(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の片面にゲート電極が形成され、該ゲート電極及び前記絶縁基板に形成された貫通孔に、配向カーボンナノチューブを内部に有し、かつ外周が絶縁層で覆われている物質が該配向カーボンナノチューブの端面を露出させた状態で埋め込まれて電子源を構成し、前記絶縁基板の他面に前記配向カーボンナノチューブの他端面に接触するエミッタ配線が形成されていることを特徴とする冷陰極。
【請求項２】
絶縁基板の片面にゲート電極が形成され、該ゲート電極及び前記絶縁基板に形成された貫通孔に、配向カーボンナノチューブを内部に有する物質が該配向カーボンナノチューブの端面を露出させた状態で埋め込まれて電子源を構成し、前記絶縁基板の他面に前記配向カーボンナノチューブの他端面に接触するエミッタ配線が形成され、さらに、前記配向カーボンナノチューブを内部に有する物質の外周が絶縁層及び該絶縁層の外周の導電層で覆われ、かつ、前記電子源はその両端が前記絶縁基板より突出されるとともに上端が前記ゲート電極より突出され、前記絶縁層の下端部は溶融されて前記導電層の下端を覆う気密部を構成していることを特徴とする冷陰極。
【請求項３】
絶縁基板の片面にゲート電極が形成され、該ゲート電極及び前記絶縁基板に形成された貫通孔に、配向カーボンナノチューブを内部に有する絶縁体物質が該配向カーボンナノチューブの端面を露出させた状態で埋め込まれて電子源を構成し、前記配向カーボンナノチューブの表面が導電体メッキで覆われ、前記絶縁基板の他面に前記配向カーボンナノチューブの他端面に接触するエミッタ配線が形成されていることを特徴とする冷陰極。
【請求項４】
前記配向カーボンナノチューブを内部に有する物質が導電体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷陰極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カーボンナノチューブを電子源として用いる冷陰極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在使われているＣＲＴ等の電子管では、電子源として熱電子放出により電子を供給する熱陰極が一般に用いられている。熱電子放出は、物質を１５００〜２００Ｋまで加熱して、伝導帯の自由電子に仕事関数以上のエネルギを与えることで、電子が放出される機構であり、現在はＢａ化合物とＷ粉末とを混合してプレス焼結した焼結型、多孔性ＷにＢａ化合物を溶融状態で含浸させた含浸型が主流である。なお、電子放出には、熱電子放出以外に電界放出、二次電子放出、光電子放出等がある。
【０００３】
冷陰極は、電界放出により電子放出を行う陰極である。電界放出は、物質の表面近傍に強電界（１０９  Ｖ／ｍ）を加え、表面のポテンシャル障壁を下げることでトンネル効果により電子放出を行うものである。その電流−電圧特性はファウラ・ノードハイムの式で近似できる。電子放出部は、絶縁を保ちながら強電界を印加するために、電界集中定数を大きくする構造、例えば針状等としている。
【０００４】
初期の冷陰極はウィスカーのような針状単結晶を電界研磨して用いた２極管構造であったが、近年、集積回路又は薄膜の分野において用いられている微細加工技術により、高電界において電子を放出する電界放出型電子源（フィールドエミッタアレイ）の製造技術の進歩は目覚ましく、特に極めて小型な構造を有する電界放出型冷陰極が製造されている。この種の電界放出型冷陰極は、３極管の超小型電子管又は超小型電子銃を構成する主要部品の内、最も基本的な電子放出デバイスである。構造の微細化が進んだことにより、電子源としては熱陰極に比較して高い電流密度を得られる利点がある。
【０００５】
電界放出型電子源の動作及び製造方法は、スタンフォード・リサーチ・インスティチュート（Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）のシー．エー．スピント（Ｃ．Ａ．ＳＰｉｎｄｔ）らによるジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｍａｌ  ｏｆ  ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ）  の第４７巻、１２号、５２４８〜５２６３項（１９７６年１２月）に発表された研究報告により公知であり、米国特許第４，３０７，５０７号及び米国特許第４，５１３，３０８号に開示されている。
【０００６】
冷陰極を用いたフィールドエミッションディスプレイ（以下、ＦＥＤという）は、自発光型フラットパネルディスプレイヘの応用が期待され、電界放出型電子源の研究、開発が盛んに行われている。
フィールドエミッションは、２〜３％の電界変化に対して放出電流量が２〜３倍に変化するため、ＦＥＤに用いる場合、抵抗層導入等の様々な制限機構を導入する必要がある。
ＦＥＤに用いられる電界放出型電子源の材料としては、様々のものが知られており、近年、電子放出材料の微粒子として、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が注目されている。
【０００７】
カーボンナノチューブは、１９９１年、飯島らにより発見（Ｓ．Ｉｉｊｉｍａ，Ｎａｔｕｒｅ，３５４，５６．１９９１）  された。このカーボンナノチューブは、円筒状に巻いたグラファイト層が入れ子状になったもので、その先端径が約１０ｎｍ程度であり、耐酸化性、耐イオン衝撃性が強い点で電子源アレイとしては非常に優れた特徴を有する材料と考えられている。実際、カーボンナノチューブからの電界放出実験が、１９９５年にＲ．Ｅ．Ｓｍａｌｌ１ｅｙら（Ａ．Ｇ．Ｒｉｎｚｌｅｒ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２６９．１５５０．１９９５）  とＷ．Ａ．ｄｅＨｅｅｒら（Ｗ．Ａ．ｄｅ  Ｈｅｅｒ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２７０．１１７９．１９９５）  の研究グルーブ分ら報告されている。これらの電界放出実験に用いられたカーボンナノチューブは金属薄板上にキャスティングされたものである。
【０００８】
カーボンナノチューブは、高アスペクト比を有する構造を持つので、その軸方向が電界の方向に配向した場合の方がより高効率の電子放出を期待できる。配向させたカーボンナノチューブを用いた電子放出素子としては、陽極酸化膜の細孔に選択成長した３極管構造のものが知られており、画素内の各々の電子源の特性バラツキを低減し、画素当たりの電流強度の安定性を改善させている（特開平１０−１２１２４号公報参照）。また、真空下でＳｉＣ結晶上に配向したカーボンナノチューブを形成することも報告されている（特開平１０−２６５２０８号公報参照）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の陽極酸化膜細孔を用いたカーボンナノチューブ電子源にあっては、カーボンナノチューブ生成条件が高温であるため、絶縁基板のアルミニウムへのダメージが問題となる。また、ＳｉＣ結晶上にカーボンナノチューブを配向させることは、カーボンナノチューブ形成、パターン化を真空装置内で行うため特別な装置を必要とし、また、カーボンナノチューブの密度が高いため、カーボンナノチューブの形状因子による電界集中の度合いが小さくなり、低電圧で電子放出を行うカーボンナノチューブの利点が生かされないという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、低電圧で高い放出電流密度が可能な電界放出型電子源を有する冷陰極、及びカーボンナノチューブを分散させた物質を引き伸ばすことにより低温下で確実に配向カーボンナノチューブを形成する冷陰極を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の冷陰極は、絶縁基板の片面にゲート電極が形成され、該ゲート電極及び前記絶縁基板に形成された貫通孔に、配向カーボンナノチューブを内部に有し、かつ外周が絶縁層で覆われている物質が該配向カーボンナノチューブの端面を露出させた状態で埋め込まれて電子源を構成し、前記絶縁基板の他面に前記配向カーボンナノチューブの他端面に接触するエミッタ配線が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、前記配向カーボンナノチューブを内部に有する物質の外周が絶縁層で覆われていることで、外周の絶縁層が物質の接合面となるのでより低温での接合を行うことができ、ゲート配線とエミッタ配線との間の絶縁性を高めることができる。
【００１３】
本発明の冷陰極は、絶縁基板の片面にゲート電極が形成され、該ゲート電極及び前記絶縁基板に形成された貫通孔に、配向カーボンナノチューブを内部に有する物質が該配向カーボンナノチューブの端面を露出させた状態で埋め込まれて電子源を構成し、前記絶縁基板の他面に前記配向カーボンナノチューブの他端面に接触するエミッタ配線が形成され、さらに、前記配向カーボンナノチューブを内部に有する物質の外周が絶縁層及び該絶縁層の外周の導電層で覆われ、かつ、前記電子源はその両端が前記絶縁基板より突出されるとともに上端が前記ゲート電極より突出され、前記絶縁層の下端部は溶融されて前記導電層の下端を覆う気密部を構成していることで、電子源の電子放出面をよりアノード側に近づけることができ、電子ビームの広がりを抑制でき、また、気密部により、気密性の向上とエミッタ配線とゲート電極間の絶縁の向上が図られる。
【００１４】
本発明の冷陰極は、絶縁基板の片面にゲート電極が形成され、該ゲート電極及び前記絶縁基板に形成された貫通孔に、配向カーボンナノチューブを内部に有する絶縁体物質が該配向カーボンナノチューブの端面を露出させた状態で埋め込まれて電子源を構成し、前記配向カーボンナノチューブの表面が導電体メッキで覆われ、前記絶縁基板の他面に前記配向カーボンナノチューブの他端面に接触するエミッタ配線が形成されていることで、配向カーボンナノチューブは絶縁体中に分散させているため、ゲート配線との間に高い絶縁を得ることができ、また、カーボンナノチューブ表面が導電性の物質で覆われているため、分散させたカーボンナノチューブ同士の接触により、エミッタ配線との十分なコンタクトを得ることができる。
【００１５】
また、本発明の冷陰極の製造方法は、カーボンナノチューブを物質内に分散させる工程と、前記カーボンナノチューブを分散させた物質を引き伸ばして細線を作製することにより配向カーボンナノチューブを形成する工程と、前記細線を切断した切断短片をゲート電極及び絶縁基板を貫通する貫通孔に埋め込む工程と、を含むことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について、具体的な実施の形態により詳細に説明する。
第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態におけるカーボンナノチューブ配向工程図である。図１（ａ）に示すように、るつぼ１２内において、カーボンナノチューブ１をアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気で溶融コバール金属２に分散させ、線引き用のプリフォーム（直径５０ｍｍ）３を作製した（図１（ｂ）参照）。これを光ファイバ線引き用加熱炉で線引きし、図１（ｃ）〜（ｅ）に示すように中間線材４から最終的に直径０．０４ｍｍの細線５を作製した。
【００１７】
この細線５の作製工程によりカーボンナノチューブ１は配向されて、図１（ｅ）に示すように、コバール金属２内に配向カーボンナノチューブ１ａを含む細線５が作製される。なお、細線５を作製する手段は、この方法に限らず、引き抜き加工あるいはるつぼ法等の周知の手段によって作製してもよい。これは以下の各実施の形態においても同様である。
【００１８】
図２は、第１の実施の形態における冷陰極を示す図であり、図２（ａ）はその上面図、図２（ｂ）はその断面図、図２（ｃ）はその下面図である。セラミック基板７の上面にはＸ方向にゲート電極８のパターンが形成され、このゲート電極８からセラミック基板７に貫通する貫通孔９が形成されている。この貫通孔９に前記の細線５を切断した形成された切断短片１０を埋め込んだ後、セラミック基板７をマイナスにして直流電圧１０００Ｖを印加し、６００℃、３０分で直流電圧印加法により接合を行った。その後、セラミック基板７の背面にＹ方向のエミッタ配線１１を形成した。なお、エミッタ配線１１の幅Ｔは貫通孔９の孔径より大きくし、気密性の向上を図っている。このようにして、ＸＹマトリクス配置の電子源Ｅが構成される。
【００１９】
第２の実施の形態
図３は、第２の実施の形態におけるカーボンナノチューブ配向工程図である。図３（ａ）に示すように、二重るつぼ２２の内側において、カーボンナノチューブ１をＡｒガス雰囲気で溶融コバール金属２に分散させ、外側に溶融フリットガラス６を入れ、二重るつぼ法により線引きする。そして、図３（ｂ）〜（ｅ）に示すように、プリフォーム（直径５０ｍｍ）３、中間線材４から最終的に直径０．０５ｍｍの細線５を作製する。
【００２０】
この細線５の作製工程によりカーボンナノチューブ１は配向されて、図３（ｅ）に示すようにコバール金属２内に配向カーボンナノチューブ１ａを含む細線５が作製される。この細線５の外周はフリットガラス絶縁層６ａで覆われている。なお、フリットガラス絶縁層６ａを形成する手段は、この二重るつぼ法に限定されず、蒸着、溶射等を用いてもよい。
【００２１】
図４は、第２の実施の形態における冷陰極を示す図であり、図４（ａ）はその上面図、図４（ｂ）はその断面図、図４（ｃ）はその下面図である。ゲート電極パターン８からセラミック基板７に貫通する貫通孔９に細線５を切断した切断短片１０を埋め込んだ後、６００℃、３０分で接合を行った。その後、セラミック基板７の背面に第１の実施の形態と同様のエミッタ配線１１を形成した。このようにして、ＸＹマトリクス配置の電子源Ｅが構成される。
【００２２】
第３の実施の形態
図５は、第３の実施の形態におけるカーボンナノチューブ配向工程図である。図５（ａ）において、カーボンナノチューブ１をＡｒガス雰囲気で溶融した銀１６中に分散させた後、外周にフリットガラス１７を溶射し、更に最外周にコバール金属１８を溶射して、線引き用のプリフォーム（直径５０ｍｍ）３を作製した（図５（ｂ）参照）。これを光ファイバ線引き用加熱炉で線引きし、図５（ｃ）〜（ｅ）に示すように中間線材４から最終的に直径０．０５ｍｍの細線５を作製する。
【００２３】
この細線５の作製工程によりカーボンナノチューブ１は配向されて、図５（ｅ）に示すように銀１６内に配向カーボンナノチューブ１ａを含む細線５が作製される。この細線５の外周は、フリットガラス絶縁層１７ａとコバール金属１８の導電層１８ａで覆われている。
【００２４】
図６は、第３の実施の形態における電子源形成工程図である。図６（ａ）において、ゲート電極８からセラミック基板７に貫通する貫通孔９に細線５を切断した切断短片１０を上端及び下端が各々セラミック基板７の上面及び下面から突出した状態で埋め込んだ後、セラミック基板７をマイナスにして直流電圧１０００Ｖを印加し、６００℃、３０分で直流電圧印加法により接合を行う。
【００２５】
次に、図６（ｂ）において、塩酸によるエッチングでセラミック基板７の背面の突出部のコバール金属１８の導電層１８ａを除去する。更に、図６（ｃ）において、４５０℃に加熱し、フリットガラス絶縁層１７ａを軟化させることで、導電層１８ａを覆う気密部１９を形成する。
【００２６】
図７は、第３の実施の形態における冷陰極を示す図であり、図７（ａ）はその上面図、図７（ｂ）はその断面図、図７（ｃ）はその下面図である。セラミック基板７の背面に、切断短片１０の銀１２にのみ接触するようにエミッタ配線１１を形成する。このようにして、ＸＹマトリクス配置の電子源Ｅが構成される。この電子源Ｅはゲート電極８の面より突出しているため、電子源Ｅの電子放出面をよりアノード側に近づけることができ、電子ビームの広がりを抑制できる。また、気密部１９により、気密性の向上と、エミッタ１１、ゲート電極８間の絶縁の向上が図られる。
【００２７】
第４の実施の形態
図８は、第４の実施の形態におけるカーボンナノチューブ配向工程図である。図８（ａ）において、無電解ニッケルメッキ１５を施したカーボンナノチューブ１をフリットガラス２０中に分散させ、線引き用のプリフォーム（直径５０ｍｍ）３を作製した（図８（ｂ）参照）。これを光ファイバ線引き用加熱炉で線引きし、図８（ｃ）〜（ｅ）に示すようにプリフォーム（直径５０ｍｍ）３、中間線材４から最終的に直径０．０４ｍｍの細線５を作製する。この細線５には、無電解ニッケルメッキ１５を施した配向カーボンナノチューブ１ａを含んでいる。
【００２８】
図９は、第４の実施の形態における電子源形成工程図である。図９（ａ）において、ゲート電極８からセラミック基板７に貫通する貫通孔９に細線５を切断した切断短片１０を充填した後、４５０℃、１５分で接合を行った。その後、セラミック基板７の背面に第１の実施の形態と同様のエミッタ配線１１を形成した。次に、図９（ｂ）において、塩酸によるエッチングにより露出しているニッケルメッキ部１５を除去し、配向カーボンナノチューブ１ａの先端を露出２１させる。このようにして、ＸＹマトリクス配置の電子源Ｅが構成される。
【００２９】
図１０は、第４の実施の形態における冷陰極を示す図であり、図１０（ａ）はその上面図、図１０（ｂ）はその断面図、図１０（ｃ）はその下面図である。
図１０に示すように、セラミック基板７の背面に、フリットガラス２０を塞ぐようにエミッタ配線１１を形成する。このようにして、ＸＹマトリクス配置の電子源Ｅが構成される。この電子源Ｅは、配向カーボンナノチューブ１ａの表面が無電解ニッケルメッキ１５で覆われていることで、分散させたカーボンナノチューブ１ａ同士の接触により、エミッタ配線１１との十分なコンタクトを得ることができる。
【００３０】
第５の実施の形態
図１１は、第５の実施の形態における冷陰極を示す図であり、図１１（ａ）はその上面図、図１１（ｂ）はその下面図である。
第３の実施の形態と同一構成の電子源Ｅを、３個を１組として、ゲート電極８上に配置し、３個を１組としてエミッタ配線１１を形成している。これによりＲＧＢのフルカラー表示に対応させることができる。また、本実施の形態では、インライン配置を用いているが、Δ配列を形成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の冷陰極によれば、ゲート電極及び絶縁基板に形成された貫通孔に配向カーボンナノチューブを有する物質を埋め込んで電子源を構成したので、低電圧で高い放出電流密度が可能な電界放出電子源を有する冷陰極が得られる。また、エミッタ配線を絶縁基板裏面に設けたので、ＸＹマトリクス形成時のゲート電極との絶縁を容易に行うことができると共に、エミッタ配線が絶縁基板裏面の電子源充填部を覆うため気密性が向上する。
【００３２】
また、本発明の冷陰極の製造方法によれば、カーボンナノチューブを物質内に分散させ、引き伸ばして細線を作製することにより配向カーボンナノチューブを形成するので、低温下で、かつ真空装置等を用いることなく配向したカーボンナノチューブを容易かつ確実に形成でき、また、細線の切断短片を貫通孔に埋め込むことにより所定の位置に正確に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態におけるカーボンナノチューブ配向工程図である。
【図２】第１の実施の形態における冷陰極を示す図である。
【図３】第２の実施の形態におけるカーボンナノチューブ配向工程図である。
【図４】第２の実施の形態における冷陰極を示す図である。
【図５】第３の実施の形態におけるカーボンナノチューブ配向工程図である。
【図６】第３の実施の形態における電子源形成工程図である。
【図７】第３の実施の形態における冷陰極を示す図である。
【図８】第４の実施の形態におけるカーボンナノチューブ配向工程図である。
【図９】第４の実施の形態における電子源形成工程図である。
【図１０】第４の実施の形態における冷陰極を示す図である。
【図１１】第５の実施の形態における冷陰極を示す図である。
【符号の説明】
１  カーボンナノチューブ
１ａ  配向カーボンナノチューブ
２  コバール金属（カーボンナノチューブを分散させた物質）
６  フリットガラス（絶縁体）
７  セラミック基板（絶縁基板）
８  ゲート電極
９  貫通孔
１０  切断短片
１１  エミッタ配線
１６  銀（カーボンナノチューブを分散させた物質）
１５  ニッケルメッキ（導電体メッキ）
１７  フリットガラス（絶縁層）
１８  コバール金属（導電層）
１９  気密部
２０  フリットガラス（カーボンナノチューブを分散させた物質）
２２  二重るつぼ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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