CN1405827A - 电子发射元件、电子源、发光装置以及图像形成装置的各制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子发射元件、电子源、发光装置以及图像形成装置的各制造方法，即提供工序简略且制造成本低廉的、使以碳元素为主成分的纤维按照期望的密度固定在期望的位置上的、可以制造具有优异的电子发射特性的电子发射元件的方法，以及使用了上述元件的电子源、发光装置以及图像形成装置的各制造方法。采用具有以下特征的电子发射元件的制造方法。即，利用通过气溶胶化以碳元素为主成分的材料，并将之与气体一起搬送经由喷嘴使之紧密粘合在基板上的气溶胶式气相淀积法，用上述以碳元素为主成分的材料形成电子发射元件。

Description

电子发射元件、电子源、发光装置 以及图像形成装置的各制造方法
技术领域
本发明涉及电子发射元件、电子源、发光装置以及图像形成装置的各制造方法。特别地，所得到的图像形成装置除了作为电视广播的显示设备、电视会议系统或计算机等的显示设备使用外，还可以作为使用感光性硒鼓等构成的光打印机的图像形成装置使用。
背景技术
以往，作为电子发射元件，众所周知的有热电子源和冷阴极电子源2种电子源，在冷阴极电子源中，有场致发射型、金属/绝缘层/金属型或表面传导型等。在使用这些电子发射元件的图像形成装置中，近年来越来越要求其有更高精细的解像度。进而，伴随着显示象素数的增大，在进行驱动时，由于电子发射元件所具有的元件容量引起的电力消耗增大，故人们期望能够降低元件的容量、降低驱动电压和提高电子发射元件的效率。此外，还要求各元件的电子发射特性均一、或元件制造简单等。因而，作为具有可以满足这样要求的可能性的元件，近年来很多人提议在电子发射元件中使用碳纳米管。
迄今为止，作为使用了碳纳米管的电子发射元件等的制造·图案形成方法，提出有种种方案(特开2000-086216号公开专利、特开2000-057934号公开专利、特开2000-90809号公开专利以及美国专利6290564号公开专利等)，例如：在配置金属触媒的位置进行通过保护膜的点状的图案形成，在期望的位置形成触媒并以此为核使碳纳米管生长的方法(特开2000-086216号公开专利)；通过使基板上粘附助剂并外加电场等离子CVD法，在基板的期望的位置上形成碳纳米管的方法(特开2000-057934号公开专利)；在预先通过电弧放电法或对石墨照射激光等个别地制造·精制碳纳米管后，使碳纳米管分散在溶液或耐蚀剂液体等中并在基板上蒸镀该分散液的方法(特开2000-90809号公开专利)等。
将触媒做成核使碳纳米管生长的元件制造方法，因其需要以适当的尺寸、适当的粒径、适当的间隔使构成触媒的金属固定在基板上，故需要多个烦杂的工序。
此外，如特开2000-90809号公开专利所记载的发明那样，由于涂布使碳纳米管在溶液中分散而得到的分散液的元件制造方法也需要使之均一地在溶液中分散、或使分散液只在基板的期望的位置上形成图案并进而进行烤焙等工序，故增加了处理过程，造成成本上升。
如特开平11-162334号公开专利所记载的发明那样，使用粘接剂的元件制造方法也需要在设置多个柱状石墨前的粘接剂的涂布、其设置后的烧结工序，不可避免工序数的增加。
发明内容
本发明的目的在于提供工序简略且制造成本低廉，可在基板上或者基板上的电极上的期望的位置上以期望的密度直接固定粘接以碳元素为主成分的纤维，制造出具有优异的电子发射特性的电子发射元件的方法，以及使用了上述元件的电子源、发光装置以及图像形成装置的各制造方法。
用于解决课题的手段即，本发明是关于电子发射元件的制造方法的发明，其特征在于：通过气溶胶化以碳元素为主成分的材料并将之与气体一起进行搬送再通过喷嘴使之紧密贴附在基板上。
上述以碳元素为主成分的材料也可以是以碳元素为主成分的纤维。上述以碳元素为主成分的纤维也可以是从石墨纳米纤维、碳纳米管、非晶态碳以及碳纳米锥形体构成的群中选取的至少一种。
本发明是有关电子发射元件的制造方法，其特征在于包括以下工序：
(A)在第1容器内准备以多个碳元素为主成分的纤维的工序；
(B)将基板配置在第2容器内的工序；
(C)通过使上述第1容器内的压力高于上述第2容器内的压力，使上述第1容器内的以上述碳元素为主成分的纤维中介于连通上述第1容器和上述第2容器的搬送管轰击到上述基板上，在上述基板上固定以多个碳元素为主成分的纤维的工序。
配置了多个利用所涉及的方法制造的纤维的基板也可以转用到燃料电池的阴极材料、二次充电电池阴极材料氢吸藏体等上。
在上述第1容器中，可以使以上述碳元素为主成分的纤维分散在气体中。上述气体也可以是非氧化性气体。
也可以上述第2容器内是减压状态。在上述第1容器中，也可以使以上述碳元素为主成分的纤维气溶胶化。
利用通过轰击在上述基板上所产生的热能，以上述碳元素为主成分的纤维可以被固定在上述基板上。以上述碳元素为主成分的纤维也可以是从石墨纳米纤维、碳纳米管、非晶态碳以及碳纳米锥形体构成的群中选取的至少一种。
也可以在上述基板上配置第1导电层，并在该导电层上固定以上述碳元素为主成分的纤维。在上述基板上，还可以配置与上述第1导电层隔有间隔配置的第2导电层。
此外，本发明是排列多个形成了电子发射元件的电子源的制造方法，是关于以利用本发明的方法制造上述电子发射元件为特征的电子源的制造方法。
进而，本发明是有关具有电子发射元件和发光构件的发光装置的制造方法，是有关以可利用本发明的方法制造上述电子发射元件为特征的发光装置的制造方法。
另外，本发明还是有关具有电子源和发光构件的图像形成装置的制造方法，是有关以可利用本发明的方法制造上述电子源为特征的图像形成装置的制造方法。
本发明的元件制造方法不是在基板上形成触媒并以之为核使以碳元素为主成分的纤维生长的方法，详细将后述，是一种直接在基板上固定以碳元素为主成分的纤维的方法，进一步地详细言之，是利用喷嘴喷射气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维，使上述纤维轰击到基板上的期望的位置上，不使用粘接剂等地、直接在基板上的期望的位置上固定上述纤维的方法。
因为本发明的方法是气溶胶化以碳纳米管等碳元素为主成分的纤维并与气体一起朝向基板上直接喷射上述纤维，故固定在基板上的上述纤维的配置相对于基板面是垂直或近于垂直的。由于可以相对于基板面垂直或近于垂直地固定上述纤维，且因电场集中在锐利的纤维的前端，故可以得到稳定且具有良好的电子发射特性的电子发射元件。在上述的发明中，作为应该注意的内容，那就是所使用的纤维并非只限定于作为主成分含有碳元素的纤维。因而，也可以使用作为主成分包含金属(或者金属性物质)的纤维。此外，本发明的方法不需要象以往那样为了使纤维在基板上生长固定而使基板处于高温，其结果，可以抑制电力消耗并低廉化制造成本。
附图说明
图1所示是一例在本发明中使用的制造装置的概略图；
图2是基板和形成在其上的电极的概略断面图；
图3所示是一例利用本发明得到的电子发射元件的概略断面图；
图4A和4B所示是一例利用本发明得到的电子发射元件的概略平面图以及概略断面图；
图5是用于测量电子发射特性的测量评价装置的概略构成图；
图6A、6B以及6C所示是一例以碳元素为主成分的纤维的形态的概略图；
图7A、7B以及7C所示是一例以碳元素为主成分的纤维的形态的概略图；
具体实施形态
本发明中的所谓“以碳元素为主成分的纤维”也可以称为“以碳元素为主成分的柱状物质”或者“以碳元素为主成分的线状物质”。此外，所谓“以碳元素为主成分的纤维”还可以说成是“纤维状碳黑”或者“碳纤维”。并且还有，本发明的所谓“以碳元素为主成分的纤维”，更为具体地，包括碳纳米管、石墨纳米纤维、非晶态碳纤维、封闭了碳纳米管的一端所构成碳纳米锥形体以及它们的混合物。并且，其中以石墨纳米纤维最为理想。
通常将1片面的石墨称为“石墨化碳黑”或者“石墨化碳黑片”。更为具体地，石墨由多层积层的碳元素面构成。各碳元素面由六角形的晶格重复排列构成。其六角形的晶格的顶点具有碳原子，且其相互共价结合着的共价键通过碳原子的sp2混成构成。理想情况下，邻接碳元素面之间的距离为3.354×10-10m。这样的一片一片的碳元素平面被称之为“石墨化碳黑”或者“石墨化碳黑片”。
图6A到6C、图7A到7C概略地给出了一例以碳元素为主成分的纤维的形态。图中，16表示石墨化碳黑。在各图中，分别概略地给出的是：最左侧(图6A以及图7A)是以光学显微镜水平(～1000倍)看到的上述纤维的形态；中央的(图6B以及图7B)是以扫描电子显微镜(SEM)水平(～3万倍)看到的上述纤维的形态；最右侧(图6C以及图7C)是以透过式电子显微镜(TEM)水平(～100万倍)看到的上述纤维的形态。
如图6A到6C所示的那样，将取石墨化碳黑包围长度方向(纤维的轴向方向)的圆筒形状(圆筒形状形成多重构造的结构被称之为“多壁纳米纤维”)形态的结构称之为碳纳米管，特别地，在使管前端为开放的构造时，电子发射的阈值(分级值)最低。换言之，碳纳米管就是相对于纤维的轴实质地平行配置石墨化碳黑的纤维状的物质。
图7A到7C给出了在较低温度下生长的以碳元素为主成分的纤维。该形态的上述纤维由石墨化碳黑的积层体(因此，被称为“石墨纳米纤维”)构成。更为具体地，石墨纳米纤维是指在其长度方向(纤维的轴向方向)积层了石墨化碳黑的纤维状的物质，换言之，就是如图7C所示的那样，使其平面相对于纤维的轴非平行地积层了石墨化碳黑的纤维状的物质。
碳纳米管和石墨纳米纤维二者其电子发射阈值都是1V/μm以上10V/μm以下的程度，故作为用本发明获得的电子发射元件的发射体(电子发射构件)的材料较为理想。
特别地，使用了石墨纳米纤维的电子发射元件，可以在低电场下产生电子发射、可以得到较大的发射电流、可以简单地制造并具有稳定良好的电子发射特性。与由多个碳纳米管构成的电子发射元件相比，由多个石墨纳米纤维构成的电子发射元件可以期望得到更大的电子发射电流以及/或者更稳定的电子发射。例如，可以用由石墨纳米纤维(或者碳纳米管)构成的发射体和控制来自该发射体的电子发射的电极构成电子发射元件，进而，如果使用利用石墨纳米纤维发射的电子的照射发光的发光构件，则可以形成灯之类的发光装置。
此外，进而通过排列多个使用了上述石墨纳米纤维(或者碳纳米管)的电子发射元件，同时，准备控制对具有萤光体等发光构件的阳极电极或外加给元件的电压的驱动电路，还可以构成显示器等图像形成装置。使用了配备了石墨纳米纤维(或者碳纳米管)的电子发射元件的电子源、发光装置以及图像形成装置，即使不象以往那样将内部保持在超高真空中也可以稳定且良好地发射电子，此外，因为是在低电场下发射电子，故可以说这是一种可靠性高、能够非常简易地进行制造的装置。
在本发明中使用的以碳元素为主成分的纤维可以是通过任何的制造方法制造的纤维。因而，如果举一例上述纤维的制造方法的话，则该方法可以用准备触媒物质(促进碳元素的堆积的物质)的第1工序、通过触媒分解含有碳元素的气体的第2工序构成。并能够根据触媒的种类以及分解温度来确定是形成碳纳米管还是形成石墨纳米纤维。
作为含有上述碳元素的气体，可以使用如乙烯气体、甲烷气体、丙烷气体、丙稀气体以及它们的混合气体等碳氢气体，也可以使用CO气体、CO2气体或者乙醇或丙酮等有机溶剂的蒸汽。
作为上述触媒物质，可以例举从Fe、Co、Pd以及Ni中选择出来的金属或者以上述各金属为主成分的无机物或有机物，或者从上述金属中选取的至少2种的合金。并且，这些金属起到作为形成以碳元素为主成分的纤维用的核的作用。
特别地，在使用了含有Pd以及/或者Ni的物质时，可以在较低的温度下(至少可以有400℃)生长石墨纳米纤维。而在使用了含有Fe以及/或者Co的物质时，作为碳纳米管的生长温度则需要是在800℃以上。这样，由于使用了含有Pd以及/或者Ni的物质的石墨纳米纤维的生长可以在较低的温度下进行，对其他材料的不良影响小，还可以抑制电力消耗并能够降低制造成本，故较为理想。
进而，利用Pd的氧化物可以在低温(室温)下被氢还原的特性，可以使用氧化钯来作为核形成物质。
如果氢还原处理氧化钯，则即使不使用作为一般的核形成技法过去一直使用的金属薄膜的热凝集或超微粒子的生成与蒸敷，也可以在较低的温度(200℃以下)下实现初始凝集核的形成。
下面，参照图面说明一例本发明的电子发射元件的制造方法。
图1所示是一例在本发明中使用的制造装置的概略图。图2所示是基板10和形成在其上的电极11、12的概略断面图。图3所示是一例利用本发明得到的电子发射元件的概略断面图。图4所示是一例利用本发明得到的电子发射元件的概略平面图以及概略断面图。
本发明中，将采用其他途径生成的以碳元素为主成分的纤维配置在第1容器(1)内，在第2容器(5)内配置用于固定以碳元素为主成分的纤维的、具有电极的基板(7)。第1容器和第2容器经由搬送管(4)连通。并且，通过设定第1容器(1)内的压力高于第2容器(5)内的压力，利用其压力差，通过搬送管(4)将气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维送入第2容器内，并由位于搬送管(4)的前端的喷嘴(6)高速地向基板喷射气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维。进而，在利用气溶胶化了的纤维高速轰击基板(7)或者基板上的电极时将产生热能。该热能可不使用粘接剂地将纤维固定在基板(7)上。图1中，3表示超微粉材料(以碳元素为主成分的纤维)。
作为一例上述固定方法，可以使用气溶胶式气相淀积法。本发明中使用的气溶胶式气相淀积法是在气溶胶化室(第1容器)(1)内，利用从气溶胶化气体高压储气瓶(2)导入到气溶胶化室内的气溶胶化气体来气溶胶化采用其他途径生成的以碳元素为主成分的纤维，利用气溶胶化室(1)内的压力和膜形成室(第2容器)(5)内的压力之间的压力差，通过搬送管(4)将气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维从气溶胶化室(1)搬送到膜形成室(5)内，并由位于膜形成室(5)内的作为搬送管(4)的前端部的喷嘴(6)与上述气体一起高速地向基板(7)上喷射气溶胶化了的纤维，将纤维固定在基板(7)上。
作为气溶胶化以碳元素为主成分的纤维的气体(搬送气体)虽然可以使用氮气或氦气等惰性气体或者它们的混合气体，但最好是非氧化性气体。利用这些气体，以尺寸大约是亚微米的碳纳米管、石墨纳米纤维等碳元素为主成分的纤维在容器上部被气溶胶化。该气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维被位于气溶胶化用容器上部的吸入口吸入，通过搬送管(4)，被运送到连接有真空排气泵的膜形成室(第2容器)，并通过安装在搬送管(4)的前端的喷嘴(6)朝向基板(7)上进行喷射，以碳元素为主成分的纤维冲撞并固定在载置在载物台(8)上的基板(7)上。
另外，在本发明中，在第2容器(5)内，基板(7)固定在载物台(8)上，通过移动载物台(8)，可以在基板上的期望区域上固定期望量的以碳元素为主成分的纤维。进而，通过使载物台(8)的移动速度变化，还可以改变被固定的以碳元素为主成分的纤维的密度。上述喷嘴(6)也是可动式的，微调整喷嘴(6)和载物台(8)的相对位置，可以在基板上致密地固定以碳元素为主成分的纤维。
在本发明中，特别地希望成膜过程中的膜形成室(第2容器)(5)内由真空排气泵(9)进行排气并保持在减压状态(不足760Torr的真空度)。这是因为在减压状态下从喷嘴(6)喷射出来的气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维的平均自由程较常压(大气压中)下进行喷射的情况大3位数字程度，不易受到散射效果的影响。
就是说，例如，在大气中喷射的气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维被散射而损失动能，难以向基板上固定以碳元素为主成分的纤维，或者说多数的情况是不能固定。但是，在保持在减压状态下的膜形成室(第2容器)(5)内从喷嘴(6)喷射出来的气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维具有更大的动能并可以冲撞基板或者设置在基板上的电极。并且，该动能被转化为热能，可提供作为本发明之目的的、用纤维的长度方向的端部进行向基板上的固定的热能。
此外，并非上述做法就能够将此时搬送来的所有的以碳元素为主成分的纤维都固定在基板或者电极上，只是相对于基板面或设置在基板上的电极面使以碳元素为主成分的纤维的长度方向(图6A到6C、图7A到7C所示的“纤维的轴向方向”)朝向垂直方向喷射的做法可以使其粘合在基板或电极的概率增高。这是考虑到在由喷嘴(6)喷射的纤维本身通过与基板或电极的冲撞将所具有的动能转化为热能并固定在基板或电极上时，冲撞面积越小越能够在冲撞面上集中热能，从而变得容易进行固定。即认为，在纤维轰击基板(或者电极)的瞬间，纤维的冲撞区域(最好是如上述那样的纤维的长度方向的端部)融解了。
为此，即使在以碳元素为主成分的纤维中，如果是如图6A到6C给出的那样的不弯曲地、笔直的圆筒形状的碳纤维，则根据本发明的方法，由于可以在基板或电极上相对于基板(7)的表面或设置在基板上的电极的表面固定实质地垂直立起状态的碳纤维，故较为理想。此外，在本发明中，如果在不同于“纤维的轴向方向”的方向上与基板或电极冲撞，由于冲撞面积急剧地增大，故难以在基板或电极上进行固定(固着)。因此，作为可以稳定地在基板上进行固定的纤维，其直径最好是数nm～数百nm(最好为数nm以上百nm以下)，其长度最好是其上述直径的10倍以上100倍以下。所以，在本发明中，作为以碳元素为主成分的纤维使用直线性较高的碳纳米管就很理想。另外，鉴于上述的理由，在本发明的制造方法中，相对于基板表面或电极表面，被固定在基板或电极上的碳纤维必然地、实质地为“纤维的轴向方向”垂直。因此，根据本发明，可以简易地使碳纤维相对于基板表面或电极表面实质地垂直取向配置及固定。因而，当以利用本发明的制造方法在基板上配置的多个碳纤维作为电子发射体时，可以在各纤维的端部外加更强的电场，其结果可以形成用更低的电压的电子发射。
此外，在本发明中，在使气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维轰击基板或电极时，最好是边加热基板边进行轰击。通过该加热，可以提高以碳元素为主成分的纤维与基板以及电极的粘合性。
另外，通过边利用喷嘴喷射气溶胶化了的以碳元素为主成分的纤维边移动保持有基板的载物台，可以连续地在基板上固定以碳元素为主成分的纤维。再有，如果使用金属掩模、利用保护层的掩模等，也可以将以碳元素为主成分的纤维只固定在基板上的期望的位置上。
以碳元素为主成分的纤维的气溶胶化(分散了以碳元素为主成分的纤维的气体)最好从喷嘴6按0.1公升/分以上、更好按1公升/分以上的流速朝向基板7喷射。并且还有，以碳元素为主成分的纤维最好从喷嘴6按0.1m/sec以上、更好按1m/sec以上、10m/sec以上则特别好的速度朝向基板7喷射。可以通过适当地设定上述第1容器1内的压力和第2容器5内的压力来实现上述的流速、速度。此外，喷嘴6与基板7的间隔最好设定在10cm以下，1cm以下则更好。
作为基板(7、10)，可以例举石英玻璃基板、使Na等杂质含量减少且部分地置换了K等的玻璃基板、兰板玻璃基板、通过溅射法等在硅基板等上积层SiO2所得到的积层体基板以及氧化铝等的陶瓷绝缘基板等。
作为形成在基板上的元件电极(11、12)的材料，可以使用一般的导体材料，例如，可以从碳元素，Ni、Au、Mo、W、Pt、Ti、Al、Cu、Pd等金属或者它们的合金，上述金属的氮化物(例如，Ti的氮化物)，上述金属的碳化物，上述金属的硼化物，In2O3-SnO2等透明的导电体物质，多晶硅等半导体物质等中适当地选择。
基板上所形成的元件电极的材料从杨氏模量15以下的导电性材料中选取。进而，作为构成上述电极的材料，最好由杨氏模量10以下的导电性材料形成。作为具有上述杨氏模量的导电性材料的具体例子，可以例举Sn、In、Au、Ag、Cu、Al的某一种金属、或者包含从上述金属中选取的2种以上金属的导电性材料(也包括合金)、或者以从上述金属中选取的金属为主成分的导电性材料。在本发明的制造方法中，当以碳元素为主成分的纤维以上述的条件轰击电极时，对使用了由杨氏模量15以下的导电性材料形成的电极的情况，可以使以碳元素为主成分的纤维更容易地固定在电极(特别是阴极电极)上。
在用洗涤剂、纯水或者有机溶剂等充分地洗净基板(7、10)后，并在通过蒸敷法、印刷法、溅射法等在基板上堆积了电极材料后，可利用如光制版(光刻)技术加工电极材料，形成所希望形状的电极。
元件电极间隔、元件电极长度、元件电极(11、12)的形状等可对应于应用的形态等适当地进行设计。元件电极间隔最好为数千埃以上数百微米(μm)以下，更好的是考虑外加在元件电极间的电压等的1μm以上100μm以下的范围。此外，元件电极长度最好是考虑电极的阻抗值、电子发射特性等的数μm以上数百μm以下的范围。进而，元件电极(11、12)的厚度可以设定在数十nm以上数十μm以下的范围。
使用了本发明的制造方法得到的电子发射元件的构造可以采用各种各样的形态。例如，如图5所示的那样，比较理想的情况是在基板(10)表面上相互隔有间隔地配置拉出电极(有时也称为“门电极”)(11)和阴极电极(有时也称为“负极电极”)(12)，并在阴极电极(12)上做成根据本发明的制造方法配置了以碳元素为主成分的纤维(13)的电子发射元件。图5是用于测量通过本发明的方法得到的电子发射元件的电子发射特性的测量评价装置的概略构成图。图5中，各符号分别表示：9是真空排气泵，14是萤光体、15是真空装置、20是用于捕捉从元件的电子发射部(以碳元素为主成分的纤维)发射出来的发射电流Ie的阳极电极。
在如图5所示那样的真空装置(15)内，设置作为拉出电极以及阴极电极的间隔，具有数μm的间隙(间隔)的电子发射元件以及阳极电极(20)，并在真空装置(15)内利用真空排气泵(9)充分地进行排气使之达到10-5Pa程度。从基板到阳极电极(20)的距离H为数mm，具体地例如是2mm以上8mm以下。如图5所示的那样，使用高压电源对阳极电极(20)外加数千伏特、具体地例如1kV以上10kV以下的高电压Va。
如果外加由数十伏特程度构成的驱动电压(元件电压)Vf或阳极电极Va，则将产生电子发射，可以得到电子发射电流Ie。If是元件电流。
进而，在上述电子发射元件中，为了抑制在门电极(11)上的散射，最好使包含以碳元素为主成分的纤维(13)的表面的、与基板(10)的表面实质地平行的平面较包含门电极(11)表面的一部分的、与基板(10)的表面实质地平行的平面配置在离开基板(10)的表面的位置(参照图4、图5)。换言之，在本发明的电子发射元件中，最好是将包含以碳元素为主成分的纤维(13)的表面的一部分的、与基板(10)的表面实质地平行的平面配置在包含拉出电极(11)表面的一部分的、与基板(10)的表面实质地平行的平面和阳极电极(20)之间(参照图4、图5)。
此外，进而在利用本发明所得到的电子发射元件中，最好保持在实质上不产生在门电极(11)上的散射的、高度s(包含门电极(11)表面的一部分的、与基板(10)的表面实质地平行的平面和包含以碳元素为主成分的纤维(13)的表面的、与基板(10)的表面实质地平行的平面之间的距离)来配置以碳元素为主成分的纤维(13)。
上述高度s依存于纵方向电场和横方向电场之比(纵方向电场强度/横方向电场强度)，纵方向电场和横方向电场之比越低，则其高度越低，横方向电场强度越大，则越需要高度。作为实用的范围，其高度s为10nm以上10μm以下。
本发明中所说的“横方向电场”可以说成是“与基板(10)的表面实质地平行的方向的电场”。或者也可以说成是“门电极(11)和阴极电极(12)对向的方向的电场”。此外，本发明中所说的“纵方向电场”可以说成是“与基板(10)的表面实质地垂直的方向的电场”，或者也可以说成是“基板(10)和阳极电极(20)对向的方向的电场”。
另外，在由本发明得到的电子发射元件中，当取阴极电极(12)和门电极(11)的间隙的距离为d，驱动电子发射元件时的电位差(阴极电极(12)和门电极(11)之间的电压)为Vf，阳极电极(20)与配置有元件的基板(10)表面的距离为H，阳极电极(20)与阴极电极(12)之间的电位差为Va时，设定驱动时的电场(横方向电场)即E1＝Vf/d在阳极电极(20)-阴极电极(12)间的电场(纵方向电场)即E2＝Va/H的1倍以上50倍以下。
通过采用这样的做法，可以降低从阴极电极(12)侧发射的电子轰击门电极(11)的比例。其结果，可以得到发射出的电子束扩散少且高效率的电子发射元件。
下面，概略地对一例利用本发明的方法得到的电子源进行说明。
在基板上的电子发射元件的排列方式中，可以例举梯子状配置、或在m条X方向布线上中介于层间绝缘层设置n条Y方向布线并在电子发射元件的一对元件电极(门电极以及阴极电极)上分别连接了X方向布线、Y方向布线的配置(单纯矩阵配置)。X方向布线以及Y方向布线是在电子源基板上通过蒸敷法、印刷法、溅射法等形成的导电性金属。通过该布线可以提供电压。层间绝缘层是利用蒸敷法、印刷法、溅射法等形成的SiO2等。
电子发射元件的元件电极通过由利用蒸敷法、印刷法、溅射法等形成的导电性金属等构成的连结线分别与m条的X方向布线和n条的Y方向布线电气地连接。
下面，作为一例利用本发明的方法得到的发光装置，概略地对由单纯矩阵配置的电子源构成的发光装置进行说明。
发光装置主要由配置有电子发射元件的电子源基板、在玻璃基板的内面形成有发光构件(萤光膜)和金属敷层等的阴极射线管萤光屏以及支撑框构成。
在作为黑白色(单色)使用时，萤光膜只由萤光体构成，但作为彩色使用的萤光膜时，则需要通过萤光体的排列由被称为碳黑条带或者碳黑矩阵等的黑色导电材料和萤光体构成。
作为在玻璃基板上涂布萤光体的方法，可以使用沉淀法或印刷法。金属敷层可以在萤光膜制作后，进行萤光膜的内面侧表面的平滑化处理(滤波)，并在其后通过真空蒸敷等方法堆积Al来进行制作。
下面，概略地对一例通过本发明的方法得到的图像形成装置进行说明。
图像形成装置主要由上述发光装置、扫描电路、控制电路、移位寄存器、行存储器、同步信号分离电路、调制信号发生器以及直流电压源构成。
实施例
下面，举出实施例更为详细地说明本发明。
实施例1
图2所示是根据本实施例制作的具备电极的基板的概略断面图。图3所示是根据本实施例制作的电子发射元件的概略断面图。在图2、图3中，各符号分别表示：10是绝缘性基板，11是拉出电极(门电极)，12是阴极电极，13是以碳元素为主成分的纤维(发射体)。
下面说明本实施例的电子发射元件的制造工序。
最初，作为基板使用石英玻璃基板，并在利用有机溶剂将之充分洗净后，在120℃下使之干燥。然后，在洗净的石英玻璃基板上通过溅射法连续地堆积了厚度5nm的Ti以及厚度30nm的多晶硅(砷元素浓液)。
接着，利用光制版(光刻)技术将形成图案的保护层作为掩模，使用CF4气体无水腐蚀所堆积的多晶硅(砷元素浓液)层以及Ti层，形成了电极隙缝间距为5μm的门电极和阴极电极。
而后，将预先准备好的碳纳米管配置在气溶胶化室内，并将如上述那样形成了电极的基板配置到膜形成室内。接着，将氦气导入气溶胶化室气溶胶化了碳纳米管。利用气溶胶化室内的压力(约200KPa)和膜形成室内的压力(约60Pa)之间的压差，从气溶胶化室通过连通了气溶胶化室和膜形成室的搬送管，将气溶胶化了的碳纳米管导入到膜形成室内，从位于膜形成室内的搬送管的前端喷嘴朝向上述基板上的想要固定碳纳米管的位置喷射了气溶胶化了的碳纳米管。所使用的碳纳米管是以Co作为触媒物质使用并在800℃的温度下分解乙烯气体生成的。
我们通过扫描型电子显微镜观看了如以上这样喷射气溶胶化了的碳纳米管的上述基板，确认了在阴极电极上碳纳米管相对于基板表面(电极表面)被大致垂直地固定着的事实。
此外，我们还如下面这样测量了如以上这样制造的电子发射元件的特性。即，将上述元件设置在图5所示那样的真空装置内，利用真空排气泵将真空装置内排气到2×10-5Pa，并如图5所示的那样，在离开元件H＝2mm的阳极电极上作为阳极电压外加了Va＝10KV。而后测量了此时元件的、外加驱动电压而流动的元件电流If和电子发射电流Ie。其结果，长时间地得到了稳定且良好的电子发射特性。
实施例2
采用与实施例1同样的做法，在基板上形成了拉出电极11以及阴极电极12。但是，在本实施例中，如图4A、4B所示的那样，阴极电极12的厚度做得厚于拉出电极11的厚度。图4A是在本实施例作成的电子发射元件的概略平面图，图4B是图4A的4B-4B间的概略断面图。
而后，在基板全体上通过EB蒸敷堆积了厚约100nm厚度的Cr。
利用光制版(光刻)技术使用阳(正)型光保护层形成了保护层图案。然后，以形成图案的光保护层为掩模，在阴极电极上形成应该覆盖电子发射构件(以碳元素为主成分的纤维)的区域(100μm角)，并用硝酸铈系列的腐蚀液取除了开口部的Cr。
剥离了保护层后，采用与实施例1同样的做法，在基板上固定了碳纳米管。此时，是边将基板加热到200℃边固定的碳纳米管。采用与实施例1同样的做法测量了按本实施例制造的电子发射元件的电子发射特性，长时间地得到了稳定且良好的电子发射特性。
实施例3
最初，在与实施例1同样的工序中，在基板上形成了拉出电极11以及阴极电极12。然后，在基板上固定了开口在应该形成电子发射构件的位置的金属掩模。
而后，将气溶胶化室内的压力设定在约70KPa，将膜形成室内的压力设定为约200Pa，除了代替碳纳米管使用了石墨纳米纤维之外，其他采用与实施例1同样的做法，在基板上的上述开口部位置固定了以碳元素为主成分的纤维。此时，是边将基板加热到200℃边进行的纤维的固定。此外，成膜中所使用的喷嘴是狭缝状的喷嘴，并使喷嘴扫描开口部上部地扫描了基板。
采用与实施例1同样的做法测量了按本实施例制造的电子发射元件的电子发射特性，并长时间地得到了稳定且良好的电子发射特性。
发明的效果
如以上说明过的那样，根据本发明的制造方法，可以直接在基板上固定以碳纳米管或石墨纳米纤维等为主成分的纤维，可以大幅度地缩短·简化电子发射元件制造过程所需要的工序。进而，在根据本发明的电子发射元件的制造方法中，因为是在与基板面垂直的方向上固定碳纳米管，故可以使电场更多地集中在一个个的以碳元素为主成分的纤维上，可以制造具有优异的电子发射特性的电子发射元件、使用了该电子发射元件的电子源、发光装置以及图像形成装置。

Claims (21)

1.一种电子发射元件的制造方法，其特征在于：通过气溶胶化以碳元素为主成分的材料，与气体一起搬送该气溶胶化了的材料，并经由喷嘴使之紧密粘合在基板上。
2.根据权利要求1所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：上述以碳元素为主成分的材料是以碳元素为主成分的纤维。
3.根据权利要求2所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：上述以碳元素为主成分的纤维是从由石墨纳米纤维、碳纳米管、非晶态碳以及碳纳米锥形体构成的群中选取的至少一种。
4.一种电子发射元件的制造方法，其特征在于该方法包括以下工序：
(A)在第1容器内准备多个以碳元素为主成分的纤维的工序；
(B)将基板配置在第2容器内的工序；
(C)通过设定上述第1容器内的压力高于上述第2容器内的压力，使上述第1容器内的上述以碳元素为主成分的纤维中介于连通上述第1容器和上述第2容器的搬送管轰击到上述基板上，在上述基板上固定多个以碳元素为主成分的纤维的工序。
5.一种电子发射元件的制造方法，其特征在于该方法包括以下工序：
(A)在第1容器内准备多个以碳元素为主成分的纤维的工序；
(B)将在其表面配置了阴极电极的基板配置在第2容器内的工序；
(C)通过设定上述第1容器内的压力高于上述第2容器内的压力，使上述以碳元素为主成分的纤维中介于连通上述第1容器和上述第2容器的搬送管轰击到上述阴极电极上，在上述阴极电极上固定多个以碳元素为主成分的纤维的工序。
6.根据权利要求4或者5所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：在上述第1容器中，上述以碳元素为主成分的纤维被分散在气体中。
7.根据权利要求6所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：上述气体是非氧化性气体。
8.根据权利要求4或者5所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：上述第2容器内是减压状态。
9.根据权利要求4或者5所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：在上述第1容器中，上述以碳元素为主成分的纤维被气溶胶化。
10.根据权利要求1～5之任意一项所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：利用通过轰击上述基板上所产生的热能在上述基板上固定上述以碳元素为主成分的纤维。
11.根据权利要求4或者5所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：上述以碳元素为主成分的纤维是从石墨纳米纤维、碳纳米管、非晶态碳以及碳纳米锥形体构成的群中选取的至少一种。
12.根据权利要求4所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：中介于第1导电层在上述基板上固定上述以碳元素为主成分的纤维。
13.根据权利要求12所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：在上述基板上，配置有与上述第1导电层隔有间隔配置的第2导电层。
14.一种电子源的制造方法，一种排列多个形成了电子发射元件的电子源的制造方法，其特征在于：上述电子发射元件是根据权利要求1～5之任意一项所记述的制造方法制造出来的电子发射元件。
15.一种图像形成装置，一种具有电子源和发光构件的图像形成装置的制造方法，其特征在于：上述电子源是根据权利要求14所记述的制造方法制造出来的电子源。
16.一种发光装置的制造方法是一种具有电子发射元件、发光构件的发光装置的制造方法，其特征在于：上述电子发射元件是根据权利要求1～5之任意一项所记述的制造方法制造出来的电子发射元件。
17.一种电子发射元件，其特征在于：具有
(A)电极；以及
(B)在轴向方向上具有2个端部的碳纤维；且
一方的端部融解并直接地结合在电极上。
18.一种基板的制造方法是一种配置了多个以碳元素为主成分的纤维的基板的制造方法，其特征在于该方法具有以下工序：
(A)在第1容器内准备多个以碳元素为主成分的纤维的工序；
(B)将基板配置在第2容器内的工序；
(C)通过设定上述第1容器内的压力高于上述第2容器内的压力，使上述第1容器内的上述以碳元素为主成分的纤维中介于连通上述第1容器和上述第2容器的搬送管轰击到上述基板上，在上述基板上固定多个以碳元素为主成分的纤维的工序。
19.一种电子发射元件，其特征在于：该电子发射元件由
(A)具有电极的基板；以及
(B)在长度方向上具有2个端部的碳纤维构成，且
上述端部的一方融解并直接地结合在上述基板上。
20.根据权利要求12所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：上述第1导电层由杨氏模量15以下的材料形成。
21.根据权利要求12所记述的电子发射元件的制造方法，其特征在于：上述第1导电层由从Sn、In、Au、Ag、Cu、Al中选取的金属、或者包含从上述金属中选取的2种以上金属的导电性材料、或者以从上述金属中选取的金属作为主成分的导电性材料形成。
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