JP2002527790A - 電界放出電荷制御ミラー（ｆｅａ−ｃｃｍ） - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 明るく、ハイコントラスト、大面積、高解像度の光変調器（５０）は、電界エミッタアレイ（ＦＥＡ）（５２）を用いて、電荷制御ミラー（ＣＣＭ）（５４）をアドレシングする。ＦＥＡは、電荷パターンをＣＣＭに蓄積し、次いで、ＣＣＭが、蓄積された電荷の量に従って、マイクロミラー（５８）を偏向する静電力を生成する。ＦＥＡと共に用いられるＣＣＭは、異なる発動モード、例えば、引き付け、反発、グリッド発動または膜発動、および異なる電荷制御モード（例えば、ＲＣディケイ、ＲＣ持続、および電荷制御）を実現するために、多くの異なる方法で構成することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 （発明の背景） （発明の分野） 本発明は、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）に関し、さらに詳細には、電界エ
ミッタアレイ（ＦＥＡ）を用いて、電荷制御ミラー（ＣＣＭ）をアドレシングす
る光変調器技術に関する。

【０００２】 （関連技術の説明） 画像ディスプレイが、電気信号を見ることができる画像に変換するために用い
られる。投影および直視ディスプレイの両方で用いられる最も一般的な技術は、
走査電子銃が真空を渡る単一の電子ビームを放ち、蛍光体で被覆されたアノード
を走査する、陰極線管（ＣＲＴ）である。電子が個々の蛍光体を通過して、発光
させ、一緒に１つの直視画像を生成する。やむをえず、蛍光スクリーンをラスタ
ー走査するために、銃はアノードから離れて（表示域の幅と同程度の距離に）位
置しなければならない。結果として、高解像度大面積直視ディスプレイは、相応
して、非常に大きく、且つ非常に重い。

【０００３】 過去４０年の間に、性能を犠牲にせずに、従来のＣＲＴの長さおよび重さの限
界を克服することができる、「フラットＣＲＴ」を製作するために、数多くの試
みがなされてきた。ほぼ例外なく、これらの努力は、電子源および機械構造が非
常に複雑であるため、商品化に失敗してきたが、最近、この障壁を克服する可能
性を示す、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）と呼ばれる新たな代替物が出現した
。ＦＥＤは、マトリクスアドレシング冷陰極アレイ、大気圧に耐えるためのスペ
ーサ、および電子ビームを可視光に効果的に変換する、陰極ルミネセンス蛍光体
（ｃａｔｈｏｄｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｐｈｏｓｐｈｏｒｓ）を用いる。電
流／電圧の関係が非線形性であるので、情報量が多い画面のマトリクスアドレシ
ングを可能にする一方で、高いコントラスト比を提供する。

【０００４】 ＦＥＤは、ＣＲＴの最良の特性（例えば、フルカラー、フルグレースケール、
ブライトネス、ビデオレート速度、広範な観察角、および広範な温度範囲）とフ
ラットパネル技術の最良の特性（薄型で軽量、線形性、および色収束）とを兼ね
備える。しかしながら、現在の生産されるＦＥＤは、製造および真空パッケージ
の問題により、対角線が１０インチ以下の限られたディスプレイサイズを有する
。フラットＣＲＴに関する主要な動機付けは、大きなディスプレイサイズに対す
る従来のＣＲＴのサイズおよび重量の限界を克服することであったので、これは
、ＦＥＤ技術の商品化を成功させるには重大な問題であった。

【０００５】 ＦＥＤを理解するためには、電界放出の物理学を理解しなければならない。金
属導体の表面の電位障壁が、電子を材料のバルクにとどめさせる。この電位障壁
は、仕事関数と呼ばれ、フェルミ準位と障壁の高さとの電位差として定義される
。電子が材料から離れるためには、電子は、仕事関数を越えるエネルギーを得な
ければならない。これは、熱励起（熱電子放出）、電子およびイオンのボンバー
ド（二次電子放出）、および光子の吸収（光電効果）を含む、多くの方法で達成
することができる。ファウラー−ノルトハイム放出（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈ
ｅｉｍ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）または電界放出は、放出電子が材料の仕事関数を越
えるエネルギーを得ないという点で、これらの他の形式の放出と異なる。

【０００６】 材料の表面に外部からの印加電界が、電子トンネル効果が起こる点まで、電位
障壁を薄くするときに、電界放出が起こるので、よって、熱電子放出とは大きく
異なる。熱を伴わないので、電界エミッタは、「冷陰極」電子源である。有意な
トンネル電流を生成するためには、約３０〜７０ＭＶ／ｃｍの電界を金属導体の
表面に印加する必要がある。例えば、電極が導体の表面から１μｍに配置される
場合、有意な電流の流れを誘導するためには、電極とカソードの間に１０００Ｖ
を要する。明らかに、１０００Ｖでアドレシングされるフラットパネルディスプ
レイ（ＦＰＤ）は、ほとんど有用ではない。それゆえ、「電界エンハンスメント
」が、必要なアドレシング電圧を下げるために用いられる。

【０００７】 電界エミッタは、接続カソード電極（ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｃａｔｈｏｄｅ
ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、誘電体層、および絶縁抽出ゲート（ｉｓｏｌａｔｅｄ
ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｇａｔｅ）をすぐ近くに備えた、とがった点、または
ウィスカーである。正の電位が、ゲートとカソードの間に印加される場合、均一
な電界が誘電体内で生成される。しかし、鋭いチップエミッタが存在することに
より、その先端に等電位線の圧縮が生じ、よって、高い電界が生じる。電界エン
ハンスメントは、幾何学的特性であり、先端の鋭さに強く依存する。誘電体はエ
ンハンスされていない電界を妨げなければならないので、電界エンハンスメント
が電界エミッタの作動には必要不可欠であることに留意されたい。電界エンハン
スメントがあると、抽出ゲートに印加される適度な電圧が、結果的に、その点で
電子放出となる。

【０００８】 図１に示すとおり、真空パッケージされたＦＥＤ１０が、マトリクスアドレシ
ング冷陰極アレイ１２、大気圧に耐えるスペーサ１４、および陰極ルミネセンス
アノード１６を含む。カソードアレイ１２は、点在型電界エミッタチップ（ｉｎ
ｔｅｒｓｐｅｒｓｅｄ ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｔｔｅｒ ｔｉｐｓ）１７を備えた
、絶縁層（図示せず）によって分けられたローおよびカラム導体から成る。これ
らの層は、ガラス等の絶縁基板１８上に堆積される。ローおよびカラムが交差す
る場所が、ピクセルを規定する。ロー導体は抽出ゲートとして作用し、カラム導
体はカソードと接続する。

【０００９】 アノード１６は、蛍光スクリーンであり、通常、ガラス基板２２上の黒マトリ
クス内に堆積される、蛍光体パウダー（ｐｈｏｓｐｈｏｒ ｐｏｗｄｅｒ）２０
から成る。アノード１６の全体が、スクリーンをボンバードする電子を取り出し
て、電源に戻す、薄いアルミニウム層で覆われる。カソードおよびスクリーンは
、スペーサ材料と共に、アライメントされ、密閉されて、真空パッケージを完成
するために排気される。

【００１０】 各ピクセルからの電子放出は、ゲートとカソードとの間の順方向バイアスによ
って制御される。一旦、バルク材料の閉じ込めから開放されると、放出電子は、
蛍光スクリーンに向かって加速させられる。カソードに対して正の電位にバイア
スされる集束グリッド（図示せず）は、しばしば、電子がスクリーンに向かって
加速されるときに、加速した電子を集束させるために用いられる。スクリーンに
印加される電圧は、カソード電圧または放出電子よりも高くなければならない。
スクリーン電圧はまた、電子が蛍光体粒子を覆うアルミニウム層を一旦透過する
と、その電子エネルギーの大半が留まるほど高くなければならない。

【００１１】 図１およびさらに詳細に図２で示すとおり、駆動電子装置（ｄｒｉｖｅ ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）２４が、真空パッケージ、および詳細には、カソードアレ
イ１２の動作を制御するために必要とされる。駆動電子装置サブシステムが、そ
れぞれ、電力モジュール２６、映像コントローラ２８、パネルコントローラ３０
、ならびにローおよびカラムドライバ３２および３４を含む。コンポーネントサ
ブシステムは、入力がアナログかデジタルであるかによって異なる。

【００１２】 赤、緑、および青（ＲＧＢ）情報ならびにタイミング信号を含むアナログ合成
映像信号に関して、映像コントローラ２８が、アナログ映像信号をサンプリング
し、デジタル化して、ＲＧＢ成分に分ける。水平および垂直方向のタイミング情
報もまた、合成入力から抽出される。映像コントローラ２８は、次いで、デジタ
ル化された映像情報を、パネルコントローラ３０に、標準的なデジタル映像イン
ターフェース仕様で必要とされる形式で提供する。この規格は、平行、水平、お
よび垂直方向同期、ピクセルクロック、ならびに有効データ信号内でデジタルＲ
ＧＢデータを最大１８ビットまで特定する。映像コントローラで必要とされ得る
他の処理は、彩度、ブライトネス、およびコントラストのガンマ補正および調整
である。

【００１３】 ＦＥＤとデジタル入力を受け取る他のＦＰＤ技術との互換性を維持するために
、パネルコントローラ３０は、標準的なデジタルインターフェース信号を受け取
り、ＦＥＤローおよびカラムドライバ３２および３４を駆動するために必要な信
号を抽出しなければならない。大半の場合において、デジタルインターフェース
に現われる信号は、ローおよびカラムドライバによって直接用いられ、パネルコ
ントローラの機能は最小である。しかしながら、用いられる駆動アプローチおよ
びドライバの設計に応じて、なんらかの機能がパネル上に必要とされ得る。

【００１４】 線ごとのアドレシングが、ＦＥＤ上に画像を表示するために用いられる。通常
、ロー接続はＦＥＤゲートであり、カラムがＦＥＤカソードである。ローは、上
から下まで連続して走査される。各ローが選択されると、カラムが、選択された
ローのピクセル内の電流を変調するために用いられる。この結果、従来のＣＲＴ
の飛点によって生じるものよりも、はるかに長いドウェル時間となる。ドウェル
時間がより長いため、所与のブライトネスに対するピクセル電流をより低くする
ことが可能になり、よって、高輝度ＣＲＴで発生するビームの広がりおよび蛍光
体の彩度の問題が無くなる。

【００１５】 ピクセルに全体に渡って印加される電圧が、ロー選択電圧とカラム電圧との差
である。通常のＦＥＤに関して、約８０Ｖのゲート−カソード電圧が、全「白色
」ブライトネス（ｆｕｌｌ “ｗｈｉｔｅ” ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）を達成す
るために必要とされる。黒レベルに対するピクセルＯＦＦ電流は、５０Ｖ以下で
ある。各ピクセルの輝度を制御するために用いられる変調電圧は、白レベルと黒
レベルの差であり、すなわち約３０Ｖである。機能的な見地から、ロードライバ
は、ディスプレイが１本の線から次の線まで走査されるときに、ロー選択信号の
みを提供する非常に単純な回路である。カラムドライバは、グレースケール画像
情報をピクセルに提供し、機能的な複雑さ、およびバンド幅性能の両方において
、ロードライバとは異なる。

【００１６】 ピクセル輝度をカラムドライバで変調する方法は複数あり、各アプローチには
、消費電力、カソードの欠陥発生度、必要な負荷を駆動する能力、およびディス
プレイの均一性を含むトレードオフがある。主要なアプローチには、振幅変調（
ＡＭ）、パルス幅変調（ＰＷＭ）、およびＡＭ／ＰＷＭの混成アプローチがある
。これらのアプローチのそれぞれは、電圧または電流源のいずれかとして構成さ
れるカラムドライバと共に用いることが可能である。

【００１７】 フラットＣＲＴは、実際に公に示され、且つＦＥＤ技術を用いて、限られた量
で生産されてきたが、ＦＥＤ産業は、放射型ディスプレイに固有の制限により、
電界エミッタアレイの製造および真空アセンブリにおいて深刻な問題と直面して
いる。非常に明るいディスプレイを得るためには、蛍光体は、蛍光体の使用有効
期間を著しく縮める、高い電力レベルで駆動されなければならない。蛍光体ディ
スプレイが、１年間使用した後に、半分のブライトネスレベルに達することは、
プロジェクタの分野では周知である。また、カラーディスプレイのＲＧＢ蛍光体
のアライメントは困難であり得る。さらに、アルミニウム被覆を通過し、そのレ
ベルで蛍光体を作動させるために必要とされる電圧は、電界エミッタの予想され
る使用有効期間を縮める。この急速なエージングのため、ＦＥＤは投影ディスプ
レイには適さない。

【００１８】 結果として、ＦＥＤは、現在、２７および１７インチ、ならびにより大きなデ
ィスプレイが非常に一般的である、テレビおよびコンピュータディスプレイ等の
直視ディスプレイに限定されている。残念ながら、カソードおよびアノード構造
をそれぞれ製造するために用いられる、薄膜および厚膜プロセスは両立しがたい
。ディスプレイの使用有効期間に、真空状態にして、それを維持することができ
る清潔なデバイスを生産するために、清潔な薄膜プロセスと汚れを伴う厚膜プロ
セスとを融合することは非常に困難である。消費者の需要を満たすために必要な
大きなディスプレイサイズおよび高解像度が、蛍光体の全表面積、よって、時と
共に、ガスを排出し得る汚染物質の隠れ場所を増加することによって、この問題
を悪化させる。

【００１９】 ＦＥＤ内のスペーサは、機械的に頑丈で安定しており、周囲の真空に適合し、
高い破壊電圧を有さなければならない。また、電気抵抗が、アノードとカソード
の間のリーク電流を最小にするほど高くなければならない。しかしながら、抵抗
はまた、蓄積された電荷が散逸するほど低くなければならない。現在、スペーサ
は、別々に製造されてから、ロボットのピックアンドプレース手順（ｒｏｂｏｔ
ｉｃ ｐｉｃｋ ａｎｄ ｐｌａｃｅ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）を用いて、アノー
ド上に配置されるが、これは、時間を浪費し、且つ非常に高価である。前述のパ
ッケージおよび性能の限界により、非常に明るく、且つ使用有効期間中にそのブ
ライトネスを維持する大きな表示域を有するＦＥＤを生産する産業界の能力が損
なわれてきた。

【００２０】 Ｌｅａｒｄらの米国特許第５，１９６，７６７号は、米国特許第５，２８７，
２１５号に記載の変形可能な反射膜、または液晶アレイ等の２次元信号プロセッ
サ素子に制御電子放出を供給するために、マトリクスアドレス可能電界エミッタ
アレイを用いる光信号プロセッサを開示する。光信号プロセッサは、適応型光学
、光計算、ターゲット認識、トラッキングおよび信号プロセス、ならびに光通信
の用途に特に適している。

【００２１】 （発明の要旨） 前記の問題を鑑みて、本発明は、比較的に低価格で、延長された使用有効期間
に渡って均一な性能を示す、薄く、明るく、ハイコントラストで、スケーラブル
な、映像品質光変調器（ｖｉｄｅｏ ｑｕａｌｉｔｙ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌ
ａｔｏｒ）を提供する。

【００２２】 これは、電界エミッタのアレイが電荷制御ミラーをアドレシングする、真空パ
ッケージされた電界放出電荷制御ミラー（ＦＥＡ−ＣＣＭ）ディスプレイで達成
される。電界エミッタ（マイクロミラーごとに少なくとも１つ）は、マイクロミ
ラーを偏向させる静電力を生成するＣＣＭに衝突し、その上に電荷パターンを蓄
積する一次電子を受け渡すために駆動される。コレクターグリッドは、ＣＣＭか
ら射出される二次電子を収集する。真空パッケージを支持するスペーサが、好ま
しくは、ミラー支柱領域に形成され、同様にコレクターグリッドも支持する。Ｆ
ＥＡ−ＣＣＭは、ＣＣＭとＦＥＡを別々に製造して、それらを一緒に合わせるか
、またはＦＥＡ上にＣＣＭを製造して、その構造物をガラス表面板に結合するか
のいずれかによって組み立てることが可能である。

【００２３】 引き付けモード、反発モード、膜発動およびグリッド発動を含む多数の静電発
動モードが企図されるが、これらには限定されない。また、いくつかの技術では
、ＲＣディケイ、二重エネルギーアドレシング、電荷制御、差動電荷制御、およ
び二重偏向電荷制御を含む（これらに限定されない）映像フレーム間にマイクロ
ミラーを消去またはリセットすることが可能である。

【００２４】 本発明のこれらおよび他の特徴および利点は、下記の好適な実施形態の詳細な
説明および添付の図面より、当業者には明らかである。

【００２５】 （好適な実施形態の詳細な説明） 本発明は、真空セル内に完全に密閉された電荷制御ミラー（ＣＣＭ）と共に、
電界エミッタアレイ（ＦＥＡ）を用いる、薄型の極めて明るい光の変調器を提供
する。電界放出電荷制御ミラー（ＦＥＡ−ＣＣＭ）は、蛍光体のブライトネスお
よびエージング特性によって制限されない。ディスプレイのブライトネスおよび
解像度を増す、フレーム時間利用状況およびビーム−ミラーのアライメントを改
善するために、ＦＥＡのピクセルおよびサブピクセルサイトを別々にアドレシン
グする能力を利用することが可能である。

【００２６】 ビームが蛍光体のアルミニウム被覆を透過しなくてもよいので、電界エミッタ
は、著しく低いビームエネルギーで作動されることが可能である。これによって
、電界エミッタの使用有効期間が延び、製造プロセス、特にスペーサでの高電圧
必要条件を緩和し、ミラーの幾何学的特性を最適化するための柔軟性を提供する
。また、スペーサは、ＣＣＭの一体部品として形成され得るので、ピックアンド
プレース手順を必要とせず、フィルファクターを改善する。さらに、ＦＥＡ−Ｃ
ＣＭは、１つのミラーが、赤、緑および青に対して用いられる順次式カラーモー
ド（ｃｏｌｏｒ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｍｏｄｅ）を用いることが可能である
るので、アライメントの問題を防ぐことができる。

【００２７】 特に重要なことは、ＣＣＭが、電界エミッタを製造するために用いられる薄膜
プロセスと両立できる、薄膜プロセスを用いて製造されることである。結果とし
て、ＦＥＡ−ＣＣＭ上を真空状態にして、それを完全に維持することが非常に簡
単になる。これによって、大きなディスプレイサイズが可能となる。ＦＥＡ−Ｃ
ＣＭは、ＣＣＭおよびＦＥＡを別々に製造し、アライメントを行い、それらを結
合して、その組み立てたデバイスを真空にすることによって組み立てることが可
能である。あるいは、ＦＥＡおよびＣＣＭは、１つのプロセスで製造し、ガラス
表面板に結合させて、真空状態で密閉することが可能である。

【００２８】 （ＦＥＡ−ＣＣＭ構成） 図３に示すとおり、真空パッケージされたＦＥＡ−ＣＣＭ５０は、ＣＣＭ５４
と共に、図１に示すタイプのＦＥＡ５２を用いる。ＦＥＡ５２は、集束されて、
電位Ｖ_Aを通って加速されて、ＣＣＭ５４に衝突する一次電子を放出する。加速
された一次電子は、コレクターグリッド５６によって収集される、二次電子を射
出する。収集された二次電子と組み合わされたＦＥＡ５２の制御変調は、片持ち
式マイクロミラー５８のアレイを偏向させる静電力を生じる、電荷パターンをＣ
ＣＭ５４上に形成する。本発明によって企図される、多くのＣＣＭ構成および静
電発動作用のモードを、図５〜１２を参照して、下記に詳述する。

【００２９】 ＦＥＡ５２は、絶縁層６４によって分けられ、交差する部分で個々のピクセル
を規定する、ロー導体６０およびカラム導体６２から成る。これらの層は、ガラ
ス等の絶縁基板６６上に堆積される。パターン化されたカラム導体および絶縁層
は、カラム導体６２のすぐ近くにある鋭い点を備えた電界エミッタチップ６８を
支持する、下側にあるロー導体６０を露出する。

【００３０】 ロー導体６０は、電界エミッタのカソードとして作用し、カラム導体６２は、
抽出ゲートに接続する。正の電位が、抽出ゲートとカソードの間に印加される場
合、エミッタは、チップ６８で、鋭いカソードのチップからの電子放出となる、
等電位線の圧縮を生じる。相対的に正の電位Ｖ_Fに保たれる、加速集束グリッド
７０が、ギャップを渡って加速されるように、一次電子を集束する。

【００３１】 駆動電子装置７２は、電流源Ｉ_eおよび直列抵抗Ｒ_eとして概略的に示す、連続
するローごとにカソード６０をイネーブルして、可変電圧源Ｖ_cとして概略的に
示す、各カラム導体（抽出ゲート）６２上の電位を同時に変調することによって
１度に１本の線ごとにＦＥＡ５２をアドレシングする。ローがイネーブルされる
場合、放出電流は、電界エミッタチップから流れる。直列抵抗は、高いカソード
ビーム電流で、電流がチップから逃げて行かないようにようにする安定器として
存在する。外部の直列抵抗が、ロー導体の下の抵抗層と置き換えられ得る。振幅
変調が、公知の振幅および／またはパルス幅変調技術を用いて各カラムに印加さ
れる、電圧Ｖ_Cを変更することによって、達成される。

【００３２】 ＣＣＭ５４は、ガラス等の基板７６上に形成される、片持ち式マイクロミラー
５８のアレイを含む。１以上の誘電体層および／または導電層７８は、選択され
た発動モードおよび電荷制御技術に依存して、ミラー５８と基板７６の間に形成
され得る。示すとおり、層の内の１つがアノードを形成し、接地基準電位に接続
される。あるいは、この層は、基板７６の前面に形成され得る。コレクターグリ
ッド５６は、ＣＣＭ５４の上で支持され、相対的に正の電位Ｖ_Gに保たれ、一次
電子の衝撃に応答して放出される二次電子を集める。コレクターグリッドがなけ
れば、二次電子がＣＣＭ上に再度蓄積され、所望の画像を一掃する。ＦＥＡの集
束グリッド７０の一部を用いて、コレクターグリッドの機能を実行することが可
能であり得るので、さらなる構造の必要性がなくなる。

【００３３】 ＣＣＭは、スペーサ（支柱）８２がミラーの支柱領域に形成されることを可能
にする、公知の薄膜半導体の慣行に従って製造される。これによって、公知のＦ
ＥＤで遭遇するフィルファクターの問題が大きく減少される。また、スペーサは
、図３に示すコレクターグリッド５６ならびにミラー自体と、さらに詳細な実施
形態で示す他のＣＣＭ構造を支持するために用いることが可能である。代替の実
施形態において、基板は、ファンデルワールス力により、小さなガラス球が配置
されて、留まる、くぼみのアレイを備えて形成することが可能である。このガラ
ス球は、ＦＥＡに必要とされる機械的支持を提供することが可能である。

【００３４】 ＦＥＡはまた、ＣＣＭの製造と非常によく適合する、薄膜半導体の慣行に従っ
て製造される。ＦＥＡおよびＣＣＭは、位置合わせされて、共に結合される。後
方ガラス内の排出チューブ（ｐｕｍｐ ｏｕｔ ｔｕｂｅ）８４が、空洞を突き
抜けている。一旦組み立てられると、空洞内が気温で汲み出され、チューブ８４
が、ＣＲＴと同様の真空状態を確立するために密閉される。スペーサ８２は、大
気圧に抵抗して、ＦＥＡおよびＣＣＭを支持する。あるいは、ＦＥＡおよびＣＣ
Ｍがアライメントされ、両方を包むほどに十分大きな真空チャンバ内で結合され
る。この場合、排出チューブは必要とされない。

【００３５】 一定の縮尺では示していないが、ＦＥＡ−ＣＣＭは、非常に薄いデバイスであ
る。ＦＥＡおよびＣＣＭ基板は、適切には、２ｍｍの厚さであり、基板−ミラー
、およびミラー−グリッドの間隔は、それぞれ、約１０ミクロンである。コレク
ターグリッド−集束グリッド、および集束グリッド−カソードの間隔は、それぞ
れ、約２ミクロンであり、電界エミッタチップは約１ミクロンの厚さである。支
柱またはスペーサは、２または３：１のアスペクト比を有し得る。全体の間隔は
、ＦＥＡとミラーを切り離すために、膜がコレクターグリッドとミラーとの間に
挿入された場合、わずかに増加される。反対に、コレクターグリッドが集束グリ
ッドの一部である場合、間隔がわずかに減少される。

【００３６】 （投影ＦＥＡ−ＣＣＭ） 上述の基本的なＦＥＡ−ＣＣＭ技術は、多くの異なる画像表示システムで用い
られることが可能である。図４に示すタイプの投影システム、非放出直視システ
ム、すなわち、「白紙（ｗｈｉｔｅ ｐａｐｅｒ）」、およびフラットパネルシ
ステムを含むが、これに限定されない。白紙およびフラットパネルシステムは、
直視に適合するために、修正されたミラーの幾何学的特性を必要とし得る。ＦＥ
Ａ−ＣＣＭ技術がまた、他の電気光学の分野での用途を見い出すことも企図され
る。

【００３７】 図４に示すとおり、単色投影ＦＥＡ−ＣＣＭ１００が、反射器を備えたアーク
燈等の明るい光源１０２を含む。この構成の主な利点の１つは、ディスプレイブ
ライトネスがＦＥＡ−ＣＣＭに結合することが可能なアーク燈のサイズによって
のみ制限され、蛍光体の放出特性には制限されないということである。アーク燈
は、光の紫外成分を吸収するように選択された、集光レンズ（ｃｏｌｌｅｃｔｉ
ｏｎ ｏｐｔｉｃｓ）１０４によって平行にされる、発散光を生成する。コール
ドミラー１０６は、光の赤外成分を通過させ、平行光を回転ミラー／シュリーレ
ンストップ１１０に集束する、集光レンズ１０８に平行にされた「コールド」光
を方向づける。回転ミラーは、光を再度平行にし、ＦＥＡ−ＣＣＭ５０に映し出
す視野レンズ１１２に、現在発散している光を再び方向づける。カラーディスプ
レイは、コールドミラー１０６とレンズ１０８の間に、ＲＧＢカラーホイール（
ｃｏｌｏｒ ｗｈｅｅｌ）を配置することによって実現することが可能である。
これは、通常、順次式カラーと呼ばれる。

【００３８】 ＦＥＡ−ＣＣＭ５０は、映像アドレシング信号に応答し、個々のマイクロミラ
ーの偏向の振幅に比例して、空間変調を光に伝える。空間変調された光は、回転
ミラー／シュリーレンストップ１１０を通って延びる平面に収束される、視野レ
ンズ１１２を介して戻される。シュリーレンストップは、空間変調ビームを輝度
変調ビームに変換し、輝度変調ビームは、次いで、このビームを平行にして、ス
クリーンに映し出す、投影レンズ１１６を通過する。

【００３９】 投影ＦＥＡ−ＣＣＭは、利用可能なりん光ＦＥＤと比較して、多数の製造上の
利点を提供する。まず、ＦＥＤは、投影システムで用いられるほどの明るさを単
に有しておらず、前述のとおり、直視ディスプレイに限定される。結果として、
投影システム内のＦＥＡ−ＣＣＭの対角線の寸法は、はるかに小さくすることが
可能であり、通常は、消費者用テレビの少なくとも２７インチに対して５インチ
である。

【００４０】 より小さなディスプレイサイズの利点は、数多くある。まず、封入された表面
積全体が小さいので、良好な真空状態を達成し、維持することがよりはるかに容
易である。次に、５インチのガラス片を扱い、組み立てることは、２７インチの
ガラス片よりもはるかに簡単であり費用がかからない。さらに、小さなディスプ
レイの場合、前面および背面のガラスパネルは、約４０ミルの厚さしか必要とし
ないので、ウエハ状の薄ガラス上にＦＥＡ−ＣＣＭ全体を製造することが可能で
あり得る。

【００４１】 （ＣＣＭ構成） ＦＥＡと共に用いられるＣＣＭは、異なる発動モード、例えば、引き付け、反
発、グリッド発動または膜発動、および異なる電荷制御モード（例えば、ＲＣデ
ィケイ、ＲＣ持続、消去／書込み、および差動制御）を実現するために、多くの
異なる方法で構成することが可能である。用途、性能必要条件、および費用因子
によって、どの構成が最適であるかが示される。主要事項には、コントラスト比
、静電不安定性、電荷効率、フレーム時間利用状況、光学効率、映像性能、ミラ
ー均一性、解像度、フィルファクター、製造の複雑さ、および費用がある。

【００４２】 （引き付けモード） １９７０年代の初めにおいて、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが、Ｒ．Ｔｈｏｍａｓらの「Ｔｈｅ Ｍｉｒｒｏｒ−
Ｍａｔｒｉｘ Ｔｕｂｅ： Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ ｆｏｒ
Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙｓ」ＥＤ−２２ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ
． Ｅｌｅｃ． Ｄｅｖ． ７６５（１９７５）、ならびに米国特許第３，７４
６，３１０号、第３，８８６，３１０号、および第３，８９６，３３８号に記載
の電子銃アドレシング片持ち梁変形ミラーデバイスを開発した。このデバイスは
、低エネルギー走査電子ビームによってアドレシングされ、電荷パターンをクロ
ーバー型ミラー構造上に蓄積し、静電発動によって、ミラーの縁の近くで、基板
上の基準グリッド電極に向かってミラーを変形させる。Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓ
ｅの設計の有用な点は、ａ）低エネルギーで、走査銃によって表わされる大きな
ビームスポットサイズによる制限された解像度、ｂ）制限された偏向範囲、およ
びｃ）ファンデルワールス力によって生じる、スナップオーバー（ｓｎａｐ−ｏ
ｖｅｒ）およびスティクションによる不安定性の問題によって、厳しく制約され
る。

【００４３】 図５ａおよび５ｂに示すとおり、基本のＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅのターゲッ
トは、偏向範囲を大きく改善し、不安定性を無くし、ＦＥＡの小さなスポットサ
イズとの組合せでは、解像度を大きく向上するように改変されてきた。偏向範囲
は、ミラーの下に基準電極を成形し、配置することによって増加し、電極−ミラ
ーの間隔の最大約８３％まで、偏向範囲が増加する。安定性は、ＣＣＭマイクロ
ミラーを設計し、グリッド電位Ｖ_Gがミラーのスナップオーバー閾値電位Ｖｔｈ
よりも低くなるように、二次電子コレクターグリッドをバイアスすることによっ
て改善される。最大ミラー電位は、Ｖ_Gよりわずかに上の値で安定する。正確な
差は、二次電子の低エネルギースぺクトルおよび電子幾何学的特性に依存する。
ミラー電位が閾値電位の下に効果的に束縛されるので、ミラーは、静電引力によ
り、スナップオーバーし得ない。これにより、電極−ミラーの間隔全体の最大約
８３％まで、有用な偏向範囲を効果的に増す。自己制限的特徴がなければ、ミラ
ーは、閾値電位のオーバーシュート、およびスナップオーバーを引き起こすこと
を懸念して、偏向範囲の一部で駆動されるだけである。

【００４４】 ＦＥＡ−ＣＣＭ１２０は、上述のタイプのＦＥＡ１２２を用いて、真空内で、
引き付けモードＣＣＭ１２４をアドレシングする。ＣＣＭ１２４は、ガラス基板
１２６上に形成され、この基板は、適切には３００Åのインジウムすず酸化物（
ＩＴＯ）である埋込み導電層１２８、適切には３０００ÅのＳｉＯ₂である絶縁
層１３０、および適切には３００Åの薄い導電金属膜または酸化物である導電層
１３２で被覆されている。ミラー層が、４つの中央で接合された片持ち梁１３４
ａ、１３４ｂ、１３４ｃ、および１３４ｄからなるクローバー型アレイでパター
ン化される。これらの梁は、適切には基板の上３〜１５ミクロンで梁を支える、
共通の支柱領域１３６を共有する。ミラー層はまた、個々の片持ち梁と支柱領域
１３６を接合させる、ねじり屈曲ヒンジ（ｔｏｒｓｉｏｎａｌ ｆｌｅｘｉｏｎ
ｈｉｎｇｅｓ）１３８ａ、１３８ｂ、１３８ｃおよび１３８ｄを規定するよう
にパターン化される。他のヒンジ設計も利用可能であるが、所与のフィルファク
タに対してより高いコンプライアンスを提供するので、ねじりヒンジが好ましい
。絶縁支柱１４０が、支柱領域１３６に形成されて、二次電子コレクターグリッ
ド１４２を支持し、真空状態でＦＥＡ１２２を支持する。

【００４５】 １つの実施形態において、二次放出材料が、梁１３４上に制御パッド１４４を
規定するようにパターン化されて、フレーム時間利用状況を改善することができ
る。ミラーパッドおよび梁材料は、一次電子の到達エネルギー（ｌａｎｄｉｎｇ
ｅｎｅｒｇｙ）で、パッドおよび梁が反対の電子親和力を表わす（すなわち、
一方が１より大きく、他方が１より小さい）ように選択される。結果として、パ
ッドおよび片持ち梁の選択的なアドレシングによって、ミラー電位が上下する。
例えば、消去／書込みモードにおいて、制御パッドとアライメントされる電界エ
ミッタが、最初に実行されて、ピクセル電位を所望の基準電位、すなわち、消去
状態にする。片持ち梁と対向する電界エミッタが、次いで、変調されて、ピクセ
ル電位を基準電位から離れる（すなわち、書込み状態）ように調整する。差動書
込みモードにおいて、現在のピクセル値が、メモリ内に格納され、次のピクセル
値が、片持ち梁または制御パッドのいずれかをアドレシングすることによって書
き込まれる。いずれの場合でも、ＦＴＵは１００％に近い。ＲＣディケイおよび
スイッチコレクターグリッドの公知の技術を用いることが可能であるが、ＦＴＵ
が犠牲になる。

【００４６】 基板に対して片持ち梁を引き付ける電位差を成立させる基準を提供する基準電
極が、好ましくは、層１３２をパターン化することによって生成され、共通の支
柱１３６を支持する、電気的に絶縁されたパッド１４８のアレイを規定する。パ
ッド１４８は、個々の片持ち梁と同じ電位で安定化するので、引力を生成し得な
い。各パッド１４８は、ミラーの対角線の一部（適切には６０％）である対角線
を有する、４つのアパーチャ１５０を有する。偏向範囲の使用可能部分を増やす
ことに加えて、この構成は、パッド１４８をミラーのチップの真下に直接配置す
る。ミラーが静電気的妨害または機械的妨害によりスナップオーバーすることが
あれば、ミラーはパッド１４８に接触する。導電パッドおよびミラーが同じ電位
に保たれるので、悪影響を及ぼす機械的な力がなく、ファンデルワールス力が最
小化されることにより、ミラーが曲がらないようになる。

【００４７】 アノード電位に保たれる埋め込み層１２８、絶縁層１３０、およびパッド１４
８の組み合わせにより、アパーチャ１５０のサイズおよび形状を有する実質上（
ｖｉｒｔｕａｌ）の基準電極を生成する。すなわち、片持ち梁が、片持ち梁自体
と埋め込み層との間に生成される電界をアパーチャを通して感じることができる
。電荷パターンがミラー上に書き込まれるときに、電荷の中には、パッド１４８
に再分布されるものもあり、それらは片持ち梁の引き付けには寄与しない。しか
しながら、電荷の大半は、アパーチャ１５０の上の片持ち梁の下側に留まり、ビ
ームを基板に向けて偏向する引力を生じる。

【００４８】 静電不安定性の恐れは、たとえなくなることがないとしても、適切なミラー幾
何学的特性およびバイアス条件によって、さらに低減することができる。（トラ
ンジスタをアドレシングした）定電圧、および（梁をアドレシングした）定電荷
の両方において、ミラーと基準電極との電位差が、ミラー幾何学的特性によって
確立される、閾値電位Ｖｔｈを超過する場合、スナップオーバーが発生すること
が、通常、理解される。閾値電位、すなわち、臨界偏向角が、定電圧モードの動
作に対してよりも、定電荷モードに対するほうがより大きいことに留意されたい
。電位差がＶｔｈを超過することがあれば、引力は、片持ち梁の復元するばね力
を凌ぎ、片持ち梁をベース電極まで折れ曲がらせる。意図的にスナップオーバー
を起こすようにＦＥＡを駆動しないであろうが、ＦＥＡは、非常に高いバンド幅
を有する可能性があるので、ミラー電位にスナップオーバー閾値を越えさせ得る
ノイズに影響され易い。

【００４９】 二次電子コレクターグリッド１４２は、アノード電位に対して、正の電位Ｖ_G
でバイアスされ、一次電子が収集されるグリッド１４２への入射一次電子に応答
して、マイクロミラーから放出された二次電子を運ぶことを助長する均一な電界
を確立する。グリッド電位Ｖ_Gは、Ｖ_Gよりもわずかに少しだけ高い、ミラー電位
の上限を決定する。ミラー電位が一瞬でも上限を超過すると、二次電子が再度ミ
ラーに戻って蓄積され、ミラー電位を安定した値に戻す。

【００５０】 静電不安定性は、よって、ミラーおよびバイアス条件を、グリッド電位Ｖ_Gが
閾値電位Ｖｔｈよりも小さくなるように構成することによってなくなる。確実性
を増すためには、グリッド電位は、好ましくは、閾値電位とは離れるように束縛
され、その結果、Ｖ_G＜Ｖｔｈ−Ｖ_Bとなり、ここで、Ｖ_Bは、ミラー電位がＶ_Bよ
りわずかに上の値で安定することを示す安全率である。結果として、ミラー電位
は閾値電位を超過することが不可能であり、スナップオーバーも生じ得ない。こ
のように、スナップオーバーの問題をなくすことは、使用可能な偏向範囲を効果
的に増やすという二次的な効果を有する。ミラーは、全偏向範囲を越えて駆動す
ることが可能であり、それが、ミラ−基板のギャップの３３％〜８３％であって
も、オーバーシュートおよびスナップオーバーを生じる恐れがない。コントラス
ト比および信頼度が、ディスプレイを評価する主要な性能の指標のうちの２つで
あり、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅの設計が不十分である主な理由のうちの２つで
もあるので、ＦＥＡと組み合わせて用いられる場合に、修正された引き付けモー
ドＣＣＭは、ディスプレイ技術における実質的な改善を表わす。

【００５１】 （反発モード） 優先権を主張する「Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ Ｔａｒｇｅｔ Ｃｏｍｐｒｉｓ
ｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ−Ｒｅｐｅｌｌｅｄ Ｍｉｃｒｏ
ｍｉｒｒｏｒｓ」と題された米国特許第５，７６８，００９号は、静電反発力を
用いて、ミラーを発動するマイクロミラーターゲットを記載し、ターゲットをＦ
ＥＡでアドレシングすることを示唆している。反発発動は、構造が単純であり、
偏向範囲が、ヒンジの高さによって制限されず、スナップオーバーの危険性もな
いので、非常に魅力的である。しかしながら、以下に詳述するように、反発発動
の電荷効率は、引き付け発動と比較すると不十分である。

【００５２】 図６に示すとおり、ＦＥＡ−ＣＣＭは、上述のタイプのＦＥＡ１６０を用いて
、真空内で反発モードのＣＣＭ１６２をアドレシングする。電気的に絶縁された
マイクロミラー１６４のアレイは、好ましくは、アノードを形成する導電層１６
８で被覆される、ガラス基板１６６上に形成される。放出電子は、電位Ｖ_Aを通
ってアノードに向かって加速させられ、マイクロミラー１６４に衝突する。射出
された二次電子は、コレクターグリッド１７０によって収集されるので、ミラー
上に電荷パターン１７２を残す。引き付けモードＣＣＭに関して述べたとおり、
制御パッド１７４は、ミラー上に形成されてＦＴＵを改善することが可能である
。

【００５３】 反発モードの構成では、各ミラー１６４が、内側に向けられた導電性ヒンジ１
８０によって、下側のベース電極１７８と接合された、偏向可能ミラー素子１７
６を含む。ミラー素子１７６とベース電極１７８が電気的に接続されるので、同
じ電位に保たれる。ベース電極がミラー全体を覆っている限り、スナップオーバ
ーを引き起こし得るミラー素子上に、引力が及ぼされることはない。

【００５４】 ＦＥＡが電荷パターン１７２をミラー素子１７６に書込むと、電荷はすぐに、
ミラー上に分散し、最低の電位状態で安定する。ミラー素子１７６の下部表面お
よびベース電極１７８の上面の同様の電荷は、相互に反発する傾向があるので、
電荷は、主に、ミラー素子１７６の上面とベース電極１７８の下部表面との間に
最低の電位状態で分散する。この分散は、アノードおよびコレクターグリッドの
存在によって歪み得る。正の電荷パターンは、アノードに向かって歪む傾向にあ
り、その逆も同様である。

【００５５】 ミラー素子１７６およびベース電極１７８の対向する面には電荷がないので、
反発力のみが、ミラーの縁部周辺のフリンジ効果に帰する。有効なミラーサイズ
にとって、フリンジ効果は、実質的に、比較可能なミラーサイズに対する引力よ
りも小さい。これは、改善されたヒンジコンプライアンス、および増加した電荷
蓄積の組み合わせにより克服され得る。ヒンジは、力の単位ごとの偏向の量を増
加するように、より薄く、且つよりコンプライアントにすることが可能である。
信用でき、且つアレイ全体に対して均一に応答するヒンジを製造するには困難が
伴う。ＦＥＡが線でアドレシングされるので、ドウェル時間は、アレイ内のカラ
ムの数（約３桁分）だけ増加される。結果として、ＦＥＡは、単一の走査電子銃
よりも、はるかに多くの電荷をマイクロミラー上に蓄積することが出来るはずで
ある。

【００５６】 （膜発動型（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ａｃｔｕａｔｅｄ）） １９９８年１０月５日に出願の「Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｃｈ
ａｒｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｍｉｒｒｏｒ」と題された同時係属中の米国
特許出願番号０９／１７２，６１３に記載のタイプの膜発動ＣＣＭ１９０は、Ｆ
ＥＡ１９２と組み合わせて用いることが可能である。膜発動ＣＣＭは、電子ビー
ムをＣＣＭから離す薄い絶縁膜を特徴とする。膜発動デバイスは、公知の静電発
動マイクロミラーターゲットに関連する制限された偏向範囲、高いビーム電流、
静電不安定性、および解像度の問題を克服し、ミラーを反射率および映像性能に
関して最適化することを可能にする。

【００５７】 図７に示すとおり、薄い浮動電位絶縁膜１９４が、ＦＥＡ１９０とマイクロミ
ラーアレイ１９６との間に挿入される。膜１９４は、通常、非常に薄く、適切に
は、数ミクロンであるので、誘導電荷パターンによる印加電界に対して自身を支
持することが不可能であり、支柱１９８のアレイに支持されなければならない。
好適な実施形態において、支柱１９８は、真空状態で、二次電子コレクターグリ
ッド２００、およびＦＥＡ１９０を支持するために延長される。

【００５８】 マイクロミラーアレイ１９６および支柱アレイ１９８は、パシベーション層で
覆われ得る、透明基板２０２上に形成される。導電グリッド（図示せず）は、好
適には、非常に薄い透明等電位層２０４、適切には基板２０２上の１００Å以下
の透明導電膜または酸化物（ＴＣＦまたはＴＣＯ）の上に形成される。層２０４
は、ミラーと基板との間の電位差が大きくなることを妨げるが、そうでなに場合
には、不安定性が引き起こされ得る。導電グリッドは、全てのマイクロミラー間
の電気的導通を保証し、その全てを基準電位、適切にはアノード電位に保つ。層
２０４は、両方の機能を実行し得るが、電気的導通を保証するには、はるかに厚
くならなければならず、光学効率を低減してしまう。

【００５９】 １つの特定の実施形態において、ミラー層は、共通の支柱領域を共有する、４
つの中央で接合された片持ち梁のクローバー型アレイにパターン化される。支柱
および膜は、支柱がミラーの共通の支柱領域に位置する、一体になったガルウイ
ング型の構造で形成される。膜は、ミラー間に間を置いて位置し、処理中にマイ
クロミラーおよび膜を同時に開放するために用いられる多数の通気口を備えて形
成される。この構成により、支柱が、フィルファクターを著しく低減することな
く、より小さなアスペクト比で比較的に大きな直径を有することを可能にするが
、これは、製造を考慮すると好ましい。

【００６０】 膜１９４は、好ましくは、共同してキャパシタアレイを規定する、上部アトラ
クターパッド２０６および下部アトラクターパッド２０８のアレイ間に挟まれる
。アトラクターパッド２０６は、発動力の均一性を改善し、解像度を改善し、利
用可能な偏向範囲を、ミラー−膜の間隔の最大約８３％まで増加するように構成
することが可能である。アトラクターパッド２０８は、パッド２０６上に蓄積さ
れたいかなる電荷も反射するので、膜の裏側に蓄積された電荷パターンを、ミラ
ーに映る電荷量を減少することなく、膜の表側に効果的に伝送する。これによっ
て、蓄積された電荷の単位ごとの偏向を増加する。ＭｇＯ等のある安定化材料で
被覆される場合、十分な電荷の局在化が、電荷を膜に直接書き込むことによって
達成可能であることに留意されたい。

【００６１】 マイクロミラー１９６を発動するために、線でアドレシングされたＦＥＡが、
固定されたビームのアレイを放出する。このビームの一次電子は、コレクターグ
リッド２００を通って加速させられ、膜１９４の裏側、詳細には、アトラクター
パッド２０６に衝突し、二次電子が射出され、コレクターグリッド上に収集され
る。これによって、電荷パターンが、膜のアトラクターパッド２０６上に効果的
に書き込まれ、次いで、アトラクターパッド２０８に伝送されて、膜１９４とマ
イクロミラー１９６との間に、基準電位に保たれる、局在化した電位差を生成す
る。

【００６２】 電位差は、マイクロミラー１９６を基板２０２から膜１９４へと外側に旋回さ
せ、且つ偏向させる引力を生成する。この引力は、ミラーヒンジのばね力によっ
て反発される。偏向の量は、所与の幾何学的特性に対する力再平衡式（ｆｏｒｃ
ｅ ｒｅｂａｌａｎｃｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ）によって決定される。ビーム電流
の変調によって、電位差の大きさおよびミラー１９６に働く静電力、すなわち、
ミラーの偏向を決定する。コレクターグリッド２００は、ミラーが偏向範囲を超
過して、膜に向けて折れ曲がることを防ぐために、ミラーのスナップオーバー閾
値電位より下の電位Ｖ_Gにバイアスされ得る。

【００６３】 膜は、電位を所望の消去電位にすることによって消去される。１つのアプロー
チは、それぞれがビーム到達エネルギーにおいて１より上および下の電子親和力
を表わす、アトラクターパッド２０６上の制御パッド２０８をアドレシングする
ことである。膜の電位は、制御パッド２０８をアドレシングすることによって、
グリッド電位に引き上げられ、次いで、ミラー自体をアドレシングすることによ
って所望の電位に引き下げられる。あるいは、ＲＣディケイまたはスイッチコレ
クターグリッド技術を用いることが可能である。

【００６４】 図８に示すとおり、膜発動ＣＣＭを、偏向範囲を実質的に増加するように修正
することが可能である。これは、支柱１９８の高さを伸ばし、基板と膜１９４と
の間のほぼ中間に位置するように、マイクロミラーを引き上げることによって達
成される。これによって、ミラーが基板または膜のいずれかにスナップオーバー
することなく、偏向するために十分な間隔を提供する。

【００６５】 埋め込み導電層２１０およびスペーサ層２１２は、層２０４の下で基板２０２
上に形成される。バイアス電位２１４が、埋め込み層２１０とＴＣＦまたはＴＣ
Ｏ層２０４との間に印加されることにより、埋め込み層２１０上の電位が層２０
４およびマイクロミラーアレイ上の基準電位よりも小さくなる。個々のミラーが
この定電界を「感じる」ために、層２０４は、マイクロミラーの下のアパーチャ
２１６を形成するようにパターン化される。アパーチャ２１６は、好ましくは、
ミラーの先端から奥に間隔を置き、アトラクターパッドの幾何学的特性を模倣す
る。

【００６６】 アパーチャ２１６を通って作用する電界が、基板に向けてミラーを引き付ける
力をミラー上に及ぼす。いずれの引力も膜には無いので、全てのマイクロミラー
が、バイアスの偏向とともに抑制される。バイアス電位２１４は一定であるので
、スナップオーバーを引き起こし得る力を生成することがある、過渡ノイズ電圧
（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｎｏｉｓｅ ｖｏｌｔａｇｅｓ）をなくすために、激し
くフィルタリングされ得る。電荷が膜上に書き込まれると、膜は、ミラーを膜に
向けて上向きに偏向する傾向にある、反応の引力を及ぼす。広げられた偏向範囲
に加えて、自然な機械的静止位置に対して両方向にミラーを偏向することによっ
て、ヒンジへの非対称性による応力の量を低減し、ヒンジの性能および使用有効
期間を延ばすことが可能である。

【００６７】 （グリッド発動） １９９８年１０月１５日に出願の「Ｇｒｉｄ−Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｃｈａｒｇ
ｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｍｉｒｒｏｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ａｄ
ｄｒｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題された同時係属中の米国出願番号０
９／１７２，６１４に記載されるタイプのグリッド発動ＣＣＭ２３０は、ＦＥＡ
２３２と共に用いることができる。グリッド発動ＣＣＭは、二次電子コレクター
グリッド、およびマイクロミラーを引き付ける基準電極の両方の役割を果たす、
マイクロミラーアレイのすぐ近くに配置される良好な導電メッシュを特徴とする
。ＦＥＡは、コレクターグリッドに引き付けられるように、負の電荷パターンを
ミラーに書き込むために、ミラーの二次放出係数が１より小さい到達エネルギー
で動作する。アノードもアレイのすぐ近くにある場合、ミラーがアドレシングさ
れることにより、グリッドおよびアノードに向かって選択的に偏向させることが
できる。この構成により、公知の引き付けモードデバイスに関連する、制限され
た偏向範囲および不安定性の問題を克服する。ミラー−グリッドの間隔は、スナ
ップオーバーの相当な危険にさらすことなく、十分な偏向範囲を提供するほどの
大きさにすることが可能である。図９に示すとおり、ＣＣＭ２３０は、アノード
電位に保たれる導電層２３４で被覆されるガラス基板２３３、絶縁層２３６、お
よび個々のマイクロミラー２４０を支持する、電気的に絶縁された導電パッド２
３８のアレイを含む。導電パッドは、基板に蓄積し得る、いずれの静電または漂
遊電荷からマイクロミラーを効果的に遮蔽するが、それ以外の場合には、引力を
生じるであろう。良好な導電メッシュ２４２、すなわち、コレクターグリッドは
、マイクロミラー２４０の（適切には１０〜２０ミクロン）上の絶縁支柱２４４
のアレイで支持され、アノード電位に対して正の電位＋Ｖ_Gにバイアスされる。
フィルファクターを改善するために、絶縁支柱が、好ましくは、ミラーの支柱領
域に形成され、真空状態でＦＥＡを支持するように延びる。ＦＥＡ、コレクター
グリッド、およびマイクロミラーアレイは、少なくとも１つの電界エミッタ２４
６が各マイクロミラー２４０とアライメントされるように配列される。図示する
実施形態において、少なくとも１つの電界エミッタ２４６が、ミラー上の制御パ
ッド２４８ともアライメントされている。制御パッド２４８は、二次放出材料か
ら形成され、消去中に、１００％に近いフレーム時間利用状況を達成するために
用いられる。

【００６８】 コレクターグリッドとアノード電位との電位差は、コレクターグリッドが正味
の正電荷Ｑを有し、アノード電極が等しいが反対の電荷Ｑを有するように、マイ
クロミラー２４０の周りに均一な電界を確立する。いずれの蓄積電荷もない場合
、ミラー電位は、アノードとグリッドとの間の電界を満たすように、アノード電
位とグリッド電位の間の電位で安定する。ミラー電位の正確な値は、コレクター
グリッドおよびアノードの幾何学的特性、ならびにそれらのマイクロミラーとの
相対間隔に依存する。各マイクロミラー上の正味の電荷はゼロであるが、導電ミ
ラー金属内の自由電子は、ある量の負の電荷−Ｑがミラーの上面にあり、同量の
正の電荷Ｑがミラーの下側にあるように分散する。電荷の不均衡さにより、導電
ミラー内部の電界がゼロであるように、均一な電界を相殺する電界が生成され、
マイクロミラーに等しく反対の引力が生成される。正味の力がゼロであるので、
マイクロミラーは動かない。

【００６９】 ＦＥＡ２３２は、電位Ｖ_Aを通ってアノード電位に向かって加速させられる、
一次電子を放出する。一次電子は、コレクターグリッド２４２を通過し、マイク
ロミラー２４０と衝突して、二次電子を射出させ、コレクターグリッド２４２に
よって収集させる。マイクロミラー上の正味の電荷は、ミラーの二次電子放出曲
線上の第１および第２の交差部の間で動作することによって、正にすることが可
能であり、その領域外で動作することによって、負にすることが可能である。ビ
ーム電流および放出係数は共に、電荷量を決定する。ソースが電荷パターンをマ
イクロミラー２４０上に書き込むと、電荷は、マイクロミラーの表面上で最低の
電位状態を探す。正味の電荷が負である場合、電荷はコレクターグリッド２４２
に対向するマイクロミラーの上面にある。逆に、正味の電荷が正である場合、電
荷はアノード電位とは逆のマイクロミラーの下側にある。

【００７０】 正味の電荷は、マイクロミラーを偏向させる力の不均衡をマイクロミラー上に
生じる、ミラー電位を変調する。Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅのデバイス等の公知
のマイクロミラーターゲットは、マイクロミラーを、例えば、基板表面上のアノ
ード電極等のアノード電位の非常に近く（４〜５ミクロン）に配置し、開いたメ
ッシュコレクターグリッドから非常に遠く（２００ミクロン）に配置して、ミラ
ーが基板に引き付けられるように、第１の交差部の上、および第２の交差部の下
で動作する。上記のとおり、この構成は不安定であり、制限された偏向範囲を有
する。

【００７１】 図９に示すとおり、ＦＥＡ２３２は、負の電荷パターンをミラーに書き込むた
めに、第１の交差部の下、または第２の交差部の上の到達エネルギーで動作され
、コレクターグリッド２４２は、ミラーがコレクターグリッドに向かって偏向さ
れるように、マイクロミラーの十分近く（適切には１０〜２０ミクロン）に配置
される。適切な基準を提供するために、グリッドは、精密な間隔を有さなければ
ならない。通常、マイクロミラーごとに少なくとも１つのセルである。公知のタ
ーゲットで用いられる開いた導電メッシュは、適切ではない。ミラーを引き付け
るには十分近くにあるが、コレクターグリッド２４２は、広い偏向範囲を提供し
、且つ不安定さの問題を防ぐには十分に離れている。

【００７２】 ミラー電位をコレクターグリッド電位にまで引き上げるために、ＦＥＡビーム
エネルギーでの放出係数よりも大きな放出係数を有する、制御パッド２４８をア
ドレシングすることによって、電荷パターンが消去される。各ミラーを消去する
代わりに、ミラーおよび制御パッドを選択的にアドレシングして、別々に所望の
量の電荷を書き込むことが可能である。電界エミッタがミラーの露出部および制
御パッドの両方をアドレシングするために必要なサブピクセル解像度を容易に可
能にするので、ＦＥＡがこの特定のＣＣＭ構成に理想的に適する。次の電荷パタ
ーンがマイクロミラーに書き込まれ得る前に、ミラーをグリッド電位に駆動する
ことに関連する正の電荷を相殺するために、ＦＥＡ２３２が最初に、十分な負の
電荷をミラーに蓄積しなければならない。一旦ミラーが中和されると、ＦＥＡ２
３２は、次いで、ミラーをコレクターグリッドに向けて偏向させる引力を生成す
るために、負の電荷パターンをミラーに蓄積することが可能である。

【００７３】 図１０に示すとおり、ミラーの偏向範囲は、ａ）ミラー２４０の支柱の高さを
高くすること、およびグリッド−基板の間隔を広くすること、およびｂ）マイク
ロミラーの下の各導電パッド２３８内にアパーチャ２５０を形成することによっ
て、広げることが可能である。あるいは、アノードを、基板の表面上に基準グリ
ッドとして形成することが可能である。制御パッド２４８がアドレシングされる
と、ミラーが単に消去されるだけでなく、基板に向けて最大量で偏向される。ミ
ラーの露出部がアドレシングされると、力のバランスがコレクターグリッドに向
けてシフトし、ミラーがコレクターグリッドに向って反対に偏向される。つりあ
いをとるために、両方向における最大の偏向は、ほぼ同じである。これによって
、偏向範囲が２倍になるだけでなく、あるヒンジが、時間経過に伴う結晶粒構造
によるオフセットの進行を防ぐ。

【００７４】 基板に向けてマイクロミラーを引き付けることにより、公知のデバイスで非常
に一般的であるスナップオーバーおよび圧縮に関する懸念が持ちあがる。ミラー
がスナップダウンするとすれば、同じ電位で保たれる導電パッド２３８と接触す
る。これは、ファンデルワールス力による圧縮をなくすことはないが、その問題
を改善する。このトレードオフとして、ある量の電荷の希釈がある。ミラーに蓄
積する正の電荷には、導電パッドに移動するものがある。穴が大きければ大きい
ほど、電荷の希釈は少なくなる。さらに、ミラー電位がコレクターグリッド電位
によって制限されるので、ＣＣＭの幾何学的特性およびバイアス条件は、スナッ
プオーバーに関する閾値電圧がコレクターグリッド電位＋Ｖ_Gを超過するように
構成することが可能である。これによって、スナップオーバーが妨げられる。

【００７５】 制御パッド２４８が効果的にＦＴＵをおよそ１００％にまで増加させるが、Ｆ
ＥＡへと続くカラムの数を２倍にすることが犠牲となる。増加したファンアウト
は、小さなディスプレイサイズでは問題であり得る。同じ結果を生じる別のアプ
ローチを図１１に示すが、ここでは、二次放出係数を安定させるために、ミラー
がＭｇＯで被覆され、到達エネルギーがマイクロミラーの書込みおよび消去のた
めに、交差部の点のうちの１つの周辺に変調される。発動のためにミラーが必要
とする低電圧（＜１０００Ｖ）によって、各ローカソード／エミッタを、接地に
近く、δ＜１である低い到達エネルギーを提供する、小さな大きさの電圧と、第
１の交差部より上にあり、δ＞１である高い到達エネルギーを提供する、大きな
大きさの電圧との間で切り換えることを可能にする。これは、Ｒ１とＲ２の間の
電圧が第１の交差部よりも下であるような比で示される、交差部間の到達エネル
ギーを生じる、バイアス電圧Ｖ_Aがかかる直列抵抗Ｒ１およびＲ２からなる分圧
器２６０を接続することによって達成することが可能である。スイッチ２６２（
適切には、ＨＥＸＦＥＴ）が、最初にミラーの所与のローの消去を行い、次いで
書込みを行うために、１つの位置から別の位置へと、ローカソード／エミッタを
切り換える。これと同じ技術が、引き付け、反発、および膜発動モードの動作で
用いることが可能である。

【００７６】 図５〜１２で検討されるように、いくつかの異なる方法（引き付け、反発、膜
およびグリッド発動）で発動されることに加えて、ＣＣＭは、それぞれ、図１２
ａ〜１２ｄに示すＲＣディケイ、書込み／消去電荷制御、作動電荷制御、および
二重偏向電荷制御を含む、いくつかの異なる技術を用いてアドレシングすること
が可能である。ＲＣディケイは、もっとも単純であるが、もっとも不十分なＦＴ
Ｕを提供し、利用可能な光の約３分の１が変調される。図１２ａに示すとおり、
マイクロミラーは、所望の偏向３００にされ、ミラーまたは膜上の電荷が取り出
されるにつれて減衰することが可能である。電荷制御は、制御パッドおよびミラ
ー／膜を選択的にアドレシングすることを伴うが、１００％に近いＦＴＵを提供
する。図１２ｂに示すとおり、マイクロミラーは、最初に、消去状態３０２にさ
れ、次いで、フレーム全体を通して保たれる、書込み状態３０４にされる。図１
２ｃに示すとおり、マイクロミラーは、１つの書込み状態３０６から次の書込み
状態へ別々にされる。図１２ｄに示すとおり、マイクロミラーは最初に、基板に
向けた最大の偏向に対応する、消去状態３０８にされ、次いで、所望の書込み状
態３１０にされる。

【００７７】 ＦＥＡ−ＣＣＭは、単色スケールディスプレイに関連して説明されているが、
本発明は、カラーディスプレイにも等しく適用できる。前述したとおり、カラー
投影ディスプレイは、通常、順次式カラーと呼ばれる、カラーホイールを用いて
実現することが可能である。また、カラーディスプレイは、それぞれが、個々の
カラーフィルタを備えた、３つの光弁を用いるか、または空間的な色分解を可能
にするミラートライアッドを有することによって実現することが可能である。後
者の場合、トライアッド内の３つの要素のそれぞれが、異なる軸に沿って偏向し
、結果生成された光ビームが投影カラービームに再結合される前に、個々のカラ
ーフィルタを通過する。ＦＥＡ−ＣＣＭは小型であるので、３つのＴＩＲプリズ
ムが組み合わされるカラーキューブ（ｃｏｌｏｒ ｃｕｂｅ）の３つの異なる辺
に、３つのＦＥＡ−ＣＣＭを載せる、別のカラーディスプレイ構造に適する。こ
のモードの動作は、上記と同様であり、カラーキューブの結果のみが異なる。

【００７８】 本発明のいくつかの例示的な実施形態を示して説明したが、多くの変形例、お
よび代替の実施形態が当業者に見出される。そのような変形例および代替の実施
形態が企図され、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範囲か
らは逸脱することなく実施され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、上述のとおり、公知のＦＥＤの断面図である。

【図２】 図２は、上述のとおり、図１に示すＦＥＤのための駆動電子装置の概略ブロッ
ク図である。

【図３】 図３は、本発明に従ったマイクロミラー電界放出ディスプレイ（ＦＥＡ−ＣＣ
Ｍ）の断面図である。

【図４】 図４は、投影ＦＥＡ−ＣＣＭシステムの概略表示である。

【図５ａ】 図５ａは、ＦＥＡ−ＣＣＭの断面図である。

【図５ｂ】 図５ｂは、クローバー型ミラー構造の平面図である。

【図６】 図６は、反発モードＦＥＡ−ＣＣＭの断面図である。

【図７】 図７は、電荷が制御された膜発動ＦＥＡ−ＣＣＭの断面図である。

【図８】 図８は、バイアス前の偏向での膜発動ＦＥＡ−ＣＣＭの断面図である。

【図９】 図９は、電荷が制御されたコレクターグリッド発動ＦＥＡ−ＣＣＭの断面図で
ある。

【図１０】 図１０は、二重発動ＦＥＡ−ＣＣＭの断面図である。

【図１１】 図１１は、ビームエネルギーが制御されたコレクターグリッド発動ＦＥＡ−Ｃ
ＣＭの断面図である。

【図１２ａ】 図１２ａは、異なるアドレシングモードに関するミラー偏向のプロットである
。

【図１２ｂ】 図１２ｂは、異なるアドレシングモードに関するミラー偏向のプロットである
。

【図１２ｃ】 図１２ｃは、異なるアドレシングモードに関するミラー偏向のプロットである
。

【図１２ｄ】 図１２ｄは、異なるアドレシングモードに関するミラー偏向のプロットである
。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｕ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ， ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，Ｌ Ｋ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，Ｔ Ｍ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ ，ＺＷ (71)出願人 5706 Ｃｏｒｓａ Ａｖｅｎｕｅ， Ｓｕ ｉｔｅ 100， Ｗｅｓｔｌａｋｅ Ｖｉ ｌｌａｇｅ， ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ 91362 Ｕ．Ｓ．Ａ． (72)発明者 リトル， マイケル ジェイ． アメリカ合衆国 カリフォルニア 91377， オークパーク， タンオーク レーン ナンバー249 5500 (72)発明者 ギフォード， エリック エイ． アメリカ合衆国 カリフォルニア 91320， ニューバリー パーク， ジャイアント オーク アベニュー 166 Ｆターム(参考） 2H041 AA12 AB14 AC06 AZ01 AZ05 AZ08 5C036 EE19 EF01 EF06 EF09 EG18 EH04 5C058 AA03 AB02 BA05 EA01 EA02 5C080 AA18 BB05 CC03 DD03 DD07 DD22 JJ02 JJ04 JJ06

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光変調器であって、 透明表面板を有する薄い真空セルと、 該表面板の内側表面に隣接する、該真空セル内の電荷制御ミラー（ＣＣＭ）（
   ５４）であって、該ＣＣＭが静電発動可能マイクロミラー（５８）のアレイを含
   む、電荷制御ミラー（ＣＣＭ）（５４）と、 該真空セル内のコレクターグリッド（５６）と、 一次電子を放出する電界エミッタチップのアレイを含む、該真空内の電界エミ
   ッタアレイ（ＦＥＡ）（５２）であって、該一次電子が該コレクターグリッドを
   通って加速し、該ＣＣＭの裏側に衝突することにより、二次電子を射出させ、且
   つ該コレクターグリッド上に収集させて、該マイクロミラーを偏向する静電力を
   生成する該ＣＣＭの裏側に電荷パターンを残す、電界エミッタアレイ（ＦＥＡ）
   （５２）と、 を含む光変調器。
2. 【請求項２】 前記マイクロミラーのそれぞれが、導電パッド（１４８）上
   に載置されることにより，該マイクロミラーおよび該導電パッドが同じ電位とな
   る、請求項１に記載の光変調器。
3. 【請求項３】 前記ＣＣＭが、該ＣＣＭの裏側の制御パッド（１４４）のア
   レイをさらに含み、該制御パッドおよび該ＣＣＭの裏側のうちの一方が、１より
   も小さな二次放出係数を表わし、他方が１より大きな二次放出係数を表わし、前
   記複数の電界エミッタチップが、該制御パッドおよび該ＣＣＭの裏側に、一次電
   子を交互に送達し、映像レートで前記電荷パターンを新しくする、請求項１に記
   載の光変調器。
4. 【請求項４】 前記電界エミッタチップが、最初に、前記制御パッドに電荷
   を送達して、前記ミラーを消去位置に偏向し、次いで、前記ＣＣＭの裏側に電荷
   を送達して、該ミラーを次の書き込み位置に偏向する、請求項３に記載の光変調
   器。
5. 【請求項５】 前記電界エミッタチップが、前記制御パッドおよび前記ＣＣ
   Ｍの裏側に、選択的に電荷を送達することにより、前記電荷パターンがＣＣＭに
   別々に書きこまれ、前記ミラーを１つの書込み位置から次の書き込み位置へと偏
   向させる、請求項３に記載の光変調器。
6. 【請求項６】 前記ＣＣＭの裏側が、前記ＦＥＡに面する前記マイクロミラ
   ーの表面であり、前記電荷パターンが、該マイクロミラーを前記コレクターグリ
   ッドに向けて静電気で引き付けさせる負の極性を有する、請求項１に記載の光変
   調器。
7. 【請求項７】 前記電荷パターンが、前記マイクロミラーを前記ＦＥＡから
   引き離す、薄い絶縁膜（１９４）に書き込まれ、該マイクロミラーを該膜に向け
   て偏向させる、請求項１に記載の光変調器。
8. 【請求項８】 前記マイクロミラーのそれぞれが、基準電位に保たれる下側
   基準電極（１２８，１２０，１５０）の上に吊るされる偏向可能ミラー素子を含
   み、前記電荷パターンが、該偏向可能ミラー素子とそれらの下側にある基準電極
   との電位差を生成し、該ミラー素子をそれらの基準電極に向けて偏向させる、請
   求項１に記載の光変調器。
9. 【請求項９】 前記電荷パターンが、前記コレクターグリッドの電位に向け
   て、前記マイクロミラーの電位を増加させることにより、該マイクロミラーと前
   記基準電極との前記電位差によって前記ミラー素子を偏向し、該マイクロミラー
   は、該電位差が閾値電位を超過すると、スナップオーバーされ易くなり、該コレ
   クターグリッドは、該閾値電位よりも低いグリッド電位でバイアスされる、請求
   項８に記載の光変調器。
10. 【請求項１０】 気圧を制するために前記表面板から前記ＦＥＡに延びる支
    柱（８２）のアレイをさらに含む、請求項１に記載の光変調器。