説明

電界放出素子、及びその製造方法

【課題】電界を集中させやすく電界放出が起こりやすい電界放出素子、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】カソード基板上に電子放出源を構成する層を形成する電界放出素子の製造方法において、カソード基板上に第1の層を形成し、第1の層体上にストライプ状の第2の層を、間隔をあけて複数並列させて形成し、第1の層上及び第2の層上に、ストライプ状の第3の層を第2の層と略直交方向に、間隔をあけて複数並列させて形成する。これにより、電子放出源の表面に凹凸を形成する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電界放出素子、及びその製造方法に係り、特に電子放出源にナノ材料を用いた電界放出素子に関する。
【背景技術】
【0002】
電界放出素子は、消費電力が少なく厚みが薄いため、蛍光灯に替わる照明光源として期待されている。電界放出素子が発光する原理としては、電子放出源(エミッタ)に電界をかけて電子を放出させ、放出された電子が電子放出源に対向して配されたアノード電極上の蛍光体に衝突することで、電界放出素子は発光する。
【0003】
このような電界放出素子の1つとして、カーボンナノチューブをエミッタ材料として用いたものが知られている。カーボンナノチューブは、鋭い先端と大きなアスペクト比を持ち、化学的、機械的にも安定しているため、電界放出のエミッタ材料として好適である。
【0004】
特許文献1には、蛍光体を供えたアノードと、電子放出源及び蛍光体において発生する光を反射する反射層を備えたカソードと、を有する電界型ライトが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2006−156162号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、カーボンナノチューブをエミッタ材料として用いた場合、カーボンナノチューブが密に存在すると、電界が集中しにくく、電界放出が起こりにくいことが知られている。この点に関して、上記特許文献1に記載の電界放出素子では解決することはできない。
【0007】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、電界を集中させやすく電界放出が起こりやすい電界放出素子、及びそ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】
【0008】
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点に係る電界放出素子は、複数の層が積層されて構成された電子放出源を有するカソード基板と、前記カソード基板に対向して配され、前記電子放出源から放出された電子が衝突することにより発光する蛍光体を有するアノード基板と、を備え、前記電子放出源は、前記層の積層数が部分により異なるように構成されることで、その表面に凹凸が形成されていることを特徴とする。
【0009】
上記目的を達成するため、本発明の第2の観点に係る電界放出素子の製造方法は、カソード基板上に電子放出源を構成する層を形成する電界放出素子の製造方法において、カソード基板上に第1の層を形成する工程と、前記第1の層上にストライプ状の第2の層を、間隔をあけて複数並列させて形成する工程と、前記第1の層上及び前記第2の層上に、ストライプ状の第3の層を前記第2の層と略直交方向に、間隔をあけて複数並列させて形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【0010】
また、上記目的を達成するため、本発明の第3の観点に係る電界放出素子の製造方法は、カソード基板上に電子放出源を構成する層を形成する電界放出素子の製造方法において、カソード基板上に第1の層を形成する工程と、前記第1の層の一部に、第2の層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【0011】
また、上記目的を達成するため、本発明の第4の観点に係る電界放出素子の製造方法は、カソード基板上に電子放出源を構成する層を形成する電界放出素子の製造方法において、カソード基板上に第1のカーボンナノチューブから構成される第1の層を形成する工程と、前記第1の層の一部に、前記第1のカーボンナノチューブのアスペクト比より大きいアスペクト比を有する第2のカーボンナノチューブから構成される第2の層を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、電界を集中させやすく電界放出が起こりやすい電界放出素子、及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る電界放出素子の構成例を示した分解斜視図である。
【図2】第1の実施形態に係る電界放出素子のエミッタに着目した斜視図である。
【図3】図2中の矢視III−IIIで示したエミッタの側面図である。
【図4】第1の実施形態に係る電界放出素子のエミッタを製造工程順((a)〜(c))に示した斜視図である。
【図5】第2の実施形態に係る電界放出素子のエミッタを製造工程順((a)〜(b))に示した斜視図である。
【図6】図5中の矢視IV−IVで示したエミッタの側面図である。
【図7】第3の実施形態に係る電界放出素子のエミッタの側面図である。
【図8】第3の実施形態に係る電界放出素子のエミッタを製造工程順((a)〜(c))に示した斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施形態に係る電界放出素子を図面を参照して説明する。
【0015】
まず、本発明の第1の実施形態に係る電界放出素子について説明する。図1に示すように、電界放出素子1は、アノード基板10と、カソード基板20と、アノード基板10とカソード基板20との間に配され、両基板を所定の間隔を明けて保持するスペーサ30とを備えている。スペーサ30は、アノード基板10及びカソード基板20のそれぞれの周縁に固着され、内部にこれらに囲まれた空間が形成される。なお、この空間は電界放出素子1が使用される状態において真空に保持される。
【0016】
アノード基板10は、図1に示すように、透明なガラス基板11上に陽極12が形成され、さらにこの陽極12上に蛍光体13が形成されて構成されている。また、カソード基板20は、透明なガラス基板21上に陰極22が形成され、さらにこの陰極22上にエミッタ23が形成されて構成されている。
【0017】
陽極12は、例えば、インジウム・ティン・オキサイド(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(TO)等からなる透明な導電性膜体から形成されている。このような導電性膜体を形成する方法としては、真空蒸着法やスパッタ法などの物理的方法や、スプレー法などの化学的方法が挙げられる。
【0018】
蛍光体13は、CRT(Cathode Ray Tube)に用いられるのと同じく、電子線が照射されると励起、発光する電子線励起蛍光体から構成されている。蛍光体13は、例えばスクリーン印刷、手塗り印刷又はスプレー法で形成することができる。蛍光体13の厚さに特に制限はないが、例えば、0.1〜10μmの厚さで形成される。
【0019】
陰極22は、例えば、ITO等の上述した陽極12と同じ材料から形成することができる。ガラス基板21上に形成する方法としては、真空蒸着法やスパッタ法などの物理的方法や、スプレー法などの化学的方法が挙げられる。
【0020】
なお、陽極12及び陰極22は配線15を介して電源14に接続されている。電源14は、陽極12及び陰極22の電気的な制御を行う。
【0021】
エミッタ23は、カーボンナノチューブ(以下、CNTと記載する)から形成されている。CNTは、炭素によって作られる六員環ネットワーク(グラフェンシート)が単層あるいは多層の同軸管状になった構造を有しており、単層のものはシングルウォールナノチューブ(以下、SWNTと記載する)と呼ばれている。また、複層のものはマルチウォールナノチューブ(以下、MWNTと記載する)と呼ばれ、特に2層のものは、ダブルウォールナノチューブと呼ばれている。SWNT は一枚の炭素六角網面が円筒状に閉じたチューブであり、その直径は1〜3nm程度である。また、MWNT は円筒が多層に積み重なったチューブであり、その外径は5〜50nm程度である。これらのチューブは、10μm以上の長さを有しており大きなアスペクト比を有している。
【0022】
このような電界放出素子1において、陰極22に相対的な負電圧が電源14から印加され、また、陽極12に相対的な正電圧が電源14から印加されると、量子トンネル効果に基づきエミッタ23から電子が放出される。そして、エミッタ23から放出された電子が陽極12に引き付けられて蛍光体13に衝突すると、蛍光体13は励起されて発光する。
【0023】
ところで、CNTを用いた電界放出素子1においては、エミッタ23を形成するCNTが密に存在すると、電界が集中しにくく電界放出が起こりにくいことが知られている。すなわち、CNTに電界集中させるためには、隣り合うCNTの間隔を長さの2倍程度に設定することが好ましい。しかしながら、CNTを平面状に印刷してエミッタ23を形成しても、現状の印刷方法ではCNTを理想の状態に印刷することは難しい。そこで、図2、図3に示すように、第1の実施形態の電界放出素子1を構成するエミッタ23の表面にはCNT層40(後述する各CNT層を区別しない場合は、以下、単にCNT層40と記載する)により凹凸が設けられている。なお、エミッタ23表面の凹凸は、一般に印刷により形成されるためなだらかに形成されるが、図2、図3においては、エミッタ23表面の凹凸を明確に図示するため、CNT層40を直方体で表現している。
【0024】
このエミッタ23の表面に形成された凹凸の構成、及び効果について、以下に説明する。図2に示すエミッタ23は、最も上段に位置する上段部23aと、この上段部23aから一段下がった中段部23bと、この中段部23bから一段下がった下段部23cとが規則正しく配列されている。すなわち、エミッタ23の表面は、高さが異なる3つの部分が形成されている。
【0025】
エミッタ23をこのような構成とすることにより、陽極12及び陰極22に電圧が印加されると、最も陽極12に近接した上段部23aに電界集中が生じる。そして、電界集中が生じた上段部23aから電子が放出されることとなる。このように、エミッタ23の表面に段差を形成することにより、最も凸な部分(上段部23a)に電界を集中しやすくすることができ、電界放出が起こりやすいエミッタ23とすることができる。やがて、上段部23aを形成するCNT層40が電界放出に寄与しなくなると、上段部23aから一段下がった中段部23bに電界集中が生じ、電子を放出する。さらに、中段部23bを形成するCNT層40が電界放出に寄与しなくなると、中段部23bからさらに一段下がった下段部23cに電界集中が生じ、電子を放出する。
【0026】
このように、エミッタ23の表面に段差を形成することにより、エミッタ23の一部に電界放出が集中して電界放出が生じやすい状況をつくることができる。また、最も凸な部分から徐々に下がった部分へと電界集中する部分を遷移させることができるため、エミッタ23からの電界放出を維持することが可能となる。
【0027】
次に、このようなエミッタ23の形成方法について図4を用いて説明する。図4は、エミッタ23をその形成過程に従って示した斜視図である。なお、図面の簡略化のため、カソード基板20を構成するガラス基板21及び陰極22(図1参照)の図示は省略している。
【0028】
まず、図4(a)に示すように、陰極22(図1参照)上に、第1のCNT層40aを形成する。CNT層40aの形成方法としては、CNTを導電性ペースト及び有機バインダに混ぜてペースト状とし、このペーストをスクリーン印刷等によって第1のCNT層40aを形成することができる。なお、第1のCNT層40aの形成範囲は、陰極22の寸法と同程度とする。
【0029】
次に、図4(b)に示すように、スクリーン印刷等により、第1のCNT層40a上に、複数の第2のCNT層40bを、間隔をあけてストライプ状に形成する。なお、第2のCNT層40bの幅と、隣接する第2のCNT層40b間に形成されたみぞの幅とは同程度とすることが好ましい。
【0030】
続いて、図4(c)に示すように、スクリーン印刷等により、複数の第3のCNT層40cを、第2のCNT層40bと直交させてストライプ状に形成する。この時、第3のCNT層40cは、第2のCNT層40b上と、第1のCNT層40a上とに形成される。第2のCNT層40b上に形成された第3のCNT層40cは上段部23a(図2、図3参照)を形成する。この上段部23aの天端位置は、第1から第3のCNT層40の全ての層厚を加えた高さ位置となる。また、第1のCNT層40a上に形成された第3のCNT層40cの上面と、露出した第2のCNT層40bの上面とは、中段部23b(図2、図3参照)を形成する。この中段部23bの天端位置は、第1のCNT層40aと第2のCNT層40bとの層厚、あるいは第1のCNT層40aと第3のCNT層40cとの層厚を加えた高さ位置となる。また、露出した第1のCNT層40aの上面は、下段部23cを形成する。
【0031】
なお、第3のCNT層40cの幅は、第2のCNT層40bの幅と同程度であることが好ましく、また、隣接する第3のCNT層40b間に形成されたみぞの幅と同程度であることが好ましい。こうすることにより、上段部23a、中段部23b及び下段部23cの平面寸法を同程度とすることができる。
【0032】
このように各層が積層されて形成されたCNT層40は、乾燥、焼成後に表面処理が施され、CNTからなるエミッタ23が形成される。
【0033】
本発明は上述した第1の実施形態に限られず、様々な応用が可能である。第1の実施形態では、エミッタ23の表面は高さが異なる3つの部分が形成されていると説明したが、このようなエミッタ23の表面の段数は特に限定されるものではない。以下に、第2の実施形態として、エミッタ23の表面に2つの段数が設けられた電界放出素子1について説明する。なお、図5は第2の実施形態に係る電界放出素子1を構成するエミッタ23を製造工程順に示した斜視図である。なお、エミッタ23以外については、上述した第1の実施形態と同様のため詳細な説明は省略する。なお、第1の実施形態に示した電界放出素子1と対応するものについては、同じ符号を用いるものとする。
【0034】
まず、第2の実施形態に係る電界放出素子1を構成するエミッタ23の製造方法について説明する。上記第1の実施形態と同様に、ガラス基板上に形成された陰極上に、第1のCNT層40aを形成する。第1のCNT層40aの形成方法は、上述した通りである。
【0035】
次に、図5(b)に示すように、第1のCNT層40a上に、スクリーン印刷法等により第2のCNT層40bを格子状に形成する。これにより、第1のCNT層40a上に、第2のCNT層40bが形成されない部分が規則的に配列されることとなる。この第2のCNT層40bが形成されない部分は、エミッタ23表面の窪みとなる。
【0036】
そして、第1のCNT層40aと第2のCNT層40bは、乾燥、焼成後に表面処理が施され、CNTからなるエミッタ23が形成される。
【0037】
このように形成されたエミッタ23は、図5(b)、図6に示すように、エミッタ23表面の凸部である上段部23aと、この上段23aから一段下がった下段部23cとが規則正しく配列される。すなわち、第2の実施形態に係る電界放出素子のエミッタ23は、高さが異なる2つの部分が形成される。
【0038】
エミッタ23をこのような構成とすることにより、陽極12及び陰極22に電圧が印加されると、最も陽極12に近接した上段部23aに電界集中が生じ、電子が放出されることとなる。やがて、上段部23aを形成する第2のCNT層40bが電界放出に寄与しなくなると、上段部23aから一段下がった下段部23cに電界集中が生じることになる。
【0039】
このように、本実施形態においてもエミッタ23の表面に段差を形成することにより、エミッタ23の一部に電界放出が集中して電界放出が生じやすい状況をつくることができる。また、最も凸な部分から徐々に下がった部分へと電界集中する部分を遷移させることができるため、エミッタ23からの電界放出を維持することが可能となる。
【0040】
なお、本実施形態では、格子状に第2のCNT層40bを印刷したが、エミッタ23の表面に段差ができるようであれば、第2のCNT層40bの印刷形状は特に限定されない。例えば、第2のCNT層40bを、市松模様を形成するように印刷してもよいし、図4(b)に示すようなストライプ状に印刷してもよい。
【0041】
上述した実施形態において、エミッタ23を構成する各CNT層40に用いるCNTについては特に説明をしなかったが、同種類のものであればエミッタ23表面の凸部から凹部へと電界集中が生じることとなる。また、陽極12から各CNT層40までの距離に応じて、各CNT層を異なる種類のCNTから形成してもよい。
【0042】
図7に第3の実施形態に係る電界放出素子を構成するエミッタ23の側面図を示す。なお、エミッタ23以外については、上述した第1の実施形態と同様のため詳細な説明は省略する。また、第1の実施形態と同様のものについては、同じ符号を付すこととする。
【0043】
図7に示すエミッタ23は、各CNT層40が積層されて構成されており、最も上段に位置する上段部23aと、この上段部23aから一段下がった中段部23bと、この中段部23bから一段下がった下段部23cとの高さが異なる3つの部分が形成されている。なお、本実施形態のエミッタ23は、上段部23aを形成するCNT層40のCNTが最も太く、上段部23aから中段部23b、下段部23cへと下がるにつれ、細いCNTが分布している。
【0044】
すなわち、下段部23cを形成する第1のCNT層40aは、SWNTから形成されており、中段部23bを形成する第2のCNT層40bは、第1のCNT層40aを形成するSWNTよりも太いMWNTから形成されており、上段部23aを形成する第3のCNT層40cは、第2のCNT層40bを形成するMWNTよりも太いMWNTから形成されている。
【0045】
エミッタ23をこのような構成とすることにより、陽極12及び陰極22に電圧が印加されると、最も陽極12に近接した上段部23aに電界集中が生じる。そして、電界集中が生じた上段部23aから電子が放出されることとなる。やがて、上段部23aを形成するCNT層40が電界放出に寄与しなくなると、上段部23aから一段下がった中段部23bに電界集中が生じ、電子を放出する。中段部23bは、上段部23aと比べて陽極12からの距離は遠くなるが、中段部23bを形成するCNTを上段部を形成するCNTよりも細くしてあるため、電界集中を起こりやすくすることができる。さらに、中段部23bを形成するCNT層40が電界放出に寄与しなくなると、中段部23bからさらに一段下がった下段部23cに電界集中が生じ、電子を放出する。下段部23cも同様に、中段部23bと比べて陽極12からの距離は遠くなるが、下段部23cを形成するCNTを中段部を形成するCNTよりも細くしてあるため、電界集中を起こりやすくすることができる。このように、陽極12から離れた距離にあるCNTほど、アスペクトの大きいものを使用することにより、電界集中が起こりやすい電界放出素子が実現される。
【0046】
次に、本実施形態の電界放出素子1を構成するエミッタ23の製造方法について説明する。図8(a)に示すように、まず陰極上に、SWNTからなる第1のCNT層40aを形成する。なお、CNT層40aの形成方法は、上述した通りである。
【0047】
次に、図8(b)に示すように、第1のCNT層40a上に、MWNTからなる第2のCNT層40bを形成する。なお第2のCNT層40bの外周は、第1のCNT層40aの一部を露出させるための複数の凹部が設けられている。
【0048】
続いて、図8(c)に示すように、第2のCNT層40b上に、所定の間隔をあけて矩形状の第3のCNT層40cを複数形成する。なお、第3のCNT層40cを形成するCNTは、第2のCNT層40bで用いたMWNTよりも太いMWNTが用いられる。
【0049】
このように各層が積層されて形成されたCNT層40は、乾燥、焼成後に表面処理が施され、異なる種類のCNTからなるエミッタ23が形成される。このように形成したエミッタ23は、上段部23aは最もアスペクト比の小さなCNTから形成され、中段部23b、下段部23cに向けてアスペクト比の大きなCNTを分布させることができる。
【0050】
なお、本実施形態においては、表面に形成された段数が3段であるエミッタ23について説明したが、段数は限定されるものでなく自由に設定可能である。また、CNT層40の形成方法も、上述のものに限定されるものではなく、エミッタ23表面の高さに応じてCNTの種類を変えられる方法であればよい。
【0051】
また、上述した各実施形態においては、エミッタ23の材料にCNTを用いた場合について説明したが、アスペクト比の大きなナノ材料で、印刷可能な他の材料を用いてエミッタ23を形成してもよい。例えば、カーボンナノファイバー、ダイアモンドライクカーボン、カーボンナノホーン、グラファイト、フラーレン等からエミッタ23を形成してもよい。
【符号の説明】
【0052】
1 電界放出素子
10 アノード基板
11 ガラス基板
12 陽極
13 蛍光体
14 電源
20 カソード基板
21 ガラス基板
22 陰極
23 エミッタ
30 スペーサ
40 CNT層(カーボンナノチューブ層)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の層が積層されて構成された電子放出源を有するカソード基板と、
前記カソード基板に対向して配され、前記電子放出源から放出された電子が衝突することにより発光する蛍光体を有するアノード基板と、を備え、
前記電子放出源は、前記層の積層数が部分により異なるように構成されることで、その表面に凹凸が形成されていることを特徴とする電界放出素子。
【請求項2】
前記電子放出源を構成する前記層は、カーボンナノチューブから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電界放出素子。
【請求項3】
前記電子放出源の表面に形成された凸部を形成するカーボンナノチューブのアスペクト比は、凹部を形成するカーボンナノチューブのアスペクト比よりも小さいことを特徴とする請求項2に記載の電界放出素子。
【請求項4】
カソード基板上に電子放出源を構成する層を形成する電界放出素子の製造方法において、
カソード基板上に第1の層を形成する工程と、
前記第1の層上にストライプ状の第2の層を、間隔をあけて複数並列させて形成する工程と、
前記第1の層上及び前記第2の層上に、ストライプ状の第3の層を前記第2の層と略直交方向に、間隔をあけて複数並列させて形成する工程と、を備えることを特徴とする電界放出素子の製造方法。
【請求項5】
カソード基板上に電子放出源を構成する層を形成する電界放出素子の製造方法において、
カソード基板上に第1の層を形成する工程と、
前記第1の層の一部に、第2の層を形成する工程と、を備えることを特徴とする電界放出素子の製造方法。
【請求項6】
前記第1の層、前記第2の層及び前記第3の層はカーボンナノチューブから形成されていることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の電界放出素子の製造方法。
【請求項7】
カソード基板上に電子放出源を構成する層を形成する電界放出素子の製造方法において、
カソード基板上に第1のカーボンナノチューブから構成される第1の層を形成する工程と、
前記第1の層の一部に、前記第1のカーボンナノチューブのアスペクト比より大きいアスペクト比を有する第2のカーボンナノチューブから構成される第2の層を形成する工程と、を備えることを特徴とする電界放出素子の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2011−48988(P2011−48988A)
【公開日】平成23年3月10日(2011.3.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−195592(P2009−195592)
【出願日】平成21年8月26日(2009.8.26)
【出願人】(300022353)NECライティング株式会社 (483)
【Fターム(参考)】