JP2002063862A - 電子放出装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エミッション広がりを抑制し、最大エミッシ
ョン量における広がり特性を改善することができる電子
放出装置を提供する。 【解決手段】 電子放出装置では、エミッタ５から放出
される電子をアノード電極６側に向かって収束させる収
束電界が形成され、収束電界における等電位面の傾斜が
エミッタ５に近接するほど大きくなる。更に、エミッタ
５の表面とゲート電極３の裏面との間の距離をt(gk)、
アノード電極６の裏面とエミッタ５の表面との間の距離
をt(ak)、アノード電極６の電位をVa、ゲート電極３の
電位をVg、ゲート電極３の厚さをt(g)、及び、ゲート電
極３の裏面とエミッタ５の表面との間の距離をt(gk)と
するとき、次式 ｛t(gk)/t(ak)｝・Va＜Vg＜［｛t(g)+t(gk)｝/t(ak)］
・Va の関係を満足する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出装置及び
その駆動方法に関し、特に、エミッション広がり特性を
改善した電子放出装置及びその駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子放出装置は、エミッタから放出した
電子をアノード電極で捕獲して電気信号として認識し、
或いは、電子を捕獲した際の電子励起によってアノード
電極に塗布された蛍光体を発光させて光信号として認識
する機能を有する。電気信号を認識する装置としての応
用例には、一般に真空管とも呼ばれるアンプや発振器等
が挙げられる。一方、光信号を認識する装置としての応
用例には、ブラウン管や蛍光表示管、或いは、フィール
ド・エミッション・ディスプレィ(ＦＥＤ:FieldEmissio
n Display)と呼ばれる平面型のディスプレィ(電界放出
型画像表示装置)が挙げられる。

【０００３】電子放出装置の従来例として、ＦＥＤにつ
いて説明する。図２３は、従来のＦＥＤの１絵素を模式
的に描いた断面図であり、電子を放出させて赤色の蛍光
体を励起して発光させる構造を示す。ここで、絵素とは
ＦＥＤで表示する画像を空間分割した場合の最小単位を
意味する。Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光の３原色
表示方式でカラーの絵を表示するＦＥＤでは、その内の
１つの色、例えばＲ(赤)を絵素と呼ぶ。

【０００４】図２３に示すように、基板１上には、厚さ
１μｍ程度のＳｉＯ2膜が絶縁膜２としてスパッタリン
グで堆積され、絶縁膜２上には、約２００ｎｍ厚のアル
ミニウム膜がゲート電極３として堆積され、ゲート電極
３及び絶縁膜２を夫々貫通する円筒状のゲートホール４
が形成される。ゲートホール４の底部には、基板１上に
カソード材料が堆積されてエミッタ５が形成される。ま
た、基板１から上方に５ｍｍ程度離れた位置にはアノー
ド電極６が配置される。アノード電極６のゲートホール
４の直上に位置する部分には、赤色蛍光特性を有する蛍
光体７が塗布されている。

【０００５】アノード電極６及び蛍光体７には５．１ｋ
Ｖ程度の電圧が印加される。カソード材料から成るエミ
ッタ５には０Ｖ、ゲート電極３には１００Ｖ程度の電圧
が印加される。このように、各部に電圧を印加すること
によって等電位面８が形成される。ここで、アノード電
極６とゲート電極３との間の距離は５ｍｍ、電圧は５０
００Ｖであるので、双方の電極６、３間における電界
は、５０００／５［V/mm］＝１［ｋV/mm］となる。

【０００６】一方、ゲート電極３とエミッタ５との間の
距離は１μｍ(1E-3［mm］)、電圧は１００Ｖであるの
で、双方の電極３、５間におけるゲート・エミッタ間電
界は、１００／１Ｅ-3＝１００［ｋV/mm］となる。ゲー
ト・エミッタ間電界の値が、アノード電極６及びゲート
電極３間のゲート・アノード間電界の値の１００倍ある
ので、ゲートホール４の内部及びその近傍は、等電位面
８におけるゲートホール４の中央部分が浮き上がって円
孔レンズとして機能する。この円孔レンズでは、ゲート
ホール４の中心軸付近で、エミッタ５に印加される電界
が弱くなると言える。換言すると、円孔レンズは電子を
発散させるパワーを有しており、中心軸（収束軸）から
外れた位置のエミッタ５から放出された電子は、軸から
離れる方向（広がる方向）に向かって電子軌道が曲げら
れる。ここで、円孔レンズの「パワー」とは、円孔レン
ズを構成する等電位面８が有する、電子を発散または収
束させるエネルギーを表す。

【０００７】次に、円孔レンズ効果で電子放出軌道が曲
げられる現象を詳しく説明する。図２３では、エミッタ
５を更に細かい領域に分け、各領域から放出される電子
の軌道を示す。ゲートホール４は軸対称な形状を有する
ので、ゲートホール４の底部に堆積したエミッタ５を、
軸に近い領域から周辺に向けて３つの領域に分ける。弓
矢の的状に同心円で区切った領域を中心側からａ、ｂ、
ｃと称する。領域ａは軸を含む領域である。９は領域ａ
から放出される電子、１０は領域ｂから放出される電
子、１１は領域ｃから放出される電子を夫々示す。各電
子９、１０、１１は、領域ａ、ｂ、ｃの順に外側に広が
っている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の電子放出装
置では、放出された電子９〜１１がアノード電極６に到
達するまでに、軸から離れる方向に広がるという問題が
あった。ＦＥＤでは絵素が細かく分割されて配列される
ので、電子が広がると、自身の絵素における蛍光体７で
はなく、隣接する絵素の蛍光体７に電子が飛び込むとい
う問題が生じる。別の色の絵素の蛍光体７に電子が飛び
込むと実際には違う色が生じ、また、同じ色の隣接する
絵素の蛍光体７に電子が飛び込むと空間分解能の不良が
生じる。

【０００９】図２４は、図２３で示した従来の電子放出
装置の動作特性を示すグラフである。図２４では、カソ
ード印加電界とエミッション電流量との関係を示す。グ
ラフに示すカソード印加電界は、ゲートホール４の底部
に堆積したエミッタ５に印加される。ここでは、ゲート
ホール中間高さ（１μｍの絶縁膜構造では０．５μｍ高
さ）での電界の値を、カソード印加電界の値として用い
る。

【００１０】カソード印加電界を徐々に上昇させると、
エミッション電流が流れ始める電界（しきい値電界）が
現れる。必要なエミッション量の最大値を最大電流量と
呼び、その電流量を得るのに必要なカソード印加電界を
最大電界と呼ぶ。ＦＥＤにおいてアナログ方式で画像を
表示するためには、入力信号に対応して、しきい値電界
と最大電界との間における任意の電界を印加して、所望
の輝度の蛍光を得ることが必要である。パルス幅駆動方
式では、一定電界、例えば最大電界を印加する時間を調
整することによって、所望の輝度の蛍光を得ることがで
きる。

【００１１】エミッション（放出電子）の広がり特性に
限界がなければ、図２４のエミッション特性に応じて電
子放出装置を駆動すればよいが、実際には、円孔レンズ
の効果によって限界以上にエミッションが広がる。ゲー
トホール開口部での電界の差が大きいほど（現象 ）、
また、軸から外れた位置のカソード電極から放出された
電子ほど（現象 ）、円孔レンズ効果で電子が広がる現
象が顕著になる。

【００１２】図２５は、ゲートホール開口部での電界の
差が大きい場合の現象 を説明するグラフである。アノ
ード電極６の電圧を一定にした状態でカソード印加電界
を大きくすると、(1)等電位面の歪みが増大する、(2)ゲ
ートホール開口部での速度が大きくなる等の現象が発生
する。現象(1)及び(2)によって、アノード電極６への到
達時のエミッション広がり範囲は一層広くなる。

【００１３】上記広がり範囲を表す図２５の「長さＤ」
として、図２３に示した矢印Ｄで示す範囲を用いる。カ
ソード印加電界を増加させるには、ゲート電極電位を増
加させる。隣接する蛍光体に電子が飛び込む不都合が発
生するときには、広がり範囲“Ｄ”が既に限界を超えて
いることになる。厳しく考えれば、ブラックマトリクス
などの無効領域に飛び込んだ電子は蛍光体を励起しない
ので、所定の蛍光体に飛び込まない電子が発生するとい
うことは、既に広がりの限界を超えたことになる。状況
によって限界広がりは様々であるが、一定の限界がある
ことは確かである。この広がり範囲“Ｄ”を限界広がり
長さと呼び、その特性を与えるカソード印加電界を限界
電界と呼ぶ。

【００１４】ＦＥＤやその他の応用に用いられる電子放
出装置では、限界電界以上のカソード印加電界を使用す
ることはできないので、最大電流量を得るために必要な
最大電界が限界電界以下でなければならない。従来のゲ
ートホール構造を有する電子放出装置では、外部に比べ
てゲートホール内の電界が強くなるように駆動していた
ので、必ず円孔レンズによる電子広がりの影響を受けて
いた。特に、最大電流量に近づくに従って広がりの度合
いも増加する傾向は好ましくない。このような傾向で
は、放出電子のごく僅かの割合の電子が規格外の領域に
飛び込んだ場合にその電子母数が大きいために、結果と
して十分に目立つ、若しくはノイズとして無視できない
量の電子が規格外に飛び込むことになる。

【００１５】本発明は、上記に鑑み、エミッション広が
りを抑制し、最大エミッション量における広がり特性を
改善することができる電子放出装置及びその駆動方法を
提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電子放出装置は、基板と、開口部を有し前
記基板上に配置されたゲート電極と、前記開口部内に形
成されたエミッタと、該エミッタから所定の間隔をあけ
て配設されたアノード電極とを備える電子放出装置にお
いて、前記エミッタから放出される電子がアノード電極
に到達する際の広がり範囲が所定の限界値以内になるよ
うなゲート電位が印加されることを特徴とする。

【００１７】本発明の電子放出装置では、収束電界が、
カソード電極から放出される電子を収束させるレンズ
（円孔レンズ）として機能するので、電子の放出軌道を
広げずにエミッション広がりを抑制し、アノード電極へ
の電子の到達状態を良好に維持することができる。レン
ズの収束効果で曲げられた電子が、アノード電極の手前
で相互に交錯するオーバーフォーカスの状態になると、
電子がアノード電極に広がった分布をもって到達する。
しかし、オーバーフォーカス時による広がり特性は、等
電位面の歪みによって発散系のレンズが機能した従来の
電子放出装置の場合に比して大幅に狭くなる。これは以
下の理由による。つまり、ゲート電極とエミッタとの間
に与えられた電界が、アノード電極とゲート電極との間
に与えられた電界以下の状態では、最も電界が高く電界
放出量が多いのがレンズの軸中心近傍であり、軸から外
れるほど放出量が減少する。レンズの球面収差の影響に
よって、レンズの縁部（軸から外れた位置）ほど発散さ
せるパワーが大きく、また、電子放出量は軸中心で最も
多く軸中心から外れるほど少なくなる電子放出分布を有
する。これらにより、電子が広がる現象が抑制される。
一方、従来の電子放出装置における発散系のレンズで
は、軸の中心近傍のエミッタに作用する電界が最も弱
く、レンズ周辺を通過する電子が最も多くなり、電子の
広がりが促進されていた。本発明におけるオーバーフォ
ーカスによる広がり現象と、従来の電子放出装置におけ
る発散系のレンズによる広がり現象とを比較した場合、
同じ程度のパワーを有するレンズであるならば、オーバ
ーフォーカスの方が広がりが少ないのは自明のことであ
る。

【００１８】本発明の電子放出装置は、基板と、開口部
を有し前記基板上に配置されたゲート電極と、前記開口
部に形成されたエミッタと、該エミッタから所定の間隔
をあけて配設されたアノード電極とを備える電子放出装
置において、前記エミッタから放出される電子を前記ア
ノード電極側に向かって収束させる収束電界が形成さ
れ、前記収束電界は、前記ゲート電極及びエミッタの相
互間に与えられるゲート・エミッタ間電界が、前記アノ
ード電極及びゲート電極の相互間に与えられるゲート・
アノード間電界よりも小さい値に設定されることによっ
て形成されることを特徴とする。本発明の電子放出装置
によると、エミッション広がりを抑制すると共に、電子
の収束作用をもつ電界を簡便に得ることができる。

【００１９】また、前記ゲート・エミッタ間電界と前記
ゲート・アノード間電界との大小関係に加えて、前記ゲ
ート・エミッタ間電界が前記ゲート・アノード間電界よ
りも大きな値に設定される場合にも前記エミッタから前
記アノード電極に向かって電子が放出され、前記収束電
界における等電位面の傾斜が前記アノード電極に近接す
るほど大きくなることが好ましい。

【００２０】この場合、所望の広がり特性の条件を最大
限に利用することができる。エミッタからの放出電子が
元来横方向速度を持たない、または無視できる程に小さ
いと仮定した場合には、等電位面の歪みによるレンズ効
果が無い状態が最も放出電子の直進性が良好で、アノー
ド電極に到達する電子の広がりが少ないことになる。レ
ンズ効果が無い状態とは、即ちゲート電極近傍での電界
強度に変化が無いことを意味する。この状態は、ゲート
・エミッタ間電界とゲート・アノード間電界とを相互に
等しくすることによって作り出すことができる。この状
態よりも、ゲート・エミッタ間電界を強めに設定する
と、僅かに発散系のレンズ効果が生じ、エミッタに加わ
る電界増加によって電界放出量も増加する。この僅かに
発散効果を有する状態においても、所望の広がり特性の
許容範囲内に収まる場合があるので、この範囲まで含め
て電子放出装置を作動させると、エミッタからの放出電
子量をより多く確保することができる。

【００２１】また、前記ゲート電極の開口部内の前記エ
ミッタは、該開口部の内周面側が前記ゲート電極側に突
出するすり鉢状に構成されることが好ましい。この場
合、すり鉢状にくぼんだエミッタ形状によって収束電界
を良好に形成することができる。

【００２２】好ましくは、前記エミッタが前記開口部の
内周よりも小さく形成される。或いは、これに代えて、
前記エミッタが環状に形成されることも好ましい態様で
ある。開口部底部のカソード電極から放出される電子が
所望のアノード電極への軌道範囲から外れることが制限
となって、それ以上の電界を与えられないことがある。
しかし、本構成によれば、開口部底部における内周面に
近接する部分、或いは、開口部の中心側におけるエミッ
タが除去されるので、上記制限を取り除くことができ、
より高い電界を開口部底部に作用させることができる。

【００２３】更に好ましくは、前記エミッタは、相互に
エミッション特性が異なる複数種類のカソード材料から
構成される。この場合、例えば、通常のエミッション特
性を有するカソード材料と、電子放出しきい値電界が高
くしきい値以上の電界を加えたときでも電子放出の程度
が低いエミッション特性を有するカソード材料とを混在
させれば、カソード材料を１種類とするときよりも、所
望のエミッション特性及び広がり特性を選択するための
選択範囲が広がる。

【００２４】また、複数の前記開口部が前記ゲート電極
に一列状に形成され、各開口部内の前記エミッタが相互
に一直線状を成すことが好ましい。これにより、エミッ
ションが無用に左右に広がる現象を回避することができ
る。

【００２５】更に好ましくは、前記開口部が略矩形状の
孔として形成され、前記エミッタが、前記略矩形状孔の
長手方向に沿って帯状に形成される。この場合、各絵素
に対応する開口部を相互に隣接させ、各絵素に夫々対応
する蛍光体を、開口部の長手方向と直交する方向に相互
に離間させる構成が可能となる。

【００２６】好ましくは、前記エミッタ及びゲート電極
から成る１組の絵素が相互に３組隣接して配置されてお
り、前記３組の絵素の内の中央部分に位置する第１の絵
素における前記エミッタが前記略矩形状孔の中央部分を
長手方向に沿って延在し、前記３組の絵素の内の一側に
位置する第２の絵素における前記エミッタが前記略矩形
状孔の前記第１の絵素に近接する側を長手方向に沿って
延在し、前記３組の絵素の内の他側に位置する第３の絵
素における前記エミッタが前記略矩形状孔の前記第１の
絵素に近接する側を長手方向に沿って延在する。

【００２７】この場合、各絵素に夫々対応する蛍光体を
相互に離間させた構成において、例えば、緑絵素のエミ
ッタからの放出電子には直上にエミッション広がり範囲
を持たせ、赤絵素のエミッタからの放出電子には左上方
向にエミッション広がり範囲を持たせ、青絵素のエミッ
タからの放出電子には右上方にエミッション広がり範囲
を持たせることが可能になる。

【００２８】また、前記ゲート電極が略矩形状に構成さ
れ、前記開口部が、前記ゲート電極における中央部と各
隅部とに夫々形成され、中央部に位置する前記開口部で
は、前記エミッタが前記開口部内における中間部を前記
ゲート電極の長手方向に沿って延在し、各隅部に位置す
る前記開口部では、前記エミッタが前記開口部内におけ
る外方側に寄せて形成されることが好ましい。この場
合、エミッション広がり範囲を良好に設定することがで
きる。

【００２９】本発明の電子放出装置は、基板と、開口部
を有し前記基板上に配置されたゲート電極と、前記開口
部内に形成されたエミッタと、該エミッタから所定の間
隔をあけて配設されたアノード電極とを備える電子放出
装置において、前記エミッタから放出される電子を前記
アノード電極側に向かって収束させる収束電界が形成さ
れ、前記収束電界における等電位面が収束軸を有するレ
ンズ状に構成され、該レンズ状の等電位面が、前記エミ
ッタから放出される電子を前記収束軸と交わるジャスト
フォーカス状態にしてから前記収束軸と交錯するオーバ
ーフォーカス状態にして前記アノード電極に到達させる
ことを特徴とする。

【００３０】本発明の電子放出装置によると、エミッシ
ョン広がりを抑制し、最大エミッション量における広が
り特性を改善することができる。

【００３１】ここで、前記オーバーフォーカス状態の電
子が、前記開口部よりも小さい範囲で前記アノード電極
に向かうことが好ましい。この場合、ゲート開口面積よ
りも狭い範囲のアノード電極に放出電子を絞り込んで照
射することができる。アノード電極に前記ゲート開口面
積と同じ大きさ、若しくは大きな面積になるように蛍光
体が塗布されていれば、アノード電極に照射した電子を
全て蛍光体に入射させることができる。

【００３２】本発明の電子放出装置の駆動方法は、前記
電子放出装置を駆動する駆動方法であって、前記アノー
ド電極とエミッタ間の電界をしきい値に設定することを
特徴とする。

【００３３】本発明の電子放出装置の駆動方法による
と、ゲート変調電位がバイアスされない正電圧によって
実現することができ、複数のピクセルから成るディスプ
レィを用いる際に、各ピクセルのしきい値電界が相互に
異なるときには、最低電位のしきい値に設定することが
できる。ばらつきに関しては、外部の記憶手段に記憶し
ておきゲート変調に反映させることができる。

【００３４】本発明の電子放出装置の駆動方法は、前記
電子放出装置を駆動する駆動方法であって、前記アノー
ド電極とエミッタ間の電界を、しきい値電界と最大電流
量電界との中間の電界に設定することを特徴とする。

【００３５】本発明の電子放出装置の駆動方法による
と、印加頻度が最も高い電界にアノード・カソード間電
界を設定し、ゲート電位を正／負の両極に変調すること
によって、ゲート電位が０である時間を増大させ、駆動
消費電力を低減させることができる。また、最大電流量
電界としきい値電界との中間の電界に、アノード・カソ
ード間電界を設定することにより、ゲート電位変調振幅
を最小にすることができる。

【００３６】本発明の電子放出装置の駆動方法は、前記
電子放出装置を駆動する駆動方法であって、前記アノー
ド電極とエミッタ間の電界を最大電流量電界に設定する
ことを特徴とする。

【００３７】本発明の電子放出装置の駆動方法による
と、ゲート変調を負電位のみで行うことができるので、
ゲート変調回路の構成を簡素化させることができる。ま
た、ゲート変調回路が故障して０電位のみが発生する場
合や、断線して浮遊電位のみが発生する場合には、画面
が最大輝度となるので、すぐに故障が判明する利点が得
られ、緊急時の照明として活用することができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】図面を参照して本発明を更に詳細
に説明する。図１は、本発明の第１実施形態例における
電子放出装置としてＦＥＤの１絵素を模式的に描いた断
面図である。基板１上には、約１μｍ厚のＳｉＯ2膜か
ら成る絶縁膜２が堆積されている。絶縁膜２上には、ア
ルミニウム金属が約２００ｎｍ堆積されてゲート電極３
が形成される。直径５μｍの円筒形状のゲートホール４
が、ゲート電極３及び絶縁膜２を夫々貫通して形成され
る。ゲートホール４の底部には、基板１上にカソード材
料が堆積されてエミッタ（以下、カソード電極とも呼
ぶ）５が形成される。ここで、ゲートホール４を設ける
以前にエミッタ５を絶縁膜２下に埋設することができ、
ゲートホール４を設けた後にその底部に堆積することも
できる。

【００３９】エミッタ５のカソード材料としては、カー
ボン・ナノチューブ（以下、ＣＮＴと呼ぶ）が挙げられ
る。ＣＮＴは、内径が数ｎｍの筒状結晶で、長いもので
は全長が１ｍｍを超えるものも存在するフラーレンの一
形態である。ＣＮＴの端部から１００ｎｍ程度の長さだ
け捕集したものを、基板１の上の鉄金属膜（図示せず）
の上に堆積させている。この金属膜は、カソード電位を
与えるための配線に接続される。

【００４０】ゲート電極３から約１ｍｍ上方にアノード
電極６が配置され、アノード電極６とゲート電極３との
間が真空状態にされる。この真空度は、エミッタ５が所
望の特性を維持できる程度に設定される。残留ガスが電
子によってイオン化してエミッタ５にダメージを与え、
或いは、基板１をチャージアップさせて放電破壊を起こ
す問題が生じる。例えば、１×１０-4Pa以下の真空度に
設定することにより、上記問題を排除できる。

【００４１】アノード電極６の一部には蛍光体７が塗布
されている。電子は、蛍光体７に飛び込んで励起して蛍
光させる。蛍光の輝度は電子の量とその速度に依存す
る。蛍光体７に電子が飛び込む面には、アルミニウムの
蒸着膜が５０ｎｍ程度に堆積されている。このアルミニ
ウム膜は、電子の飛び込み面表面を電子ダメージやマイ
ナスイオンダメージから保護し、蛍光体７に対してアル
ミニウム膜と反対の面（観察面）に蛍光を反射させるた
めに設けられる。

【００４２】例えば、アノード電極６及び蛍光体７に３
ｋV、ゲート電極３に２V、エミッタ５に０Vを夫々印加
した場合に、アノード電極６とゲート電極３との間、及
びアノード電極６とゲートホール４との間の等電位面８
は、ゲートホール４に対応する位置でくぼむ凹型の収束
レンズ形状となる（図１）。等電位面８を表す線は概念
的であり、必ずしも実際の等電位面と対応するものでは
ないが、くぼむ傾向は共通する。

【００４３】ゲートホール４の底部のエミッタ５を同心
円で分割して領域ａ、ｂ、ｃに分割すると、領域ａから
放出される電子９はほぼ真上に向かって直進し、領域ａ
の外周側の領域ｂから放出される電子１１は僅かにオー
バーフォーカスの状態で蛍光体７に飛び込む。領域ｂの
外周側の領域ｃから放出される電子１０は、より手前で
フォーカスしたオーバーフォーカスの状態で蛍光体７に
飛び込む。これにより、全ての電子が蛍光体７の範囲内
に飛び込む。ここで、フォーカスは、ゲートホール４付
近の等電位面８を円孔レンズとして考えるとき、円孔レ
ンズの収束軸の存在を前提として定義する。この場合、
アンダーフォーカス、ジャストフォーカス、オーバーフ
ォーカスの３つの状態があるので、アンダーフォーカス
を「電子が収束軸と交錯する前の状態」、ジャストフォ
ーカスを「電子が収束軸と交わる状態」、オーバーフォ
ーカスを「電子が収束軸と交錯して更に進んだ状態」と
して夫々定義する。

【００４４】図１の状態について図２を参照して更に詳
細に説明する。図２は、図１の電子放出装置についての
エミッション電流密度特性を示すグラフである。ａ〜ｃ
の３領域に関して夫々にゲート電位依存性を示した。

【００４５】図２において、収束軸に最も近い位置の領
域ａでは、ゲート電極３の電位（ゲート電位）を変化さ
せたときの影響が最も小さい。約１ｍｍ離れた３ｋV電
圧のアノード電極６に向かってエミッタ５から電子が電
界放出される状態では、ゲート電極３に与える電圧を変
えることにより、(A)電子放出を抑制する、(B)電子放出
に影響を与えない、(C)電子放出を促進する、各制御を
切り替えることができる。

【００４６】アノード電極６及びカソード電極５の各電
位が０Vの状態では、ゲート電極３に３Vの電圧を与えた
場合が、(B)の影響を与えない状態に対応する。この状
態で、ゲート電位が存在する場合を均等電界の状態と呼
ぶ。ゲート電位が３V未満の場合には抑制、３Vを超える
場合には促進となる。３つの領域ａ、ｂ、ｃからのエミ
ッション特性は、均等電界の状態で全て等しくなる。こ
の状態でのエミッション電流密度を均等電界電流密度と
呼ぶ。３つの領域ａ〜ｃの各特性は、図２に示したよう
に、異なるしきい値を夫々有し、その大小関係が上記均
等電界で反転する。図１に示した例では、最大電流量を
得る最大電界を、ゲート電位２Vと設定した。この２Vと
は、均等電界よりもゲート電極３とエミッタ５との間の
電界が小さい場合である。

【００４７】図１では、電子放出装置としてＦＥＤの一
部構造（絵素の構成部分）のみを表したので、ここで全
体構成を簡単に説明する。ＦＥＤのディスプレィは、絵
素を２次元にマトリックス状に配列して実現している。
２次元に配列した絵素に夫々絵素信号を供給するために
種々の方法が考えられるが、一例として、単純マトリク
ス方式の場合を示す。この例では、短冊状のゲート電極
３を複数並べ、ゲート電極３と直交する方向にエミッタ
５を配列する。ＦＥＤでは、アノード電極６は母材がガ
ラス材料であり、ガラスの下面（真空側になる面）にＩ
ＴＯ導電膜が堆積される。ＩＴＯ面には蛍光体、アルミ
ニウム膜の順で更に膜が堆積されている。

【００４８】ここで、ゲート下面電位を基準とした電界
関係だけでは規定できない範囲で等電位面が凹型になる
場合を説明する。例えば、図２３で説明した従来の電子
放出装置では、等電位面やオーバーフォーカスに関する
考察がないので、アノード電極ターゲット領域の大きさ
がゲートホール４の底部のカソード電極５の大きさより
も広がる可能性がある。

【００４９】まず、等電位面について考察する。この場
合、図３に示すように、平行平板としてアノード電極６
とカソード電極５を配置してその間にゲートホール４を
設けたゲート電極３を配置した３極管構造を想定する。
ここで、カソード電極５の表面とゲート電極３の裏面と
の間の距離をt(gk)、アノード電極６の裏面とカソード
電極５の表面との間の距離をt(ak)、アノード電極６の
電位をVa、ゲート電極３の電位をVg、ゲート電極３の膜
厚をt(g)、ゲート電極３の裏面とカソード電極５の表面
との間の距離をt(gk)、アノード電極６の裏面とゲート
電極３の表面との間の距離をt(ag)、及び、カソード電
極５の電位をVkとする。なお、Vk＝０［Ｖ］として以降
の式を簡素化する。

【００５０】ゲート電極の膜厚t(g)＞０の場合に、ゲー
トホール４近傍における等電位面が 凹型を形成するためには、次式Va/t(ak)≧Vg/t(gk) ……（１） を満たすことが必要である。ここで、（１）式を Vg≦｛t(gk)/t(ak)｝・Va ……（２） に変形する。

【００５１】一方、ゲートホール４近傍の等電位面が凸
型を形成するためには、次式Va/t(a k)≧(Va-Vg)/t(ag) ……（３） を満たすことが必要である。アノード電極６とエミッタ
５とを上下逆にして考える場合に、（１）式と同じ状況
が得られる。ここで、（３）式に t(ag)＝t(ak)-t(g)-t(gk) の関係式を代入して、次式 Vg≧［｛t(g)+t(gk)｝/t(ak)］・Va ……（４） を得る。

【００５２】（２）式及び（４）式で定義されない領域
は、 ｛t(gk)/t(ak)｝・Va＜Vg＜［｛t(g)+t(gk)｝/t(ak)］・Va ……（５） で示される。この領域における等電位面は、カソード電
極５からゲート電極３に向かって凸型になり、ゲート電
極３の厚みの範囲内で次第に凹型に移行する。凹凸型を
形成する等電位面の傾きの観点では、（２）式、（４）
式、（５）式の３つの領域に分類することができる。

【００５３】図４は、（２）式、（４）式、（５）式に
よる上記３つの領域を表すグラフである。グラフでは、
（２）式、（４）式、（５）式による各領域がこの順で
接している。（２）式による領域では凹型、即ちカソー
ド電極５から放出された電子が、等電位面から収束レン
ズとしての作用を受ける。

【００５４】ここで、理解を助けるため、境界領域であ
るVg＝｛t(gk)/t(ak)｝・Vaの状況について説明する。
例えば、ゲート電極３の膜厚が０であれば、等電位面は
カソード電極５及びアノード電極６に対して平行に形成
される。しかし実際には、ゲート電極３は膜厚を有する
ので、この膜厚が割り込む分だけ、ゲートホール４内に
おける等電位面がゲート電極４の上面にせり上がり、凹
型等電位面を形成する。

【００５５】（２）式による領域では、カソード電極５
から見て凸型の等電位面を形成するが、アノード電極６
から見ると凹型の等電位面を形成する。即ち、（２）式
で表現した状況を上下逆にして考えた場合である。

【００５６】（４）式による領域では、膜厚を有するゲ
ート電極３（ゲートホール４）の中に、Va/t(ak)（以
下、アノード電界と呼ぶ）と等しい電界が存在する。ゲ
ート電極３の裏面とカソード電極５の表面との間の電界
がアノード電界よりも強く等電位面が密なために、アノ
ード電界よりもカソード電極側の等電位面が凸型とな
る。

【００５７】図５は、（５）式による等電位面のレンズ
作用をシミュレートした結果を表す図である。カソード
電極５から放出された電子では、ゲートホール４の中心
のＸ座標0.0から放出された電子９は同図上方のアノー
ド電極（図示せず）に対し一直線に進み、中心からやや
外側のＸ座標2.0から放出された電子１１は収束タイプ
のレンズ効果により、凹型及び凸型双方の等電位面の付
合わせ面を通過してからは中心軸側にやや傾斜して進
む。電子１１よりも更にゲート電極３側に近接するＸ座
標4.0から放出される電子１０は、凹型及び凸型双方の
等電位面の付合わせ面まではやや中心軸から離れる方向
に曲がるが、付合わせ面を通過すると凹型の等電位面の
収束レンズ効果によって、中心軸側に収束するように進
路を曲げて進む。同図で、各等電位面の電位差は約０．
１Ｖである。

【００５８】一方、アノード電界よりもアノード電極６
側の位置では、ゲート電極３表面とアノード電極６裏面
との間の電界がアノード電界よりも強く等電位面が密な
ため、等電位面が凹型となる。カソード電極５の中心か
らずれた位置から放出される電子は、凹型の等電位面に
対する垂直方向に沿って中心軸側に進んで収束し、高い
位置に到達するとオーバーフォーカスして外側に発散し
つつ進む。

【００５９】次いで、アノード電極６に電子が到達する
範囲であるターゲット領域について考察する。まず、円
孔レンズが発散レンズとして機能する場合には、ゲート
ホール４底部のエミッタ領域よりもターゲット領域が広
くなるが、狭くなることはない。一方、円孔レンズが収
束レンズとして機能する場合には、ターゲット領域がエ
ミッタ領域よりも広くなる場合と、狭くなる場合と、エ
ミッタ領域と同じになる場合とがある。ターゲット領域
が広くなるか狭くなるかは、等電位面についての考察で
行った電界の定義だけでは決定できない。例えば、カソ
ード電極５に対しアノード電極６を１ｍｍ離して１ｋＶ
の電圧を印加した場合、及び、１０ｍｍ離して１０ｋＶ
の電圧を印加した場合の双方で１ｋＶ/mmの電界が得ら
れるが、収束レンズ系を通過した電子が、カソード・ア
ノード電極間の距離が１ｍｍの場合にはオーバーフォー
カス前または直後でターゲット領域が狭くなり、カソー
ド・アノード電極間の距離が１０ｍｍの場合には十分に
オーバーフォーカスすることによりターゲット領域が広
くなる可能性がある。

【００６０】以上を整理すると表１のようになる。

【００６１】

【表１】

【００６２】次に、本発明の第２実施形態例について説
明する。図６は、第１実施形態例で説明した電子放出装
置のＦＥＤの１絵素を、放出電子の描き方を若干変えて
示す断面図、図７は、ゲート電極とカソード電極間の電
界がアノード電極とゲート電極間の電界よりも強い場合
の電子放出軌道を表した断面図である。図６及び図７で
は、収束（抑制）と発散（促進）の夫々の典型的な状態
を夫々示す。

【００６３】図６では、ゲートホール４の底部に堆積し
たカソード電極５の外周側から放出される電子１２と、
中心側から放出される電子９のみを示し、ゲート電極３
とカソード電極５との間の電界が、アノード電極６とゲ
ート電極３との間の電界よりも小さく設定される。これ
により、ゲートホール４内及びその近傍に形成される電
界が、アノード電極６に向かって放出される電子を収束
するレンズ効果を奏する。このため、電子がオーバーフ
ォーカスしてアノード電極６に飛び込む。このオーバー
フォーカス状態は必ず発生するのではなく、収束するレ
ンズ効果が顕著な場合にのみ発生する。均等電界の状態
に近ければ、アンダーフォーカスまたはジャストフォー
カスの状態で、電子がアノード電極６に飛び込む。

【００６４】一方、図７では、ゲート電極３とカソード
電極５との間の電界が、アノード電極６とゲート電極３
との間の電界よりも大きく設定される。これにより、ゲ
ートホール４内及びその近傍に形成される電界が、アノ
ード電極６に向かって放出される電子を発散させるレン
ズ効果を奏する。このため、レンズ周辺側から放出され
る電子１２が、外側に広がりつつアノード電極６に到達
する。

【００６５】図８は、収束及び発散の各状態を網羅した
エミッション広がり特性を示すグラフである。同図で
は、領域ａ、ｂ、ｃ（図１参照）におけるアノード電極
６への到達時のエミッション広がり特性を示した。グラ
フの縦軸はアノード電極到達時のエミッション広がり範
囲を、横軸はゲート電極の電位を夫々示し、長さＤとは
最大広がり範囲を測った場合の直径を示す（図２３参
照）。

【００６６】均等電界では、領域ａ、ｂ、ｃから放出さ
れた電子は、レンズの作用を受けずにアノード電極６に
向けてほぼ直進する。広がり範囲Ｄの大きさが０でない
理由は、各領域ａ、ｂ、ｃ自身が夫々に大きさを有する
ことと、初速度が完全には０でないことである。グラフ
中で、ターゲット領域に対する限界広がり範囲を境界と
して曲線が太線から細線になる。

【００６７】均等電界未満では、電子軌道が収束方向に
曲げられる。ゲート電位が低下してオーバーフォーカス
の度合いが強くなると、広がり範囲Ｄが大きくなる。広
がり範囲Ｄが大きくなる度合いは、周辺部に近い領域ｃ
からのエミッションにおいて最も大きい。一方、均等電
界よりもゲート電位が大きい場合には、円孔レンズが発
散系レンズとして機能するので、ゲート電位の上昇に従
って急激に広がり範囲Ｄが大きくなる。中でも、領域ｃ
において最も急激に大きくなる。

【００６８】図８では、結果として均等電界付近で広が
り特性が極小となる。厳密には、ゲート電位が均等電界
よりも小さい場合に、適度に収束作用が働いて極小とな
る。図８に示されるように限界広がり範囲を設定する
と、その条件を満たすゲート電位の条件が決まる。図８
では、条件を満たす範囲について線を太く記載した。
ａ、ｂ、ｃの各領域について太線の範囲内であるなら
ば、アノード電極６での広がり条件を満たす。本実施形
態例では、限界広がり範囲を超えない太線の範囲で電位
を設定することによって、良好なエミッション広がり特
性を得る。

【００６９】図９は、広がり特性に関する条件範囲とエ
ミッション電流密度特性とを重ねて描いたグラフであ
る。グラフにおける上方の領域には、図８の結果を示し
た。領域ａ〜ｃの夫々に関して条件を満たす範囲を、最
上方の領域に両端矢印ａ〜ｃで示した。グラフにおける
下方には、ゲート電位に対するエミッション電流密度特
性を示した。

【００７０】図８から得られた条件満足領域をグラフ上
方に太線で描いた。各領域について均等電界以下の範囲
では、各しきい値電界以上の全範囲で条件を満たしてお
り、均等電界よりも大きな領域では、最も低いゲート電
位で条件を外れる電位（ｃの条件範囲を示す両端矢印の
右端）までが条件を満たす。本実施形態例では、この範
囲までを駆動領域として利用する。３領域ａ、ｂ、ｃを
総合したエミッション電流量を「総合」のラベルで示
す。この曲線に限っては電流密度ではなく、電流量とし
た。

【００７１】本発明の第３実施形態例について説明す
る。図１０は、図８と同様の均等電界付近で極小となる
広がり特性を示すグラフである。同グラフでは、限界広
がり範囲が図８の場合よりも厳しく設定される。この結
果として、太線で表す条件を満たす範囲が図８の場合よ
りも狭くなっている。

【００７２】図１１は、図９と同様の広がり特性に関す
る条件範囲と、エミッション電流密度特性とを相互に重
ねて描いたグラフである。同グラフでは、限界広がり範
囲を厳しく設定したことを反映して、総合のエミッショ
ン電流量に関してその下限と上限とが決まっているの
で、これ以下の電流量になるようにゲート電位を設定す
ると、広がり特性が不良になる。この特性の電子放出装
置では、蛍光体７の電子飛込み面を覆うアルミニウム蒸
着膜の膜厚を厚くして蛍光体７に到達するまでの電子の
減衰量を増加させ、或いは、蛍光特性に感度が低いしき
い値をもつ蛍光体７を使用する等の対策を施す。

【００７３】次に、本発明の第４実施形態例について説
明する。図１２は、図１に示した電子放出装置のエミッ
タ５における領域ｃを除去して、エミッタ５をゲートホ
ール４の内周よりも小さくした例である。図１１のグラ
フを参照して、図１２の電子放出装置の特性を説明す
る。本実施形態例では、領域ｃが削除されたことによ
り、蛍光体７に良好に飛び込む条件を満たす範囲が増大
する。

【００７４】次に、本発明の第５実施形態例について説
明する。図１３は、図１における領域ｂのみにカソード
材料を堆積して環状のエミッタ５とした例を示す断面図
である。図１４は、領域ｂのみにエミッタ５を堆積した
際の特性を示すグラフである。領域ｂのみにエミッタ５
が存在することにより、最大エミッション電流密度を十
分に大きく確保し、且つ、最小エミッション電流量を十
分に小さく確保することができる。その結果として、階
調表示を広くすることができる。また、ゲート電位の変
化に対して感度が低い領域ａが除去されたことにより、
ゲート電位の変化に対するエミッション電流密度量の変
化が急峻になる。これにより、小さな振幅のゲート電位
変化で広い階調を制御することができる。

【００７５】次に、本発明の第６実施形態例について図
１２を再度参照して説明する。本実施形態例では、領域
ａのカソード材料として、領域ｂのカソード材料よりも
仕事関数が高いものを使用する。この結果として、蛍光
体７の中央部分を励起する電子の量が減少し、電子が蛍
光体７の全面に比較的均一に照射するので、蛍光体７の
一部が焼けて劣化する等の現象を防止することができ
る。

【００７６】次に、本発明の第７実施形態例について説
明する。図１５は、電子が放出される方向からＦＥＤの
表示部分の一部を正面に観察した場合の図である。１つ
の画素１３は、赤絵素１４、緑絵素１５及び青絵素１６
の３色の蛍光体絵素から構成される。ブラックマトリク
ス１７が絵素１４〜１６の隙間を埋めている。不良エミ
ッション広がり範囲１８と許容エミッション広がり範囲
１９とを楕円の範囲で夫々示す。双方の広がり範囲１
８、１９とも、緑絵素１５におけるエミッションの広が
り状況を示す。

【００７７】不良エミッション広がり範囲１８では、例
えば、赤にじみ２０と青にじみ２１が発生する等の目立
つ不良が発生する。ＦＥＤにおいては、僅かでも別の色
を混ぜて表示すると目立つ傾向があるので、許容できな
い。一方、許容エミッション広がり範囲１９では、同色
にじみ２２が発生するだけなので、空間分解能の劣化は
生じるが、色が損なわれることはなく、許容できる。

【００７８】図１５における解析を基に本実施形態例を
説明する。図１６は、図１５の許容エミッション広がり
範囲１９で示した広がり特性を実現する電子放出装置の
例であり、電子が放出される方向からエミッタ５を正面
に観察している。図１６で、３つのゲートホール（開口
部）４がゲート電極３に一列状に形成され、各ゲートホ
ール４内に形成されたエミッタ５が一直線状を成してい
る。つまり、ゲート電極３に３箇所設けられた例えば直
径１０μmの円筒形状のゲートホール４の各底部には、
縦長の長方形に類似した形状にエミッタ５が塗布されて
いる。なお、ゲート電極３の下部には、図示しない絶縁
膜が配設される。

【００７９】図１６に示す形状にカソード材料が塗布さ
れて電極エミッタ５が構成されることにより、同図の左
右方向にエミッションが広がる現象が厳しく抑制され
る。反面、上下方向での抑制は緩くされる。その結果と
して、図１５における許容エミッション広がり範囲１９
でのエミッション広がり特性と同様の特性が得られる。
本実施形態例では、上下方向に広がっている分、空間電
荷効果でエミッションが無用に左右に広がることを回避
できる。

【００８０】次に、本発明の第８実施形態例について説
明する。図１７は、図１５に示したＲ、Ｇ、Ｂの３色か
ら成る１絵素をもつＦＥＤの要部を示す図である。図１
７では、図１６と同じ方向からエミッタ５を観察してい
る。

【００８１】図１７に示すように、ＦＥＤでは、赤絵素
１４、緑絵素１５及び青絵素１６の各絵素に関し、ゲー
トホール４が略矩形状の孔として形成され、エミッタ５
が、略矩形状孔の長手方向に沿って帯状に形成される。
エミッタ５及びゲート電極３から成る１組の絵素が相互
に３組隣接して配置されている。３組の絵素の内の中央
部分に位置する第１の絵素におけるエミッタ５が、略矩
形状のゲートホール４の中央部分を長手方向に沿って延
在する。３組の絵素の内の左側に位置する第２の絵素に
おけるエミッタ５が、ゲートホール４の第１の絵素に近
接する側を長手方向に沿って延在する。また、３組の絵
素の内の右側に位置する第３の絵素におけるエミッタ５
が、ゲートホール４の第１の絵素に近接する側を長手方
向に沿って延在する。

【００８２】本実施形態例の特徴は、各絵素１４〜１６
に対応するゲートホール４が相互に隣接しているのに対
し、各絵素１４〜１６の蛍光体（図示せず）が相互に離
間していることである。この関係に対応させるため、緑
絵素１５のエミッタ５からの放出電子には直上にエミッ
ション広がり範囲２３を持たせ、赤絵素１４のエミッタ
５からの放出電子には左上方向にエミッション広がり範
囲２３を持たせ、青絵素１６のエミッタ５からの放出電
子には右上方にエミッション広がり範囲２３を持たせ
る。これらの広がり範囲特性を実現するために、本実施
形態例では、角を丸めた縦長の長方形状のゲートホール
４と、縦長の長方形形状のエミッタ５を採用した。同時
に、赤絵素１４に対応するエミッタ５はゲートホール４
中央よりも右寄りに、緑絵素１５に対応するエミッタ５
はゲートホール４の中央に、青絵素１６に対応するエミ
ッタ５はゲートホール４の左寄りに配置した。

【００８３】次に、本発明の第９実施形態例について説
明する。図１８は、図１５における緑絵素１５に対応す
る電子放出装置を示す正面図である。図１８では、ゲー
ト電極３が略矩形状に構成され、ゲートホール４が、ゲ
ート電極３における中央部と各隅部とに夫々形成され
る。中央部に位置するゲートホール４では、エミッタ２
６がゲートホール４内における中間部をゲート電極３の
長手方向に沿って延在し、各隅部に位置するゲートホー
ル４では、エミッタ２４、２５がゲートホール４内にお
ける外方側に寄せて形成される。つまり、５つのゲート
ホール４がゲート電極３に形成されており、各ゲートホ
ール４の底部にカソード材料が塗布されてエミッタ２
４、２５が形成されている。本実施形態例では、ゲート
ホール４の位置に応じてカソード材料の塗布位置が異な
る。

【００８４】上記構成において、中心から図の左方向に
ずれて配置された左寄りゲートホール４では、カソード
材料が左寄り部分だけに塗布される。逆に、右寄りゲー
トホール４では、右寄り部分のみにカソード材料が塗布
される。中央ゲートホール４では、図１３と同様に、中
央部分にカソード材料が塗布されている。これにより、
エミッション広がり範囲が良好に設定される。ここで例
えば、右寄りゲートホール４の内で図の右上に位置する
ゲートホール４においても、上方向に配置されることに
対するゲート材料塗布への配慮はなされていない。これ
は、図１５を用いて説明した許容エミッション広がり範
囲に関する考察の結果である。

【００８５】以上のように、本発明の第１〜第９実施形
態例における電子放出装置によれば、簡素な構成を有す
るものでありながらも、エミッション広がり特性を向上
させることができる。ＦＥＤにおいては、僅かな割合で
も母数が大きいために、規格外に広がったエミッション
量自身が多くなって色にじみ等の深刻な画質劣化を引き
起こす。このため、最大エミッション量におけるエミッ
ション広がりが最も厳しく取り扱われる。本発明の第１
〜第９実施形態例では、最大エミッション量における広
がり特性向上に特に有利である。

【００８６】また、各実施形態例における電子放出装置
を、進行波管アンプやブラウン管電子ビーム露光装置な
どの電子ビーム応用装置に適用する場合には、元来細い
ビームで複雑なレンズによる絞り込みが不要であり、レ
ンズの各種の収差の影響を受けにくく、レンズによる像
の拡大の懸念が少ない。このため、電子引出し部分から
細い電子ビームが得られ、非常に細い電子ビームを容易
に得ることができる。

【００８７】更に、各実施形態例における電子放出装置
では、電界によって電子を取り出す方式を採用している
ので、カソード材料から成るエミッタの温度を上げる必
要がなく、熱による機械寸法のずれや、輻射熱の影響で
周辺構成部品が劣化する等の懸念がない。これにより、
電子放出装置を構成する材料の選択範囲が広がるととも
に、微細構造を採用することができる。

【００８８】ここで、本発明の電子放出装置の駆動方式
について説明する。蛍光体を電子で励起して発光させる
ディスプレィでは、蛍光体の発光効率をｋ、電子電流量
をＩ、加速電圧をＶ、発光時間をｔ、１フレーム時間を
Ｔ、発光面積をｓ、ピクセル全体面積をＳとするとき、
発光輝度Ｌが、次式 Ｌ＝ｋ×Ｉ×Ｖ×ｔ／Ｔ×ｓ／Ｓ ……（６） で表わされる。

【００８９】図１９は、アナログ変調方式を示す模式図
である。（６）式における発光効率ｋは、電子のエネル
ギーを光に変換する効率であり、電子電流量Ｉと加速電
圧Ｖとを掛け合わせたものが、電子のエネルギーであ
る。電子電流量Ｉは、ゲート・カソード間の印加電圧を
制御することによって変化させることができる。加速電
圧Ｖは、カソード電極とアノード電圧との間の電位差で
ある。カソード電極に対してアノード電圧は、例えば２
ｋＶ〜６ｋＶ程度で使用されることが多い。アナログ変
調方式では、カソード電圧に対するゲート電圧を変調す
ることによって電流量Ｉを変調して輝度階調を表現す
る。

【００９０】図２０は、パルス幅変調方式を示す模式図
である。（６）式におけるｔ／Ｔは、表示期間内でパル
ス状に電子照射する場合に考慮すべき要素である。ディ
スプレィにおいては、一定の表示期間であるフレームの
内の限られた期間内で、発光時間ｔだけ発光させる。ｔ
／Ｔが短ければ、１フレーム時間Ｔにおける平均輝度が
低下する。人間の目には残像効果があるので、発光輝度
はこの平均輝度となる。プラズマディスプレィパネル
（ＰＤＰ）及び液晶表示装置（ＬＣＤ）の大半が、ｔ／
Ｔを変化させるパルス幅変調によって輝度階調を変化さ
せている。

【００９１】（６）式におけるｋは一定として取り扱っ
たが、実際の蛍光体では、一定値以上の電流が入力され
ても輝度が増加しない飽和現象が存在する。電子放出に
おいては、電子放出を開始するしきい値電界強度が存在
する。しきい値電界よりも低い電界では電子放出は開始
されない。

【００９２】上記性質を踏まえて電子放出装置の駆動方
法について説明する。ここでは、アナログ変調方式によ
って、（１）アノード・カソード間の電界をしきい値に
設定して行う駆動方式、（２）アノード・カソード間の
電界を、しきい値電界と最大電流量電界との中間電界に
設定して行う駆動方式、（３）アノード・カソード間の
電界を最大電流量電界に設定して行う駆動方式、を夫々
示す。

【００９３】駆動方式（１）によると、ゲート変調電位
がバイアスされない正電圧によって実現できるメリット
がある。複数のピクセルから成るディスプレィを用いる
際に、各ピクセルのしきい値電界が相互に異なるときに
は、最低電位のしきい値に設定する。ばらつきについて
は、外部の半導体メモリに記憶しておいてゲート変調に
反映させることができる。

【００９４】駆動方式（２）によると、種々の設定が可
能である。第１の設定例としては、印加頻度が最も高い
電界にアノード・カソード間電界を設定しておき、ゲー
ト電位を正／負の両極に変調する。これにより、ゲート
電位が０である時間を増大させ、駆動消費電力を低減さ
せることができる。第２の設定例としては、最大電流量
電界としきい値電界との中間の電界に、アノード・カソ
ード間電界を設定する。これにより、ゲート電位変調振
幅が最小になるメリットが得られる。

【００９５】駆動方式（３）によると、ゲート変調を負
電位のみで行うことができるので、ゲート変調回路の構
成を簡素化させることができる。また、ゲート変調回路
が故障して０電位のみが発生する場合や、断線して浮遊
電位のみが発生する場合には、画面が最大輝度となるの
で、すぐに故障が判明する利点が得られ、緊急時の照明
として活用することができる。

【００９６】駆動方式（１）〜（３）では、パルス幅変
調の場合にも上記と同様のことが言える。例えば、パル
ス幅変調方式により駆動方式（２）を行う場合に、輝度
頻度が高い電界でデューティ（ｄｕｔｙ）が５０％にな
るように設定することにより、駆動負荷を軽減すること
ができる。パルス幅変調方式では、最小ビットパルスが
短く周波数が高くても、複数ビットを連続して同じ状態
に保持することにより、その分だけ実質的な周波数を低
下させ、駆動負荷（充放電現象）を低減できる。１フレ
ームの半分の期間がオンで他の期間がオフであるｄｕｔ
ｙ５０％の状態で、負荷が最も小さくなる。

【００９７】次いで、本電子放出装置の駆動方式を別の
視点から説明する。例えば、アノード電極に高電位を与
えてゲート電極に低電位を与える方式は、従来から頻繁
に活用されており、ゲート・カソード間に周辺よりも高
い電界を与えて電子を引き出す場合に好適に利用され
る。しかし、本発明ではこれとは逆に、ゲート・カソー
ド間に周辺よりも低い電界を与えて電子放出を抑制する
ことに特徴がある。この特徴を踏まえて、本電子放出装
置の駆動方法を更に説明する。

【００９８】定常状態では、アノード・カソード間の電
界がしきい値を越えるので、ゲート電位で抑制しなけれ
ばならない。本駆動方法では、電圧の印加開始時（装置
起動時）や終了時に、アノード・カソード間電界がしき
い値電界以下の状態で初めてゲート電位の印加を停止す
る。

【００９９】

【実施例】次に、本電子放出装置の駆動方法の実施例を
説明する。

【０１００】［実施例１］しきい値電界が２Ｖ／μｍ、
定常アノード・カソード間電界が５ｋＶ／μｍの場合
に、起動時のアノード・カソード間電界が１．９Ｖ／μ
ｍ未満ではゲート印加を行わず、この値に至った時点で
ゲート・カソード間電界を１．９Ｖ／μｍになるように
ゲート電位を印加する。次いで、アノード・カソード間
電界を５ｋＶ／μｍまで上昇させる。終了時には、これ
と逆の手順で実行する。このような手順で実行すること
によって、ゲート電位印加時には、ゲート電極周辺の電
界が１．９Ｖ／μｍになった状態でゲート電位を１．９
Ｖ／μｍにすることができるので、放電事故が発生する
ことがなく、電子放出も発生することがない。

【０１０１】次に、ＣＮＴをカソード材料に用いた電子
放出基板の作製方法について説明する。図２１はゲート
ホール内の構造を示す断面図であり、（ａ）〜（ｄ）は
形成工程を段階的に夫々示す。

【０１０２】図２１（ａ）に示すように、まず、ガラス
基板３０上にアルミニウム金属製の薄膜（図示せず）を
形成してパターニングする。次いで、スピンコート法に
よって、ポリイミドフィルム３１を膜厚５０μmとなる
ように塗布する。更に、メッキ法によって、ポリイミド
フィルム３１上に銅薄膜３２を膜厚２０μmとなるよう
に堆積した後、レジスト膜（図示せず）を塗布してパタ
ーニングし、銅薄膜３２をエッチングしてゲート電極を
形成する。次いで、この銅薄膜３２をマスクとしてポリ
イミドフィルム３１を更にエッチングして絶縁膜を形成
する。これにより、直径５０μmのゲートホール３４が
得られる。

【０１０３】図２１（ｂ）に示すように、ゲート電極３
２表面とゲートホール３４の底部とに、平面上で１μｍ
程度になるようにＣＮＴ含有レジスト膜３５を夫々塗布
する。同図では、ＣＮＴ含有レジスト膜３５がゲートホ
ール３４の端面でも連続しているように描いたが、端面
で段切れしている場合もある。ゲートホール３４の底部
におけるＣＮＴ含有レジスト膜３５の塗布形状は、図示
したように、液体時の表面張力の作用によって、すり鉢
状になる。

【０１０４】図２１（ｃ）に示すように、ゲート電極３
２の表面に塗布されたＣＮＴ含有レジスト膜３５を、ケ
ミカル・メカニカル・ポリッシング（ＣＭＰ）法を用い
て除去する。同図では、ゲートホール３４の底部に塗布
されたＣＮＴ含有レジスト膜３５は削られずに残存す
る。

【０１０５】図２１（ｄ）に示すように、大気中で、約
３００℃で２０分間の加熱処理を施すことにより、ＣＮ
Ｔ含有レジスト膜３５の主成分である有機物を気化させ
て除去して、体積減少する。これにより、ゲートホール
３４底部にＣＮＴのみが、すり鉢状に固定されて残存す
る。

【０１０６】次に、ＣＮＴをカソード材料として用いた
電子放出基板の別の作製方法について説明する。図２２
はゲートホール内の構造を示す断面図であり、（ａ）〜
（ｃ）は形成工程を段階的に夫々示す。

【０１０７】図２２（ａ）に示すように、まず、ガラス
基板３０上にアルミニウム金属製の薄膜（図示せず）を
形成してパターニングする。次いで、スピンコート法に
よって、ポリイミドフィルム３１を膜厚５０μmとなる
ように塗布する。更に、メッキ法によって、ポリイミド
フィルム３１上に銅薄膜３２を膜厚２０μmとなるよう
に堆積した後、レジスト膜（図示せず）を塗布してパタ
ーニングし、銅薄膜３２をエッチングしてゲート電極を
形成する。次いで、この銅薄膜３２をマスクとしてポリ
イミドフィルム３１を更にエッチングして絶縁膜を形成
する。この場合、ポリイミドフィルム３１をオーバーエ
ッチングすることによって、ゲート電極（３２）の厚さ
内で直径５０μm、底部で直径１００μmのゲートホール
３４が得られる。

【０１０８】図２２（ｂ）に示すように、ゲート電極３
２表面とゲートホール３４の底部とに、平面上で１μｍ
程度になるようにＣＮＴ膜３６を夫々塗布する。この場
合、ＣＮＴ膜３６は端面で段切れしている。ゲートホー
ル３４の底部におけるＣＮＴ膜３６の塗布形状は、図示
したように、液体時の表面張力の作用によって、すり鉢
状になる。

【０１０９】図２２（ｃ）に示すように、ゲート電極
（３２）の表面に塗布されたＣＮＴ膜３６をＣＭＰ法で
除去する。同図では、ゲートホール３４の底部に塗布さ
れたＣＮＴ膜３６は削られずに残存する。

【０１１０】以上、図２１及び図２２で説明したよう
に、ゲートホール３４底部のエミッタ（カソード電極）
を、ゲートホール３４の内周面側がゲート電極３２側に
突出するすり鉢状に構成したので、すり鉢状にくぼんだ
エミッタ形状によって収束電界を良好に形成することが
できる。

【０１１１】以上、本発明をその好適な実施形態例に基
づいて説明したが、本発明の電子放出装置及びその駆動
方法は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるもので
はなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更
を施した電子放出装置及びその駆動方法も、本発明の範
囲に含まれる。

【０１１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の電子放出
装置及びその駆動方法によると、エミッション広がりを
抑制し、最大エミッション量における広がり特性を改善
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態例における電子放出装置
としてＦＥＤの１絵素を模式的に描いた断面図である。

【図２】図１の電子放出装置についてのエミッション電
流密度特性を示すグラフである。

【図３】特定の範囲で等電位面が凹型になる場合を説明
するための模式図である。

【図４】（２）式、（４）式、（５）式による３領域を
表すグラフである。

【図５】（５）式による等電位面のレンズ作用をシミュ
レートした結果を表す図である。

【図６】本発明の第２実施形態例における電子放出装置
としてＦＥＤの１絵素を模式的に描いた断面図である。

【図７】第２実施形態例においてゲート電極とカソード
電極間の電界がアノード電極とゲート電極間の電界より
も強い場合の電子放出軌道を表した断面図である。

【図８】第２実施形態例における収束及び発散の各状態
を網羅したエミッション広がり特性を示すグラフであ
る。

【図９】第２実施形態例における広がり特性に関する条
件範囲とエミッション電流密度特性とを重ねて描いたグ
ラフである。

【図１０】本発明の第３実施形態例における広がり特性
を示すグラフである。

【図１１】第３実施形態例における広がり特性に関する
条件範囲とエミッション電流密度特性とを相互に重ねて
描いたグラフである。

【図１２】本発明の第４及び第６実施形態例を説明する
ための電子放出装置の１絵素を模式的に描いた断面図で
ある。

【図１３】本発明の第５実施形態例における電子放出装
置の１絵素を模式的に描いた断面図である。

【図１４】第５実施形態例で領域ｂのみにエミッタを堆
積した際の特性を示すグラフである。

【図１５】本発明の第７実施形態例におけるＦＥＤの表
示部分の一部を示す正面図である。

【図１６】第７実施形態例における広がり特性を実現す
る電子放出装置の例である。

【図１７】本発明の第８実施形態例におけるＲ、Ｇ、Ｂ
の３色から成る１絵素をもつＦＥＤの要部を示す図であ
る。

【図１８】本発明の第９実施形態例におけるＲ、Ｇ、Ｂ
の３色から成る１絵素をもつＦＥＤの要部を示す図であ
る。

【図１９】アナログ変調方式を示す模式図である。

【図２０】パルス幅変調方式を示す模式図である。

【図２１】ゲートホール内の構造を示す断面図であり、
（ａ）〜（ｄ）は形成工程を段階的に夫々示す。

【図２２】ゲートホール内の構造を示す断面図であり、
（ａ）〜（ｃ）は形成工程を段階的に夫々示す。

【図２３】従来のＦＥＤの１絵素を模式的に描いた断面
図である。

【図２４】図２３で示した従来の電子放出装置の動作特
性を示すグラフである。

【図２５】ゲートホール開口部での電界の差が大きい場
合の現象（１）を説明するグラフである。

【符号の説明】

１：基板 ２：絶縁膜 ３：ゲート電極 ４：ゲートホール ５：エミッタ ６：アノード電極 ７：蛍光体 ８：等電位面 ９：領域ａから放出される電子 １０：領域ｂから放出される電子 １１：領域ｃから放出される電子 １２：周辺部から放出される電子 １３：画素 １４：赤絵素 １５：緑絵素 １６：青絵素 １７：ブラックマトリクス １８：不良エミッション広がり範囲 １９：許容エミッション広がり範囲 ２０：赤にじみ ２１：青にじみ ２２：同色にじみ ２３：エミッション広がり範囲 ２４：左寄りゲートホール ２５：右寄りゲートホール ２６：中央ゲートホール ３０：ガラス基板 ３１：ポリイミドフィルム ３２：銅薄膜 ３４：ゲートホール ３６：ＣＮＴ膜

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、開口部を有し前記基板上に配置さ
   れたゲート電極と、前記開口部内の基板上にカソード材
   料を薄膜状に形成してなるエミッタと、該エミッタから
   所定の間隔をあけて配設され、所定の電位を印加される
   アノード電極とを備える電子放出装置において、 前記エミッタから放出される電子がアノード電極に到達
   する際の広がり範囲が所定の限界値以内になるようなゲ
   ート電位が印加されることを特徴とする電子放出装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ゲート電極と前記
   エミッタ電極間に形成されるゲート・エミッタ間電界
   が、前記アノード電極と前記ゲート電極間に形成される
   ゲート・アノード間電界よりも小さい値に設定されるこ
   とを特徴とする電子放出装置。
3. 【請求項３】前記エミッタは、前記カソード材料が前記
   開口部内ですり鉢状に形成されたものであることを特徴
   とする請求項１または請求項２に記載の電子放出装置。
4. 【請求項４】前記エミッタは、前記カソード材料が前記
   開口部内に露出する基板上の外周部を除く開口部内周よ
   りも小さい領域に形成されたことを特徴とする請求項１
   または請求項２に記載の電子放出装置。
5. 【請求項５】前記エミッタは、前記カソード材料が前記
   開口部内に露出する基板上の外周部と中央部を除き環状
   に形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２
   に記載の電子放出装置。
6. 【請求項６】前記エミッタは、相互にエミッション特性
   が異なる複数種類のカソード材料から構成されることを
   特徴とする請求項１乃至５の内の何れか１項に記載の電
   子放出装置。
7. 【請求項７】複数の前記開口部が前記ゲート電極に一列
   状に形成され、各開口部内の前記エミッタが相互に一直
   線状を成すことを特徴とする請求項１または請求項２に
   記載の電子放出装置。
8. 【請求項８】前記開口部が略矩形状の孔として形成さ
   れ、前記エミッタが、前記略矩形状孔の長手方向に沿っ
   て帯状に形成されることを特徴とする請求項１または請
   求項２に記載の電子放出装置。
9. 【請求項９】前記エミッタ及びゲート電極から成る１組
   の絵素が相互に３組隣接して配置されており、 前記３組の絵素の内の中央部分に位置する第１の絵素に
   おける前記エミッタが前記略矩形状孔の中央部分を長手
   方向に沿って延在し、前記３組の絵素の内の一側に位置
   する第２の絵素における前記エミッタが前記略矩形状孔
   の前記第１の絵素に近接する側を長手方向に沿って延在
   し、前記３組の絵素の内の他側に位置する第３の絵素に
   おける前記エミッタが前記略矩形状孔の前記第１の絵素
   に近接する側を長手方向に沿って延在することを特徴と
   する請求項８に記載の電子放出装置。
10. 【請求項１０】前記ゲート電極が略矩形状に構成され、
    前記開口部が、前記ゲート電極における中央部と各隅部
    とに夫々形成され、 中央部に位置する前記開口部では、前記エミッタが前記
    開口部内における中間部を前記ゲート電極の長手方向に
    沿って延在し、 各隅部に位置する前記開口部では、前記エミッタが前記
    開口部内における外方側に寄せて形成されることを特徴
    とする請求項１または請求項２に記載の電子放出装置。
11. 【請求項１１】基板と、開口部を有し前記基板上に配置
    されたゲート電極と、前記開口部内の基板上にカソード
    材料を薄膜状に形成してなるエミッタと、該エミッタか
    ら所定の間隔をあけて配設され、所定の電位を印加され
    るアノード電極とを備える電子放出装置において、 前記エミッタは、前記カソード材料が前記開口部内に露
    出する基板上の外周部を除く開口部内周よりも小さい領
    域に形成されたことを特徴とする電子放出装置。
12. 【請求項１２】基板と、開口部を有し前記基板上に配置
    されたゲート電極と、前記開口部内の基板上にカソード
    材料を薄膜状に形成してなるエミッタと、該エミッタか
    ら所定の間隔をあけて配設され、所定の電位を印加され
    るアノード電極とを備える電子放出装置において、 前記エミッタは、前記カソード材料が前記開口部内に露
    出する基板上の外周部と中央部を除き環状に形成された
    ことを特徴とする電子放出装置。
13. 【請求項１３】前記カソード材料としてカーボン・ナノ
    チューブを用いることを特徴とする請求項１乃至１２の
    いずれか１項に記載の電子放出装置。
14. 【請求項１４】請求項１乃至１３の内の何れか１項に記
    載の電子放出装置を駆動する駆動方法であって、 前記アノード電極とエミッタ間の電界をしきい値に設定
    することを特徴とする電子放出装置の駆動方法。
15. 【請求項１５】請求項１乃至１３の内の何れか１項に記
    載の電子放出装置を駆動する駆動方法であって、 前記アノード電極とエミッタ間の電界を、しきい値電界
    と最大電流量電界との中間の電界に設定することを特徴
    とする電子放出装置の駆動方法。
16. 【請求項１６】請求項１乃至１３の内の何れか１項に記
    載の電子放出装置を駆動する駆動方法であって、 前記アノード電極とエミッタ間の電界を最大電流量電界
    に設定することを特徴とする電子放出装置の駆動方法。