JP5221317B2 - 電界放出型電子源 - Google Patents

Description

本発明は、電界放出型電子源に関し、特に大寸法を有する電界放出型電子源に関するものである。

電界放出型電子源は熱電子源と比べて、消費電力が低く、応答速度が速く、放出ガスが少ないという優れた点を有する。現在、電界放出型電子源を大型表示装置に応用するために、大寸法を有する電界放出型電子源に対して、研究がなされている。

図１を参照すると、従来技術としての大寸法を有する電界放出型電子源１００は、絶縁基板１０２、複数の電子放出ユニット１２０、複数の行電極リード線１０４及び複数の列電極リード線１０６を含む。前記複数の電子放出ユニット１２０は、前記絶縁基板１０２に設置される。前記複数の行電極リード線１０４は、平行し、等間隔に前記絶縁基板１０２に設置され、前記複数の列電極リード線１０６は、平行し、等間隔に前記絶縁基板１０２に設置される。該複数の行電極リード線１０４と該複数の列電極リード線１０６は、交叉して前記絶縁基板１０２に設置されている。該複数の行電極リード線１０４と該複数の列電極リード線１０６とが短絡することを防止するために、交叉する場所に絶縁層１１６が設置されている。隣接する二つの行電極リード線１０４と、隣接する二つの列電極リード線１０６とで、複数の格子１１８を形成している。各々の前記格子１１８に電子放出ユニット１２０が設置される。

前記電子放出ユニット１２０は、行電極１１０と、列電極１１２と、該行電極１１０及び該列電極１１２に設置された電子放出体１０８と、を含む。前記行電極１１０と前記列電極１１２は、相対し、分離して配置される。前記電子放出体１０８の両端は、それぞれ、前記行電極１１０と前記列電極１１２に電気的に接続される。前記行電極１１０は、それに対応する行電極リード線１０４に電気的に接続され、前記列電極１１２は、それに対応する列電極リード線１０６に電気的に接続される。

前記電子放出体１０８は、金属化合物を含む導電性フィルムである（非特許文献１を参照）。該電子放出体１０８は、電子放出部１１４を含む。該電子放出部１１４は、前記電子放出体１０８に設置され、少なくとも一つの隙間を含む。該隙間は、電子を放出することに用いられ、前記導電性フィルム自身が裂開し、形成される。前記電子放出体１０８の両端に電圧を印加する時には、電子トンネル効果で、電子が該電子放出体１０８の電子放出部１１４の隙間の一端から、もう一端へ飛んでくる。
中国（ＣＮ）特許出願公開第１０１２３９７１２号明細書 牟強、"表面伝導電子放出表示技術の発展"、「液晶及び表示」、２００６年、第２１巻、第２２６頁〜第２３１頁

しかし、金属化合物を含む導電性フィルムを採用する電界放出型電子源１００は、電子放出体１０８に流す電流が大きいので、電力消費が大きい。該電子放出体１０８から、電子を放出するために必要とする電圧は大きく、必要とする時間も長い。前記隙間は、導電性フィルム自身が裂開し、形成されるので、前記電子放出体１０８に電子放出部１１４を形成する場合、該電子放出部１１４の形状と位置を制御しにくい。従って、該電子放出体１０８の電子放出特性が異なって、電子放出の均一性が良くない。

従って、本発明は、電力消費が低く、電子放出の均一性が良く、大寸法を有する電界放出型電子源を提供することを課題とする。

電界放出型電子源は、絶縁基板と、該絶縁基板に設置された複数の行電極リード線及び複数の列電極リード線と、複数の電子放出ユニットと、を含む。前記複数の行電極リード線及び前記複数の列電極リード線が交叉して、複数の格子が形成される。各々の前記格子に一つの電子放出ユニットが設置され、前記電子放出ユニットは、陽極電極、陰極電極及び陰極放出体を含み、該陽極電極と該陰極電極が分離して設置され、該陽極電極が前記行電極リード線に電気的に接続され、該陰極電極が前記列電極リード線に電気的に接続され、前記陰極放出体が前記陰極電極に電気的に接続され、前記陽極電極と分離して設置される。

前記陰極放出体は、両端を有し、一端が前記陰極電極に電気的に接続され、もう一端が前記陽極電極に相対し、分離して設置される。

前記陰極放出体の、前記陰極電極から離れた端部と前記陽極電極との間の距離は、１マイクロメートル以上１０００マイクロメートル以下である。

前記陰極放出体は、平行し、等間隔に配置される複数の電子放出体を含む。

前記隣接する電子放出体の間の距離は、１ナノメートル以上１００ナノメートル以下である。

前記電子放出体は電子放出端を含み、該電子放出端は前記陰極放出体の前記陰極電極から離れた端部である。

前記複数の電子放出体は、線状構造である。

前記複数の電子放出体は、珪素線、カーボンナノチューブ、カーボン繊維、カーボンナノチューブワイヤの一種又は幾種である。

従来の電界放出型電子源と比べると、本発明の電界放出型電子源は、前記陰極放出体の一端が前記陰極電極に電気的に接続され、もう一端が前記陽極電極と分離して設置されるから、該電界放出型電子源の陰極電極と陽極電極の間に漏れ電流を形成することがなく、消費電力が低い。各陰極放出体は、平行し、等間隔に設置される電子放出体を含むから、放出される電子は均一性が良い。前記電界放出型電子源において、前記電子放出端と前記陽極電極との距離を減少することにより、電子を放出できる電圧が減少される。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図２と図３を参照すると、本実施形態は、電界放出型電子源２００を提供する。該電界放出型電子源２００は、絶縁基板２０２、複数の電子放出ユニット２２０、複数の行電極リード線２０４及び複数の列電極リード線２０６を含む。前記複数の電子放出ユニット２２０は、前記絶縁基板２０２に設置される。前記複数の行電極リード線２０４は、平行し、等間隔に前記絶縁基板２０２に設置されている。前記複数の列電極リード線２０６は、平行し、等間隔に前記絶縁基板２０２に設置されている。該複数の行電極リード線２０４と該複数の列電極リード線２０６は、交叉して前記絶縁基板２０２に設置され、交叉する場所に絶縁層２１６が設置され、該複数の行電極リード線２０４と該複数の列電極リード線２０６とが短絡することを防止している。隣接する二つの行電極リード線２０４と、隣接する二つの列電極リード線２０６とが、複数の格子２１４を形成している。各々の格子２１４に一つの電子放出ユニット２２０が設置されている。

前記電子放出ユニット２２０は、陽極電極２１０、陰極電極２１２及び陰極放出体２０８を含む。該陽極電極２１０と陰極電極２１２が相対し、分離して配置される。前記陰極放出体２０８は、前記陽極電極２１０と前記陰極電極２１２の間に設置され、一端が前記陰極電極２１２に電気的に接続され、もう一端が前記陽極電極２１０に対向し、分離して設置される。該陰極放出体２０８は、前記絶縁基板２０２と分離して設置してもよく、直接に該絶縁基板２０２に設置してもよい。該陰極放出体２０８は、前記絶縁基板２０２と分離して設置する場合、該陰極放出体２０８の電界放出性能を高めることができる。本実施形態において、同一行に沿って配列された複数の電子放出ユニット２２０における陽極電極２１０が、同一行の電極リード線２０４に電気的に接続されている。同一列に沿って配列された複数の電子放出ユニット２２０における陰極電極２１２が、同一列の電極リード線２０６に電気的に接続されている。

前記絶縁基板２０２は、セラミック基板、ガラス基板、樹脂基板又は石英基板などである。該絶縁基板２０２の大きさと厚さは制限されず、実際の応用により選択することができる。本実施形態において、前記絶縁基板２０２は、ガラス基板であり、厚さが１ミリメートルであり、辺長が１センチメートルである。

前記複数の行電極リード線２０４と前記複数の列電極リード線２０６は、例えば金属などの導電材料からなる。本実施形態において、前記複数の行電極リード線２０４と前記複数の列電極リード線２０６は、導電パルプを印刷して成る平面導電体であることが好ましい。隣接する行電極リード線２０４の間の距離は、５０マイクロメートル〜２．０×１０^６マイクロメートルであり、隣接する列電極リード線２０６の間の距離は、５０マイクロメートル〜２．０×１０^６マイクロメートルである。前記行電極リード線２０４と前記列電極リード線２０６の幅は、３０マイクロメートル〜１００マイクロメートルであり、厚さは、１０マイクロメートル〜５０マイクロメートルである。前記行電極リード線２０４と前記列電極リード線２０６と、が成す角度は、１０°〜９０°である。本実施形態において、前記行電極リード線２０４と前記列電極リード線２０６と、が成す角度は、９０°であることが好ましい。シルクスクリーンの印刷法で導電パルプを前記絶縁基板２０２に印刷し、前記行電極リード線２０４と前記列電極リード線２０６を形成する。前記導電パルプは、金属粉末、低い融点を有するガラス粉末及び接着剤を含む。該金属粉末は、銀粉末であり、該接着剤は、テルピネオール又はエチルセルロースである。前記導電パルプには、前記金属粉末が５０〜９０ｗｔ％であり、前記低い融点を有するガラス粉末が２〜１０ｗｔ％であり、前記接着剤が８〜４０ｗｔ％である。

前記陰極電極２１２と前記陽極電極２１０は、例えば金属などの導電材料からなる。本実施形態において、前記陰極電極２１２と前記陽極電極２１０は、平面導電体であり、その大きさが格子２１４の大きさにより、決められる。前記陰極電極２１２は、直接に前記列電極リード線２０６に接続され、前記陽極電極２１０は、直接に前記行電極リード線２０４に接続される。前記陰極電極２１２と前記陽極電極２１０は、長さが２０マイクロメートル〜１．５×１０^６マイクロメートルであり、幅が３０マイクロメートル〜１.０×１０^６マイクロメートルであり、厚さが１０マイクロメートル〜５００マイクロメートルである。前記陰極電極２１２と前記陽極電極２１０の長さは、１００マイクロメートル〜７００マイクロメートルであることが好ましいく、幅は、５０マイクロメートル〜５００マイクロメートルであることが好ましく、厚さは、２０マイクロメートル〜１００マイクロメートルであることが好ましい。本実施形態において、前記陰極電極２１２と前記陽極電極２１０の材料は、導電パルプであり、シルクスクリーンの印刷法で前記絶縁基板２０２に印刷する。該導電パルプは、前記行電極リード線２０４と前記列電極リード線２０６の材料と同じである。

前記陰極放出体２０８は、平行し、等間隔に配置される電子放出体２１８を含み、該電子放出体２１８は、珪素線、カーボンナノチューブ、カーボン繊維、カーボンナノチューブワイヤの一種又は幾種である。各電子放出体２１８は、電子放出端２２２を含む。該電子放出端２２２は、前記電子放出体２１８の、陰極電極２１２から離れる一端である。図４を参照すると、本実施形態において、前記陰極放出体２０８は、平行して配列された複数のカーボンナノチューブワイヤを含む。各カーボンナノチューブワイヤの一端は、前記陰極電極２１２に電気的に接続され、もう一端は、前記陽極電極２１０に相対し、前記陰極放出体２０８の電子放出端２２２として利用されている。前記電子放出端２２２と陽極電極２１０との間の距離は、１マイクロメートル〜１０００マイクロメートルである。前記陰極放出体２０８の前記電子放出端２２２と反対する端部は、導電性接着剤、分子間力又は他の方式により、前記陰極電極２１２に電気的に接続することができる。前記カーボンナノチューブワイヤの長さは、１０マイクロメートル〜１．０×１０^６マイクロメートルであり、隣接するカーボンナノチューブワイヤの間の距離は、１マイクロメートル〜１０００マイクロメートルである。

前記カーボンナノチューブワイヤは、カーボンナノチューブの長さの方向に沿って配列されたカーボンナノチューブを含む。具体的には、前記カーボンナノチューブワイヤは、複数のカーボンナノチューブセグメントを含む。該複数のカーボンナノチューブセグメントは、端と端が分子間力で接続される。各カーボンナノチューブセグメントには、平行し、分子間力で接続される複数のカーボンナノチューブを含む。前記カーボンナノチューブワイヤにおけるカーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブの一種又は幾種である。該カーボンナノチューブの長さは、１０マイクロメートル〜１００マイクロメートルであり、直径は、１５マイクロメートル以下である。

本実施形態における陰極放出体２０８の製造方法は、下記のステップを含む。

第一ステップでは、少なくとも一枚のカーボンナノチューブフィルムを提供する。

前記カーボンナノチューブフィルムは、カーボンナノチューブアレイから引き伸ばし、形成される。該カーボンナノチューブフィルム及びその製造方法は、特許文献１を参照する。

第二ステップでは、前記カーボンナノチューブフィルムを複数の陽極電極２１０及び複数の陰極電極２１２に被覆する。

少なくとも二枚のカーボンナノチューブフィルムを複数の陽極電極２１０及び複数の陰極電極２１２に積層する場合、隣接するカーボンナノチューブフィルムにおけるカーボンナノチューブは、配列方向が同じで、前記陰極電極２１２から前記陽極電極２１０に延伸する。本実施形態において、該カーボンナノチューブフィルムの数量は、１枚〜５枚であることが好ましい。

第三ステップでは、前記カーボンナノチューブフィルムを切割し、該陰極電極２１２に平行し、等間隔に配列された複数のカーボンナノチューブワイヤを形成し、陰極放出体２０８となる。

前記カーボンナノチューブフィルムを切割する方法は、レーザーで焼き切る方法、電子の衝撃で切る方法又は加熱で焼き切る方法がある。本実施形態においては、レーザーで焼き切る方法を採用する。

まず、所定の幅を有するレーザーで各行電極リード線２０４に沿って前記カーボンナノチューブフィルムを照射し、異なる行に配置された電極の間のカーボンナノチューブフィルムを除去する。次に、所定の幅を有するレーザーで各列電極リード線２０６に沿って前記カーボンナノチューブフィルムを照射し、前記列電極リード線２０６とそれに隣接する陽極電極２１０の間のカーボンナノチューブフィルムを除去する。最後、各格子２１４に配置されたカーボンナノチューブフィルムを、該格子２１４に配置された陽極電極２１０と分離させるように、前記陽極電極２１０に隣接するカーボンナノチューブフィルムをレーザーで除去する。これにより、前記カーボンナノチューブフィルムの、前記陽極電極２１０に相対しする端部に複数の電子放出端２２２が形成されている。また、該電子放出端２２２は、前記陽極電極２１０との間に隙間が形成される。

本実施形態において、前記レーザーのパワーは、１０ワット〜５０ワットであり、照射速度は、１０ミリメートル／分〜１０００ミリメートル／分であり、幅は、１００マイクロメートル〜４００マイクロメートルである。

また、電界放出型電子源２００の電子放出ユニット２２０は、更に、固定素子２２４を含む。該固定素子２２４は、前記陰極電極２１２に設置され、前記陰極放出体２０８を前記陰極電極２１２に固定するために利用されている。該固定素子２２４は、導電材料からなる。

図５を参照すると、前記電界放出型電子源２００の電界放出性能を測定する場合、１１０ボルト（Ｖ）以上の電圧を印加すると、該電界放出型電子源２００が電子を放出することができ、１５０ボルト（Ｖ）の電圧を印加する場合、該電界放出型電子源２００の電界放出電流が７００ナノアンペア（ｎＡ）であり、電子放出ユニット２２０の電力消費が１０５マイクロワット（μＷ）であることが分かる。図６を参照すると、前記電界放出型電子源２００は電界放出特性を有して実行されたことが分かる。

前記電界放出型電子源２００において、前記陰極放出体２０８は、一端が前記陰極電極２１２に電気的に接続され、もう一端が前記陽極電極２１０と分離し、設置されるから、該電界放出型電子源２００の陰極電極２１２と陽極電極２１０の間に漏れ電流を形成することがなく、消費電力が低い。隣接する行の陰極放出体２０８の距離が同じで、隣接する列の陰極放出体２０８の距離が同じで、該陰極放出体２０８の電子放出端２２２と前記陽極電極２１０との距離が同じで、各陰極放出体２０８に平行し、等間隔に設置された電子放出体２１８を含むから、放出される電子は均一性が良い。前記電界放出型電子源２００において、前記電子放出端２２２と前記陽極電極２１０との距離を減少することにより、電子を放出できる電圧が減少される。

従来技術の電界放出型電子源の構造を示す上面図である。 本発明の実施形態に係る電界放出型電子源の構造を示す上面図である。 本発明の実施形態に係る電界放出型電子源の構造を示す正面図である。 本発明の実施形態に係る電界放出型電子源の電子放出ユニットの光学顕微写真である。 本発明の実施形態に係る電界放出型電子源の電界放出性能のＩ−Ｖ曲線である。 本発明の実施形態に係る電界放出型電子源の電界放出性能のＦ−Ｎ曲線である。

符号の説明

１００、２００ 電界放出型電子源
１０２、２０２ 絶縁基板
１０４、２０４ 行電極リード線
１０６、２０６ 列電極リード線
１０８、２１８ 電子放出体
１１０ 行電極
１１２ 列電極
１１４ 電子放出区域
１１６、２１６ 絶縁層
１１８、２１４ 格子
１２０、２２０ 電子放出ユニット
２０８ 陰極放出体
２１０ 陽極電極
２１２ 陰極電極
２２２ 電子放出端
２２４ 固定素子

Claims (2)

1. 絶縁基板と、該絶縁基板に設置された複数の行電極リード線及び複数の列電極リード線と、複数の電子放出ユニットと、を含む電界放出型電子源において、
   前記複数の行電極リード線及び前記複数の列電極リード線が交叉して、複数の格子が形成され、各々の格子に一つの電子放出ユニットが設置され、
   前記電子放出ユニットが、陽極電極、陰極電極及び陰極放出体を含み、
   前記陽極電極と前記陰極電極が分離して設置され、該陽極電極が行電極リード線に電気的に接続され、該陰極電極が列電極リード線に電気的に接続され、
   前記陰極放出体は、平行し、等間隔に配置された複数のカーボンナノチューブワイヤよりなり、
   前記カーボンナノチューブワイヤの一端は前記陰極電極に電気的に接続され、他端は前記陽極電極に相対し、分離して設置され、
   前記カーボンナノチューブワイヤの前記他端と前記陽極電極との間の距離は、１マイクロメートル以上１０００マイクロメートル以下であり、
   前記隣接するカーボンナノチューブワイヤの間の距離は、１ナノメートル以上１００ナノメートル以下であり、
   前記カーボンナノチューブワイヤは、複数のカーボンナノチューブセグメントを含み、該複数のカーボンナノチューブセグメントは、端と端が分子間力で接続され、各カーボンナノチューブセグメントが、平行し、分子間力で接続される複数のカーボンナノチューブを含むことを特徴とする電界放出型電子源。
2. 前記陰極放出体は、カーボンナノチューブアレイから引き伸ばし、形成されたカーボンナノチューブフィルムを複数の陽極電極及び複数の陰極電極に被覆して、前記カーボンナノチューブフィルムを切割することによって形成された、等間隔に平行して配列された複数のカーボンナノチューブワイヤよりなることを特徴とする、請求項１に記載の電界放出型電子源。