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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronenemissionselement der
Kaltkathodenart, das eine Feldemission von Elektronen verursacht
und eine unter Verwendung desselben hergestellte Bildanzeigevorrichtung.
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In
den letzten Jahren haben sich steigende Ansprüche hinsichtlich einer Verminderung
der Dicke von Anzeigen bzw. Bildschirmen und eine verbesserte Kompaktheit
ergeben, wodurch die Entwicklung von Mikrominiaturelektronen-Emissionselementen für eine hohe
Betriebsgeschwindigkeit sehr lebhaft geworden ist.
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In
der Entwicklung von Elektronenemissionselementen war die Forschung
und die Entwicklung zuerst auf die thermische Emissionsart gerichtet,
jedoch wurde in den letzten Jahren die Forschung und Entwicklung
der Kaltkathodenart, die keine Erwärmung bei hohen Temperaturen
zur Elektronenemission sogar bei einer niedrigen Spannung erfordert, sehr
intensiv. Vor diesem Hintergrund und aufbauend auf den Stand der
Technik wurde eine Elementenstruktur der Kaltkathodenart zum Erreichen
eines stabilen hohen Stroms bei niedriger Spannung und niedrigem
Energieverbrauch, wobei die Elektronenemission von einer ausgewählten Stelle
verursacht wurde, in der nicht geprüften
japanischen Patentveröffentlichung Nr. H10-199398 vorgeschlagen.
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Dieses
Element weist, wie in 8(a) gezeigt,
eine Struktur auf, bei der eine Graphitschicht 212, die
als Kathodenelektrode dient, linienförmig auf ein Substrat 211 aufgebracht
ist, und auf der dann eine Elektronenemissionsschicht 213,
bestehend aus einer Kohlenstoffnanotubeschicht, vorgesehen ist.
Weiter ist eine Isolierzone 214 an beiden Seiten der Elektronenemissionsschicht 213 vorgesehen, und
darauf ist linienförmig
eine Gitterelektrode 215 angeordnet, sodass sie senkrecht
zu der Elektronenemissionsschicht 213 verläuft.
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Mit
dieser Struktur wird ein elektrisches Feld an den Abschnitten erzeugt,
wo sich die Elektroden schneiden, wenn eine positive Spannung auf
die Gitterelektrode 215 und eine negative Spannung auf
die Kathodenelektrode 213 aufgebracht wird, und die Elektronen
werden von den sich schneidenden Abschnitten der Kathodenelektrode
abgezogen. Durch die Auswahl einer Linie, auf die eine Spannung
aufgebracht wird, ist es möglich,
die Elektronenemission von einer ausgewählten Stelle zu verursachen.
Da die Elektronenemissionsschicht weiter aus Kohlenstoffnanotubes
besteht, die eine ausgezeichnete Entladungseigenschaft aufweisen,
kann ein stabiler starker Strom in einem niedrigen Vakuum und bei
einer niedrigen Spannung erreicht werden.
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Diese
Elementenstruktur weist jedoch die folgenden Probleme auf:
- 1. Da das begrenzte Abziehen der Elektronen
nur durch die Potenzialdifferenz zwischen der Kathode und dem Gitter
erreicht wird, um Elektronen von der Kathode abzuziehen, muss eine
ausreichende Spannung auf Gitterelektrode aufgebracht werden. Somit
ist es schwierig, eine ausreichend niedrige Betriebsspannung zu
verwirklichen.
- 2. Da zwischen den gegenüberliegenden
Flächen der
sich schneidenden Kathodenelektrode und der Gitterelektrode ein
elektrisches Feld erzeugt wird, fließen viele von dem Kathodenelektrodenflächenende
emittierte Elektronen nach oben in die Gitterelektrode, die die
gegenüberliegende Fläche darstellt.
Die Anzahl der Elektronen, die die über der Gitterelektrode angeordnete
Anode erreichen, ist daher nicht mehr als der kleine Teil, der sich
durch den mittleren Abschnitt der Elektronendurchgangsöffnung ausbreitet.
Somit ist der Verwendungswirkungsgrad der emittierten Elektronen
niedrig.
- 3. Die Anodenelektrode ist über
der Gitterelektrode angeordnet, wobei jedoch, wenn der Anodenelektrode
ein Potenzial zugeführt
wird, eine elektrische Feldkonzentration an den Randabschnitten
der Gitterelektrode entsteht, sodass das Auftreten einer abnormalen
Entladung von den Randabschnitten des Gitters 215 auftreten
kann. Eine abnormale Entladung bewirkt eine beträchtliche Verschlechterung der
Zuverlässigkeit
der Elektronenemissionsvorrichtung.
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Die
vorliegende beanspruchte Erfindung soll die genannten und andere
Probleme lösen.
Durch intensive Forschung haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung
entdeckt, dass Elektronen sehr wirksam von einem Elektronenemissionsmaterial
(Kathodenelektrode) durch die Kombination eines elektrischen Feldes
zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode und eines
elektrischen Feldes zwischen der Gitterelektrode und der Kathodenelektrode
abgezogen werden können,
und dass eine abnormale Entladung von den Randabschnitten der Gitterelektrode
durch Einstellen der Anordnung und der Form der Gitterelektrode
verhindert werden kann. Die Erfinder erreichten so die vorliegende
beanspruchte Erfindung.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung nach Anspruch 1 wird ein Elektronenemissionselement geschaffen,
umfassend ein Elektronenförderteil,
eine Kathodenelektrode, umfassend ein an dem Elektronenförderteil
befestigtes Elektronenemissionsteil, eine von der Kathodenelektrode
beabstandet angeordnete Anodenelektrode und eine zwischen der Kathodenelektrode
und der Anodenelektrode angeordnete Gitterelektrode mit einer Elektronendurchgangsöffnung,
wobei die räumliche
Anordnung der drei Teile, der Kathodenelektrode, der Anodenelektrode
und der Gitterelektrode und ihre entsprechenden Formen so ausgebildet
sind, dass mindestens eine Äquipotenzialfläche einschließlich einer
Gitterelektrodenfläche
eines zwischen der Gitterelektrode und der Anodenelektrode erzeugten
elektrischen Feldes sich in Richtung der Kathodenelektrodenseite
erstreckt und sich von der Elektronendurchgangsöffnung zur Kathodenelektrodenseite
ausbreitet, und das ausgebreitete elektrische Feld und ein zwischen
der Kathodenelektrode und der Gitterelektrode erzeugtes elektrisches
Feld miteinander zur Ausbildung eines kombinierten elektrischen
Feldes zusammenwirken, und eine Elektronenemissionssteuereinrichtung
so vorgesehen ist, dass das Potenzial der Anodenelektrode in bezug
zur Kathodenelektrode ein Potenzial ist, bei dem die Feldemission
der Elektronen von der Kathodenelektrode in Richtung der Anodenelektrode
nur durch sein Potenzial verur sacht wird, das das Potenzial der
Gitterelektrode eine zur Anodenelektrode entgegengesetzte Polarität aufweist,
und dass durch Verändern
des Potenzials der Gitterelektrode die Stärke des kombinierten elektrischen
Feldes verändert
wird.
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Verglichen
mit üblichen
Feldemissionselementen wird mit einem dieses Steuerverfahren verwendende
Element eine sehr wirksame Feldemission möglich. Somit können bei
einer niedrigen Betriebsspannung ein gutes Ansprechen und eine stabile
Elektronenemission erreicht werden. Das Grundprinzip dieser Art
des Elektronenemissionselements gemäß der beanspruchten Erfindung
wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
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Bei
einem Elektronenemissionselement gemäß der Erfindung sind, um ein
kombiniertes elektrisches Feld auszubilden, die räumliche
Anordnung und die Formen der drei Teile, der Kathodenelektrode,
der Anodenelektrode und der Gitterelektrode geeignet eingestellt,
und durch die Verwendung der Elektronenemissionssteuereinrichtung
wird die Intensität
des kombinierten elektrischen Feldes gesteuert, um die Anzahl der
von der Kathodenelektrode emittierten Elektronen zu steuern. Die
Eigenschaften und technischen Merkmale dieses kombinierten elektrischen
Feldes werden durch 1 deutlich.
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1 zeigt
das Konzept, wie eine sehr viel niedrigere Spannung, jedoch mit
der gleichen Polarität
wie die der Anodenelektrode auf die Gitterelektrode aufgebracht
wird, wobei der Zustand des kombinierten elektrischen Feldes durch Äquipotenzialflächen 10 wiederge geben
ist. Wie in 1 gezeigt, breitet sich ein
zwischen einer Gitterelektrode 3 und einer Anodenelektrode
bestehendes elektrisches Feld von der Elektronendurchgangsöffnung der
Gitterelektrode 3 zu der Kathodenelektrodenseite aus und
dieses ausgebreitete elektrische Feld wirkt mit einem zwischen einer
Kathodenelektrode 2 und der Gitterelektrode 3 erzeugten
elektrischen Feld zusammen, um einen vorstehenden Satz von Äquipotenzialflächen an
der Kathodenelektrodenseite auszubilden. Dieser Satz der Äquipotenzialflächen ist
das kombinierte elektrische Feld.
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Ein
kombinierter elektrischer Feldbereich 11 von 1 bezeichnet
den Bereich der Wirkung des sich ausbreitenden elektrischen Feldes,
in anderen Worten den Bereich des kombinierten elektrischen Feldes.
Die entsprechenden Abstände
der Gruppe der Äquipotenzialflächen innerhalb
des kombinierten elektrischen Feldbereichs 11 sind, wie
in 1 gezeigt, die kleinsten, auf der die Punkte (Täler) jeder Äquipotenzialfläche verbindenden
Linie (Tallinie), und da der Abstand von der Tallinie zur rechten
oder linken Seite zunimmt, erweitern sich die Abstände der Äquipotenzialfläche. D.
h., die Gruppe der Punkte der Tallinie weisen die größten Potenzialdifferenzen auf,
und der Abstand von der Tallinie nimmt sowohl nach rechts als auch
nach links zu, wodurch die Potenzialdifferenzen abnehmen. Weiter
verläuft
diese Tallinie senkrecht zu einer Anodenelektrodenfläche und
zu der Kathodenelektrode. Dieser Aspekt des kombinierten elektrischen
Feldes gibt Anlass für
die folgenden positiven Wirkungen bei der Elektronenemission.
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Da
erstens die Tallinie größere Potenzialdifferenzen
in dem Tallinienabschnitt, wo die Tallinie sich mit der Kathodenelektrode
schneidet als in anderen Bereichen zeigt, nimmt die Wirkung des
Abziehens von Elektronen von der Kathodenelektrode zu. Die abgezogene
Elektronen werden längs
der Tallinie geführt,
die die größte Potenzialdifferenzen
zeigt, und gelangen zu der Anodenelektrode. Somit gibt es nur eine
geringe Verminderung bei dem Elektronenverwendungswirkungsgrad infolge
der Absorption von Elektronen durch die Gitterelektrode. D. h.,
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung, das ein kombiniertes elektrisches Feld
verwendet, leitet die Tallinie gleichbleibend die von der Kathodenelektrode
emittierten Elektronen zu der Anodenelektrode, sodass sie die Funktion
eines Tunnels für
das Fliegen der Elektronen, wo sie sind, hat. Es ist somit möglich, auch
bei niedrigen Gitterelektrodenspannungen von der Kathodenelektrode
abgezogene Elektronen wirksam zu der Anodenelektrode zu bringen.
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Durch
Versuche wurde bestätigt,
dass, wenn ein kombiniertes elektrisches Feld verwendet wird, die
Wirkungen und ähnliches
auf das Abziehen von Elektronen von der Kathodenelektrode merklich
erhöht
werden, wobei allerdings die Beziehung zwischen den einzelnen elektrischen
Feldern und dem kombinierten elektrischen Feld, der Zustand der
Verteilung von dem elektrischen Potenzial innerhalb des kombinierten
elektrischen Feldes und ähnliches
gegenwärtig
noch nicht vollständig
verstanden sind. Es soll darauf hingewiesen werden, dass die Potenzialdifferenzen
in üblichen
Elementen, die kein kombiniertes elektrisches Feld verwenden, so
sind, dass sich Äquipotenzialflächenabstände ergeben, wie
außerhalb
des kombinierten elektrischen Feldbereichs 11 von 1 gezeigt
ist.
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Wie
oben beschrieben, kann gemäß der oben
beschriebenen Konstruktion der vorliegenden beanspruchten Erfindung
das auf die Anodenelektrode und die Gitterelektrode aufgebrachte
Potenzial wirksam zum Abziehen von Elektronen von der Kathodenelektrode
verwendet werden und somit können,
verglichen mit Feldemissionselementen der üblichen Ausbildung, eine größere Anzahl
von Elektronen gleichbleibend von der Kathodenelektrode mit niedriger
Energie abgezogen werden.
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Die
vorliegende beanspruchte Erfindung kann weiter wie folgt ausgebildet
sein.
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Die
Arbeitsfunktion von mindestens einer Anodenelektrodenseitenfläche der
Gitterelektrode kann größer als
die Arbeitsfunktion der Kathodenelektrode sein. Diese Ausbildung
macht es möglich, die
abnormale Entladung der Elektronen von einer Fläche der Gitterelektrode in
Richtung der Anodenelektrode zu verhindern.
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Die
Gitterelektrode kann mittels eines elektrischen Schaltkreises, durch
den Elektronen nicht von der geerdeten Seite fließen, geerdet
sein. Diese Ausbildung macht es möglich, eine abnormale Entladung von
der Gitterelektrode zu verhindern.
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Die
Gitterelektrode kann zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode
so angeordnet sein, dass mindestens die Beziehung d ≥ Z1 erfüllt ist,
wobei d die maximale Öffnungslänge der Elektronendurchgangsöffnung und
Z1 der vertikale Abstand von einer Kathodenelektrodenfläche zu einer
Fläche
auf der Kathodenelektrodenseite der Gitterelektrode darstellt. Diese
Ausbildung macht es möglich,
dass sich das elektrische Feld zwischen der Anodenelektrode und
der Gitterelektrode leicht von der Elektronendurchgangsöffnung der
Gitterelektrode ausbreitet.
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Ein
elektrisches Feldkonzentrationsverminderungsmittel zum Vermindern
einer elektrischen Feldkonzentration von der Anodenelektrode kann
in der Nähe
der Elektronendurchgangsöffnung
der Gitterelektrode erfolgen und das elektrische Feldkonzentrationsverminderungsmittel
kann so sein, dass die Arbeitsfunktion eines Umfangsrandabschnitts
an der Anodenelektrodenseite der Elektronendurchgangsöffnung der
Gitterelektrode größer als
die Arbeitsfunktion der anderen Abschnitte der Gitterelektrode ist.
Zusätzlich
kann es so sein, dass mindestens der Umfangsrandabschnitt an der
Anodenelektrodenseite der Elektronendurchgangsöffnung der Gitterelektrode
abgeschrägt
ist. Durch Verwenden diese Ausbildung wird eine abnormale Entladung
in der Nähe
der Elektronendurchgangsöffnung
verhindert.
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Die
Elektronenemissionssteuereinrichtung in der Ausbildung der vorliegenden
beanspruchten Erfindung kann so sein, dass das Potenzial der Anodenelektrode
in bezug auf die Kathodenelektrode konstant ist, und die Stärke des
kombinierten elektrischen Feldes durch Verändern des Potenzials der Gitterelektrode
verändert
wird. Die vorliegende beanspruchte Erfindung verwendet eine Ausbildung
so, dass das elektrische Feld an der Anodenelektrodenseite sich
von der Öffnung
der Gitter elektrode zur Kathodenelektrodenseite ausbreitet und mit
dem zwischen der Gitterelektrode und der Kathodenelektrode erzeugten
elektrischen Feld kombiniert wird. Diese Ausbildung macht es möglich, die
Eigenschaften und Intensität
eines kombinierten elektrischen Feldes nur durch Ändern des
Potenzials der Gitterelektrode zu verändern, wodurch es möglich ist,
die Anzahl der von der Kathodenelektrode emittierten Elektronen
zu verändern.
Hierdurch kann durch geeignetes Einstellen des Potenzials der Anodenelektrode,
des Gitterelektrodenpotenzials, das als Potenzial zur Steuerung der
Anzahl der von der Kathodenelektrode emittierten Elektronen dient,
sehr klein gemacht werden.
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Die
Elektronenemissionssteuereinrichtung kann so ausgebildet sein, dass
das Potenzial der Anodenelektrode in bezug auf die Kathodenelektrode ein
Potenzial ist, bei dem die Feldemission der Elektronen von der Kathodenelektrode
in Richtung der Anodenelektrode nicht nur durch ihr Potenzial bewirkt
wird, wobei das Potenzial der Gitterelektrode die gleiche Polarität wie das
der Anodenelektrode aufweist, und durch Verändern des Potenzials der Gitterelektrode
wird die Stärke
des kombinierten elektrischen Feldes verändert.
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Auch
wenn das Potenzial der Anodenelektrode in bezug auf die Kathodenelektrode
ein Potenzial ist, bei dem die Feldemission der Elektronen von der
Kathodenelektrode in Richtung der Anodenelektrode nicht nur durch
sein Potenzial verursacht wird, breitet sich durch geeignetes Anordnen
usw. der räumlichen
Anordnung und der entsprechenden Formen der drei Teile, der Kathodenelektrode,
der Anodenelektrode und der Gitterelekt rode ein elektrisches Feld
von der Elektronendurchgangsöffnung
der Gitterelektrode aus, und dieses sich ausbreitende Feld wirkt
auf das elektrische Feld zwischen der Gitterelektrode und der Anodenelektrode,
wodurch es möglich
wird, ein kombiniertes elektrisches Feld auszubilden. Die Intensität und ähnliches
dieses kombinierten elektrischen Feldes kann durch Verändern des Gitterelektrodenpotenzials
durch Verwenden der Elektronenemissionssteuereinrichtung verändert werden.
Hierdurch ist es möglich,
leicht die Elektronenemission von der Kathodenelektrode zu steuern.
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Das
Elektronenemissionssteuermittel kann so sein, dass das Potenzial
der Anodenelektrode in bezug auf die Kathodenelektrode ein Potenzial
ist, bei dem die Feldemission von Elektronen von der Kathodenelektrode
in Richtung der Anodenelektrode nur durch sein Potenzial bewirkt
wird, und durch Ändern
des Potenzials der Gitterelektrode wird die Stärke des kombinierten elektrischen
Feldes verändert. Mit
dieser Ausbildung kann die Emission von Elektronen von der Kathodenelektrode
wie bei der obigen Ausbildung gesteuert werden, jedoch kann bei
dieser Ausbildung das auf die Gitterelektrode aufgebrachte Potenzial
innerhalb des Bereichs von Plus zu 0 zu Minus verändert werden,
um die Feldemission zu steuern. Insbesondere wird, wenn die Elektronenemission
von der Kathodenelektrode begrenzt wird, ein Potenzial mit einer
umgekehrten Polarität
zu der der Anodenelektrode auf die Gitterelektrode aufgebracht, und
wenn eine weitere Erhöhung
der Anzahl der von der Kathode abgezogenen Elektronen gewünscht wird,
wird ein Potenzial mit der gleichen Polarität zu der der Anodenelektrode
aufgebracht.
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Die
Kathodenelektrode bei einer Ausbildung der vorliegenden Erfindung
kann ein säulenförmig ausgebildetes
Elektronenemissionsteil umfassen, und das Elektronenemissionsteil
kann so angeordnet sein, dass sich eine in Spitzenrichtung des Elektronenemissionsteils
erstreckende Linie durch die Elektronendurchgangsöffnung verläuft und
senkrecht zu einer Anodenelektrodenfläche ist. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird, wie in 1 gezeigt, die Tallinie, die
die größten Potenzialdifferenzen
zeigt, senkrecht zur Anodenelektrode ausgebildet. Entsprechend wird
durch die säulenförmige Ausbildung des
Elektronenemissionsteils und durch die Anordnung dieses Teils vorzugsweise
so, dass es mit der Tallinie zusammenfällt, eine elektrische Feldkonzentration
in dem spitzen Abschnitt des säulenförmigen Elektronenemissionsteils
erzeugt, und somit wird die Elektronenemission von dem Teil vereinfacht,
und da die Äquipotenzialflächendichte
an den Seitenflächen der
Säule hoch
ist, wird eine wirksame Entladung möglich. D. h., da die Zone der
großen
Potenzialdifferenzen wirksam verwendet werden kann, ermöglicht diese
Ausbildung eine hohe Stromentladung bei einer niedrigen Betriebsspannung.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass auf der Grundlage der eingenommenen
Form des kombinierten elektrischen Feldes in 1 der Entladungswirkungsgrad
mehr verbessert wird, wenn ein säulenförmiges Elektronenemissionsteil
längs der
Tallinie innerhalb des kombinierten elektrischen Feldbereichs angeordnet
ist, als wenn ein ebenes Elektronenemissionsteil verwendet wird.
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Das
Elektronenemissionsteil kann eine Form haben, sodass die Beziehung
r ≤ 0,3D
erfüllt
ist, wobei r den Krümmungsradius
eines spitzen Eckenabschnitts und D die maximale Breite der Säule darstellt.
Es wird bevorzugt, dass diese Form verwendet wird, da, wenn diese
Form verwendet wird, in der Spitze des Elektronenemissionsteils
eine elektrische Feldkonzentration bewirkt wird.
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Die
Gitterelektrode und die Kathodenelektrode können so ausgebildet sein, dass
die Beziehung d ≥ Z1
erfüllt
ist, wobei d die maximale Öffnungslänge der
Elektronendurchgangsöffnung
der Gitterelektrode und Z1 der vertikale Abstand von einer Spitze
des Elektronenemissionsteils darstellt. Es wird bevorzugt, dass
d ≥ Z1 ist,
da die Ausbreitung des Anodenpotenzials größer wird, wenn d ≥ Z1 ist.
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Die
Gitterelektrode und die Kathodenelektrode können so ausgebildet sein, dass
die Beziehung Z1 ≤ 0,25L
erfüllt
ist, wobei L die Höhe
des Elektronenemissionsteils von einer Fläche des Elektronenförderteils
und Z1 der vertikale Abstand von einer Spitze des Elektronenemissionsteils
zu einer Fläche der
Gitterelektrode darstellt. Diese Bedingung macht es möglich, das
Ausbreiten des Anodenpotenzials weiter wirksam zu nutzen und die
in Richtung des Elektronenemissionsteils gerichtete elektrische
Feldkonzentration zu verstärken.
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Das
Elektronenemissionselement kann so ausgebildet sein, dass das Elektronenemissionsteil eine
Form hat, sodass die Beziehung r ≤ 0,3D
erfüllt ist,
wobei r der Krümmungsradius
eines spitzen Eckenabschnitts davon und D die maximale Breite der
Säule darstellt,
die Gitterelektrode so angeordnet ist, dass die Beziehung Z1 ≤ 0,25L erfüllt ist,
wobei L die Höhe
des Elektronenemissionsteils von einer Fläche des Elektronenförderteils
und Z1 der vertikale Abstand von einem spitzen Abschnitt des säulenförmigen Elektronenemissionsteils
zu einer Fläche
der Gitterelektrode darstellt, und die Größe der Elektronendurchgangsöffnung festgelegt
ist, sodass die Beziehung d > Z1
erfüllt
ist, wobei d die maximale Öffnungslänge der
Elektronendurchgangsöffnung
der Gitterelektrode darstellt. Diese Ausbildung macht es möglich, da
das kombinierte elektrische Feld sehr wirksam genutzt wird, ein
Elektronenemissionselement zu verwirklichen, das eine hohe Stromentladung
bei einer niedrigen Betriebsbespannung erreicht.
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Das
Elektronenemissionsteil kann ein Kohlenstoffmaterial umfassen.
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Das
Elektronenemissionsteil kann ein Graphit mit sechs Kohlenstoffringen
mit freien σ-Bindungen
umfassen. Graphit mit sechs Kohlenstoffringen mit freien σ-Bindungen zeigt eine
Neigung zur Elektronenemission und ist somit als Elektronenemissionsteil
von Vorteil.
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Das
Elektronenemissionsteil kann eine Whisker-Kristallsubstanz umfassen. Dies ist
von Vorteil, da eine Whisker-Kristallsubstanz eine ausgezeichnete
Elektronenemission aufweist.
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Das
Elektronenemissionsteil kann eine Kohlenstofffaser umfassen. Kohlenstofffaser
ist bezüglich
einer ausge zeichneten Entladungseigenschaft und eines moderaten
Preises von Vorteil.
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Das
Elektronenemissionsteil kann Kohlenstoffnanotubes umfassen. Kohlenstoffnanotubes sind
von Vorteil, da die Spitzen abgerundet sind und ist bezüglich der
Elektronenemission ausgezeichnet.
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Die
Kathodenelektrode kann weiter mindestens ein weiteres an einer Fläche des
Elektronenförderteils
befestigtes Elektronenemissionsteil umfassen, wobei die Elektronenemissionsteile
säulenförmig sind,
das Elektronenemissionselement so aufgebaut ist, dass zwischen den
Elektronenemissionsteilen und der Gitterelektrode die Beziehungen
P ≥ 0,5L und
Z1 ≤ 0,25L
erfüllt
sind, wobei P den Abstand zwischen jedem der Elektronenemissionsteile
und Z den vertikalen Abstand von einer Spitze des Elektronenemissionsteils
mit der größten vertikalen
Höhe zu
einer Fläche
der Gitterelektrode darstellt. Die Verwendung einer Kathodenelektrode
mit mehreren Elektronenemissionsteilen macht es möglich, die
Anzahl der emittierten Elektronen gegenüber einer Kathode mit einem
einzigen Elektronenemissionsteil bei der gleichen Betriebsspannung
weiter zu erhöhen.
Wenn jedoch der Abstand der mehreren Elektronenemissionsteile weniger
als die Hälfte
der Länge
der Teile ist, geht, da die elektrische Feldkonstruktion an jedem Elektronenemissionsteil
geschwächt
wird, die vorteilhafte Wirkung von mehreren Elektronenemissionsteilen
verloren. Aus diesem Grund wird bevorzugt, um die vorteilhaften
Wirkungen von mehreren Elektronenemissionsteilen zu erreichen, bevorzugt,
die Kathodenelektrode so auszubilden, dass P ≥ 0,5L und Z1 ≤ 0,25L ist.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen kann die Arbeitsfunktion
an mindestens einer Anodenelektrodenseitenfläche der Gitterelektrode größer sein
als die Arbeitsfunktion der Kathodenelektrode. Indem man die Arbeitsfunktion
der Anodenelektrodenseite der Gitterelektrode größer macht, ist es möglich, eine
abnormale Entladung von der Gitterelektrode zu verhindern.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen kann die maximale Länge d der
Elektronendurchgangsöffnung
der Gitterelektrode so ausgebildet sein, dass die Beziehung d ≥ Z1 erfüllt ist,
wobei d die maximale Öffnungslänge der
Elektronendurchgangsöffnung
der Gitterelektrode und Z1 den vertikalen Abstand von der Spitze
des Elektronenemissionsteils mit einer vertikalen Länge L zur
Fläche
der Gitterelektrode darstellt.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen kann ebenfalls das elektrische
Feldkonzentrationsverminderungsmittel zur Verminderung der elektrischen
Feldkonzentration von der Anodenelektrode in der Elektronendurchgangsöffnung der
Gitterelektrode erfolgen.
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In
diesem Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen kann das elektrische
Feldkonzentrationsverminderungsmittel so sein, dass die Arbeitsfunktion
des Umfangsrandabschnitts der Elektronendurchgangsöffnung der
Gitterelektrode an der Anodenelektrodenseite größer als die Arbeitsfunktion
der anderen Abschnitte der Gitterelektrode ist.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen kann das elektrische
Feldkonzentrationsverminderungsmittel so sein, dass ein Abschrägen an mindestens
dem Umfangsrandabschnitt der Elektronendurchgangsöffnung der
Gitterelektrode an der Anodenelektrodenseite erfolgt.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen kann die Gitterelektrode
mittels eines elektrischen Schaltkreises, durch den die Elektronen
nicht von der geerdeten Seite fließen, geerdet sein.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen können die Elektronenemissionsteile
ein Kohlenstoffmaterial umfassen.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen können ebenfalls die Elektronenemissionsteile ein
Graphit mit sechs Kohlenstoffringen mit freien σ-Bindungen umfassen.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen können die Elektronenemissionsteile
eine Whisker-Kristallsubstanz umfassen.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen können die Elektronenemissionsteile
ebenfalls eine Kohlenstofffaser umfassen.
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Im
Fall von mehreren Elektronenemissionsteilen können die Elektronenemissionsteile
ebenfalls Kohlenstoffnanotubes umfassen.
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Eine
Bildanzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung kann wie folgt ausgebildet sein. Eine Bildanzeigevorrichtung
umfasst mehrere Elektronenemissionselemente, einen Schaltkreis,
der mit jedem der Elektronenemissionselemente verbunden ist, und
der elektrische Signale zu jedem der Elektronenemissionselemente
zur Elektronenemission überträgt, und
einen Bildausbildungsabschnitt zur Ausbildung eines Bildes mittels
der von der Elektronenemissionselementen emittierten Elektronen,
wobei die Elektronenemissionselemente irgendwelche der Elektronenemissionselemente
von irgendwelchen der vorangegangenen Ausführungsformen der Erfindung
sind.
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Diese
Ausbildung macht es möglich,
eine Bildanzeigevorrichtung zu realisieren, die sehr genaue Bilder
bei einer niedrigen Betriebsspannung schafft, da die vorteilhaften
Wirkungen des Betriebs von irgendwelchen der oben beschriebenen
Elektronenemissionselementen erreicht werden.
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1 ist
eine schematische Ansicht zur Darstellung der Prinzipien der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine schematische Schnittansicht eines Elektronen emittierenden
Elements gemäß dem Beispiel
1.
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3 ist
eine schematische Schnittansicht des Kathodenelektrodenabschnitts
eines Elektronenemissionselements gemäß Beispiel 2.
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4 ist
eine schematische Schnittansicht eines Elektronenemissionselements
gemäß Beispiel 4.
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5 ist
eine schematische Schnittansicht eines Elektronenemissionselements
entsprechend Beispiel 7.
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6 ist eine schematische Schnittansicht zur
Darstellung des Herstellungsverfahrens eines Elektronenemissionselements
gemäß Beispiel
7.
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7 ist eine schematische Schnittansicht zur
Darstellung des Herstellungsverfahrens einer Bildanzeigevorrichtung
gemäß Beispiel
8.
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8 zeigt den Aufbau eines Elektronenemissionselements
nach dem Stand der Technik; (a) ist eine perspektivische Ansicht
zur Darstellung der gesamten Struktur und (b) ist eine geschnittene
Teilansicht.
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Beispiele
der vorliegenden beanspruchten Erfindung werden im Einzelnen jetzt
beschrieben. Bei den hier verwendeten Figuren werden gleiche Bezugszeichen
zur Bezeichnung von Elementen mit gleicher Funktion verwendet, und
eine Erläuterung
in jedem Beispiel erfolgt nicht.
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BEISPIEL 1
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Ein
Elektronenemissionselement gemäß Beispiel
1 wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. 2 ist
eine schematische Schnittansicht des Elements. In der Figur bezeichnet
Bezugszeichen 5 ein Isoliersubstrat umfassend Sodaglas oder ähnliches.
Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Elektronenförderteil,
das eine leitende Schicht umfasst und auf dem Substrat 5 ausgebildet ist.
Bezugzeichen 2 bezeichnet eine Kathodenelektrode, die ein
Elektronenemissionsteil umfasst und auf dem Elektronenförderteil 1 befestigt
ist. Bezugszeichen 3 bezeichnet eine zwischen der Kathodenelektrode 2 und
einer Anodenelektrode 4 angeordnete Gitterelektrode. Bezugszeichen 6 bezeichnet
einen Elektronenemissionssteuerabschnitt (ein Elektronenemissionssteuermittel)
zur Steuerung der Anzahl der von der Kathodenelektrode emittierten
Elektronen. Der Elektronenemissionssteuerabschnitt 6 weist
einen elektrischen Schaltkreis auf, der die auf jede Elektrode aufgebrachte
Spannung entsprechend von äußeren Eingangssignalen
und einem im Voraus eingegebenen Programm ändert. Dieser Schaltkreis ist
so ausgebildet, dass er nicht nur die Spannungen einer bestimmten
Polarität
zu Spannungen der gleichen Polarität verändert, sondern ebenfalls die
Spannung innerhalb eines breiten Bereichs von negativen Spannungen
einschließlich
der umgekehrten Polarität
zu positiven Spannungen ändert.
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Die
räumlichen
Anordnungen und Formen jeder der oben beschriebenen Teile ist wie
folgt.
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Die
Kathodenelektrode 2 ist eine säulenförmige Struktur mit einer Länge (Höhe) L und
einer maximalen Breite D und einem abgerundeten spitzen Abschnitt.
Die abgerundete Form ist so ausgebildet, dass die Beziehung zwischen
dem Krümmungsradius
r dieser abgerundeten Form und der Breite D so ist, dass der Ausdruck
r ≤ 0,3D
erfüllt
ist.
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Die
Gitterelektrode 3 weist eine Elektronendurchgangsöffnung mit
einem Durchmesser d auf und ist so ange ordnet, dass die Öffnung über einer sich
von der Spitze der Kathodenelektrode 2 erstreckenden Linie
angeordnet ist, und der vertikale Abstand von der Spitze der Kathodenelektrode 2 zu
einer Fläche
der Gitterelektrode Z1 ist. Weiter wird die Beziehung zwischen dem
Durchmesser d der Öffnung
und dem vertikalen Abstand Z1 vorher so eingestellt, dass der Ausdruck
d ≥ Z1 erfüllt ist,
und die Beziehung zwischen der Länge
L der Kathodenelektrode 2 und Z1 wird vorher so eingestellt,
dass der Ausdruck Z1 ≤ 0,25L
erfüllt
ist.
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Die
Anodenelektrode 4 ist an einer durch den vertikalen Abstand
Z2 von der oberen Fläche
der Gitterelektrode 3 definierten Stelle angeordnet.
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Das
Elektronenemissionselement von Beispiel 1 wird nun im Einzelnen
beschrieben. Das Elektronenförderteil 1 ist
eine leitende Schicht, die Elektronen zu der Kathodenelektrode 2 fördert und
liefert und besteht aus einem dünnen
oder dicken Film, umfassend ein Metall oder ähnliches. Die Struktur kann einlagig
oder mehrlagig sein, jedoch besteht in diesem Beispiel die Struktur
aus einer einlagigen Aluminiumfolie.
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Für die Elektrodenelektrode 2 können verschiedene
Materialien mit einer Elektronenemissionseigenschaft verwendet werden.
Beispiele dieser Materialien umfassen Kohlenstofffaser, Graphit,
Kohlenstoffnanotube und Diamant. Die Form der Kathodenelektrode 2 kann
zweidimensional sein, jedoch wird hinsichtlich der Elektronenemissionswirkung
bevorzugt, dass sie säulenförmig (prismatisch-,
zylindrisch- oder nadelkristallförmig)
ist, und dass der Spitzenabschnitt abgerundet ist.
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Wenn
die Form der Kathodenelektrode (Elektronenemissionsteil) säulenförmig ist,
wird weiter bevorzugt, die Elektrode so anzuordnen, dass die die
Mittelachse einschließende
Linie der Kathodenelektrode senkrecht zur Anodenelektrode verläuft, und weiter
wird bevorzugt, dass die oben erwähnte Mittelachse der Tallinie
in 1 entspricht. Wenn die Kathodenelektrode in dieser
Weise angeordnet ist, entsteht an dem Spitzenabschnitt der Kathodenelektrode
eine elektrische Feldkonzentration, wie in der Zusammenfassung erläutert, und
somit können
die Elektronen leicht von der Kathodenelektrode abgezogen und längs der
Tallinie zu der Anodenelektrode geführt werden, ohne dass sie während des
Wegs in die Gitterelektrode strömen.
Entsprechend wird die Wirksamkeit der Elektronen entscheidend gesteigert.
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In
diesem Beispiel wird eine säulenförmige Kathodenelektrode
durch Zusammenkleben gleicher Kohlenstoffnanotubes zur Ausbildung
einer Stange so gebildet, dass L = 2 mm und D = 0,2 mm ist, und die
Spitze der Elektrode in einer runden Form mit einem Krümmungsradius
von ungefähr
r = 0,04 mm ausgebildet ist. Weiter wird für die Gitterelektrode 3 eine
SUS-Platte (Ni-Cr Kupferplatte) mit einer Plattendicke von 0,1 mm
und eine darin ausgebildeten Elektronendurchgangsöffnung (Loch)
mit einem Durchmesser von 3 mm verwendet. Diese Gitterelektrode 3 ist
an einer Stelle angeordnet, die durch Z1 = 0,5 mm (Z1 ≤ 0,25L) von
der Spitze der Kathodenelektrode 2 definiert ist.
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Die
Anodenelektrode besteht weiter aus einem durchscheinenden leitenden
Material aus zum Beispiel ITO (Indiumzinnoxid) und einer Schicht
von zum Beispiel Fastphosphor P22 ist auf einer Oberfläche des
durchscheinenden leitenden Materials ausgebildet. Dies ist so, dass
das Licht emittiert wird, wenn Elektronen von der Kathodenelektrode
erhalten werden. Weiter beträgt
der Abstand Z2 der Anodenelektrode in diesem Beispiel von der Gitterelektrode 2 1
mm. Der oben erwähnte
Fastphosphor ist geeignet, um Elektronen bei einer hohen Spannung von
6 bis 10 kV zu ziehen und Licht zu emittieren.
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Das
Verfahren zum Anbringen des Elektronenförderteils 1 an dem
Elektronenemissionsteil (Kathodenelektrode 2) ist nicht
besonders begrenzt, bevorzugt wird jedoch beispielsweise das Verfahren
im Vakuum unter Verwendung eines Bindemittels, das weit verbreitet
ist, durchzuführen.
Weiter ist es möglich,
das Elektronenemissionsteil direkt auf dem Elektronenförderteil 1 unter
Verwendung von zum Beispiel Druck, Photomaskieren oder Ätzen auszubilden.
Ein Beispiel für
das oben erwähnte
Bindemittel ist eine Mischsubstanz, umfassend 99% Isoamylacetat
und 1% Nitrocellulose.
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Im
Folgenden wurde ein auf diese Weise hergestelltes Elektronenemissionselement
betrieben und seine Leistung wurde überprüft. Insbesondere wurde für ein Potenzial
gerade unter dem notwendigen Potenzial zum Bewirken der nicht unterstützten Feldemission
der Elektronen von der Kathodenelektrode eine Spannung von 8 kV
(konstant) auf die Anodenelektrode 4 eines wie oben beschrieben
hergestellten Elements aufgebracht. Unter diesen Bedingungen wurde
die Spannung der Gitterelektrode in dem Bereich von 0 V bis ungefähr 100 V
verän dert. Es
ergab sich, dass, wenn eine positive Spannung von 40 V auf die Gitterelektrode 3 aufgebracht
wurde, der Emissionsstrom der Kathodenelektrode 1 μA betrug.
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Andererseits
war es unter der Bedingung, dass eine Spannung nur auf die Gitterelektrode 3 aufgebracht
wurde, ohne eine Spannung auf die Anodenelektrode 4 aufzubringen,
d. h., unter der Bedingung, dass absolut kein Ausbreiten eines elektrischen
Feldes von der Anodenelektrode stattfand, wenn die auf die Gitterelektrode 3 aufgebrachte Spannung
verändert
wurde, notwendig, eine Spannung von 600 V aufzubringen, um die Feldemission der
Elektronen von der Kathodenelektrode zu bewirken. Aus dem Vergleich
der Ergebnisse der obigen Versuche wurde bestätigt, dass das Elektronenemissionselement
von Beispiel 1 bei einer niedrigeren Spannung als der bei dem üblichen
Verfahren notwendigen, die keinen Gebrauch von einem kombinierten
elektrischen Feld macht, betrieben werden konnte.
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Jedoch
ist es, wie in dem oben beschriebenen Betriebsbeispiel, wenn ein
Potenzial gerade unter dem notwendigen Potenzial zum Bewirken der nicht
unterstützten
Feldemission von Elektronen von der Kathodenelektrode aufgebracht
wurde, und unter dieser Bedingung die Spannung der Gitterelektrode 3 verändert wird,
möglich,
leicht die Anzahl der von der Kathodenelektrode 2 bei einer
niedrigen Spannung emittierten Elektronen zu verändern. Es wird angenommen,
dass der Grund hierfür
darin liegt, dass es beim Abziehen der Elektronen von der Kathodenelektrode 2 notwendig
ist, auf die Kathodenelektrode (Elektronenemissionsteil) ein elektrisches
Feld oberhalb des Schwellenwertes für eine Feld emission aufzubringen,
jedoch breitet sich bei einem Element der obigen Ausbildung das
von der Elektrode erzeugte elektrische Feld, das auf die Anodenelektrode 4 aufgebracht
wird, von der Elektronendurchgangsöffnung zu der Kathodenelektrodenseite
aus. Dieses ausgebreitete Feld verbindet sich mit dem durch das
Aufbringen einer Spannung auf die Gitterelektrode erzeugte elektrische
Feld zur Ausbildung eines kombinierten elektrischen Feldes. Dieses
kombinierte elektrische Feld ist so, siehe 1, dass Äquipotenzialflächen eine
dichte Tallinie aufweisen. Da dieses Tal das Abziehen der Elektroden
von der Fläche
der Kathodenelektrode unterstützt,
ist es möglich,
sehr wirkungsvoll Elektronen von der Fläche der Kathodenelektrode mit
einem kleinen Gitterelektrodenpotenzial abzuziehen. Weiter können die
Elektronen sehr wirksam die Anodenelektrode erreichen.
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Wie
oben erläutert,
ist das Elektronenemissionselement von Beispiel 1 so ausgebildet,
dass durch Aufbringen einer Spannung sowohl auf die Anodenelektrode
als auch auf die Gitterelektrode ein kombiniertes elektrisches Feld
gebildet wird, und die Verteilung und Intensität des kombinierten elektrischen
Feldes kann durch das Elektronenemissionssteuermittel 6 gesteuert
werden. Mit einem so ausgebildeten Element kann man ausgezeichnete
Elektronenemissionseigenschaften erreichen, die in der Vergangenheit
nicht erreicht werden konnten.
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BEISPIEL 2
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In
Beispiel 2 wurde die Kathodenelektrode 2 unter Verwendung
von mehreren säulenförmigen Elektronenemissionsteilen
ausgebildet. Insbesondere wurde, wie in 3 gezeigt,
der Abstand zwischen den Mittelachsen jeder entsprechenden Säule der Elektronenemissionsteile
mit einer maximalen Breite D P gemacht, und die mehreren Elektronenemissionsteile 2' wurden an dem
Elektronenförderteil 1 zur Ausbildung
der Kathodenelektrode 2 befestigt. Insbesondere wurden
5 zylindrische Elektronenemissionsteile, bestehend aus Kohlenstoffnanotubes
mit einer maximalen Breite D = 0,2 mm, einer Länge L = 2 mm und einer Spitze
mit einem Krümmungsradius
r = 0,04 mm verwendet, wobei der Abstand zwischen den Mittelachsen
von jedem Elektronenemissionsteil P = 1 mm ausgebildet wurde, und
die Elektronenemissionsteile Seite an Seite auf dem Elektronenförderteil 1 befestigt
wurden. Unter Verwendung einer auf diese Weite ausgebildeten Kathodenelektrode 2 und
bei sonst gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wurde ein Elektronenemissionsteil
entsprechend Beispiel 2 ausgebildet.
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Vom
Standpunkt der gegenseitigen Beeinflussung zwischen benachbarten
Elektronenemissionsteilen auf einem Minimum zu halten und wirksam ein
elektrisches Feld an jedem entsprechenden Elektronenemissionsteil
zu konzentrieren, wird der Abstand P so gewählt, dass der Ausdruck P ≥ 0,5L erfüllt wird.
Der Abstand P wurde auf diese Weise ausgewählt, da experimentell bestätigt wurde,
dass die Feldemission wirksam fortschreitet, wenn diese Bedingung
erfüllt
war, verglichen mit dem Fall, wenn diese Bedingung nicht erfüllt war.
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Es
wurde bestätigt,
dass, wenn die gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1, nämlich wenn
die auf die Anodenelektrode aufgebrachte Spannung 8 kV (konstant)
und eine Spannung auf die Gitterelektrode aufgebracht wurde, auf
ein Elektronenemissionselement entsprechend Beispiel 2 aufgebracht wurden,
das so ausgebildet war, dass der Ausdruck P ≥ 0,5L erfüllt war, man einen dreimal
so hohen Entladungsstrom von dem Element von Beispiel 1 für die gleichen
Gitterelektrodenspannungen erhielt. Weiter war der annehmbare Positionsbereich
(die Position der Spitzen der Elektronenemissionsteile und der Elektronendurchgangsöffnung der
Gitterelektrode), die Genauigkeit bei der Anordnung eines Elements größer bei
einer Kathodenelektrode mit mehreren säulenförmigen Elektronenemissionsteilen,
verglichen mit einer Kathodenelektrode mit einem Elektronenemissionsteil,
sodass in dieser Hinsicht die Herstellung erleichtert wird.
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BEISPIEL 3
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Ein
Elektronenemissionselement von Beispiel 3 unterscheidet sich von
einem Element gemäß Beispiel
1 darin, dass es so ausgebildet ist, dass ein Potenzial zum Bewirken
der Feldemission der Elektronen von der Kathodenelektrode durch
nur das Potenzial der Anodenelektrode 4 auf die Anodenelektrode 4 aufgebracht
wird. In anderer Hinsicht entspricht das Element dem von Beispiel
1. Diese Ausbildung wird verwirklicht, indem man eine bestimmte
Spannung auf die Anodenelektrode 4 unter Verwendung des
Elektronenemissionssteuermittel 6 aufbringt. Wenn ein Potenzial,
das die Feld emission der Elektronen von der Kathodenelektrode nur
durch das Potenzial der Anodenelektrode 4 auf die Anodenelektrode 4 aufgebracht
wird, werden Elektronen an der Kathodenelektrode 2 in Richtung
der Anodenelektrode 4 emittiert, auch wenn keine Spannung
auf die Gitterelektrode 3 aufgebracht wird. Beim Begrenzen
der Anzahl der emittierten Elektronen wird daher ein Potenzial mit
einer sich von der der Anodenelektrode (negatives Potenzial) unterschiedlichen
Polarität
auf die Gitterelektrode 3 aufgebracht. Andererseits wird, wenn
es gewünscht
wird, weiter die Anzahl der von der Kathodenelektrode emittierten
Elektronen zu erhöhen,
ein Potenzial mit der gleichen Polarität wie der der Anodenelektrode
(positives Potenzial) auf die Gitterelektrode 3 aufgebracht.
Entsprechend ist es mit einem Element dieser Ausbildung möglich, stark die
Anzahl der von der Kathodenelektrode emittierten Elektronen durch
Verändern
des auf die Gitterelektrode 3 aufgebrachten Potenzials
und die Größe des Potenzials
zu verändern.
D. h., mit dieser Konstruktion kann ein Elektronenemissionselement
mit guter Anwendbarkeit verwirklicht werden.
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Da
das Potenzial umgekehrter Polarität (negativ) durch die Gitterelektrode
so aufgebracht wird, dass der Elektronenstrahl in der Elektronendurchgangsöffnung der
Gitterelektrode konvergiert, ist es mit dieser Ausbildung möglich, wirksam
das Aufbringen der emittierten Elektronen auf die Anodenelektrode
sicherzustellen.
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Im
Folgenden wurde das Element von Beispiel 3 betrieben und die Leistung
festgestellt. Es wurde nämlich
auf die Anodenelektrode 4 10 kV aufgebracht, ein Poten zial,
das ein wenig größer als
das zum Bewirken der Feldemission der Elektronen von der Kathodenelektrode 2 nur
durch diese Spannung ist, und das Potenzial der Gitterelektrode 3 wurde verändert. Als
Ergebnis wurde festgestellt, wenn eine negative Spannung von 50
V auf die Gitterelektrode 3 aufgebracht wurde, dass ein
1 μA Strom
von der Kathodenelektrode 2 emittiert wurde. Wenn andererseits
die Spannung für
die Anodenelektrode 0 V betrug, fand man, dass die Spannung der
Gitterelektrode zum Abziehen von Elektronen von der Kathodenelektrode
600 V betrug.
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Durch
einen Vergleich der Ergebnisse dieser Experimente wurde die Fähigkeit
der Begrenzung des Abziehens von Elektronen bei einer äußerst geringen
Betriebsspannung durch Verwenden des Elements mit der Ausbildung
von Beispiel 3 dargelegt.
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BEISPIEL 4
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Im
Beispiel 4 wurde ein Elektronenemissionselement mit dem gleichen
Aufbau wie von Beispiel 1 ausgebildet mit der Ausnahme, dass ein
Abschrägen
an dem Umfang einer Elektronendurchgangsöffnung 3a der Gitterelektrode 3 vorgenommen wurde.
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Eine
schematische Schnittansicht dieses Elements ist in 4 gezeigt.
Die Abschrägung
besteht darin, dass die Ränder
geneigt oder rund ausgebildet werden. Wenn diese Art der Abschrägung an einem
Umfangsrand der Elektronendurchgangsöffnung 3a ausgebildet
wird, wird eine elektrische Feldkonzentration an dem Umfangsrand
vermindert. Somit wird eine abnormale Entladung von den Rändern der Öffnung unterdrückt, und
da die elektrische Feldkonzentration an der Spitze der Kathodenelektrode 2 die
Ränder
der Öffnung überwunden
hat, erfolgt die Entladung von der Kathodenelektrode 2 kontinuierlich
weiter.
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Das
Verfahren des Abschrägens
ist nicht in besonderer Weise begrenzt, jedoch ist es im Fall von schrägen Rändern wirksam,
das Abschrägen
an dem Rand durchzuführen,
der sich auf der Seite der Anodenelektrode befindet, da eine abnormale
Entladung an dieser Seite aufzutreten neigt. Ein Beispiel eines Verfahrens
zum Abschrägen
umfasst das Ätzen
des Öffnungsabschnitts
der Gitterelektrode mit einer Ätzflüssigkeit.
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Das
Elektronenemissionselement von Beispiel 4 wurde unter den gleichen
Bedingungen wie das von Beispiel 1 betrieben, nämlich es wurde ein Potenzial
(8 kV), bei dem das nicht unterstützte Abziehen von Elektronen
von der Kathodenelektrode 2 nicht möglich war, aufgebracht, und
unter der Bedingung, dass verschiedene positive Spannungen auf die
Gitterelektrode 2 aufgebracht wurden, wurde die Leistung
festgestellt. Als Ergebnis wurde bestätigt, dass, wenn eine Spannung
von 40 V auf die Gitterelektrode 2 aufgebracht wurde, die
Erzeugung eines Entladungsstroms von 1 μA durch die Kathodenelektrode
ohne irgendein Auftreten einer abnormalen Entladung von der Elektronendurchgangsöffnung 3a stattfand.
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Während in
Beispiel 4 das Abschrägen
als Mittel zum Vermindern der elektrischen Feldkonzentration durchgeführt wurde,
kann jedoch eine abnormale Entladung an den Rändern der Öffnung infolge der elektrischen
Feldkonzentration verhindert werden, wenn man die Arbeitsfunktion
des Umfangs der Öffnung
größer als
die der anderen Abschnitte macht. Je größer die Arbeitsfunktion ist,
um so schwieriger ist die Entladung. Als ein Verfahren zum teilweisen Ändern der
Arbeitsfunktionen ist es möglich,
zum Beispiel ein Teil mit einer großen Arbeitsfunktion in der
Nähe der
Elektronendurchgangsöffnung 3a anzubringen
(einschließlich
anzuwenden). Zusätzlich
kann ein Teil mit einer großen
Arbeitsfunktion an der abgeschrägten
Fläche
angebracht werden.
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BEISPIEL 5
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Es
wurde ein Elektronenemissionselement so ausgebildet, dass es die
gleiche Struktur wie die im Beispiel 4 hatte, auf die Anodenelektrode
wurde ein Potenzial zum Bewirken der nicht unterstützenden
Feldemission der Elektronen von der Kathodenelektrode aufgebracht
und es war ein Elektronenemissionssteuermittel vorgesehen, das die
auf die Gitterelektrode 3 aufgebrachte Spannung verändern kann.
Das Element wurde betrieben und die Leistung festgestellt.
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Auf
die Anodenelektrode wurde eine Spannung von 10 kV aufgebracht, eine
Spannung, die ein wenig größer als
die Spannung ist, bei der Elektronen von der Kathodenelektrode ohne
Unterstützung
emittiert werden, und es wurde die auf die Gitterelektrode aufgebrachte
Spannung verändert.
Es hat sich ergeben, dass, wenn eine negative Spannung (umgekehrte
Polarität
zu der Anode) von 50 V auf die Gitterelektrode 3 aufgebracht
wurde, ein Entladungsstrom von 1 μA
durch die Kathodenelektro de 2 erreicht wurde. Auch wenn
die Spannung der Gitterelektrode im Bereich vom Negativen zum Positiven verändert wurde,
trat absolut keine abnormale Entladung an der Elektronendurchgangsöffnung 3a auf.
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BEISPIEL 6
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Ein
Elektronenemissionselement von Beispiel 6 hat im Wesentlichen die
gleiche Struktur wie das von Beispiel 1, unterscheidet sich jedoch
darin, dass die Arbeitsfunktionen der Kathodenelektrode und der
Gitterelektrode geregelt werden. Das Element war nämlich so
ausgebildet, dass ein Material mit einer größeren Arbeitsfunktion als der
des Elektronenemissionsteils, das die Kathodenelektrode 2 darstellt,
als Material für
die Gitterelektrode 3 verwendet wurde. Während die
Kathodenelektrode 2 aus Kohlenstoffnanotubes bestand, bestand
die Gitterelektrode 3 aus einer Nickelplatte.
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Unter
der Bedingung, dass die Arbeitsfunktion der Gitterelektrode 3 größer als
die der Kathodenelektrode ist, ist es nicht notwendigerweise erforderlich,
die Bedingung mit einem einzigen Material zu erfüllen. Wenn beispielsweise die
Kathodenelektrode aus einem Kohlenstoffelektronenemissionsteil besteht,
wie zum Beispiel Kohlenstoffnanotubes, kann die Gitterelektrode
so sein, dass ein Aluminiumoxidfilm mit einer Dicke von 5.000 Å auf einer
SUS-Platte (Ni-Cr Kupferplatte) mit einer Plattendicke von 0,1 mm
ausgebildet wird, und die Elektronendurchgangsöffnung darin ausgebildet wird.
Dann wird die Aluminiumoxidfilmfläche dieser Gitterelektrode
so angeordnet, dass sie der Anodenelektrode gegenüber liegt
und als Gitterelektrode 3 verwendet. Auf diese Weise ist
es möglich,
die oben beschriebene Bedingung zu erfüllen. Es wird bevorzugt, dass
ein Aluminiumoxidfilm nicht an der inneren Umfangsfläche der
Gitterelektrode 3 ausgebildet wird. Da Aluminiumoxid eine
dielektrische Substanz ist, gibt es Fälle der Unterbrechung der Strömung der
Elektrizität
aufgrund der Verschlechterung der Elektronenabziehfähigkeit,
wenn Aluminiumoxid in der Nähe
der Elektronenbahnen, nämlich
an der Innenseitenfläche
der Elektronendurchgangsöffnung,
vorhanden ist.
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Entgegengesetzt
dazu ist es anderseits möglich,
einen Aluminiumfilm mit einer dicke von 5.000 Å nur auf einer Seite einer
Aluminiumoxidplatte mit einer Plattendicke von 0,5 mm und einer
Elektronendurchgangsöffnung
darin auszubilden, und die Aluminiumfilmseite an der Kathodenelektrodenseite zur
Ausbildung der Gitterelektrode 3 auszubilden. In diesem
Fall wird bevorzugt, einen Aluminiumfilm auf der inneren Umfangsfläche der
Elektronendurchgangsöffnung 3a auszubilden.
Um jedoch eine abnormale Entladung zu verhindern wird bevorzugt, dass
der Aluminiumfilm bis zu einer Position ein wenig unterhalb der
oberen Randfläche
der Anodenelektrodenseite der Aluminiumoxidplatte ausgebildet wird.
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In
dem auf diese Weise gebildeten Element von Beispiel 6 wird ein Elektronentunneln
aufgrund von der elektrischen Feldkonzentration an der Kathodenelektrode 2 (Elektronenemissionsteil)
bewirkt. Durch Betriebsversuche wurde bestätigt, dass es schwierig ist,
dass eine abnormale Entladung auftritt.
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BEISPIEL 7
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Ein
Elektronenemissionselement von Beispiel 7 ist dadurch gekennzeichnet,
dass ein elektrischer Schaltkreis so eingebaut ist, dass Elektronen von
der geerdeten Seite nicht zur Gitterelektrode 3 fließen. Die
anderen Konstruktionen sind die gleichen wie bei Beispiel 1.
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Eine
schematische Schnittansicht des Elements von Beispiel 7 ist in 5 gezeigt.
Wie in der Figur gezeigt, ist ein elektrischer Schaltkreis, umfassend
eine Diode und ähnliches,
so aufgebaut, dass die Elektronen von der geerdeten Seite nicht
zu der Gitterelektrode 3 fließen.
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Das
Herstellungsverfahren eines Elements dieser Konstruktion wird unter
Bezugnahme auf 5 beschrieben. Zuerst wurde
ein Aluminiumfilm (ein Elektronenförderteil 1) auf einem
Substrat, umfassend Sodaglas (siehe 7(a))
ausgebildet. Dann wurde ein Elektronenemissionsteil, umfassend Kohlenstoffnanotubes
an dem Elektronenförderteil 1 zur
Ausbildung einer Kathodenelektrode 2 befestigt (siehe 7(b)).
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Das
oben beschriebene Elektronenemissionsteil ist so ausgebildet, dass
mehrere Kohlenstoffnanotubes mit einer Länge (Höhe) L = 2 mm zur Bildung einer
maximalen Breite von D = 0,2 mm zusammengeklebt werden, und die
Spitze ist so ausgebildet, dass sie einen Krümmungsradius von r = 0,04 mm
hat. Dies wurde dann an dem Elektronenförderteil 1 durch Aufbringen
einer Mischung von 99% Isoamylacetat und 1% Nitrocellulose auf das
Elektronenförderteil 1 und
dann Anordnen des Elektronenemissionsteils aus Kohlenstoffnanotubes
auf der Mischung befestigt.
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Weiter
wurde wie in 7(c) gezeigt, eine Gitterelektrode 3 in
einem vertikalen Abstand von Z1 = 0,5 mm von der Spitze des Elektronenemissionsteils
(der Kathodenelektrode 2) angeordnet. Als Gitterelektrode 3 wurde
eine SUS-Platte (Ni-Cr Kupferplatte) mit einer Plattendicke von
0,1 mm und einer Elektronendurchgangsöffnung mit einem Öffnungsdurchmesser
von d = 03 mm verwendet.
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Eine
Anodenelektrode 4 mit an der der Kathodenelektrode gegenüberliegenden
Seite aufgebrachtem Phosphor wurde in einem vertikalen Abstand von
Z2 = 0,5 mm von der Gitterelektrode 3 angeordnet. Schließlich wurde
ein Elektronenemissionssteuerabschnitt (ein Elektronenemissionssteuermittel)
zur Steuerung der auf jede Elektrode aufgebrachten Spannung mit
dem Elektronenförderteil 1, der
Gitterelektrode 3 und der Anodenelektrode 4 verbunden,
um das Elektronenemissionselement von Beispiel 7 auszubilden.
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Der
oben beschriebene Elektronenemissionssteuerabschnitt ist so aufgebaut,
dass ein Potenzial gerade unter dem Potenzial, das für die nicht
unterstützte
Feldemission von Elektroden von der Kathodenelektrode (wenn die
Spannung der Gitterelektrode 0 ist) auf die Anodenelektrode 4 als
Elektronenbeschleunigungsspannung aufgebracht wird, und veränderbare
Spannungen (positive Spannungen) auf die Gitterelektrode 3 beim Abziehen
von Elektronen nach vorne aufgebracht werden. Weiter ist er so ausgebildet
(eine eingebaute Diode), dass die Elektronen nicht von der geerdeten
Seite zur Gitterelektrode 3 strömen.
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Das
in der beschriebenen Weise gebildete Element von Beispiel 7 ist
so, dass sich das durch die auf die Anodenelektrode 4 durch
die Spannung erzeugte elektrische Feld nicht zur Kathodenelektrode von
der Elektronendurchgangsöffnung 3a ausbreitet, dieses
Feld sich mit dem von der durch die an die Gitterelektrode 3 aufgebrachte
Spannung erzeugte elektrische Feld zur Bildung eines kombinierten
elektrischen Feldes verbindet, und die Anzahl von der Kathodenelektrode 2 emittierten
Elektronen wird durch Ändern
des Verteilungszustandes und der Intensität des kombinierten elektrischen
Feldes gesteuert. Ein Element, das die Elektronenemission durch
Verwendung eines kombinierten elektrischen Feldes steuert, kann
stabil die Elektronenemission bei einer merklich niedrigeren Betriebsspannung
steuern, verglichen mit üblichen
Elektronenemissionselementen, die kein kombiniertes elektrisches
Feld verwenden. Da weiter dieses Element so ausgebildet ist, dass
die Elektronen nicht von der geerdeten Seite zur Gitterelektrode 3 fließen, tritt
keine abnormale Entladung auf.
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BEISPIEL 8
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Beispiel
8 betrifft eine Bilderzeugungsvorrichtung, die ein Elektronenemissionselement,
wie in den Beispielen 1 bis 7 beschrieben, verwendet. In diesem
Fall wurde das Element von Beispiel 1 verwendet.
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Die
Bilderzeugungsvorrichtung von Beispiel 8 wird allgemein unter Bezugnahme
auf 7(c) beschrieben. In 7 bezeichnet Bezugszeichen 101 ein
Elektronenförderteil,
Bezugszeichen 102 bezeichnet ein Elektronenemissionsteil
(Kathodenelektrode), Bezugszeichen 103 bezeichnet Gitterelektroden,
Bezugszeichen 104 bezeichnet ein Anodenseitensubstrat,
das ebenfalls als eine Anodenelektrode dient, Bezugszeichen 105 bezeichnet
ein Kathodenseitensubstrat, und Bezugszeichen 106 bezeichnet eine
Seitenwand. In dieser Vorrichtung sind das Kathodenseitensubstrat 105,
das Anodenseitensubstrat 104 und die Seitenwand 106 hermetisch
abgedichtet und im Inneren der Vorrichtung besteht ein Vakuum.
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Weiter
weist diese Vorrichtung individuelle Steuermittel auf, um individuell
jedes Elektronenemissionselement 110 zu steuern, und ist
so ausgebildet, dass durch die Verwendung der individuellen Steuermittel
nach dem Aufbringen einer Spannung auf die ausgewählten Gitterelektroden 103,
die Elektronenemissionselemente 110, die zu diesen Gitterelektroden 103 gehören, Elektronen
emittieren.
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Weiter
ist eine Phosphorschicht auf der Innenseitenfläche (Kathodenelektrodenseitenfläche) der
Anodenelektrode 104 ausgebildet. Wenn somit die Elektronen
von der Kathodenelektrode 102 auf die Anodenelektrode 104 auftreffen,
emittiert die Anodenelektrode Licht. Da diese Vorrichtung so ausgebildet
ist, dass das Aussenden von Licht und der Grad des ausgesendeten
Lichts in jedem Element durch die oben beschriebenen indivi duellen
Steuermittel insgesamt gesteuert wird, ist es möglich, ein willkürliches
Bild anzuzeigen.
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Im
Folgenden wird das Herstellungsverfahren dieser Vorrichtung unter
Bezugnahme auf die 7(a) bis 7(c) beschrieben. Zuerst werden die Elektronenförderteile 101 in
bestimmten Abständen auf
dem Kathodenseitensubstrat 105 ausgebildet (siehe 7(a), und die säulenförmigen Elektronenemissionsteile
(Kathodenelektroden 102) werden entsprechend auf den Elektronenförderteilen 101 befestigt.
Im Folgenden werden die Gitterelektroden 103 in bezug auf
die Elektronenemissionsteile positioniert und entsprechend angeordnet,
und die Seitenwand 106 wird ebenfalls angeordnet (siehe 7(b). Darauf wird das Anodenseitensubstrat 104 mit
einem Abschnitt einer Umhüllung überlappend
angeordnet, und die individuellen Steuermittel werden mit jeder Elektrode
verbunden, um einen hermetischen abgedichteten Behälter auszubilden
(siehe 7(c). Schließlich wird
die Luft im Inneren des Behälters entfernt,
um eine Bildanzeigevorrichtung zu schaffen.
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Da
diese Vorrichtung das Elektronenemissionselement von Beispiel 1
verwendet, das auf dem Prinzip eines kombinierten elektrischen Feldes
arbeitet, und das in der Lage ist, einen großen elektrischen Strom bei
einer niedrigeren Betriebsspannung zu erreichen, können klar
Bilder mit geringem Energieverbrauch erhalten werden.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Die
vorliegende Erfindung ist so ausgebildet, dass ein kombiniertes
elektrisches Feld durch Verbinden eines elektrischen Feldes, das
sich von der Anodenelektrode ausbreitet und eines elektrischen Feldes,
das durch die Gitterelektrode erzeugt wird, verwendet wird, wobei
ein Verfahren zum Abziehen von Elektronen von der Kathodenelektrode
verwendet wird, und ein Elektronenemissionsmittel vorgesehen ist,
sodass durch geeignetes Ändern
der Verteilungsform und der Intensität des kombinierten elektrischen
Feldes die Emission von Elektronen von der Kathodenelektrode gesteuert
wird. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein Elektronenemissionselement
zu schaffen, das die Elektronenemission genau und präzise durch
die sehr wirksame Wirkung des kombinierten elektrischen Feldes auf
das Abziehen der Elektronen steuern kann. Die Verwendung dieses
Elektronenemissionselement ermöglicht
weiter die Verwirklichung einer dünnen flachen Anzeigevorrichtung,
wodurch es möglich
ist, die Erzeugung von genauen Bildern bei einer niedrigen Betriebsspannung
zu erreichen. Somit ist die vorliegende Erfindung für die Industrie
sehr geeignet.