(57)【要約】【課題】本発明は、低コストで簡便に電子放出素子を提供することを課題とする。【解決手段】下部電極であるアルミニウム基材表面に一定ピッチで形成された、先端形状が尖鋭型形状を有するアルミナの柱状体からなる電子銃と、該電子銃を囲むように形成された絶縁隔壁、および該絶縁隔壁上部に形成されたゲート電極からなり、電極間に電圧を印加することにより作動させることを特徴とする電子放出素子。また、前記アルミナが陽極酸化アルミナ（アルマイト）であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極であるアルミニウム基材表面に一定ピッチで形成された、先端形状が尖鋭型形状を有するアルミナの柱状体からなる電子銃と、該電子銃を囲むように形成された絶縁隔壁、および該絶縁隔壁上部に形成されたゲート電極からなり、電極間に電圧を印加することにより作動させることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
前記アルミナが陽極酸化アルミナ（アルマイト）であ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】
前記アルミナの比抵抗が、１０７Ωｃｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記アルミナにＡｇが含浸されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか一に記載の電子放出素子と対抗する側に、蛍光体を塗布した上部電極を備え、前記下部電極に負電圧、上部電極に正電圧を印加することにより、前記電子銃から放出された電子を蛍光体に衝突させて発光させることを特徴とする発光デバイス。
【請求項６】
前記請求項５に記載の発光デバイスを使用することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【請求項７】
前記請求項５に記載の発光デバイスを使用することを特徴とする蛍光ランプ。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか一に記載の電子放出素子の製法であって、
基材の一部を絶縁体と導電体の積層材でマスキングする工程、非マスキング部を陽極酸化処理して、該マスキング材で囲まれた部位に柱状または突起状のアルミナを形成する工程を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項９】
前記マスキングする工程が、アルミ基材表面全体に絶縁層を形成する第一の工程、該絶縁層の表面全体に導電層を形成する第二の工程、加工により、特定のピッチで並列されたドット状のアルミ基材部のみを露出させる第三の工程を有することを特徴とする請求項８に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項１０】
前記マスキングする工程において、レーザー光線によりマスキング材を加工することを特徴とする請求項８又は９に記載の電子放出素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は面発光デバイスのための電子放出素子とその製造方法、及びこれを用いた発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷陰極を用いたフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）と呼ばれる薄型ディスプレイが開発されている。ＦＥＤは、各種の面状冷陰極から放射された電子線を陽極（アノード）側の蛍光体層に照射することで発光させるものであり、電子線発生効率が蛍光表示管よりも高いため、面発光ディスプレイに向いたデバイスである。
【０００３】
冷陰極電子源としては、電界放出型（以下、ＦＥ型という）、金属／絶縁層／金属型（以下、ＭＩＭ型という）や表面伝導型電子放出素子等がある。ＦＥ型の例としては非特許文献１あるいは非特許文献２等が知られている。ＭＩＭ型の例としては非特許文献３等が知られている。
【非特許文献１】W. P. Dyke & W. W. Dolan, “Field emission”, Advance in Electron Physics、8 89 (1956)
【非特許文献２】C. A. Spindt, “Physical Proper40 ties of thin-film field emission cathodes with molybdenium” J. Appl. Phys., 475248 (1976)
【非特許文献３】C. A. Mead, “The Tunnel-emission amplifier”, J. Appl. Phys., 32 646 (1961)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらの電子放出素子の製造工程は複雑で、非常にコストがかかるという問題がある。本発明はこのような問題に対処するためになされたものであり、低コストで簡便に電子放出素子を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、アルミ基材の特定部位を陽極酸化処理することで、先端形状が尖鋭形状を持つ柱状アルミナを生成させることができ、これが電子放出素子として有用であることを見いだし、本発明を完成させた。
本発明は下記の構成から成る。
（１）下部電極であるアルミニウム基材表面に一定ピッチで形成された、先端形状が尖鋭型形状を有するアルミナの柱状体からなる電子銃と、該電子銃を囲むように形成された絶縁隔壁、および該絶縁隔壁上部に形成されたゲート電極からなり、電極間に電圧を印加することにより作動させることを特徴とする電子放出素子。
（２）前記アルミナが陽極酸化アルミナ（アルマイト）であることを特徴とする上記（１）に記載の電子放出素子。
（３）前記アルミナの比抵抗が、１０７Ωｃｍ以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の電子放出素子。
（４）前記アルミナにＡｇが含浸されていることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の電子放出素子。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の電子放出素子と対抗する側に、蛍光体を塗布した上部電極を備え、前記下部電極に負電圧、上部電極に正電圧を印加することにより、前記電子銃から放出された電子を蛍光体に衝突させて発光させることを特徴とする発光デバイス。
（６）上記（５）に記載の発光デバイスを使用することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
（７）上記（５）に記載の発光デバイスを使用することを特徴とする蛍光ランプ。
【０００６】
また、本発明は下記の通り製造できる。
（８）上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の電子放出素子の製法であって、
基材の一部を絶縁体と導電体の積層材でマスキングする工程、非マスキング部を陽極酸化処理して、該マスキング材で囲まれた部位に柱状または突起状のアルミナを形成する工程を有することを特徴とする電子放出素子の製造方法。
（９）前記マスキングする工程が、アルミ基材表面全体に絶縁層を形成する第一の工程、該絶縁層の表面全体に導電層を形成する第二の工程、加工により、特定のピッチで並列されたドット状のアルミ基材部のみを露出させる第三の工程を有することを特徴とする上記（８）に記載の電子放出素子の製造方法。
（１０）前記マスキングする工程において、レーザー光線によりマスキング材を加工することを特徴とする上記（８）又は（９）に記載の電子放出素子の製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る電子放出素子は、低コストの陽極酸化を用いて作製することができるので、大変有用である。本電子放出素子を様々な蛍光体と組み合わせることで、ＦＥＤはもちろん、各種の蛍光ランプも低コストで作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る電子放出素子を用いた発光デバイスの基本的構造を図１に示す。
本発明に係る電子放出素子は、下部電極であるアルミニウム基材表面に一定ピッチで形成された、先端形状が尖鋭型形状を有するアルミナの柱状体からなる電子銃（エミッタ）と、それを囲むように形成された絶縁隔壁、および該絶縁隔壁上部に形成されたゲート電極からなり、電極間に電圧を印加することにより作動させる電子放出素子であり、これを電子銃として用いた面発光デバイスをも含む。
【０００９】
エミッタとゲート間に電界を印加して電子を引き出し、高加速電圧をアノードに印加して電子を加速させてアノードの蛍光体に衝突させることにより発光が起こる。
発光原理はブラウン管と同様で、電子を真空中に放って発光面に塗布された蛍光物質にぶつけるというものであり、ブラウン管では電子を放出する電子銃が発光面から十数〜数十ｃｍ離れた位置に一つあるが、ＦＥＤではガラス基板上に電子放出部が画素と同じ数だけ格子状に並んでおり、各々が数ｍｍ離れて向かい合って配置されたガラス基板上の蛍光体に向けて電子を発射する。ブラウン管のように偏向が必要ないため薄型大画面の平面ディスプレイを作ることができ、また、消費電力もブラウン管ディスプレイの半分程度で済む。
【００１０】
本発明に係る電子放出素子は、電子銃部が尖鋭型形状を有するアルミナの柱状体からなることを特徴とする。当該アルミナは、アルミニウムを陽極酸化して得た陽極酸化アルミナ（アルマイト）であることが好ましい。
陽極酸化とは、アルミニウム板を電解液中で、数十ボルトの電界を印加することにより、その表面から多孔質アルミナに変質させていくプロセスで、幅広く仕様されている公知の、低コスト技術である。電解液としては、シュウ酸、硼酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、アジピン酸アンモニウム等の水溶液がよく用いられる。
【００１１】
図２に示すように、アルミを陽極酸化した時に形成されるアルミナ柱の約１／３は元のアルミ位置よりも高い位置に、残りの２／３は、アルミ基材の内部に形成されることはよく知られている。本発明者は、この現象に注目し、アルミ表面の一部をマスキングして、酸化されない状態にしておくことにより、柱状アルミナの形成が可能であることを見出した。
【００１２】
電子放出のためには、電子銃（エミッタ）には有る程度の導電性が必要である。このため、本発明に係る電子放出素子は、その電子銃部を構成する上記アルミナの比抵抗が１０７Ωｃｍ以下であることを特徴とする。また、該アルミナにＡｇが含浸されていることが好ましい。
一般に、陽極酸化により形成されたアルミナ（アルマイト）の比抵抗は一般に１０１２Ωｃｍ程度と高く絶縁性であるが、アルマイト形成後に、アルマイトに含まれる細孔内に導電性金属を含浸させることにより導電性が付与できる。これは一般に、導電性アルマイトと呼ばれるものであり、代表的な金属としてはＡｇやＴｉなどが用いられる。導電性金属を含浸させることによりアルマイトの比抵抗が１０７Ωｃｍ以下にすると、電子が放出されやすくなるため好ましい。
特にＡｇを含浸させることが好ましい。Ａｇの含有量を多くすることで導電性は制御できる。
【００１３】
このような電子放出素子は、その対向する側に、蛍光体を塗布した上部電極を備え、前記下部電極に負電圧を、上部電極に正電圧を印加することにより、前記電子銃から放出された電子を蛍光体に衝突させて発光させることを特徴とする発光デバイスに好ましく用いることができる。かかる発光デバイスは面発光が可能であるため、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）に好ましく用いることができる。また、蛍光体との組み合わせにより、ＦＥＤのみならず、各種の蛍光ランプも低コストで作製することができる。
【００１４】
次に本発明に係る電子放出素子の製造方法を具体的に説明する。
本発明に係る電子放出素子の電子放出部（電子銃）を構成する尖鋭型形状を有するアルミナの柱状体は、以下の様に陽極酸化プロセスにより作製することが可能である。
まず、アルミ表面にマスキングを行う。マスキングの形状は例えば、ハニカム形状が考えられる。これにより、陽極酸化される各部位は孤立する。マスキングは、絶縁体と導電対の二層構造にする。
マスキング後の陽極酸化により、孤立した部分のみがアルミナに変質していくが、この時、アルミナに転化した先端面はアルミ面よりも高い位置になるので、陽極酸化の進行に伴い柱の高さが増大していく。陽極酸化は、通常のアルミの陽極酸化プロセスがそのまま使える。一般に、陽極酸化処理の条件によってはアルミナが基材面に対してほぼ垂直な柱になる場合もあるし、また、先端面が底部よりも小さな突起状になる場合もある。
本発明においては、マスクされていない基材表面（孔部分）を陽極酸化処理することにより、アルミナの先端形状を尖鋭型にすることができる。突起状アルミナの先端部が細いほど電子は放出されやすい。陽極酸化処理の際、突起の先端部の位置は、最表面の導電層（ゲート電極）よりも低い位置にあることが好ましい。そうでない場合は電子が放出されにくい、または電子放出量の制御が難しくなる。
【００１５】
絶縁層と導電層の形成は、例えば、以下のようにすることができる。まず、第一の工程でアルミ基材表面全体にポリイミド層を気相合成で形成する。次に、第二の工程でその表面全体にＣｕ層を同じく気相合成で形成する。次に、第三の工程でレーザー光線を一部に照射し、その部分の導電層と絶縁層を共に除去加工してしまうことで、特定の直径でアルミ基材が露出した部分を特定ピッチで形成することができる。このようなマスキングを形成したものを陽極酸化することにより、図１の構造の電子銃（エミッタ）が得られるのである。この場合、ポリイミド等による絶縁層が図１中の絶縁体隔壁として、Ｃｕ等による導電層がゲート電極としての役割を果たす。尚、マスキング法はこの方法以外でももちろんかまわない。
【００１６】
上記マスキングと陽極酸化処理をするのは、基材の一表面でも良いし両面でも構わない。通常のディスプレイでは、片面でかまわないが、両面を陽極酸化すると、両面が発光するデバイスにすることもできる。マスキング材は、一連の陽極酸化処理で曝される酸やアルカリに対して耐性がある材料ならなんでもよく、樹脂ならエポキシ、ポリイミド等が考えられるし、無機材料であればガラスやアルミナでもいい。但し、上記したレーザーでマスク材を加工してマスクパターンを形成する場合は、マスク材はレーザーの光を吸収する必要があるので、ガラスなどの透明材料は好ましくなく、ポリイミド等が好ましい。
【００１７】
また、マスキングのコストを低減するためには、例えば、Ｃｕ製の粘着テープ等を直接アルミ基材に貼り付けた後、加工してもよい。
尚、基材にはアルミを用いるのが低コストという観点からは一般的であるが、少なくとも表面がアルミであればかまわないので、セラミックス等の多孔体の基材表面に予めアルミをコーティングしておいてもかまわない。アルミ表面の面粗度が高いほど、エミッタは正確に基材に対して垂直になりやすいので好ましい。また、陽極酸化により作製されたアルミナをエミッタとする場合、前述のように導電性を持たせるべく、アルミナ表面の細孔に導電性金属を含浸させることが好ましい。特にＡｇを含浸させることが好ましい。
また、厚さが１００μｍ以下の薄いアルミ基材を用いると、エミッタ自体がフレキシブルになるので、結果としてフレキシブルＦＥＤやフレキシブル蛍光ランプにもなる。この場合、可撓性を有する基材表面にアルミ薄膜をコーティングしたものを基材として用いることも可能である。
【実施例】
【００１８】
実施例１
（１）エミッタの作製
［１］マスキング
基材として、２０×２０ｍｍ、厚さ５０μｍ、面粗度Ｒａが０．０１μｍのＡｌ箔を用いた。基材全面にポリイミドを物理蒸着法で、厚さ２５μｍコーティングした後、さらにＣｕを１μｍコーティングした。
図３に示すように、この基材に紫外線レーザを照射してポリイミドとＣｕを除去し、図３に示すようなマスクパターン、すなわち直径１０μｍの穴を５０μｍピッチに形成した。
図４は加工後の基材（基板）表面の状態を示す電子顕微鏡写真である。
［２］陽極酸化
図５に示す装置を用いて、上記基材を負極にして陽極酸化処理を行った。めっき浴として、硫酸を用いた。正極には白金板を用いた。電圧は２５Ｖ、電流値は２０ｍＡとした。系全体が一定温度になるようチラーで５℃に温度調節した。
生成したエミッタの電子顕微鏡写真を図６に示す。エミッタとして利用可能な、先端形状が尖鋭型のアルマイトが生成していた。図６の白抜き矢印は、アルマイトの先端部を示す。
［３］導電処理
アルマイト生成後、Ａｇの含浸処理を行った。
【００１９】
（２）アノードの作製
［１］蛍光体
蛍光体母体：市販のカラーテレビ用ＺｎＳ：Ａｇ、Ｃｌ蛍光体を用いた。
［２］アノード
蛍光体をエタノール中で超音波混合して、蛍光体含有率が３０体積％のスラリーを作製し、スクリーン印刷により石英ガラス基板の片面に塗布後、乾燥させて厚さが約１５μｍの蛍光体層を形成した。その後、真空蒸着により蛍光体層表面へのメタルバック層（Ａｌ）を約１００ｎｍ形成してアノードとした。
【００２０】
（３）発光デバイス（ランプ）の作製
図１の構造になるよう、作製したアノードとカソードを組み込み、部材を無機系接着剤を用いて組み立てて容器内部を排気し、封止切り後、ゲッターをフラッシュさせて残留ガスを吸着させて、容器内部を１０−６Ｐａとした後、所定の安定化処理を行い、発光パネルとした。
【００２１】
（４）発光特性の評価
ゲート電圧として１００Ｖ、アノード電圧として１１ｋＶを印加し、発光スペクトルをマルチフォトニックアナライザーで測定した。
発光ピーク波長が４５４ｎｍの発光が確認できた。
陽極酸化プロセスを用いることで、電子放出素子が作製でき、発光デバイスとして有効であることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る発光デバイスの基本的構造の一例を表す図である。
【図２】陽極酸化プロセスにより作製されたアルミナ柱を表す図である。
【図３】本発明に用いるマスク材のマスクパターンの一例を表す図である。
【図４】マスクを形成した基板表面の状態を示す電子顕微鏡写真である。
【図５】陽極酸化処理を行う装置の一例を示す図である。
【図６】生成した電子銃（エミッタ）の電子顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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【図６】
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