JP4802363B2

JP4802363B2 - 電界放出型冷陰極及び平面画像表示装置

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Publication number: JP4802363B2
Application number: JP2000362395A
Authority: JP
Inventors: 文則伊藤; 裕子岡田; 美徳富張; 和夫小沼; 明彦岡本
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: US20040043219A1; JP2002170480A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィールド・エミッション・ディスプレイ(以下、ＦＥＤとも呼ぶ)、CRT、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置、及び各種電子ビーム装置等の電子ビーム源として使用される電界放出型冷陰極及びその製造方法並びに平面画像表示装置に関し、特に、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴとも呼ぶ）を用いた電界放出型冷陰極、及び該電界放出型冷陰極を簡便に製造する製造方法、並びにこのような電界放出型冷陰極を用いた平面画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、新しい炭素材料であるカーボンナノチューブが、特に電界放出型冷陰極等のエミッタ材料としての応用において期待されている。ＣＮＴは、炭素原子が規則的に配列されたグランフェンシートをチューブ状に丸めた中空の円筒形状を有し、外径がナノメートル（ｎｍ）オーダーで、長さが０．５〜数１０μｍという極めてアスペクト比が高い微小な物質である。このような形状のＣＮＴでは、先端部分に電界集中が起こり易く、高い放出電流密度が期待できる。また、ＣＮＴは、化学的、物理的安定性が高い特性を有するので、動作真空中の残留ガスの吸着やイオン衝撃等に対して安定であることが予想される。
【０００３】
ＣＮＴには、単層ナノチューブ及び多層ナノチューブの２種類が存在する。単層ナノチューブは、１枚のグラフェン（単原子層の炭素六角網面）が円筒状に閉じた単原子層厚さのチューブであり、その直径はおよそ２ｎｍである。多層ナノチューブは、円筒状グラフェンが多層に積み重なったもので、その外径が５〜５０ｎｍ、中心空洞の直径が３〜１０ｎｍである。エミッタとしての使用頻度が高い単層ナノチューブは、炭素棒を電極とするアーク放電によって生成できる。この生成法は、Nature Vol.354(1991)p.56-58等の文献に記載されており、その中に、６６５００Ｐａ（５００Torr）のヘリウム又はアルゴンガスの雰囲気中で触媒金属として鉄、コバルトやニッケルを添加した炭素棒電極を用いてアーク放電を行う旨の記述がある。
【０００４】
また、ＣＮＴをフィルム状に成膜するための転写法が、例えばScience Vol.268(1995)の845頁及びScience Vol.270(1995)の1179頁に記載されている。この転写法では、溶液中にＣＮＴを分散させたＣＮＴ懸濁液を、０．２μｍのポアサイズを有するセラミックフィルタでろ過し、フィルタ上に残留したＣＮＴによる膜の裏面を基板上にプレスした後に、フィルタのみを引き剥がす。これにより、ＣＮＴを含む薄膜が基板上に形成される。
【０００５】
また、特開平11-260249号公報には、ＣＮＴと導電性ペーストとを混合し、スクリーン印刷によってＣＮＴ層を形成する電界放出型冷陰極の製造方法が記載されている。また、特願平11-145900号には、ＣＮＴとエタノールとの懸濁液又はＣＮＴとバインダ（レジストや水ガラス）との混合液を滴下、塗布（スピンコート）、又は噴霧させることによってＣＮＴ層を形成する電界放出型冷陰極の製造方法が記載されている。更に、Applied Physics Letter Vol76 (2000)、1776ページには、基板上にNiを形成し、その上部にCVD(Chemical Vapor Deposition)によって高配向のＣＮＴ層を形成する電界放出型冷陰極の製造方法が記載されている。
【０００６】
上述のように形成されたＣＮＴ層をディスプレイに適用する際には、電子源としてのカソード（エミッタ）にＣＮＴ層が用いられる。アノード電極及びその近傍に蛍光体が配設された２極管構造では、Appl.Phys.Letters、Volume72、p.2912、1998に記載されるように、相互に対向するアノード電極とエミッタとの間に例えば３００Ｖの電圧を印加し、アノード電極側の蛍光体にエミッタからの放出電子を当てて励起させ光を放出させることにより、ディスプレイに文字等を表示する。
【０００７】
図９に、３極管構造の一例を示す。この３極管構造では、電界放出型冷陰極に、ＣＮＴを用いたエミッタ１４ｂを使用しており、エミッタ１４ｂとアノード電極１２との間にゲート電極層８（グリッド電極）が配設されている。ガラス基板６上には、導電性基板又は導電層５が形成され、導電層５上にＣＮＴ層１４が堆積され、ＣＮＴ層１４上にゲート絶縁層７を介してゲート電極層８が形成されている。ゲート電極層８及びゲート絶縁層７を貫通するゲート開口９によりＣＮＴ層１４の一部が露出して、エミッタ１４ｂをなしている。ＣＮＴ層１４及びゲート電極層８等を含むガラス基板６の上方には所定の距離をあけてアノード電極１２が配置され、双方の間の空間は真空に保持される。
【０００８】
上記３極管構造では、ＣＮＴ層１４に負電位を、アノード電極１２及びゲート電極層８に正電位を夫々印加することにより、ゲート開口９内に露出したエミッタ１４ｂからアノード電極１２に向けて電子を放出させることができる。この３極管構造の電界放出型冷陰極では、エミッタ１４ｂからの放出電子量をゲート電極層８とエミッタ１４ｂとの間の電界（ゲート電圧）によって制御することができる。エミッタ表面から均一で安定性の高いエミッション電流を低ゲート電圧で得るためには、エミッタ表面の物理的・化学的安定性及び電界集中ポイントである微小突起密度の増大が必須である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記３極管構造を用いてＦＥＤ等の平面画像表示装置を製造する場合には、ＣＮＴ層上に絶縁膜を形成した後、エッチング溶液やエッチングガス等を用いて絶縁膜に開口を形成するが、エッチング溶液やエッチングガスの影響でＣＮＴ層の表面付近で直立するＣＮＴが消失して、良好な電界集中特性が損なわれることがある。
【００１０】
図１０に従来の製造方法で製造されたＣＮＴ層を示す。この製造方法では、バインダ溶液中にＣＮＴ１５を分散させた混合液を基板６表面の導電層５上に塗布し、基板６側とＣＮＴ１５との付着力を高めつつＣＮＴ層１６を形成する。この方法では、ＣＮＴ層１６表面の殆どのＣＮＴ１５が、バインダ溶液の粘性及び表面張力で基板表面に向かって倒れ、或いは、バインダ内に埋没する等で直立状態が損なわれ、低電圧下での均一なエミッション特性の実現が極めて困難である。
【００１１】
バインダは、主に、レジスト、水ガラス、及びアクリル樹脂等の絶縁物で構成されることが多く、この絶縁物によりＣＮＴ層１６の表面が被覆されると、電子放出時の電子の表面障壁が実質的に大きくなってエミッション効率が著しく低下する。このため、基板６とＣＮＴ層１６との付着力は良好になるものの、ＣＮＴ１５が直立配向していないエミッタでは、ＣＮＴ層１６を備えたことによる利点を充分に発揮させることはできない。
【００１２】
また、電子放出は基本的に真空中で行われるが、放出電子がアノード電極に射突すると、アノード電極表面に吸着していたガスが電子衝撃脱離によって真空中に再放出する。更に、放出電子が真空中の残留ガスに衝突すると、残留ガスをイオン化する。真空が劣化している場合やアノードからの脱ガスが大きい場合には、局所的に上記反応が連鎖し、放電を引き起こす。これにより、ＣＮＴがゲート電極及びアノード電極に飛散し、素子破壊を生じることがある。
【００１３】
上記現象は、基板とＣＮＴ層との付着力が弱い場合に多く観察される。例えば、前述したScience Vol.268 (1995)の845頁に記載される転写法では、バインダを用いていないので、ＣＮＴ本来の良好なエミッション特性は得られ易いが、付着力が弱いために、放電時にＣＮＴ層が損傷を受け易い。
【００１４】
また、特願平11-145900号に記載されるＣＮＴとエタノールとの懸濁液を滴下する方法も、焼成時にエタノールが完全に除去されるため、ＣＮＴの付着力が低減し、安定したエミッション特性を得ることが難しい。更に、Applied Physics Letter Vol76 (2000)、1776頁に記載されるCVDによるＣＮＴ層は、配向性に優れているが、基板との付着が弱く、局所的な放電が発生するとＣＮＴ層が損傷を受け易い。また、CVDによるＣＮＴ層の成膜には高価な装置が必要であり、高コスト化の原因になる。更に、CVDでは高温プロセスが必要であり、大面積化が困難であるので、大画面の平面画像装置の製造には不向きである。
【００１５】
本発明は、上記に鑑み、基板とＣＮＴ層との付着力が強く、ＣＮＴ層を用いながら均一で安定で均一性の高い放出電流を発生させ、良好なエミッション特性を得ることができる電界放出型冷陰極を提供すること、及び、このような特性の電界放出型冷陰極を製造する製造方法を提供することを目的とする。本発明は更に、前記電界放出型冷陰極を用いた平面画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電界放出型冷陰極は、基板上に形成され複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含むエミッタを備え、該エミッタに所定の電圧を印加してエミッタ表面から電子を放出させる電界放出型冷陰極において、
前記エミッタは、絶縁材料から形成されたバインダ層と前記ＣＮＴを含むＣＮＴ層とが順次に積層された積層構造を有し、前記バインダ層が隣接する前記ＣＮＴ層の一部に染み込んで前記ＣＮＴを結合しており、前記バインダ層と前記ＣＮＴ層の２層からなる前記積層構造が２つ以上連続して積層されている、ことを特徴とする。
【００１７】
本発明の電界放出型冷陰極では、バインダとＣＮＴとが独立に膜形成され、ＣＮＴ表面がバインダの影響を直接受けることなく清浄なＣＮＴ表面を維持できるので、基板とＣＮＴ層との付着力を強くすると共に、ＣＮＴ層表面でのＣＮＴの直立配向を形成し易くすることができできる。これにより、安定で均一性の高いエミッション特性を低電圧で実現する電界放出型冷陰極を得ることができる。なお、「直立配向」とは、ＣＮＴ層におけるＣＮＴの先端部分が基板における法線に対して５０度以下の角度をもつ配向状態を意味する。電界印加による静電力により直立配向は促進されるが、本発明で言う直立配向は「促進後の状態」である。
【００１８】
ここで、前記積層構造が２つ以上連続して積層されることが好ましい。この場合、たとえ最上層のＣＮＴ層が損傷を受けても、その下層のＣＮＴ層が表面に現れて新たな電子放出源となるので、特性が劣化しにくいという効果を奏する。つまり、ＣＮＴ層とバインダ層の積層構造を１回、若しくは２回連続して形成しても、更には、２回を超える回数連続して形成した構造であっても良い。積層の回数が多いほど、損傷に対する特性の安定性が高くなる。
【００１９】
ここで、前記ＣＮＴ層上にゲート絶縁層及びゲート電極層がこの順に形成され、前記ゲート電極層及びゲート絶縁層の双方を貫通する開口から前記ＣＮＴ層の表面が露出し、前記ゲート電極層及びエミッタに夫々異なる電圧が印加されることが好ましい。この場合、低いゲート電圧で高いエミッション電流を放出可能であるという効果が得られる。
【００２０】
具体的には、前記バインダ層の膜厚を０．０１〜１μｍ、前記ＣＮＴ層の膜厚を０．１〜５μｍに夫々設定することができる。この場合、ＣＮＴ層が基板に対して強固に固着されるため、素子破壊が生じることなく良好なエミッション特性が得られるという効果が得られる。
【００２１】
また、上記のような電界放出型冷陰極を平面画像表示装置に適用することにより、エミッション特性が良好な平面画像表示装置を得ることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の一実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態例に係る電界放出型冷陰極の要部を示す斜視図である。エミッタを成すＣＮＴは、アーク放電法やレーザーアブレーション法等で作製可能であるが、本実施形態例に係るＣＮＴは、アーク放電を用いて作製している。
【００３４】
電界放出型冷陰極は、ガラス基板６上に、図１の左右方向に相互に平行に延在する複数の帯状で且つ膜厚が０．５μｍの導電層２を有している。各導電層５上には夫々、同じ幅で膜厚２μｍのＣＮＴ層１が堆積されてカソード（エミッタ）ライン１０が形成されている。また、ＣＮＴ層１を含むガラス基板６の全面を覆うように、ＳＯＧ（Spin On Glass）、若しくは、ポリイミド、アクリル樹脂等が１．５μｍ及び５μｍの厚みに夫々滴下・塗布（スピンコート）されて、ゲート絶縁層７に形成されている。ゲート絶縁層７は、膜厚が薄いほどエミッションを低電圧で駆動することが可能になるが、過度に薄くすると、絶縁層表面が下地のカソードライン１０の段差をそのまま反映した形状になるため、ゲートライン１１の形成が困難になる。従って、ここではゲート絶縁層７を２０μｍに形成した。
【００３５】
ゲート絶縁層７上には、０．５μｍの厚みを有する帯状のゲート電極層８が、カソードライン１０と直交する方向に且つ相互に平行に延在してゲートライン１１をなしている。カソードライン１０とゲートライン１１との交差部分には、電子放出部を構成する所定径（例えば５０μｍ）のゲート開口９が形成されており、このゲート開口９に露出するＣＮＴ層１がエミッタを構成する。
【００３６】
電子放出部が形成された上記ガラス基板６の上方には、ＲＧＢ（赤、緑、青）の蛍光体が塗布されたアノードパネル（図９参照）が、ガラス基板６と所定の間隔をあけて対向して配置されている。これにより、カソードライン１０及びゲートライン１１に選択的に電圧を印加することによって表示動作を行う平面画像表示装置が構成される。また、ガラス基板６とアノードパネルとの間の空間は、真空に保持される。
【００３７】
ここで、ＣＮＴ層１に含まれるＣＮＴをアーク放電法で製造する処理について説明する。まず、図示しない反応容器内に６６５００Ｐａ（５００Torr）のＨｅガスを満たし、触媒金属を含む２本の炭素棒（図示せず）の各先端を相互に対向させ、双方の炭素棒の間でアーク放電を発生させる。これにより、陰極側の炭素棒表面と反応容器の内壁とに夫々、ＣＮＴを含んだ固体を堆積する。アーク放電は、例えば１８Ｖの電圧を双方の炭素棒の間に印加し、１００Ａの電流を流して行う。
【００３８】
堆積した上記固体中には、ＣＮＴ以外に、直径１０〜１００ｎｍ程度の粒径のグラファイト、アモルファスカーボン、或いは触媒金属等が含まれる。ここで得られるＣＮＴは単層ナノチューブであり、その直径が１〜５ｎｍ、長さが０．５〜１００μｍ、平均長さが２μｍ程度とされる。アーク放電以外にレーザアブレーション法を用いて作製したＣＮＴも、基本的に上記アーク放電法で作製したＣＮＴと同等のサイズを有する。
【００３９】
図２は、本実施形態例に係る電界放出型冷陰極を、ＣＮＴ層を用いて製造する工程を示し、（ａ）〜（ｅ）は各工程を段階的に示す断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板６上に、化学的気相成長（ＣＶＤ）法等で導電層５を形成し、図２（ｂ）に示すように、導電層５上に、後述する積層構造のＣＮＴ層１を形成する。
【００４０】
引き続き、図２（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜若しくはポリイミド膜等のゲート絶縁層７を２０μｍの厚みに堆積し、更に、図２（ｄ）に示すように、ゲート絶縁層７の上層にゲート電極層８としてアルミニウムを０．５μｍの厚みに形成する。次いで、図２（ｅ）に示すように、ゲート電極層８及びゲート絶縁層７の一部をエッチング除去して、ゲート開口９を形成する。
【００４１】
ここで、ＣＮＴ層１の形成工程の詳細を図３に示す。まず、ガラス基板６上に形成された導電層５上に、第１バインダ層３ａを０．８μｍの厚みに形成する。この直後、厚さ２μｍの膜状にしたＣＮＴを第１バインダ層３ａ上に第１ＣＮＴ層４ａとして形成する。更に、この第１ＣＮＴ層４ａ上に、第２バインダ層３ｂ及び第２ＣＮＴ層４ｂを上記と同様に順次積層して、第２ＣＮＴ層４ｂを最上層に位置させる。
【００４２】
引き続き、第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂを焼成して硬化させ、第１ＣＮＴ層４ａの下部側で多数のＣＮＴを第１バインダ層３ａによって結合し、第２ＣＮＴ層４ｂの下部側で多数のＣＮＴを第２バインダ層３ｂによって結合した状態の積層ＣＮＴ層１を形成する。なお、第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂと、第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂとは、スクリーン印刷法若しくは噴霧法等によって形成する。つまり、前述したように生成したＣＮＴを、エタノール等の溶液中に分散し、スクリーン印刷や噴霧等の手法によって導電層５上に堆積する。
【００４３】
スクリーン印刷や噴霧等の手法を用いる理由は、転写法やCVD法に比べて、プロセスが容易で大面積化にも適しているからである。なお、ＣＮＴは粉体の状態で第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂ上に付着させることも可能であるが、その場合には膜の平坦性及び均一性がやや劣化する。
【００４４】
第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂは、レジスト、ＳＯＧ（Spin on Glass）、アクリル等の樹脂等を用いることができる。第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂには、前述した、ＣＮＴを低粘性及び揮発性の高いエタノール等の溶液中で超音波分散した懸濁液を用いた。懸濁液中のＣＮＴ濃度が高いほど本発明の効果が得られ易く、ここでは、エタノールに対してＣＮＴを２グラム／リットル以上の濃度に調整した。
【００４５】
第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂを有するＣＮＴ層１の断面形状は、図３に示すように、第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂと第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂとが完全には分離しておらず、第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂが第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂに僅かに染み込んでいる。これは、第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂが硬化する前に、直ちに第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂを積層したためである。更に、表面近傍の第２ＣＮＴ層４ｂの大半は、ガラス基板６に対してほぼ垂直方向に配向し、清浄な表面を持つことを走査型電子顕微鏡及び透過型電子顕微鏡によって確認した。
【００４６】
このように、表面ＣＮＴである第２ＣＮＴ層４ｂが清浄で直立配向し易い要因は、表面ＣＮＴがバインダ材の影響を受けにくいこと、高濃度のＣＮＴ懸濁液を用いていることに起因する。ここで、「直立配向」とは、ＣＮＴ層におけるＣＮＴの先端部分がガラス基板６における法線に対して５０度以下の角度をもつ配向状態を意味する。なお、電界印加による静電力により直立配向は促進されるが、本発明で言う直立配向とは促進後の状態を示す。
【００４７】
従来の手法、つまり、バインダとＣＮＴとを混合した混合液を用いて形成したＣＮＴ層（図１０参照）では、成膜前からＣＮＴがバインダに浸されているので、ＣＮＴはバインダの表面張力でバインダ液面に対して平行に配向し易く、ＣＮＴ表面がバインダに被覆されることになる。これに対し、本実施形態例のようにバインダ及びＣＮＴ夫々の膜形成を独立に行うと、ＣＮＴ表面はバインダの影響を直接受けることがなく、清浄な表面を維持することができる。また、ＣＮＴ層を形成する際には、揮発性の高い低粘性の溶液中でＣＮＴを分散させた高濃度のＣＮＴ懸濁液を用いるため、膜形成後にはすぐに溶液が蒸発し、更に、溶液の表面張力の影響を受けにくいため、ガラス基板６に対して垂直方向に配向したＣＮＴはそのままの状態を維持することができる。
【００４８】
更に、ＣＮＴ膜を形成する際に、基板を加熱することで、更に溶液の蒸発を促進することができる。基板温度は溶液が蒸発しやすい温度に設定する必要があるが、温度を高くしすぎると、バインダー層が焼成されてしまうため、本発明の効果は得られにくい。すなわち、ＣＮＴ層を形成する前にバインダー層が硬化してしまい、後述するようなバインダーのＣＮＴ層への染み込みが阻害されてしまう。ＣＮＴ懸濁液中の溶液がエタノールの場合には８０度から１００度程度の加熱で充分な効果を実現することができる。
【００４９】
ＣＮＴ層１、導電層５及びガラス基板６の相互間の付着力は高く、例えば1N/20mmの粘着力を持つ粘着テープでピールテストを行っても、ＣＮＴ層の剥がれは見られなかった。このような強い付着力は、前述したように第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂが第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂに染み込んだ構造を持つことで、バインダ層が隣接するＣＮＴ層を確実に固着できるからである。また、ＣＮＴ自体が柔軟性に富んでいて絡み易いことも、付着力を高める要因の１つである。
【００５０】
更に、強粘着のテープでピールテストを行うと、ＣＮＴの局所的な剥離が観察されたが、ＣＮＴ層１が積層構造をなしているので、第１ＣＮＴ層４ａの剥がれた部分にはその下層の第２ＣＮＴ層４ｂが現れる。このように、ＣＮＴの積層構造は、膜が損傷を受けても、その下層のＣＮＴが表面に現れて新たな電子放出源となるので、特性が劣化しにくいという利点を持つ。図３では、ＣＮＴ層及びバインダ層の積層構造を２回連続して積層した例を挙げたが、１回のみの積層構造、若しくは２回を超える積層構造であってもよい。積層の回数が多いほど損傷に対する特性の安定性が高くなる。
【００５１】
ＣＮＴ層１を形成する際の第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂ夫々の膜厚は、０．０１〜１μｍが適している。第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂが夫々１μｍを超える場合には、ＣＮＴ層１と導電層５とが完全に分離するので、ＣＮＴ層１と導電層５との電気的な導通が絶たれる。従って、表面側の第２ＣＮＴ層４ｂと導電層５との接触抵抗を低減するには、第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂ夫々の膜厚を１μｍ以下に設定する必要がある。
【００５２】
しかし、第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂ夫々の薄膜化には限界がある。例えば、スクリーン印刷法若しくは噴霧法において、０．０１μｍ未満の膜厚ではＣＮＴ層上に均一にバインダ層を形成することが困難である。このため、第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂの夫々は、実際には０．０１μｍ以上が望ましい。また、上記範囲のうち、特に０．１〜０．５μｍの範囲に第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂの膜厚を制御することで、特性ばらつきを更に低減させ、歩留まりを向上させることができる。また、表面側の第２ＣＮＴ層４ｂと導電層５との接触抵抗を更に低減するために、第１及び第２バインダ層３ａ、３ｂに導電性微粒子を添加することも可能である。
【００５３】
一方、第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂ夫々の膜厚は、０．１〜５μｍが適している。ＣＮＴ層１はその下層に位置するバインダ層３ａ、３ｂの僅かな染み出しによって付着力を維持しつつ、表面にはバインダ層３ａ、３ｂの影響を受けない最適な膜厚を設定する必要がある。第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂ夫々の膜厚が０．１μｍ未満の場合には、ＣＮＴ層表面までバインダが浸透するため、本発明の効果は得られにくい。
【００５４】
また、第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂ夫々の膜厚が５μｍを超える場合には、バインダの影響を受けない領域が多くなるので、表面ＣＮＴが逆に剥がれ易くなる。従って、ＣＮＴ層の膜厚は０．５μｍ〜５μｍに制御することが望ましい。上記範囲のうち、特に０．５μｍ〜１μｍの範囲に第１及び第２ＣＮＴ層４ａ、４ｂ夫々の膜厚を制御することで、特性ばらつきが更に低減し、歩留まりが向上する。
【００５５】
図４は、図３で述べた積層ＣＮＴ層上に真空ギャップを隔てて、アノード電極を配置し、エミッション電流密度を測定した結果である。縦軸はエミッション電流密度、横軸はアノードに印加した電圧を真空ギャップで割った電界強度を夫々示している。エミッション電流は、１V/μｍの低電界から立ち上がりを見せ、1.7 V/μｍでは、１０^-4A/cm²の電流密度を示す。また、電界印加中の電流安定性は高く、電界印加後の積層ＣＮＴ層の表面には損傷が全く見られなかった。
【００５６】
図５は、本発明の第２実施形態例に係る電界放出型冷陰極の断面構造図である。本実施形態例と第１実施形態例との大きな相違は、積層膜であるＣＮＴ層１の形成を、絶縁層及びゲート電極層の形成前と形成後の何れの時点で行なうかにある。
【００５７】
つまり、本実施形態例では、図５（ａ）に示すように、ガラス基板６上に導電層５を形成し、図５（ｂ）に示すように、導電層５上にシリコン酸化膜若しくはポリイミド膜等のゲート絶縁層７を２０μｍの厚みに堆積する。次いで、図５（ｃ）に示すように、ゲート絶縁層７上に、ゲート電極層８としてアルミニウムを０．５μｍの厚みに形成する。更に、図５（ｄ）に示すように、ゲート電極層８及びゲート絶縁層７の一部をエッチング除去して、ゲート開口９を形成する。
【００５８】
引き続き、図５（ｅ）に示すように、ゲート開口９を除くゲート電極層８上をマスク材１９で覆い、マスク材１９の上部にバインダ材及びＣＮＴをこの順に噴霧し、マスク材１９の開口１９ａ及びゲート開口９を通して、導電層５上に、ＣＮＴ層１を形成する。先のＣＮＴ層を形成してから、その上に次のＣＮＴ層を積層することにより、第１実施形態例で示したものと同様の積層ＣＮＴ層１を形成する。この後、図５（ｆ）に示すように、マスク材１９を除去することにより、ＣＮＴ層１をエミッタ１ｂとした３極管構造の電界放出型例陰極が得られる。
【００５９】
マスク材１９としては、レジスト等を塗布してゲート開口９以外を覆うようにパターニングした薄膜や、金属板に穴あけ加工を施したメタルマスク等を用いることができる。しかし、パターニングしたレジスト等を用いる際には、最終的に剥離液でマスク材１９を除去しなければならず、ＣＮＴ表面にマスク材の一部が付着する可能性があるため、充分な洗浄が必要になる。
【００６０】
これに対し、メタルマスクは、ゲート開口９とマスクの開口とが一致するように機械的に固定するだけで良いので、マスク材を除去する過程でＣＮＴ表面が汚染されるような不具合は生じない。なお、同様なＣＮＴの後付け工程が、特願平11-145900号公報にも記載されている。その記載中には、マスク材を用いずに全面にＣＮＴを堆積し、その後、酸素プラズマによってＣＮＴをゲート開口のみに残存するようにエッチングするとある。しかし、ＣＮＴ表面に垂直配向したＣＮＴは、酸素プラズマ中では優先的にエッチングが進行するため、最終的に得られる直立配向したＣＮＴは、本発明で得られるそれに比べて極めて少ない。
【００６１】
マスク材を用いてＣＮＴを噴霧する際には、ゲート開口内部でのＣＮＴ粒子の広がりや反跳等により、ゲート開口９内を取り囲むゲート絶縁層７の側壁にＣＮＴが付着すると、エミッタ１ｂ（図５(f)）とゲート電極層８との間のリーク電流の発生を招くことがある。リーク電流は、増大すると素子破壊を誘発する可能性もあるため、低減することが必要である。リーク電流を低減する方法としては、マスク材１９の開口１９ａの径を図５（ｅ）に示したようにゲート開口９の径よりも小さくし、また、マスク材１９を厚く形成しそのアスペクト比を大きくするとにより、ＣＮＴ粒子の指向性を確保し、ゲート絶縁層７の内壁面へのＣＮＴ付着を未然に防ぐことができる。
【００６２】
本実施形態例では、ゲート開口９の径に対して８割の開口径を有するマスク材１９を用いた。８割以上の開口径を有するマスク材１９を用いた場合には、ゲート開口９内のゲート絶縁層７の内壁面にＣＮＴが付着することが多くなり、駆動時に局所的な破壊が発生する可能性が高くなる。また、開口径が極端に小さいマスク材を用いると、ゲートリークは低減されるが、エミッタ１ｂの面積が小さくなり、充分なエミッション電流が得られない。従って、上述した８割程度の開口径が最適となる。
【００６３】
また、マスク材１９の開口１７ａの径をｄ、その厚みをｔとするとき、
ｔ／ｄ＞１
を満たすようにマスク材１９を形成する。これにより、ゲート絶縁層７の内壁面へのＣＮＴ付着を防ぎ、リーク電流を低減することができる。逆に、ｔ／ｄ＜１の場合には、ゲート開口９内のゲート絶縁層７の内壁面にＣＮＴが付着することが多くなり、駆動時の局所的な破壊発生の要因となる。なお、ここではマスク材１９の開口形状がゲート開口９の形状と同じ場合について説明したが、これに限らず、マスク材１９の開口形状は楕円、正方形や長方形等の多角形でも良い。
【００６４】
また、メタルマスク等をゲート電極上に機械的に接触させてＣＮＴ膜を形成する際には、毛細管現象によってＣＮＴ懸濁液及びバインダーが、メタルマスクとゲート電極との間に浸透する場合がある。この場合には、先述したように、基板を加熱することによって溶液の蒸発を促進させ、表面張力を減少させることにより、毛細管現象を抑制することができる。
【００６５】
図６に示すように、導電層５上に、ゲート絶縁層７に代えて第1絶縁層１７及び第２絶縁層１８をこの順に積層し、第1絶縁層１７の開口１７ａの径を、第２絶縁層１８の開口１８ａの径よりも大きく形成することによっても、遮蔽効果を生じさせ、リーク電流を低減させることが可能である。ここでは、第1及び絶縁層１０、１１夫々の厚みを１０μｍに設定したが、この厚みは自由に設定することができる。
【００６６】
また、絶縁層が１層の場合には、図７に示すように、ゲート絶縁層７の開口７ａにおける中央部分を広げることにより、図６の場合と同様な遮蔽効果をもたせることができる。中央部分だけでなくゲート絶縁層７の開口７ａ内壁面全域での径を、ゲート開口径より大きくすることによっても遮蔽効果が生じる。しかし、この場合には、エミッタ１ｂから放出された電子の大半がゲート電極９に飛び込むことになり、エミッション効率がやや低下する。
【００６７】
図８は、第１及び第２実施形態例に従って作製した電界放出型冷陰極のエミッション特性を示すグラフ図である。縦軸は、ゲート電極から真空を隔てて配置したアノード電極に流入したアノード電流量、横軸は、エミッタとゲート電極との電位差を夫々示す。電子放出は、２５Ｖという低電圧から立ち上がり、１００Ｖでは１ｍＡの電流値を示す。
【００６８】
第１実施形態例で示した方法、つまり、積層構造のＣＮＴ層１を最初に形成する方法では、その後のプロセスで上層のゲート絶縁層７及びゲート電極層８を除去しなければならないため、それらの残留物がＣＮＴ層１表面に残存して、特性を劣化させるおそれがある。従って、ＣＮＴ層１表面に残留物が多く残存し、良好な特性が得られない場合には、第１実施形態例に従って電界放出型冷陰極を作製した後に、第２実施形態例で述べた手法によってＣＮＴ層１を再形成することも可能である。
【００６９】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の電界放出型冷陰極及びその製造方法並びに平面画像表示装置は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施した電界放出型冷陰極及びその製造方法並びに平面画像表示装置も、本発明の範囲に含まれる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、基板とＣＮＴ層との付着力が強く、ＣＮＴ層を用いながら均一で安定で均一性の高い放出電流を発生させ、良好なエミッション特性を得ることができる電界放出型冷陰極、及び、このような特性の電界放出型冷陰極を製造する製造方法を得ることができる。更に、このような電界放出型冷陰極を用いた平面画像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係る電界放出型冷陰極の要部を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態例に係る電界放出型冷陰極を、ＣＮＴ層を用いて製造する工程を示し、（ａ）〜（ｅ）は各工程を段階的に示す断面図である。
【図３】第１実施形態例におけるＣＮＴ層の形成工程の詳細を示す断面図である。
【図４】図３で述べた積層ＣＮＴ層上にアノード電極を配置してエミッション電流密度を測定した結果を示すグラフ図である。
【図５】本発明の第２実施形態例に係る電界放出型冷陰極の断面構造図である。
【図６】第1絶縁層の開口径を第２絶縁層の開口径より大きく形成した電界放出型冷陰極を示す断面図である。
【図７】１層の絶縁層の開口における中央部分を広げることで遮蔽効果をもたせた電界放出型冷陰極を示す断面図である。
【図８】第１及び第２実施形態例に従って作製した電界放出型冷陰極のエミッション特性を示すグラフ図である。
【図９】従来の電界放出型冷陰極の一例を示す断面図である。
【図１０】従来の電界放出型冷陰極における問題点を示す断面図である。
【符号の説明】
１：ＣＮＴ層
１ｂ：エミッタ
３ａ：第１バインダ層
３ｂ：第２バインダ層
４ａ：第１ＣＮＴ層
４ｂ：第２ＣＮＴ層
５：導電層
６：ガラス基板
７：絶縁層
８：ゲート電極層
８ａ、１７ａ、１８ａ、１９ａ：開口
９：ゲート開口
１０：カソードライン
１１：ゲートライン
１７：第1絶縁層
１８：第２絶縁層
１９：マスク材

Claims

基板上に形成され複数のカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を含むエミッタを備え、該エミッタに所定の電圧を印加してエミッタ表面から電子を放出させる電界放出型冷陰極において、
前記エミッタは、絶縁材料から形成されたバインダ層と前記ＣＮＴを含むＣＮＴ層とが順次に積層された積層構造を有し、前記バインダ層が隣接する前記ＣＮＴ層の一部に染み込んで前記ＣＮＴを結合しており、前記バインダ層と前記ＣＮＴ層の２層からなる前記積層構造が２つ以上連続して積層されている、ことを特徴とする電界放出型冷陰極。
前記ＣＮＴ層上にゲート絶縁層及びゲート電極層がこの順に形成され、前記ゲート電極層及びゲート絶縁層の双方を貫通する開口から前記ＣＮＴ層の表面が露出し、前記ゲート電極層及びエミッタに夫々異なる電圧が印加されることを特徴とする、請求項１に記載の電界放出型冷陰極。
前記バインダ層の膜厚が０．０１〜１μｍ、前記ＣＮＴ層の膜厚が０．１〜５μｍに夫々設定されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電界放出型冷陰極。
請求項１〜３の内の何れか１項に記載の電界放出型冷陰極を備えることを特徴とする平面画像表示装置。