(57)【要約】【課題】  第１の基体表面上に間隔を置いて配置された第１電極及び第２電極と、前記第１電極に電気的に接続する、炭素を含む複数のファイバーと、を有する電子放出素子であって、前記第１電極は、前記第２電極に対向する端部に、前記第２電極に向かう凸部を有しており、前記複数のファイバーは、前記凸部に接続されてなることを特徴とする。【解決手段】  アノード電圧では電子が引き出されないカーボンファイバーを利用しつつ低い引き出し電極の電圧で電子放出できる電子放出素子を提供することである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基体表面上に間隔を置いて配置された第１電極及び第２電極と、
前記第１電極に電気的に接続する、炭素を含む複数のファイバーと、を有する電子放出素子であって、
前記第１電極は、前記第２電極に対向する端部に、前記第２電極に向かう凸部を有しており、
前記複数のファイバーは、前記凸部に接続されてなることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記電子放出素子は、陽極を有する第二の基体に対して前記第一の基体が平行になるように設けられ、前記第一の基体と前記第二の基体との間隔をＨ、前記陽極と前記電子放出素子との間に印加する電圧をＶａとしたときに、Ｖａ／Ｈで表される電界強度を直流で印加した時に０．１ｍＡ／ｃｍ２以下の電子放出をする特性をもつ前記ファイバーを使用することを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項３】
前記ファイバーは、その一方の端部が、前記凸部に接続されており、さらに、その長手方向が、前記第１電極から前記第２電極側に向かうように配置されてなる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記第１電極は、前記凸部を複数有しており、該複数の凸部は、前記凸部の高さをｈ、前記凸部の間隔をｐとすると  ｐ≧ｈ／１０、前記ファイバーの長さをＬとすると  １００Ｌ≧ｈ≧Ｌ／２、そして望ましくはｈ＋Ｌ≦ｐ≦２（ｈ＋Ｌ）を満たすように配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記電子放出素子は、前記第１電極に印加される電位よりも高い電位を、前記第２電極に印加することにより、前記基体表面と平行な方向の電界を形成することで前記ファイバーから電子を引き出すことを特徴とする電子放出素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子放出素子、電子源、及び画像形成装置に関するものであり、テレビ放送の表示装置、パソコンの表示装置などに用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子放出部材としてカーボンファイバーを用いた電界放出型電子放出素子が特許文献１〜４などに開示されている。カーボンナノチューブなどのカーボンファイバーは直径が数十から数百ｎｍと非常に細く、また先端が尖鋭になっている。このことから電界中のカーボンファイバーの先端では電界が強調され、比較的小さな電界中でも電子放出が起こる。また機械的にも丈夫であることから、性能や寿命などを考慮すると現在カーボンファイバーは電子放出部材としては最も優れているものとなっている。このようなカーボンファイバーを使用する事で寿命や性能の面でも優れた電子放出素子になり、信頼性の高い平板型画像表示装置に応用するに適したものである。
【特許文献１】特開２００１−６８０１６号公報
【特許文献２】特開２００２−１５０９２４号公報
【特許文献３】特開２００３−２１７４８５号公報
【特許文献４】米国特許第５７７３９２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般的にＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）では陰極、引き出し電極、陽極の３極からなる構造をしており、陰極と引き出し電極とを備える基板と陽極を備える基板とを数百μｍから数ｍｍ程度離して対向する形で形成されている。そして陽極上には電子線を光に変換するために蛍光体が備えられており、蛍光体の発光効率を上げるために陽極と陰極との間には数ｋＶ〜数十ｋＶ程度の電圧が印加されている。
【０００４】
そこで前述したカーボンファイバーを用いた電子放出素子をＦＥＤに応用するのは難しい点が発生する。この電子放出素子は平面上にカーボンファイバーを配置しただけの単純な構造になっているために、陽極と陰極との間に掛けた電圧（アノード電圧）で生じた電界が直接カーボンファイバーに印加される事になる。するとカーボンファイバーが電子放出するしきい値電界強度は数Ｖ／μｍ程度なので、アノード電圧を掛けただけで電子放出してしまう場合がある。またこの現象を回避するために電子放出するしきい値電圧が高いカーボンファイバーを使うと、今度は引き出し電極に高い電圧を印加しなくてはならなくなる問題がある。引き出し電極は陰極と同一平面内で対向するように作られているので、引き出し電極に高い電圧を印加して電子を引き出すと電子が横方向に飛ぶ距離が増加するためにビーム到達位置のずれが大きくなるなどの問題が発生する。
【０００５】
そこで本発明の目的はアノード電圧では電子が引き出されないカーボンファイバーを利用しつつ低い引き出し電極の電圧で電子放出できる電子放出素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明者は陰極の引き出し電極と対向している側に凹凸形状を作製することで上述した問題点を解決できることを見出した。
【０００７】
即ち、本発明は、第１の基体表面上に間隔を置いて配置された第１電極及び第２電極と、前記第１電極に電気的に接続する、炭素を含む複数のファイバーと、を有する電子放出素子であって、前記第１電極は、前記第２電極に対向する端部に、前記第２電極に向かう凸部を有しており、前記複数のファイバーは、前記凸部に接続されてなることを特徴とする電子放出素子である。この構成を採用することにより、第一電極と第二電極との間に掛かる電界が強調され、第二電極に凸部設ける前よりも低い電圧で電子を引き出せるようになる。
【０００８】
本発明において、さらに、前記電子放出素子は、陽極を有する第二の基体に対して前記第一の基体が平行になるように設けられるものであって、第一基体と前記第二基体との間隔をＨ、陽極に掛ける電圧をＶａとしたときに、Ｖａ／Ｈの電界強度を直流で０．１ｍＡ／ｃｍ２以下の電子放出をする特性をもつファイバーを使用することで、第二電極に引き出し電圧を掛けない限りは電子が引き出されて陽極に流れる事はなく、表示装置に応用したときには画面が常に光ることを防止できる。
【０００９】
また上記した電子放出素子は歩留まりが良く、素子特性のばらつきも少ない。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明した本発明によれば簡易的なプロセスにて、高速駆動可能、低消費電力、大面積基板対応可能、高精細に対応可能な電子放出素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に本発明の実施形態例を示す。
【００１２】
（第一の実施形態例）
図１は本発明の電子放出素子  について最も良く表現している第一の実施形態である。以下本発明の電子放出素子の形態について説明する。
【００１３】
図１（ａ）は基板１の上面から、また（ｂ）はＡ−Ａ’断面を側面から見たものである。図中の１は絶縁性の基板、２は引き出し電極、３は陰極、４はカーボンファイバー、５はガラス基板、６は陽極を示している。基板１の材料としては、表面を十分に洗浄した、石英ガラス、Ｎａ等の不純物含有量を減少させＫ等に一部置換したガラス、青板ガラス及びシリコン基板等にスパッタ法などによってＳｉＯ２を積層した積層体、アルミナなどのセラミックの絶縁性基板が挙げられる。
【００１４】
引き出し電極２及び陰極３は導電性を有しており、蒸着法、スパッタ法などの一般的真空成膜技術、及びフォトリソグラフィー技術によって形成される。引き出し電極２及び陰極３の材料には例えば、炭素、金属、金属の窒化物、金属の炭化物、金属のホウ化物、半導体、半導体の金属化合物から適宜選択される。引き出し電極２及び陰極３の厚さは、数十ｎｍから数十μｍの範囲で選択される。
【００１５】
カーボンファイバー４は陰極３上に触媒金属微粒子を散布し炭化水素雰囲気中で基板１を加熱して作製することができる。カーボンファイバーの成長に使用する触媒材料としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｐｄ、Ｎｉなどを使用することができる。特にＰｄ、Ｃｏ，Ｎｉにおいては低温（３５０から６００℃の温度）でグラファイトナノファイバーを生成することが可能である。Ｆｅなどを用いたカーボンナノチューブの生成温度は８００℃以上必要であることから、低温で生成可能なグラファイトナノファイバーは、他部材へ影響や、製造コストを低減するという観点で好ましい。前述した炭化水素ガスとしては例えばエチレン、メタン、プロパン、プロピレン、アセチレンなどのガスを用いる。また炭化水素ガスの代わりにＣＯ、ＣＯ２などの炭酸ガスやエタノール、アセトンなどの有機溶剤の蒸気を用いることもできる。
【００１６】
本実施形態例は凸部の高さをｈ＝３ｕｍ、凸部の間隔をｐ＝６ｕｍとしたので、ｐ＝２ｈの例である。またカーボンファイバー４として長さ１ｕｍ≦Ｌ≦３ｕｍのグラファイトナノファイバーを使用したので、ｈ＋Ｌ≦ｐ≦２（ｈ＋Ｌ）も満たしている。さらに電子放出するしきい値電界が５Ｖ／ｕｍ以上のカーボンファイバー４を使用したために基板１と基板５とを２ｍｍの間隔で平行に配置して、陽極には１０ｋＶの電圧をかけただけでは、陽極６に電子が流れる事はなかった。ここでさらに陰極３に凹凸形状を設けたため引き出し電極３と陰極２との間にかかる電界が効率よく強調され、陽極に１０ｋＶの電圧を印加しながら引き出し電極２に３０Ｖの電圧を印加したところ、陽極には３０ｕＡの電流が流れ、引き出し電極２のみで電子放出のＯＮ／ＯＦＦを制御できた。またＡ−Ａ’断面図に示されているように、引き出し電極２と陰極３とが素子部では重なり合うことがない。またこの形態にすることで寄生容量（キャパシタンス）が低減できるので、電子放出素子を高速に駆動できるようになるだけではなく、消費電力を低減できるようにもなる。
【００１７】
以上に記載した電子放出素子の作製方法について図２に詳細に記述した。まず（ａ）において絶縁性の基板１である石英基板に、後に引き出し電極２と陰極３とになる金属薄膜１１を蒸着した。そして続けて後にカーボンファイバー４を成長させる触媒となる金属微粒子１０を塗布した。金属薄膜１１はＴｉ／Ｐｔをそれぞれ５００Åの厚さにＥＢ蒸着したものである。金属微粒子１０はニッケル微粒子を金属薄膜１１上に塗布して作製した。
【００１８】
次に（ｂ）においてパターニングにて特定の領域にのみ金属微粒子１０が存在しないようにした。
【００１９】
次に（ｃ）において引き出し電極２と陰極３とを作製するため、フォトリソグラフィーにてレジスト１２を形成した。
【００２０】
次に（ｄ）においてドライエッチングにて引き出し電極２と陰極３とを作製した。
【００２１】
最後に（ｅ）においてカーボンファイバー４を成長させて、電子放出素子を完成させた。
【００２２】
以上に示した電子放出素子の作製方法は一例であり、他の製造方法によっても作製できることはいうまでもない。
【００２３】
（第二の実施形態例）
図３は本発明の電子放出素子について良く表現している第二の実施形態である。本実施形態例では第１の実施形態例と異なり凸部の高さをｈ＝３ｕｍ、凸部の間隔をｐ＝３ｕｍとした、ｐ＝ｈの例である。第１の実施形態例に比較してｐ＝ｈとしたことで多くの凹凸形状を作り込めたため、電子放出する部位が増加した。さらに第１の実施形態例に比較して先鋭な形状を形成したため、引き出し電極３と陰極２との間にかかる電界がさらに効率よく強調されるようになった。本実施形態例において、電子放出するしきい値電界が５Ｖ／μｍ以上のカーボンファイバー４を使用したために基板１と基板５とを２ｍｍの間隔で平行に配置して、陽極には１０ｋＶの電圧をかけただけでは、陽極６に電子が流れる事はなかった。そこで引き出し電極２に２０Ｖの電圧を印加したところ、陽極には４０ｕＡの電流が流れ、引き出し電極２のみで電子放出のＯＮ／ＯＦＦを制御できた。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一の実施形態の電子放出素子を示す図である。
【図２】本発明の第一の実施形態の電子放出素子の作製方法を示す図である。
【図３】本発明の第二の実施形態の電子放出素子を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  基板
２  引きだし電極
３  陰極
４  カーボンファイバー
５  ガラス基板
６  陽極
１０１  基板
１０２  引きだし電極
１０３  陰極
１０４  カーボンナノチューブ
１０５  ガラス基板
１０６  陽極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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