(57)【要約】【課題】強誘電体冷陰極を提供する。【解決手段】基板100と、基板の上面に形成された下部電極層120と、下部電極層の上面に形成された強誘電体層130と、強誘電体層を中心として下部電極層と対向するように配置されるものであり、導電性の超微細線形材料断片がネット状に分散されて形成された多数の網目を通じて、強誘電体層の上面を部分的に露出させる超微細線形材料ネット140と、を備えるである。【選択図】図２
2006351524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の上面に導電性物質から形成された下部電極層と、
前記下部電極層の上面に強誘電性物質から形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層を介在させて前記下部電極層と対向するように配置された上部電極層をなすものであり、導電性の超微細線形材料断片がネット状に分散されて形成された多数の網目を通じて、前記強誘電体層の上面を部分的に露出させる超微細線形材料ネットと、を備える強誘電体冷陰極。
【請求項２】
前記超微細線形材料は、ナノチューブ、ナノワイヤー、及びナノロッドのうち何れか一つの形態を有することを特徴とする請求項１に記載の強誘電体冷陰極。
【請求項３】
前記超微細線形材料は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体冷陰極。
【請求項４】
前記強誘電体層は、複数の強誘電体ナノビーズからなることを特徴とする請求項１に記載の強誘電体冷陰極。
【請求項５】
前記強誘電体ナノビーズ層は、ディッピング法またはラングミュア・ブロジェット法によって形成され、焼結されたことを特徴とする請求項４に記載の強誘電体冷陰極。
【請求項６】
前記基板は、ガラス基板であることを特徴とする請求項４に記載の強誘電体冷陰極。
【請求項７】
強誘電体冷陰極及び前記冷陰極と所定間隔をなす前面基板の対向面に配置された陽極を備えて、前記冷陰極から放出された電子を電界によって前記陽極に衝突させるようにする強誘電体電界放出素子において、
前記強誘電体冷陰極は、
背面基板と、
前記背面基板の上面に導電性物質から形成された下部電極層と、
前記下部電極層の上面に強誘電性物質から形成された強誘電体層と、
前記強誘電体層を中心として前記下部電極層と対向するように配置されるものであり、導電性の超微細線形材料断片がネット状に分散されて形成された多数の網目を通じて、前記強誘電体層の上面を部分的に露出させる超微細線形材料ネットと、を備えることを特徴とする、強誘電体電界放出素子。
【請求項８】
前記超微細線形材料は、ナノチューブ、ナノワイヤー、及びナノロッドのうち何れか一つの形態を有することを特徴とする請求項７に記載の強誘電体電界放出素子。
【請求項９】
前記超微細線形材料は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項７に記載の強誘電体電界放出素子。
【請求項１０】
前記強誘電体層は、複数の強誘電体ナノビーズからなることを特徴とする請求項７に記載の強誘電体電界放出素子。
【請求項１１】
前記強誘電体ナノビーズ層は、ディッピング法またはラングミュア・ブロジェット法によって形成され、焼結されたことを特徴とする請求項１０に記載の強誘電体電界放出素子。
【請求項１２】
前記基板は、ガラス基板であることを特徴とする請求項１０に記載の強誘電体電界放出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極または冷陰極と陽極とを有する電界放出素子に係り、より詳細には、上部電極と下部電極との間に強誘電体層を備え、前記上部及び下部電極の間に印加された電界パルスによって、電子を放出する強誘電体冷陰極及び強誘電体電界放出素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電体は、電気的絶縁体である誘電体の一種であり、特徴としては自発分極を有するだけでなく、この自発分極が電場によって逆転される現象を発現する物性を有する。強誘電体のこのような性質を利用すれば、強誘電体表面を電子で帯電させ、電界パルスを加えることによって、比較的に低いレベルの真空状態でも電子を放出させることができる。
【０００３】
図１Ａ及び図１Ｂは、従来の強誘電体冷陰極の構造及び原理を示す。Ｈ．Ｇｕｎｄｅｌらによって提案された強誘電体冷陰極(非参照文献１）は、下面全体に下部電極３０が形成された強誘電体(ＰＺＴ(Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ)、ＰＬＺＴ(Ｌａ−ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  Ｔｉｔａｎａｔｅ)など)基板１０の上面にストライプ状の上部電極２０が形成された構造を有する。
【０００４】
前記図１Ａのように、強誘電体基板１０が上向きに分極された場合には、前記ストライプ状の上部電極２０の間に露出された前記強誘電体基板１０の上面に、前記上部電極２０から流入された電子５０が分布される。次に、図１Ｂのように、前記下部電極３０に負電圧パルスが印加されれば、前記強誘電体基板１０の分極方向が逆転され、前記強誘電体基板１０の上面に帯電されていた電子が反発力によって放出される。
【０００５】
ところが、前記強誘電体１０が上向きに分極されている間、前記強誘電体１０の上面と前記上部電極２０との間には、比較的に小さな電位差が形成される。冷陰極の大きい放出電流を提供するためには、このように小さな電位差にもかかわらず、前記上部電極２０から強誘電体１０の上面に多数の電子が供給されることが要求される。また、冷陰極は、前記強誘電体の分極逆転時に反発力を受けた電子が再度上部電極に流出されず、上向きに放出させる上部電極構造を有することが要求される。
【０００６】
さらに、表面に蛍光物質がコーティングされた陽極板を前記冷陰極に対して所定間隔で対面させれば、電子と蛍光物質との衝突により発光する平板型表示装置を提供できる。かかる表示装置を提供するためには、前記冷陰極構造をガラス基板上に設けることが必須である。しかし、従来の強誘電体層は、その焼結温度がおよそ１０００℃以上なので、表示装置に主に使われるガラス基板の耐熱温度である６３０℃より顕著に高い。したがって、強誘電体冷陰極を利用した電界放出表示装置を提供するためには、その焼結温度がガラス基板の耐熱温度より低い強誘電体層を有する強誘電体冷陰極が要求される。
【非特許文献１】Ferroelectrics  Vol. 100 (1989).1
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上部電極として導電性の超微細線形材料(例えば、カーボンナノチューブ)粒子からなるネットを利用して、電子の放出及び再供給を円滑にした冷陰極を提供するところにその目的がある。
【０００８】
また、強誘電体層の焼結温度をガラス基板の耐熱温度より低くすることによって、電界放出表示装置に適用可能な強誘電体冷陰極を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による強誘電体冷陰極は、基板と、前記基板の上面に導電性物質から形成された下部電極層と、前記下部電極層の上面に強誘電性物質から形成された強誘電体層と、前記強誘電体層を介在させて前記下部電極層と対向するように配置された上部電極層をなすものであり、導電性の超微細線形材料断片がネット状に分散されて形成された多数の網目を通じて、前記強誘電体層の上面を部分的に露出させる超微細線形材料ネットと、を備える。
【００１０】
前記超微細線形材料ネットは、導電性物質から形成されたナノワイヤー、ナノチューブ、またはナノロッド粒子がネット状の薄い層に分散され、固定されたものである。上部電極層である前記超微細線形材料ネット及び前記下部電極層には、所定波形の電圧が印加される。前記印加電圧によって、前記超微細線形材料ネットから隣接した強誘電体層の表面に電子が流入され、かつ、誘電分極の逆転時には、ほぼ均一に分布された網目を通じ電子が前記ネットの外部に放出される。
【００１１】
前記超微細線形材料ネットには、多くの網目が形成される。また、前記ネットは、ナノワイヤー、ナノチューブまたはナノロッドなど、超微細線形材料の粒子からなるので、前記粒子の末端が強誘電体層の表面と狭い間隙をなす。前記超微細線形材料は、縦横比が大きくて、その末端は高い電界集中係数を有するので、前記超微細線形材料ネットと前記強誘電体層の表面との間の小さな電圧差によっても電子を円滑に供給できるという長所を有する。
【００１２】
前記強誘電体層は、強誘電性物質のナノサイズのビーズが複数の層に積層されたものでありうる。強誘電性物質としては、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＢＴ(Ｂａｒｉｕｍ  Ｔｉａｎａｔｅ)などのセラミック材料が使われる。ところで、セラミック材料は、その焼結時に材料の粒子サイズによって焼結温度が左右される。すなわち、粒子のサイズが小さいほど、焼結工程の温度を低くできる。
【００１３】
従来のマイクロサイズ粒子からなる強誘電体層を焼結させるためには、およそ１０００℃以上の高温が要求される。一方、ナノサイズビーズからなる強誘電体層の焼結工程は、平板表示装置用のガラス基板の耐熱温度である６３０℃より低い温度で行われうる。したがって、本発明の一側面によれば、ガラス基板を利用して形成できる強誘電体冷陰極構造を提供できる。
【００１４】
また、ナノサイズビーズからなる強誘電体層は、その表面に前記最上層をなすビーズの粒子面に沿って形成された微細な屈曲を有する。このような屈曲は、前記強誘電体層の表面と前記上部電極層との間に適正間隙を提供できる。
【００１５】
本発明による強誘電体電界放出素子は、強誘電体冷陰極及び前記冷陰極と所定間隔をなす前面基板の対向面に配置された陽極を備えて、前記冷陰極から放出された電子を電界によって前記陽極に衝突させるようにする強誘電体電界放出素子において、前記強誘電体冷陰極は、背面基板と、前記背面基板の上面に導電性物質から形成された下部電極層と、前記下部電極層の上面に強誘電性物質から形成された強誘電体層と、前記強誘電体層を中心として前記下部電極層と対向するように配置されるものであり、導電性の超微細線形材料断片がネット状に分散されて形成された多数の網目を通じて、前記強誘電体層の上面を部分的に露出させる超微細線形材料ネットと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明による強誘電体冷陰極及びこれを備えた強誘電体電界放出素子は、導電性の超微細線形材料(例えば、カーボンナノチューブ)粒子からなるネットを利用して、電子の放出及び再供給を円滑に行える。
【００１７】
また、強誘電体層の焼結温度をガラス基板の耐熱温度より低くすることによって、電界放出表示装置に適用させることを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付した図面を参照して、本発明による実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
図２は、本発明による強誘電体電界放出素子の一実施形態を示した断面図である。本発明による強誘電体電界放出素子は、背面基板１００上に形成された強誘電体冷陰極と、前記冷陰極と所定間隔をなす前面基板２００と、前記前面基板で前記冷陰極と対向する面に配置された陽極２１０と、を備える。
【００２０】
基板１００の上面には、導電性金属または非金属材料から下部電極層１２０が形成される。前記下部電極側１２０の上面には、強誘電性を有する物質から強誘電体層１３０が形成される。強誘電体は、高い誘電率を有する誘電体の一種であり、特徴的としては自発分極を有するだけでなく、この自発分極が外部電場によって逆転される物性を有する材料である。かかる強誘電性物質は、現在まで１００種以上が知られており、必要に応じて選択可能である。さらに具体的には、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＢＴなどのセラミック材料が前記強誘電体層の形成に使われうる。
【００２１】
前記強誘電体層１３０の上面には、前記下部電極層１２０と対向する上部電極層としてカーボンナノチューブネット１４０が備えられる。カーボンナノチューブネット１４０は、前述した超微細線形材料ネットの一例として本実施形態に適用されたものである。前記カーボンナノチューブネット１４０は、カーボンナノチューブ断片が均一に分散された状態で固定されたネット構造となっている。前記カーボンナノチューブ断片は、直径が数ないし数十ナノメートルであり、その長さは、成長時間によって変わるが、ここでは数ないし数十マイクロメートル程度であることが適当である。
【００２２】
一般的に、カーボンナノチューブは、広い表面積を有していることによって非常に大きいファン・デル・ワールス力を有する。したがって、高分子及び他の溶剤との混合時に自ら結合しようとする性質が強く、均一に分散し難いことが知られていた。しかし、最近では、カーボンナノチューブ断片を溶剤に分散及び安定化させたカーボンナノチューブ分散溶液が提供されている。したがって、前記カーボンナノチューブネットは、前記強誘電体層１３０の上面にカーボンナノチューブ分散溶液をスピンコーティングし、１００ないし１５０℃程度の比較的に低温でベーキングなどの方法で形成できる。
【００２３】
図３は、本発明による強誘電体冷陰極の一実施形態を示した断面図である。本実施形態による冷陰極は、ガラス基板１１０を備え、下部電極層１２０と上部電極層であるカーボンナノチューブネット１４０との間に複数の強誘電体ナノビーズ１３２の層からなる強誘電体層１３３を有する。本実施形態による強誘電体層１３３は、ナノサイズのビーズが稠密に配列された単層膜をなし、このような膜が複数に積層された構造を有することが望ましい。セラミック材料を焼結するに当たって、粒子のサイズが小さくなるほど、低温で焼結される傾向がある。粒径が数ないし数十ナノメートルの強誘電体ナノビーズ１３２からなる前記強誘電体層１３３は、平板表示装置用のガラス基板の耐熱温度である６３０℃より低い温度で焼結される。したがって、本実施形態による冷陰極は、ガラス基板が必ず使われる平板型表示装置に採用することができる。
【００２４】
強誘電体ナノビーズの製造方法及びナノビーズ単層膜の形成方法などは、特に限定されない。多様な方法によって前記ナノビーズを利用した強誘電体層が提供されうる。例えば、[グリコサーマル（ｇｌｙｃｏｔｈｅｒｍａｌ）法を利用したナノサイズのＢａＴｉＯ３粉末の製造方法(リン・デヨン他、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｋｏｒｅａｎ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、２００２)]などの研究を通じて提示された方法によって、強誘電体であるＢａＴｉＯ３ナノビーズが得られる。また、このように得られた強誘電体ナノビーズをもってディッピング法またはＬＢ(Ｌａｎｇｍｉｕｒ−Ｂｌｏｄｇｅｔｔ)法などを通じてナノビーズ単層膜を形成できる。ここで、ディッピング法とは、セラミック粒子と溶剤とが混合されたセラミックスラリーに基板を浸してから引き出すことによって、セラミック粒子の膜を形成する方法であり、ＬＢ法とは、下層液の表面に膜を展開し、前記膜が表面に付着されるように、基板を所定速度で引き出す方法をいう。
【００２５】
図４は、カーボンナノチューブからなる超微細線形材料ネットを示した平面図である。ナノチューブ、ナノワイヤー、ナノロッドなどの超微細線形材料断片からなる超微細線形材料ネットの一例として、カーボンナノチューブネット１４０についてさらに詳細に説明する。カーボンナノチューブネット１４０は、多くのカーボンナノチューブ断片１４１からなる。前述したように、カーボンナノチューブ断片が溶剤に分散された状態でスピンコーティングなどの方法によって薄い層をなしていることが望ましい。したがって、前記カーボンナノチューブネット１４０は、カーボンナノチューブ断片１４１が不規則に分散されて形成されたネット構造を有する。前記ネット１４０には、多くの網目１４５が形成され、前記網目１４５を通じて強誘電体層の表面が外部に露出される。
【００２６】
前記カーボンナノチューブネット１４０は、カーボンナノチューブ断片１４１からなるので、前記網目１４５ごとに数個のカーボンナノチューブの末端１４２が位置する。前記カーボンナノチューブ断片１４１は、縦横比、すなわち、その直径ｄに対する長さｌの比が非常に大きいので、電界集中係数も非常に大きい。したがって、上部電極層である前記カーボンナノチューブネット１４０と強誘電体層の表面との間に小さな電位差が起こっても、トンネリング効果によって、多数の電子が前記カーボンナノチューブの末端１４２から強誘電体層の表面に移動できる。
【００２７】
このような特徴は、カーボンナノチューブからなる場合にのみ限定されるものではない。したがって、本発明による冷陰極の上部電極層は、導電性物質のナノチューブ、ナノワイヤー、またはナノロッドなど、縦横比の大きい超微細線形材料の粒子が分散されてなされたネットを含む。
【００２８】
図５は、前記図３の実施形態を示した３次元イメージである。前記強誘電体層１３３とカーボンナノチューブネット１４０とを視覚的に理解しやすく示したものである。前記図５に示したように、前記強誘電体層１３３の表面は、複数のナノビーズ１３２層からなって、最上層のナノビーズの曲面に沿って屈曲をなす。これによって、前記強誘電体層１３３は、広い表面積を有し、かつ前記カーボンナノチューブネット１４０と所定の間隙を維持できる。
【００２９】
図６Ａないし図６Ｄは、本発明による強誘電体冷陰極の作動順序を示す。まず、図６Ａのように、下部電極１２０及び上部電極１４０によって強誘電体層１３３に上向き電界が形成されると、強誘電体層１３３が上向きに分極される。この時、前記強誘電体層１３３の上面の強誘電体ナノビーズ１３２の表面には、図６Ｂに示したように上部電極のカーボンナノチューブネット１４０から流入された電子５０が付着される。
【００３０】
図６Ｃのように、前記下部電極１２０及び上部電極１４０によって強誘電体層１３３の電界が逆転されると、前記強誘電体層１３３も下向きに分極される。この時、前記強誘電体層１３３の上面の強誘電体ナノビーズ１３２は、負電荷を帯びるようになるので、前記電子５０は、電気的反発力によって、図６Ｄに示したようにカーボンナノチューブネット１４０の網目を通じて外部に放出される。前記図６Ａないし図６Ｄには示していないが、前記冷陰極の上側に陽極が配置された場合には、放出された電子５０が前記陽極と冷陰極との間の強い電界によって加速されて陽極表面に衝突するようになる。
【００３１】
以上、本発明による望ましい実施形態が説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、平板型表示関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】従来の強誘電体冷陰極構造及び原理を示す図面である。
【図１Ｂ】従来の強誘電体冷陰極構造及び原理を示す図面である。
【図２】本発明による強誘電体電界放出素子の一実施形態を示した断面図である。
【図３】本発明による強誘電体冷陰極の一実施形態を示した断面図である。
【図４】カーボンナノチューブからなる超微細線形材料ネットを示した平面図である。
【図５】図３の実施形態を示した３次元イメージである。
【図６Ａ】本発明による強誘電体冷陰極の作動順序を示す図面である。
【図６Ｂ】本発明による強誘電体冷陰極の作動順序を示す図面である。
【図６Ｃ】本発明による強誘電体冷陰極の作動順序を示す図面である。
【図６Ｄ】本発明による強誘電体冷陰極の作動順序を示す図面である。
【符号の説明】
【００３４】
１００  背面基板、
１１０  ガラス基板、
１２０  下部電極層、
１３０、１３３  強誘電体層、
１３２  強誘電体ナノビーズ、
１４０  カーボンナノチューブネット、
１４１  カーボンナノチューブ断片、
１４２  カーボンナノチューブの末端、
１４５  網目、
２００  前面基板、
２１０  陽極。
【図１Ａ】
2006351524.tif 000003
【図１Ｂ】
2006351524.tif 000004
【図２】
2006351524.tif 000005
【図３】
2006351524.tif 000006
【図４】
2006351524.tif 000007
【図６Ａ】
2006351524.tif 000008
【図６Ｂ】
2006351524.tif 000009
【図６Ｃ】
2006351524.tif 000010
【図６Ｄ】
2006351524.tif 000011
【図５】
2006351524.tif 000012