電子放出素子の製造方法
【課題】活性化前後における駆動電圧変化がほぼ無く、かつ電子放出特性を均一化できる電子放出素子を得ること。
【解決手段】真空中でスペーサーを介して配置されたカソード基板とアノード基板、および前記カソード基板に形成された電子放出源とを備える電子放出素子において、前記電子放出源に対して実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程とを備える電子放出素子の製造方法。
【解決手段】真空中でスペーサーを介して配置されたカソード基板とアノード基板、および前記カソード基板に形成された電子放出源とを備える電子放出素子において、前記電子放出源に対して実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程とを備える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、電子放出素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空中に置かれた金属や半導体に、ある閾値以上の強さの電界を与えると、金属や半導体内の電子が量子トンネル効果によって表面近傍のエネルギー障壁を通過し、常温でも真空中に電子が放出するようになる。この原理に基づく電子放出は、冷陰極電界電子放出、あるいは単に電界放出（フィールド・エミッション）と呼ばれる。この原理を利用して放出された電子を蛍光体に衝突させて生じる発光を利用したフィールド・エミッション・ディスプレイ（以下、ＦＥＤと称す）やフィールド・エミッション・ランプ（以下、ＦＥＬと称す）が注目されている。代表的な使用分野には、薄型ディスプレイ、液晶ディスプレイ用バックライト、照明光源やＸ線源等が挙げられる。ＦＥＤ等に利用される電子放出素子の一般的な構成は、電子放出源が形成されたカソード電極と、蛍光体が形成されたアノード電極とを真空中で対向させたダイオード型電子放出素子や、さらにカソード電極とアノード電極間に引き出し電極（ゲート電極）が形成されたトライオード型電子放出素子などがある。いずれの場合もカソード電極とアノード電極間、もしくはカソード電極とゲート電極間に生じる電位差によって、電子放出源からの電子放出を制御するものである。
【０００３】
一方、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノウォールなどに代表される炭素系材料は物理的・化学的耐久性に優れているだけでなく、電界放出に適した先鋭な先端形状と大きなアスペクト比を持っているため、電子放出材料として電子放出源に用いるための応用研究が行われている。炭素系材料を用いた電子放出源の作製方法の一つに、炭素系材料（例えばカーボンナノチューブ）をペースト化し、カソード電極上に塗布する方法がある。この方法は、カソード電極上にカーボンナノチューブ含有ペーストを塗膜形成し、熱処理した後、膜表面に対してテープ剥離法、レーザー照射法等の起毛処理を行うことで、カーボンナノチューブを基板に対して垂直に配向させて、電子放出特性を改善するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、前記起毛処理によって配向されたカーボンナノチューブには高さが異なるものがあるため、各カーボンナノチューブの先端に印加される実効電圧が異なり、結果として各カーボンナノチューブからの電子放出量にバラツキが生じてしまう。従って、配向長さが揃ったカーボンナノチューブを得ることができれば、均一な電子放出特性を得ることができる。
【０００５】
カーボンナノチューブの高さバラツキに起因する電子放出特性の不均一性を解決するための方法として、電極間に高い電圧を印加することでカーボンナノチューブの長さを均一化し、電子放出特性を改善する活性化方法が提案されている。（例えば、特許文献２参照）この方法では、カーボンナノチューブ先端に高い電圧を印加することにより生じるジュール熱を用いることで、長いカーボンナノチューブを焼き切り、短いカーボンナノチューブを活性化して均一な電子放出特性を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１１５６７５号公報
【特許文献２】特開２００６−１２５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のような活性化方法では、電子放出特性の均一性は向上するものの、高い電圧によってカーボンナノチューブが実質的にダメージを受けており、活性化後の駆動電圧が高くなってしまうといった課題を有していた。
【０００８】
本発明は、上記課題に着目し、活性化前後における駆動電圧の変化がほぼ無く、かつ電子放出特性を均一化できる電子放出素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、真空中でスペーサーを介して配置されたカソード基板とアノード基板、および前記カソード基板に形成された電子放出源とを備える電子放出素子の製造方法であって、前記電子放出源に対して実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程とを備える電子放出素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、活性化前後における駆動電圧変化がほぼ無く、かつ電子放出特性が均一な電子放出素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】トライオード型電子放出素子の断面図
【図２】ダイオード型電子放出素子の断面図
【図３】本発明の第１の実施形態における電子放出源に、実駆動時の電流値よりも高い一定電流を印加したときの電圧の時間変化を示すグラフ
【図４】本発明の第１の実施形態における電子放出源に、実駆動時の電流値と同等の一定電流を印加したときの電圧の時間変化を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、真空中でスペーサーを介して配置されたカソード基板とアノード基板、および前記カソード基板に形成された電子放出源とを備える電子放出素子の製造方法であって、前記電子放出源に対して実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程とを備える電子放出素子の製造方法に関する。以下、具体的な実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１３】
＜電子放出源＞
本発明の電子放出素子の製造方法を用いることができる電子放出源としては、電子放出材料としてモリブデンに代表される金属材料や、炭素系材料を含んで構成されるなど公知の材料であれば特に制限はないが、電子放出材料として炭素系材料を含むことが好ましい。炭素系材料の電子放出材料としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノツイスト等の針状炭素系材料、ダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン、グラファイト、カーボンブラック、フラーレン等のその他の炭素系材料などが挙げられる。針状炭素系材料は、低い仕事関数特性によって低電圧駆動が可能であることから好ましい。針状炭素系材料の中でも、カーボンナノチューブは高アスペクト比であるために良好な電子放出特性を持つことからより好ましい。また、炭素系材料を含む電子放出源に対し、実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程を実施すると、電子放出源がより活性化される。
【００１４】
また、電子放出源の製造方法は特に制限はないが、電子放出材料を含む電子放出源用ペーストを用いて、カソード電極上に形成されることが好ましい。具体的な方法としては、スクリーン印刷法等を用いて電極基板上に電子放出源用ペーストを印刷し、必要に応じて熱風乾燥機等で乾燥した後、大気中または窒素等の不活性ガス雰囲気中で、５００℃以下の温度で焼成する。焼成した電子放出源は、必要に応じて起毛処理を行い、表面から電子放出材料が突出した電子放出源とする。起毛処理を行う場合には、粘着性を有するテープまたはローラーを用いた剥離法やレーザー処理法などを使用できる。起毛処理を行わない場合には、前記熱処理によって電子放出源内に亀裂などが生じて、亀裂内部に電子放出材料を突出させることができるような電子放出源用ペーストを用いることが好ましい。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
本発明の電子放出素子の製造方法について、第１の実施形態としてトライオード型電子放出素子を例に挙げて説明する。図１は本発明の電子放出素子の製造方法を用いて製造されるトライオード型電子放出素子の一例を示す断面図である。
【００１６】
まず、電子放出素子の組み立て工程を説明する。トライオード型電子放出素子３は、カソード基板１とアノード基板２とを対向させ、スペーサー２６を介して貼り合わせることで得られる。カソード基板１の作製方法は、まず、ソーダガラス等の基板１０上にＩＴＯ、クロム、金、銀や銅などの導電性膜をスパッタ法や印刷法によって成膜し、カソード電極１２を形成する。次いで、カソード電極１２上にガラス等の絶縁材料を印刷法または真空蒸着法などにより成膜し、絶縁層３０を形成する。次いで、絶縁層３０上にクロムやモリブデンなどの導電性膜を真空蒸着法などにより形成し、ゲート電極３２を形成する。次いで、ゲート電極３２上にレジスト材料をスピンコーター法などで塗布、乾燥し、フォトマスクを通じて紫外線を照射してパターンを転写した後、アルカリ現像液などで現像する。現像によって開口した部分からゲート電極３２および絶縁層３０をエッチングすることで、絶縁層３０内に溝を形成する。次いで、電子放出源用ペーストを用いて溝内部に電子放出源１４を作製し、カソード基板１が得られる。
【００１７】
次に、アノード基板２の作製方法は、ソーダガラス等の基板２０上にＩＴＯ等の透明導電性膜をスパッタ法などによって成膜しアノード電極２２を形成する。アノード電極２２上に蛍光体層２４を印刷法によって形成し、アノード基板２が得られる。
【００１８】
そして、カソード基板１およびアノード基板２を、電子放出源１４と蛍光体層２４が対向するようにスペーサー２６を挟んで貼り合わせ、容器とする。容器に接続した排気管（図示せず）から真空排気して、内部の真空度が１×１０−３Ｐａ以下の状態で、スペーサー２６と基板２０および、スペーサー２６とゲート電極３２もしくは絶縁層３０を融着することによってトライオード型電子放出素子３が得られる。スペーサー２６を構成する絶縁材料としては、セラミックス、ガラス等が挙げられる。
【００１９】
次に前記トライオード型電子放出素子３の電子放出源１４に対して、実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程を説明する。これらの操作を行うことによって、活性化前後における電圧変化がほぼ無く、かつ電子放出特性が均一な電子放出素子を得ることができる。ここで言う、実駆動時の電流値とは、実際のパネルにおいて蛍光体を発光させている時の電流値であって、目的とする輝度に応じて適宜設定される。このとき電流は、カソード電極上に形成された電子放出源とアノード電極間に流れており、電子放出源の単位面積当たりの電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）として表される。
【００２０】
電流は以下のように電圧を印加することで流すことができる。前記カソード基板１とアノード基板２の間は真空に保たれており、カソード電極１２とゲート電極３２、カソード電極１２とアノード電極２２との間にそれぞれ電位差が生じるように、カソード電圧Ｖｃ、ゲート電極Ｖｇとアノード電圧Ｖａを印加する。通常はＶａ＞Ｖｇ＞Ｖｃとなるように電圧を印加する。ここで、電子放出源１４が閾値以上の電圧となるようなゲート電極Ｖｇを印加すると、電子放出源１４から電子が放出される。
【００２１】
まず、実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程では、電子放出素子が過電流によって破壊しない程度に高い電流を流す。具体的には、実駆動時の電流値に対して１．２倍〜１０倍であることが好ましく、１．５倍〜７倍であることがより好ましい。さらに、電子放出源面内に均一に負荷がかかるようにするために、一定電流値となるように電圧を調整することが好ましい。ここでいう一定電流値とは、一般的な電圧印加装置で制御できる程度の電流値変動を有しており、好ましくはそのバラツキが±１％以内である。一定電流値となるように電圧を変化させようとすると、通常、電圧は図３に示すように時間とともに大きくなるが、その上がり幅は徐々に小さくなる。この電圧の変化が一定となる、すなわち図３のＶ−ｔの関係がほぼ直線関係となりその傾きがほぼ一定となるまで電流を流すことが好ましい。電圧の変化が一定となった状態は電子放出源面内の負荷が均一となったこと、すなわち電子放出特性が均一化されたことを表す。
【００２２】
前記工程で活性化された電子放出源は、実駆動時の電流値で駆動させた場合に不安定な電流値の変動が生じる。そこで、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程によって、前記工程で活性化された電子放出源からの電子放出を安定化させることができる。ここで、前記実駆動時の電流値と同等の電流が、実駆動時の電流値に対して０．９倍〜１．１倍であると、電子放出源からの電子放出を安定化させる効果が大きくなるため好ましい。さらに、電子放出源面内を均一に安定化するために、一定電流値となるように電圧を調整することが好ましい。ここでいう一定電流値も、一般的な電圧印加装置で制御できる程度の電流値変動を有しており、好ましくはそのバラツキが±１％以内である。一定電流値となるように電圧を変化させようとすると、この工程の場合は、通常、電圧は図４に示すように時間とともに小さくなり、その下がり幅は徐々に小さくなる。この電圧の変化が一定となる、すなわち図４のＶ−ｔの関係がほぼ直線関係となりその傾きがほぼ一定となるまで電流を流すと、電子放出源からの電子放出が安定化されるため好ましい。
【００２３】
実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程は、連続的に行ってもよいし、前の工程を終了してから後の工程を行ってもよい。また、これらの電流を流す工程は、前記電子放出素子の製造工程の中で、真空排気した状態で行っても良いし、封着した後に行ってもよい。
【００２４】
完成した電子放出素子において、電子放出源から放出された電子は、カソード電極１２とアノード電極２２との間の電位差によってアノード電極２２方面へ加速され、蛍光体層２４へ衝突し、発光を得ることができる。具体的には、カソード電極とアノード電極間に５〜３０ｋＶ、カソード電極とゲート電極間に１０〜５００Ｖの電圧を供給することで、電子放出材料から電子が放出されて蛍光体にぶつかり、蛍光体の発光を得ることができる。
【００２５】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の電子放出素子の製造方法について、第２の実施形態としてダイオード型電子放出素子を例に挙げて説明する。図２は本発明の電子放出素子の製造方法を用いて製造されるダイオード型電子放出素子の一例を示す断面図である。
【００２６】
ダイオード型電子放出素子４は、カソード基板１とアノード基板２とを対向させ、スペーサー２６を介して貼り合わせることで得られる。カソード基板１の作製方法は、まず、ソーダガラス等の基板１０上にＩＴＯ、クロム、金、銀や銅などの導電性膜をスパッタ法や印刷法によって成膜し、カソード電極１２を形成する。次いで、カソード電極１２上に電子放出源用ペーストを用いて電子放出源１４を作製し、カソード基板１が得られる。次に、アノード基板２の作製方法は、ソーダガラス等の基板２０上にＩＴＯ等の透明導電性膜をスパッタ法などによって成膜しアノード電極２２を形成する。アノード電極２２上に蛍光体層２４を印刷法によって形成し、アノード基板２が得られる。そして、カソード基板１およびアノード基板２を、電子放出源１４と蛍光体層２４が対向するようにスペーサー２６を挟んで貼り合わせ、容器とする。容器に接続した排気管から真空排気して、内部の真空度が１×１０−３Ｐａ以下の状態で、スペーサー２６と基板１０および、スペーサー２６と基板２０を融着することによってダイオード型電子放出素子４が得られる。スペーサー２６を構成する絶縁材料としては、セラミックス、ガラス等が挙げられる。
【００２７】
次に前記ダイオード型電子放出素子４の電子放出源１４に対して、前記トライオード型電子放出素子３に対して行ったものと同様にして、実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程を行う。これによって、活性化前後における電圧変化がほぼ無く、かつ電子放出特性が均一な電子放出素子を得ることができる。
【００２８】
前記カソード基板１とアノード基板２の間は真空に保たれており、カソード電極１２とアノード電極２２との間に電位差が生じるように、それぞれカソード電圧Ｖｃとアノード電圧Ｖａを印加する。通常はＶａ＞Ｖｃとなるように電圧を印加する。ここで、電子放出源１４が閾値以上の電圧となるようなアノード電圧Ｖａを印加すると、電子放出源１４から電子が放出される。前記電子放出源から放出された電子は、カソード電極１２とアノード電極２２との間の電位差によってアノード電極２２方面へ加速され、蛍光体層２４へ衝突し、発光を得ることができる。具体的には、カソード電極とアノード電極間に０．１〜３０ｋＶの電圧を供給することで、電子放出材料から電子が放出されて蛍光体にぶつかり、蛍光体の発光を得ることができる。
【００２９】
前記ダイオード型電子放出素子ならびにトライオード型電子放出素子は、例えば、面状に配列することによって、面状の発光装置を形成できる。得られる発光装置は、低コストでかつ均一発光が可能であり、ディスプレイ用バックライト光源、あるいは照明ランプ等に好適に利用される。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明を実施例に具体的に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
前記＜第１の実施形態＞に示したトライオード型電子放出素子の製造方法に基づいて、ソーダガラス基板上にＩＴＯを用いたカソード電極、“２層カーボンナノチューブ”（東レ（株）製）を電子放出材料に用いた電子放出源、“ＢＳＦ１１００”（旭硝子（株）製）ガラス粉末を用いた厚み５０μｍの絶縁層およびクロムを用いたゲート電極を備えたカソード基板と、ソーダガラス基板上にＩＴＯを用いたアノード電極および“Ｐ２２”（化成オプトニクス（株）製）蛍光体層を備えたアノード基板とを対向させ、１０ｍｍのガラススペーサーを介して真空度５×１０−４で封着して貼り合わせることでトライオード型電子放出素子を得た。
【００３２】
前記作製したトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置（菊水電子工業（株）製耐電圧／絶縁抵抗試験器ＴＯＳ９２０１）によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ、８０Ｖであった。また、そのときに蛍光体面積全体における発光面積の割合を算出したところ４６％であった。ここでいう発光面積は、ＣＣＤカメラによって蛍光体の発光画像を取り込み、１ｃｍ×１ｃｍ角の蛍光体面積全体における発光面積の割合を算出し、数値化したものである。
【００３３】
前記電子放出素子について、以下の活性化処理を行った。まず、電流値が３ｍＡ／ｃｍ２で一定となるようにカソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００３４】
次に、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２で一定となるように、カソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００３５】
前記活性化処理を行ったトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ８４Ｖであり、活性化の前後でほとんど駆動電圧が変化していなかった。また、そのときの蛍光体面積全体における発光部分の割合を算出したところ９２％であり、電子放出特性が均一化されて発光均一性が向上したことがわかった。
【００３６】
（実施例２）
実施例１と同様にして作製したトライオード型電子放出素子について、以下の活性化を行った。まず、電流値が５ｍＡ／ｃｍ２で一定となるようにカソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００３７】
次に、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２で一定となるように、カソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００３８】
前記活性化を行ったトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ８３Ｖであり、活性化の前後でほとんど駆動電圧が変化していなかった。また、そのときの蛍光体面積全体における発光部分の割合を算出したところ９５％であり、電子放出特性が均一化されて発光均一性が向上したことがわかった。
【００３９】
（実施例３）
実施例１と同様にして作製したトライオード型電子放出素子について、以下の活性化を行った。まず、電流値が７ｍＡ／ｃｍ２で一定となるようにカソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００４０】
次に、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２で一定となるように、カソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００４１】
前記活性化を行ったトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ８６Ｖであり、活性化の前後でほとんど駆動電圧が変化していなかった。また、そのときの蛍光体面積全体における発光部分の割合を算出したところ９４％であり、電子放出特性が均一化されて発光均一性が向上したことがわかった。
【００４２】
（比較例）
実施例１と同様にして作製したトライオード型電子放出素子について、カソード電極とゲート電極間の電圧が１６０Ｖで一定とし、１０分間活性化を行った。このときの初期電流値は１３ｍＡ／ｃｍ２であった。
【００４３】
前記活性化を行ったトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ１２０Ｖであり、活性化の後では駆動電圧が高くなっていることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の利用分野は特に制限はなく、例えば電界放出源を備えたディスプレイ用バックライト光源、あるいは照明ランプ等、広範囲に利用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１ カソード基板
２ アノード基板
３ トライオード型電子放出素子
４ ダイオード型電子放出素子
１０ 基板
１２ カソード電極
１４ 電子放出源
２０ 基板
２２ アノード電極
２４ 蛍光体層
２６ スペーサー
３０ 絶縁層
３２ ゲート電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空中に置かれた金属や半導体に、ある閾値以上の強さの電界を与えると、金属や半導体内の電子が量子トンネル効果によって表面近傍のエネルギー障壁を通過し、常温でも真空中に電子が放出するようになる。この原理に基づく電子放出は、冷陰極電界電子放出、あるいは単に電界放出（フィールド・エミッション）と呼ばれる。この原理を利用して放出された電子を蛍光体に衝突させて生じる発光を利用したフィールド・エミッション・ディスプレイ（以下、ＦＥＤと称す）やフィールド・エミッション・ランプ（以下、ＦＥＬと称す）が注目されている。代表的な使用分野には、薄型ディスプレイ、液晶ディスプレイ用バックライト、照明光源やＸ線源等が挙げられる。ＦＥＤ等に利用される電子放出素子の一般的な構成は、電子放出源が形成されたカソード電極と、蛍光体が形成されたアノード電極とを真空中で対向させたダイオード型電子放出素子や、さらにカソード電極とアノード電極間に引き出し電極（ゲート電極）が形成されたトライオード型電子放出素子などがある。いずれの場合もカソード電極とアノード電極間、もしくはカソード電極とゲート電極間に生じる電位差によって、電子放出源からの電子放出を制御するものである。
【０００３】
一方、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノウォールなどに代表される炭素系材料は物理的・化学的耐久性に優れているだけでなく、電界放出に適した先鋭な先端形状と大きなアスペクト比を持っているため、電子放出材料として電子放出源に用いるための応用研究が行われている。炭素系材料を用いた電子放出源の作製方法の一つに、炭素系材料（例えばカーボンナノチューブ）をペースト化し、カソード電極上に塗布する方法がある。この方法は、カソード電極上にカーボンナノチューブ含有ペーストを塗膜形成し、熱処理した後、膜表面に対してテープ剥離法、レーザー照射法等の起毛処理を行うことで、カーボンナノチューブを基板に対して垂直に配向させて、電子放出特性を改善するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、前記起毛処理によって配向されたカーボンナノチューブには高さが異なるものがあるため、各カーボンナノチューブの先端に印加される実効電圧が異なり、結果として各カーボンナノチューブからの電子放出量にバラツキが生じてしまう。従って、配向長さが揃ったカーボンナノチューブを得ることができれば、均一な電子放出特性を得ることができる。
【０００５】
カーボンナノチューブの高さバラツキに起因する電子放出特性の不均一性を解決するための方法として、電極間に高い電圧を印加することでカーボンナノチューブの長さを均一化し、電子放出特性を改善する活性化方法が提案されている。（例えば、特許文献２参照）この方法では、カーボンナノチューブ先端に高い電圧を印加することにより生じるジュール熱を用いることで、長いカーボンナノチューブを焼き切り、短いカーボンナノチューブを活性化して均一な電子放出特性を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１１５６７５号公報
【特許文献２】特開２００６−１２５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のような活性化方法では、電子放出特性の均一性は向上するものの、高い電圧によってカーボンナノチューブが実質的にダメージを受けており、活性化後の駆動電圧が高くなってしまうといった課題を有していた。
【０００８】
本発明は、上記課題に着目し、活性化前後における駆動電圧の変化がほぼ無く、かつ電子放出特性を均一化できる電子放出素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、真空中でスペーサーを介して配置されたカソード基板とアノード基板、および前記カソード基板に形成された電子放出源とを備える電子放出素子の製造方法であって、前記電子放出源に対して実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程とを備える電子放出素子の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、活性化前後における駆動電圧変化がほぼ無く、かつ電子放出特性が均一な電子放出素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】トライオード型電子放出素子の断面図
【図２】ダイオード型電子放出素子の断面図
【図３】本発明の第１の実施形態における電子放出源に、実駆動時の電流値よりも高い一定電流を印加したときの電圧の時間変化を示すグラフ
【図４】本発明の第１の実施形態における電子放出源に、実駆動時の電流値と同等の一定電流を印加したときの電圧の時間変化を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、真空中でスペーサーを介して配置されたカソード基板とアノード基板、および前記カソード基板に形成された電子放出源とを備える電子放出素子の製造方法であって、前記電子放出源に対して実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程とを備える電子放出素子の製造方法に関する。以下、具体的な実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１３】
＜電子放出源＞
本発明の電子放出素子の製造方法を用いることができる電子放出源としては、電子放出材料としてモリブデンに代表される金属材料や、炭素系材料を含んで構成されるなど公知の材料であれば特に制限はないが、電子放出材料として炭素系材料を含むことが好ましい。炭素系材料の電子放出材料としては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノツイスト等の針状炭素系材料、ダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン、グラファイト、カーボンブラック、フラーレン等のその他の炭素系材料などが挙げられる。針状炭素系材料は、低い仕事関数特性によって低電圧駆動が可能であることから好ましい。針状炭素系材料の中でも、カーボンナノチューブは高アスペクト比であるために良好な電子放出特性を持つことからより好ましい。また、炭素系材料を含む電子放出源に対し、実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程を実施すると、電子放出源がより活性化される。
【００１４】
また、電子放出源の製造方法は特に制限はないが、電子放出材料を含む電子放出源用ペーストを用いて、カソード電極上に形成されることが好ましい。具体的な方法としては、スクリーン印刷法等を用いて電極基板上に電子放出源用ペーストを印刷し、必要に応じて熱風乾燥機等で乾燥した後、大気中または窒素等の不活性ガス雰囲気中で、５００℃以下の温度で焼成する。焼成した電子放出源は、必要に応じて起毛処理を行い、表面から電子放出材料が突出した電子放出源とする。起毛処理を行う場合には、粘着性を有するテープまたはローラーを用いた剥離法やレーザー処理法などを使用できる。起毛処理を行わない場合には、前記熱処理によって電子放出源内に亀裂などが生じて、亀裂内部に電子放出材料を突出させることができるような電子放出源用ペーストを用いることが好ましい。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
本発明の電子放出素子の製造方法について、第１の実施形態としてトライオード型電子放出素子を例に挙げて説明する。図１は本発明の電子放出素子の製造方法を用いて製造されるトライオード型電子放出素子の一例を示す断面図である。
【００１６】
まず、電子放出素子の組み立て工程を説明する。トライオード型電子放出素子３は、カソード基板１とアノード基板２とを対向させ、スペーサー２６を介して貼り合わせることで得られる。カソード基板１の作製方法は、まず、ソーダガラス等の基板１０上にＩＴＯ、クロム、金、銀や銅などの導電性膜をスパッタ法や印刷法によって成膜し、カソード電極１２を形成する。次いで、カソード電極１２上にガラス等の絶縁材料を印刷法または真空蒸着法などにより成膜し、絶縁層３０を形成する。次いで、絶縁層３０上にクロムやモリブデンなどの導電性膜を真空蒸着法などにより形成し、ゲート電極３２を形成する。次いで、ゲート電極３２上にレジスト材料をスピンコーター法などで塗布、乾燥し、フォトマスクを通じて紫外線を照射してパターンを転写した後、アルカリ現像液などで現像する。現像によって開口した部分からゲート電極３２および絶縁層３０をエッチングすることで、絶縁層３０内に溝を形成する。次いで、電子放出源用ペーストを用いて溝内部に電子放出源１４を作製し、カソード基板１が得られる。
【００１７】
次に、アノード基板２の作製方法は、ソーダガラス等の基板２０上にＩＴＯ等の透明導電性膜をスパッタ法などによって成膜しアノード電極２２を形成する。アノード電極２２上に蛍光体層２４を印刷法によって形成し、アノード基板２が得られる。
【００１８】
そして、カソード基板１およびアノード基板２を、電子放出源１４と蛍光体層２４が対向するようにスペーサー２６を挟んで貼り合わせ、容器とする。容器に接続した排気管（図示せず）から真空排気して、内部の真空度が１×１０−３Ｐａ以下の状態で、スペーサー２６と基板２０および、スペーサー２６とゲート電極３２もしくは絶縁層３０を融着することによってトライオード型電子放出素子３が得られる。スペーサー２６を構成する絶縁材料としては、セラミックス、ガラス等が挙げられる。
【００１９】
次に前記トライオード型電子放出素子３の電子放出源１４に対して、実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程を説明する。これらの操作を行うことによって、活性化前後における電圧変化がほぼ無く、かつ電子放出特性が均一な電子放出素子を得ることができる。ここで言う、実駆動時の電流値とは、実際のパネルにおいて蛍光体を発光させている時の電流値であって、目的とする輝度に応じて適宜設定される。このとき電流は、カソード電極上に形成された電子放出源とアノード電極間に流れており、電子放出源の単位面積当たりの電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）として表される。
【００２０】
電流は以下のように電圧を印加することで流すことができる。前記カソード基板１とアノード基板２の間は真空に保たれており、カソード電極１２とゲート電極３２、カソード電極１２とアノード電極２２との間にそれぞれ電位差が生じるように、カソード電圧Ｖｃ、ゲート電極Ｖｇとアノード電圧Ｖａを印加する。通常はＶａ＞Ｖｇ＞Ｖｃとなるように電圧を印加する。ここで、電子放出源１４が閾値以上の電圧となるようなゲート電極Ｖｇを印加すると、電子放出源１４から電子が放出される。
【００２１】
まず、実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程では、電子放出素子が過電流によって破壊しない程度に高い電流を流す。具体的には、実駆動時の電流値に対して１．２倍〜１０倍であることが好ましく、１．５倍〜７倍であることがより好ましい。さらに、電子放出源面内に均一に負荷がかかるようにするために、一定電流値となるように電圧を調整することが好ましい。ここでいう一定電流値とは、一般的な電圧印加装置で制御できる程度の電流値変動を有しており、好ましくはそのバラツキが±１％以内である。一定電流値となるように電圧を変化させようとすると、通常、電圧は図３に示すように時間とともに大きくなるが、その上がり幅は徐々に小さくなる。この電圧の変化が一定となる、すなわち図３のＶ−ｔの関係がほぼ直線関係となりその傾きがほぼ一定となるまで電流を流すことが好ましい。電圧の変化が一定となった状態は電子放出源面内の負荷が均一となったこと、すなわち電子放出特性が均一化されたことを表す。
【００２２】
前記工程で活性化された電子放出源は、実駆動時の電流値で駆動させた場合に不安定な電流値の変動が生じる。そこで、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程によって、前記工程で活性化された電子放出源からの電子放出を安定化させることができる。ここで、前記実駆動時の電流値と同等の電流が、実駆動時の電流値に対して０．９倍〜１．１倍であると、電子放出源からの電子放出を安定化させる効果が大きくなるため好ましい。さらに、電子放出源面内を均一に安定化するために、一定電流値となるように電圧を調整することが好ましい。ここでいう一定電流値も、一般的な電圧印加装置で制御できる程度の電流値変動を有しており、好ましくはそのバラツキが±１％以内である。一定電流値となるように電圧を変化させようとすると、この工程の場合は、通常、電圧は図４に示すように時間とともに小さくなり、その下がり幅は徐々に小さくなる。この電圧の変化が一定となる、すなわち図４のＶ−ｔの関係がほぼ直線関係となりその傾きがほぼ一定となるまで電流を流すと、電子放出源からの電子放出が安定化されるため好ましい。
【００２３】
実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程は、連続的に行ってもよいし、前の工程を終了してから後の工程を行ってもよい。また、これらの電流を流す工程は、前記電子放出素子の製造工程の中で、真空排気した状態で行っても良いし、封着した後に行ってもよい。
【００２４】
完成した電子放出素子において、電子放出源から放出された電子は、カソード電極１２とアノード電極２２との間の電位差によってアノード電極２２方面へ加速され、蛍光体層２４へ衝突し、発光を得ることができる。具体的には、カソード電極とアノード電極間に５〜３０ｋＶ、カソード電極とゲート電極間に１０〜５００Ｖの電圧を供給することで、電子放出材料から電子が放出されて蛍光体にぶつかり、蛍光体の発光を得ることができる。
【００２５】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の電子放出素子の製造方法について、第２の実施形態としてダイオード型電子放出素子を例に挙げて説明する。図２は本発明の電子放出素子の製造方法を用いて製造されるダイオード型電子放出素子の一例を示す断面図である。
【００２６】
ダイオード型電子放出素子４は、カソード基板１とアノード基板２とを対向させ、スペーサー２６を介して貼り合わせることで得られる。カソード基板１の作製方法は、まず、ソーダガラス等の基板１０上にＩＴＯ、クロム、金、銀や銅などの導電性膜をスパッタ法や印刷法によって成膜し、カソード電極１２を形成する。次いで、カソード電極１２上に電子放出源用ペーストを用いて電子放出源１４を作製し、カソード基板１が得られる。次に、アノード基板２の作製方法は、ソーダガラス等の基板２０上にＩＴＯ等の透明導電性膜をスパッタ法などによって成膜しアノード電極２２を形成する。アノード電極２２上に蛍光体層２４を印刷法によって形成し、アノード基板２が得られる。そして、カソード基板１およびアノード基板２を、電子放出源１４と蛍光体層２４が対向するようにスペーサー２６を挟んで貼り合わせ、容器とする。容器に接続した排気管から真空排気して、内部の真空度が１×１０−３Ｐａ以下の状態で、スペーサー２６と基板１０および、スペーサー２６と基板２０を融着することによってダイオード型電子放出素子４が得られる。スペーサー２６を構成する絶縁材料としては、セラミックス、ガラス等が挙げられる。
【００２７】
次に前記ダイオード型電子放出素子４の電子放出源１４に対して、前記トライオード型電子放出素子３に対して行ったものと同様にして、実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程を行う。これによって、活性化前後における電圧変化がほぼ無く、かつ電子放出特性が均一な電子放出素子を得ることができる。
【００２８】
前記カソード基板１とアノード基板２の間は真空に保たれており、カソード電極１２とアノード電極２２との間に電位差が生じるように、それぞれカソード電圧Ｖｃとアノード電圧Ｖａを印加する。通常はＶａ＞Ｖｃとなるように電圧を印加する。ここで、電子放出源１４が閾値以上の電圧となるようなアノード電圧Ｖａを印加すると、電子放出源１４から電子が放出される。前記電子放出源から放出された電子は、カソード電極１２とアノード電極２２との間の電位差によってアノード電極２２方面へ加速され、蛍光体層２４へ衝突し、発光を得ることができる。具体的には、カソード電極とアノード電極間に０．１〜３０ｋＶの電圧を供給することで、電子放出材料から電子が放出されて蛍光体にぶつかり、蛍光体の発光を得ることができる。
【００２９】
前記ダイオード型電子放出素子ならびにトライオード型電子放出素子は、例えば、面状に配列することによって、面状の発光装置を形成できる。得られる発光装置は、低コストでかつ均一発光が可能であり、ディスプレイ用バックライト光源、あるいは照明ランプ等に好適に利用される。
【実施例】
【００３０】
以下に、本発明を実施例に具体的に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
前記＜第１の実施形態＞に示したトライオード型電子放出素子の製造方法に基づいて、ソーダガラス基板上にＩＴＯを用いたカソード電極、“２層カーボンナノチューブ”（東レ（株）製）を電子放出材料に用いた電子放出源、“ＢＳＦ１１００”（旭硝子（株）製）ガラス粉末を用いた厚み５０μｍの絶縁層およびクロムを用いたゲート電極を備えたカソード基板と、ソーダガラス基板上にＩＴＯを用いたアノード電極および“Ｐ２２”（化成オプトニクス（株）製）蛍光体層を備えたアノード基板とを対向させ、１０ｍｍのガラススペーサーを介して真空度５×１０−４で封着して貼り合わせることでトライオード型電子放出素子を得た。
【００３２】
前記作製したトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置（菊水電子工業（株）製耐電圧／絶縁抵抗試験器ＴＯＳ９２０１）によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ、８０Ｖであった。また、そのときに蛍光体面積全体における発光面積の割合を算出したところ４６％であった。ここでいう発光面積は、ＣＣＤカメラによって蛍光体の発光画像を取り込み、１ｃｍ×１ｃｍ角の蛍光体面積全体における発光面積の割合を算出し、数値化したものである。
【００３３】
前記電子放出素子について、以下の活性化処理を行った。まず、電流値が３ｍＡ／ｃｍ２で一定となるようにカソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００３４】
次に、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２で一定となるように、カソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００３５】
前記活性化処理を行ったトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ８４Ｖであり、活性化の前後でほとんど駆動電圧が変化していなかった。また、そのときの蛍光体面積全体における発光部分の割合を算出したところ９２％であり、電子放出特性が均一化されて発光均一性が向上したことがわかった。
【００３６】
（実施例２）
実施例１と同様にして作製したトライオード型電子放出素子について、以下の活性化を行った。まず、電流値が５ｍＡ／ｃｍ２で一定となるようにカソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００３７】
次に、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２で一定となるように、カソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００３８】
前記活性化を行ったトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ８３Ｖであり、活性化の前後でほとんど駆動電圧が変化していなかった。また、そのときの蛍光体面積全体における発光部分の割合を算出したところ９５％であり、電子放出特性が均一化されて発光均一性が向上したことがわかった。
【００３９】
（実施例３）
実施例１と同様にして作製したトライオード型電子放出素子について、以下の活性化を行った。まず、電流値が７ｍＡ／ｃｍ２で一定となるようにカソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００４０】
次に、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２で一定となるように、カソード電極とゲート電極間に電圧を印加した。しばらく電圧を印加し続けた後、電圧の変化が一定となったところで電圧を印加するのをやめた。
【００４１】
前記活性化を行ったトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ８６Ｖであり、活性化の前後でほとんど駆動電圧が変化していなかった。また、そのときの蛍光体面積全体における発光部分の割合を算出したところ９４％であり、電子放出特性が均一化されて発光均一性が向上したことがわかった。
【００４２】
（比較例）
実施例１と同様にして作製したトライオード型電子放出素子について、カソード電極とゲート電極間の電圧が１６０Ｖで一定とし、１０分間活性化を行った。このときの初期電流値は１３ｍＡ／ｃｍ２であった。
【００４３】
前記活性化を行ったトライオード型電子放出素子について、電圧印加装置によってカソード電極とアノード電極間の電圧を５ｋＶとし、電流値が１ｍＡ／ｃｍ２に達するときのカソード電極とゲート電極間の電圧を求めたところ１２０Ｖであり、活性化の後では駆動電圧が高くなっていることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の利用分野は特に制限はなく、例えば電界放出源を備えたディスプレイ用バックライト光源、あるいは照明ランプ等、広範囲に利用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１ カソード基板
２ アノード基板
３ トライオード型電子放出素子
４ ダイオード型電子放出素子
１０ 基板
１２ カソード電極
１４ 電子放出源
２０ 基板
２２ アノード電極
２４ 蛍光体層
２６ スペーサー
３０ 絶縁層
３２ ゲート電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空中でスペーサーを介して配置されたカソード基板とアノード基板、および前記カソード基板に形成された電子放出源とを備える電子放出素子の製造方法であって、前記電子放出源に対して実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程とを備える電子放出素子の製造方法。
【請求項２】
前記実駆動時の電流値よりも高い電流が、実駆動時の電流値の１．２倍〜１０倍である請求項１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項３】
前記実駆動時の電流値と同等の電流が、実駆動時の電流値の０．９倍〜１．１倍である請求項１または２に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項４】
前記実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程において、前記電流が一定電流値となるように電圧を調整する請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項５】
前記実駆動時の電流値よりも高い電流を、該電流が一定電流値となるように電圧を調整しながら流す工程において、前記電圧の変化が一定となるまで電流を流し続ける請求項４記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項６】
前記実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程において、前記電流が一定電流値となるように電圧を調整する請求項１〜５のいずれかに記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項７】
前記実駆動時の電流値と同等の電流を、該電流が一定電流値となるように電圧を調整しながら流す工程において、前記電圧の変化が一定となるまで電流を流し続ける請求項６記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項１】
真空中でスペーサーを介して配置されたカソード基板とアノード基板、および前記カソード基板に形成された電子放出源とを備える電子放出素子の製造方法であって、前記電子放出源に対して実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程と、実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程とを備える電子放出素子の製造方法。
【請求項２】
前記実駆動時の電流値よりも高い電流が、実駆動時の電流値の１．２倍〜１０倍である請求項１に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項３】
前記実駆動時の電流値と同等の電流が、実駆動時の電流値の０．９倍〜１．１倍である請求項１または２に記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項４】
前記実駆動時の電流値よりも高い電流を流す工程において、前記電流が一定電流値となるように電圧を調整する請求項１〜３のいずれかに記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項５】
前記実駆動時の電流値よりも高い電流を、該電流が一定電流値となるように電圧を調整しながら流す工程において、前記電圧の変化が一定となるまで電流を流し続ける請求項４記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項６】
前記実駆動時の電流値と同等の電流を流す工程において、前記電流が一定電流値となるように電圧を調整する請求項１〜５のいずれかに記載の電子放出素子の製造方法。
【請求項７】
前記実駆動時の電流値と同等の電流を、該電流が一定電流値となるように電圧を調整しながら流す工程において、前記電圧の変化が一定となるまで電流を流し続ける請求項６記載の電子放出素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２３４７５７（Ｐ２０１２−２３４７５７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０３９８０（Ｐ２０１１−１０３９８０）
【出願日】平成２３年５月９日（２０１１．５．９）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月９日（２０１１．５．９）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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