JP2004125940A - 発光素子及びそれを具えるフィールドエミッションディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】クロストークが生じることがなく、かつ、周辺雰囲気が大気圧の状態において非常に低い駆動電圧で発光を行うことができる発光素子及びそれを具えるフィールドエミッションディスプレイを提供する。
【解決手段】駆動電極４にパルス電圧を印加すると、スリット付近に電界が集中して電界放出現象が生じる。放出された電子は、透明電極９にバイアス電圧を印加することによって、導電性コーティング層６及び電子通過層７を通じて蛍光体層８に当たる。これによって、蛍光体層８が励起され、矢印で示すような発光が透明電極９を通じて生じる。発光素子１を２次元的に配列することによって、フィールドエミッションディスプレイを構成することができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子及びそれを具えるフィールドエミッションディスプレイに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）やバックライトのような種々のアプリケーションにおいて、駆動用の電極及び接地用の電極を有する電子放出素子が用いられている（例えば、特許文献１〜５及び非特許文献１〜３参照）。そのような電子放出素子は、ＦＥＤに適用される場合、２次元的に配列され、これら電子放出素子に対する複数の蛍光体が、所定の間隔を以ってそれぞれ配置されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１−３１１，５３３号公報（第３頁、第１図）
【特許文献２】特開平７−１４７，１３１号公報（第３頁、図８及び図９）
【特許文献３】特開２０００−２８５，８０１号公報（第５頁、図３）
【特許文献４】特公昭４６−２０，９４４号公報（第１頁、第２図）
【特許文献５】特公昭４４−２６，１２５号公報（第１頁、第２図）
【非特許文献１】安岡・石井、「強誘電体陰極を用いたパルス電子源」、応用物理　第６８巻　第５号　ｐ．５４６〜５５０（１９９９）
【非特許文献２】Ｖ．Ｆ．Ｐｕｃｈｋａｒｅｖ，　Ｇ．Ａ．Ｍｅｓｙａｔｓ，　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｅｒａｍｉｃ　ｃａｔｈｏｄｅ，　Ｊ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．，　Ｖｏｌ．７８，　Ｎｏ．９　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　１９９５，　ｐ．５６３３−５６３７
【非特許文献３】Ｈ．Ｒｉｅｇｅ，　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ　−　ａ　ｒｅｖｉｅｗ，　Ｎｕｃｌ．　Ｉｎｓｔｒ．　Ａｎｄ　Ｍｅｔｈ．　Ａ３４０，　ｐ．８０−８９　（１９９４）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特許文献１〜５及び非特許文献１〜３に記載されているような従来の一般的な電子放出素子の直進性、すなわち、放出された電子が所定の対象（例えば蛍光体）に直進する程度が良好でなく、放出された電子によって所望の電流密度を確保するためには、比較的高い電圧を電子放出素子に印加する必要がある。
【０００５】
また、従来の一般的な電子放出素子をＦＥＤに適用した場合、直進性が良好でないためにクロストークが比較的に大きくなる、すなわち、放出された電子が、対応する蛍光体に隣接する蛍光体に入射するおそれが高くなる。その結果、蛍光体のピッチを狭くするのが困難となり、隣接する蛍光体に電子が入射されるのを防止するためにグリッドを設ける必要がある。
【０００６】
本発明の目的は、クロストークが生じることがなく、かつ、周辺雰囲気を真空に維持する必要がないすなわち周辺雰囲気が大気圧の状態において非常に低い駆動電圧で発光を行うことができる発光素子及びそれを具えるフィールドエミッションディスプレイを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明による発光素子は、
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された電子通過層と、
その電子通過層に設けられた蛍光体層と、
その蛍光体層に設けられた透明電極又は前記蛍光体層に対して所定の間隔を以って配置された第３電極とを有することを特徴とする。
【０００８】本発明によれば、第１又は第２電極にパルス電圧を印加すると、スリット付近に電界が集中して電界放出現象が生じる。放出された電子は、透明電極又は第３電極にバイアス電圧を印加することによって、電子通過層を通じて蛍光体層に当たる。これによって、蛍光体層が励起され、発光が生じる。
【０００９】また、放出された電子が電子通過層と蛍光体層との間しか移動しないので、使用の際に放出電子の直進性すなわちクロストークを考慮する必要がなくなる。したがって、所望の電流密度を確保するために印加される電圧も、電子放出素子の場合に比べて低くなり、消費電力が大幅に低減される。また、発光素子それ自体が発光するため、発光の際に、電子を真空空間に放出し、放出電子を対応する蛍光体に当てる必要がなく、本発明による発光素子を、周辺雰囲気が大気圧の状態で用いることができる。その結果、大気圧の下で非常に低い駆動電圧によって発光を行うことができる。なお、第１及び第２電極等を厚膜印刷によって電界印加部に形成することができるので、本発明による発光素子は、耐久性及びコスト低減の観点からも好ましい。
【００１０】本発明による他の発光素子は、
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された第１電子通過層と、
この第１電子通過層に設けられ、前記第１電子通過層から放出される電子を放出するための第３電極及び第４電極と、
前記第１電子通過層、第３電極及び第４電極に設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された第２電子通過層と、
その第２電子通過層に設けられた蛍光体層と、
その蛍光体層に設けられた透明電極又は前記蛍光体層に対して所定の間隔をもって配置された第５電極とを有することを特徴とする発光素子。
【００１１】本発明によれば、第１又は第２電極にパルス電圧を印加すると、スリット付近に電界が集中して電界放出現象が生じる。放出された電子は、透明電極又は第５電極にバイアス電圧を印加することによって、第３及び第４電極によって電子の放出を制御しながら第１及び第２電子通過層を通じて蛍光体層に当たる。これによって、蛍光体層が励起され、発光が生じる。
【００１２】また、放出された電子が第１電子通過層から第２蛍光体層までしか移動しないので、使用の際に放出電子の直進性すなわちクロストークを考慮する必要がなくなる。したがって、所望の電流密度を確保するために印加される電圧も、電子放出素子の場合に比べて低くなり、消費電力が大幅に低減される。また、発光素子それ自体が発光するため、発光の際に、電子を真空空間に放出し、放出電子を対応する蛍光体に当てる必要がなく、本発明による発光素子を、周辺雰囲気が大気圧の状態で用いることができる。その結果、大気圧の下で非常に低い駆動電圧によって発光を行うことができる。さらに、第３及び第４電極によって電子の放出が制御されるので、所望の発光特性が容易に得られる。なお、第１及び第２電極等を厚膜印刷によって電界印加部に形成することができるので、本発明による発光素子は、耐久性及びコスト低減の観点からも好ましい。
【００１３】発光素子に印加される電圧を更に低減するために、好適には、前記第１電極、第２電極及びスリットと前記電子通過層との間に介在する導電性コーティング層を更に有する。
【００１４】電界を集中して電子の放出を容易にするために、前記第１電極と第２電極のうちの少なくとも一方が、凸部と凹部のうちの少なくとも一方を有するのが好ましい。凸部及び凹部は、直線と曲線のうちの少なくとも一方から規則的又は不規則的に任意の形状に形成され、例えば、直線のみによって規則的又は不規則的に形成する場合、第１電極と第２電極のうちの少なくとも一方は、鋭角を成す角部を有する。
【００１５】電界を集中して電子の放出を容易にするために、前記第１電極と第２電極のうちの少なくとも一方に形成されるピンホールと、前記第１電極及び第２電極から電気的に絶縁して前記スリットに配置され、前記第１電極及び第２電極を構成する材料と同一材料によって構成された島のうちの少なくとも一方を有してもよい。ピンホール及び島も、直線と曲線のうちの少なくとも一方から規則的又は不規則的に任意の形状に形成される。
【００１６】印加電圧の大幅な低減を図るために、前記電界印加部の比誘電率を１０００以上とし、及び／又は、前記スリットの幅を０．１μｍと５００μｍとの間とする。印加電圧を更に低減するためには、前記スリットの幅を０．１μｍと５０μｍとの間とし、好適には、前記スリットの幅を０．１μｍと１０μｍとの間とする。さらに好適には、前記スリットの幅を０．１μｍと１μｍとの間とし、この場合、１０Ｖ程度の低い印加電圧で電子の放出が可能となる。
【００１７】加工の容易性及び第１電極と第２電極との間の絶縁性の確保のために、スリットの幅の下限を０．１μｍとするのがよく、また、電子放出の低電圧化、回路の小型化、コストの低減及び駆動電極（第１又は第２電極）の寿命の観点から、スリット幅の上限を１μｍとするのがよい。
【００１８】本発明による他のフィールドエミッションディスプレイは、
２次元的に配列された複数の発光素子を具え、
これら発光素子の各々が、
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された電子通過層と、
その電子通過層に設けられた蛍光体層と、
その蛍光体層に設けられた透明電極又は前記蛍光体層に対して所定の間隔をもって配置された第３電極とを有することを特徴とする。
【００１９】本発明によれば、ＦＥＤの表示の際に発光素子それ自体が発光するので、ＦＥＤが蛍光体を具える必要がなくなり、その結果、蛍光体のピッチを考慮する必要がなくなるだけでなく、グリッドを設ける必要もなくなる。その結果、本発明によるＦＥＤは、高精細化、解像度の向上、装置の小型化及びコストの低減の観点から好ましい。さらに、本発明によれば、発光素子を大気圧の状態で使用することができるので、ＦＥＤに真空空間を確保する必要がなく、ＦＥＤの薄型化に非常に有利である。
【００２０】２次元的に配列された複数の発光素子を具え、
これら発光素子の各々が、
誘電体によって構成された電界印加部と、
この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された第１電子通過層と、
この第１電子通過層に設けられ、前記第１電子通過層から放出される電子を放出するための第３電極及び第４電極と、
前記第１電子通過層、第３電極及び第４電極に設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された第２電子通過層と、
その第２電子通過層に設けられた蛍光体層と、
その蛍光体層に設けられた透明電極又は前記蛍光体層に対して所定の間隔をもって配置された第５電極とを有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
【００２１】本発明によれば、ＦＥＤの表示の際に発光素子それ自体が発光するので、ＦＥＤが蛍光体を具える必要がなくなり、その結果、蛍光体のピッチを考慮する必要がなくなるだけでなく、グリッドを設ける必要もなくなる。その結果、本発明によるＦＥＤは、高精細化、解像度の向上、装置の小型化及びコストの低減の観点から好ましい。さらに、本発明によれば、発光素子を大気圧の状態で使用することができるので、ＦＥＤに真空空間を確保する必要がなく、ＦＥＤの薄型化に非常に有利である。さらに、個々の発光素子において、第３及び第４電極によって電子の放出が制御されるので、所望の発光特性が容易に得られ、ＦＥＤの表示を更に良好に行うことができる。
【００２２】好適には、前記２次元的に配列された複数の発光素子を一体に形成した基板を更に具える。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明による発光素子及びそれを具えるフィールドエミッションディスプレイの実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図面中、同一部材に同一符号を付す。
図１Ａは、本発明による発光素子の第１の実施の形態の側面図であり、図１Ｂは、そのＩ−Ｉ断面図である。本実施の形態の発光素子１は、基板２上に形成されており、誘電体によって構成された電界印加部３と、その一方の面に形成された第１電極としての駆動電極４と、駆動電極４とともにスリットを形成する第２電極としてのコモン電極５と、駆動電極４、コモン電極５及びスリットに設けられた導電性コーティング層６と、導電性コーティング層６に設けられた電子通過層７と、その電子通過層７に設けられた蛍光体層８と、その蛍光体層８に設けられた透明電極９とを有する。
【００２４】基板２としては、駆動電極４に電気的に接続した配線１０と、コモン電極５に電気的に接続した配線１１とを電気的に分離するために、電気的な絶縁材料で構成するのが好ましい。
【００２５】したがって、基板２を、高耐熱性の金属や、その金属表面をガラスなどのセラミックス材料によって被覆したホーローのような材料によって構成することができるが、セラミックスで構成するのが最適である。
【００２６】基板４を構成するセラミックスとしては、例えば、安定化された酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、スピネル、ムライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、ガラス、これらの混合物等を使用することができる。その中でも、酸化アルミニウム及び安定化された酸化ジルコニウムが、強度及び剛性の観点から好ましい。安定化された酸化ジルコニウムは、機械的強度が比較的高いこと、靭性が比較的高いこと、駆動電極４及びコモン電極５との化学反応が比較的小さいことなどの観点から特に好適である。なお、安定化された酸化ジルコニウムとは、安定化酸化ジルコニウム及び部分安定化酸化ジルコニウムを包含する。安定化された酸化ジルコニウムでは、立方晶などの結晶構造をとるため、相転移が生じない。
【００２７】一方、酸化ジルコニウムは、１０００℃前後で単斜晶と正方晶との間を相転移し、このような相転移の際にクラックが発生するおそれがある。安定化された酸化ジルコニウムは、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム、酸化スカンジウム、酸化イッテルビウム、酸化セリウム、希土類金属の酸化物等の安定剤を、１−３０モル％含有する。なお、基板２の機械的強度を向上させるために、安定化剤が酸化イットリウムを含有するのが好適である。この場合、酸化イットリウムを、好適には１．５−６モル％、更に好適には２−４モル％含有し、更に０．１−５モル％の酸化アルミニウムを含有するのが好ましい。
【００２８】また、結晶相を、立方晶＋単斜晶の混合相、正方晶＋単斜晶の混合相、立方晶＋正方晶＋単斜晶の混合相等とすることができるが、その中でも、主たる結晶相を、正方晶又は正方晶＋立方晶の混合相としたものが、強度、靭性及び耐久性の観点から最適である。
【００２９】基板２をセラミックスから構成した場合、比較的多数の結晶粒が基板２を構成するが、基板２の機械的強度を向上させるためには、結晶粒の平均粒径を、好適には０．０５−２μｍとし、更に好適には０．１−１μｍとする。
【００３０】電界印加部３を構成する誘電体として、好適には、比誘電率が比較的高い、例えば１０００以上の誘電体を採用する。このような誘電体としては、チタン酸バリウムの他に、ジルコン酸鉛、マクネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、マグネシウムタンタル酸鉛、ニッケルタンタル酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、チタン酸バリウム、マグネシウムタングステン酸鉛、コバルトニオブ酸鉛等又はこれらの任意の組合せを含有するセラミックスや、主成分がこれらの化合物を５０重量％以上含有するものや、前記セラミックスに対して更にランタン、カルシウム、ストロンチウム、モリブデン、タングステン、バリウム、ニオブ、亜鉛、ニッケル、マンガン等の酸化物若しくはこれらのいずれかの組合せ又は他の化合物を適切に添加したもの等を挙げることができる。例えば、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）の２成分系ｎＰＭＮ−ｍＰＴ（ｎ，ｍをモル数比とする。）においては、ＰＭＮのモル数比を大きくすると、キュリー点が下げられて、室温での比誘電率を大きくすることができる。特に、ｎ＝０．８５−１．０，ｍ＝１．０−ｎで比誘電率３０００以上となり好ましい。例えば、ｎ＝０．９１，ｍ＝０．０９で室温の比誘電率１５０００，ｎ＝０．９５，ｍ＝０．０５で室温の比誘電率２００００が得られる。次に、マグネシウムニオブ酸鉛（ＰＭＮ）、チタン酸鉛（ＰＴ）、ジルコン酸鉛（ＰＺ）の３成分系では、ＰＭＮのモル数比を大きくする他に、正方晶と擬立方晶又は正方晶と菱面体晶のモルフォトロピック相境界（ＭＰＢ：Ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ　Ｐｈａｓｅ　Ｂｏｕｎｄａｒｙ）付近の組成とすることが比誘電率を大きくするのに好ましい。例えば、ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．３７５：０．３７５：０．２５にて比誘電率５５００，ＰＭＮ：ＰＴ：ＰＺ＝０．５：０．３７５：０．１２５にて比誘電率４５００となり、特に好ましい。さらに、絶縁性が確保できる範囲内でこれらの誘電体に白金のような金属を混入して、誘電率を向上させるのが好ましい。この場合、例えば、誘電体に白金を重量比で２０％混入させる。
【００３１】駆動電極４及びコモン電極５は、いずれも半円形状を有し、例えば膜厚が３μｍのＡｕによって構成される。電界放出現象が生じやすくするようスリット幅Δを５００μｍ以下にする。なお、市販のプラズマディスプレイ、蛍光表示管又は液晶ディスプレイで用いられるドライバＩＣで本発明による発光素子を駆動するためには、スリット幅Δを２０μｍ以下にするのが好ましい。
【００３２】駆動電極４には、基板２の裏面から引き出された配線１０を通じて電源（図示せず）からパルス電圧が印加される。コモン電極５には、基板２の裏面から引き出された配線１１を通じて所定の電位（例えば接地電位）に維持され、コモン電極５が接地電位に維持される場合、コモン電極５とアースとの間に抵抗を配置するのが好ましい。
【００３３】なお、導電性コーティング層６は、発光素子１に印加される電圧を更に低減する役割を果たし、例えば３μｍの厚さを有するカーボンによって構成されるが、カーボンの他に、高温酸化雰囲気に対して耐性を有する導体、例えば金属単体、合金、絶縁性セラミックスと金属単体との混合物、絶縁性セラミックスと合金との混合物等によって構成し、好適には、白金、パラジウム、ロジウム、モリブデン等の高融点貴金属や、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分とするものや、白金とセラミックス材料とのサーメット材料によって構成する。更に好適には、白金のみ又は白金系の合金を主成分とする材料によって構成する。また、導電性コーティング層６として、グラファイト系の材料、例えば、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブも好適に使用される。なお、導電性コーティング材料中に添加させるセラミックス材料の割合は、５−３０体積％程度が好適である。導電性コーティング部１０４の抵抗値を、例えば数キロΩ〜１００キロΩとするのが好ましい。導電性コーティング部１０４を、蒸着カーボン（具体例として、サンユー工業社製「ＣＡＲＢＯＮ　５ＰＣ」を蒸着したもの）、刷り込みカーボン（具体例として、Ｄｅｇｕｓｓａ社製「ＦＷ２００」など）、印刷カーボン等によって形成する。
【００３４】電子通過層７は、所定の電圧（蛍光体層８が低電圧タイプの場合には数百ボルト以下となり、蛍光体層８が高電圧タイプの場合には数ｋＶ以上となる。）が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成される。かかる材料は、誘電体に比べて誘電率が低く、具体的には、アモーファスＳｉＯｘ、多孔質化ポリシリコン、アルミナ等から構成される。また、電子通過層７として、ポーラス上の絶縁層や、不純物注入によって抵抗が調整可能なダイヤモンド構造の炭素、グラファイト構造の炭素、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブ等の高抵抗層も使用できる。
【００３５】蛍光体層８は、カラーディスプレイで使用されるような従来既知の蛍光体から構成され、透明電極９は、好適には酸化インジウム第一錫（ＩＴＯ）によって構成され、バイアス電圧＋Ｖｂが印加される。
【００３６】本実施の形態の動作を説明する。駆動電極４にパルス電圧を印加すると、スリット付近に電界が集中して電界放出現象が生じる。放出された電子は、透明電極９にバイアス電圧を印加することによって、導電性コーティング層６及び電子通過層７を通じて蛍光体層８に当たる。これによって、蛍光体層８が励起され、矢印で示すような発光が透明電極９を通じて生じる。
【００３７】また、放出された電子が電子導電性コーティング層６から蛍光体層８までしか移動しないので、使用の際に放出電子の直進性すなわちクロストークを考慮する必要がなくなる。したがって、所望の電流密度を確保するために印加される電圧も、電子放出素子の場合に比べて低くなり、消費電力が大幅に低減される。また、発光素子１それ自体が発光するため、発光の際に、電子を真空空間に放出し、放出電子を対応する蛍光体に当てる必要がなく、本実施の形態による発光素子を、周辺雰囲気が大気圧の状態で用いることができる。その結果、大気圧の下で非常に低い駆動電圧によって発光を行うことができる。なお、駆動電極４及びコモン電極５等を厚膜印刷によって電界印加部に形成することができるので、本発明による発光素子は、耐久性及びコスト低減の観点からも好ましい。
【００３８】図２Ａは、本発明による発光素子の第２の実施の形態の側面図であり、図２Ｂは、そのＩＩ−ＩＩ断面図である。本実施の形態では、駆動電極４ａ及びコモン電極５ａは、凹部２１、凸部２２及びピンホール２３を有し、スリットには、駆動電極４ａ及びコモン電極５ａから電気的に絶縁して配置され、駆動電極４ａ及びコモン電極５ａを構成する材料と同一材料（例えばＡｕ）で構成された島２４を有する。
【００３９】本実施の形態によれば、凹部２１、凸部２２、ピンホール２３及び島２４に電界が集中し、電子の放出を容易になるので、発光素子２１の駆動電圧を更に低くすることができる。
【００４０】これら凹部２１、凸部２２、ピンホール２３及び島２４は、例えば、スリット幅が１０μｍとなるように共にＡｕによって構成した半円形状の駆動電極及びコモン電極を誘電体（誘電率５５００）に形成した後、コモン電極とアースとの間に配置した抵抗を１０Ωとした状態で、２５０Ｖ，５μ秒のパルス電圧を数回印加することによって形成される。なお、図２に示す発光素子として使用する際には、コモン電極とアースとの間に配置される抵抗を１０ｋΩにする。
【００４１】図３は、図２Ｂの一部を拡大して示す顕微鏡写真であり、図４は、図３の写真の説明図である。図４において、スリットを斜線で示す。この場合、駆動電極４ａが凸部３４を有し、コモン電極５ａがピンホールを有し、スリットが島を有する。
【００４２】図５Ａは、本発明による発光素子の第３の実施の形態の側面図であり、図５Ｂは、そのＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。本実施の形態において、発光素子４１の駆動電極４ｂ及びコモン電極５ｂは、スリット側に規則的に形成された鋸歯形状部を有する。これによって、鋸歯形状部に電界が集中し、電子の放出を容易になるので、発光素子４１の駆動電圧を更に低くすることができる。
【００４３】図６Ａは、本発明による発光素子の第４の実施の形態の側面図であり、図６Ｂは、そのＩＶ−ＩＶ断面図である。本実施の形態において、発光素子５１は、スリットに規則的に配置された円形の島５２を有する。これによって、島５２に電界が集中し、電子の放出を容易になるので、発光素子４１の駆動電圧を更に低くすることができる。
【００４４】図７Ａは、本発明による発光素子の第５の実施の形態の側面図であり、図７Ｂは、そのＶ−Ｖ断面図である。本実施の形態において、発光素子６１は、スリットに規則的に配置された円形の島６２を有し、駆動電極４ｃ及びコモン電極５ｃは、スリット側に規則的に形成された先鋭部を有する。これによって、先鋭部及び島６２に電界が集中し、電子の放出を容易になるので、発光素子６１の駆動電圧を更に低くすることができる。
【００４５】図８Ａは、本発明による発光素子の第６の実施の形態の側面図であり、図８Ｂは、そのＶＩ−ＶＩ断面図である。本実施の形態において、発光素子７１は、スリットに規則的に配置された菱形の島７２を有し、駆動電極４ｄ及びコモン電極５ｄは、スリット側に規則的に形成された鋸歯形状部を有する。これによって、先鋭部及び島７２に電界が集中し、電子の放出を容易になるので、発光素子７１の駆動電圧を更に低くすることができる。
【００４６】図９Ａは、本発明による発光素子の第７の実施の形態の側面図であり、図９Ｂは、そのＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。本実施の形態による発光素子８１は、図１に示す第１の実施の形態において、透明電極９の代わりに、蛍光体層８に対して所定の間隔を以って配置されるとともにバイアス電圧＋Ｖｂが印加されるコレクタ電極１２を有する。駆動電極４にパルス電圧を印加することによって放出された電子は、コレクタ電極１２にバイアス電圧＋Ｖｂを印加することによって、電子通過層７を通じて蛍光体層８に当たる。これによって、蛍光体層８が励起され、矢印で示すような発光が生じる。
【００４７】図１０Ａは、本発明による発光素子の第８の実施の形態の側面図であり、図１０Ｂは、そのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。本実施の形態において、基板２に形成される３極管構造の発光素子９１は、図１に示す発光素子１の構成要素の他に、電子の放出を制御するために電子通過層７に設けた第３及び第４電極としてのゲート電極９２及び９３と、これらゲート電極９２及び９３によって制御された電子が通過する他の電子通過層９４とを更に有する。本実施の形態によれば、ゲート電極９２及び９３によって電子の放出が制御されるので、所望の発光特性が容易に得られる。
【００４８】図１１Ａは、本発明による発光素子の第９の実施の形態の側面図であり、図１１Ｂは、そのＩＸ−ＩＸ断面図である。本実施の形態による発光素子８１は、図１０に示す第８の実施の形態において、透明電極９の代わりに、蛍光体層８に対して所定の間隔を以って配置されるとともにバイアス電圧＋Ｖｂが印加されるコレクタ電極１３を有する。駆動電極４にパルス電圧を印加することによって放出された電子は、コレクタ電極１３にバイアス電圧＋Ｖｂを印加することによって、電子通過層７を通じて蛍光体層８に当たる。これによって、蛍光体層８が励起され、矢印で示すような発光が生じる。
【００４９】図１２Ａは、本発明によるＦＥＤの実施の形態を示す図である。このＦＥＤは、２次元的に配列された複数の発光素子２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂと、これら複数の発光素子２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂが配置される基板２０１と、これら複数の発光素子２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂに対して所定の間隔を以って配置され、例えばガラスによって構成した透明基板２０２と、ＦＥＤの厚さ方向の空間を維持するためのスペーサ２０３とを有する。
【００５０】本実施の形態では、発光素子２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂはそれぞれ、蛍光体層として赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体を使用し、基板２０１を、図１などに示す基板２と同一材料で構成することができる。また、発光素子２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂは、図１に示す構造を有するが、図２，５−１１のうちのいずれの構造を有してもよい。
【００５１】本実施の形態によれば、ＦＥＤの表示の際に発光素子２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂそれ自体が発光するので、ＦＥＤが蛍光体を具える必要がなくなり、その結果、蛍光体のピッチを考慮する必要がなくなるだけでなく、グリッドを設ける必要もなくなる。その結果、本発明によるＦＥＤは、高精細化、解像度の向上、装置の小型化及びコストの低減の観点から好ましい。さらに、本発明によれば、発光素子を大気圧の状態で使用することができるので、ＦＥＤに真空空間を確保する必要がなく、ＦＥＤの薄型化に非常に有利である。
【００５２】本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
例えば、本発明のよる発光素子を、ＦＥＤ以外のアプリケーション、例えば、プロジェクタの光源用途のような高輝度かつ高効率仕様の光源や、チップ光源、信号機、携帯電話などの小型液晶ディスプレイのバックライトのようなＬＥＤの代替用途に適用することもできる。また、電界放出現象が生じるように、駆動電極とコモン電極との間に好適には０．１μｍと５００μｍとの間の幅を有するスリットを形成し、直線と曲線のうちの少なくとも一方から規則的又は不規則的に任意の形状に形成された凸部及び凹部が駆動電極とコモン電極のうちの少なくとも一方に設けられ、スリットに島が形成され、及び／又は、駆動電極とコモン電極のうちの少なくとも一方がピンホールを有する限り、駆動電極及びコモン電極の形状を任意の形状とすることができる。
【００５３】ここで、駆動電極とコモン電極との間のスリット幅ｄについて考察すると、電子放出の際に発光素子に印加される電圧Ｖを低減するためには、スリット幅を比較的狭くするのが好ましい。電子を放出するためには、電界を集中させる箇所において、所定の値Ｅ以上の電界が生じる必要がある。電界Ｅは、
【数１】
Ｅ＝Ｖ／ｄ
によって決定されるので、電界Ｅを大きくするためには、電圧Ｖを高くし及び／又はスリット幅ｄを小さくする必要がある。
【００５４】電圧Ｖを高くした場合、
（ａ）発光素子の駆動回路に印加される電圧も高くなるため、駆動回路の小型化が困難となり、発光素子及びその駆動回路を有する装置全体が高価なものとなる。
（ｂ）プラズマ雰囲気で生成された正イオンが、電圧Ｖによってエネルギーを取得し、駆動電極に衝突し、したがって、駆動電極に損傷が生じるおそれが高くなる。
その結果、電界Ｅを大きくするためには、電圧Ｖを高くすることなくスリット幅ｄを小さくするのが好ましい。
【００５５】スリット幅ｄをできるだけ小さくするのが好ましいが、本発明による発光素子によれば、電子を放出するに際し、従来のＦＥＤに使用される電子放出素子の場合に比べてスリット幅ｄを小さくする必要がない。具体的に説明すると、電界放出を原理とする電子放出素子の場合、電界Ｅを５×１０^９Ｖ／ｍ程度とする必要があり、電圧Ｖを１００Ｖ未満にするためには、スリット幅ｄを２０ｎｍにする必要がある。それに対して、本発明による発光素子によれば、電圧Ｖを１００Ｖ未満に維持するためには、スリット幅ｄを２０μｍにすれば十分である。その結果、スリットを、廉価なスリット加工及びパターニングで形成することができる。
【００５６】本発明によれば、スリット幅ｄを０．１μｍと５００μｍとの間とする。印加電圧を更に低減するためには、スリット幅ｄを０．１μｍと５０μｍとの間とし、好適には、０．１μｍと１０μｍとの間とする。さらに好適には、スリット幅ｄを０．１μｍと１μｍとの間とし、この場合、１０Ｖ程度の低い印加電圧で電子の放出が可能となる。
【００５７】加工の容易性及び第１電極と第２電極との間の絶縁性の確保のために、スリット幅ｄの下限を０．１μｍとするのがよく、また、電子放出の低電圧化、回路の小型化、コストの低減及び駆動電極の寿命の観点から、スリット幅ｄの上限を１μｍとするのがよい。
【００５８】上記実施の形態において、基板としてセラミックを用いた場合について説明したが、ガラス基板、金属板及びシリコン基板を使用することもでき、基板それ自体を誘電体によって構成してもよい。ガラス基板を用いた場合、大パネル化に有利であり、ＴＦＴによって回路を形成することもできる。金属層を用いた場合、絶縁層が必要となり、シリコン基板とした場合、回路形成が容易となる。基板それ自体を誘電体とした場合、基板それ自体が電界印加部となり、駆動電極及びコモン電極を基板に直接形成することができる。
【００５９】上記実施の形態において、駆動電極（第１電極）、コモン電極（第２電極）及びスリットと電子通過層との間に導電性コーティング層を設けた場合について説明したが、導電性コーティング層を省略してもよく、この場合、駆動電極４を、高温酸化雰囲気に対して耐性を有する導体、例えば金属単体、合金、絶縁性セラミックスと金属単体との混合物、絶縁性セラミックスと合金との混合物等によって構成し、好適には、白金、パラジウム、ロジウム、モリブデン等の高融点貴金属や、銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウム等の合金を主成分とするものや、白金とセラミックス材料とのサーメット材料によって構成する。更に好適には、白金のみ又は白金系の合金を主成分とする材料によって構成する。また、電極として、カーボン、グラファイト系の材料、例えば、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンドライクカーボン、カーボンナノチューブも好適に使用される。なお、電極材料中に添加させるセラミックス材料の割合は、５−３０体積％程度が好適である。
【００６０】駆動電極４を形成するに当たり、上記材料を用いて、スクリーン印刷、スプレー、導電性コーティング、ディッピング、塗布、電気泳動法等の各種の厚膜形成方法や、スパッタリング、イオンビーム、真空蒸着、イオンプレーティング、ＣＶＤ、めっき等の各種の薄膜形成手法による通常の膜形成手法に従って形成することができ、好適には、これら厚膜形成手法によって形成される。
【００６１】厚膜形成手法によって駆動電極４を形成する場合、その厚さは、一般的には２０μｍ以下となり、好適には５μｍ以下となる。
【００６２】コモン電極５は、駆動電極４と同様な材料及び手法によって形成されるが、好適には上記厚膜形成手法によって形成する。コモン電極５の厚さも、一般的には２０μｍ以下とし、好適には５μｍ以下とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による発光素子の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明による発光素子の第２の実施の形態を示す図である。
【図３】図２Ｂの一部を拡大して示す顕微鏡写真である。
【図４】図３の写真の説明図である。
【図５】本発明による発光素子の第３の実施の形態を示す図である。
【図６】本発明による発光素子の第４の実施の形態を示す図である。
【図７】本発明による発光素子の第５の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明による発光素子の第６の実施の形態を示す図である。
【図９】本発明による発光素子の第７の実施の形態を示す図である。
【図１０】本発明による発光素子の第８の実施の形態を示す図である。
【図１１】本発明による発光素子の第９の実施の形態を示す図である。
【図１２】本発明によるＦＥＤの実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１，２１，４１，５１，６１，７１，８１，９１，２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ　発光素子、２，２０１　基板、３　電界印加部、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ　駆動電極、５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ　コモン電極、６　導電性コーティング層、７，９４　電子通過層、８　蛍光体層、９　透明電極、１０，１１　配線、１２　コレクタ電極、２１、凹部、２２，３４　凸部、２３，３５　ピンホール、２４，３６，５２，６２，７２　島、９２，９３　ゲート電極、２０２透明基板、Δ　スリット幅

Claims (21)

1. 誘電体によって構成された電界印加部と、
   この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
   前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
   前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された電子通過層と、
   その電子通過層に設けられた蛍光体層と、
   その蛍光体層に設けられた透明電極又は前記蛍光体層に対して所定の間隔を以って配置された第３電極とを有することを特徴とする発光素子。
2. 誘電体によって構成された電界印加部と、
   この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
   前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
   前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された第１電子通過層と、
   この第１電子通過層に設けられ、前記第１電子通過層から放出される電子を放出するための第３電極及び第４電極と、
   前記第１電子通過層、第３電極及び第４電極に設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された第２電子通過層と、
   その第２電子通過層に設けられた蛍光体層と、
   その蛍光体層に設けられた透明電極又は前記蛍光体層に対して所定の間隔を以って配置された第５電極とを有することを特徴とする発光素子。
3. 請求項１又は２記載の発光素子において、
   前記第１電極、第２電極及びスリットと前記電子通過層との間に介在する導電性コーティング層を更に有することを特徴とする発光素子。
4. 請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の発光素子において、
   前記第１電極と第２電極のうちの少なくとも一方が、凸部と凹部のうちの少なくとも一方を有することを特徴とする発光素子。
5. 請求項１から４のうちのいずれか１項に記載の発光素子において、
   前記第１電極と第２電極のうちの少なくとも一方に形成されるピンホールと、前記第１電極及び第２電極から電気的に絶縁して前記スリットに配置され、前記第１電極及び第２電極を構成する材料と同一材料によって構成された島のうちの少なくとも一方を有することを特徴とする発光素子。
6. 請求項１から５のうちのいずれか１項に記載の発光素子において、前記電界印加部の比誘電率を１０００以上としたことを特徴とする発光素子。
7. 請求項１から６のうちのいずれか１項に記載の発光素子において、
   前記スリットの幅を０．１μｍと５００μｍとの間としたことを特徴とする発光素子。
8. 請求項７記載の発光素子において、
   前記スリットの幅を０．１μｍと５０μｍとの間としたことを特徴とする発光素子。
9. 請求項８記載の発光素子において、
   前記スリットの幅を０．１μｍと１０μｍとの間としたことを特徴とする発光素子。
10. 請求項９記載の発光素子において、
    前記スリットの幅を０．１μｍと１μｍとの間としたことを特徴とする発光素子。
11. ２次元的に配列された複数の発光素子を具え、
    これら発光素子の各々が、
    誘電体によって構成された電界印加部と、
    この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
    前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
    前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された電子通過層と、
    その電子通過層に設けられた蛍光体層と、
    その蛍光体層に設けられた透明電極又は前記蛍光体層に対して所定の間隔を以って配置された第３電極とを有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
12. ２次元的に配列された複数の発光素子を具え、
    これら発光素子の各々が、
    誘電体によって構成された電界印加部と、
    この電界印加部の一方の面に形成された第１電極と、
    前記電界印加部の一方の面に形成され、前記第１電極とともにスリットを形成する第２電極と、
    前記第１電極、第２電極及びスリットに設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された第１電子通過層と、
    この第１電子通過層に設けられ、前記第１電子通過層から放出される電子を放出するための第３電極及び第４電極と、
    前記第１電子通過層、第３電極及び第４電極に設けられ、所定の電圧が印加された際に耐性を有するとともに電子が通過する特性を有する材料によって構成された第２電子通過層と、
    その第２電子通過層に設けられた蛍光体層と、
    その蛍光体層に設けられた透明電極又は前記蛍光体層に対して所定の間隔をもって配置された第５電極とを有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
13. 請求項１１又は１２記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
    前記第１電極、第２電極及びスリットと前記電子通過層との間に介在する導電性コーティング層を更に有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
14. 請求項１１から１３のうちのいずれか１項に記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
    前記第１電極と第２電極のうちの少なくとも一方が、凸部と凹部のうちの少なくとも一方を有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
15. 請求項１１から１４のうちのいずれか１項に記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
    前記第１電極と第２電極のうちの少なくとも一方に形成されるピンホールと、前記第１電極及び第２電極から電気的に絶縁して前記スリットに配置され、前記第１電極及び第２電極を構成する材料と同一材料によって構成された島のうちの少なくとも一方を有することを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
16. 請求項１１から１５のうちのいずれか１項に記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
    前記電界印加部の比誘電率を１０００以上としたことを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
17. 請求項１１から１６のうちのいずれか１項に記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
    前記スリットの幅を０．１μｍと５００μｍとの間としたことを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。
18. 請求項１７記載の発光素子において、
    前記スリットの幅を０．１μｍと５０μｍとの間としたことを特徴とする発光素子。
19. 請求項１８記載の発光素子において、
    前記スリットの幅を０．１μｍと１０μｍとの間としたことを特徴とする発光素子。
20. 請求項１９記載の発光素子において、
    前記スリットの幅を０．１μｍと１μｍとの間としたことを特徴とする発光素子。
21. 請求項１１から２０のうちのいずれか１項に記載のフィールドエミッションディスプレイにおいて、
    前記２次元的に配列された複数の発光素子を一体に形成した基板を更に具えることを特徴とするフィールドエミッションディスプレイ。

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