JP2004134173A

JP2004134173A - 冷陰極電子源及びそれを用いた表示装置

Info

Publication number: JP2004134173A
Application number: JP2002296163A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Nakada; 中田　修平; Akihiko Hosono; 細野　彰彦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2002-10-09
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】電子放出電流の安定を図った冷陰極電子源、その冷陰極電子源を用いて高画質化を図ったフラットパネル型の表示装置を提供する。
【解決手段】電界の作用によって電子を放出するカーボンナノチューブを含有する電子放出部２３と、電子放出部２３を挟むように対向し当該電子放出部に電界を付与するカソード電極２２及び電子引出電極２５と、カソード電極２２と電子引出電極２５との間に複数の貫通孔２７を有する絶縁性部材２４と、電子引出電極２５より電子放出部２３寄りに配置され当該電子引出電極に電気的接続されているとともに絶縁性部材２４によって保持されている電気抵抗率１０^６〜１０^８Ωｃｍの抵抗部２６とを備えるようにした。
【選択図】　　　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界の作用によって電子を放出する冷陰極電子源に関するものである。さらに、その冷陰極電子源を用いたフラットパネル型の表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電界の作用によって電子を放出する電界電子放出とは、金属または半導体などの表面の印加電界を１０^９Ｖ／ｍ程度にするとトンネル効果により障壁を通過して常温でも真空中に電子放出が行われる現象である。この電界電子放出の電子源を冷陰極電子源といい、熱エネルギーを利用して熱電子を放出する電子源（熱陰極電子源）に比べ、省エネルギーであるとともに長寿命化できるなど多くの優れた点を有している。
【０００３】
冷陰極電子源の電子放出部に適用される電子放出材料としてカーボンナノチューブ（以下ＣＮＴと略す）が知られている。ＣＮＴは直径４〜５０ｎｍ、長さ１０μｍ以上と非常にアスペクト比の高い材料であり、外部電界を効率よくＣＮＴの先端部に集中することが可能となる。これは、外部から印加する電界がマクロ的に低くてもＣＮＴの近傍では非常に大きく増幅され、電子を取り出すのに十分な電界強度を発生できることを示している。その結果、電極に加える引出電極電位が比較的小さくても電子放出が可能であり、電界印加用の制御電源に必要とされる電圧を低減できるメリットがある。
【０００４】
従来の冷陰極電子源を用いた表示装置は、電子引出電極に正電位、カソード電極に負電位を印加して電子放出部に電界を付与すると、ＣＮＴで構成された電子放出部から電子が放出される。この電子は、電子放出部と電子引出電極の間の空間を移動し、電子引出電極の開口部を通過して発光部に到達し、発光部の蛍光体に電子が衝突すると発光が起きる。この発光を利用して表示面に画像が表示される（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１５５６６６号公報（段落０００６−００２１、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、表示面における発光度合の偏りに伴なって画質が不均一となる問題があった。これは、電子放出部の表面状態の微妙な凹凸に依存して電子放出領域が不均一となってしまい、電子放出電流が不安定となるためである。
【０００７】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、電子放出電流の安定を図った冷陰極電子源を提供する。さらに、その冷陰極電子源を用いて高画質化を図ったフラットパネル型の表示装置を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明における冷陰極電子源は、電界の作用によって電子を放出する電子放出部と、電子放出部を挟むように対向し当該電子放出部に電界を付与するカソード電極及び電子引出電極と、電子引出電極より電子放出部寄りに配置され当該電子引出電極に電気的接続されている電気抵抗率１０^６〜１０^８Ωｃｍの抵抗部とを備えるものである。
【０００９】
また、この発明における表示装置は、アノード電極及び蛍光体を搭載する前面パネルと、冷陰極電子源を搭載し前面パネルに対向する背面パネルとを備え、冷陰極電子源から放出された電子と蛍光体との衝突による発光を利用して画像を表示する表示装置において、冷陰極電子源が、電界の作用によって電子を放出するカーボンナノチューブを含有する電子放出部と、電子放出部を挟むように対向し当該電子放出部に電界を付与するカソード電極及び電子引出電極と、カソード電極と電子引出電極との間に複数の貫通孔を有する絶縁性部材と、電子引出電極より電子放出部寄りに配置され当該電子引出電極に電気的接続されているとともに絶縁性部材によって保持されている電気抵抗率１０^６〜１０^８Ωｃｍの抵抗部とを備えるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明が適用される表示装置の実施の形態１を説明するための要部断面図である。背面パネル１の片面に冷陰極電子源２が配置されている。前面パネル３の片面に蛍光体４が配置され、さらに蛍光体４を覆うようにアノード電極５が配置されている。背面パネル１と前面パネル３との間にはスペーサ６があり、表示装置内部の真空を維持している。
【００１１】
続いて動作について説明する。冷陰極電子源２から放出された電子は、正電位を印加されたアノード電極５に向かって移動する。アノード電極５に到達した電子は、アノード電極５を突き抜けて蛍光体４に衝突する。この衝突の際に発光が起き、この発光を利用して表示面に画像が表示される。
【００１２】
図２は、この表示装置に用いられる冷陰極電子源の断面図である。冷陰極電子源２は、電界の作用によって電子を放出する電子放出部２３と、電子放出部２３に電界を付与するカソード電極２２及び電子引出電極２５と、両電極の間に複数の貫通孔２７を有する絶縁性部材としての絶縁層２４とを備える。電子放出部２３に含有される電子放出材料は、電子放出特性にすぐれたＣＮＴである。絶縁層２４は抵抗部としての抵抗膜２６を貫通孔壁に保持し、抵抗膜２６の電気抵抗率は後述する負の帰還効果の観点から１０^６〜１０^８Ωｃｍが好ましい。ここで、抵抗膜２６は電子引出電極２５に電気的接続されている。また、絶縁層２４には酸化珪素を主成分とするガラス層が一般的に用いられるが、これに限定するものではない。貫通孔２７の直径は２μｍ程度である。
【００１３】
図３はこの実施の形態における冷陰極電子源を形成する工程図である。まず図３（ａ）のように背面パネル１上にカソード電極２２を配置し、その上に電子放出部２３を配置する。カソード電極２２は、印刷あるいは蒸着後のパターニングなど種種の方法によって形成でき、材料的にも種種のものを用いることができる。ここでは、ＩＴＯ（インジウム酸化錫）を蒸着後にエッチングによりパターニングを行っている。カソード電極２２上の電子放出部２３の形成方法については、例えばＣＶＤ法、ＣＮＴを含んだペーストを用いたスクリーン印刷法やコート法もしくはインクジェット法などの方式が考えられるが、いずれの方式であってもかまわない。
【００１４】
次に図３（ｂ）のように、電子放出部２３の上に絶縁層２４と電子引出電極２５の層を積層する。絶縁層２４の積層方法は、例えばガラスペーストの印刷、酸化珪素のＣＶＤ法による成膜などが考えられ、いずれの方式であってもかまわない。電子引出電極２５の層の積層方法は、印刷法、インクジェト法、コート法、蒸着法、スパッター法などの方式が考えられ、いずれの方式であってもかまわない。
【００１５】
続いて図３（ｃ）のように、電子引出電極２５をエッチングによってパターニングする。これは、例えばレジストを用いた露光現像方式によって容易にできる。
【００１６】
続いて図３（ｄ）のように、電子引出電極２５のパターン孔を基準として、絶縁層２４にエッチングによってカソード電極２２表面までの貫通孔２７を形成する。これは、例えばフッ素系エッチング剤を用いたＲＩＥエッチング方式によって容易にできる。
【００１７】
最後に図３（ｅ）のように、例えば電気抵抗率１０^７Ωｃｍ程度のアモルファスシリコンを斜め蒸着することにより、抵抗膜２６を貫通孔２７の内壁に形成する。このように、抵抗膜２６が絶縁層２４の貫通孔２７の孔壁面によって保持されている構造であれば、容易に形成できる。このとき、抵抗膜２６の少なくとも一部が電子引出電極２５より電子放出部２３寄りにあればよく、図３（ｅ）のように抵抗膜２６が電子引出電極２５を被覆していてもかまわない。
【００１８】
このようにして形成された冷陰極電子源の動作について説明を行う。図４は、この実施の形態における放出電子の軌道を説明するための冷陰極電子源の一部拡大断面図である。図４において、放出電子の軌道は点線で示されている。電子引出電極２５とカソード電極２２の間に電界が印加され、電子放出部２３表面上の電界強度が所定の値以上になった時点でＣＮＴから電子が放出される。図４のように、放出電子の多くは電子引出電極２５の開口部を通過してアノード電極に到達するが、放出電子の一部は抵抗膜２６に衝突する。抵抗膜２６に衝突した電子は、電子引出電極２５に伝わり、電子引出電極２５とカソード電極２２の間に電界を印加するための制御電源に吸収される。この抵抗膜２６と制御電源との間の電流によって、抵抗膜２６の電位が降下する。電子放出領域が偏在して放出電子が過剰な場合、抵抗膜２６と制御電源との間の電流は大きくなり、これに比例して抵抗膜２６の電位降下も大きくなる。したがって、ＣＮＴの表面電界強度は低減するため、過剰な電子放出を抑制できる。すなわち、放出電子が過剰となりやすい電子放出領域では、他の電子放出領域よりもＣＮＴの表面電界強度が低くできるため、電子放出部２３からの電子放出電流が安定する。
【００１９】
このように、電子放出電流に対して負の帰還効果が作用するために、電子放出部２３の電子放出特性の不均一を緩和する効果がある。それとともに、時間的な電子放出電流の変動を低減する効果もある。そのため、この冷陰極電子源をフラットパネル型の表示装置に用いれば、発光の均一性や画像の滑らかさ等の高画質化が図られる。
【００２０】
さらに負の帰還効果の観点から、抵抗膜２６は貫通孔２７の孔壁面積の半分以上を占めることが望ましい。図５は、貫通孔壁における抵抗膜の面積比と放出電子のアノード電極到達率との関係を示す冷陰極電子源の特性図である。図６は、同様に抵抗膜の面積比と電子放出電流のバラツキとの関係を相対的に示す冷陰極電子源の特性図である。図５において縦軸はアノード電極到達率であり、アノード到達電流値／カソード放出電流値で定義する。アノード電極到達率が１とは、電子放出部からの放出電子がすべてアノード電極に到達することを意味する。横軸は貫通孔壁における抵抗膜の面積比であり、貫通孔壁における抵抗膜の面積／貫通孔壁の面積で定義する。この抵抗膜の面積比が０とは抵抗膜が全くないことを意味し、これが１とは貫通孔壁全体を抵抗膜が被覆していることを意味する。ここでは、絶縁層厚１〜２μｍ、貫通孔径２μｍの場合を例示する。このように、抵抗膜の面積比が増すにしたがってアノード電極到達率は低下する。とくに抵抗膜の面積比が０．５を超えると、アノード電極到達率の低下が顕著となり、十分な負の帰還効果が得られる。このとき、絶縁層厚と貫通孔径の好ましいアスペクト比は１／２〜１である。
【００２１】
また図６に示すように、抵抗膜の面積比が増すにしたがって電子放出電流のバラツキも低減しており、負の帰還効果によって電子放出電流が安定化する。この実施の形態では、電子放出電流の安定化に伴なって制御電源に必要とされる電圧も高まるが、電子放出材料にＣＮＴを用いているためにわずかな電圧上昇にとどまる。したがって、低電圧で駆動し電子放出特性の均一化を図った冷陰極電子源が得られる。なお、この実施の形態における負の帰還効果はＣＮＴ以外の電子放出材料を用いても得られる。
【００２２】
実施の形態２．
図７は、実施の形態２を説明するための冷陰極電子源を形成する工程図である。まず図７（ｄ）に基づいてこの冷陰極電子源の構成を説明する。背面パネル１上に配置された冷陰極電子源は、カソード電極２２、電子放出部２３、絶縁層２４、抵抗層２８、電子引出電極２５が順次積層されている。絶縁層２４と抵抗層２８は互いに連続した複数の貫通孔２７ｂを有しており、この貫通孔２７は電子引出電極２５の開口部に対応している。電子放出部２３は電子放出材料としてＣＮＴを含有している。
【００２３】
形成工程について説明する。図７（ａ）のように背面パネル１上にカソード電極２２を配置し、その上に電子放出部２３を配置する。次に図７（ｂ）のように、電子放出部２３の上に絶縁層２４、抵抗層２８及び電子引出電極２５の層を積層する。ここで、絶縁層２８は酸化珪素からなり、抵抗層２８はアモルファスシリコンからなる。
【００２４】
続いて図７（ｃ）のように、電子引出電極２５をエッチングによってパターニングする。最後に図７（ｄ）のように、抵抗層２８と絶縁層２４とをフッ素系エッチング剤を用いて一括してエッチングし、カソード電極２２表面までの貫通孔２７ｂを形成する。とくにＲＩＥエッチング方式を用いれば、容易に貫通孔２７ｂを形成できる。
【００２５】
このように形成された冷陰極電子源は、実施の形態１と同様に電子放出部２３からの電子放出電流が安定する。さらに、この冷陰極電子源をフラットパネル型の表示装置に用いれば、発光の均一性や画像の滑らかさ等の高画質化が図られる。
【００２６】
実施の形態３．
この実施の形態では、貫通孔の形成に陽極酸化法を用いる。図８は実施の形態３を説明するための陽極酸化装置の概略構成図である。カソード電極及び電子放出部を形成した背面パネル７３に、アルミニウム層７４を蒸着しておく。この背面パネル７３をホルダ７１に固定し、カソード電極、電源７５、対向電極７６を相互に電気的接続する。ここで、電源７５の陽極はカソード電極と、電源７５の陰極は対向電極７６に接続する。ホルダ７１と対向電極７６とを化成槽７２内の電解液に浸漬させる。電解液としては、例えばシュウ酸が使用される。
【００２７】
図９は、陽極酸化法によって形成された貫通孔を上方から観察したときの電子顕微鏡写真である。陽極酸化法では、実施の形態１で説明したＲＩＥエッチングと比較して、大面積に対して一括に微細な貫通孔（例えば孔径０．２〜０．３μｍ程度）を形成できる。さらに、アルミニウム層７４に形成された貫通孔の内壁表面はアルミナ膜に変質し、良好な絶縁膜として機能する。このアルミナ膜が形成されたアルミニウム層７４に、斜め蒸着によって電子引出電極及び抵抗膜を形成すると、簡単な工程で容易に負の帰還効果を有する冷陰極電子源が得られる。
【００２８】
図１０は、このようにして形成された冷陰極電子源の冷陰極電子源の断面図である。背面パネル１上に配置された冷陰極電子源２ｃは、カソード電極２２、電子放出部２３、表面にアルミナ膜２４ｂが形成された絶縁層としてのアルミニウム層２４ａ、電子引出電極２５ｃ、抵抗膜２６ｃから構成されている。絶縁層は陽極酸化法により形成された複数の貫通孔２７ｃを有しており、この貫通孔２７ｃは電子引出電極２５ｃの開口部に対応している。電子放出部２３は電子放出材料としてＣＮＴを含有している。電子引出電極２５ｃ及び抵抗膜２６ｃは、順次斜め蒸着によって形成されている。貫通孔２７ｃの内壁において抵抗膜２６ｃの図示下端は、電子引出電極２５ｃの図示下端より電子放出部２３寄りである。
【００２９】
この冷陰極電子源は、実施の形態１と同様に電子放出部からの電子放出電流が安定する。さらに、この冷陰極電子源をフラットパネル型の表示装置に用いれば、発光の均一性や画像の滑らかさ等の高画質化が図られる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明によれば、電子引出電極より電子放出部寄りに配置され当該電子引出電極に電気的接続されている抵抗部を備えたため、負の帰還効果を利用して電子放出特性の均一化を図った冷陰極電子源を提供できる。さらに、このような冷陰極電子源を用いることにより、発光の均一性による高画質化を図った表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１を説明するための表示装置の要部断面図である。
【図２】実施の形態１を説明するための冷陰極電子源の断面図である。
【図３】実施の形態１を説明するための冷陰極電子源の形成工程図である。
【図４】実施の形態１を説明するための冷陰極電子源の一部拡大断面図である。
【図５】実施の形態１を説明するための冷陰極電子源のアノード電極到達率に関する特性図である。
【図６】実施の形態１を説明するための冷陰極電子源の電子放出電流に関する特性図である。
【図７】実施の形態２を説明するための冷陰極電子源の形成工程図である。
【図８】実施の形態３を説明するための陽極酸化装置の概略構成図である。
【図９】実施の形態３を説明するための貫通孔の電子顕微鏡写真である。
【図１０】実施の形態３を説明するための冷陰極電子源の断面図である。
【符号の説明】
１　背面パネル、２　冷陰極電子源、２２　カソード電極、２３　電子放出部、２４　絶縁層、２５　電子引出電極、２６　抵抗膜、２７　貫通孔、２８　抵抗層、３　前面パネル、４　蛍光体、５　アノード電極、６　スペーサ、７１　ホルダ、７２　化成槽、７３　背面パネル、７４　アルミニウム層、７５　電源、７６　対向電極。

Claims

電界の作用によって電子を放出する電子放出部と、前記電子放出部を挟むように対向し当該電子放出部に電界を付与するカソード電極及び電子引出電極と、前記電子引出電極より前記電子放出部寄りに配置され当該電子引出電極に電気的接続されている電気抵抗率１０^６〜１０^８Ωｃｍの抵抗部とを備えることを特徴とする冷陰極電子源。
前記電子放出部はカーボンナノチューブを含有することを特徴とする請求項１記載の冷陰極電子源。
前記カソード電極と前記電子引出電極との間に複数の貫通孔を有する絶縁性部材を備え、前記抵抗部は前記絶縁性部材によって保持されていることを特徴とする請求項１または２記載の冷陰極電子源。
前記抵抗部は、前記貫通孔の孔壁面に形成されていることを特徴とする請求項３記載の冷陰極電子源。
前記絶縁性部材は酸化珪素からなる絶縁層であり、前記抵抗部は前記電子引出電極と前記絶縁層との間に配置され当該絶縁層の複数の貫通孔に連続した複数の貫通孔を有するアモルファスシリコンであることを特徴とする請求項３記載の冷陰極電子源。
アノード電極及び蛍光体を搭載する前面パネルと、冷陰極電子源を搭載し前記前面パネルに対向する背面パネルとを備え、前記冷陰極電子源から放出された電子と前記蛍光体との衝突による発光を利用して画像を表示する表示装置において、
前記冷陰極電子源は、電界の作用によって電子を放出するカーボンナノチューブを含有する電子放出部と、前記電子放出部を挟むように対向し当該電子放出部に電界を付与するカソード電極及び電子引出電極と、前記カソード電極と前記電子引出電極との間に複数の貫通孔を有する絶縁性部材と、前記電子引出電極より前記電子放出部寄りに配置され当該電子引出電極に電気的接続されているとともに前記絶縁性部材によって保持されている電気抵抗率１０^６〜１０^８Ωｃｍの抵抗部とを備えることを特徴とする表示装置。