专利名称：电子发射元件及采用其的图象显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及所谓冷阴极型(场致发射型)电子发射元件及其制造方法，以及用它的图象显示装置，特别是涉及改善从电子发射元件所发射的电子的聚焦性能的技术。
背景技术：
近年来，作为薄型的平板显示装置，提出了把微小的冷阴极电极型(场致发射型)电子发射元件矩阵状地配置于面板内部，对各电子发射元件有选择地施加驱动电压，借此从各元件所发射的电子把在对峙的面板上所形成的荧光体层激励发光，而显示图象的图象显示装置。
在这种图象显示装置中，为了适应显示图象的高精细化，寻求着从电子发射元件所发射的电子的聚焦性能的提高。通常，因为从电子发射元件所发射的电子对基板垂直方向以几十度的角度扩散，故聚焦性能容易恶化。为了提高此一电子的聚焦性能，有例如特开2000-67736号公报中所述的现有技术。
图17是上述现有技术中的电子发射元件的局部概略剖视图。
如该图中所示，电子发射元件100具有基片2100、阴极电极2300、绝缘层2400、牵引电极2500依次叠层的构成。而且，在电子发射元件100中，在从牵引电极2500到阴极电极2300的中途的贯通孔2600的底部上覆盖着电子发射层2700。此一电子发射层2700的表面在位于相对于阴极电极2300与绝缘层2400的界面偏向基片侧的位置形成。
在这种电子发射元件100中，如果对上述牵引电极2500施加电压，则形成例如图中实线所示的凹型等电位面A。因此，在电子发射层2700的中心点P附近引起电场集中，电子主要从那里发射。另一方面，电子发射层2700的表面边缘部与中心点P相比不容易引起电场集中，电子不容易发射。从此一表面边缘部所发射的电子虽然有引起绝缘层2400充电的可能性，但是可以认为其量很少。
因而，由于电子主要从电子发射层2700的表面处的中心点P附近发射，所以可以认为电子束B1笔直地行进而成点地照射于被照射面，可认为电子的聚焦性能良好。
可是，可以认为在上述现有技术的电子发射元件中，电子的聚焦性能上还有改善的余地。
从电子发射层2700的中心点P所发射的电子如电子束B2、B3所示，在所发射的时刻有±几十度程度的角度而扩散地行进。然后，在等电位面A处大大偏转成与其垂直的方向，象电子束B2′、B3′那样扩散，可以认为被照射面上的照射面积加大，聚焦性能不能说是足够的。关于从电子发射层2700表面的边缘部所发射的电子有时也聚焦困难，在这种场合会引起充电。
这样一来，在上述现有的电子发射元件中，所发射的电子束的广泛扩散，电子的聚焦性能上还留有许多改善的余地。
发明内容
鉴于上述课题，本发明的目的在于提供一种与历来相比可以提高电子的聚焦性能的电子发射元件及其制造方法以及用它的图象显示装置。
为了实现上述目的，根据本发明的电子发射元件是在基片上依次叠层阴极电极和绝缘层和电子牵引电极、在从牵引电极侧到阴极电极的孔的底面上设有与前述阴极电极接触的电子发射层的电子发射元件，其中，前述电子发射层设置成使其表面位于相对于前述阴极电极与绝缘层的界面偏向基片侧，前述电子发射层与前述阴极电极的接触区域限定于前述孔的底面处的除了中心部的周围区域。如果用这种电子发射元件，则在电子发射层的表面上，电子不容易从其中心部发射，另一方面，电子容易从其边缘部发射。由于从电子发射层的边缘部所发射的电子的聚焦性能高，所以可以提高电子发射元件的电子的聚焦性能。
此外，考虑电子的聚焦性能与电场强度分布两者的平衡，最好是电子发射层设置成使从其表面到前述阴极电极与绝缘层的界面的叠层方向的距离为相对该界面处的前述孔的开口宽度的0.02～0.15倍。在这里，如果电子发射层其表面为凹面形状，则由于可以在比较初期的阶段使从电子发射层表面的边缘部所发射的电子偏转，所以电子的聚焦性能提高。也可以把电子发射层的底面取为凸面形状。进而，如果电子发射层在其表面上有突起，则由于在突起处容易引起电场集中，所以更加提高电子发射性。
如果电子发射层的突起形成多个，当其高度为H，与邻接的突起的距离为D时，使其满足D≥H/2的关系，则可以抑制电场集中变得不容易的情况。如果电子发射层由发射电子的发射层和为了使发射层取向而在表面上有凹凸的取向层组成，发射层有与取向层表面的形状相应的凹凸形状，则可以使电场更加集中于突起顶端，可以提高电子发射性。此外，如果电子发射层配置于孔底面的除中心部外的周围部，则由于电子不从孔的中心部发射，所以可以提高电子的聚焦性能。此外，如果阴极电极在孔底面处的除中心部的周围部上有突出的突出部，则由于使向电子发射层的边缘部的电子供给量增加，可以使来自电子发射层表面边缘部的电子发射量增加，所以可以提高电子的聚焦性能。
也可以构成为前述阴极电极在与前述基片之间夹入配置与该阴极电极不同的导电性材料制成的第2阴极电极，该第2阴极电极在前述孔处的底面的除了中心部的周围部上有突出的突出部。
如果电子发射层含有作为电子发射材料的纤维状石墨或碳纳米管，则由于它们的长径比非常高，所以容易引起电场集中，可以提高电子发射元件的电子发射性。如果电子发射层含有使前述电子发射材料取向用的为多脚形状的取向构件，则由于由多脚体所形成的突起变得尖锐，在顶端容易引起电场集中，所以可以提高电子发射性。
此外，根据本发明的电子发射元件是在基片上依次叠层阴极电极和绝缘层和电子牵引电极、在从牵引电极侧到阴极电极的孔的底面上设有与前述阴极电极接触的电子发射层的电子发射元件，其中，电子发射层设置成使其表面位于相对于前述阴极电极与绝缘层的界面偏向基片侧，从界面到电子发射层表面的叠层方向的距离为相对前述界面位置处的孔的开口宽度的0.02～0.15倍的范围。在这种范围内，与历来相比可以提高电子发射性、电子聚焦性能，并可以把施加于阴极电极上的电压很低地保持在正常使用的范围内。
此外，根据本发明的电子发射元件是在基片上依次叠层阴极电极和绝缘层和电子牵引电极，在从牵引电极侧到阴极电极的孔的底面上，设有电子发射层的电子发射元件，其中，电子发射层与孔中的阴极电极露出面相接触，同时前述电子发射层其表面有凹面形状。借此，由于从电子发射层表面的边缘部所发射的电子在比较早的阶段被偏转，所以与历来相比可以认为电子的聚焦性能提高。
根据本发明的电子发射元件的制造方法，包括在基片上形成具有贯通到该基片的孔的阴极电极的电极形成步骤，和在前述孔的底面上涂布含有电子发射物质和溶剂的糊剂、借此来形成电子发射层的电子发射层形成步骤。这样一来，由于在阴极电极上开有直到基片的贯通孔，孔的底面为基片，所以在基片上所形成的电子发射层的加工精度提高。也就是说，电子发射层的尺寸精度提高，可以使电子发射性和聚焦性能均一化。
本发明还提供一种图象显示装置，是经由间隙件把具备有射出电子束的多个电子发射部矩阵状地排列的电子发射元件的第1面板、第2面板在基片上对峙配置的图象显示装置，其中，所述电子发射元件是在基片上依次叠层阴极电极和绝缘层和电子牵引电极、在从所述牵引电极侧到所述阴极电极的孔的底面上设有与所述阴极电极接触的电子发射层的电子发射元件，其中，所述电子发射层设置成使其表面位于相对于所述阴极电极与所述绝缘层的界面偏向基片侧，所述电子发射层与所述阴极电极的接触区域限定于所述孔的底面处的除了中心部的周围区域。
图1是根据本发明的第1实施例的图象显示装置的概略剖视图。
图2是图1的图象显示装置中的背面面板的概略透视图。
图3是根据第1实施例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图4是用来说明根据第1实施例的电子发射元件的制造方法的，各制造工序中的电子发射元件的主要部分剖视图，按(a)～(e)的顺序进行。
图5是用来说明与图4中所示的电子发射元件的制造方法不同的制造方法的，各制造工序中的电子发射元件的主要部分剖视图，按(a)、(b)的顺序进行。
图6是用来说明根据第1实施例的电子发射元件的变型例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图7(a)是用来说明根据第1实施例的电子发射元件的变型例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图7(b)是用来说明根据第1实施例的电子发射元件的变型例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图8是根据本发明的第2实施例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图9是用来说明根据本发明的第2实施例的电子发射元件的变型例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图10是根据本发明的第3实施例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图11(a)是用来说明根据第3实施例的电子发射元件的变型例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图11(b)是用来说明根据第3实施例的电子发射元件的变型例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图12是根据本发明的第4实施例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图13是根据本发明的第5实施例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图14是用来说明根据第5实施例的电子发射元件的变型例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图15是用来说明根据第5实施例的电子发射元件的变型例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图16是用来说明根据第5实施例的电子发射元件的变型例的电子发射元件的主要部分剖视图。
图17是历来的电子发射元件中的主要部分剖视图。
具体实施例方式
下面，参照附图就本发明的实施例进行说明。
〔第1实施例〕<图象显示装置的总体构成>
图1是表示根据本第1实施例的图象显示装置1的概略构成的剖视图。参照图1就图象显示装置1的构成进行说明。
如该图中所示，图象显示装置1是将前面面板10和背面面板20经由间隙件30配置成对峙状态而构成的，面板间的空间31保持高真空状态。
前面面板10备有前面玻璃基板11、阳极电极12、荧光体层13，在前面玻璃基板11的对峙面上覆盖着阳极电极12，并且在其表面上按象素单位配置荧光体层13而构成。
前面玻璃基板11是例如由碱玻璃材料制成的平板状基板。碱玻璃除了平滑性上优良外，成本上也好。
阳极电极12是由ITO等透明导电材料制成的显示电极。
荧光体层13由靠电子射线激励发光的公知的荧光体颗粒组成，在进行彩色显示的图象显示装置的场合，发出R(红)、G(绿)、B(蓝)色光的荧光体层按象素依次配置。
背面面板20是可以发射多条电子束的电子发射元件，备有背面玻璃基板21和发射电子用的电子发射部22。
背面玻璃基板21与前面玻璃基板11同样，是由碱玻璃制成的绝缘性的平板状基板。在此一背面玻璃基板21的对峙面上形成电子发射部22。
图2是用来说明电子发射部22的构成的背面面板20的概略透视图。
如该图中所示，电子发射部22备有阴极电极23、绝缘层24、牵引电极25、电子发射层27(图3)，相对于在背面玻璃基板21上条状地排列的阴极电极23，与之正交地以条状地排列绝缘层24、牵引电极25的状态叠层，并且在其正交点处，绝缘层24、牵引电极25叠层于阴极电极23上，贯通牵引电极25和绝缘层24形成达到阴极电极23的孔26。而且，在孔26内设有电子发射层27(图3)。
在图象显示装置1的驱动时，在阴极电极23、阳极电极12和牵引电极25的各端部上连接着未画出的控制驱动机构，所选择的阴极电极23靠各控制驱动机构被接地，并且对牵引电极25施加大约20～70V，对阳极电极12施加大约8～10kV的电压。此时，从处于各电极23、25的交叉点的孔26的电子发射层(图3)向阳极电极12发射电子。由于此一电子在荧光体层13(图1)处被变换成可见光，所以可以在图象显示装置1中的显示方向上显示图象。再者，虽然这里制成使阴极电极23接地，但是不特别限于此，也可以制成对阴极电极23施加电压。在该场合，只要施加于牵引电极25和阳极电极12上的电压在上述各电压值(20～70V和8～10kV)上分别附加施加于阴极电极23的电压就可以了。
<电子发射部22的构成>
图3是用来说明电子发射部22的构成的背面面板20的主要部分剖视图。
如该图中所示，背面面板20制成在背面玻璃基板21上叠层阴极电极23、绝缘层24、牵引电极25的结构，在从牵引电极25贯通到阴极电极23，底面为背面玻璃基板21的孔26的底部上设有电子发射层27。
阴极电极23为了对电子发射层27供给电子而由导电性的材料(铝、铬等)制成，厚度形成为例如50μm左右。其材料只要是配线电阻小者就可以了，不特别限定。
绝缘层24具有绝缘阴极电极23和牵引电极25的作用，由作为绝缘物质的氧化铝等陶瓷制成，厚度设为例如50～100μm左右。此一绝缘层24材料不限于绝缘物质，即使是具有非常高的电阻值的半导电性材料，只要是可以把阴极电极23与牵引电极25的电位差保持成能够发射电子的程度就可以使用。因为如果是这种半导电性材料，则从防止充电的观点来说有时是好的。
牵引电极25具有从电子发射层27牵引电子的作用，由具有与阴极电极23同样的导电性的材料制成，厚度设成例如50μm左右。
电子发射层27具有发射从阴极电极23所供给的电子的功能，由碳纤维和碳纳米管等具有非常大的长径比的碳材料制成，是使其取向方向不规则地群集的层。上述碳材料因为是碳素材料故稳定性很好，除了由于六碳环的σ键含有局部断开处，所以电子发射性优良这样的特性外，还因其长径比大(例如100以上)，而非常容易引起电场集中，具有电子发射性优良这样的特性。
这里，电子发射层27制成其底面与背面玻璃基板21直接接触，借此阴极电极23不与电子发射层27的底面接触而成为仅与其侧端面接触。因而，在电子发射元件1被驱动的场合，可以认为电子发射层27成为从与阴极电极23接触的侧端面供给电子，电子主要发射的部位也成为接近电子供给侧的电子发射层27的表面的边缘部。
可以认为这种从电子发射层27的表面边缘部所发射的电子容易相对被照射面聚焦。就其理由在以下进行说明。
从电子发射层27的表面边缘部，例如图3中所示的点Q1、Q2所发射的电子通常具有几十度的角度地扩散着行进。但是，从点Q1、Q2所发射的电子即使被偏转成对等电位面A垂直方向，也由于在其偏转点附近的等电位面A比较平坦，所以外观上以大致照准的状态向聚焦点Q3偏转。也就是说，在聚焦点Q3处从点Q1和点Q2所发射的电子聚焦，集中地照射。
另一方面，虽然可以认为从电子发射层27的中心点附近也发射电子，但是与电子发射层27的表面边缘部的点相比因为可以认为离开阴极电极23的距离加大，所供给的电子的量减少，故可以认为从那里所发射的电子量几乎为零。
也就是说，由于阴极电极23取为不与电子发射层27的底面处的中心部接触，而与电子发射层27的侧面等底面的周围区域接触的构成，借此可以抑制聚焦性能差的，从电子发射层27表面的中心点P所发射的电子的量，并且可以使聚焦性能好的，从电子发射层27的表面边缘部Q1、Q2所发射的电子的量相对地增加，所以其结果是与历来相比可以提高电子发射元件1向聚焦点Q3的聚焦性能。
这里，电子发射层27的表面设成比阴极电极23与绝缘层24的界面偏向背面玻璃基板21，如令阴极电极23与绝缘层24的界面位置处的孔26的开口宽度为W，令从阴极电极23与绝缘层24的界面到电子发射层27表面的叠层方向的距离为H，则距离H优选为0.02W～0.15W的范围内。
虽然从电子聚焦性能的观点来说距离H越大越好，但是如果该值过大则产生发射电子用的驱动电压不得不提高，此外电子发射层27表面上的电场强度分布加大这样的问题。提高驱动电压时，装置成本提高，此外，如果电场强度分布加大则发射区域收窄而发射电流降低，发射特性容易劣化。因此，考虑电子束聚焦性能和电场强度分布两者的兼顾，根据实验和模拟的结果查明上述的范围最佳。
如上所述，由于与历来的电子发射元件相比聚焦性能提高，所以在把它用于图象显示装置的场合，可以使图象显示装置高精细化。
<图象显示装置1的制造方法>
根据本发明的图象显示装置的制造方法在背面面板20的形成方法中有很大特征。因此，主要就背面面板20的形成方法进行说明。
图4(a)～(e)是背面面板20的各制造工序中的主要部分剖视图。
如图4(a)中所示，首先，准备背面玻璃基板21。
接着，如图4(b)中所示，在该背面玻璃基板21表面上涂布含有铝或铬的糊剂，使糊剂中的溶剂干燥后，烧制烧掉糊剂中所含有的树脂。用所谓厚膜形成工艺，形成想要的厚度(50μm)，叠层成为阴极电极23的层。这里，也可以以对铝或铬等成为电极的材料用溅射法或蒸气沉积法等薄膜形成工艺代替厚膜形成工艺。
对象这样所形成的成为阴极电极23的层的表面施行图形蚀刻，借此如图2中所示阴极电极23条状地形成，并且形成图4(c)中所示的直到背面玻璃基板21的贯通孔260。
接着，把通过混合电子发射材料(碳纳米管或碳纤维等)与挥发性溶剂(丙酮、乙醇、或者作为乙酸异戊酯与硝化纤维素的混合液的媒介物(vehicle)等)所得到的糊剂270(或分散液)，用印刷法涂布或用喷墨滴下，填充于孔260中(图4(d))。
此一糊剂270的填充量根据糊剂中的电子发射构件的混合量调整成在成为电子发射层27时使其表面相对于阴极电极23与绝缘层的界面偏向背面玻璃基板21地形成就可以了。然后，通过使糊剂270的溶剂蒸发，形成电子发射层27(图4(e))。
此外，作为图4(d)、(e)中说明的电子发射层27的形成方法也可以使用采用刮板的方法。
图5(a)、(b)是用来说明用刮板来形成电子发射层27的方法的各制造工序中的背面面板20的主要部分剖视图。
如图5(a)中所示，把糊剂270溢出地填充于孔260中(图4(c))。然后，如图5(b)中所示，用刮板272把阴极电极23表面和孔260内的一部分糊剂271刮掉后，通过使溶剂干燥可以使碳纤维等纤维状电子发射构件形成不规则取向的电子发射层27(图4(e))。
这里，由于因刮板272的弹性不同，刮掉填充于孔260的糊剂271的量不同，刮板272越软则刮掉的量越多而可以减薄所形成的电子发射层27的厚度，所以刮板272根据打算形成的电子发射层27的厚度来变更其弹性就可以了。
接着，为了形成孔26(图3)，用厚膜形成法等事先形成在与此相当的位置上有贯通孔的条状绝缘层24和牵引电极25。使这些孔与阴极电极23的孔260重合，并且与阴极电极23正交地叠层(参照图2)，借此形成备有电子发射部22的背面面板20。
另一方面，前面面板10通过首先在前面玻璃基板11表面上用蒸气沉积法等形成由ITO组成的膜，接着在其表面上用印刷法等条状地形成荧光体层13而得到。
最后，在上述背面面板20的周围配置间隙件30，在高真空下与前面面板10对峙地粘合，借此形成电子发射元件1。
这里，在用图17说明的历来的电子发射元件的场合，从阴极电极2300与绝缘层2400的界面到电子发射层2700的叠层方向的距离(相当于图3中的距离H)的尺寸精度依存于阴极电极2300和电子发射层2700的厚度的加工精度，以及孔2600的底面的加工精度。因为虽然电子发射层2700的加工精度比较容易控制，但是孔2600的底面的加工精度难以控制，所得到的电子发射层2700表面的尺寸精度也成不充分，故可以认为各电子发射元件的发射特性难以均一化。
另一方面，在本第1实施例的场合，由于电子发射层27直接在背面玻璃基板21上形成，所以图3中的距离H的尺寸精度仅依存于阴极电极23和电子发射层27的厚度两点的精度。因而，没有必要考虑孔26的底面的加工精度。此外，因为阴极电极23、电子发射层27的尺寸精度比较容易控制，故使各电子发射元件的发射特性均一化比较容易。因而，如果用本实施例的电子发射元件的制造方法，则与历来相比可以使电子发射元件的发射特性均一化。
(变型例)①虽然在上述实施例中，电子发射层27的底面与背面玻璃基板21的全面接触地形成，但是不限于此，也可以是在孔底面的中心有电子发射层与阴极电极不接触的区域。
图6是本变型例中的背面面板200的主要部分剖视图。再者，在本变型例中，仅是电子发射层的构成与上述第1实施例不同，关于赋予与图3同一标号者，由于是同一构成要素所以省略其详细说明。
如该图中所示，电子发射层274虽然是基本上与图3中的电子发射层27同一构成，但是在其中心开有贯通到背面玻璃基板21的孔261，具有俯视时环状的构成。
借此，因为在孔26底面的中心部，靠孔261形成电子发射层不存在的区域，故完全消除象现有技术那样聚焦性能差的，来自电子发射层表面中心部的电子发射。因而，可以认为与第1实施例相比电子的聚焦性能进一步提高。
②此外，作为电子发射层在孔底面的中心部与阴极电极不接触的构成，可以考虑以下的构成，借此也可以实施本发明。
图7(a)是本变型例中的背面面板201的主要部分剖视图。再者，在本变型例中，仅是电子发射层和阴极电极的形状与第1实施例不同，关于赋予与图3同一标号者，由于是同一构成要素所以省略其详细说明。
如该图中所示，阴极电极230有向孔262侧突出的突出部230a。借此，成为电子发射层275在其底面处中心部与背面玻璃基板21接触，另一方面，周缘部与阴极电极230接触。因此，由于电子发射层275的周缘部与阴极电极230的接触面积增加，所以从电子发射层275表面处的边缘部所发射的电子量可以增多。因此，与第1实施例相比可以提高电子的聚焦性能。
此外，如图7(b)的背面面板202中所示，由两种导电层231、232来构成阴极电极，也可以形成突出部232a。
〔第2实施例〕由于根据本第2实施例的图象显示装置制成与第1实施例中所述的图象显示装置大致相同的构成，仅是背面面板中的电子发射层的形状不同，所以以下主要就电子发射层进行说明。
在上述第1实施例中，大致平面地形成电子发射层的外表面，但是在本第2实施例中，凹面地形成该表面。
图8是根据第2实施例的背面面板203的主要部分剖视图。再者，关于赋予与图3同一标号者，由于是同一构成要素所以省略其详细说明。
如该图中所示，在孔26的底面上形成外表面制成向凹透镜那样中心部凹下，周围部隆起的凹面形状(以下称为凹透镜形状)的电子发射层277。
通过把电子发射层277的表面形成为凹透镜形状，电子发射层277的表面的边缘部277a靠近图中虚线所示的等电位面A2，从此一边缘部277a所发射的电子在比较初期的阶段被偏转成对等电位面A2垂直方向。由于此一偏转点附近的等电位面A2比较平坦，所以所发射的电子外观上大致被照准地行进而被聚焦。因而，可以认为与第1实施例相比电子的聚焦性能提高。
此一电子发射层277表面形成于相对于阴极电极23与绝缘层24的界面偏向背面玻璃基板21一侧。这里，电子发射层277的表面出于与第1实施例同样的理由，考虑电子束聚焦性能与电场强度分布两者的兼顾，离开阴极电极23表面的距离H2最好是落入阴极电极23的开口宽度W2的0.02～0.15倍的范围内。
作为形成具有这种形状的电子发射层277的方法，可以用与在第1实施例中用图4、图5说明的方法同样的方法。但是，有必要把糊剂270(图4、图5)中所含有的溶剂选择成相对阴极电极23接触角小于90°的溶剂。因为通过选择成为这种接触角的溶剂，涂布糊剂270后，或者在涂布糊剂后用刮板刮掉后的糊剂270对阴极电极23接触角成为小于90°的角度，故该糊剂270表面成为凹透镜形状。一边保持此一状态一边使糊剂中的溶剂干燥，借此电子发射层277形成为凹透镜形状。
(变型例)在上述第2实施例中，与电子发射层277接触的背面玻璃基板21的表面是平面，但是不限于此一形状，也可以把接触面加工成凹透镜形状。
图9是本变型例中的背面面板204的主要部分剖视图。再者，在本变型例中，仅是电子发射层和背面玻璃基板的形状不同，关于赋予与图8同一标号者，由于是同一构成要素所以省略其详细说明。
如该图中所示，本变型例中的背面玻璃基板210在与电子发射层278接触的表面上形成制成凹透镜形状的凹处211。在此一凹处211上涂布与第1实施例同样的含有电子发射构件的糊剂，借此形成与凹处211的形状相应的电子发射层278。
作为凹处211的形成方法，可以用蚀刻背面玻璃基板21等化学处理方法，喷砂等机械加工处理方法，和用溅射或印刷等成膜方法等公知的方法。
由于通过调整此一凹处211的曲线，电子发射层278形成与该曲线相应的表面形状，所以调整电子发射层278的表面处的凹透镜形状成为可能。
〔第3实施例〕根据第3实施例的图象显示装置由于制成与第1实施例中所述的图象显示装置大致相同的构成，仅是背面面板中的电子发射层的形状不同，所以以下主要就电子发射层进行说明。
虽然上述第1实施例中大致平面状地形成电子发射层的外表面，但是在本第3实施例中，在该表面上设有凹凸。
图10是根据第3实施例的背面面板205的主要部分剖视图。再者，关于赋予与图3同一标号者，由于是同一构成要素所以省略其详细说明。
如该图中所示，在孔26的底面上形成电子发射层370，在其表面上备有多个突起371。此一突起371的顶端形成于在阴极电极23与绝缘层24的界面的背面玻璃基板21一侧。这里，从突起371的顶端到阴极电极23与绝缘层24的界面的叠层方向的距离H3与第1实施例同样，考虑电子束聚焦性能与电场强度分布两者的兼顾，最好是相对孔26的上述界面处的开口宽度W3在0.02～0.15倍的范围内。
通过象这样在电子发射层370上设置多个突起371，很容易在突起371的顶端处的引起电场集中。此外，电子发射层370与第1实施例同样，用碳纤维或碳纳米管等长径比高的材料，在容易引起电场集中的突起371中具有成为更加容易引起电场集中的构成。因此，与第1实施例相比电子发射性提高。
虽然因为突起371的个数越多，则引起电场集中，成为电子发射部位的个数增加，故从发射特性的观点来说越好，但是如果突起个数过多，则其密度提高，不容易引起突起371处的电场集中。因此，突起371的密度优选形成为满足以下的关系式。
D≥H4/2式中，D是邻接的突起371的顶端彼此的与叠层方向正交的方向上的距离，H4是从邻接的突起371间的谷底到突起371顶端的高度。通过模拟和实验确认，如果满足这种关系式，则各个突起371对邻接的突起371的电场集中没有不良影响。
如上所述，通过在电子发射层370表面上设置突起371，电场集中的效果更高，与第1实施例相比电子发射性提高。
(变型例)①虽然在上述第3实施例中，电子发射层370由碳纤维或碳纳米管等电子发射构件组成的单层来形成，但是不限于此，也可以由电子发射构件组成的多层来形成电子发射层。
图11(a)是本变型例中的背面面板200的主要部分剖视图。再者，在本变型例中，仅是电子发射层的构成与第3实施例不同，关于赋予与图10同一标号者，由于是同一构成要素所以省略其详细说明。
如该图中所示，电子发射层372由取向层373和发射层374组成，具有在孔26的底面上取向层373和发射层374叠层的构成。
取向层373是在其表面上备有突起，借此使发射层374取向成凹凸形状，从既对发射层374供给电子，又抑制从发射层374所发射的电子的充电的发生的观点来说，可以由ZnO等导电性材料来构成。
发射层374与第3实施例同样，由碳纤维或碳纳米管等电子发射构件来构成。
电子发射层372的形成方法是首先通过印刷法等在孔26的底面上形成由ZnO等导电性材料组成的层。然后，通过进行蚀刻等处理在其表面上形成突起而形成取向层373。接着，在取向层373上涂布成为发射层374的糊剂，通过使溶剂干燥而形成电子发射层372。
即使用具有上述构成的电子发射层，可以认为也可以得到与第3实施例同样的效果。
②虽然在上述变型例中，形成取向层373，但是也可以代替取向层而用取向构件。
图11(b)是本变型例中的背面面板207的主要部分剖视图。
如该图中所示，电子发射层375由取向构件376和发射层377组成。
取向构件376是具有分别以四面体的顶点为顶端的四只脚的ZnO晶须(例如松下ァムテック公司制的“パナテトラ”)，成为一只脚相对背面玻璃基板21几乎垂直地竖立状态。此一取向构件376只要是有导电性且分别以多面体的顶点为顶端的多个脚的多脚体就可以了，除了ZnO晶须外，也可以使用容易形成多脚体晶须的Si、Ti、B、Fe、Sn、Mg等单体，及其氧化物、氮化物、碳化物等。
发射层377是碳纤维或碳纳米管等电子发射构件纠缠地附着于取向构件376的脚而构成的。
通过以上构成，由于电子发射层375在其表面上锐利地形成容易引起电场集中的突起，所以更加容易引起电场集中。因此，可以认为与第3实施例相比电子发射性提高。
作为此一电子发射层375的形成方法，可以举出在第1实施例中用图4、5说明的糊剂中，混入取向构件376而制作混合糊剂，通过涂布此糊剂来形成的方法。此外，也可以把预先使取向构件分散于溶剂中的分散液涂布于孔26中，通过使溶剂干燥而形成取向构件后，再涂布含有电子发射构件的糊剂。这样一来，即使在因为在混合糊剂中电子发射构件和取向构件的比重不同而无法均一地制作的场合，也可以形成电子发射构件均一地纠缠于取向构件上的状态的电子发射层375。
〔第4实施例〕根据第4实施例的图象显示装置，由于制成与第1实施例中所述的图象显示装置大致相同的构成，仅是背面面板处的电子发射层的底面与阴极电极接触地形成这一点不同，所以以下主要就背面面板进行说明。
虽然在上述第1实施例中电子发射层在背面玻璃基板上直接形成，但是在本第4实施例中，与现有技术同样，在阴极电极上形成。
图12是根据第4实施例的背面面板400的主要部分剖视图。再者，关于赋予与图3同一标号者，由于是同一构成要素所以省略其详细说明。
如该图中所示，背面面板400依次叠层玻璃基板21、阴极电极230、绝缘层24、牵引电极25，并且形成从牵引电极25贯通到阴极电极230的中途的孔263，在其底部上设有电子发射层470。
这里，电子发射层470的表面形成于相对于阴极电极230与绝缘层24的界面偏向背面玻璃基板21一侧。进而，电子发射层470的表面考虑电子束聚焦性能和电场强度分布两者的兼顾，离开阴极电极230与绝缘层24的界面的叠层方向的距离H4有必要取成阴极电极230与绝缘层24的界面位置处的孔263的开口宽度W4的0.02～0.15倍的范围内。象这样限制的理由与第2实施例是相同的。
也就是说，虽然从电子聚焦性能的观点来说距离H4越大越好，但是如果该值加大则产生发射电子用的驱动电压不得不提高，此外电子发射层表面上的电场强度分布加大这样的问题。提高驱动电压时，装置成本提高，此外，如果电场强度分布加大则发射区域收窄而发射电流降低，发射特性容易劣化。因此，考虑电子束聚焦性能和电场强度分布两者的兼顾，通过实验得出，在通常所使用的牵引电极的施加电压(20～70V)的范围内，电子100％通过牵引电极25的开口部的场合的从阴极电极与绝缘层的界面到电子发射层表面的距离H4与阴极电极的开口宽度W4之比(0.02～0.15)。
再者，作为此时的实验条件，在以下所示的条件下进行。
阴极电极厚度50μm，施加电压0V绝缘层 厚度50～100μm牵引电极厚度50μm，施加电压20～70V，开口宽度0.2mm阳极电极施加电压8～10kV从牵引电极到阳极电极的距离，0.5～2mm在上述实验条件下，使牵引电极的施加电压变化到20～70V，研究成为100％电子从其开口部通过的状态的条件。
用扫描型电子显微镜(SEM)测定此时的电子发射层的距离H4，确认H4成为4μm(20V)～30μm(70V)。这里，由于阴极电极的开口宽度W4为200μm，所以成为H4/W4＝0.02～0.15。
通过象这样构成，虽然电子与现有技术同样，容易从电子发射层470的中心部分发射，但是由于条件被优化，所以不会象现有技术那样对绝缘层24充电，成为电子被100％发射，与历来相比电子的聚焦性能提高。
作为形成电子发射层470的方法，可以用与在第1和第2实施例中说明的方法同样的方法。但是，阴极电极230在形成设置电子发射层470的孔之际有必要优化蚀刻时间等而不贯通到背面玻璃基板21地进行加工。
〔第5实施例〕根据第5实施例的图象显示装置，由于制成与第4实施例中所述的图象显示装置大致相同的构成，仅是背面的电子发射层的形状不同，所以主要就电子发射层进行说明。
虽然在上述第4实施例中电子发射层的表面平面地形成，但是在本第5实施例中，该表面被形成为凹面形状。
图13是根据第5实施例的背面面板的主要部分剖视图。再者，关于赋予与图12同一标号者，由于是同一构成要素所以省略其详细说明。
如该图中所示，在孔263的底面上，形成外表面制成凹透镜形状的电子发射层471。通过把电子发射层471形成为这种形状，电子发射层471的表面的边缘部靠近图中虚线所示的等电位面A3，所发射的电子在比较初期的阶段被偏转成对等电位面A3垂直方向。由于此一偏转点附近的等电位面A3比较平坦，所以所发射的电子外观上大致被照准地行进而被聚焦。
因而，可以认为与现有技术相比，从电子发射层471的周围部电子容易发射，由于从聚焦性能比中心部要高的部分所发射的电子增加，所以可以认为电子的聚焦性能提高。
这里，电子发射层471表面形成于相对于阴极电极231与绝缘层24的界面偏向背面玻璃基板21一侧。这里，电子发射层471的表面出于与第2实施例同样的理由，考虑电子束聚焦性能与电场强度分布两者的兼顾，离开阴极电极231表面的距离H5优选阴极电极231的开口宽度W5的0.02～0.15倍的范围内。
作为象这样形成电子发射层471的方法，可以用与在第2实施例中说明的方法同样的方法，把形成电子发射层471用的糊剂选择成相对阴极电极231接触角为90°以下。
(变型例)①如图14中所示，在阴极电极232上设置凹面部233，在其上形成电子发射层472，借此可以认为即使把电子发射层472的底面制成其中心部隆起的凸透镜状的凸面形状也可以得到同样的效果。如果象这样设置凹面部233，则由于电子发射层472的表面形状与凹面部233的形状相应地形成，所以通过变更凹面部233的形状可以自如地变更电子发射层472的形状。
②此外，也可以如图15中所示，在孔264的底面处的阴极电极232的凹面部233之上，设置在第3实施例中所述的那种由多脚体组成的取向构件475，缠绕于其上地附着电子发射构件474。
③进而，也可以不是在背面玻璃基板上条状地形成阴极电极，而是如图16中所示，在背面面板404中，按象素单位设置阴极电极234。如果用这种构成，则由于可以把阴极电极234本身看成宏观的突起，所以可以认为容易引起对电子发射层476的电场集中。因而，可以认为与上述第5实施例相比发射特性优良。
工业实用性根据本发明的电子发射元件和用它的图象显示装置，在实现要求特别高精细的图象显示装置上是有效的。
权利要求
1.电子发射元件，是在基片上依次叠层阴极电极、绝缘层和电子牵引电极，在从前述牵引电极侧到阴极电极的孔的底面上，设有与前述阴极电极接触的电子发射层的电子发射元件，所述电子发射层设置成使其表面位于相对于所述阴极电极与所述绝缘层的界面偏向基片侧，所述电子发射层与所述阴极电极的接触区域限定于所述孔的底面处的除了中心部的周围区域。
2.如权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于，前述电子发射层设置成使从其表面到前述阴极电极与绝缘层的界面的叠层方向的距离为相对于该界面处的前述孔的开口宽度的0.02～0.15倍。
3.如权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于，前述电子发射层其表面为凹面形状。
4.如权利要求3所述的电子发射元件，其特征在于，前述电子发射层其底面为凸面形状。
5.如权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于，前述电子发射层在其表面上有突起。
6.如权利要求5所述的电子发射元件，其特征在于，前述电子发射层的突起形成多个，当其高度为H，与邻接的突起的距离为D时，满足D≥H/2的关系。
7.如权利要求5所述的电子发射元件，其特征在于，前述电子发射层由发射电子的发射层和为了使该发射层取向而在表面上有凹凸的取向层组成，前述发射层有与前述取向层表面的形状相应的凹凸形状。
8.如权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于，前述电子发射层配置于前述孔的底面的除了中心部的周围部。
9.如权利要求1中所述的电子发射元件，其特征在于，前述阴极电极在前述孔的底面处的除了中心部的周围部上有突出的突出部。
10.如权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于，前述阴极电极在与前述基片之间夹入配置与该阴极电极不同的导电性材料制成的第2阴极电极，该第2阴极电极在前述孔处的底面的除了中心部的周围部上有突出的突出部。
11.如权利要求1所述的电子发射元件，其特征在于，前述电子发射层含有作为电子发射材料的纤维状石墨或碳纳米管。
12.如权利要求11所述的电子发射元件，其特征在于，前述电子发射层含有使前述电子发射材料取向用的有多脚形状的取向构件。
13.图象显示装置，是经由间隙件把具备有射出电子束的多个电子发射部矩阵状地排列的电子发射元件的第1面板、第2面板在基片上对峙配置的图象显示装置，其特征在于，所述电子发射元件是在基片上依次叠层阴极电极和绝缘层和电子牵引电极、在从所述牵引电极侧到所述阴极电极的孔的底面上设有与所述阴极电极接触的电子发射层的电子发射元件，其中，所述电子发射层设置成使其表面位于相对于所述阴极电极与所述绝缘层的界面偏向基片侧，所述电子发射层与所述阴极电极的接触区域限定于所述孔的底面处的除了中心部的周围区域。
全文摘要
本发明提供能改善所发射的电子的聚焦性能的电子发射元件，其中在基片上依次叠层阴极电极和绝缘层和电子牵引电极、在从牵引电极侧到阴极电极的孔的底面上设有与阴极电极接触的电子发射层的电子发射元件。在此规定，电子发射层设置成使其表面位于相对于阴极电极与绝缘层界面偏向基片侧，电子发射层与阴极电极的接触区域限定于孔底面处的除中心部的周围区域。因此，由于电子发射层接收来自位于其侧面的阴极电极的电子，所以电子主要从电子发射层表面的边缘部发射，借此提高电子聚焦性能。本发明还提供带有上述电子发射元件的图象显示装置，其中，通过间隙件把具有射出电子束的多个电子发射部矩阵状地排列的电子发射元件的第1面板和第2面板对峙布置在基片上。
文档编号H01J29/04GK1848353SQ20051010888
公开日2006年10月18日 申请日期2001年7月16日 优先权日2000年7月19日
发明者白鸟哲也, 秋山浩二, 黑川英雄 申请人:松下电器产业株式会社