(57)【要約】【課題】収束電極を設けることなく、光学的クロストークの発生を確実に防止し得る冷陰極電界電子放出表示装置を提供する。【解決手段】冷陰極電界電子放出表示装置は、冷陰極電界電子放出素子を、複数、備えたカソードパネルと、蛍光体層及びアノード電極が設けられたアノードパネルとが、それらの周縁部で接合されて成り、冷陰極電界電子放出素子は、カソード電極と、絶縁層と、ゲート電極と、カソード電極とゲート電極の重複する重複領域に位置するゲート電極及び絶縁層の部分に形成された開口部と、開口部の底部に位置する電子放出部から成り、該開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の２次微係数φ”＝［∂2φ／∂ｚ2］x=0,y=0の値が、−０．０２＜φ”＜０．０２を満足する。【選択図】  図１
2004200109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷陰極電界電子放出素子を、複数、備えたカソードパネルと、蛍光体層及びアノード電極が設けられたアノードパネルとが、それらの周縁部で接合されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
冷陰極電界電子放出素子は、
（Ａ）支持体上に形成され、第１の方向に延びるカソード電極と、
（Ｂ）支持体及びカソード電極上に形成された絶縁層と、
（Ｃ）絶縁層上に形成され、第１の方向とは異なる第２の方向に延びるゲート電極と、
（Ｄ）カソード電極とゲート電極の重複する重複領域に位置するゲート電極及び絶縁層の部分に形成された開口部と、
（Ｅ）開口部の底部に位置する電子放出部、
から成り、
該開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の２次微係数φ”＝［∂2φ／∂ｚ2］x=0,y=0の値が、
−０．０２＜φ”＜０．０２
を満足することを特徴とする冷陰極電界電子放出表示装置。
【請求項２】
前記重複領域の平面形状は長方形であり、
前記開口部の平面形状は、長方形の該重複領域の長辺に平行な長辺を有する長方形であることを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電界電子放出表示装置。
【請求項３】
電子放出部は、カーボン・ナノチューブ構造体から構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の冷陰極電界電子放出表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷陰極電界電子放出表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
テレビジョン受像機や情報端末機器に用いられる表示装置の分野では、従来主流の陰極線管（ＣＲＴ）から、薄型化、軽量化、大画面化、高精細化の要求に応え得る平面型（フラットパネル型）の表示装置への移行が検討されている。このような平面型の表示装置として、液晶表示装置（ＬＣＤ）、エレクトロルミネッセンス表示装置（ＥＬＤ）、プラズマ表示装置（ＰＤＰ）、冷陰極電界電子放出表示装置（ＦＥＤ：フィールドエミッションディスプレイ）を例示することができる。このなかでも、液晶表示装置は情報端末機器用の表示装置として広く普及しているが、据置き型のテレビジョン受像機に適用するには、高輝度化や大型化に未だ課題を残している。これに対して、冷陰極電界電子放出表示装置は、熱的励起によらず、量子トンネル効果に基づき固体から真空中に電子を放出することが可能な冷陰極電界電子放出素子（以下、電界放出素子と呼ぶ場合がある）を利用しており、高輝度及び低消費電力の点から注目を集めている。
【０００３】
図２及び図３に、電界放出素子を利用した冷陰極電界電子放出表示装置（以下、表示装置と呼ぶ場合がある）の一例を示す。尚、図２は表示装置の模式的な一部端面図であり、図３はカソードパネルＣＰとアノードパネルＡＰを分解したときの模式的な部分的斜視図である。
【０００４】
図示した電界放出素子は、略平面状の電子放出部を有する、所謂扁平型電界放出素子と呼ばれるタイプの電界放出素子である。この電界放出素子は、支持体１０上に形成されたカソード電極１１と、支持体１０及びカソード電極１１上に形成された絶縁層１２と、絶縁層１２上に形成されたゲート電極１３と、ゲート電極１３及び絶縁層１２に設けられた開口部１４（ゲート電極１３に設けられた第１開口部１４Ａ、及び、絶縁層１２に設けられた第２開口部１４Ｂ）と、開口部１４の底部に位置するカソード電極１１上に形成された電子放出部１５から構成されている。一般に、カソード電極１１とゲート電極１３とは、これらの両電極の射影像が互いに直交する方向に各々ストライプ状に形成されており、これらの両電極の射影像が重複する重複領域（１サブピクセルに相当する大きさを有する）に、通常、複数の電界放出素子が設けられている。更に、かかる重複領域が、カソードパネルＣＰの有効領域（実際の表示部分として機能する領域）内に、通常、２次元マトリックス状に配列されている。
【０００５】
一方、アノードパネルＡＰは、基板３０と、基板３０上に形成され、所定のパターンを有する蛍光体層３１（３１Ｒ，３１Ｂ，３１Ｇ）と、その上に形成されたアノード電極３３から構成されている。１サブピクセルは、カソードパネル側のカソード電極１１とゲート電極１３との重複領域に設けられた電界放出素子の一群と、これらの電界放出素子の一群に対面したアノードパネル側の蛍光体層３１とによって構成されている。有効領域には、かかる３つのサブピクセルから成る画素が、例えば数十万〜数百万個ものオーダーにて配列されている。尚、蛍光体層３１と蛍光体層３１との間の基板３０上にはブラックマトリックス３２が形成されている。
【０００６】
アノードパネルＡＰとカソードパネルＣＰとを、重複領域と蛍光体層３１とが対向するように配置し、周縁部において枠体３４を介して接合することによって、表示装置を作製することができる。アノードパネルＡＰとカソードパネルＣＰと枠体３４とによって囲まれた空間は真空となっている。
【０００７】
カソード電極１１には相対的な負電圧がカソード電極制御回路４０から印加され、ゲート電極１３には相対的な正電圧がゲート電極制御回路４１から印加され、アノード電極３３にはゲート電極１３よりも更に高い正電圧がアノード電極制御回路４２から印加される。カソード電極１１とゲート電極１３との間に電圧を印加した際に生ずる電界により、量子トンネル効果に基づき電子放出部１５から電子が放出され、この電子がアノード電極３３に引き付けられ、蛍光体層３１に衝突する。その結果、蛍光体層３１が励起されて発光し、所望の画像を得ることができる。つまり、この表示装置の動作は、基本的に、ゲート電極１３に印加される電圧、及びカソード電極１１を通じて電子放出部１５に印加される電圧によって制御される。
【０００８】
このように、カソード電極１１、ゲート電極１３及びアノード電極３３に電圧を印加すると、ゲート電極１３とアノード電極３３との間の空間、及び、開口部１４内に静電場が形成され、開口部１４内、及び、開口部１４の近傍の空間には一種の電子レンズが形成される。尚、この電子レンズが凸レンズであるか凹レンズであるかを、開口部１４の中心軸線ＣＬ上における、アノード電極３３、ゲート電極１３及びカソード電極１１によって形成される等電位面の２次微係数φ”＝［∂2φ／∂ｚ2］x=0,y=0の値で、以下のとおり、定義する。また、以下の説明において、開口部１４の中心軸線ＣＬの延びる方向をｚ方向とし、ゲート電極１３の延びる方向を、便宜上、ｘ方向とし、カソード電極１１の延びる方向を、便宜上、ｙ方向とする。尚、ｙ方向は、図２において、図面の紙面垂直方向に相当する。凸レンズの電子レンズが形成された状態を、図１０に模式的に示す。
【０００９】
φ”＜０・・・凹レンズ
φ”＞０・・・凸レンズ
【００１０】
ところで、電子放出部１５から放出される電子は、ｚ方向のみならず、通常、ｘ方向及びｙ方向の運動エネルギー成分を有している。従って、電子は、支持体１０の法線方向を中心として或る立体角を有した状態で、広がりをもって電子放出部１５から放出される。
【００１１】
φ”≪０の場合、即ち、上記の電子レンズが焦点距離の短い凹レンズに相当する場合、この放出電子の広がりが凹レンズによって拡大される結果、電子放出部１５に対向する蛍光体層３１に衝突せずに、かかる蛍光体層３１に隣接した蛍光体層３１に衝突する場合がある。このような状態を模式的に図１１に示す。このような現象が発生すると、輝度の低下や、色純度の低下、隣接画素間の光学的クロストークが発生する。
【００１２】
一方、φ”≫０の場合、即ち、上記の電子レンズが焦点距離の短い凸レンズに相当する場合、電子放出部１５から放出された電子が、ゲート電極１３とアノード電極３３との間の空間において一旦収斂され、次いで、発散する結果、電子放出部１５に対向する蛍光体層３１に衝突せずに、かかる蛍光体層３１に隣接した蛍光体層３１に衝突する場合がある。このような現象が発生すると、やはり、輝度の低下や、色純度の低下、隣接画素間の光学的クロストークが発生する。
【００１３】
カソードパネルＣＰの一部分におけるカソード電極１１、ゲート電極１３及び開口部１４の模式的な配置図を図４に示す。１画素は３つのサブピクセル（ＳＰR，ＳＰG，ＳＰB）から構成されている。図４において、カソード電極１１は紙面上下方向（ｙ方向）に延び、ゲート電極１３は紙面左右方向（ｘ方向）に延びている。例えば、１画素の大きさが０．５ｍｍ×０．５ｍｍである場合、１サブピクセルの大きさ（Ｌ1×Ｌ2）は０．５ｍｍ×０．１６６ｍｍである。また、ゲート電極１３の幅（ＷGATE）は０．４２ｍｍである。尚、図４においては、１サブピクセルにおいて、開口部１４が５個、設けられている状態を示しているが、開口部１４の数は、これに限定するものではない。また、カソード電極１１を明示するために、カソード電極１１に斜線を付したが、実際には、カソード電極１１は絶縁層１２に覆われている。
【００１４】
このような配置状態においては、隣り合う蛍光体層３１のｘ方向の間の距離が、隣り合う蛍光体層３１のｙ方向の間の距離よりも短いが故に、電子放出部１５から放出される電子の広がりは、ｘ方向により一層少なくなければならない。
【００１５】
光学的クロストークの発生を防止するために、図１２に模式的な一部端面図を示すように、収束電極１１３が設けられた電界放出素子が提案されている（例えば、特開２００２−２７００９９参照）。この電界放出素子にあっては、ゲート電極１３及び絶縁層１２上に、更に第２絶縁層１１２が設けられ、第２絶縁層１１２上に収束電極１１３が設けられている。ここで、収束電極１１３は、有効領域を覆う１枚のシート状の形状を有する。尚、参照番号３１４は、収束電極１１３及び第２絶縁層１１２に設けられた開口部を示す。収束電極１１３には、収束電極制御回路（図示せず）から相対的に負電圧（例えば、０ボルト）が印加される。そして、このように収束電極１１３を設けることによって、一種の凸レンズから成る電子レンズを形成することで、第２開口部３１４から放出されアノード電極３３へ向かう放出電子の軌道を収束させることができるとされている。
【００１６】
【特許文献１】特開２００２−２７００９９
【特許文献２】特開平８−９６７０３
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、収束電極１１３を設けるが故に、カソードパネルの製造工程が複雑となり、冷陰極電界電子放出表示装置の製造コスト増を招くといった問題がある。
【００１８】
尚、特開平８−９６７０３の段落番号００３５には、電子のようなエネルギー粒子を放出するための微小孔内において、第１の電極（カソード電極に相当する）と接して仕事関数の小さい粒子放出物質を薄膜（電子放出部に相当する）に設ける技術が開示されている。そして、第１の電極と第２の電極（ゲート電極に相当する）との間に電圧を印加した際に等電位面が薄膜に沿って平坦に形成され、この平坦な等電位面に対して直交して進行する粒子は、微小孔から対象物（例えば螢光体面）へかなり揃った方向性を以て進行するため、常に目的とする対象物に到達することができ、ミスランディングを大きく減少させることができ、高精細化が可能となるとされている。しかしながら、この特許公開公報には、開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の２次微係数φ”といった概念は、何ら開示されていない。
【００１９】
従って、本発明の目的は、収束電極を設けることなく、輝度の低下や、色純度の低下、光学的クロストークの発生を確実に防止し得る冷陰極電界電子放出表示装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の冷陰極電界電子放出表示装置は、
冷陰極電界電子放出素子を、複数、備えたカソードパネルと、蛍光体層及びアノード電極が設けられたアノードパネルとが、それらの周縁部で接合されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
冷陰極電界電子放出素子は、
（Ａ）支持体上に形成され、第１の方向に延びるカソード電極と、
（Ｂ）支持体及びカソード電極上に形成された絶縁層と、
（Ｃ）絶縁層上に形成され、第１の方向とは異なる第２の方向に延びるゲート電極と、
（Ｄ）カソード電極とゲート電極の重複する重複領域に位置するゲート電極及び絶縁層の部分に形成された開口部と、
（Ｅ）開口部の底部に位置する電子放出部、
から成り、
該開口部の中心軸線ＣＬ上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の２次微係数φ”＝［∂2φ／∂ｚ2］x=0,y=0の値が、
−０．０２＜φ”＜０．０２
を満足することを特徴とする。
【００２１】
尚、等電位面の２次微係数φ”＝［∂2φ／∂ｚ2］x=0,y=0の値が上記の範囲を満足する開口部の中心軸線上の領域（ｚ方向に沿った領域の座標Ｚ0であり、カソード電極表面を原点とし、開口部の中心軸線上に沿ったカソード電極表面上方の領域）は、絶縁層の厚さをｔとした場合、０．２ｔ≦Ｚ0≦１．５ｔ、好ましくは０．２ｔ≦Ｚ0≦３ｔであることが望ましい。また、開口部の中心軸線ＣＬの点（０，０，ＺP）と直交する方向に沿った等電位面の２次微係数φ”の値が同じ値でない場合、最も大きな２次微係数φ”の値が上記の範囲を満足することが必要とされる。ここで、点（０，０，０）は、開口部１４の中心であってカソード電極１１の表面に位置する点（原点）であり、Ｚ0＝０はカソード電極１１の表面を意味する。
【００２２】
等電位面の２次微係数φ”の値は、以下に挙げる数値をパラメータとして用いた計算やシミュレーションによって求めることができる。
【００２３】
（１）アノード電極に印加される電圧
（２）ゲート電極に印加される電圧
（３）カソード電極に印加される電圧
（４）アノード電極からゲート電極までの距離
（５）ゲート電極の厚さ
（６）絶縁層の厚さ
（７）ゲート電極及び絶縁層に設けられた開口部の形状及び大きさ
（８）電子放出部の形状及び大きさ
（９）１つの重複領域に設けられた電子放出部の数
（１０）電子放出部から電子が放出される際の電子放出部に近傍における電界強度と放出電子量（放出電子電流）の関係を求めた測定値
（１１）支持体の法線を中心として或る立体角を有した状態で広がりをもって電子放出部から電子が放出されるときの立体角（但し、電子放出部の大きさが開口部の大きさよりも十分に小さければこのパラメータの寄与は小さく、場合によっては、このパラメータは考慮しなくともよい）
【００２４】
冷陰極電界電子放出表示装置においてカラー表示を行う場合、通常、平面形状が正四角形の１画素は、長方形の３つのサブピクセルが並置されて構成されている。従って、赤色を発光する赤色発光蛍光体層、緑色を発光する緑色発光蛍光体層、青色を発光する青色発光蛍光体層も、長方形の領域を占めている。尚、それぞれの蛍光体層が占める長方形の領域の短辺方向を、便宜上、ｘ方向と呼び、長辺方向をｙ方向と呼ぶ。
【００２５】
本発明の冷陰極電界電子放出表示装置にあっては、カソード電極とゲート電極の重複する前記重複領域の平面形状は長方形であり（即ち、短辺がｘ方向に平行であり、長辺がｙ方向に平行な長方形であり）、前記開口部の平面形状は、長方形の該重複領域の長辺に平行な長辺を有する長方形（即ち、短辺がｘ方向に平行であり、長辺がｙ方向に平行な長方形）であることが好ましい。開口部をこのような平面形状とすることによって、輝度の低下や、色純度の低下、光学的クロストークの発生を一層確実に防止することができる。尚、開口部の平面形状を長方形とする場合、長方形のコーナー部は丸みを帯びていてもよい。
【００２６】
上記の形態を含む本発明の冷陰極電界電子放出表示装置にあっては、冷陰極電界電子放出素子（以下、電界放出素子と略称する）として、
（１）扁平型電界放出素子（略平面状の電子放出部が、開口部の底部に位置するカソード電極上に設けられた電界放出素子）
（２）クラウン型電界放出素子（王冠状の電子放出部が、開口部の底部に位置するカソード電極上に設けられた電界放出素子）
（３）平坦なカソード電極の表面から電子を放出する平面型電界放出素子
（４）凹凸が形成されたカソード電極の表面の凸部から電子を放出するクレータ型電界放出素子
（５）カソード電極のエッジ部から電子を放出するエッジ型電界放出素子
（６）スピント型電界放出素子（円錐形の電子放出部が、開口部の底部に位置するカソード電極上に設けられた電界放出素子）
を例示することができるが、中でも、カーボン・ナノチューブ構造体から構成された扁平型電界放出素子とすることが好ましい。
【００２７】
扁平型電界放出素子にあっては、電子放出部を構成する材料として、カソード電極を構成する材料よりも仕事関数Φの小さい材料から構成することが好ましく、どのような材料を選択するかは、カソード電極を構成する材料の仕事関数、ゲート電極とカソード電極との間の電位差、要求される放出電子電流密度の大きさ等に基づいて決定すればよい。電界放出素子におけるカソード電極を構成する代表的な材料として、タングステン（Φ＝４．５５ｅＶ）、ニオブ（Φ＝４．０２〜４．８７ｅＶ）、モリブデン（Φ＝４．５３〜４．９５ｅＶ）、アルミニウム（Φ＝４．２８ｅＶ）、銅（Φ＝４．６ｅＶ）、タンタル（Φ＝４．３ｅＶ）、クロム（Φ＝４．５ｅＶ）、シリコン（Φ＝４．９ｅＶ）を例示することができる。電子放出部は、これらの材料よりも小さな仕事関数Φを有していることが好ましく、その値は概ね３ｅＶ以下であることが好ましい。かかる材料として、炭素（Φ＜１ｅＶ）、セシウム（Φ＝２．１４ｅＶ）、ＬａＢ6（Φ＝２．６６〜２．７６ｅＶ）、ＢａＯ（Φ＝１．６〜２．７ｅＶ）、ＳｒＯ（Φ＝１．２５〜１．６ｅＶ）、Ｙ2Ｏ3（Φ＝２．０ｅＶ）、ＣａＯ（Φ＝１．６〜１．８６ｅＶ）、ＢａＳ（Φ＝２．０５ｅＶ）、ＴｉＮ（Φ＝２．９２ｅＶ）、ＺｒＮ（Φ＝２．９２ｅＶ）を例示することができる。仕事関数Φが２ｅＶ以下である材料から電子放出部を構成することが、一層好ましい。尚、電子放出部を構成する材料は、必ずしも導電性を備えている必要はない。
【００２８】
あるいは又、扁平型電界放出素子において、電子放出部を構成する材料として、かかる材料の２次電子利得δがカソード電極を構成する導電性材料の２次電子利得δよりも大きくなるような材料から適宜選択してもよい。即ち、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、コバルト（Ｃｏ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の金属；シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の半導体；炭素やダイヤモンド等の無機単体；及び酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化錫（ＳｎＯ2）、フッ化バリウム（ＢａＦ2）、フッ化カルシウム（ＣａＦ2）等の化合物の中から、適宜選択することができる。尚、電子放出部を構成する材料は、必ずしも導電性を備えている必要はない。
【００２９】
扁平型電界放出素子にあっては、特に好ましい電子放出部の構成材料として、炭素、より具体的にはダイヤモンドやグラファイト、カーボン・ナノチューブ構造体を挙げることができる。電子放出部をこれらから構成する場合、５×１０7Ｖ／ｍ以下の電界強度にて、冷陰極電界電子放出表示装置に必要な放出電子電流密度を得ることができる。また、ダイヤモンドは電気抵抗体であるため、各電子放出部から得られる放出電子電流を均一化することができ、よって、冷陰極電界電子放出表示装置に組み込まれた場合の輝度ばらつきの抑制が可能となる。更に、これらの材料は、冷陰極電界電子放出表示装置内の残留ガスのイオンによるスパッタ作用に対して極めて高い耐性を有するので、電界放出素子の長寿命化を図ることができる。
【００３０】
カーボン・ナノチューブ構造体として、具体的には、カーボン・ナノチューブ及び／又はカーボン・ナノファイバーを挙げることができる。より具体的には、カーボン・ナノチューブから電子放出部を構成してもよいし、カーボン・ナノファイバーから電子放出部を構成してもよいし、カーボン・ナノチューブとカーボン・ナノファイバーの混合物から電子放出部を構成してもよい。カーボン・ナノチューブやカーボン・ナノファイバーは、巨視的には、粉末状であってもよいし、薄膜状であってもよいし、場合によっては、カーボン・ナノチューブ構造体は円錐状の形状を有していてもよい。カーボン・ナノチューブやカーボン・ナノファイバーは、周知のアーク放電法やレーザアブレーション法といったＰＶＤ法、プラズマＣＶＤ法やレーザＣＶＤ法、熱ＣＶＤ法、気相合成法、気相成長法といった各種のＣＶＤ法によって製造、形成することができる。
【００３１】
扁平型電界放出素子を、バインダー材料にカーボン・ナノチューブ構造体を分散させたものをカソード電極の所望の領域に例えば塗布した後、バインダー材料の焼成あるいは硬化を行う方法（より具体的には、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂等の有機系バインダー材料や水ガラス等の無機系バインダー材料にカーボン・ナノチューブ構造体を分散したものを、カソード電極の所望の領域に例えば塗布した後、溶媒の除去、バインダー材料の焼成・硬化を行う方法）によって製造することができる。尚、このような方法を、カーボン・ナノチューブ構造体の第１の形成方法と呼ぶ。塗布方法として、スクリーン印刷法を例示することができる。
【００３２】
あるいは又、扁平型電界放出素子を、カーボン・ナノチューブ構造体が分散された金属化合物溶液をカソード電極上に塗布した後、金属化合物を焼成する方法によって製造することもでき、これによって、金属化合物を構成する金属原子を含むマトリックスにてカーボン・ナノチューブ構造体がカソード電極表面に固定される。尚、このような方法を、カーボン・ナノチューブ構造体の第２の形成方法と呼ぶ。マトリックスは、導電性を有する金属酸化物から成ることが好ましく、より具体的には、酸化錫、酸化インジウム、酸化インジウム−錫、酸化亜鉛、酸化アンチモン、又は、酸化アンチモン−錫から構成することが好ましい。焼成後、各カーボン・ナノチューブ構造体の一部分がマトリックスに埋め込まれている状態を得ることもできるし、各カーボン・ナノチューブ構造体の全体がマトリックスに埋め込まれている状態を得ることもできる。マトリックスの体積抵抗率は、１×１０-9Ω・ｍ乃至５×１０-6Ω・ｍであることが望ましい。
【００３３】
金属化合物溶液を構成する金属化合物として、例えば、有機金属化合物、有機酸金属化合物、又は、金属塩（例えば、塩化物、硝酸塩、酢酸塩）を挙げることができる。有機酸金属化合物溶液として、有機錫化合物、有機インジウム化合物、有機亜鉛化合物、有機アンチモン化合物を酸（例えば、塩酸、硝酸、あるいは硫酸）に溶解し、これを有機溶媒（例えば、トルエン、酢酸ブチル、イソプロピルアルコール）で希釈したものを挙げることができる。また、有機金属化合物溶液として、有機錫化合物、有機インジウム化合物、有機亜鉛化合物、有機アンチモン化合物を有機溶媒（例えば、トルエン、酢酸ブチル、イソプロピルアルコール）に溶解したものを例示することができる。溶液を１００重量部としたとき、カーボン・ナノチューブ構造体が０．００１〜２０重量部、金属化合物が０．１〜１０重量部、含まれた組成とすることが好ましい。溶液には、分散剤や界面活性剤が含まれていてもよい。また、マトリックスの厚さを増加させるといった観点から、金属化合物溶液に、例えばカーボンブラック等の添加物を添加してもよい。場合によっては、有機溶媒の代わりに水を溶媒として用いることもできる。
【００３４】
カーボン・ナノチューブ構造体が分散された金属化合物溶液をカソード電極上に塗布する方法として、スプレー法、スピンコーティング法、ディッピング法、ダイクォーター法、スクリーン印刷法を例示することができるが、中でもスプレー法を採用することが塗布の容易性といった観点から好ましい。
【００３５】
カーボン・ナノチューブ構造体が分散された金属化合物溶液をカソード電極上に塗布した後、金属化合物溶液を乾燥させて金属化合物層を形成し、次いで、カソード電極上の金属化合物層の不要部分を除去した後、金属化合物を焼成してもよいし、金属化合物を焼成した後、カソード電極上の不要部分を除去してもよいし、カソード電極の所望の領域上にのみ金属化合物溶液を塗布してもよい。
【００３６】
金属化合物の焼成温度は、例えば、金属塩が酸化されて導電性を有する金属酸化物となるような温度、あるいは又、有機金属化合物や有機酸金属化合物が分解して、有機金属化合物や有機酸金属化合物を構成する金属原子を含むマトリックス（例えば、導電性を有する金属酸化物）が形成できる温度であればよく、例えば、３００゜Ｃ以上とすることが好ましい。焼成温度の上限は、電界放出素子あるいはカソードパネルの構成要素に熱的な損傷等が発生しない温度とすればよい。
【００３７】
カーボン・ナノチューブ構造体の第１の形成方法あるいは第２の形成方法にあっては、電子放出部の形成後、電子放出部の表面の一種の活性化処理（洗浄処理）を行うことが、電子放出部からの電子の放出効率の一層の向上といった観点から好ましい。このような処理として、水素ガス、アンモニアガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガス、メタンガス、エチレンガス、アセチレンガス、窒素ガス等のガス雰囲気中でのプラズマ処理を挙げることができる。
【００３８】
カーボン・ナノチューブ構造体の第１の形成方法あるいは第２の形成方法にあっては、電子放出部は、開口部の底部に位置するカソード電極の部分の表面に形成されていればよく、開口部の底部に位置するカソード電極の部分から開口部の底部以外のカソード電極の部分の表面に延在するように形成されていてもよい。また、電子放出部は、開口部の底部に位置するカソード電極の部分の表面の全面に形成されていても、部分的に形成されていてもよい。
【００３９】
各種の電界放出素子におけるカソード電極を構成する材料として、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の金属；これらの金属元素を含む合金あるいは化合物（例えばＴｉＮ等の窒化物や、ＷＳｉ2、ＭｏＳｉ2、ＴｉＳｉ2、ＴａＳｉ2等のシリサイド）；シリコン（Ｓｉ）等の半導体；ダイヤモンド等の炭素薄膜；ＩＴＯ（インジウム・錫酸化物）を例示することができる。カソード電極の厚さは、おおよそ０．０５〜０．５μｍ、好ましくは０．１〜０．３μｍの範囲とすることが望ましいが、かかる範囲に限定するものではない。
【００４０】
各種の電界放出素子におけるゲート電極を構成する導電性材料として、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）及び亜鉛（Ｚｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の金属；これらの金属元素を含む合金あるいは化合物（例えばＴｉＮ等の窒化物や、ＷＳｉ2、ＭｏＳｉ2、ＴｉＳｉ2、ＴａＳｉ2等のシリサイド）；あるいはシリコン（Ｓｉ）等の半導体；ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）、酸化インジウム、酸化亜鉛等の導電性金属酸化物を例示することができる。
【００４１】
カソード電極やゲート電極の形成方法として、例えば、電子ビーム蒸着法や熱フィラメント蒸着法といった蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法やイオンプレーティング法とエッチング法との組合せ、スクリーン印刷法、メッキ法、リフトオフ法等を挙げることができる。スクリーン印刷法やメッキ法によれば、直接、例えばストライプ状のカソード電極やゲート電極を形成することが可能である。
【００４２】
電界放出素子においては、電界放出素子の構造に依存するが、１つの開口部（ゲート電極に設けられた開口部を第１開口部と呼び、絶縁層に設けられた開口部を第２開口部と呼ぶ場合がある）内に１つの電子放出部が存在してもよいし、１つの開口部内に複数の電子放出部が存在してもよいし、ゲート電極に複数の第１開口部を設け、かかる第１開口部と連通する１つの第２開口部を絶縁層に設け、絶縁層に設けられた１つの第２開口部内に１又は複数の電子放出部が存在してもよい。
【００４３】
第１開口部（ゲート電極に形成された開口部）あるいは第２開口部（絶縁層に形成された開口部）の平面形状（支持体表面と平行な仮想平面で開口部を切断したときの形状）は、円形、楕円形、矩形、多角形、丸みを帯びた矩形、丸みを帯びた多角形等、任意の形状とすることができるが、上述した長方形の形状を有することが最も好ましい。第１開口部の形成は、例えば、異方性エッチング、等方性エッチング、異方性エッチングと等方性エッチングの組合せによって行うことができ、あるいは又、ゲート電極の形成方法に依っては、第１開口部を直接形成することもできる。第２開口部の形成も、例えば、異方性エッチング、等方性エッチング、異方性エッチングと等方性エッチングの組合せによって行うことができる。
【００４４】
電界放出素子において、カソード電極と電子放出部との間に抵抗体層を設けてもよい。あるいは又、カソード電極の表面が電子放出部に相当している場合、カソード電極を導電材料層、抵抗体層、電子放出部に相当する電子放出層の３層構成としてもよい。抵抗体層を設けることによって、電界放出素子の動作安定化、電子放出特性の均一化を図ることができる。抵抗体層を構成する材料として、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やＳｉＣＮといったカーボン系材料、ＳｉＮ、アモルファスシリコン等の半導体材料、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、酸化タンタル、窒化タンタル等の高融点金属酸化物を例示することができる。抵抗体層の形成方法として、スパッタリング法や、ＣＶＤ法やスクリーン印刷法を例示することができる。抵抗値は、概ね１×１０5〜１×１０7Ω、好ましくは数ＭΩとすればよい。
【００４５】
絶縁層の構成材料として、ＳｉＯ2、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＡｓＳＧ、ＰｂＳＧ、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳＯＧ（スピンオングラス）、低融点ガラス、ガラスペーストといったＳｉＯ2系材料、ＳｉＮ、ポリイミド等の絶縁性樹脂を、単独あるいは適宜組み合わせて使用することができる。絶縁層の形成には、ＣＶＤ法、塗布法、スパッタリング法、スクリーン印刷法等の公知のプロセスが利用できる。
【００４６】
アノード電極の構成材料は、冷陰極電界電子放出表示装置の構成によって適宜選択すればよい。即ち、冷陰極電界電子放出表示装置が透過型（アノードパネルが表示面に相当する）であって、且つ、アノードパネルを構成する基板上にアノード電極と蛍光体層がこの順に積層されている場合には、基板は元より、アノード電極自身も透明である必要があり、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透明導電材料を用いる。一方、冷陰極電界電子放出表示装置が反射型（カソードパネルが表示面に相当する）である場合、及び、透過型であっても基板上に蛍光体層とアノード電極とがこの順に積層されている場合には、ＩＴＯの他、アルミニウム（Ａｌ）あるいはクロム（Ｃｒ）を用いることができる。アルミニウム（Ａｌ）あるいはクロム（Ｃｒ）からアノード電極を構成する場合、アノード電極の厚さとして、具体的には、３×１０-8ｍ（３０ｎｍ）乃至１．５×１０-7ｍ（１５０ｎｍ）、好ましくは５×１０-8ｍ（５０ｎｍ）乃至１×１０-7ｍ（１００ｎｍ）を例示することができる。アノード電極は、蒸着法やスパッタリング法にて形成することができる。
【００４７】
アノードパネルには、更に、蛍光体層から反跳した電子、あるいは、蛍光体層から放出された二次電子が他の蛍光体層に入射し、所謂光学的クロストーク（色濁り）が発生することを防止するための、あるいは又、蛍光体層から反跳した電子、あるいは、蛍光体層から放出された二次電子が隔壁を越えて他の蛍光体層に向かって侵入したとき、これらの電子が他の蛍光体層と衝突することを防止するための、隔壁が、複数、設けられていることが好ましい。
【００４８】
隔壁の平面形状としては、格子形状（井桁形状）、即ち、１サブピクセルに相当する、例えば平面形状が略矩形（ドット状）の蛍光体層の四方を取り囲む形状を挙げることができ、あるいは、略矩形あるいはストライプ状の蛍光体層の対向する二辺と平行に延びる帯状形状あるいはストライプ形状を挙げることができる。隔壁を格子形状とする場合、１つの蛍光体層の領域の四方を連続的に取り囲む形状としてもよいし、不連続に取り囲む形状としてもよい。隔壁を帯状形状あるいはストライプ形状とする場合、連続した形状としてもよいし、不連続な形状としてもよい。隔壁を形成した後、隔壁を研磨し、隔壁の頂面の平坦化を図ってもよい。
【００４９】
蛍光体層からの光を吸収するブラックマトリックスが蛍光体層と蛍光体層との間（隔壁が形成されている場合には、蛍光体層と蛍光体層との間であって隔壁と基板との間）に形成されていることが、表示画像のコントラスト向上といった観点から好ましい。ブラックマトリックスを構成する材料として、蛍光体層からの光を９９％以上吸収する材料を選択することが好ましい。このような材料として、カーボン、金属薄膜（例えば、クロム、ニッケル、アルミニウム、モリブデン等、あるいは、これらの合金）、金属酸化物（例えば、酸化クロム）、金属窒化物（例えば、窒化クロム）、耐熱性有機樹脂、ガラスペースト、黒色顔料や銀等の導電性粒子を含有するガラスペースト等の材料を挙げることができ、具体的には、感光性ポリイミド樹脂、酸化クロムや、酸化クロム／クロム積層膜を例示することができる。尚、酸化クロム／クロム積層膜においては、クロム膜が基板と接する。
【００５０】
カソードパネルとアノードパネルとを周縁部において接合する場合、接合は接着層を用いて行ってもよいし、あるいは、ガラスやセラミックス等の絶縁剛性材料から成る枠体と接着層とを併用して行ってもよい。枠体と接着層とを併用する場合には、枠体の高さを適宜選択することにより、接着層のみを使用する場合に比べ、カソードパネルとアノードパネルとの間の対向距離をより長く設定することが可能である。尚、接着層の構成材料としては、フリットガラスが一般的であるが、融点が１２０〜４００゜Ｃ程度の所謂低融点金属材料を用いてもよい。かかる低融点金属材料としては、Ｉｎ（インジウム：融点１５７゜Ｃ）；インジウム−金系の低融点合金；Ｓｎ80Ａｇ20（融点２２０〜３７０゜Ｃ）、Ｓｎ95Ｃｕ5（融点２２７〜３７０゜Ｃ）等の錫（Ｓｎ）系高温はんだ；Ｐｂ97.5Ａｇ2.5（融点３０４゜Ｃ）、Ｐｂ94.5Ａｇ5.5（融点３０４〜３６５゜Ｃ）、Ｐｂ97.5Ａｇ1.5Ｓｎ1.0（融点３０９゜Ｃ）等の鉛（Ｐｂ）系高温はんだ；Ｚｎ95Ａｌ5（融点３８０゜Ｃ）等の亜鉛（Ｚｎ）系高温はんだ；Ｓｎ5Ｐｂ95（融点３００〜３１４゜Ｃ）、Ｓｎ2Ｐｂ98（融点３１６〜３２２゜Ｃ）等の錫−鉛系標準はんだ；Ａｕ88Ｇａ12（融点３８１゜Ｃ）等のろう材（以上の添字は全て原子％を表す）を例示することができる。
【００５１】
カソードパネルとアノードパネルと枠体の三者を接合する場合、三者を同時に接合してもよいし、あるいは、第１段階でカソードパネル又はアノードパネルのいずれか一方と枠体とを接合し、第２段階でカソードパネル又はアノードパネルの他方と枠体とを接合してもよい。三者同時接合や第２段階における接合を高真空雰囲気中で行えば、カソードパネルとアノードパネルと枠体と接着層とにより囲まれた空間は、接合と同時に真空となる。あるいは、三者の接合終了後、カソードパネルとアノードパネルと枠体と接着層とによって囲まれた空間を排気し、真空とすることもできる。接合後に排気を行う場合、接合時の雰囲気の圧力は常圧／減圧のいずれであってもよく、また、雰囲気を構成する気体は、大気であっても、あるいは窒素ガスや周期律表０族に属するガス（例えばＡｒガス）を含む不活性ガスであってもよい。
【００５２】
接合後に排気を行う場合、排気は、カソードパネル及び／又はアノードパネルに予め接続されたチップ管を通じて行うことができる。チップ管は、典型的にはガラス管を用いて構成され、カソードパネル及び／又はアノードパネルの無効領域に設けられた貫通部の周囲に、フリットガラス又は上述の低融点金属材料を用いて接合され、空間が所定の真空度に達した後、熱融着によって封じ切られる。尚、封じ切りを行う前に、冷陰極電界電子放出表示装置全体を一旦加熱してから降温させると、空間に残留ガスを放出させることができ、この残留ガスを排気により空間外へ除去することができるので好適である。
【００５３】
カソードパネルを構成する支持体は、少なくとも表面が絶縁性部材より構成されていればよく、ガラス基板、表面に絶縁膜が形成されたガラス基板、石英基板、表面に絶縁膜が形成された石英基板、表面に絶縁膜が形成された半導体基板を挙げることができるが、製造コスト低減の観点からは、ガラス基板、あるいは、表面に絶縁膜が形成されたガラス基板を用いることが好ましい。アノードパネルを構成する基板も、支持体と同様に構成することができる。
【００５４】
本発明においては、開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の２次微係数φ”＝［∂2φ／∂ｚ2］x=0,y=0の値を、−０．０２＜φ”＜０．０２と規定することによって、電子放出部から放出された電子が、電子放出部に対向する蛍光体層に衝突せずに、かかる蛍光体層に隣接した蛍光体層に衝突することを確実に防止することができる。
【００５５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、発明の実施の形態（以下、実施の形態と略称する）に基づき本発明を説明する。
【００５６】
（実施の形態１）
実施の形態１は、本発明の冷陰極電界電子放出表示装置（以下、単に、表示装置と略称する）に関する。図２及び図３に、実施の形態１の表示装置の一例を示す。尚、図２は表示装置の模式的な一部端面図であり、図３はカソードパネルＣＰとアノードパネルＡＰを分解したときの模式的な部分的斜視図である。
【００５７】
この表示装置は、冷陰極電界電子放出素子（以下、電界放出素子と呼ぶ）を、複数、備えたカソードパネルＣＰと、蛍光体層３１及びアノード電極３３が設けられたアノードパネルＡＰとが、それらの周縁部で接合されて成る。
【００５８】
ここで、電界放出素子は、略平面状の電子放出部が開口部の底部に位置するカソード電極上に設けられた扁平型電界放出素子（より具体的には、カーボン・ナノチューブ構造体から構成された扁平型電界放出素子）から構成されている。
【００５９】
即ち、冷陰極電界電子放出素子は、
（Ａ）支持体１０上に形成され、第１の方向（図２の紙面垂直方向であるｙ方向）に延びるカソード電極１１と、
（Ｂ）支持体１０及びカソード電極１１上に形成された絶縁層１２と、
（Ｃ）絶縁層１２上に形成され、第１の方向とは異なる第２の方向（図２の紙面水平方向であるｘ方向）に延びるゲート電極１３と、
（Ｄ）カソード電極１１とゲート電極１３の重複する重複領域に位置するゲート電極及び絶縁層の部分に形成された開口部１４（ゲート電極１３に設けられた第１開口部１４Ａ、及び、絶縁層１２に設けられ、第１開口部１４Ａと連通した第２開口部１４Ｂ）と、
（Ｅ）開口部１４の底部に位置する電子放出部１５、
から成る。
【００６０】
そして、開口部１４の中心軸線ＣＬ上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の２次微係数φ”＝［∂2φ／∂ｚ2］x=0,y=0の値は、−０．０２＜φ”＜０．０２を満足している。
【００６１】
尚、カソード電極１１とゲート電極１３とは、これらの両電極の射影像が互いに直交する方向に各々ストライプ状に形成されており、これらの両電極の射影像が重複する重複領域（１サブピクセルに相当する大きさを有する）に、複数の電界放出素子が設けられている。更に、かかる重複領域が、カソードパネルＣＰの有効領域（実際の表示部分として機能する領域）内に、通常、２次元マトリックス状に配列されている。
【００６２】
一方、アノードパネルＡＰは、基板３０と、基板３０上に形成され、所定のパターンを有する蛍光体層３１（３１Ｒ，３１Ｂ，３１Ｇ）と、その上に形成されたアノード電極３３から構成されている。１サブピクセルは、カソードパネル側のカソード電極１１とゲート電極１３との重複領域に設けられた電界放出素子の一群と、これらの電界放出素子の一群に対面したアノードパネル側の蛍光体層３１とによって構成されている。有効領域には、かかる３つのサブピクセルから成る画素が、例えば数十万〜数百万個ものオーダーにて配列されている。尚、蛍光体層３１と蛍光体層３１との間の基板３０上にはブラックマトリックス３２が形成されている。
【００６３】
アノードパネルＡＰとカソードパネルＣＰとを、重複領域と蛍光体層３１とが対向するように配置し、周縁部において枠体３４を介して接合することによって、表示装置を作製することができる。有効領域を包囲し、画素を選択するための周辺回路が形成された無効領域（図示した例では、カソードパネルＣＰの無効領域）には、真空排気用の貫通孔３６が設けられており、この貫通孔３６には真空排気後に封じ切られたチップ管３７が接続されている。即ち、アノードパネルＡＰとカソードパネルＣＰと枠体３４とによって囲まれた空間は真空となっている。
【００６４】
カソード電極１１には相対的な負電圧がカソード電極制御回路４０から印加され、ゲート電極１３には相対的な正電圧がゲート電極制御回路４１から印加され、アノード電極３３にはゲート電極１３よりも更に高い正電圧がアノード電極制御回路４２から印加される。かかる表示装置において表示を行う場合、例えば、カソード電極１１にカソード電極制御回路４０から走査信号を入力し、ゲート電極１３にゲート電極制御回路４１からビデオ信号を入力する。あるいは又、カソード電極１１にカソード電極制御回路４０からビデオ信号を入力し、ゲート電極１３にゲート電極制御回路４１から走査信号を入力してもよい。カソード電極１１とゲート電極１３との間に電圧を印加した際に生ずる電界により、量子トンネル効果に基づき電子放出部１５から電子が放出され、この電子がアノード電極３３に引き付けられ、蛍光体層３１に衝突する。その結果、蛍光体層３１が励起されて発光し、所望の画像を得ることができる。つまり、この表示装置の動作は、基本的に、ゲート電極１３に印加される電圧、及びカソード電極１１を通じて電子放出部１５に印加される電圧によって制御される。
【００６５】
カソードパネルＣＰの一部分におけるカソード電極１１、ゲート電極１３及び開口部１４の模式的な配置図を図４に示す。１画素は３つのサブピクセル（ＳＰR，ＳＰG，ＳＰB）から構成されている。図４において、カソード電極１１は紙面上下方向（ｙ方向）に延び、ゲート電極１３は紙面左右方向（ｘ方向）に延びている。１画素の大きさを０．５ｍｍ×０．５ｍｍ、１サブピクセル（重複領域）の大きさ（Ｌ1×Ｌ2）を０．５ｍｍ×０．１６６ｍｍ、ゲート電極１３の幅（ＷGATE）を０．４２ｍｍとし、更には、アノード電極制御回路４２からアノード電極３３に印加される電圧を１０キロボルト、カソード電極制御回路４０からカソード電極１１に印加される電圧を０ボルト、アノード電極３３とゲート電極１３との間の距離を２．０ｍｍ、平面形状が円形の開口部１４の直径を４０μｍ、開口部１４の底部中央に位置するカソード電極１１上に設けられた平面形状が円形の電子放出部１５の直径を２０μｍ、１つの重複領域に設けられた電子放出部１５の数を５個、支持体１０の法線を中心として或る立体角を有した状態で広がりをもって電子放出部１５から電子が放出されるときの立体角を６０度（支持体１０の法線を基準としたとき、電子放出部１５から放出される電子の射出角度を±３０度）と仮定し、電子放出部１５から電子が放出される際の電子放出部１５に近傍における電界強度と放出電子量（放出電子電流値）の関係を実験にて予め求めておいた。
【００６６】
そして、ゲート電極１３の厚さを０．３μｍから１５μｍまで変化させ、且つ、絶縁層１２の厚さを２μｍから２０μｍまで変化させ、それぞれの組合せにおいて、１つの電子放出部１５から放出される電子に基づく放出電子電流値として０．８６μＡ（１つの重複領域においては、０．８６×５＝４．３μＡ）が得られるようなゲート電極１３に印加される電圧Ｖgを求め、アノード電極３３、ゲート電極１３及びカソード電極１１に印加される係る電圧（それぞれ、１０キロボルト、Ｖg、０ボルト）に基づき形成されるゲート電極１３とアノード電極３３との間の空間、及び、開口部１４内における静電場（等電位面）を計算で求め、更には、開口部１４の中心軸線ＣＬ上におけるこの等電位面の２次微係数φ”＝［∂2φ／∂ｚ2］x=0,y=0の値、並びに、電子放出部１５から放出された電子が蛍光体層３１に衝突するときの蛍光体層３１の大きさ（スポット径Ｖssｍｍ）を求めた。求めた「φ”」と「Ｖss」との関係を図１に示す。尚、等電位面の２次微係数φ”の値は、開口部１４の中心軸線ＣＬ上の領域（ｚ方向に沿った領域の座標Ｚ0）が、絶縁層の厚さをｔとし、開口部１４の中心軸線ＣＬとカソード電極１１の表面とが交わる点を原点とした場合、０≦Ｚ0≦３ｔの範囲にあるときの値の内の最大値である。尚、電子放出部１５の表面を平面と仮定して計算したため、等電位面の２次微係数φ”の値を、０≦Ｚ0≦３ｔの範囲にあるときの値の内の最大値としたが、実際の電子放出部１５の表面には凹凸が存在するため、絶縁層の厚さをｔとした場合、０．２ｔ≦Ｚ0≦１．５ｔ、好ましくは０．２ｔ≦Ｚ0≦３ｔの範囲にあるときの値の内の最大値とすることが望ましい。
【００６７】
スポット径Ｖssがφ”の２次関数であるとして、最小自乗法にて求めたＶss＝ｆ（φ”）は、以下のとおりであった。
【００６８】
Ｖss＝６．２１２７φ”2−０．０５７１φ”＋０．１６６５
【００６９】
スポット径Ｖssの値が最小となるときの２次微係数φ”の値はほぼ０であり、許容スポット径を最小スポット径の１．０５倍としたときの２次微係数φ”の値は概ね±０．０２である。従って、開口部１４の中心軸線ＣＬ上における、電極３３、ゲート電極１３及びカソード電極１１によって形成される等電位面の２次微係数φ”の値が−０．０２＜φ”＜０．０２であれば、許容スポット径を最小スポット径の１．０５倍以内に納めることができる。
【００７０】
尚、２次微係数φ”の許容範囲は、蛍光体層の幅など、表示装置全体の設計によっても変化し、２次微係数φ”の許容範囲を与える開口部１４の大きさ等も電子放出部の電圧−電流特性によって変化する。しかしながら、上述のとおり、ゲート電極１３の厚さを０．３μｍ〜１５μｍ、絶縁層１２の厚さを２μｍ〜２０μｍとした場合、２次微係数φ”の値が−０．０２＜φ”＜０．０２であれば、許容スポット径を最小スポット径の１．０５倍以内に納めることができることが、計算から判明した。
【００７１】
上述した例では開口部１４の平面形状を円形としたが、開口部１４の平面形状を適切化することによってアノード電極３３に印加される電圧による等電位面への影響をコントロールして、２次微係数φ”を−０．０２＜φ”＜０．０２とすることもできる。
【００７２】
電子放出部１５の電圧―電流特性における閾値電圧（電子放出部１５から電子が放出し始める電圧）が高い場合、電子放出部１５から放出された電子に基づく所定の放出電子電流値を得るためのゲート電圧Ｖgが高くなり、２次微係数φ”＜０、即ち、電子レンズとして一種の凹レンズが形成される。このような場合、開口部１４を大きくすることで、アノード電極３３に印加される電圧による等電位面への影響を大きくし、２次微係数φ”を０に近づけることができる。しかしながら、開口部１４の平面形状が円形の場合、開口径を大きくした分、蛍光体層３１に衝突する電子ビームのスポット径Ｖssに上乗せされることになり、２次微係数φ”の改善効果を打ち消す結果となる。
【００７３】
前述したとおり、隣り合う蛍光体層３１のｘ方向の距離は、隣り合う蛍光体層３１のｙ方向の距離よりも短い。従って、カソード電極１１とゲート電極１３の重複する重複領域の平面形状を長方形とし、開口部１４の平面形状を、長方形の重複領域の長辺に平行な長辺を有する長方形とする。これによって、アノード電極３３に印加される電圧による等電位面への影響を大きくし、２次微係数φ”を−０．０２＜φ”＜０．０２とし、蛍光体層３１に衝突する電子ビームのスポット径（特にｘ方向のスポット径）を改善することができる。尚、重複領域における開口部の数は、１であっても、２以上であってもよい。重複領域における開口部１１４の数を１とした場合の、カソードパネルＣＰの一部分におけるカソード電極１１、ゲート電極１３及び開口部１１４の模式的な配置図を図５に示す。尚、開口部１１４の大きさ（Ｌ3×Ｌ4）は、２７０μｍ×２０μｍである。また、重複領域における開口部２１４の数を複数とした場合の、カソードパネルＣＰの一部分におけるカソード電極１１、ゲート電極１３及び開口部２１４の模式的な配置図を図６に示す。尚、開口部２１４の大きさ（Ｌ5×Ｌ6）は７０μｍ×１０μｍであり、開口部２１４の長手方向に沿った開口部２１４と開口部２１４の間の距離（Ｌ7）は３０μｍであり、開口部２１４の短手方向に沿った開口部２１４と開口部２１４の間の距離（Ｌ8）は５μｍである。尚、図５及び図６において、カソード電極１１を明示するために、カソード電極１１に斜線を付したが、実際には、カソード電極１１は絶縁層１２に覆われている。また、カソード電極１１は紙面上下方向（ｙ方向）に延び、ゲート電極１３は紙面左右方向（ｘ方向）に延びている。
【００７４】
以下、各種の電界放出素子及びその製造方法を説明する。尚、図７〜図９においては、１つの電子放出部のみを図示する。
【００７５】
［扁平型電界放出素子（その１）］
扁平型電界放出素子は、
（イ）支持体１０上に設けられ、第１の方向に延びるカソード電極１１と、
（ロ）支持体１０及びカソード電極１１上に形成された絶縁層１２と、
（ハ）絶縁層１２上に設けられ、第１の方向とは異なる第２の方向に延びるゲート電極１３と、
（ニ）ゲート電極１３に設けられた第１開口部１４Ａ、及び、絶縁層１２に設けられ、第１開口部１４Ａと連通した第２開口部１４Ｂと、
（ホ）第２開口部１４Ｂの底部に位置するカソード電極１１上に設けられた扁平状の電子放出部１５、
から成り、
第２開口部１４Ｂの底部に露出した電子放出部１５から電子が放出される構造を有する。
【００７６】
電子放出部１５は、マトリックス２０、及び、先端部が突出した状態でマトリックス２０中に埋め込まれたカーボン・ナノチューブ構造体（具体的には、カーボン・ナノチューブ２１）から成り、マトリックス２０は、導電性を有する金属酸化物（具体的には、酸化インジウム−錫、ＩＴＯ）から成る。
【００７７】
以下、電界放出素子の製造方法を、図７の（Ａ）、（Ｂ）及び図８の（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。
【００７８】
［工程−１００］
先ず、例えばガラス基板から成る支持体１０上に、例えばスパッタリング法及びエッチング技術により形成された厚さ約０．２μｍのクロム（Ｃｒ）層から成るストライプ状のカソード電極１１を形成する。
【００７９】
［工程−１１０］
次に、カーボン・ナノチューブ構造体が分散された有機酸金属化合物から成る金属化合物溶液をカソード電極１１上に、例えばスプレー法にて塗布する。具体的には、以下の表１に例示する金属化合物溶液を用いる。尚、金属化合物溶液中にあっては、有機錫化合物及び有機インジウム化合物は酸（例えば、塩酸、硝酸、あるいは硫酸）に溶解された状態にある。カーボン・ナノチューブはアーク放電法にて製造され、平均直径３０ｎｍ、平均長さ１μｍである。塗布に際しては、支持体を７０〜１５０゜Ｃに加熱しておく。塗布雰囲気を大気雰囲気とする。塗布後、５〜３０分間、支持体を加熱し、酢酸ブチルを十分に蒸発させる。このように、塗布時、支持体を加熱することによって、カソード電極の表面に対してカーボン・ナノチューブが水平に近づく方向にセルフレベリングする前に塗布溶液の乾燥が始まる結果、カーボン・ナノチューブが水平にはならない状態でカソード電極の表面にカーボン・ナノチューブを配置することができる。即ち、カーボン・ナノチューブの先端部がアノード電極の方向を向くような状態、言い換えれば、カーボン・ナノチューブを、支持体の法線方向に近づく方向に配向させることができる。尚、予め、表１に示す組成の金属化合物溶液を調製しておいてもよいし、カーボン・ナノチューブを添加していない金属化合物溶液を調製しておき、塗布前に、カーボン・ナノチューブと金属化合物溶液とを混合してもよい。また、カーボン・ナノチューブの分散性向上のため、金属化合物溶液の調製時、超音波を照射してもよい。
【００８０】
［表１］
有機錫化合物及び有機インジウム化合物：０．１〜１０重量部
分散剤（ドデシル硫酸ナトリウム）    ：０．１〜５  重量部
カーボン・ナノチューブ              ：０．１〜２０重量部
酢酸ブチル                          ：残余
【００８１】
尚、有機酸金属化合物溶液として、有機錫化合物を酸に溶解したものを用いれば、マトリックスとして酸化錫が得られ、有機インジウム化合物を酸に溶解したものを用いれば、マトリックスとして酸化インジウムが得られ、有機亜鉛化合物を酸に溶解したものを用いれば、マトリックスとして酸化亜鉛が得られ、有機アンチモン化合物を酸に溶解したものを用いれば、マトリックスとして酸化アンチモンが得られ、有機アンチモン化合物及び有機錫化合物を酸に溶解したもの用いれば、マトリックスとして酸化アンチモン−錫が得られる。また、有機金属化合物溶液として、有機錫化合物を用いれば、マトリックスとして酸化錫が得られ、有機インジウム化合物を用いれば、マトリックスとして酸化インジウムが得られ、有機亜鉛化合物を用いれば、マトリックスとして酸化亜鉛が得られ、有機アンチモン化合物を用いれば、マトリックスとして酸化アンチモンが得られ、有機アンチモン化合物及び有機錫化合物を用いれば、マトリックスとして酸化アンチモン−錫が得られる。あるいは又、金属の塩化物の溶液（例えば、塩化錫、塩化インジウム）を用いてもよい。
【００８２】
場合によっては、金属化合物溶液を乾燥した後の金属化合物層の表面に著しい凹凸が形成されている場合がある。このような場合には、金属化合物層の上に、支持体を加熱することなく、再び、金属化合物溶液を塗布することが望ましい。
【００８３】
［工程−１２０］
その後、有機酸金属化合物から成る金属化合物を焼成することによって、有機酸金属化合物を構成する金属原子（具体的には、Ｉｎ及びＳｎ）を含むマトリックス（具体的には、金属酸化物であり、より一層具体的にはＩＴＯ）２０にてカーボン・ナノチューブ２１がカソード電極１１の表面に固定された電子放出部１５を得る。焼成を、大気雰囲気中で、３５０゜Ｃ、２０分の条件にて行う。こうして、得られたマトリックス２０の体積抵抗率は、５×１０-7Ω・ｍであった。有機酸金属化合物を出発物質として用いることにより、焼成温度３５０゜Ｃといった低温においても、ＩＴＯから成るマトリックス２０を形成することができる。尚、有機酸金属化合物溶液の代わりに、有機金属化合物溶液を用いてもよいし、金属の塩化物の溶液（例えば、塩化錫、塩化インジウム）を用いた場合、焼成によって塩化錫、塩化インジウムが酸化されつつ、ＩＴＯから成るマトリックス２０が形成される。
【００８４】
［工程−１３０］
次いで、全面にレジスト層を形成し、カソード電極１１の所望の領域の上方に、例えば直径２０μｍの円形のレジスト層を残す。そして、１０〜６０゜Ｃの塩酸を用いて、１〜３０分間、マトリックス２０をエッチングして、電子放出部の不要部分を除去する。更に、所望の領域以外にカーボン・ナノチューブが未だ存在する場合には、以下の表２に例示する条件の酸素プラズマエッチング処理によってカーボン・ナノチューブをエッチングする。尚、バイアスパワーは０Ｗでもよいが、即ち、直流としてもよいが、バイアスパワーを加えることが望ましい。また、支持体を、例えば８０゜Ｃ程度に加熱してもよい。
【００８５】
［表２］
使用装置          ：ＲＩＥ装置
導入ガス          ：酸素を含むガス
プラズマ励起パワー：５００Ｗ
バイアスパワー    ：０〜１５０Ｗ
処理時間          ：１０秒以上
【００８６】
あるいは又、表３に例示する条件のウェットエッチング処理によってカーボン・ナノチューブをエッチングしてもよい。
【００８７】
［表３］
使用溶液：ＫＭｎＯ4
温度    ：２０〜１２０゜Ｃ
処理時間：１０秒〜２０分
【００８８】
その後、レジスト層を除去することによって、図７の（Ａ）に示す構造を得ることができる。尚、直径２０μｍの円形の電子放出部を残すことに限定されない。例えば、電子放出部をカソード電極１１上に残してもよい。
【００８９】
尚、［工程−１１０］、［工程−１３０］、［工程−１２０］の順に実行してもよい。
【００９０】
［工程−１４０］
次に、電子放出部１５、支持体１０及びカソード電極１１上に絶縁層１２を形成する。具体的には、例えばＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）を原料ガスとして使用するＣＶＤ法により、全面に、厚さ約１５μｍの絶縁層１２を形成する。
【００９１】
［工程−１５０］
その後、絶縁層１２上にストライプ状のゲート電極１３を形成し、更に、絶縁層１２及びゲート電極１３上にマスク層２２を設けた後、ゲート電極１３に第１の開口部１４Ａを形成し、更に、ゲート電極１３に形成された第１の開口部１４Ａに連通する第２の開口部１４Ｂを絶縁層１２に形成する（図７の（Ｂ）参照）。尚、マトリックス２０を金属酸化物、例えばＩＴＯから構成する場合、絶縁層１２をエッチングするとき、マトリックス２０がエッチングされることはない。即ち、絶縁層１２とマトリックス２０とのエッチング選択比はほぼ無限大である。従って、絶縁層１２のエッチングによってカーボン・ナノチューブ２１に損傷が発生することはない。ゲート電極１３の厚さを１０μｍとし、第１開口部１４Ａ及び第２開口部１４Ｂの直径を４０μｍとした。
【００９２】
［工程−１６０］
次いで、以下の表４に例示する条件にて、マトリックス２０の一部を除去し、マトリックス２０から先端部が突出した状態のカーボン・ナノチューブ２１を得ることが好ましい。こうして、図８の（Ａ）に示す構造の電子放出部１５を得ることができる。
【００９３】
［表４］
エッチング溶液：塩酸
エッチング時間：１０秒〜３０秒
エッチング温度：１０〜６０゜Ｃ
【００９４】
マトリックス２０のエッチングによって一部あるいは全てのカーボン・ナノチューブ２１の表面状態が変化し（例えば、その表面に酸素原子や酸素分子、フッ素原子が吸着し）、電界放出に関して不活性となっている場合がある。それ故、その後、電子放出部１５に対して水素ガス雰囲気中でのプラズマ処理を行うことが好ましく、これによって、電子放出部１５が活性化し、電子放出部１５からの電子の放出効率の一層の向上させることができる。プラズマ処理の条件を、以下の表５に例示する。
【００９５】
［表５］
使用ガス      ：Ｈ2＝１００sccm
電源パワー    ：１０００Ｗ
支持体印加電力：５０Ｖ
反応圧力      ：０．１Ｐａ
支持体温度    ：３００゜Ｃ
【００９６】
その後、カーボン・ナノチューブ２１からガスを放出させるために、加熱処理や各種のプラズマ処理を施してもよいし、カーボン・ナノチューブ２１の表面に意図的に吸着物を吸着させるために吸着させたい物質を含むガスにカーボン・ナノチューブ２１を晒してもよい。また、カーボン・ナノチューブ２１を精製するために、酸素プラズマ処理やフッ素プラズマ処理を行ってもよい。
【００９７】
［工程−１７０］
その後、絶縁層１２に設けられた第２の開口部１４Ｂの側壁面を等方的なエッチングによって後退させることが、ゲート電極１３の開口端部を露出させるといった観点から、好ましい。尚、等方的なエッチングは、ケミカルドライエッチングのようにラジカルを主エッチング種として利用するドライエッチング、あるいはエッチング液を利用するウェットエッチングにより行うことができる。エッチング液としては、例えば４９％フッ酸水溶液と純水の１：１００（容積比）混合液を用いることができる。次いで、マスク層２２を除去する。こうして、図８の（Ｂ）に示す電界放出素子を完成することができる。
【００９８】
尚、［工程−１５０］の後、［工程−１７０］、［工程−１６０］の順に実行してもよい。
【００９９】
［扁平型電界放出素子（その２）］
扁平型電界放出素子の模式的な一部断面図を、図９の（Ａ）に示す。この扁平型電界放出素子は、例えばガラスから成る支持体１０上に形成されたカソード電極１１、支持体１０及びカソード電極１１上に形成された絶縁層１２、絶縁層１２上に形成されたゲート電極１３、ゲート電極１３及び絶縁層１２を貫通する開口部１４（ゲート電極１３に設けられた第１開口部、及び、絶縁層１２に設けられ、第１開口部１４Ａと連通した第２開口部）、並びに、開口部１４の底部に位置するカソード電極１１の部分の上に設けられた扁平の電子放出部（電子放出層１５Ａ）から成る。ここで、電子放出層１５Ａは、図面の紙面垂直方向に延びたストライプ状のカソード電極１１上に形成されている。また、ゲート電極１３は、図面の紙面左右方向に延びている。カソード電極１１及びゲート電極１３はクロムから成る。電子放出層１５Ａは、具体的には、グラファイト粉末から成る薄層から構成されている。図９の（Ａ）に示した扁平型電界放出素子においては、カソード電極１１の表面の全域に亙って、電子放出層１５Ａが形成されているが、このような構造に限定するものではなく、要は、少なくとも開口部１４の底部に電子放出層１５Ａが設けられていればよい。
【０１００】
［平面型電界放出素子］
平面型電界放出素子の模式的な一部断面図を、図９の（Ｂ）に示す。この平面型電界放出素子は、例えばガラスから成る支持体１０上に形成されたストライプ状のカソード電極１１、支持体１０及びカソード電極１１上に形成された絶縁層１２、絶縁層１２上に形成されたストライプ状のゲート電極１３、並びに、ゲート電極１３及び絶縁層１２を貫通する第１開口部及び第２開口部（開口部１４）から成る。開口部１４の底部にはカソード電極１１が露出している。カソード電極１１は、図面の紙面垂直方向に延び、ゲート電極１３は、図面の紙面左右方向に延びている。カソード電極１１及びゲート電極１３はクロム（Ｃｒ）から成り、絶縁層１２はＳｉＯ2から成る。ここで、開口部１４の底部に露出したカソード電極１１の部分が電子放出部１５Ｂに相当する。
【０１０１】
以上、本発明を、発明の実施の形態に基づき説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。発明の実施の形態にて説明したアノードパネルやカソードパネル、表示装置や電界放出素子の構成、構造は例示であり、適宜変更することができるし、アノードパネルやカソードパネル、表示装置や電界放出素子の製造方法も例示であり、適宜変更することができる。更には、アノードパネルやカソードパネルの製造において使用した各種材料も例示であり、適宜変更することができる。表示装置においては、専らカラー表示を例にとり説明したが、単色表示とすることもできる。
【０１０２】
実施の形態においては、カソード電極１１がｙ方向に延び、ゲート電極１３がｘ方向に延びている構成を示したが、カソード電極１１がｘ方向に延び、ゲート電極１３がｙ方向に延びている構成とすることもできる。
【０１０３】
アノード電極は、有効領域を１枚のシート状の導電材料で被覆した形式のアノード電極としてもよいし、１又は複数の画素に対応するアノード電極ユニットが集合した形式のアノード電極としてもよい。アノード電極が前者の構成の場合、かかるアノード電極をアノード電極制御回路に接続すればよいし、アノード電極が後者の構成の場合、例えば、各アノード電極ユニットをアノード電極制御回路に接続すればよい。
【０１０４】
また、電界放出素子においては、専ら１つの開口部に１つの電子放出部が対応する形態を説明したが、電界放出素子の構造に依っては、１つの開口部に複数の電子放出部が対応した形態、あるいは、複数の開口部に１つの電子放出部が対応する形態とすることもできる。あるいは又、ゲート電極に複数の第１開口部を設け、絶縁層にかかる複数の第１開口部に連通した１つの第２開口部を設け、１又は複数の電子放出部を設ける形態とすることもできる。
【０１０５】
表面伝導型電界放出素子と通称される電界放出素子から電子放出領域を構成することもできる。この表面伝導型電界放出素子は、例えばガラスから成る支持体上に酸化錫（ＳｎＯ2）、金（Ａｕ）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）／酸化錫（ＳｎＯ2）、カーボン、酸化パラジウム（ＰｄＯ）等の導電材料から成り、微小面積を有し、所定の間隔（ギャップ）を開けて配された一対の電極がマトリクス状に形成されて成る。それぞれの電極の上には炭素薄膜が形成されている。そして、一対の電極の内の一方の電極に行方向配線が接続され、一対の電極の内の他方の電極に列方向配線が接続された構成を有する。一対の電極に電圧を印加することによって、ギャップを挟んで向かい合った炭素薄膜に電界が加わり、炭素薄膜から電子が放出される。かかる電子をアノードパネル上の蛍光体層に衝突させることによって、蛍光体層が励起されて発光し、所望の画像を得ることができる。
【０１０６】
【発明の効果】
本発明においては、開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の２次微係数φ”を−０．０２＜φ”＜０．０２と規定することによって、電子放出部から放出された電子が、電子放出部に対向する蛍光体層に衝突せずに、かかる蛍光体層に隣接した蛍光体層に衝突することを確実に防止することができる。従って、輝度の低下や、色純度の低下、隣接画素間の光学的クロストークが発生することを確実に防止することができる。しかも、カソードパネルの構造が複雑になることが無く、冷陰極電界電子放出表示装置の製造コスト増を招くこともない。
【０１０７】
尚、２次微係数φ”＞０の場合、開口部の中心部に位置する電子放出部の部分における電界強度が強くなり、開口部の中心部に位置する電子放出部から電子が多く放出される。一方、２次微係数φ”＜０の場合、開口部の周辺部に位置する電子放出部の部分における電界強度が強くなり、開口部の周辺部に位置する電子放出部の部分から電子が多く放出される。然るに、本発明においては、２次微係数φ”を−０．０２＜φ”＜０．０２と規定することによって、電子放出部全体における電界強度の均一化を図ることができるので、電子放出部全体から電子が放出される結果、エミッション・サイト密度（Emission Site Density）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の２次微係数φ”と、電子放出部から放出された電子が蛍光体層に衝突するときの蛍光体層の大きさであるスポット径Ｖssの関係を示すグラフである。
【図２】図２は、冷陰極電界電子放出表示装置の模式的な一部端面図である。
【図３】図３は、カソードパネルＣＰとアノードパネルＡＰを分解したときの模式的な部分的斜視図である。
【図４】図４は、カソードパネルの一部分におけるカソード電極、ゲート電極及び開口部の模式的な配置図である。
【図５】図５は、重複領域における開口部の数を１つとした場合の、カソードパネルの一部分におけるカソード電極、ゲート電極及び開口部の模式的な配置図である。
【図６】図６は、重複領域における開口部の数を複数とした場合の、カソードパネルの一部分におけるカソード電極、ゲート電極及び開口部の模式的な配置図である。
【図７】図７の（Ａ）及び（Ｂ）は、扁平型冷陰極電界電子放出素子（その１）の製造方法を説明するための支持体等の模式的な一部断面図である。
【図８】図８の（Ａ）及び（Ｂ）は、図７の（Ｂ）に引き続き、扁平型冷陰極電界電子放出素子（その１）の製造方法を説明するための支持体等の模式的な一部断面図である。
【図９】図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、扁平型冷陰極電界電子放出素子（その２）の模式的な一部断面図、及び、平面型冷陰極電界電子放出素子の模式的な一部断面図である。
【図１０】図１０は、開口部内及び開口部の近傍の空間に一種の凸レンズから成る電子レンズが形成された状態を模式的に示す図である。
【図１１】図１１は、電子放出部から放出された電子が、電子放出部に対向する蛍光体層に衝突せずに、かかる蛍光体層に隣接した蛍光体層に衝突する状態を模式的に示す図である。
【図１２】図１２は、収束電極が設けられた冷陰極電界電子放出素子の模式的な一部端面図である。
【符号の説明】
ＣＰ・・・カソードパネル、ＡＰ・・・アノードパネル、１０・・・支持体、１１・・・カソード電極、１２・・・絶縁層、１３・・・ゲート電極、１４，１１４，２１４・・・開口部、１４Ａ・・・第１開口部、１４Ｂ・・・第２開口部、１５，１５Ａ，１５Ｂ・・・電子放出部、２０・・・マトリックス、２１・・・カーボン・ナノチューブ、３０・・・基板、３１，３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ・・・蛍光体層、３２・・・ブラックマトリックス、３３・・・アノード電極、４０・・・カソード電極制御回路、４１・・・ゲート電極制御回路、４２・・・アノード電極制御回路
【図１】
2004200109.tif 000003
【図２】
2004200109.tif 000004
【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】
2004200109.tif 000009
【図８】
2004200109.tif 000010
【図９】
2004200109.tif 000011
【図１０】
2004200109.tif 000012
【図１１】
2004200109.tif 000013
【図１２】
2004200109.tif 000014