(57)【要約】【課題】電子放出能力の異なる複数種のカーボンナノチューブからなるエミッタを用いて電子放出効率の高い電子放出素子とその製造法を提供することを目的とする。また、このような電子放出素子を用いた表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】引出電極近傍で、強い電界強度の得られるエミッタアレイ周辺部に、電子放出能力の劣るカーボンナノチューブからなるカーボンナノチューブ集合体を配置し、引出電極から遠く、エミッタアレイ周辺部と比較して弱い電界強度しか得られないエミッタアレイ中央部に電子放出能力の優れたカーボンナノチューブ集合体を配置する。【選択図】　図１
2004022167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を放出するためのエミッタを、電子放出能力の異なる複数のカーボンナノチューブ集合体を用いて所定の配列にて構成したことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記エミッタから電子を引き出すための引出電極に近いエミッタ領域に配置するカーボンナノチューブ集合体の電子放出能力は、エミッタ中央部に配置したカーボンナノチューブ集合体よりも電子放出能力が低いたカーボンナノチューブを配置することを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
前記引出電極に近いエミッタ領域に配置するカーボンナノチューブ集合体はその先端が閉じた多層カーボンナノチューブから構成されており、前記エミッタ中央部に配置したカーボンナノチューブ集合体はカーボンナノグラファイバ、単層カーボンナノチューブ、先端の開いた多層カーボンナノチューブの中の少なくとも１つから構成されていることを特徴とする請求項２記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記引出電極に近いエミッタ領域に配置するカーボンナノチューブ集合体はカーボンナノグラファイバから構成されており、前記エミッタ中央部に配置したカーボンナノチューブ集合体は単層カーボンナノチューブ、あるいは先端の開いた多層カーボンナノチューブのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項２記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記引出電極に近いエミッタ領域に配置するカーボンナノチューブ集合体は単層カーボンナノチューブから構成されており、前記エミッタ中央部に配置したカーボンナノチューブ集合体は先端の開いた多層カーボンナノチューブから構成されていることを特徴とする請求項２記載の電子放出素子。
【請求項６】
先端の閉じた複数の多層カーボンナノチューブをエミッタ領域に配置する工程と、前記エミッタ領域の中央部の前記カーボンナノチューブの先端を切り取る工程とを有することを特徴とした電子放出素子の製造方法。
【請求項７】
電子放出源と該電子放出源から放出された電子により画像を形成する画像形成部とを、少なくとも備える画像表示装置であって、該電子放出源が、請求項１或いは２に記載された電子放出素子である画像表示装置。
【請求項８】
画像形成部が発光効率の異なる複数の蛍光体膜を有し、前記蛍光体膜のうち、発光効率の低い蛍光体膜に対向する電子放出源のカーボンナノチューブの電子放出能力は、発光効率の高い蛍光体膜に対向する電子放出源のカーボンナノチューブより高いことを特徴とした請求項７に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界電子放出素子と、その製造方法に関する。また、このような電子放出素子を用いた表示装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電界放出型ディスプレイ装置などの電子放出源としては、高さ及び底面の直径が１μｍ前後である円錐型のエミッタをカソード側に多数形成したスピント型電子放出素子がある。その構造の一例を図４に示す。スピント型エミッタ１３の材料としては、シリコン等の半導体、タングステン、モリブデン等の金属が知られている。前記スピント型電子放出素子は電子放出効率を向上させるために、その先端部に電界を集中させる必要があり、前記エミッタの先端を鋭利に形成しなければならないが、前記鋭利な先端を持つエミッタを大面積に精度良く形成することは非常に困難であった。
【０００３】
現在、半導体や金属を用いた前記スピント型電子放出素子にかわる電子放出源として、ダイヤモンドおよびカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、カーボンナノグラファイバなどのカーボン材料を用いたエミッタが注目されている。例えば、黒鉛の基本構造である炭素の六員環や五員環で構成されるグラフェンシートを１枚円筒状に巻いた構造をもつ単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）や、円筒状に巻いたグラフェンシートが幾重にも重なった多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）は、約１０００以上という高いアスペクト比と５〜５０ｎｍという小さい先端曲率半径を特徴とし、その端面から電子放出が起こり易いことが報告されている。また円筒形状の中心部分に空洞が存在しないカーボンナノファイバも比較的高い仕事関数を持つにも関わらず、電界放出エミッタとして機能することが知られている。Ｙ．ＳａｉｔｏらはＣａｒｂｏｎ　Ｖｏｌ．３８（２０００）ｐ．１６９の中で、ＣＮＴの電子放出能力が層構造や先端形状、チューブ中央の空洞部分の直径など、構造の違いによって異なることを報告している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記スピント型電子放出素子では、アレイ内に存在するすべてのエミッタについて、放出電流量に寄与するエミッタ先端の形状を均一に制御することは非常に困難である。低電圧駆動のためにはエミッタと引出電極間をサブミクロン以下にすることが望ましいが、エミッタと引出ゲート電極間で短絡する恐れがある。また、エミッタ材料である半導体や金属の表面状態は不安定で、典型的な動作環境、例えばイオン衝撃、化学的に活性な種との反応および極端な温度に対する耐性に問題があった。
【０００５】
図５は、図４に示したスピント型エミッタ１３のかわりにＣＮＴ集合体１５でエミッタを形成した電子放出素子である。ＣＮＴは従来のスピント型エミッタと比較して表面が安定であるため、ＣＮＴを用いた電子放出素子は従来のスピント型エミッタよりも比較的、低真空度で電子放出させることが可能である。また、ＣＮＴはサイズが小さいため、電子放出源の高集積化が実現できるといった効果がある。
【０００６】
しかしながら、スピント型エミッタでは各エミッタと引出電極間距離は一定であったのに対して、ＣＮＴを用いた電子放出素子では各ＣＮＴと引出電極間距離が異なり、エミッタ領域の中央部に存在するＣＮＴよりも引出電極近傍に存在するＣＮＴに電界が集中しやすくなる。そのためエミッタ領域の中でも引出電極近傍からは電子放出が起こりやすいが、引出電極から離れたエミッタ領域の中央からの電子放出が得られ難くなり、従ってエミッタ領域全体から電子を均一に効率よく放出させることが難しい。
【０００７】
本発明は、ＣＮＴからなるエミッタにおいて、エミッタ領域全体から電子を均一に放出できる電子放出効率の高い電子放出素子とその製造法を提供することを目的とする。また、このような電子放出素子を用いた表示装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願発明の電子放出素子は、電子放出能力の異なる複数のＣＮＴ集合体用い、エミッタ領域の中心部には電子放出能力の高いＣＮＴ集合体を用い、引き出し電極に近い領域では電子放出能力の低いＣＮＴ集合体を配置する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の電子放出素子は、電子を放出するためのエミッタを、電子放出能力の異なる複数のカーボンナノチューブ集合体を用いて所定の配列にて構成したことを特徴とする電子放出素子であり、電子放出能力の異なる複数のカーボンナノチューブからなる集合体でエミッタより構成することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載の電子放出素子は、前記エミッタから電子を引き出すための引出電極に近いエミッタ領域に配置するカーボンナノチューブ集合体の電子放出能力は、エミッタ中央部に配置したカーボンナノチューブ集合体よりも電子放出能力が低いたカーボンナノチューブを配置することを特徴とする電子放出素子であり、出電極近傍で、強い電界強度の得られるエミッタアレイ周辺部に、電子放出能力の劣るＣＮＴからなるＣＮＴ集合体を配置し、引出電極から遠く、エミッタアレイ周辺部と比較して弱い電界強度しか得られない、エミッタアレイ中央部に電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体を配置することでエミッタから均一な電子放出ができる。
【００１１】
また、本発明の請求項３に記載の電子放出素子は、前記引出電極に近いエミッタ領域に配置するカーボンナノチューブ集合体はその先端が閉じた多層カーボンナノチューブから構成されており、前記エミッタ中央部に配置したカーボンナノチューブ集合体はカーボンナノグラファイバ、単層カーボンナノチューブ、先端の開いた多層カーボンナノチューブの中の少なくとも１つから構成されていることを特徴とする請求項２記載の電子放出素子であり、前記電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体が先端の閉じたＭＷＮＴで構成される物であり、前記電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体はカーボンナノグラファイバ、ＳＷＮＴ、先端の開いたＭＷＮＴの中の１種類または複数種で構成されることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の請求項４に記載の電子放出素子は、前記引出電極に近いエミッタ領域に配置するカーボンナノチューブ集合体はカーボンナノグラファイバから構成されており、前記エミッタ中央部に配置したカーボンナノチューブ集合体は単層カーボンナノチューブ、あるいは先端の開いた多層カーボンナノチューブのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項２記載の電子放出素子であり、前記電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体がカーボンナノグラファイバで構成されるものであり、前記電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体がＳＷＮＴ、先端の開いたＭＷＮＴのいずれか一方で構成される、もしくは両方で構成されることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の請求項５に記載の電子放出素子は、前記引出電極に近いエミッタ領域に配置するカーボンナノチューブ集合体は単層カーボンナノチューブから構成されており、前記エミッタ中央部に配置したカーボンナノチューブ集合体は先端の開いた多層カーボンナノチューブから構成されていることを特徴とする請求項２記載の電子放出素子であり、前記電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体がＳＷＮＴで構成されるものであり、前記電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体が先端の開いたＭＷＮＴで構成されることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の請求項６に記載の電子放出素子の製造方法は、先端の閉じた複数の多層カーボンナノチューブをエミッタ領域に配置する工程と、前記エミッタ領域の中央部の前記カーボンナノチューブの先端を切り取る工程とを有することを特徴とした電子放出素子の製造方法であり、前記電子放出能力の劣るＣＮＴが先端の閉じたＭＷＮＴであり、前記電子放出能力の優れたＣＮＴが先端の開いたＭＷＮＴである電子放出素子において、先端の閉じたＭＷＮＴからなるエミッタアレイを提供する工程と、引出電極から離れたエミッタアレイ中央部に存在する前記先端の閉じたＭＷＮＴの先端だけを切り取る工程を有することを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の請求項７に記載の画像表示装置は、電子放出源と該電子放出源から放出された電子により画像を形成する画像形成部とを、少なくとも備える画像表示装置であって、該電子放出源が、請求項１或いは２に記載された電子放出素子である画像表示装置であることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の請求項８に記載の画像表示装置は、画像形成部が発光効率の異なる複数の蛍光体膜を有し、前記蛍光体膜のうち、発光効率の低い蛍光体膜に対向する電子放出源のカーボンナノチューブの電子放出能力は、発光効率の高い蛍光体膜に対向する電子放出源のカーボンナノチューブより高いことを特徴とした請求項７に記載の画像表示装置であることを特徴とするものである。
【００１７】
（実施の形態１）
本発明の請求項１〜５に対応する実施の形態１について概念的模式図を図３に示す。本電子放出素子は電子放出能力の異なる複数種のＣＮＴ集合体から構成されている。図１において、基板１は、例えばガラス基板である。２種類のＣＮＴ集合体５、６において、電子放出能力はＣＮＴ集合体６よりＣＮＴ集合体５の方が優れている。電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体５は引出電極から遠いエミッタアレイ中央に配置し、電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体６は引出電極近傍に配置する。Ｙ．ＳａｉｔｏらはＣａｒｂｏｎ　Ｖｏｌ．３８（２０００）ｐ．１６９において、形状の違う４種類のＣＮＴの電子放出能力を比較したところ、先端の開いたＭＷＮＴが最も電子放出能力が高く、次いで多数のＳＷＮＴからなる束、その次にカーボンナノグラファイバ、最も電子放出能力が低いのは先端の閉じたＭＷＮＴの電子放出能力であることを示している。前記Ｙ．Ｓａｉｔｏらの報告に基づき、電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体５と電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体６の組み合わせは、次のようになる。▲１▼前記電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体５が先端の開いたＭＷＮＴ集合体であって、前記電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体６がＳＷＮＴ集合体、カーボンナノグラファイバ、先端の閉じたＭＷＮＴの中の１種類または複数種で構成される。▲２▼前記電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体５がＳＷＮＴ集合体であって、前記電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体６が、カーボンナノグラファイバ、先端の閉じたＭＷＮＴの中の１種類または複数種で構成される。▲３▼前記電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体５がカーボンナノグラファイバであって、前記電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体６は先端の閉じたＭＷＮＴである。
【００１８】
前記電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体５と前記電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体６からなるエミッタアレイは、スクリーン印刷法や電着法などを用いて形成することができる。
【００１９】
以上のように、本実施の形態１によれば、引出電極電からエミッタアレイまでの距離に基づく電界強度の強弱を、ＣＮＴの電子放出能力の大小で緩和することができ、エミッタアレイ全体からの電子放出がみられ、効率よく大電流の得られる電子放出源となった。
【００２０】
（実施の形態２）
以下に、本発明の請求項６に対応する発明の実施の形態２を図２に示す。図２において、エミッタアレイ中央に存在する先端の開いたＭＷＮＴ９は、先端の閉じたＭＷＮＴ８にレーザのような高エネルギービーム７を照射するか、ホットブレードを用いて先端部分を切り取ることによって形成される。
【００２１】
本実施の形態２によれば、複数種の精製されたＣＮＴを製造する必要がなく、エミッタアレイ形成に必要な精製されたＣＮＴは先端の閉じたＭＷＮＴの１種類のみとすることができる。
【００２２】
（実施の形態３）
本発明の請求項８に対応する実施の形態３を図３に示す。図３において、緑色蛍光体１１に対向する部分のエミッタアレイは電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体６、赤色蛍光体１０あるいは青色蛍光体１２に対向する部分のエミッタアレイは電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体５で構成されている。青色蛍光体や赤色蛍光体は緑色蛍光体よりも発光効率が悪いため、従来法では青色及び赤色蛍光体に対向する電子源への印加電圧を緑色蛍光体に対向する電子源への印加電圧よりも高くするなどしなければ、各蛍光体からの発光輝度を同じすることができなかった。本実施の形態３によれば、発光効率の悪い蛍光体に対向する電子源には発光効率の良い蛍光体に対向する電子源よりも電子放出特性の優れたエミッタアレイをもちいているので、同じ電圧の印加で各蛍光体から同じ輝度の発光を得ることが可能となった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の電子放出素子によれば、引出電極近傍で、強い電界強度の得られるエミッタアレイ周辺部に、電子放出能力の劣るＣＮＴからなるＣＮＴ集合体を配置し、引出電極から遠く、エミッタアレイ周辺部と比較して弱い電界強度しか得られないエミッタアレイ中央部に、電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体を配置しているので、引出電極からエミッタアレイまでの距離に基づく電界強度の強弱を、ＣＮＴの電子放出能力の大小で緩和することができる。それによってエミッタアレイ全体が効率良く電子放出を行うことができる。
【００２４】
さらに、本発明の電子放出素子の製造法によれば、電子放出能力の劣るＣＮＴが先端の閉じたＭＷＮＴであって、電子放出能力の優れたＣＮＴが先端の開いたＭＷＮＴであるとき、先端の開いたＭＷＮＴは先端の閉じたＭＷＮＴの先端を高エネルギービームやホットブレードなどで切り取ることによって作製できるので、精製された複数種のＣＮＴを必要とせず、１種類のＣＮＴを使用できる。従って、安価に性能の良い電子放出素子が実現できる。
【００２５】
本発明の画像表示装置は、エミッタアレイ全体からの電子放出がみられる効率の良い電子放出源を用いているので、本画像表示装置は消費電力を抑えることができる。
【００２６】
本発明の画像表示装置は、緑色蛍光体よりも発光効率が悪い青色蛍光体や赤色蛍光体からなる蛍光体面に対向する電子源には緑色蛍光体に対向する電子源よりも電子放出特性の優れたエミッタアレイを用いるので、青色蛍光体と赤色蛍光体に対向する電子源に印加する電圧が緑色蛍光体に対向する電子源に印加した電圧と同じであっても、各蛍光体からほぼ同じ輝度の発光を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる電子放出素子の構成を示す概念的模式図
【図２】本発明の実施の形態２にかかる電子放出素子製造方法の概念的模式図
【図３】本発明の実施の形態３にかかる画像表示装置の要部断面図
【図４】従来のスピント型電子放出素子を示す図
【図５】従来のＣＮＴ集合体からなる電子放出素子を示す図
【符号の説明】
１　基板
２　導電層
３　絶縁層
４　引出電極
５　電子放出能力の優れたＣＮＴ集合体
６　電子放出能力の劣るＣＮＴ集合体
７　高エネルギービーム
８　先端の閉じたＭＷＮＴ
９　先端の開いたＭＷＮＴ
１０　赤蛍光体面
１１　緑色蛍光体
１２　青色蛍光体
１３　スピント型エミッタ
１４　抵抗層
１５　ＣＮＴ集合体
【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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