JP2005032523A - Electron emission element and display device using the same, and method of manufacturing electron emission element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば三極電界効果型ディスプレイデバイスなどに好適な電子放出素子およびその製造方法ならびに電子放出素子を用いた表示装置(ディスプレイ)に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子放出素子を備えたディスプレイ(FED;Field Emission Display)デバイスは、特にその画像表示の明るさ、色再現性、視野角の広さ、低消費電力などの特性上、いわゆるフラットテレビジョンや壁掛テレビジョンなどに好適な次世代のフラットパネルディスプレイデバイス用のデバイスとして注目されている(例えば、特許文献1ないし特許文献14参照。)。
【0003】
一般に、FEDの技術としては、あらかじめパターニングされたエミッタウェルの中に、例えばMo(モリブデン)を蒸着法にて尖頭状に形成してなるスピント型のエミッタを用いたものなどが提案されている。
【0004】
このようなFEDは、最初にFEDのプロトタイプ(試作品)が発表される(1985年頃)までは、その実用化についての検討は実際上ほとんどなされていなかったが、プロトタイプが発表されて以降は、盛んに研究開発が進められるようになってきており、対角15インチ(約38.1[cm])でフルカラーVGA仕様のプロトタイプなども発表されている。
【0005】
【特許文献1】
特開2003−141983号公報
【特許文献2】
特開2003−151456号公報
【特許文献3】
特開2003−115259号公報
【特許文献4】
特開2003−115257号公報
【特許文献5】
特開2003−123632号公報
【特許文献6】
特開2003−86079号公報
【特許文献7】
特開2003−86085号公報
【特許文献8】
特開2003−86080号公報
【特許文献9】
特開2003−7196号公報
【特許文献10】
特開2003−7200号公報
【特許文献11】
特開2003−7234号公報
【特許文献12】
特開2002−197965号公報
【特許文献13】
特開2002−150922号公報
【特許文献14】
特開平11−329217号公報
【非特許文献1】
Huang et al.、Large−scale rooted growth of aligned super bundles of single−walled carbon nanotubes using a directed arc plasma method、「Chemical Physics Letters」、2001年、第343巻、p.7−14
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなプロトタイプをはじめとした、FEDの実用化に向けての従来の種々の試作や研究では、表示画像品質や製造コストなどの点で実用化のための条件を十分に満たすことができるような技術は、未だ達成されていない。
【0007】
FEDの実用化を達成する上での、最も主要な問題点としては、1[kV]未満の低いアノード電圧または放電電圧で作動するディスプレイデバイスに適用可能な蛍光体の問題、スペーサの視認性の問題、高いアノード電圧で作動するディスプレイデバイスにおけるカソードの耐久性(寿命)の問題などがある。
【0008】
FEDの実用化に向けての、上記とは別のアプローチとして、スピント型の電子放出素子(エミッション・カソード)を大面積に亘って均一に作製する技術が試行されているが、このような技術的アプローチは、電子放出素子を形成するための蒸着法のプロセスにおけるコストやそのプロセスの煩雑さの解消などに大きく関わっている。
【0009】
ところが、ここで仮に、FEDの実用化に向けて従来から試行されている、上記のいずれかのアプローチが成功して、その技術によって例えば対角15インチ程度までのFEDが実用化されたとしても、さらに大画面のFEDの実用化を達成するためには、上記のように従来の技術で用いられていたものとは異なる、さらに高いアスペクト比と導電性と熱的耐性と機械的強度とを備えた材料からなるエミッタを実現することが必要となる。
【0010】
そこで、カーボンナノチューブ(CNT;Carbon Nanotubes;以下、カーボンナノチューブをCNTとも呼ぶ)の有する種々の有効性に着目して、CNTを用いてフラットパネルディスプレイデバイスを作製することが提案されている。近年では、三極型カソード構造(ゲーテッド・カソード構造)がその主要技術として不可欠のものであるとして注目されており、完全密封型の4.5インチ・3色・ナノチューブFEDや、4.5インチ・フルカラー・ナノチューブFED、あるいはピクセル数が576×242の9インチ・フルカラー・ナノチューブFEDなどの試作が行われている。さらには、対角32インチのナノチューブFEDなども試作されるようになってきた。
【0011】
CNTを用いた電子放出素子(エミッタ)の製造方法としては、主に、次の2種類が提案されている。
【0012】
そのうちの一つは、ゲート電極層を有する基板に予め縦穴(カソード・ホール)を形成し、このカソード・ホールに、エミッタとしてのCNTをCVD法によって直接的に生成する、というものである。また、他の一つは、有機材料からなるベヒクルにCNTを混合したものをカソード・ホールに充填する、というものである。
【0013】
上記の製造方法のうちの、CVD法による方法によって、エミッタ・アレイ(FEA;Field Emission Array)を製造し、それを有効に機能させることができた、ということが報告されている。そのFEAは、ガラス基板上にFEAを形成する温度としては極めて高い(高過ぎる)温度(600℃以上)で製造されたが、そのようにしてCNTを用いて形成されたエミッタは、総体的には整ったアレイとして作製することができることが報告されている。
【0014】
しかし、そのようなCVD法による製造方法では、大面積に亘って均一なFEAを作製することが困難であるという問題があった。また、CNTの長さや密度を適切なものに調節すること、およびその長さや密度を均一にすることが困難であるという問題がある。
【0015】
他方、上記の製造方法のうちの、有機材料からなるベヒクルにCNTを混合したものをカソード・ホールに充填するという製造方法では、大面積に亘って均一なFEAを作製することが可能であること、およびCNTの長さや密度を適切なものに調節することが比較的容易であることが見込まれることから、有望な技術であると考えられる。実際に、この技術を用いてカラー画像の動画を表示可能な性能を備えたゲートCNT−FEAの試作なども行われている。
【0016】
また、バックサイドリソグラフィ(裏面露光技術)を用いたスクリーン印刷法によって、三極型CNT−FEDを製造することなども試行されている。
【0017】
この製造方法では、FEAを形成するための材料として、光反応性ペーストにCNTを混入して、それをスクリーン印刷法によって所定のパターンに印刷し硬化させたものを用いている。しかし、この方法では、そのため、底面から最も遠い最表面付近では、弱い紫外光しか露光されないこととなり、これに起因して、光反応性ペーストの現像時に最表面付近のペーストが剥離し、その部分に欠陥が生じてしまうという、裏面露光技術を用いているが故の根本的な問題がある。
【0018】
また、フルカラー画像の動画の高品質な表示を行うためには、エミッタが精確に作製されたものであることが要請されるが、それを上記のような従来の技術によって満たすためには、次に掲げるような解決すべき問題がある。
【0019】
すなわち、第1に、CNTを混入してなるペースト材料の組成が不均一である場合が多いので、それを用いて形成されるエミッタアレイの特性も不均一なものとなり、延いては画像品質を低下させるという問題がある。
【0020】
第2に、基板上に設けられたエミッタのCNTの姿勢や長さが十分には揃えられていないので、1画面内での表示特性を不均一なものとする要因となるという問題がある。
【0021】
第3に、光反応性材料の蒸着工程で、その蒸着時に用いられる成分がCNTを汚染または損傷させてしまう虞があり、それがエミッタの形状再現性や信頼性を低下させるという問題がある。
【0022】
第4に、裏面露光用の光反応性ペーストに混入される粘結材や印刷用のフィラーや光反応性材料などがさらにCNTと混ぜ合わされるので、それらがCNTのエミッタとしての性能に悪影響を与えることとなる。また、それがCNT−FEDデバイスとしての性能に悪影響を与え、さらにはエミッタの形状再現性や信頼性を低下させることとなり、延いてはそのエミッタを備えたFEDの画像表示品質を低下させてしまうという問題がある。
【0023】
第5に、CNTの殆どがペースト材料の中に埋もれてしまい、僅かな本数のCNTだけがペースト材料の表面から立ち上がって突出した状態となるのみとなる場合が多く、殆どCNTが効果的に電界を集中させることができなくなり、延いては表示画像の明るさや鮮明さを十分なものとすることができなくなるという問題がある。
【0024】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、第1の目的は、極めて簡易かつ確実な方法で、上記の問題を解決して、均一で表示品質の高い画像表示を行うことの可能な電子放出素子の製造方法を提供することにある。
【0025】
本発明の第2の目的は、上記本発明の製造方法によって製造され、筒状炭素分子が揃って起立した姿勢で支持されており、形状再現性および信頼性が高く、均一で表示品質の高い表示を行うことができる高性能な電子放出素子およびこれを用いた表示装置を提供することにある。
【0026】
【課題を解決するための手段】
本発明による電子放出素子は、基板上に1本または複数本の筒状炭素分子を起立した状態で有するものである。ここに、「筒状炭素分子」とは、単層カーボンナノチューブ,多層カーボンナノチューブ,カーボンナノファイバ,カーボンナノホーンを含むものである。ここで、起立した状態とは、長手方向へと伸びる筒状炭素分子の一端が基板の表面近傍に配置され、筒状炭素分子の他の一端は基板の表面からより離れるように位置する状態をいう。
【0027】
本発明の表示装置は、基板上に1本または複数本の筒状炭素分子を起立した状態で有する電子放出素子と、筒状炭素分子に所定の電圧を印加し、筒状炭素分子から電子を放出させる電極と、電子放出素子から放出された電子を受けて発光する蛍光部とを備えた構成を有している。
【0028】
本発明による電子放出素子の製造方法は、筒状炭素分子と所定の粘性を有する材料とを混合して塗布材料を作製する混合工程と、塗布材料を第1の基板および第2の基板のうちの少なくとも一方に塗布する塗布工程と、第1の基板と第2の基板とを塗布材料を介して密着させる密着工程と、第1の基板と前記第2の基板とを各基板面に対して略鉛直方向に引き離すことにより筒状炭素分子を起立させる素子形成工程とを含むものである。
【0029】
本発明による電子放出素子では、基板上に起立した筒状炭素分子からその延長方向に電子が放出される。従って、このような電子放出素子を複数用いた本発明の表示装置では、均一で高品質の画像表示が行われる。
【0030】
本発明による電子放出素子の製造方法では、混合工程において、筒状炭素分子と所定の粘性を有する材料とが混合され、塗布材料が作製される。次に、塗布工程において、塗布材料が第1の基板および第2の基板のうちの少なくとも一方に塗布される。続いて、密着工程において、第1の基板と第2の基板とが塗布材料を介して密着させられる。そののち、素子形成工程において、第1の基板と第2の基板とが各基板面に対して略鉛直方向に引き離されることにより、塗布材料が粘性的に変形し、その塗布材料のうちの粘性を有する材料が2枚の基板間の中間の位置付近でくびれたような状態になる。その粘性を有する材料の粘性的な変形に伴う粘性的な流動作用によって、それまで2枚の基板どうしの間で基板の表面に対して水平方向や斜め方向などに寝た状態になっていたり折れ曲った状態や湾曲した状態になっていた複数の筒状炭素分子が、一斉に基板の表面に対して立ち上がったような状態に揃えられて行く。そして、さらに基板を十分な距離にまで引き離して行くと、粘性を有する材料は2枚の基板の中間位置付近にかけてのくびれが徐々に細くなって行き、やがては粘性流動変形の限界を超えるので、その部分で切れた状態で分離される。このときには2つの基板の表面のそれぞれで複数の筒状炭素分子が向きを揃えて起立して付着した状態となっている。これにより、本発明の電子放出素子が製造される。
【0031】
なお、起立した状態となった筒状炭素分子は、粘性を有する材料からなる支持部材を固形化することで、その支持部材によって基板上に起立した状態で支えられる。
【0032】
また、粘性を有する材料からなる支持部材は、上記のようにして基板を引き離して行くことで切断することによって、その概形が基板上に尖頭状に突出した形状に形成される。従って、それに支持される複数の筒状炭素分子の先端からなるエミッタの先端部の形状も、尖頭状に突出した形状となる。これにより電界がさらに効果的に集中することになる。すなわち、このような好ましい形状のエミッタが、煩雑な加工方法を要することなく、極めて簡易に形成される。
【0033】
また、基板の表面に上面が平坦な突起を設けて、その平坦な上面に、筒状炭素分子を起立した状態で設けるようにすることで、当該電子放出素子の全体的な形状を、電界がさらに効果的に集中するようなものとすることが可能である。
【0034】
このような基板の表面に上面が平坦な突起を設けて、その平坦な上面に、筒状炭素分子を起立した状態で設けるという製造方法は、三極電界効果型ディスプレイデバイスのような、いわゆるカソードウェル(縦穴)の底面にエミッタを設けてなるFEDなどに特に好適なものである。
【0035】
なお、基板上に起立した状態で設ける筒状炭素分子は、1本でも可能であるが、複数本であることが、より望ましいものであることは言うまでもない。
【0036】
また、上記の支持部材は、電子放出素子として要求される導電性を備えたものとすることが望ましい。これは、支持部材を介して筒状炭素分子と基板との間に電流が流れるので、筒状炭素分子における導電性が良好であっても、それと基板とを繋ぐ支持部材の導電性が低いと、折角の筒状炭素分子の導電性の良さを生かすことができなくなる虞があるからである。
【0037】
また、筒状炭素分子を2枚の基板の表面のそれぞれに対して起立した状態にした後、その起立した筒状炭素分子が2枚の基板の両方に接合している状態の場合、あるいは敢えてあらかじめ長めの筒状炭素分子を起立した状態にしておいて、所望の長さに切り揃えるようにすることが所望される場合には、起立した筒状炭素分子を2枚の基板の間で切断する工程をさらに含むことで、起立した状態の筒状炭素分子を均一な長さに切り揃えるようにしてもよい。このようにすることにより、均一な長さの筒状炭素分子や均一な性能の電子放出素子が実現される。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0039】
図3は、本発明の一実施の形態に係る電子放出素子の主要部を表している。この電子放出素子は、例えば、基板5上に、所定の範囲内の長さに粉砕された複数本の筒状炭素分子、例えばCNT(カーボンナノチューブ)2が起立した状態で設けられたものである。それらのCNT2は、揃って基板5の表面から起立した状態、言わば林立したような状態となっており、固形化された材料よりなる支持部材30によって、基板5上に起立した状態で支持されている。
【0040】
なお、以下の説明では、筒状炭素分子として、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)または多層カーボンナノチューブ(MWCNT)を用いる場合について説明する。但し、その他にも、例えばカーボンナノファイバ(CNF)やカーボンナノホーンを用いることなども可能である。
【0041】
CNTは一般に、優れた機械的特性および電気的特性を備えている。例えば単層カーボンナノチューブ(SWCNT)では、引張強度が鋼鉄の100倍(あるいは2桁大きい)、導電性が銅の100倍(あるいは2桁大きい)となっている。また、SWCNTの他にも多層カーボンナノチューブ(MWCNT)も含めて、CNTは一般に、その形状が高いアスペクト比を有するものであり、かつ極めて細い直径であることから、その先端部に電界を集中させる機能が優れている。また、カーボンナノファイバ(CNF)も、その外径寸法のスケールについてはCNTよりも大きいものとなるが、その機械的特性および電気的特性についてはCNTとほぼ同様の優れたものとなっている。従って、CNTまたはCNFは、低電圧駆動可能な電子放出素子に適用する材料として極めて好適なものである。
【0042】
基板5(5a,5b)は、例えばガラスにより構成され、その表面に電極1(1a,1b)が形成されている。
【0043】
支持部材30は、例えばポリビニルアルコールなどの有機材料により構成されている。また、支持部材30は、電子放出素子として要求される性能を満たすことができるような導電性を備えていることが好ましい。支持部材30を介してCNT2と基板5の電極1との間に電流が流れるので、CNT2における導電性が良好であっても、それと基板5とを繋ぐ支持部材30の導電性が低いと、折角のCNT2の導電性の良さを生かすことができなくなる虞があるからである。
【0044】
支持部材30は、導電性を高めるため、例えば、カーボン微粒子が混入されていてもよい。カーボン微粒子としては、特に限定されないが、例えば、カーボンブラック、炭素小球体あるいは炭素繊維を挙げることができる。カーボン微粒子は、1[nm]ないし1000[μm]の範囲内の大きさを有するものを用いることが好ましく、1[nm]ないし100[μm]の範囲内の大きさを有するものであればより好ましい。カーボン微粒子がCNT2の直径に比べて、例えば1000倍程度に、極端に大きくなると、後述する製造方法においてカーボン微粒子がCNT2を覆ってしまいCNT2を起立した状態にすることが困難になるからである。なお、ここで「大きさ」とは、カーボン微粒子が球状である場合にはその平均粒子径、片状または岩石状である場合にはその厚み、繊維状である場合にはその繊維径をいう。
【0045】
あるいは、支持部材30は、導電性を高めるため、例えば、金属微粒子が混入されていてもよい。金属微粒子としては、特に限定されないが、例えば、Ti(チタン),Mo(モリブデン),W(タングステン),Fe(鉄),Co(コバルト),Ni(ニッケル),Cu(銅),Au(金)を含むIVa〜Ib金属のうちの1種類または複数種類からなるものを好適に用いることが可能である。金属微粒子は、1[nm]ないし1000[μm]の範囲内の大きさを有するものを用いることが好ましく、1[nm]ないし100[μm]の範囲内の大きさを有するものであればより好ましい。理由はカーボン微粒子の場合と同様である。なお、ここで「大きさ」とは、金属微粒子の平均粒子径をいう。
【0046】
また、支持部材30は、例えば、導電性ポリマーを含んだ材料により構成されていてもよい。導電性ポリマーとしては、特に限定されないが、例えば、ポリ−P−フェニレンビニレン(PPV)、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリアセチレンのうちの1種類または複数種類を含むものが好適である。
【0047】
更に、支持部材30は、例えば、導電性金属酸化物を含んだ材料により構成されていてもよい。導電性金属酸化物としては、特に限定されないが、例えば、錫酸化物、チタニウム酸化物、インジウム酸化物のうちの1種類または複数種類を含むものが好適である。
【0048】
支持部材30に含まれるこれらの導電性物質の添加量は、後述する塗布材料40としての粘性、および支持部材30として要求される導電性を考慮して適宜調節することが可能である。
【0049】
支持部材30は、上記のような導電性物質が添加された材料により構成されていてもよいし、支持部材30自体が導電性を有する材料により構成されているようにしてもよい。
【0050】
このような電子放出素子は、例えば、次のようにして製造することができる。
【0051】
まず、CNT2を作製する。SWCNTやMWCNTは、一般に、アーク放電法、レーザアブレーション法、CVD法などのような種々の製造方法によって得ることができるが、アーク放電法によって製造されるCNT2は、耐熱性が高いという特質を有しており、これは電子放出素子の製造に用いられるCNTとして好適な特質であることから、本実施の形態では、このアーク放電法によって製造されたSWCNT2を用いるものとする。
【0052】
SWCNT2は、高真空チャンバ(図示省略)での直流アークプラズマ放電によって製造される。この直流アークプラズマ放電によるSWCNT2の製造プロセスでは、例えばCo(コバルト),Ni(ニッケル),La(ランタン)等のランタナイドなどを触媒として添加してなるグラファイト棒(図示省略)をプラズマ放電用のアノードとして用い、カソードとしては単体グラファイト棒(図示省略)を用いることが可能である。また、より高い耐酸化特性を有するSWCNT2を得るためには、ボール状のカソード(図示省略)を用いることが望ましい。このようなSWCNT2を製造するプロセスそれ自体については、例えば非特許文献1において本発明者らによって提案された技術などを好適に用いることができる。
【0053】
また、例えばポリビニルアルコールなどの有機材料と、溶媒とを混合することにより、所定の粘性を有する材料(以下、「ペースト材料」という)3を作製する。溶媒は、ペースト材料3の粘度を調整するためのものであり、揮発性を有するものであれば特に限定されない。本実施の形態では、溶媒として例えば水を用いる。ペースト材料3の粘度は、基板5の表面に塗布されたときに流れ出さない程度以上の粘度であって、後述するように基板5aと基板5bとを剥離したときに基板5に変形を及ぼさない程度の粘度の範囲が望ましい。更に、後述するようにマイクロメッシュ4を用いる場合には、マイクロメッシュ4に変形をもたらさないように更に粘度が低いことが望ましい。
【0054】
次に、SWCNT2をペースト材料3に混合させて、塗布材料40を作製する。SWCNT2は、不純物除去等を行うことなしに、ペースト材料3に混合しても構わない(不純物除去を行うようにしてもよいことは言うまでもない)。更に、得られた塗布材料40に、必要に応じて、例えば固形化促進剤や、または上述したカーボン微粒子,金属微粒子,導電性ポリマーあるいは導電性金属酸化物粒子(以下、「カーボン微粒子等」という)を混入させたのち、ボールミル装置(ボール状の粉砕混合装置)に掛けて、SWCNT2を粉砕して、より短い多数の線分状のものにすると共にペースト材料3中にSWCNT2を均一に分散させる。そののち、塗布材料40をフィルタで漉して5[μm]以上のカーボン微粒子等を除去する。
【0055】
続いて、図1に示したように、それぞれ表面に電極1(1a,1b)が形成された2枚の基板5(5a,5b)を用意し、これらの基板5の一方あるいは両方に、塗布材料40を塗布する。そして、これらの基板5を、塗布材料40を間にして電極1どうしが対面するように配置し、続いて、その2枚の基板5に対して外側から適度な押圧力を印加することによって、2枚の基板5のそれぞれの表面の電極1に対して塗布材料40を密着させる。
【0056】
そののち、図2に示したように、外部から機械的な力を掛けて、塗布材料40を挟んだ2枚の基板5どうしを互いに引き離して行く。すると、2枚の基板5どうしが互いに引き離されて行くにつれて、塗布材料40(のうちの特にペースト材料3)が粘性的に変形して、2枚の基板5の中間の位置付近からペースト材料3がくびれたような状態になって行く。
【0057】
そのペースト材料3の粘性的な変形に伴う粘性的な流動作用によって、それまで2枚の基板5どうしの間でそのそれぞれの基板5の表面に対して水平方向や斜め方向などに寝た状態になっていたり折れ曲った状態や湾曲した状態になっていた複数の線分状のCNT2が、一斉に基板5の表面に対して起立した状態に揃えられて行く。
【0058】
更に2枚の基板5を十分な距離にまで引き離して行くと、ペースト材料3は2枚の基板5の中間位置付近にかけてのくびれが徐々に細くなって行き、やがては粘性流動変形の限界を超えるので、その部分で2つに分かれる。こうして、図3に示したように、2つの基板5の表面のそれぞれで、複数のCNT2が向きを揃えて起立した状態で付着する。
【0059】
そののち、ペースト材料3を固形化させて支持部材30を形成する。これにより、起立した状態となったCNT2が、支持部材30によって、基板5上に起立した状態で(図3に示したような状態をそのまま継続的に)支持される。ペースト材料3の固形化方法は、ペースト材料3の材料に応じて選択すればよい。例えば、ペースト材料3が熱硬化性であれば加熱により固形化することができる。あるいは、ペースト材料3が紫外線(UV)硬化性であれば紫外線照射により固形化することができる。また、ペースト材料3は、自然乾燥で固形化してもよい。
【0060】
図5は、本実施の形態の他の電子放出素子を表している。この電子放出素子は、支持部材30が、基板5上に尖頭状の突出形状を有することを除いては、図3に示した電子放出素子と同一である。このような支持部材30が尖頭状の突出形状を有する電子放出素子は、電界がさらに効果的に集中することになるので好ましい。
【0061】
このような電子放出素子は、ペースト材料3として、図1ないし図3に示した製造方法で用いたものよりも高い粘性を有するものを用いることにより製造することができる。
【0062】
すなわち、ペースト材料3の粘性を高くすると、上記の図1,図2,図3で示した場合と同様に外部から機械的な力を掛けて2枚の基板5を引き離して行くと、それにつれて、図4に示したように、ペースト材料3はその概形が基板5上に尖頭状に突出した形状となって行き、それに支持される複数のCNT2の先端からなるエミッタの先端部の形状も尖頭状に突出した形状となる。
【0063】
さらに2枚の基板5を十分な距離にまで引き離して行くと、やがては粘性流動変形の限界を超えるので、その部分でペースト材料3は2つに分かれる。2つに分かれた後は、個々の基板5上で、ペースト材料3の尖頭状の先端部の高さがペースト材料3自体の表面張力によって若干低くなり、その表面からCNT2の先端が外へと突出することになる。このようにして、図5に示したような、尖頭状の突出形状を有する支持部材30の先端にCNT2が支持された電子放出素子が形成される。
【0064】
図8は、本実施の形態の更に他の電子放出素子を表している。この電子放出素子は、例えば個々の線分状のCNT2の長さが、所望される長さよりも長めであった場合、あるいは敢えてあらかじめ長めのCNT2を起立した状態にしておいて、所望の長さに切り揃えたものである。これにより、均一な長さのCNT2や均一な性能の電子放出素子を実現することができる。
【0065】
この電子放出素子は、CNT2を効率良く通過させることが可能であると共にペースト材料3の表面を平坦に(均一に)押えることが可能な格子寸法のマイクロメッシュ(微細格子)4(4a,4b)を備えることが好ましい。
【0066】
マイクロメッシュ4の材料は、導電体に限らず絶縁体であってもよく、例えば、ステンレス鋼、セラミクスあるいはプラスティックなどを挙げることができる。また、マイクロメッシュ4の孔の径は、CNT2の直径よりも大きく、ペースト材料3に混合されているカーボン微粒子等がマイクロメッシュ4の孔を通過しない範囲が望ましい。例えば、1[nm]から100[μm]の範囲が好適であるが、カーボン微粒子等の大きさおよびCNT2の直径に応じて適宜選択できるものである。このような範囲にマイクロメッシュ4の孔径を選択すれば、カーボン微粒子等をマイクロメッシュ4の孔から出すことなくペースト材料3の中に閉じ込めながら、CNT2をマイクロメッシュ4の孔を通過させて起立した状態にすることができる。
【0067】
次に、図6ないし図8を参照して、このようなマイクロメッシュ4を用いた電子放出素子の製造方法を説明する。まず、図6に示したように、長めのCNT2を混合させたペースト材料3の中に、マイクロメッシュ4a,4bを相対向する面が略平行となるように埋没させて、図7に示したように、基板5aと基板5bとを離間する方向に移動させる。このとき、基板5aとマイクロメッシュ4aとの両者間の位置関係および基板5bとマイクロメッシュ4bとの両者間の位置関係を一定に保ちながら移動させることにより、図7に示したようにCNT2を2枚の基板5の表面のそれぞれに対して起立した状態とすることができる。従って、マイクロメッシュ4aは外力により基板5aと共にペースト材料3を二つに分離するために移動されるので、マイクロメッシュ4aは移動に際して変形しない程度の強度を有することが必要となる。マイクロメッシュ4bについても同様なことが言える。
【0068】
図7に示したように、起立した状態となったCNT2は、2枚の基板5の両方に接合している状態となる。そこで、CNT2を、図7の矢印で示した箇所で切断することにより、図8に示したように、CNT2を所望の長さに均一に切り揃える。なお、切断は、図7に示したように2箇所で行うとは限らず、1箇所でもよい。
【0069】
起立したCNT2を切断するためには、エネルギービームを用いることが可能である。
【0070】
エネルギービームとしては、CNT2を確実に均一な長さに切断することが可能であることが必要であることから、そのような要請に対応するために、エネルギー密度が1[mW/mm2 ]以上、より好ましくは1[W/mm2 ]以上のレーザビームを用いることが可能である。なお、エネルギー密度の上限としては、レーザビームによってCNT2の切断を行う際に、その切断が行われる位置の付近のCNT2が焼損したり変質することなどの虞のない範囲内に、適宜に設定することが望ましいことは言うまでもない。
【0071】
エネルギービームとして、エネルギー密度が1[mW/mm2 ]以上、より望ましくは1[W/mm2 ]以上の電子ビームを用いることも可能である。なお、そのエネルギー密度の上限については、レーザビームの場合と同様である。
【0072】
その他、エネルギービームとして、エネルギー密度が1[mW/mm2 ]以上、より好ましくは1[W/mm2 ]以上のイオンビームを用いることも可能である。そのエネルギー密度の上限については、レーザビームの場合と同様である。
【0073】
CNT2の切断は、エネルギービームの代りに、機械的な切断方法によってもよい。例えば、半導体ウエファーを切断するのに用いられる、ダイヤモンド薄刃を使用したカッター切断を用いても良い。
【0074】
こうして、図8に示した電子放出素子が完成する。なお、マイクロメッシュ4は、図8に示したようにペースト材料3を2つの基板5に分けた後もそのままの位置に保ってもよく、または、図示しないが各々の基板5に分かれたペースト材料3から取り去るようにしてもよい。
【0075】
図9は、FEDのカソードウェルを作製する工程の主要部を表したものである。まず、図9(A)に示したように、例えばガラス基板5の表面に形成されたITO(Inium−Tin Oxide: インジウムと錫の酸化物混合膜)からなる透明電極6の上に、アモファスシリコンからなる抵抗層7を形成し、その上にSiO2 (シリコン酸化膜)からなる絶縁層8を形成し、さらにその上にゲート電極層9を形成する。そして、図9(B)に示したように、例えば一般的なフォトマスクおよびフォトレジスト50等を用いたエッチング法により、所定の位置ごとに、カソードウェルの縦穴を穿設する。ここまでの工程については、一般的なもので構わない。
【0076】
続いて、図10(A),(B)に示したように、SWCNT2のエミッタを形成する。この工程こそが、本実施の形態による製造方法の最も主要な部分となるものである。
【0077】
エミッタの形成位置および形状を高精度なものとするためには、凸版10とガラス基板5との間の距離および位置関係を精密に制御することが必要となるので、防振機構を備えた作業台(図示省略)などに凸版10およびガラス基板5を載置して、この工程を行うことが望ましい。
【0078】
まず、塗布材料40を、基板5上の所定の位置ごとに凸版印刷法のような転写工程によって転写する。すなわち、まず、作製すべきエミッタの形状に対応した凸版10を用意する。そのような凸版10は、半導体デバイスのパターニング工程などで一般的に用いられるフォトリソグラフィ(エッチング)法、電子ビームリソグラフィ法、レーザビームリソグラフィ法などを用いて作製することが可能である。それらは製造すべき電子放出素子やカソードウェルの特性に対応して要求される種々の条件に適合するように、適宜に設計すればよいことは言うまでもない。
【0079】
次に、用意した凸版10(刷版)の刷面(凸状の先端の平坦面の部分)ごとに、塗布材料40をインキとして転写しておき、その凸版10をガラス基板5に対して押し当てることで、図10(A)に示したように、凸版10の印刷面に付着している塗布材料40をガラス基板5上のカソードウェル(縦穴)から露出している部分の平面(抵抗層7の表面)に押し付ける。なお、この場合には、凸版10が図1,図2,図3に基づいて説明した製造プロセスにおける、2枚の基板5のうちの一方として機能していることは言うまでもない。但し、この場合には、凸版10の刷面には起立した状態のSWCNT2が形成される必要は必ずしもないので、凸版10の刷面は、塗布材料40に対する濡れ性をガラス基板5側の抵抗層7の表面の濡れ性よりも低いものに設定するようにしてもよい。
【0080】
続いて、図10(B)に示したように、凸版10と基板5とを引き離して行くことで、塗布材料40が転写された各位置ごとに、上記の図1,図2,図3に基づいた説明で述べたような作用によって、SWCNT2が起立した状態となり、例えば支持部材30が尖頭状の突出形状を有するエミッタを製造することができる。
【0081】
ここで、凸版10と基板5との引き離し方法により、エミッタの尖頭状の突出形状を、様々な所望の形状になるように調整することが可能である。まず、凸版10をガラス基板5に若干強く押し付けてから引き離すと、ペースト材料3の粘度の効果により端部は早く凸版10より離れ、中心部はより遅く凸版10より離れるので中心が盛り上がった形状となる。従って、凸版10よりペースト材料3の端部が順次離れるのに応じて凸版10の移動速度を調整すれば、ペースト材料3の溶媒の蒸発量が調整されることとなり、中心部の盛り上がりの形態を管理できる。従って、一時、凸版10とガラス基板5とを静止した状態に止めるか、ゆっくりと引き離していくようにして、その待機時間が経過したら、凸版10をガラス基板5から完全に引き離すようにすることなどが様々な希望の形態を形成するのに有効である。
【0082】
図11,図12,図13は、図10に示した製造プロセスによって、電子放出素子を一つの基板5上にアレイ状に形成する場合の一例を表したものである。このようにして、SWCNT2を用いた電子放出素子を大面積に亘って均一に製造することができる。
【0083】
図14は、図10に示したような電子放出素子を用いたFEDの一例を表すものである。このFEDは、基板5上に1本または複数本のSWCNT2を起立した状態で有する電子放出素子60と、SWCNT2に所定の電圧を印加し、SWCNT2から電子e−を放出させるための透明電極6およびゲート電極9と、電子放出素子60から放出された電子e−を受けて発光する蛍光部70(70R,70G,70B)とを備えている。蛍光部70は、ガラスなどよりなる対向基板71に、電子放出素子60の各々に対向して設けられている。なお、電子放出素子60は、実際には図13のように基板5に多数マトリクス配置されている。
【0084】
このFEDでは、透明電極6とゲート電極9との間に選択的に電圧を印加すると、その交点に位置する電子放出素子60において電界電子放出が起こり、SWCNT2から電子e−が放出される。電子放出素子60から放出された電子e−は、蛍光部70に衝突し、蛍光体を発光させる。この蛍光体の発光により所望の画像表示がなされる。ここでは、電子放出素子60が基板5上にSWCNT2を起立した状態で有するので、SWCNT2に効果的に電界が集中し、高輝度で鮮明な画像が得られると共に、画面全体にわたり表示品質の均一性が高まる。
【0085】
なお、図15に示したように、ガラス基板のような基板5の表面に、上面が平坦な突起20を形成し、その突起20の平坦な上面にCNT2を起立した状態で設けるようにしてもよい。このようにすることで、電子放出素子の全体的な形状を、起立した状態のCNT2の先端部に電界をさらに効果的に集中させることも可能となる。このような、基板5の表面に上面が平坦な突起20を設けて、その突起20の平坦な上面にCNT2を起立した状態で設けるという製造方法は、三極電界効果型ディスプレイデバイスのような、いわゆるカソードウェル(縦穴)の底面にエミッタを設けてなるFEDなどに特に好適なものである。
【0086】
以上のように、本実施の形態に係る電子放出素子では、基板5上でCNT2を起立した状態で有するので、CNT2のアスペクト比の高さ、電気的および機械的な優れた特性を生かして電子放出特性を向上させることができる。
【0087】
また、支持部材30が尖頭状の突出形状を有するようにすれば、更に電子放出性能を高めることができる。
【0088】
更に、本実施の形態の電子放出素子の製造方法では、このような電子放出素子を、従来技術の場合のような種々の問題には直面することなく、極めて簡易な製造方法によって実現することができる。また、支持部材30が尖頭状の突出形状の電子放出素子であっても、煩雑な加工方法を要することなく、また種々の問題に直面することなく、極めて簡易に形成することが可能である。
【0089】
[実施例]
上記のような製造方法によって、SWCNT2を用いた電子放出素子を作成した。その結果、図16として示した電子顕微鏡写真からも明らかなように、アスペクト比の高い(細長くて尖鋭的な)SWCNT2がペースト材料3から起立した状態で支持されているようにすることができることが確認された。また、図17として示した電子顕微鏡写真からも明らかなように、起立した状態のSWCNT2を、均一な密度で揃えて林立したような状態で分布させるようにすることができることが確認された。
【0090】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、、基板5上に起立した状態で設ける線分状のCNT2は、1本でも可能であるが、複数本とすることもできる。
【0091】
また、図6および図7のように長めのCNT2を用いた場合だけでなく、図3または図5においてCNT2の長さが不均一である場合にも、CNT2を切断して長さを揃えるようにすることが可能である。
【0092】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の電子放出素子の製造方法によれば、筒状炭素分子と所定の粘性を有する材料とを混合してなる塗布材料を介在させた状態で第1の基板と第2の基板とを密着させたのち、2つの基板を各基板面に対して略鉛直方向に引き離すようにしたので、基板上に起立した姿勢の筒状炭素分子を形状再現性よく形成することができる。従って、信頼性が高く、高性能な電子放出素子さらには表示装置を簡易に実現することができる。
【0093】
特に、支持部材を、基板上に尖頭状に突出した形状とすることにより、エミッタにおける実質的に電界を集中させる部分である筒状炭素分子の先端部に電界をさらに効果的に集中させることが可能となり、電子放出素子としての性能をさらに高いものとすることができる。
【0094】
また、基板が、上面が平坦な突起を備えており、その突起の平坦な上面に、筒状炭素分子を起立した状態で設けるようにすれば、エミッタの全体的な形状を筒状炭素分子の先端部に電界をさらに効果的に集中させることが可能なものとすることができ、当該電子放出素子としての性能をさらに高いものとすることができる。
【0095】
また、筒状炭素分子を2枚の基板の表面のそれぞれに対して起立した状態にした後、その起立した筒状炭素分子が2枚の基板の両方に接合している状態の場合、あるいは敢えてあらかじめ長めの筒状炭素分子を起立した状態にしておいて、所望の長さに切り揃えるようにする場合には、起立した筒状炭素分子を2枚の基板の間で切断するようにすれば、起立した状態の筒状炭素分子を均一な長さに切り揃えて、均一な長さの筒状炭素分子束や均一な性能の電子放出素子、さらに表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る電子放出素子の製造方法を模式的に表す断面図である。
【図2】図1に続く工程を表す断面図である。
【図3】図2に続く工程を表す断面図である。
【図4】本発明の一実施の形態に係る他の製造方法を表す断面図である。
【図5】図4に続く工程を表す断面図である。
【図6】本発明の一実施の形態に係るさらに他の製造方法を表す断面図である。
【図7】図6に続く工程を表す断面図である。
【図8】図7に続く工程を表す断面図である。
【図9】本発明の一実施の形態に係るFEDのカソードウェルを作製する工程を表した図である。
【図10】図9に引き続いてFEDのカソードウェルの内側にエミッタを作製する工程を表した断面図である。
【図11】図10に示した製造プロセスによって電子放出素子を一つの基板上にアレイ状に形成する場合の一例を表した断面図である。
【図12】図11に続く工程を表す断面図である。
【図13】図12に続く工程を表す断面図である。
【図14】本実施の形態に係るFEDの一例を表す断面図である。
【図15】基板の表面に上面が平坦な突起を形成してその平坦な上面にCNTを起立した状態で設けた場合の一例を表した図である。
【図16】実施例で製造したSWCNTのうちの一本の電子顕微鏡写真である。
【図17】実施例で製造したSWCNTの電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
1(1a,1b)…電極、2…CNT、3…ペースト材料、4…マイクロメッシュ、5(5a,5b)…基板、7…抵抗層、9…ゲート電極、10…凸版、20…突起[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron-emitting device suitable for, for example, a triode field effect display device, a manufacturing method thereof, and a display device (display) using the electron-emitting device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, field emission display (FED) devices including electron-emitting devices have been developed in particular in terms of characteristics such as image display brightness, color reproducibility, wide viewing angle, and low power consumption. The device is attracting attention as a device for a next-generation flat panel display device suitable for a wall-mounted television or the like (see, for example,
[0003]
In general, as a technique of FED, a technique using a Spindt-type emitter in which Mo (molybdenum) is formed in a pointed shape by a vapor deposition method in an emitter well patterned in advance has been proposed. .
[0004]
Until the first FED prototype (prototype) was announced (around 1985), practically no practical study was made on such FED, but after the prototype was announced, Research and development has been actively promoted, and a prototype of full-color VGA specifications with a diagonal of 15 inches (about 38.1 [cm]) has been announced.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2003-141983 A
[Patent Document 2]
JP 2003-151456 A
[Patent Document 3]
JP 2003-115259 A
[Patent Document 4]
JP 2003-115257 A
[Patent Document 5]
JP 2003-123632 A
[Patent Document 6]
JP 2003-86079 A
[Patent Document 7]
JP 2003-86085 A
[Patent Document 8]
JP 2003-86080 A
[Patent Document 9]
JP 2003-7196 A
[Patent Document 10]
JP 2003-7200 A
[Patent Document 11]
JP 2003-7234 A
[Patent Document 12]
JP 2002-197965 A
[Patent Document 13]
JP 2002-150922 A
[Patent Document 14]
JP 11-329217 A
[Non-Patent Document 1]
Huang et al. , Large-scale routed growth of aligned super bundles of single-walled carbon nanotubes using a directed arc plasma method, “Chemical 34”, “Chem. 7-14
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Various conventional prototypes and research for the practical application of the FED including the prototype as described above can sufficiently satisfy the conditions for practical use in terms of display image quality and manufacturing cost. Such technology has not yet been achieved.
[0007]
The most important problems in achieving the practical use of FEDs are the phosphor problem applicable to display devices operating at a low anode voltage or discharge voltage of less than 1 [kV], the visibility of spacers, etc. Problems include cathode durability (lifetime) issues in display devices that operate at high anode voltages.
[0008]
As an approach different from the above for the practical application of the FED, a technique for uniformly producing a Spindt type electron-emitting device (emission cathode) over a large area has been tried. The technical approach greatly relates to the cost of the vapor deposition method for forming the electron-emitting device and the elimination of the complexity of the process.
[0009]
However, even if any of the above approaches succeeded in the past for practical application of FED, and FED up to about 15 inches diagonally has been put into practical use by that technology, for example, In order to achieve the practical use of FEDs with larger screens, the higher aspect ratio, conductivity, thermal resistance, and mechanical strength, which are different from those used in the prior art as described above, are required. It is necessary to realize an emitter made of the provided material.
[0010]
Accordingly, it has been proposed to produce a flat panel display device using CNTs by paying attention to various effectiveness of carbon nanotubes (CNT; Carbon Nanotubes; hereinafter, carbon nanotubes are also referred to as CNTs). In recent years, attention has been paid to the tripolar cathode structure (gated cathode structure) as an indispensable part of its main technology, including a completely sealed 4.5 inch, 3 color, nanotube FED, and 4.5 inch.・ Prototypes such as full-color nanotube FED or 9-inch full-color nanotube FED with 576 × 242 pixels have been made. Further, a nanotube FED having a diagonal size of 32 inches has been experimentally produced.
[0011]
As a method for manufacturing an electron-emitting device (emitter) using CNT, the following two types are mainly proposed.
[0012]
One of them is that a vertical hole (cathode hole) is formed in advance in a substrate having a gate electrode layer, and CNT as an emitter is directly generated in this cathode hole by a CVD method. The other is to fill the cathode hole with a mixture of CNTs in a vehicle made of an organic material.
[0013]
Of the above manufacturing methods, it has been reported that an emitter array (FEA; Field Emission Array) can be manufactured and functioned effectively by the CVD method. The FEA was manufactured at a temperature (600 ° C. or higher) that is extremely high (too high) as the temperature at which FEA is formed on a glass substrate. Have been reported to be made as a well-ordered array.
[0014]
However, such a CVD method has a problem that it is difficult to produce a uniform FEA over a large area. In addition, there is a problem that it is difficult to adjust the length and density of CNTs to be appropriate and to make the length and density uniform.
[0015]
On the other hand, among the above manufacturing methods, a manufacturing method in which a cathode hole is filled with a mixture of CNTs in a vehicle made of an organic material, and a uniform FEA can be manufactured over a large area. Since it is expected that it is relatively easy to adjust the length and density of CNTs to appropriate values, it is considered to be a promising technique. Actually, trial production of a gate CNT-FEA having a performance capable of displaying a moving image of a color image by using this technique has been performed.
[0016]
Trial production of tripolar CNT-FED has also been attempted by screen printing using backside lithography (backside exposure technology).
[0017]
In this manufacturing method, as a material for forming FEA, a material obtained by mixing CNT into a photoreactive paste, printing it in a predetermined pattern by a screen printing method, and curing it is used. However, in this method, therefore, only weak ultraviolet light is exposed near the outermost surface farthest from the bottom surface, and as a result, the paste near the outermost surface peels off during development of the photoreactive paste, and the portion There is a fundamental problem due to the use of the backside exposure technology that causes defects.
[0018]
In addition, in order to display a high-quality image of a full-color image, it is required that the emitter be precisely manufactured. In order to satisfy the above-described conventional technique, the following is required. There are problems to be solved.
[0019]
That is, firstly, the composition of the paste material mixed with CNTs is often non-uniform, so that the characteristics of the emitter array formed using the same are also non-uniform, thereby improving the image quality. There is a problem of lowering.
[0020]
Second, since the orientation and length of the emitter CNT provided on the substrate are not sufficiently aligned, there is a problem that the display characteristics within one screen become non-uniform.
[0021]
Third, in the vapor deposition process of the photoreactive material, there is a possibility that components used during the vapor deposition may contaminate or damage the CNT, which causes a problem that the shape reproducibility and reliability of the emitter are lowered.
[0022]
Fourth, since the binder, printing filler, photoreactive material, and the like mixed in the photoreactive paste for backside exposure are further mixed with CNT, they adversely affect the performance of the CNT as an emitter. It will be. In addition, this adversely affects the performance as a CNT-FED device, and further deteriorates the shape reproducibility and reliability of the emitter, thereby degrading the image display quality of the FED equipped with the emitter. There is a problem.
[0023]
Fifth, most of the CNTs are buried in the paste material, and only a small number of CNTs stand up and protrude from the surface of the paste material in many cases. Cannot be concentrated, and as a result, the brightness and clarity of the display image cannot be made sufficient.
[0024]
The present invention has been made in view of such problems, and a first object is to solve the above-described problems and to perform uniform and high-quality image display by a very simple and reliable method. The object is to provide a method for manufacturing an electron-emitting device.
[0025]
The second object of the present invention is manufactured by the above-described manufacturing method of the present invention, and is supported in an upright posture with cylindrical carbon molecules aligned, and has high shape reproducibility and reliability, uniform and high display quality. It is an object to provide a high-performance electron-emitting device capable of performing display and a display device using the same.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The electron-emitting device according to the present invention has one or a plurality of cylindrical carbon molecules standing on a substrate. Here, the “tubular carbon molecule” includes single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, carbon nanofibers, and carbon nanohorns. Here, the standing state is a state in which one end of the cylindrical carbon molecule extending in the longitudinal direction is disposed in the vicinity of the surface of the substrate, and the other end of the cylindrical carbon molecule is positioned further away from the surface of the substrate. Say.
[0027]
The display device according to the present invention includes an electron-emitting device having one or more cylindrical carbon molecules standing on a substrate, a predetermined voltage applied to the cylindrical carbon molecules, and electrons from the cylindrical carbon molecules. It has a configuration including an electrode to be emitted and a fluorescent part that emits light upon receiving electrons emitted from the electron-emitting device.
[0028]
The method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention includes a mixing step in which a cylindrical carbon molecule and a material having a predetermined viscosity are mixed to produce a coating material, and the coating material is selected from the first substrate and the second substrate. An application step of applying to at least one of the first substrate, an adhesion step of bringing the first substrate and the second substrate into close contact via a coating material, and the first substrate and the second substrate to each substrate surface And an element forming step for raising the cylindrical carbon molecules by pulling them apart in a substantially vertical direction.
[0029]
In the electron-emitting device according to the present invention, electrons are emitted in the extending direction from cylindrical carbon molecules standing on the substrate. Therefore, in the display device of the present invention using a plurality of such electron-emitting devices, uniform and high-quality image display is performed.
[0030]
In the method for manufacturing an electron-emitting device according to the present invention, in the mixing step, cylindrical carbon molecules and a material having a predetermined viscosity are mixed to produce a coating material. Next, in a coating process, a coating material is applied to at least one of the first substrate and the second substrate. Subsequently, in the adhesion process, the first substrate and the second substrate are adhered to each other through the coating material. After that, in the element formation process, the first substrate and the second substrate are separated in a substantially vertical direction with respect to each substrate surface, whereby the coating material is deformed in a viscous manner, and the viscosity of the coating material is increased. The material having the shape is constricted near an intermediate position between the two substrates. Due to the viscous flow effect accompanying the viscous deformation of the viscous material, the two substrates have been lying or folded in a horizontal or oblique direction with respect to the substrate surface. A plurality of cylindrical carbon molecules that are in a bent state or a curved state are aligned in such a manner that they rise from the surface of the substrate all at once. When the substrate is further pulled away to a sufficient distance, the viscous material gradually narrows near the middle position between the two substrates, and eventually exceeds the limit of viscous flow deformation. It is separated in a state of being cut at that part. At this time, a plurality of cylindrical carbon molecules are erected and attached in the same direction on each of the surfaces of the two substrates. Thereby, the electron-emitting device of the present invention is manufactured.
[0031]
In addition, the cylindrical carbon molecule which became the standing state is supported in the state which stood on the board | substrate with the support member by solidifying the support member which consists of a material which has viscosity.
[0032]
Further, the support member made of a material having viscosity is formed into a shape in which a rough shape protrudes in a pointed manner on the substrate by cutting the substrate by separating the substrate as described above. Therefore, the shape of the tip portion of the emitter composed of the tips of the plurality of cylindrical carbon molecules supported by it is also a shape protruding in a pointed shape. This concentrates the electric field more effectively. That is, the emitter having such a preferable shape can be formed extremely easily without requiring a complicated processing method.
[0033]
Further, by providing a protrusion with a flat upper surface on the surface of the substrate and providing the cylindrical carbon molecule in an upright state on the flat upper surface, the overall shape of the electron-emitting device can be reduced by an electric field. It is possible to concentrate more effectively.
[0034]
A manufacturing method in which a protrusion having a flat upper surface is provided on the surface of such a substrate and cylindrical carbon molecules are provided on the flat upper surface in a standing state is a so-called cathode such as a triode field effect display device. This is particularly suitable for an FED in which an emitter is provided on the bottom of a well (vertical hole).
[0035]
In addition, although the cylindrical carbon molecule provided in the standing state on the board | substrate can be one, it cannot be overemphasized that it is more desirable that it is multiple.
[0036]
In addition, it is desirable that the support member has conductivity required for an electron-emitting device. This is because current flows between the cylindrical carbon molecule and the substrate via the support member, so even if the conductivity in the cylindrical carbon molecule is good, the conductivity of the support member connecting the substrate and the substrate is low. This is because there is a possibility that the good conductivity of the bent cylindrical carbon molecule cannot be utilized.
[0037]
Further, after the cylindrical carbon molecules are raised from the respective surfaces of the two substrates, the raised cylindrical carbon molecules are bonded to both of the two substrates, or deliberately. If it is desired that the long cylindrical carbon molecules are erected in advance and then trimmed to the desired length, the erected cylindrical carbon molecules are cut between two substrates. By further including the step of performing, the cylindrical carbon molecules in an upright state may be trimmed to a uniform length. By doing so, a cylindrical carbon molecule having a uniform length and an electron-emitting device having a uniform performance are realized.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0039]
FIG. 3 shows a main part of the electron-emitting device according to the embodiment of the present invention. This electron-emitting device is provided, for example, on a
[0040]
In the following description, a case where single-walled carbon nanotubes (SWCNT) or multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) are used as cylindrical carbon molecules will be described. However, it is also possible to use carbon nanofiber (CNF) or carbon nanohorn, for example.
[0041]
CNTs generally have excellent mechanical and electrical properties. For example, single-walled carbon nanotubes (SWCNT) have a tensile strength 100 times that of steel (or 2 orders of magnitude greater) and a conductivity that is 100 times that of copper (or 2 orders of magnitude greater). In addition to SWCNTs, including multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), CNTs generally have a high aspect ratio and an extremely thin diameter, so that the electric field is concentrated at the tip. The function is excellent. Also, the carbon nanofiber (CNF) is larger than the CNT in terms of the scale of the outer diameter, but the mechanical characteristics and the electrical characteristics are substantially the same as those of the CNT. Therefore, CNT or CNF is extremely suitable as a material applied to an electron-emitting device that can be driven at a low voltage.
[0042]
The substrate 5 (5a, 5b) is made of, for example, glass, and an electrode 1 (1a, 1b) is formed on the surface thereof.
[0043]
The
[0044]
For example, carbon particles may be mixed in the
[0045]
Alternatively, the
[0046]
Further, the
[0047]
Furthermore, the
[0048]
The addition amount of these conductive substances contained in the
[0049]
The
[0050]
Such an electron-emitting device can be manufactured, for example, as follows.
[0051]
First, CNT2 is produced. SWCNT and MWCNT can be generally obtained by various production methods such as arc discharge method, laser ablation method, CVD method, etc. However, CNT2 produced by the arc discharge method has a characteristic of high heat resistance. Since this is a characteristic suitable as a CNT used for manufacturing an electron-emitting device, SWCNT2 manufactured by this arc discharge method is used in this embodiment.
[0052]
SWCNT2 is manufactured by direct current arc plasma discharge in a high vacuum chamber (not shown). In the manufacturing process of SWCNT2 by this direct-current arc plasma discharge, for example, a graphite rod (not shown) to which a lanthanide such as Co (cobalt), Ni (nickel), La (lanthanum) or the like is added as a catalyst is used as an anode for plasma discharge. It is possible to use a single graphite rod (not shown) as the cathode. In order to obtain SWCNT2 having higher oxidation resistance, it is desirable to use a ball-shaped cathode (not shown). For the process itself for producing such SWCNT2, for example, the technique proposed by the present inventors in
[0053]
Further, for example, by mixing an organic material such as polyvinyl alcohol and a solvent, a material 3 (hereinafter referred to as “paste material”) 3 having a predetermined viscosity is produced. The solvent is for adjusting the viscosity of the
[0054]
Next, the
[0055]
Subsequently, as shown in FIG. 1, two substrates 5 (5a, 5b) each having an electrode 1 (1a, 1b) formed on the surface thereof are prepared, and one or both of these
[0056]
After that, as shown in FIG. 2, mechanical force is applied from the outside to separate the two
[0057]
By the viscous flow action accompanying the viscous deformation of the
[0058]
When the two
[0059]
After that, the
[0060]
FIG. 5 shows another electron-emitting device of the present embodiment. This electron-emitting device is the same as the electron-emitting device shown in FIG. 3 except that the
[0061]
Such an electron-emitting device can be manufactured by using a
[0062]
That is, when the viscosity of the
[0063]
When the two
[0064]
FIG. 8 shows still another electron-emitting device of the present embodiment. In this electron-emitting device, for example, when the length of each individual CNT2 is longer than a desired length, or when the long CNT2 is erected in advance, a desired length is obtained. It is something that has been trimmed to. Thereby, it is possible to realize a
[0065]
This electron-emitting device allows the
[0066]
The material of the micromesh 4 is not limited to a conductor but may be an insulator, and examples thereof include stainless steel, ceramics, and plastic. Moreover, the diameter of the holes of the micromesh 4 is preferably larger than the diameter of the
[0067]
Next, a method for manufacturing an electron-emitting device using such a micromesh 4 will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 6, the micro meshes 4a and 4b were buried in the
[0068]
As shown in FIG. 7, the
[0069]
An energy beam can be used to cut the standing CNT2.
[0070]
As the energy beam, it is necessary to reliably cut the
[0071]
As energy beam, energy density is 1 [mW / mm 2 ], More preferably 1 [W / mm 2 It is also possible to use the above electron beam. Note that the upper limit of the energy density is the same as that of the laser beam.
[0072]
In addition, energy density is 1 [mW / mm as an energy beam. 2 ], More preferably 1 [W / mm 2 It is also possible to use the above ion beam. The upper limit of the energy density is the same as in the case of a laser beam.
[0073]
The
[0074]
Thus, the electron-emitting device shown in FIG. 8 is completed. The micromesh 4 may be kept in the same position after the
[0075]
FIG. 9 shows the main part of the process for fabricating the cathode well of the FED. First, as shown in FIG. 9A, on the
[0076]
Subsequently, as shown in FIGS. 10A and 10B, an emitter of SWCNT2 is formed. This process is the most important part of the manufacturing method according to the present embodiment.
[0077]
In order to make the formation position and shape of the emitter highly accurate, it is necessary to precisely control the distance and positional relationship between the
[0078]
First, the
[0079]
Next, the
[0080]
Subsequently, as shown in FIG. 10B, the
[0081]
Here, by the method of separating the
[0082]
11, 12, and 13 show an example in which electron-emitting devices are formed in an array on one
[0083]
FIG. 14 shows an example of an FED using the electron-emitting device as shown in FIG. The FED includes an electron-emitting device 60 having one or a plurality of
[0084]
In this FED, when a voltage is selectively applied between the
[0085]
As shown in FIG. 15, a
[0086]
As described above, since the electron-emitting device according to the present embodiment has the
[0087]
Further, if the
[0088]
Furthermore, in the manufacturing method of the electron-emitting device of the present embodiment, such an electron-emitting device can be realized by an extremely simple manufacturing method without facing various problems as in the case of the prior art. it can. Further, even if the
[0089]
[Example]
An electron-emitting device using SWCNT2 was prepared by the manufacturing method as described above. As a result, as is apparent from the electron micrograph shown in FIG. 16,
[0090]
The present invention has been described with reference to the embodiments and examples. However, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, the number of line-segmented
[0091]
Further, not only when the long CNT2 is used as shown in FIG. 6 and FIG. 7, but also when the length of the CNT2 is not uniform in FIG. 3 or FIG. It is possible to
[0092]
【The invention's effect】
As described above, according to the method for manufacturing an electron-emitting device of the present invention, the first substrate and the second substrate are provided with a coating material formed by mixing cylindrical carbon molecules and a material having a predetermined viscosity. After the two substrates are brought into close contact with each other, the two substrates are separated in a substantially vertical direction with respect to the respective substrate surfaces, so that cylindrical carbon molecules standing on the substrate can be formed with good shape reproducibility. . Therefore, a highly reliable and high-performance electron-emitting device and a display device can be easily realized.
[0093]
In particular, by forming the support member in a shape that protrudes sharply on the substrate, the electric field can be more effectively concentrated on the tip of the cylindrical carbon molecule, which is the portion of the emitter that substantially concentrates the electric field. Therefore, the performance as an electron-emitting device can be further enhanced.
[0094]
Further, if the substrate has a protrusion with a flat upper surface, and the cylindrical carbon molecule is provided on the flat upper surface of the protrusion in an upright state, the overall shape of the emitter is made of the cylindrical carbon molecule. The electric field can be more effectively concentrated on the tip portion, and the performance as the electron-emitting device can be further enhanced.
[0095]
Further, after the cylindrical carbon molecules are raised from the respective surfaces of the two substrates, the raised cylindrical carbon molecules are bonded to both of the two substrates, or deliberately. In the case where a long cylindrical carbon molecule is erected in advance and cut into a desired length, the erected cylindrical carbon molecule is cut between two substrates. The cylindrical carbon molecules in an upright state are cut to a uniform length, so that a cylindrical carbon molecular bundle having a uniform length, an electron-emitting device having a uniform performance, and a display device can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a method for manufacturing an electron-emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a process following FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a process following FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating another manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional diagram illustrating a process following the process in FIG. 4.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating still another manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
7 is a cross-sectional diagram illustrating a process following the process in FIG. 6. FIG.
8 is a cross-sectional view illustrating a process following FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating a process of manufacturing a cathode well of an FED according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a process of manufacturing an emitter inside the cathode well of the FED following FIG. 9;
11 is a cross-sectional view showing an example in which electron-emitting devices are formed in an array on one substrate by the manufacturing process shown in FIG.
12 is a sectional view illustrating a process following the process in FIG. 11. FIG.
13 is a cross-sectional diagram illustrating a process following the process in FIG. 12. FIG.
FIG. 14 is a cross-sectional view illustrating an example of an FED according to the present embodiment.
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a case where a protrusion having a flat upper surface is formed on the surface of a substrate and the CNTs are provided upright on the flat upper surface.
FIG. 16 is an electron micrograph of one of the SWCNTs produced in the example.
FIG. 17 is an electron micrograph of SWCNT produced in an example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 (1a, 1b) ... Electrode, 2 ... CNT, 3 ... Paste material, 4 ... Micromesh, 5 (5a, 5b) ... Substrate, 7 ... Resistance layer, 9 ... Gate electrode, 10 ... Letterpress, 20 ... Protrusion
Claims (43)
ことを特徴とする電子放出素子。An electron-emitting device comprising one or a plurality of cylindrical carbon molecules standing on a substrate.
ことを特徴とする請求項1記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 1, wherein the cylindrical carbon molecule includes a single-walled carbon nanotube, a multi-walled carbon nanotube, or a carbon nanofiber.
ことを特徴とする請求項1記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 1, wherein the cylindrical carbon molecule is supported in a standing state on the substrate by a support member made of a solidified material.
ことを特徴とする請求項3記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 3, wherein the support member has a pointed protruding shape on the substrate.
ことを特徴とする請求項3記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 3, wherein the support member has conductivity.
ことを特徴とする請求項1記載の電子放出素子。2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the length of the cylindrical carbon molecule is in the range of 10 [nm] to 100 [μm].
ことを特徴とする請求項1記載の電子放出素子。2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the length of the cylindrical carbon molecule is in the range of 100 [nm] to 10 [μm].
ことを特徴とする請求項3記載の電子放出素子。4. The electron-emitting device according to claim 3, wherein the support member is mixed with carbon fine particles.
ことを特徴とする請求項8記載の電子放出素子。9. The electron-emitting device according to claim 8, wherein the carbon fine particles have a size within a range of 1 [nm] to 1000 [μm].
ことを特徴とする請求項8記載の電子放出素子。9. The electron-emitting device according to claim 8, wherein the carbon fine particles have a size in a range of 1 [nm] to 100 [μm].
ことを特徴とする請求項3記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 3, wherein the support member is mixed with metal fine particles.
ことを特徴とする請求項11記載の電子放出素子。12. The electron-emitting device according to claim 11, wherein the metal fine particles are made of one or more of IVa to Ib metals including Ti, Mo, W, Fe, Co, Ni, Cu, and Au.
ことを特徴とする請求項11記載の電子放出素子。12. The electron-emitting device according to claim 11, wherein the metal fine particles have a size within a range of 1 [nm] to 1000 [μm].
ことを特徴とする請求項11記載の電子放出素子。12. The electron-emitting device according to claim 11, wherein the metal fine particles have a size in a range of 1 [nm] to 100 [μm].
ことを特徴とする請求項3記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 3, wherein the support member is formed to include a conductive polymer.
ことを特徴とする請求項15記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 15, wherein the conductive polymer includes one or more of poly-P-phenylene vinylene (PPV), polyaniline, polythiophene, and polyacetylene.
ことを特徴とする請求項3記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 3, wherein the support member is formed to include a conductive metal oxide.
ことを特徴とする請求項17記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 17, wherein the conductive metal oxide includes one or more of tin oxide, titanium oxide, and indium oxide.
ことを特徴とする請求項1記載の電子放出素子。2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the substrate includes a protrusion having a flat upper surface, and the cylindrical carbon molecule is erected on the flat upper surface of the protrusion. 3.
ことを特徴とする請求項1記載の電子放出素子。The electron-emitting device according to claim 1, wherein the substrate includes an electrode for applying a voltage to the cylindrical carbon molecule.
前記筒状炭素分子に所定の電圧を印加し、前記筒状炭素分子から電子を放出させるための電極と、
前記電子放出素子から放出された電子を受けて発光する蛍光部と
を備えたことを特徴とする表示装置。An electron-emitting device having one or more cylindrical carbon molecules standing on a substrate;
An electrode for applying a predetermined voltage to the cylindrical carbon molecule to emit electrons from the cylindrical carbon molecule;
A display device comprising: a fluorescent portion that emits light upon receiving electrons emitted from the electron-emitting device.
前記塗布材料を第1の基板および第2の基板のうちの少なくとも一方に塗布する塗布工程と、
前記第1の基板と第2の基板とを塗布材料を介して密着させる密着工程と、
前記第1の基板と前記第2の基板とを各基板面に対して略鉛直方向に引き離すことにより前記筒状炭素分子を起立させる素子形成工程と
を含むことを特徴とする電子放出素子の製造方法。A mixing step in which a cylindrical carbon molecule and a material having a predetermined viscosity are mixed to produce a coating material;
An application step of applying the application material to at least one of the first substrate and the second substrate;
An adhesion step of bringing the first substrate and the second substrate into close contact with each other through a coating material;
And an element forming step of raising the cylindrical carbon molecule by separating the first substrate and the second substrate in a substantially vertical direction with respect to each substrate surface. Method.
ことを特徴とする請求項22記載の電子放出素子の製造方法。The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 22, wherein single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, or carbon nanofibers are used as the cylindrical carbon molecules.
ことを特徴とする請求項22記載の電子放出素子の製造方法。23. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 22, wherein the cylindrical carbon molecule is supported in a standing state on the substrate by a support member formed by solidifying the viscous material.
ことを特徴とする請求項24記載の電子放出素子の製造方法。25. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 24, wherein the support member is formed in a shape protruding in a peak shape on the substrate.
ことを特徴とする請求項24記載の電子放出素子の製造方法。25. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 24, wherein the support member is formed using a material having conductivity.
ことを特徴とする請求項24記載の電子放出素子の製造方法。25. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 24, wherein the support member is formed using a material mixed with metal fine particles.
ことを特徴とする請求項27記載の電子放出素子の製造方法。28. The electron according to claim 27, wherein the metal fine particles are made of one or more of IVa to Ib metals including Ti, Mo, W, Fe, Co, Ni, Cu, and Au. A method for manufacturing an emitting device.
ことを特徴とする請求項24記載の電子放出素子の製造方法。25. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 24, wherein the support member is formed using a material containing a conductive polymer.
ことを特徴とする請求項29記載の電子放出素子の製造方法。30. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 29, wherein the conductive polymer includes one or more of poly-P-phenylene vinylene (PPV), polyaniline, polythiophene, and polyacetylene.
ことを特徴とする請求項24記載の電子放出素子の製造方法。The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 24, wherein the support member is formed using a material containing a conductive metal oxide.
ことを特徴とする請求項31記載の電子放出素子の製造方法。32. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 31, wherein the conductive metal oxide includes one or more of tin oxide, titanium oxide, and indium oxide.
ことを特徴とする請求項22記載の電子放出素子の製造方法。23. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 22, wherein a protrusion having a flat upper surface is formed on the surface of the substrate, and the cylindrical carbon molecule is provided upright on the flat upper surface of the protrusion.
ことを特徴とする請求項22記載の電子放出素子の製造方法。The method further includes the step of standing the cylindrical carbon molecules with respect to each of the surfaces of the two substrates, and then cutting the raised cylindrical carbon molecules between the two substrates. The method for manufacturing an electron-emitting device according to claim 22.
ことを特徴とする請求項34記載の電子放出素子の製造方法。35. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 34, wherein the raised cylindrical carbon molecules are cut by an energy beam.
ことを特徴とする請求項35記載の電子放出素子の製造方法。36. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 35, wherein a laser beam having an energy density of 1 [mW / mm 2 ] or more is used as the energy beam.
ことを特徴とする請求項35記載の電子放出素子の製造方法。36. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 35, wherein a laser beam having an energy density of 1 [W / mm 2 ] or more is used as the energy beam.
ことを特徴とする請求項35記載の電子放出素子の製造方法。36. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 35, wherein an electron beam having an energy density of 1 [mW / mm 2 ] or more is used as the energy beam.
ことを特徴とする請求項35記載の電子放出素子の製造方法。36. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 35, wherein an electron beam having an energy density of 1 [W / mm 2 ] or more is used as the energy beam.
ことを特徴とする請求項35記載の電子放出素子の製造方法。36. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 35, wherein an ion beam having an energy density of 1 [mW / mm 2 ] or more is used as the energy beam.
ことを特徴とする請求項35記載の電子放出素子の製造方法。36. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 35, wherein an ion beam having an energy density of 1 [W / mm 2 ] or more is used as the energy beam.
ことを特徴とする請求項34記載の電子放出素子の製造方法。35. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 34, wherein the raised cylindrical carbon molecules are cut by a mechanical cutting method.
ことを特徴とする請求項22記載の電子放出素子の製造方法。23. The method of manufacturing an electron-emitting device according to claim 22, wherein a gate electrode corresponding to the raised cylindrical carbon molecule is formed on the surface of the substrate.
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