆる陽極アルミナ法を利用し）、次いで陽極アルミニウム酸化膜の微細孔に炭化水素を通過させて、平行なカーボンナノチューブの集合を作る技術が提案されている。
【０００８】
図４は従来のカーボンナノチューブの代表的な概略図で、図中矢印はカソードとして使用されるカーボンナノチューブに電圧を印加したとき、放出される電子の方向を示す。実際には、非常に多数のカーボンナノチューブの先端が存在するが、ここではただ一つの代表的なカーボンナノチューブが図示されている。
【０００９】
このようなカーボンナノチューブの研究開発の努力にもかかわらず、カーボンナノチューブの使用において大きな問題が存在していて、カーボンナノチューブの構造が変形又は破壊されて安定性を欠いて、その動作を中断させる結果となることがある。
【００１０】
エミッタが動作中に故障する主な理由は、加速された電子が蛍光体に衝突して光を放出するとき、蛍光体からドロップアウトした陽イオンが逆に加速されてエミッタと衝突することである。この理由により、表示スクリーンの均一性、安定性及び耐久性が商業的使用に要求されるレベルに達しない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、上記問題点を考慮して、電子を放出するカーボンナノチューブの先端を外部粒子の衝突から保護して、要求される印加電圧を減少させることが出来るだけでなく、カーボンナノチューブの耐久性及び安定性を確立することができるように、数ナノメータの範囲内の薄い膜厚で高硬度を有する半導体層又は絶縁体層によって先端を被覆することによりフィールド・エミッション表示装置の動作を大きく改良することが出来る、カーボンナノチューブを基礎としたフィールド・エミッタを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの実施態様によれば、フィールド・エミッタは、電子衝撃加熱蒸着法（electron beam evaporation method）を使用してカーボンナノチューブ上に半導体又は絶縁体を蒸着し、該カーボンナノチューブ上に半導体層又は絶縁体層を堆積して形成される。ここで、上記半導体層又は絶縁体層は、硼素（Ｂ）化合物、炭素（Ｃ）化合物及び窒素（Ｎ）化合物のうちの一つ、又は酸化物からなり、カーボンナノチューブ上に堆積される半導体層又は絶縁体層は、電子の伝導度を増すようにＮ型ドープされる。
【００１３】
また、本発明の他の実施態様によれば、フィールド・エミッタは、アルゴンを半導体又は絶縁体にスパッター（sputtering）してその組成原子をノックアウト（knockout）し、これをカーボンナノチューブ上に吹き付ける（inject）ことにより形成され、上記半導体層又は絶縁体層は硼素（Ｂ）化合物、炭素（Ｃ）化合物及び窒素（Ｎ）化合物のうちの一つ、又は酸化物からなり、カーボンナノチューブ上に堆積される半導体層又は絶縁体層は、電子の伝導度を増すようにＮ型ドープされる。
【００１４】
さらに、例えばレーザーアブレーション法（laser ablation method）、通常のＣＶＤ法等のような非常に薄い分子層を形成するのに使用される全ての方法を使用することにより半導体層又は絶縁体層をカーボンナノチューブ上に堆積することが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の好ましい実施例によるフィールド・エミッタを示す側面図である。実際には非常に多くのカーボンナノチューブの先端が存在するが、ここではただ一つの代表的なカーボンナノチューブの先端を示している。（５，５）ナノチューブと呼ばれる単純なナノチューブが例示されているが、シングル・ウオール（一重壁）又はマルチ・ウオール（多重壁）構造のみならず、異なるワインディング（winding）形状やサイズを有するナノチューブの場合も同じ結果が得られる。
【００１６】
上述した被覆方法によって、カーボンナノチューブ１０は、高硬度の半導体層又は絶縁体層１２によって被覆される。半導体層又は絶縁体層１２は、ｎ型にドープされて、数ナノメートル（ｎｍ）以内の厚さで、外部原子又は粒子（通常、陽イオン）からの衝突に対して良好な安定性を有する。カーボンナノチューブへの被覆の目的で、ＢＮ（窒化硼素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）、Ｓｉ3Ｎ4（四窒化三珪素）、ＴｉＣ（炭化チタン）、Ｂ4Ｃ（炭化硼素）等を含む、Ｂ（硼素）、Ｃ（炭素）、Ｎ（窒素）の化合物の一種、ＴｉＯ2（二酸化チタン）、Ａｌ2Ｏ3（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）等を含む酸化物の数種及び、ＳｒＴｉＯ3等を含む強誘電体の幾つかが使用でき、またｎ型ドープを実行することなく、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）又はダイヤモンド粒子を使用することも可能である。外部粒子、例えば原子又は蛍光体からの陽イオン１４は、半導体層又は絶縁体層１２と衝突して、該半導体層又は絶縁体層１２の表面から跳ね上がるか、又は該表面に吸収される。
【００１７】
一方、仮に外部からカーボンナノチューブにバイアス電圧が印加されると、カーボンナノチューブの先端に強力な電界が生じる。この場合、被覆された材料内の電位分布のために、ポテンシャル・エネルギはカーボンナノチューブの先端からの距離に比例して低くなり、ポテンシャル・バリアが減少する。したがって、図２に示すように強力な電子放出が低いバイアス電圧で誘発される。半導体層又は絶縁材層は誘電特性を有するので、仮に電圧が半導体層又は絶縁体層に印加されると、陽電荷１８がカーボンナノチューブの周りに誘発され、負電荷２０が半導体層又は絶縁体層の表面に誘発される。それ故、矢印２２で指示したように、カーボンナノチューブが被覆されていない図４に示す場合と比較して、非常に数多くの電子が半導体層又は絶縁体層から放出される。ｎ型ドープの下では、半導体層又は絶縁体層内に新たな電子伝導が生じ、電子の流れをスムーズにする。また、半導体層又は絶縁体層を出来る限り薄くすると、電子の散乱が著しく減少する。
【００１８】
図３は本発明による、フィールド・エミッション・ディスプレイに装備されたフィールド・エミッタの適用例を例示する概略図である。本発明のフィールド・エミッション先端は、現存するフィールド・エミッション・ディスプレイ上に組み立てられるが、フィールド・エミッション先端は、図１に図示するように、半導体層又は絶縁体層によって薄く覆われたカーボンナノチューブのアレイによって形成される点に特徴を有している。
【００１９】
図３に示すように、ピクセルは、蛍光体２８によって被覆された陽極プレート３０と、本発明によって被覆されたカーボンナノチューブからなる複数のフィールド・エミッション先端、及びスペーサであってそれらの間に小さい真空ギャップを有する、複数のスペーサ３４から構成される。また、２次元的に整列されたピクセルから構成されるフィールド・エミッタ・アレイ（ＦＥＡ）パネルは、ガラス基板２４上に設置された冷陰極プレート２６を備える。冷陰極プレート２６と陽極プレート３０との間に位置決めされた金属グリッド３６は、冷陰極プレート２６から陽極プレート３０に放出される電子の量を制御する。水平及び垂直電極が冷陰極プレート２６上に配置され、ＦＥＡは該電極を介してマトリックス配列（matrix-addressed）される。それ故、金属グリッド３６に電圧が印加されている間、電子が放出され、次いで陽極プレート３０に印加された陽極電圧によって加速される。次いで、電子は真空ギャップ通過して陽極プレート上に被覆された蛍光体を打撃し、これにより光放出を引き起こす。参照符号３２は陽極プレート上を被覆する伝導性ガラス（インジウム−スズ酸化物：ＩＴＯ）である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の顕著な効果は、カーボンナノチューブを外部粒子（主に陽イオンを有する分子又は原子）の衝突から保護することである。図１に示すように、カーボンナノチューブは、その強力な結合特性のために衝突に対して耐久性のある半導体層又は絶縁体層によって保護されているので、被覆されたカーボンナノチューブは安定し且つ連続的に電子放出を起こし、これにより表示装置の輝度及びその耐久性を著しく改良する。
【００２１】
上述したように、カーボンナノチューブの先端をｎ型にドープされ且つ高硬度の半導体層又は絶縁体層によって被覆することにより、カーボンナノチューブは外部粒子の衝突から保護され、低い電圧の下で電子放出が著しく増加する。従って、本発明によるカーボンナノチューブで形成されたフィールド・エミッタは、低電圧で駆動されるだけでなく、その耐久性及び安定性が著しく増加する。それ故、ここに発明されたフィールド・エミッタは種々のフィールド・エミッション型ディスプレイ装置に効果的に適用可能である。
【００２２】
本発明の請求の範囲及び精神から逸脱することなく、本発明の種々の修正、変更ができることは、当業者にとつて、明らかであり、本発明が、本明細書に説明図示された実施例に不当に限定されるべきではないことが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明によるフィールド・エミッタの概略構造を示し、カーボンナノチューブが該カーボンナノチューブ上に被覆した薄い半導体層又は絶縁体層によって外部原子又は粒子の衝突から保護される。
【図２】図２は本発明によるフィールド・エミッタの構造による、フィールド・エミッションの増幅を表す概略図である。
【図３】図３は本発明による、フィールド・エミッション・ディスプレイに装備されたフィールド・エミッション先端の使用を表す概略図である。
【図４】従来のカーボンナノチューブを表す概略図で、図中矢印は電子放出の方向を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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