JP4749231B2

JP4749231B2 - 電子放出装置の製造方法

Info

Publication number: JP4749231B2
Application number: JP2006139166A
Authority: JP
Inventors: 昭裕渡辺; 修平中田; 哲也白石
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-05-18
Filing date: 2006-05-18
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: JP2007311188A

Description

本発明は、カーボンナノチューブが電子源として用いられている電子放出装置の製造方法に関するものである。

従来から、カーボンナノチューブを電子源として用いる電子放出装置の研究が行なわれている。従来の電子放出装置においては、カーボンナノチューブから放出される電子のエミッション分布の均一化を図るために、エージングが行なわれている。エージングとは、電子放出能力が高いカーボンナノチューブに過大電流を流すことにより、選択的にその先端を消失させる方法である。従来のエージングにおいては、カソード層とゲート電極層との間に定格値以上の電圧を印加することにより、電子放出能力が高いカーボンナノチューブを消失させることによって、エミッション分布の均一化が実現されている。
特開２００６−１２５７８号公報

上記のエージングによれば、電子のエミッション分布の均一化のためにカーボンナノチューブに過大な電流を流す。そのため、カーボンナノチューブが飛散してゲート電極層に付着することによって、カソード層とゲート電極層との間の絶縁性が低下する。また、カーボンナノチューブの飛散によって、カーボンナノチューブ層に電子を放出しないエリアが形成されてしまう。その結果、輝度が低下したり、画素欠陥が発生したりする。したがって、電子放出装置の表示性能が低下してしまう。

本発明は、上述のような問題に鑑みなされたものであり、その目的は、エミッション分布の均一な電子放出装置の製造方法を提供することである。

本発明の製法により製造される電子放出装置は、真空状態に維持された空間を介して対向するカソード基板およびアノード基板を備えている。カソード基板は、アノード基板から電気的に絶縁された状態で、アノード基板に対向するように基板上に設けられたカソード層と、カソード層上に設けられカーボンナノチューブを含有するカーボンナノチューブ層と、カーボンナノチューブ層上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられたゲート電極層とを有している。本発明の電子放出装置の製造方法においては、カソード層と他の電極層との間にパルス電圧が印加され、カーボンナノチューブのエージングが実行される。

エージングにおいては、カソード層と他の電極層との間に印加されるパルス電圧が、電子放出装置が実際に駆動されるときにカソード層と他の電極層との間に印加される電圧のピークの強度より大きい。また、カソード層と他の電極層との間に印加されるパルス電圧のデューティ比が、電子放出装置が実際に駆動されるときにカソード層と他の電極層との間に印加される電圧のデューティより小さい。また、エージングが実行されているときにカーボンナノチューブ層とカソード層との界面を通過する電流によって界面に与えられる電力の平均値が、実際に電子放出装置が駆動されるときにカーボンナノチューブ層とカソード層との界面を通過する電流によって界面に与えられる電力の平均値よりも小さい。

上記の構成によれば、カーボンナノチューブ層がカソード層から剥離することを防止しながら、エージングを実行することができる。その結果、電子放出装置のエミッション分布の均一化を図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態の電子放出装置の製造方法を説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１の製造方法に用いられる電子放出装置１００のカソード基板１とアノード基板１１とを概略的に示す断面図である。この電子放出装置１００は、エージングを行ない得るものである。

図１に示すように、カソード基板１は、本発明の基板の一例としてのガラス基板２の主表面上に複数のカソード層３を備えている。カソード層３は、ライン状に設けられている。カソード層３の主表面上にはカーボンナノチューブ４ａを含有するカーボンナノチューブ層４が形成されている。本実施の形態においては、カーボンナノチューブ層４は印刷法によって形成されている。また、カーボンナノチューブ層４を覆うように絶縁層５が形成されている。絶縁層５の厚さは約１０μｍである。さらに、絶縁層５の主表面上には複数のゲート電極層６が形成されている。ゲート電極層６はカソード層３と直交する方向に延びるライン状の金属電極層である。

ゲート電極層６および絶縁層５には画素ごとに一つの電子通過孔７が設けられている。電子通過孔７の底面にはカーボンナノチューブ層４が露出している。カーボンナノチューブ層４は、カーボンナノチューブ４ａを有している。カーボンナノチューブ４ａは、電界放出を促進するための処理が施され、カソード基板１の主表面に対してほぼ垂直に延びている。なお、このような処理が施されたカーボンナノチューブを起毛と呼ぶ。また、電子通過孔７は長方形であり、その短辺の長さは３０μｍ、その長辺の長さは３００μｍである。

アノード基板１１とカソード基板１とは、絶縁体のスペーサを介して６０μｍの距離を隔てて設置される。エージングにおいては、カソード層３とゲート電極層６との間に電圧が印加される。この電圧は、所定のパルス波形の電圧である。これにより、カソード層３からカーボンナノチューブ層４へエミッション電流が流れる。アノード層９には、カソード層３の電位を基準としてゲート電極層６に与えられる電位のピークよりも大きな電位が与えられる。この電位は、一定値である。

たとえば、カソード層３には０Ｖの電位が与えられ、ゲート電極層６に正のパルス電位が与えられる。カソード層３とゲート電極層６との間に印加されるパルス電圧においては、周波数４８０Ｈｚであり、かつ、ピークが１５０Ｖである。また、パルス電圧においては、デューティＤｙが１／６１４４であり、パルス幅が３．４μｓｅｃである。また、パルス電圧は、線順次で、カソード層３とゲート電極層６との間に印加される。

カソード層３とゲート電極層６との間に定格値より大きな電圧が印加されると、カソード層３とゲート電極層６との間に生じる電界によって、カーボンナノチューブ４ａの先端から電子が放出される。所定の閾値電流、たとえば、１μＡよりも大きな電流が１本のカーボンナノチューブ４ａに流れると、ジュール熱によって、カーボンナノチューブ４ａが破壊され消失する。一方、閾値電流以下の電流が流れるカーボンナノチューブ４ａは、破壊されず、残存する。そのため、電子のエミッション量が多いカーボンナノチューブ４ａのみが、選択的に消失する。言い換えれば、電子のエミッション量が所定の閾値以下のカーボンナノチューブ４ａのみがカソード層３上に残存する。そのため、カーボンナノチューブ層４のエミッション分布の均一化が図られる。

前述の工程は、エージングと呼ばれる。図３には、エージング前および後の輝度分布の変化が、ヒストグラムによって示されている。図３から、エージング前に比較して、エージング後においては、輝度大きいドットの数が少なくなり、輝度分布の範囲が狭くなっていることが分かる。

ただし、１μＡ以下の電流がカーボンナノチューブ４ａに流れる場合においても、カーボンナノチューブ層４とカソード層３との界面の接触抵抗がカーボンナノチューブ層４自身の抵抗よりも大きいため、その界面がジュール熱によって破壊され易い。カーボンナノチューブ層４とカソード層３との界面で発生する熱量は、カーボンナノチューブ４ａに電流が流れている時間に比例する。そのため、ゲート電極層６とカソード層３との間に印加される電圧のデューティ（Ｄｙ）が小さければ、カーボンナノチューブ層４とカソード層３との界面で発生する熱量が小さいため、その界面における熱に起因する破壊は生じ難い。

本実施の形態の電子放出装置の製造方法によれば、エージングにおいては、図４に示されるように、カソード層３とゲート電極層６との間に印加されるパルス電圧（Ｋｐ）が、電子放出装置１００が実際に駆動されるときにカソード層３とゲート電極層６との間に印加される電圧のピークの強度（Ｋ_Ｑ）より大きい。また、エージングにおけるカソード層３とゲート電極層６との間に印加されるパルス電圧のデューティ比（Ｐ／Ｐ_Ｏ）が、電子放出装置１００が実際に駆動されるときにカソード層３とゲート電極層６との間に印加される電圧のデューティ比（Ｑ／Ｑ_Ｏ）より小さい。さらに、図４に示されるように、エージングを実行しているときにカーボンナノチューブ層４とカソード層３との界面を通過する電流によって界面に与えられる電力の平均値（図４の斜線部の面積）は、実際に電子放出装置１００が駆動されるときにカーボンナノチューブ層４とカソード層３との界面を通過する電流によって界面に与えられる電力の平均値（図４の破線によって囲まれた領域の面積）よりも小さい。その結果、カーボンナノチューブ層４とカソード層３との界面の熱的な破壊を抑制しながら、不要なカーボンナノチューブ４ａを消失させることができる。したがって、カーボンナノチューブ４ａがカソード層３から剥離することを防止しながら、エミッション分布の均一化を図ることができる。

なお、前述のように、エージングにおけるカソード層３とゲート電極層６との間に印加される電圧のデューティ（Ｄｙ＝Ｐ／Ｐ_Ｏ）が小さくても、電子のエミッション量が大きいカーボンナノチューブ４ａが破壊されるため、エミッション分布の均一化の効果が低減されることはない。

図５は、カソード層３とゲート電極層６との間に印加される電界のデューティ比と、エージングのときに生じ、カーボンナノチューブ層４をカソード層３から剥離させる電流との関係を示している。図５から分かるように、エージングにおける電圧パルスのデューティが小さくなると、カーボンナノチューブ層４をカソード層３から剥離させるときの電流密度が高くなる。したがって、エージングにおける電圧パルスのデューティ比を小さくすることによって、カーボンナノチューブ４ａの剥離を防止しながら、エミッション分布の均一化を図ることができる。

実施の形態２．
次に、図２を用いて、本発明の実施の形態２の電子放出装置の製造方法を説明する。

図２は、本実施の形態の製造方法に用いられる電子放出装置のカソード基板１とアノード基板１１とを概略的に示す断面図である。この電子放出装置は、エージングを行ない得るものである。なお、図１および図２において、同一の参照符号が付されている部位は、同一の機能を果たす部位であるため、その説明は繰り返さない。

実施の形態１の電子放出装置の製造方法においては、カソード層３とゲート電極層６との間に電圧パルスが印加されるが、本実施の形態の電子放出装置の製造方法においては、カソード層３とアノード層９との間に電圧パルスが印加される。電圧パルスにおいては、ピークが１０００Ｖであり、周波数が４８Ｈｚであり、デューティＤｙ（＝Ｐ／Ｐ_Ｏ）が１／６１４４であり、幅が３．４μｓｅｃである。パルス電圧は、線順次で、印加される。

アノード層９は、ストライプ状に形成されている。アノード層９の中心線とカソード層３の中心線とが、互いに平行に対向するように、カソード層３とアノード層９とが配置されている。アノード層９がストライプ状に形成されているため、カソード層３とアノード層９との間の静電容量が小さい。したがって、アノード層９とカソード層３との間に印加されるパルス電圧の立ち上がり時間が数十ｎｓである。カソード層３とアノード層９との間に電圧が印加されることにより、カーボンナノチューブ４ａの先端から電子が放出される。

実施の形態１と同様に、所定の閾値電流、たとえば、１μＡよりも大きな電流が１本のカーボンナノチューブ４ａに流れると、ジュール熱によって、カーボンナノチューブ４ａが破壊され消失する。一方、閾値電流以下の電流が流れるカーボンナノチューブ４ａは、破壊されず、残存する。そのため、電子のエミッション量が多いカーボンナノチューブ４ａのみが、選択的に消失する。言い換えれば、電子のエミッション量が所定の閾値以下のカーボンナノチューブ４ａのみがカソード層３上に残存する。その結果、カーボンナノチューブ層４のエミッション分布の均一化が図られる。

また、実施の形態１と同様に、１μＡ以下の電流がカーボンナノチューブ４ａに流れる場合においても、カソード層３とゲート電極層６との間に印加される電圧のデューティ（Ｄｙ）が小さければ、カソード層３とカーボンナノチューブ層４との界面で発生する熱量は小さい。

また、本実施の形態のエージングにおいても、実施の形態１のエージングと同様に、エージングにおけるパルス電圧と実際の電子放出装置が駆動されるときの電圧との関係は、図４に示すようなものとなる。

つまり、本実施の形態の電子放出装置１００の製造方法においても、実施の形態１と同様に、エージングにおいては、図４に示されるように、カソード層３とゲート電極層６との間に印加されるパルス電圧（Ｋｐ）が、電子放出装置１００が実際に駆動されるときにカソード層３とゲート電極層６との間に印加される電圧のピークの強度（Ｋ_Ｑ）より大きい。また、エージングにおけるカソード層３とゲート電極層６との間に印加されるパルス電圧のデューティ比（Ｐ／Ｐ_Ｏ）が、電子放出装置１００が実際に駆動されるときにカソード層３とゲート電極層６との間に印加される電圧のデューティ比（Ｑ／Ｑ_Ｏ）より小さい。

さらに、図４に示されるように、エージングを実行しているときにカーボンナノチューブ層４とカソード層３との界面を通過する電流によって界面に与えられる電力の平均値（図４の斜線部の面積）は、実際に電子放出装置１００が駆動されるときにカーボンナノチューブ層４とカソード層３との界面を通過する電流によって界面に与えられる電力の平均値（図４の破線によって囲まれた領域の面積）よりも小さい。その結果、カーボンナノチューブ層４とカソード層３との界面の熱的な破壊を抑制しながら、不要なカーボンナノチューブ４ａを消失させることができる。したがって、カーボンナノチューブ４ａがカソード層３から剥離することを防止しながら、エミッション分布の均一化を図ることができる。

なお、上記実施の形態１および２においては、エージングに用いられるゲート電極層またはアノード層と電子放出装置が実際に駆動されるときに用いられるゲート電極層またはアノード層とが同一のものである。しかしながら、エージングにおいてゲート電極層またはアノード層が多大な電子放出によって損傷することを防止するために、エージングに用いられるゲート電極層またはアノード層と電子放出装置が実際に駆動されるときに用いられるゲート電極層またはアノード層とが異なっていてもよい。これによれば、エージングに起因して損傷したゲート電極層またはアノード層が実施の電子放出装置に組み込まれていないため、エージングに起因した電子放出装置の性能の低下が防止される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

実施の形態１の電界放出装置の製造方法に用いられるカソード基板およびアノード基板を示す断面図である。実施の形態２の電界放出装置の製造方法に用いられるカソード基板およびアノード基板を示す断面図である。エージング前およびエージング後のパネルの輝度分布のヒストグラムである。エージングにおけるパルス電圧と実際の電子放出装置が駆動されるときのパルス電圧との関係を示す図である。印加される電界のデューティとカーボンナノチューブの剥離の電流密度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１カソード基板、２ガラス基板、３カソード層、４カーボンナノチューブ層、４ａカーボンナノチューブ、５絶縁層、６ゲート電極層、７電子通過孔、９アノード層、１０基板、１１アノード基板、１００電子放出装置。

Claims

真空状態に維持された空間を介して対向するカソード基板およびアノード基板を備え、
前記カソード基板は、
前記アノード基板から電気的に絶縁された状態で、前記アノード基板に対向するように基板上に設けられたカソード層と、
前記カソード層上に設けられカーボンナノチューブを含有するカーボンナノチューブ層と、
前記カーボンナノチューブ層上に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層上に設けられたゲート電極層とを有する電子放出装置の製造方法であって、前記カソード層と他の電極層との間にパルス電圧を印加して、前記カーボンナノチューブのエージングを実行するステップを備え、
前記エージングにおいては、前記カソード層と他の電極層との間に印加されるパルス電圧が、前記電子放出装置が実際に駆動されるときに前記カソード層と前記他の電極層との間に印加される電圧のピークの強度より大きく、
前記カソード層と前記他の電極層との間に印加されるパルス電圧のデューティ比が、前記電子放出装置が実際に駆動されるときに前記カソード層と前記他の電極層との間に印加される電圧のデューティより小さく、かつ、
前記エージングが実行されているときに前記カーボンナノチューブ層と前記カソード層との界面を通過する電流によって前記界面に与えられる電力の平均値が、実際に前記電子放出装置が駆動されるときに前記カーボンナノチューブ層と前記カソード層との界面を通過する電流によって前記界面に与えられる電力の平均値よりも小さい、電子放出装置の製造方法。
前記他の電極層が前記ゲート電極層である、請求項１に記載の電子放出装置の製造方法。
前記他の電極層が前記アノード層である、請求項１に記載の電子放出装置の製造方法。
前記エージングに用いられる前記他の電極層と前記電子放出装置が実際に駆動されるときに用いられる前記他の電極層とが異なっている、請求項１に記載の電子放出装置の製造方法。