JP2004200109A - Cold cathode field electron emission display device - Google Patents

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Kousuke Ichida
耕資 市田
Norihiro Shimoi
法弘 下位
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cold cathode electric field electron emission display device in which generation of optical crosstalk can be prevented surely without installing a focusing electrode. <P>SOLUTION: This cold cathode electric field electron emission display device is composed by such a way that a cathode panel provided with a plurality of the cold cathode electric field electron emitters and an anode panel in which a fluorescent material layer and an anode electrode are installed are joined at their peripheral parts. The cold cathode electric field electron emitters are composed of a cathode electrode, an insulating layer, a gate electrode, an opening part formed at the gate electrode and the insulating layer portions positioned at an overlapping region where the cathode electrode and the gate electrode are overlapped, and an electron emitting part positioned at the bottom part of the opening part. The value of the second order differential coefficient ϕ"=[d<SP>2</SP>ϕ/dz<SP>2</SP>]<SB>x=0, y=0</SB>of an equipotential surface formed by the anode electrode, the gate electrode, and the cathode electrode on the center axis line of the opening part satisfies -0.02<ϕ"<0.02. Here, d of [d<SP>2</SP>ϕ/dz<SP>2</SP>] of the equation means partial differential. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷陰極電界電子放出表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
テレビジョン受像機や情報端末機器に用いられる表示装置の分野では、従来主流の陰極線管(CRT)から、薄型化、軽量化、大画面化、高精細化の要求に応え得る平面型(フラットパネル型)の表示装置への移行が検討されている。このような平面型の表示装置として、液晶表示装置(LCD)、エレクトロルミネッセンス表示装置(ELD)、プラズマ表示装置(PDP)、冷陰極電界電子放出表示装置(FED:フィールドエミッションディスプレイ)を例示することができる。このなかでも、液晶表示装置は情報端末機器用の表示装置として広く普及しているが、据置き型のテレビジョン受像機に適用するには、高輝度化や大型化に未だ課題を残している。これに対して、冷陰極電界電子放出表示装置は、熱的励起によらず、量子トンネル効果に基づき固体から真空中に電子を放出することが可能な冷陰極電界電子放出素子(以下、電界放出素子と呼ぶ場合がある)を利用しており、高輝度及び低消費電力の点から注目を集めている。
【0003】
図2及び図3に、電界放出素子を利用した冷陰極電界電子放出表示装置(以下、表示装置と呼ぶ場合がある)の一例を示す。尚、図2は表示装置の模式的な一部端面図であり、図3はカソードパネルCPとアノードパネルAPを分解したときの模式的な部分的斜視図である。
【0004】
図示した電界放出素子は、略平面状の電子放出部を有する、所謂扁平型電界放出素子と呼ばれるタイプの電界放出素子である。この電界放出素子は、支持体10上に形成されたカソード電極11と、支持体10及びカソード電極11上に形成された絶縁層12と、絶縁層12上に形成されたゲート電極13と、ゲート電極13及び絶縁層12に設けられた開口部14(ゲート電極13に設けられた第1開口部14A、及び、絶縁層12に設けられた第2開口部14B)と、開口部14の底部に位置するカソード電極11上に形成された電子放出部15から構成されている。一般に、カソード電極11とゲート電極13とは、これらの両電極の射影像が互いに直交する方向に各々ストライプ状に形成されており、これらの両電極の射影像が重複する重複領域(1サブピクセルに相当する大きさを有する)に、通常、複数の電界放出素子が設けられている。更に、かかる重複領域が、カソードパネルCPの有効領域(実際の表示部分として機能する領域)内に、通常、2次元マトリックス状に配列されている。
【0005】
一方、アノードパネルAPは、基板30と、基板30上に形成され、所定のパターンを有する蛍光体層31(31R,31B,31G)と、その上に形成されたアノード電極33から構成されている。1サブピクセルは、カソードパネル側のカソード電極11とゲート電極13との重複領域に設けられた電界放出素子の一群と、これらの電界放出素子の一群に対面したアノードパネル側の蛍光体層31とによって構成されている。有効領域には、かかる3つのサブピクセルから成る画素が、例えば数十万〜数百万個ものオーダーにて配列されている。尚、蛍光体層31と蛍光体層31との間の基板30上にはブラックマトリックス32が形成されている。
【0006】
アノードパネルAPとカソードパネルCPとを、重複領域と蛍光体層31とが対向するように配置し、周縁部において枠体34を介して接合することによって、表示装置を作製することができる。アノードパネルAPとカソードパネルCPと枠体34とによって囲まれた空間は真空となっている。
【0007】
カソード電極11には相対的な負電圧がカソード電極制御回路40から印加され、ゲート電極13には相対的な正電圧がゲート電極制御回路41から印加され、アノード電極33にはゲート電極13よりも更に高い正電圧がアノード電極制御回路42から印加される。カソード電極11とゲート電極13との間に電圧を印加した際に生ずる電界により、量子トンネル効果に基づき電子放出部15から電子が放出され、この電子がアノード電極33に引き付けられ、蛍光体層31に衝突する。その結果、蛍光体層31が励起されて発光し、所望の画像を得ることができる。つまり、この表示装置の動作は、基本的に、ゲート電極13に印加される電圧、及びカソード電極11を通じて電子放出部15に印加される電圧によって制御される。
【0008】
このように、カソード電極11、ゲート電極13及びアノード電極33に電圧を印加すると、ゲート電極13とアノード電極33との間の空間、及び、開口部14内に静電場が形成され、開口部14内、及び、開口部14の近傍の空間には一種の電子レンズが形成される。尚、この電子レンズが凸レンズであるか凹レンズであるかを、開口部14の中心軸線CL上における、アノード電極33、ゲート電極13及びカソード電極11によって形成される等電位面の2次微係数φ”=[∂2φ/∂z2x=0,y=0の値で、以下のとおり、定義する。また、以下の説明において、開口部14の中心軸線CLの延びる方向をz方向とし、ゲート電極13の延びる方向を、便宜上、x方向とし、カソード電極11の延びる方向を、便宜上、y方向とする。尚、y方向は、図2において、図面の紙面垂直方向に相当する。凸レンズの電子レンズが形成された状態を、図10に模式的に示す。
【0009】
φ”<0・・・凹レンズ
φ”>0・・・凸レンズ
【0010】
ところで、電子放出部15から放出される電子は、z方向のみならず、通常、x方向及びy方向の運動エネルギー成分を有している。従って、電子は、支持体10の法線方向を中心として或る立体角を有した状態で、広がりをもって電子放出部15から放出される。
【0011】
φ”≪0の場合、即ち、上記の電子レンズが焦点距離の短い凹レンズに相当する場合、この放出電子の広がりが凹レンズによって拡大される結果、電子放出部15に対向する蛍光体層31に衝突せずに、かかる蛍光体層31に隣接した蛍光体層31に衝突する場合がある。このような状態を模式的に図11に示す。このような現象が発生すると、輝度の低下や、色純度の低下、隣接画素間の光学的クロストークが発生する。
【0012】
一方、φ”≫0の場合、即ち、上記の電子レンズが焦点距離の短い凸レンズに相当する場合、電子放出部15から放出された電子が、ゲート電極13とアノード電極33との間の空間において一旦収斂され、次いで、発散する結果、電子放出部15に対向する蛍光体層31に衝突せずに、かかる蛍光体層31に隣接した蛍光体層31に衝突する場合がある。このような現象が発生すると、やはり、輝度の低下や、色純度の低下、隣接画素間の光学的クロストークが発生する。
【0013】
カソードパネルCPの一部分におけるカソード電極11、ゲート電極13及び開口部14の模式的な配置図を図4に示す。1画素は3つのサブピクセル(SPR,SPG,SPB)から構成されている。図4において、カソード電極11は紙面上下方向(y方向)に延び、ゲート電極13は紙面左右方向(x方向)に延びている。例えば、1画素の大きさが0.5mm×0.5mmである場合、1サブピクセルの大きさ(L1×L2)は0.5mm×0.166mmである。また、ゲート電極13の幅(WGATE)は0.42mmである。尚、図4においては、1サブピクセルにおいて、開口部14が5個、設けられている状態を示しているが、開口部14の数は、これに限定するものではない。また、カソード電極11を明示するために、カソード電極11に斜線を付したが、実際には、カソード電極11は絶縁層12に覆われている。
【0014】
このような配置状態においては、隣り合う蛍光体層31のx方向の間の距離が、隣り合う蛍光体層31のy方向の間の距離よりも短いが故に、電子放出部15から放出される電子の広がりは、x方向により一層少なくなければならない。
【0015】
光学的クロストークの発生を防止するために、図12に模式的な一部端面図を示すように、収束電極113が設けられた電界放出素子が提案されている(例えば、特開2002−270099参照)。この電界放出素子にあっては、ゲート電極13及び絶縁層12上に、更に第2絶縁層112が設けられ、第2絶縁層112上に収束電極113が設けられている。ここで、収束電極113は、有効領域を覆う1枚のシート状の形状を有する。尚、参照番号314は、収束電極113及び第2絶縁層112に設けられた開口部を示す。収束電極113には、収束電極制御回路(図示せず)から相対的に負電圧(例えば、0ボルト)が印加される。そして、このように収束電極113を設けることによって、一種の凸レンズから成る電子レンズを形成することで、第2開口部314から放出されアノード電極33へ向かう放出電子の軌道を収束させることができるとされている。
【0016】
【特許文献1】特開2002−270099
【特許文献2】特開平8−96703
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、収束電極113を設けるが故に、カソードパネルの製造工程が複雑となり、冷陰極電界電子放出表示装置の製造コスト増を招くといった問題がある。
【0018】
尚、特開平8−96703の段落番号0035には、電子のようなエネルギー粒子を放出するための微小孔内において、第1の電極(カソード電極に相当する)と接して仕事関数の小さい粒子放出物質を薄膜(電子放出部に相当する)に設ける技術が開示されている。そして、第1の電極と第2の電極(ゲート電極に相当する)との間に電圧を印加した際に等電位面が薄膜に沿って平坦に形成され、この平坦な等電位面に対して直交して進行する粒子は、微小孔から対象物(例えば螢光体面)へかなり揃った方向性を以て進行するため、常に目的とする対象物に到達することができ、ミスランディングを大きく減少させることができ、高精細化が可能となるとされている。しかしながら、この特許公開公報には、開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の2次微係数φ”といった概念は、何ら開示されていない。
【0019】
従って、本発明の目的は、収束電極を設けることなく、輝度の低下や、色純度の低下、光学的クロストークの発生を確実に防止し得る冷陰極電界電子放出表示装置を提供することにある。
【0020】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の冷陰極電界電子放出表示装置は、
冷陰極電界電子放出素子を、複数、備えたカソードパネルと、蛍光体層及びアノード電極が設けられたアノードパネルとが、それらの周縁部で接合されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
冷陰極電界電子放出素子は、
(A)支持体上に形成され、第1の方向に延びるカソード電極と、
(B)支持体及びカソード電極上に形成された絶縁層と、
(C)絶縁層上に形成され、第1の方向とは異なる第2の方向に延びるゲート電極と、
(D)カソード電極とゲート電極の重複する重複領域に位置するゲート電極及び絶縁層の部分に形成された開口部と、
(E)開口部の底部に位置する電子放出部、
から成り、
該開口部の中心軸線CL上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の2次微係数φ”=[∂2φ/∂z2x=0,y=0の値が、
−0.02<φ”<0.02
を満足することを特徴とする。
【0021】
尚、等電位面の2次微係数φ”=[∂2φ/∂z2x=0,y=0の値が上記の範囲を満足する開口部の中心軸線上の領域(z方向に沿った領域の座標Z0であり、カソード電極表面を原点とし、開口部の中心軸線上に沿ったカソード電極表面上方の領域)は、絶縁層の厚さをtとした場合、0.2t≦Z0≦1.5t、好ましくは0.2t≦Z0≦3tであることが望ましい。また、開口部の中心軸線CLの点(0,0,ZP)と直交する方向に沿った等電位面の2次微係数φ”の値が同じ値でない場合、最も大きな2次微係数φ”の値が上記の範囲を満足することが必要とされる。ここで、点(0,0,0)は、開口部14の中心であってカソード電極11の表面に位置する点(原点)であり、Z0=0はカソード電極11の表面を意味する。
【0022】
等電位面の2次微係数φ”の値は、以下に挙げる数値をパラメータとして用いた計算やシミュレーションによって求めることができる。
【0023】
(1)アノード電極に印加される電圧
(2)ゲート電極に印加される電圧
(3)カソード電極に印加される電圧
(4)アノード電極からゲート電極までの距離
(5)ゲート電極の厚さ
(6)絶縁層の厚さ
(7)ゲート電極及び絶縁層に設けられた開口部の形状及び大きさ
(8)電子放出部の形状及び大きさ
(9)1つの重複領域に設けられた電子放出部の数
(10)電子放出部から電子が放出される際の電子放出部に近傍における電界強度と放出電子量(放出電子電流)の関係を求めた測定値
(11)支持体の法線を中心として或る立体角を有した状態で広がりをもって電子放出部から電子が放出されるときの立体角(但し、電子放出部の大きさが開口部の大きさよりも十分に小さければこのパラメータの寄与は小さく、場合によっては、このパラメータは考慮しなくともよい)
【0024】
冷陰極電界電子放出表示装置においてカラー表示を行う場合、通常、平面形状が正四角形の1画素は、長方形の3つのサブピクセルが並置されて構成されている。従って、赤色を発光する赤色発光蛍光体層、緑色を発光する緑色発光蛍光体層、青色を発光する青色発光蛍光体層も、長方形の領域を占めている。尚、それぞれの蛍光体層が占める長方形の領域の短辺方向を、便宜上、x方向と呼び、長辺方向をy方向と呼ぶ。
【0025】
本発明の冷陰極電界電子放出表示装置にあっては、カソード電極とゲート電極の重複する前記重複領域の平面形状は長方形であり(即ち、短辺がx方向に平行であり、長辺がy方向に平行な長方形であり)、前記開口部の平面形状は、長方形の該重複領域の長辺に平行な長辺を有する長方形(即ち、短辺がx方向に平行であり、長辺がy方向に平行な長方形)であることが好ましい。開口部をこのような平面形状とすることによって、輝度の低下や、色純度の低下、光学的クロストークの発生を一層確実に防止することができる。尚、開口部の平面形状を長方形とする場合、長方形のコーナー部は丸みを帯びていてもよい。
【0026】
上記の形態を含む本発明の冷陰極電界電子放出表示装置にあっては、冷陰極電界電子放出素子(以下、電界放出素子と略称する)として、
(1)扁平型電界放出素子(略平面状の電子放出部が、開口部の底部に位置するカソード電極上に設けられた電界放出素子)
(2)クラウン型電界放出素子(王冠状の電子放出部が、開口部の底部に位置するカソード電極上に設けられた電界放出素子)
(3)平坦なカソード電極の表面から電子を放出する平面型電界放出素子
(4)凹凸が形成されたカソード電極の表面の凸部から電子を放出するクレータ型電界放出素子
(5)カソード電極のエッジ部から電子を放出するエッジ型電界放出素子
(6)スピント型電界放出素子(円錐形の電子放出部が、開口部の底部に位置するカソード電極上に設けられた電界放出素子)
を例示することができるが、中でも、カーボン・ナノチューブ構造体から構成された扁平型電界放出素子とすることが好ましい。
【0027】
扁平型電界放出素子にあっては、電子放出部を構成する材料として、カソード電極を構成する材料よりも仕事関数Φの小さい材料から構成することが好ましく、どのような材料を選択するかは、カソード電極を構成する材料の仕事関数、ゲート電極とカソード電極との間の電位差、要求される放出電子電流密度の大きさ等に基づいて決定すればよい。電界放出素子におけるカソード電極を構成する代表的な材料として、タングステン(Φ=4.55eV)、ニオブ(Φ=4.02〜4.87eV)、モリブデン(Φ=4.53〜4.95eV)、アルミニウム(Φ=4.28eV)、銅(Φ=4.6eV)、タンタル(Φ=4.3eV)、クロム(Φ=4.5eV)、シリコン(Φ=4.9eV)を例示することができる。電子放出部は、これらの材料よりも小さな仕事関数Φを有していることが好ましく、その値は概ね3eV以下であることが好ましい。かかる材料として、炭素(Φ<1eV)、セシウム(Φ=2.14eV)、LaB6(Φ=2.66〜2.76eV)、BaO(Φ=1.6〜2.7eV)、SrO(Φ=1.25〜1.6eV)、Y23(Φ=2.0eV)、CaO(Φ=1.6〜1.86eV)、BaS(Φ=2.05eV)、TiN(Φ=2.92eV)、ZrN(Φ=2.92eV)を例示することができる。仕事関数Φが2eV以下である材料から電子放出部を構成することが、一層好ましい。尚、電子放出部を構成する材料は、必ずしも導電性を備えている必要はない。
【0028】
あるいは又、扁平型電界放出素子において、電子放出部を構成する材料として、かかる材料の2次電子利得δがカソード電極を構成する導電性材料の2次電子利得δよりも大きくなるような材料から適宜選択してもよい。即ち、銀(Ag)、アルミニウム(Al)、金(Au)、コバルト(Co)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、ジルコニウム(Zr)等の金属;シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)等の半導体;炭素やダイヤモンド等の無機単体;及び酸化アルミニウム(Al23)、酸化バリウム(BaO)、酸化ベリリウム(BeO)、酸化カルシウム(CaO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化錫(SnO2)、フッ化バリウム(BaF2)、フッ化カルシウム(CaF2)等の化合物の中から、適宜選択することができる。尚、電子放出部を構成する材料は、必ずしも導電性を備えている必要はない。
【0029】
扁平型電界放出素子にあっては、特に好ましい電子放出部の構成材料として、炭素、より具体的にはダイヤモンドやグラファイト、カーボン・ナノチューブ構造体を挙げることができる。電子放出部をこれらから構成する場合、5×107V/m以下の電界強度にて、冷陰極電界電子放出表示装置に必要な放出電子電流密度を得ることができる。また、ダイヤモンドは電気抵抗体であるため、各電子放出部から得られる放出電子電流を均一化することができ、よって、冷陰極電界電子放出表示装置に組み込まれた場合の輝度ばらつきの抑制が可能となる。更に、これらの材料は、冷陰極電界電子放出表示装置内の残留ガスのイオンによるスパッタ作用に対して極めて高い耐性を有するので、電界放出素子の長寿命化を図ることができる。
【0030】
カーボン・ナノチューブ構造体として、具体的には、カーボン・ナノチューブ及び/又はカーボン・ナノファイバーを挙げることができる。より具体的には、カーボン・ナノチューブから電子放出部を構成してもよいし、カーボン・ナノファイバーから電子放出部を構成してもよいし、カーボン・ナノチューブとカーボン・ナノファイバーの混合物から電子放出部を構成してもよい。カーボン・ナノチューブやカーボン・ナノファイバーは、巨視的には、粉末状であってもよいし、薄膜状であってもよいし、場合によっては、カーボン・ナノチューブ構造体は円錐状の形状を有していてもよい。カーボン・ナノチューブやカーボン・ナノファイバーは、周知のアーク放電法やレーザアブレーション法といったPVD法、プラズマCVD法やレーザCVD法、熱CVD法、気相合成法、気相成長法といった各種のCVD法によって製造、形成することができる。
【0031】
扁平型電界放出素子を、バインダー材料にカーボン・ナノチューブ構造体を分散させたものをカソード電極の所望の領域に例えば塗布した後、バインダー材料の焼成あるいは硬化を行う方法(より具体的には、エポキシ系樹脂やアクリル系樹脂等の有機系バインダー材料や水ガラス等の無機系バインダー材料にカーボン・ナノチューブ構造体を分散したものを、カソード電極の所望の領域に例えば塗布した後、溶媒の除去、バインダー材料の焼成・硬化を行う方法)によって製造することができる。尚、このような方法を、カーボン・ナノチューブ構造体の第1の形成方法と呼ぶ。塗布方法として、スクリーン印刷法を例示することができる。
【0032】
あるいは又、扁平型電界放出素子を、カーボン・ナノチューブ構造体が分散された金属化合物溶液をカソード電極上に塗布した後、金属化合物を焼成する方法によって製造することもでき、これによって、金属化合物を構成する金属原子を含むマトリックスにてカーボン・ナノチューブ構造体がカソード電極表面に固定される。尚、このような方法を、カーボン・ナノチューブ構造体の第2の形成方法と呼ぶ。マトリックスは、導電性を有する金属酸化物から成ることが好ましく、より具体的には、酸化錫、酸化インジウム、酸化インジウム−錫、酸化亜鉛、酸化アンチモン、又は、酸化アンチモン−錫から構成することが好ましい。焼成後、各カーボン・ナノチューブ構造体の一部分がマトリックスに埋め込まれている状態を得ることもできるし、各カーボン・ナノチューブ構造体の全体がマトリックスに埋め込まれている状態を得ることもできる。マトリックスの体積抵抗率は、1×10-9Ω・m乃至5×10-6Ω・mであることが望ましい。
【0033】
金属化合物溶液を構成する金属化合物として、例えば、有機金属化合物、有機酸金属化合物、又は、金属塩(例えば、塩化物、硝酸塩、酢酸塩)を挙げることができる。有機酸金属化合物溶液として、有機錫化合物、有機インジウム化合物、有機亜鉛化合物、有機アンチモン化合物を酸(例えば、塩酸、硝酸、あるいは硫酸)に溶解し、これを有機溶媒(例えば、トルエン、酢酸ブチル、イソプロピルアルコール)で希釈したものを挙げることができる。また、有機金属化合物溶液として、有機錫化合物、有機インジウム化合物、有機亜鉛化合物、有機アンチモン化合物を有機溶媒(例えば、トルエン、酢酸ブチル、イソプロピルアルコール)に溶解したものを例示することができる。溶液を100重量部としたとき、カーボン・ナノチューブ構造体が0.001〜20重量部、金属化合物が0.1〜10重量部、含まれた組成とすることが好ましい。溶液には、分散剤や界面活性剤が含まれていてもよい。また、マトリックスの厚さを増加させるといった観点から、金属化合物溶液に、例えばカーボンブラック等の添加物を添加してもよい。場合によっては、有機溶媒の代わりに水を溶媒として用いることもできる。
【0034】
カーボン・ナノチューブ構造体が分散された金属化合物溶液をカソード電極上に塗布する方法として、スプレー法、スピンコーティング法、ディッピング法、ダイクォーター法、スクリーン印刷法を例示することができるが、中でもスプレー法を採用することが塗布の容易性といった観点から好ましい。
【0035】
カーボン・ナノチューブ構造体が分散された金属化合物溶液をカソード電極上に塗布した後、金属化合物溶液を乾燥させて金属化合物層を形成し、次いで、カソード電極上の金属化合物層の不要部分を除去した後、金属化合物を焼成してもよいし、金属化合物を焼成した後、カソード電極上の不要部分を除去してもよいし、カソード電極の所望の領域上にのみ金属化合物溶液を塗布してもよい。
【0036】
金属化合物の焼成温度は、例えば、金属塩が酸化されて導電性を有する金属酸化物となるような温度、あるいは又、有機金属化合物や有機酸金属化合物が分解して、有機金属化合物や有機酸金属化合物を構成する金属原子を含むマトリックス(例えば、導電性を有する金属酸化物)が形成できる温度であればよく、例えば、300゜C以上とすることが好ましい。焼成温度の上限は、電界放出素子あるいはカソードパネルの構成要素に熱的な損傷等が発生しない温度とすればよい。
【0037】
カーボン・ナノチューブ構造体の第1の形成方法あるいは第2の形成方法にあっては、電子放出部の形成後、電子放出部の表面の一種の活性化処理(洗浄処理)を行うことが、電子放出部からの電子の放出効率の一層の向上といった観点から好ましい。このような処理として、水素ガス、アンモニアガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、ネオンガス、メタンガス、エチレンガス、アセチレンガス、窒素ガス等のガス雰囲気中でのプラズマ処理を挙げることができる。
【0038】
カーボン・ナノチューブ構造体の第1の形成方法あるいは第2の形成方法にあっては、電子放出部は、開口部の底部に位置するカソード電極の部分の表面に形成されていればよく、開口部の底部に位置するカソード電極の部分から開口部の底部以外のカソード電極の部分の表面に延在するように形成されていてもよい。また、電子放出部は、開口部の底部に位置するカソード電極の部分の表面の全面に形成されていても、部分的に形成されていてもよい。
【0039】
各種の電界放出素子におけるカソード電極を構成する材料として、タングステン(W)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)等の金属;これらの金属元素を含む合金あるいは化合物(例えばTiN等の窒化物や、WSi2、MoSi2、TiSi2、TaSi2等のシリサイド);シリコン(Si)等の半導体;ダイヤモンド等の炭素薄膜;ITO(インジウム・錫酸化物)を例示することができる。カソード電極の厚さは、おおよそ0.05〜0.5μm、好ましくは0.1〜0.3μmの範囲とすることが望ましいが、かかる範囲に限定するものではない。
【0040】
各種の電界放出素子におけるゲート電極を構成する導電性材料として、タングステン(W)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、ジルコニウム(Zr)、鉄(Fe)、白金(Pt)及び亜鉛(Zn)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属;これらの金属元素を含む合金あるいは化合物(例えばTiN等の窒化物や、WSi2、MoSi2、TiSi2、TaSi2等のシリサイド);あるいはシリコン(Si)等の半導体;ITO(インジウム錫酸化物)、酸化インジウム、酸化亜鉛等の導電性金属酸化物を例示することができる。
【0041】
カソード電極やゲート電極の形成方法として、例えば、電子ビーム蒸着法や熱フィラメント蒸着法といった蒸着法、スパッタリング法、CVD法やイオンプレーティング法とエッチング法との組合せ、スクリーン印刷法、メッキ法、リフトオフ法等を挙げることができる。スクリーン印刷法やメッキ法によれば、直接、例えばストライプ状のカソード電極やゲート電極を形成することが可能である。
【0042】
電界放出素子においては、電界放出素子の構造に依存するが、1つの開口部(ゲート電極に設けられた開口部を第1開口部と呼び、絶縁層に設けられた開口部を第2開口部と呼ぶ場合がある)内に1つの電子放出部が存在してもよいし、1つの開口部内に複数の電子放出部が存在してもよいし、ゲート電極に複数の第1開口部を設け、かかる第1開口部と連通する1つの第2開口部を絶縁層に設け、絶縁層に設けられた1つの第2開口部内に1又は複数の電子放出部が存在してもよい。
【0043】
第1開口部(ゲート電極に形成された開口部)あるいは第2開口部(絶縁層に形成された開口部)の平面形状(支持体表面と平行な仮想平面で開口部を切断したときの形状)は、円形、楕円形、矩形、多角形、丸みを帯びた矩形、丸みを帯びた多角形等、任意の形状とすることができるが、上述した長方形の形状を有することが最も好ましい。第1開口部の形成は、例えば、異方性エッチング、等方性エッチング、異方性エッチングと等方性エッチングの組合せによって行うことができ、あるいは又、ゲート電極の形成方法に依っては、第1開口部を直接形成することもできる。第2開口部の形成も、例えば、異方性エッチング、等方性エッチング、異方性エッチングと等方性エッチングの組合せによって行うことができる。
【0044】
電界放出素子において、カソード電極と電子放出部との間に抵抗体層を設けてもよい。あるいは又、カソード電極の表面が電子放出部に相当している場合、カソード電極を導電材料層、抵抗体層、電子放出部に相当する電子放出層の3層構成としてもよい。抵抗体層を設けることによって、電界放出素子の動作安定化、電子放出特性の均一化を図ることができる。抵抗体層を構成する材料として、シリコンカーバイド(SiC)やSiCNといったカーボン系材料、SiN、アモルファスシリコン等の半導体材料、酸化ルテニウム(RuO2)、酸化タンタル、窒化タンタル等の高融点金属酸化物を例示することができる。抵抗体層の形成方法として、スパッタリング法や、CVD法やスクリーン印刷法を例示することができる。抵抗値は、概ね1×105〜1×107Ω、好ましくは数MΩとすればよい。
【0045】
絶縁層の構成材料として、SiO2、BPSG、PSG、BSG、AsSG、PbSG、SiN、SiON、SOG(スピンオングラス)、低融点ガラス、ガラスペーストといったSiO2系材料、SiN、ポリイミド等の絶縁性樹脂を、単独あるいは適宜組み合わせて使用することができる。絶縁層の形成には、CVD法、塗布法、スパッタリング法、スクリーン印刷法等の公知のプロセスが利用できる。
【0046】
アノード電極の構成材料は、冷陰極電界電子放出表示装置の構成によって適宜選択すればよい。即ち、冷陰極電界電子放出表示装置が透過型(アノードパネルが表示面に相当する)であって、且つ、アノードパネルを構成する基板上にアノード電極と蛍光体層がこの順に積層されている場合には、基板は元より、アノード電極自身も透明である必要があり、ITO(インジウム錫酸化物)等の透明導電材料を用いる。一方、冷陰極電界電子放出表示装置が反射型(カソードパネルが表示面に相当する)である場合、及び、透過型であっても基板上に蛍光体層とアノード電極とがこの順に積層されている場合には、ITOの他、アルミニウム(Al)あるいはクロム(Cr)を用いることができる。アルミニウム(Al)あるいはクロム(Cr)からアノード電極を構成する場合、アノード電極の厚さとして、具体的には、3×10-8m(30nm)乃至1.5×10-7m(150nm)、好ましくは5×10-8m(50nm)乃至1×10-7m(100nm)を例示することができる。アノード電極は、蒸着法やスパッタリング法にて形成することができる。
【0047】
アノードパネルには、更に、蛍光体層から反跳した電子、あるいは、蛍光体層から放出された二次電子が他の蛍光体層に入射し、所謂光学的クロストーク(色濁り)が発生することを防止するための、あるいは又、蛍光体層から反跳した電子、あるいは、蛍光体層から放出された二次電子が隔壁を越えて他の蛍光体層に向かって侵入したとき、これらの電子が他の蛍光体層と衝突することを防止するための、隔壁が、複数、設けられていることが好ましい。
【0048】
隔壁の平面形状としては、格子形状(井桁形状)、即ち、1サブピクセルに相当する、例えば平面形状が略矩形(ドット状)の蛍光体層の四方を取り囲む形状を挙げることができ、あるいは、略矩形あるいはストライプ状の蛍光体層の対向する二辺と平行に延びる帯状形状あるいはストライプ形状を挙げることができる。隔壁を格子形状とする場合、1つの蛍光体層の領域の四方を連続的に取り囲む形状としてもよいし、不連続に取り囲む形状としてもよい。隔壁を帯状形状あるいはストライプ形状とする場合、連続した形状としてもよいし、不連続な形状としてもよい。隔壁を形成した後、隔壁を研磨し、隔壁の頂面の平坦化を図ってもよい。
【0049】
蛍光体層からの光を吸収するブラックマトリックスが蛍光体層と蛍光体層との間(隔壁が形成されている場合には、蛍光体層と蛍光体層との間であって隔壁と基板との間)に形成されていることが、表示画像のコントラスト向上といった観点から好ましい。ブラックマトリックスを構成する材料として、蛍光体層からの光を99%以上吸収する材料を選択することが好ましい。このような材料として、カーボン、金属薄膜(例えば、クロム、ニッケル、アルミニウム、モリブデン等、あるいは、これらの合金)、金属酸化物(例えば、酸化クロム)、金属窒化物(例えば、窒化クロム)、耐熱性有機樹脂、ガラスペースト、黒色顔料や銀等の導電性粒子を含有するガラスペースト等の材料を挙げることができ、具体的には、感光性ポリイミド樹脂、酸化クロムや、酸化クロム/クロム積層膜を例示することができる。尚、酸化クロム/クロム積層膜においては、クロム膜が基板と接する。
【0050】
カソードパネルとアノードパネルとを周縁部において接合する場合、接合は接着層を用いて行ってもよいし、あるいは、ガラスやセラミックス等の絶縁剛性材料から成る枠体と接着層とを併用して行ってもよい。枠体と接着層とを併用する場合には、枠体の高さを適宜選択することにより、接着層のみを使用する場合に比べ、カソードパネルとアノードパネルとの間の対向距離をより長く設定することが可能である。尚、接着層の構成材料としては、フリットガラスが一般的であるが、融点が120〜400゜C程度の所謂低融点金属材料を用いてもよい。かかる低融点金属材料としては、In(インジウム:融点157゜C);インジウム−金系の低融点合金;Sn80Ag20(融点220〜370゜C)、Sn95Cu5(融点227〜370゜C)等の錫(Sn)系高温はんだ;Pb97.5Ag2.5(融点304゜C)、Pb94.5Ag5.5(融点304〜365゜C)、Pb97.5Ag1.5Sn1.0(融点309゜C)等の鉛(Pb)系高温はんだ;Zn95Al5(融点380゜C)等の亜鉛(Zn)系高温はんだ;Sn5Pb95(融点300〜314゜C)、Sn2Pb98(融点316〜322゜C)等の錫−鉛系標準はんだ;Au88Ga12(融点381゜C)等のろう材(以上の添字は全て原子%を表す)を例示することができる。
【0051】
カソードパネルとアノードパネルと枠体の三者を接合する場合、三者を同時に接合してもよいし、あるいは、第1段階でカソードパネル又はアノードパネルのいずれか一方と枠体とを接合し、第2段階でカソードパネル又はアノードパネルの他方と枠体とを接合してもよい。三者同時接合や第2段階における接合を高真空雰囲気中で行えば、カソードパネルとアノードパネルと枠体と接着層とにより囲まれた空間は、接合と同時に真空となる。あるいは、三者の接合終了後、カソードパネルとアノードパネルと枠体と接着層とによって囲まれた空間を排気し、真空とすることもできる。接合後に排気を行う場合、接合時の雰囲気の圧力は常圧/減圧のいずれであってもよく、また、雰囲気を構成する気体は、大気であっても、あるいは窒素ガスや周期律表0族に属するガス(例えばArガス)を含む不活性ガスであってもよい。
【0052】
接合後に排気を行う場合、排気は、カソードパネル及び/又はアノードパネルに予め接続されたチップ管を通じて行うことができる。チップ管は、典型的にはガラス管を用いて構成され、カソードパネル及び/又はアノードパネルの無効領域に設けられた貫通部の周囲に、フリットガラス又は上述の低融点金属材料を用いて接合され、空間が所定の真空度に達した後、熱融着によって封じ切られる。尚、封じ切りを行う前に、冷陰極電界電子放出表示装置全体を一旦加熱してから降温させると、空間に残留ガスを放出させることができ、この残留ガスを排気により空間外へ除去することができるので好適である。
【0053】
カソードパネルを構成する支持体は、少なくとも表面が絶縁性部材より構成されていればよく、ガラス基板、表面に絶縁膜が形成されたガラス基板、石英基板、表面に絶縁膜が形成された石英基板、表面に絶縁膜が形成された半導体基板を挙げることができるが、製造コスト低減の観点からは、ガラス基板、あるいは、表面に絶縁膜が形成されたガラス基板を用いることが好ましい。アノードパネルを構成する基板も、支持体と同様に構成することができる。
【0054】
本発明においては、開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の2次微係数φ”=[∂2φ/∂z2x=0,y=0の値を、−0.02<φ”<0.02と規定することによって、電子放出部から放出された電子が、電子放出部に対向する蛍光体層に衝突せずに、かかる蛍光体層に隣接した蛍光体層に衝突することを確実に防止することができる。
【0055】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、発明の実施の形態(以下、実施の形態と略称する)に基づき本発明を説明する。
【0056】
(実施の形態1)
実施の形態1は、本発明の冷陰極電界電子放出表示装置(以下、単に、表示装置と略称する)に関する。図2及び図3に、実施の形態1の表示装置の一例を示す。尚、図2は表示装置の模式的な一部端面図であり、図3はカソードパネルCPとアノードパネルAPを分解したときの模式的な部分的斜視図である。
【0057】
この表示装置は、冷陰極電界電子放出素子(以下、電界放出素子と呼ぶ)を、複数、備えたカソードパネルCPと、蛍光体層31及びアノード電極33が設けられたアノードパネルAPとが、それらの周縁部で接合されて成る。
【0058】
ここで、電界放出素子は、略平面状の電子放出部が開口部の底部に位置するカソード電極上に設けられた扁平型電界放出素子(より具体的には、カーボン・ナノチューブ構造体から構成された扁平型電界放出素子)から構成されている。
【0059】
即ち、冷陰極電界電子放出素子は、
(A)支持体10上に形成され、第1の方向(図2の紙面垂直方向であるy方向)に延びるカソード電極11と、
(B)支持体10及びカソード電極11上に形成された絶縁層12と、
(C)絶縁層12上に形成され、第1の方向とは異なる第2の方向(図2の紙面水平方向であるx方向)に延びるゲート電極13と、
(D)カソード電極11とゲート電極13の重複する重複領域に位置するゲート電極及び絶縁層の部分に形成された開口部14(ゲート電極13に設けられた第1開口部14A、及び、絶縁層12に設けられ、第1開口部14Aと連通した第2開口部14B)と、
(E)開口部14の底部に位置する電子放出部15、
から成る。
【0060】
そして、開口部14の中心軸線CL上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の2次微係数φ”=[∂2φ/∂z2x=0,y=0の値は、−0.02<φ”<0.02を満足している。
【0061】
尚、カソード電極11とゲート電極13とは、これらの両電極の射影像が互いに直交する方向に各々ストライプ状に形成されており、これらの両電極の射影像が重複する重複領域(1サブピクセルに相当する大きさを有する)に、複数の電界放出素子が設けられている。更に、かかる重複領域が、カソードパネルCPの有効領域(実際の表示部分として機能する領域)内に、通常、2次元マトリックス状に配列されている。
【0062】
一方、アノードパネルAPは、基板30と、基板30上に形成され、所定のパターンを有する蛍光体層31(31R,31B,31G)と、その上に形成されたアノード電極33から構成されている。1サブピクセルは、カソードパネル側のカソード電極11とゲート電極13との重複領域に設けられた電界放出素子の一群と、これらの電界放出素子の一群に対面したアノードパネル側の蛍光体層31とによって構成されている。有効領域には、かかる3つのサブピクセルから成る画素が、例えば数十万〜数百万個ものオーダーにて配列されている。尚、蛍光体層31と蛍光体層31との間の基板30上にはブラックマトリックス32が形成されている。
【0063】
アノードパネルAPとカソードパネルCPとを、重複領域と蛍光体層31とが対向するように配置し、周縁部において枠体34を介して接合することによって、表示装置を作製することができる。有効領域を包囲し、画素を選択するための周辺回路が形成された無効領域(図示した例では、カソードパネルCPの無効領域)には、真空排気用の貫通孔36が設けられており、この貫通孔36には真空排気後に封じ切られたチップ管37が接続されている。即ち、アノードパネルAPとカソードパネルCPと枠体34とによって囲まれた空間は真空となっている。
【0064】
カソード電極11には相対的な負電圧がカソード電極制御回路40から印加され、ゲート電極13には相対的な正電圧がゲート電極制御回路41から印加され、アノード電極33にはゲート電極13よりも更に高い正電圧がアノード電極制御回路42から印加される。かかる表示装置において表示を行う場合、例えば、カソード電極11にカソード電極制御回路40から走査信号を入力し、ゲート電極13にゲート電極制御回路41からビデオ信号を入力する。あるいは又、カソード電極11にカソード電極制御回路40からビデオ信号を入力し、ゲート電極13にゲート電極制御回路41から走査信号を入力してもよい。カソード電極11とゲート電極13との間に電圧を印加した際に生ずる電界により、量子トンネル効果に基づき電子放出部15から電子が放出され、この電子がアノード電極33に引き付けられ、蛍光体層31に衝突する。その結果、蛍光体層31が励起されて発光し、所望の画像を得ることができる。つまり、この表示装置の動作は、基本的に、ゲート電極13に印加される電圧、及びカソード電極11を通じて電子放出部15に印加される電圧によって制御される。
【0065】
カソードパネルCPの一部分におけるカソード電極11、ゲート電極13及び開口部14の模式的な配置図を図4に示す。1画素は3つのサブピクセル(SPR,SPG,SPB)から構成されている。図4において、カソード電極11は紙面上下方向(y方向)に延び、ゲート電極13は紙面左右方向(x方向)に延びている。1画素の大きさを0.5mm×0.5mm、1サブピクセル(重複領域)の大きさ(L1×L2)を0.5mm×0.166mm、ゲート電極13の幅(WGATE)を0.42mmとし、更には、アノード電極制御回路42からアノード電極33に印加される電圧を10キロボルト、カソード電極制御回路40からカソード電極11に印加される電圧を0ボルト、アノード電極33とゲート電極13との間の距離を2.0mm、平面形状が円形の開口部14の直径を40μm、開口部14の底部中央に位置するカソード電極11上に設けられた平面形状が円形の電子放出部15の直径を20μm、1つの重複領域に設けられた電子放出部15の数を5個、支持体10の法線を中心として或る立体角を有した状態で広がりをもって電子放出部15から電子が放出されるときの立体角を60度(支持体10の法線を基準としたとき、電子放出部15から放出される電子の射出角度を±30度)と仮定し、電子放出部15から電子が放出される際の電子放出部15に近傍における電界強度と放出電子量(放出電子電流値)の関係を実験にて予め求めておいた。
【0066】
そして、ゲート電極13の厚さを0.3μmから15μmまで変化させ、且つ、絶縁層12の厚さを2μmから20μmまで変化させ、それぞれの組合せにおいて、1つの電子放出部15から放出される電子に基づく放出電子電流値として0.86μA(1つの重複領域においては、0.86×5=4.3μA)が得られるようなゲート電極13に印加される電圧Vgを求め、アノード電極33、ゲート電極13及びカソード電極11に印加される係る電圧(それぞれ、10キロボルト、Vg、0ボルト)に基づき形成されるゲート電極13とアノード電極33との間の空間、及び、開口部14内における静電場(等電位面)を計算で求め、更には、開口部14の中心軸線CL上におけるこの等電位面の2次微係数φ”=[∂2φ/∂z2x=0,y=0の値、並びに、電子放出部15から放出された電子が蛍光体層31に衝突するときの蛍光体層31の大きさ(スポット径Vssmm)を求めた。求めた「φ”」と「Vss」との関係を図1に示す。尚、等電位面の2次微係数φ”の値は、開口部14の中心軸線CL上の領域(z方向に沿った領域の座標Z0)が、絶縁層の厚さをtとし、開口部14の中心軸線CLとカソード電極11の表面とが交わる点を原点とした場合、0≦Z0≦3tの範囲にあるときの値の内の最大値である。尚、電子放出部15の表面を平面と仮定して計算したため、等電位面の2次微係数φ”の値を、0≦Z0≦3tの範囲にあるときの値の内の最大値としたが、実際の電子放出部15の表面には凹凸が存在するため、絶縁層の厚さをtとした場合、0.2t≦Z0≦1.5t、好ましくは0.2t≦Z0≦3tの範囲にあるときの値の内の最大値とすることが望ましい。
【0067】
スポット径Vssがφ”の2次関数であるとして、最小自乗法にて求めたVss=f(φ”)は、以下のとおりであった。
【0068】
ss=6.2127φ”2−0.0571φ”+0.1665
【0069】
スポット径Vssの値が最小となるときの2次微係数φ”の値はほぼ0であり、許容スポット径を最小スポット径の1.05倍としたときの2次微係数φ”の値は概ね±0.02である。従って、開口部14の中心軸線CL上における、電極33、ゲート電極13及びカソード電極11によって形成される等電位面の2次微係数φ”の値が−0.02<φ”<0.02であれば、許容スポット径を最小スポット径の1.05倍以内に納めることができる。
【0070】
尚、2次微係数φ”の許容範囲は、蛍光体層の幅など、表示装置全体の設計によっても変化し、2次微係数φ”の許容範囲を与える開口部14の大きさ等も電子放出部の電圧−電流特性によって変化する。しかしながら、上述のとおり、ゲート電極13の厚さを0.3μm〜15μm、絶縁層12の厚さを2μm〜20μmとした場合、2次微係数φ”の値が−0.02<φ”<0.02であれば、許容スポット径を最小スポット径の1.05倍以内に納めることができることが、計算から判明した。
【0071】
上述した例では開口部14の平面形状を円形としたが、開口部14の平面形状を適切化することによってアノード電極33に印加される電圧による等電位面への影響をコントロールして、2次微係数φ”を−0.02<φ”<0.02とすることもできる。
【0072】
電子放出部15の電圧―電流特性における閾値電圧(電子放出部15から電子が放出し始める電圧)が高い場合、電子放出部15から放出された電子に基づく所定の放出電子電流値を得るためのゲート電圧Vgが高くなり、2次微係数φ”<0、即ち、電子レンズとして一種の凹レンズが形成される。このような場合、開口部14を大きくすることで、アノード電極33に印加される電圧による等電位面への影響を大きくし、2次微係数φ”を0に近づけることができる。しかしながら、開口部14の平面形状が円形の場合、開口径を大きくした分、蛍光体層31に衝突する電子ビームのスポット径Vssに上乗せされることになり、2次微係数φ”の改善効果を打ち消す結果となる。
【0073】
前述したとおり、隣り合う蛍光体層31のx方向の距離は、隣り合う蛍光体層31のy方向の距離よりも短い。従って、カソード電極11とゲート電極13の重複する重複領域の平面形状を長方形とし、開口部14の平面形状を、長方形の重複領域の長辺に平行な長辺を有する長方形とする。これによって、アノード電極33に印加される電圧による等電位面への影響を大きくし、2次微係数φ”を−0.02<φ”<0.02とし、蛍光体層31に衝突する電子ビームのスポット径(特にx方向のスポット径)を改善することができる。尚、重複領域における開口部の数は、1であっても、2以上であってもよい。重複領域における開口部114の数を1とした場合の、カソードパネルCPの一部分におけるカソード電極11、ゲート電極13及び開口部114の模式的な配置図を図5に示す。尚、開口部114の大きさ(L3×L4)は、270μm×20μmである。また、重複領域における開口部214の数を複数とした場合の、カソードパネルCPの一部分におけるカソード電極11、ゲート電極13及び開口部214の模式的な配置図を図6に示す。尚、開口部214の大きさ(L5×L6)は70μm×10μmであり、開口部214の長手方向に沿った開口部214と開口部214の間の距離(L7)は30μmであり、開口部214の短手方向に沿った開口部214と開口部214の間の距離(L8)は5μmである。尚、図5及び図6において、カソード電極11を明示するために、カソード電極11に斜線を付したが、実際には、カソード電極11は絶縁層12に覆われている。また、カソード電極11は紙面上下方向(y方向)に延び、ゲート電極13は紙面左右方向(x方向)に延びている。
【0074】
以下、各種の電界放出素子及びその製造方法を説明する。尚、図7〜図9においては、1つの電子放出部のみを図示する。
【0075】
[扁平型電界放出素子(その1)]
扁平型電界放出素子は、
(イ)支持体10上に設けられ、第1の方向に延びるカソード電極11と、
(ロ)支持体10及びカソード電極11上に形成された絶縁層12と、
(ハ)絶縁層12上に設けられ、第1の方向とは異なる第2の方向に延びるゲート電極13と、
(ニ)ゲート電極13に設けられた第1開口部14A、及び、絶縁層12に設けられ、第1開口部14Aと連通した第2開口部14Bと、
(ホ)第2開口部14Bの底部に位置するカソード電極11上に設けられた扁平状の電子放出部15、
から成り、
第2開口部14Bの底部に露出した電子放出部15から電子が放出される構造を有する。
【0076】
電子放出部15は、マトリックス20、及び、先端部が突出した状態でマトリックス20中に埋め込まれたカーボン・ナノチューブ構造体(具体的には、カーボン・ナノチューブ21)から成り、マトリックス20は、導電性を有する金属酸化物(具体的には、酸化インジウム−錫、ITO)から成る。
【0077】
以下、電界放出素子の製造方法を、図7の(A)、(B)及び図8の(A)、(B)を参照して説明する。
【0078】
[工程−100]
先ず、例えばガラス基板から成る支持体10上に、例えばスパッタリング法及びエッチング技術により形成された厚さ約0.2μmのクロム(Cr)層から成るストライプ状のカソード電極11を形成する。
【0079】
[工程−110]
次に、カーボン・ナノチューブ構造体が分散された有機酸金属化合物から成る金属化合物溶液をカソード電極11上に、例えばスプレー法にて塗布する。具体的には、以下の表1に例示する金属化合物溶液を用いる。尚、金属化合物溶液中にあっては、有機錫化合物及び有機インジウム化合物は酸(例えば、塩酸、硝酸、あるいは硫酸)に溶解された状態にある。カーボン・ナノチューブはアーク放電法にて製造され、平均直径30nm、平均長さ1μmである。塗布に際しては、支持体を70〜150゜Cに加熱しておく。塗布雰囲気を大気雰囲気とする。塗布後、5〜30分間、支持体を加熱し、酢酸ブチルを十分に蒸発させる。このように、塗布時、支持体を加熱することによって、カソード電極の表面に対してカーボン・ナノチューブが水平に近づく方向にセルフレベリングする前に塗布溶液の乾燥が始まる結果、カーボン・ナノチューブが水平にはならない状態でカソード電極の表面にカーボン・ナノチューブを配置することができる。即ち、カーボン・ナノチューブの先端部がアノード電極の方向を向くような状態、言い換えれば、カーボン・ナノチューブを、支持体の法線方向に近づく方向に配向させることができる。尚、予め、表1に示す組成の金属化合物溶液を調製しておいてもよいし、カーボン・ナノチューブを添加していない金属化合物溶液を調製しておき、塗布前に、カーボン・ナノチューブと金属化合物溶液とを混合してもよい。また、カーボン・ナノチューブの分散性向上のため、金属化合物溶液の調製時、超音波を照射してもよい。
【0080】
[表1]
有機錫化合物及び有機インジウム化合物:0.1〜10重量部
分散剤(ドデシル硫酸ナトリウム) :0.1〜5 重量部
カーボン・ナノチューブ :0.1〜20重量部
酢酸ブチル :残余
【0081】
尚、有機酸金属化合物溶液として、有機錫化合物を酸に溶解したものを用いれば、マトリックスとして酸化錫が得られ、有機インジウム化合物を酸に溶解したものを用いれば、マトリックスとして酸化インジウムが得られ、有機亜鉛化合物を酸に溶解したものを用いれば、マトリックスとして酸化亜鉛が得られ、有機アンチモン化合物を酸に溶解したものを用いれば、マトリックスとして酸化アンチモンが得られ、有機アンチモン化合物及び有機錫化合物を酸に溶解したもの用いれば、マトリックスとして酸化アンチモン−錫が得られる。また、有機金属化合物溶液として、有機錫化合物を用いれば、マトリックスとして酸化錫が得られ、有機インジウム化合物を用いれば、マトリックスとして酸化インジウムが得られ、有機亜鉛化合物を用いれば、マトリックスとして酸化亜鉛が得られ、有機アンチモン化合物を用いれば、マトリックスとして酸化アンチモンが得られ、有機アンチモン化合物及び有機錫化合物を用いれば、マトリックスとして酸化アンチモン−錫が得られる。あるいは又、金属の塩化物の溶液(例えば、塩化錫、塩化インジウム)を用いてもよい。
【0082】
場合によっては、金属化合物溶液を乾燥した後の金属化合物層の表面に著しい凹凸が形成されている場合がある。このような場合には、金属化合物層の上に、支持体を加熱することなく、再び、金属化合物溶液を塗布することが望ましい。
【0083】
[工程−120]
その後、有機酸金属化合物から成る金属化合物を焼成することによって、有機酸金属化合物を構成する金属原子(具体的には、In及びSn)を含むマトリックス(具体的には、金属酸化物であり、より一層具体的にはITO)20にてカーボン・ナノチューブ21がカソード電極11の表面に固定された電子放出部15を得る。焼成を、大気雰囲気中で、350゜C、20分の条件にて行う。こうして、得られたマトリックス20の体積抵抗率は、5×10-7Ω・mであった。有機酸金属化合物を出発物質として用いることにより、焼成温度350゜Cといった低温においても、ITOから成るマトリックス20を形成することができる。尚、有機酸金属化合物溶液の代わりに、有機金属化合物溶液を用いてもよいし、金属の塩化物の溶液(例えば、塩化錫、塩化インジウム)を用いた場合、焼成によって塩化錫、塩化インジウムが酸化されつつ、ITOから成るマトリックス20が形成される。
【0084】
[工程−130]
次いで、全面にレジスト層を形成し、カソード電極11の所望の領域の上方に、例えば直径20μmの円形のレジスト層を残す。そして、10〜60゜Cの塩酸を用いて、1〜30分間、マトリックス20をエッチングして、電子放出部の不要部分を除去する。更に、所望の領域以外にカーボン・ナノチューブが未だ存在する場合には、以下の表2に例示する条件の酸素プラズマエッチング処理によってカーボン・ナノチューブをエッチングする。尚、バイアスパワーは0Wでもよいが、即ち、直流としてもよいが、バイアスパワーを加えることが望ましい。また、支持体を、例えば80゜C程度に加熱してもよい。
【0085】
[表2]
使用装置 :RIE装置
導入ガス :酸素を含むガス
プラズマ励起パワー:500W
バイアスパワー :0〜150W
処理時間 :10秒以上
【0086】
あるいは又、表3に例示する条件のウェットエッチング処理によってカーボン・ナノチューブをエッチングしてもよい。
【0087】
[表3]
使用溶液:KMnO4
温度 :20〜120゜C
処理時間:10秒〜20分
【0088】
その後、レジスト層を除去することによって、図7の(A)に示す構造を得ることができる。尚、直径20μmの円形の電子放出部を残すことに限定されない。例えば、電子放出部をカソード電極11上に残してもよい。
【0089】
尚、[工程−110]、[工程−130]、[工程−120]の順に実行してもよい。
【0090】
[工程−140]
次に、電子放出部15、支持体10及びカソード電極11上に絶縁層12を形成する。具体的には、例えばTEOS(テトラエトキシシラン)を原料ガスとして使用するCVD法により、全面に、厚さ約15μmの絶縁層12を形成する。
【0091】
[工程−150]
その後、絶縁層12上にストライプ状のゲート電極13を形成し、更に、絶縁層12及びゲート電極13上にマスク層22を設けた後、ゲート電極13に第1の開口部14Aを形成し、更に、ゲート電極13に形成された第1の開口部14Aに連通する第2の開口部14Bを絶縁層12に形成する(図7の(B)参照)。尚、マトリックス20を金属酸化物、例えばITOから構成する場合、絶縁層12をエッチングするとき、マトリックス20がエッチングされることはない。即ち、絶縁層12とマトリックス20とのエッチング選択比はほぼ無限大である。従って、絶縁層12のエッチングによってカーボン・ナノチューブ21に損傷が発生することはない。ゲート電極13の厚さを10μmとし、第1開口部14A及び第2開口部14Bの直径を40μmとした。
【0092】
[工程−160]
次いで、以下の表4に例示する条件にて、マトリックス20の一部を除去し、マトリックス20から先端部が突出した状態のカーボン・ナノチューブ21を得ることが好ましい。こうして、図8の(A)に示す構造の電子放出部15を得ることができる。
【0093】
[表4]
エッチング溶液:塩酸
エッチング時間:10秒〜30秒
エッチング温度:10〜60゜C
【0094】
マトリックス20のエッチングによって一部あるいは全てのカーボン・ナノチューブ21の表面状態が変化し(例えば、その表面に酸素原子や酸素分子、フッ素原子が吸着し)、電界放出に関して不活性となっている場合がある。それ故、その後、電子放出部15に対して水素ガス雰囲気中でのプラズマ処理を行うことが好ましく、これによって、電子放出部15が活性化し、電子放出部15からの電子の放出効率の一層の向上させることができる。プラズマ処理の条件を、以下の表5に例示する。
【0095】
[表5]
使用ガス :H2=100sccm
電源パワー :1000W
支持体印加電力:50V
反応圧力 :0.1Pa
支持体温度 :300゜C
【0096】
その後、カーボン・ナノチューブ21からガスを放出させるために、加熱処理や各種のプラズマ処理を施してもよいし、カーボン・ナノチューブ21の表面に意図的に吸着物を吸着させるために吸着させたい物質を含むガスにカーボン・ナノチューブ21を晒してもよい。また、カーボン・ナノチューブ21を精製するために、酸素プラズマ処理やフッ素プラズマ処理を行ってもよい。
【0097】
[工程−170]
その後、絶縁層12に設けられた第2の開口部14Bの側壁面を等方的なエッチングによって後退させることが、ゲート電極13の開口端部を露出させるといった観点から、好ましい。尚、等方的なエッチングは、ケミカルドライエッチングのようにラジカルを主エッチング種として利用するドライエッチング、あるいはエッチング液を利用するウェットエッチングにより行うことができる。エッチング液としては、例えば49%フッ酸水溶液と純水の1:100(容積比)混合液を用いることができる。次いで、マスク層22を除去する。こうして、図8の(B)に示す電界放出素子を完成することができる。
【0098】
尚、[工程−150]の後、[工程−170]、[工程−160]の順に実行してもよい。
【0099】
[扁平型電界放出素子(その2)]
扁平型電界放出素子の模式的な一部断面図を、図9の(A)に示す。この扁平型電界放出素子は、例えばガラスから成る支持体10上に形成されたカソード電極11、支持体10及びカソード電極11上に形成された絶縁層12、絶縁層12上に形成されたゲート電極13、ゲート電極13及び絶縁層12を貫通する開口部14(ゲート電極13に設けられた第1開口部、及び、絶縁層12に設けられ、第1開口部14Aと連通した第2開口部)、並びに、開口部14の底部に位置するカソード電極11の部分の上に設けられた扁平の電子放出部(電子放出層15A)から成る。ここで、電子放出層15Aは、図面の紙面垂直方向に延びたストライプ状のカソード電極11上に形成されている。また、ゲート電極13は、図面の紙面左右方向に延びている。カソード電極11及びゲート電極13はクロムから成る。電子放出層15Aは、具体的には、グラファイト粉末から成る薄層から構成されている。図9の(A)に示した扁平型電界放出素子においては、カソード電極11の表面の全域に亙って、電子放出層15Aが形成されているが、このような構造に限定するものではなく、要は、少なくとも開口部14の底部に電子放出層15Aが設けられていればよい。
【0100】
[平面型電界放出素子]
平面型電界放出素子の模式的な一部断面図を、図9の(B)に示す。この平面型電界放出素子は、例えばガラスから成る支持体10上に形成されたストライプ状のカソード電極11、支持体10及びカソード電極11上に形成された絶縁層12、絶縁層12上に形成されたストライプ状のゲート電極13、並びに、ゲート電極13及び絶縁層12を貫通する第1開口部及び第2開口部(開口部14)から成る。開口部14の底部にはカソード電極11が露出している。カソード電極11は、図面の紙面垂直方向に延び、ゲート電極13は、図面の紙面左右方向に延びている。カソード電極11及びゲート電極13はクロム(Cr)から成り、絶縁層12はSiO2から成る。ここで、開口部14の底部に露出したカソード電極11の部分が電子放出部15Bに相当する。
【0101】
以上、本発明を、発明の実施の形態に基づき説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。発明の実施の形態にて説明したアノードパネルやカソードパネル、表示装置や電界放出素子の構成、構造は例示であり、適宜変更することができるし、アノードパネルやカソードパネル、表示装置や電界放出素子の製造方法も例示であり、適宜変更することができる。更には、アノードパネルやカソードパネルの製造において使用した各種材料も例示であり、適宜変更することができる。表示装置においては、専らカラー表示を例にとり説明したが、単色表示とすることもできる。
【0102】
実施の形態においては、カソード電極11がy方向に延び、ゲート電極13がx方向に延びている構成を示したが、カソード電極11がx方向に延び、ゲート電極13がy方向に延びている構成とすることもできる。
【0103】
アノード電極は、有効領域を1枚のシート状の導電材料で被覆した形式のアノード電極としてもよいし、1又は複数の画素に対応するアノード電極ユニットが集合した形式のアノード電極としてもよい。アノード電極が前者の構成の場合、かかるアノード電極をアノード電極制御回路に接続すればよいし、アノード電極が後者の構成の場合、例えば、各アノード電極ユニットをアノード電極制御回路に接続すればよい。
【0104】
また、電界放出素子においては、専ら1つの開口部に1つの電子放出部が対応する形態を説明したが、電界放出素子の構造に依っては、1つの開口部に複数の電子放出部が対応した形態、あるいは、複数の開口部に1つの電子放出部が対応する形態とすることもできる。あるいは又、ゲート電極に複数の第1開口部を設け、絶縁層にかかる複数の第1開口部に連通した1つの第2開口部を設け、1又は複数の電子放出部を設ける形態とすることもできる。
【0105】
表面伝導型電界放出素子と通称される電界放出素子から電子放出領域を構成することもできる。この表面伝導型電界放出素子は、例えばガラスから成る支持体上に酸化錫(SnO2)、金(Au)、酸化インジウム(In23)/酸化錫(SnO2)、カーボン、酸化パラジウム(PdO)等の導電材料から成り、微小面積を有し、所定の間隔(ギャップ)を開けて配された一対の電極がマトリクス状に形成されて成る。それぞれの電極の上には炭素薄膜が形成されている。そして、一対の電極の内の一方の電極に行方向配線が接続され、一対の電極の内の他方の電極に列方向配線が接続された構成を有する。一対の電極に電圧を印加することによって、ギャップを挟んで向かい合った炭素薄膜に電界が加わり、炭素薄膜から電子が放出される。かかる電子をアノードパネル上の蛍光体層に衝突させることによって、蛍光体層が励起されて発光し、所望の画像を得ることができる。
【0106】
【発明の効果】
本発明においては、開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の2次微係数φ”を−0.02<φ”<0.02と規定することによって、電子放出部から放出された電子が、電子放出部に対向する蛍光体層に衝突せずに、かかる蛍光体層に隣接した蛍光体層に衝突することを確実に防止することができる。従って、輝度の低下や、色純度の低下、隣接画素間の光学的クロストークが発生することを確実に防止することができる。しかも、カソードパネルの構造が複雑になることが無く、冷陰極電界電子放出表示装置の製造コスト増を招くこともない。
【0107】
尚、2次微係数φ”>0の場合、開口部の中心部に位置する電子放出部の部分における電界強度が強くなり、開口部の中心部に位置する電子放出部から電子が多く放出される。一方、2次微係数φ”<0の場合、開口部の周辺部に位置する電子放出部の部分における電界強度が強くなり、開口部の周辺部に位置する電子放出部の部分から電子が多く放出される。然るに、本発明においては、2次微係数φ”を−0.02<φ”<0.02と規定することによって、電子放出部全体における電界強度の均一化を図ることができるので、電子放出部全体から電子が放出される結果、エミッション・サイト密度(Emission Site Density)を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の2次微係数φ”と、電子放出部から放出された電子が蛍光体層に衝突するときの蛍光体層の大きさであるスポット径Vssの関係を示すグラフである。
【図2】図2は、冷陰極電界電子放出表示装置の模式的な一部端面図である。
【図3】図3は、カソードパネルCPとアノードパネルAPを分解したときの模式的な部分的斜視図である。
【図4】図4は、カソードパネルの一部分におけるカソード電極、ゲート電極及び開口部の模式的な配置図である。
【図5】図5は、重複領域における開口部の数を1つとした場合の、カソードパネルの一部分におけるカソード電極、ゲート電極及び開口部の模式的な配置図である。
【図6】図6は、重複領域における開口部の数を複数とした場合の、カソードパネルの一部分におけるカソード電極、ゲート電極及び開口部の模式的な配置図である。
【図7】図7の(A)及び(B)は、扁平型冷陰極電界電子放出素子(その1)の製造方法を説明するための支持体等の模式的な一部断面図である。
【図8】図8の(A)及び(B)は、図7の(B)に引き続き、扁平型冷陰極電界電子放出素子(その1)の製造方法を説明するための支持体等の模式的な一部断面図である。
【図9】図9の(A)及び(B)は、それぞれ、扁平型冷陰極電界電子放出素子(その2)の模式的な一部断面図、及び、平面型冷陰極電界電子放出素子の模式的な一部断面図である。
【図10】図10は、開口部内及び開口部の近傍の空間に一種の凸レンズから成る電子レンズが形成された状態を模式的に示す図である。
【図11】図11は、電子放出部から放出された電子が、電子放出部に対向する蛍光体層に衝突せずに、かかる蛍光体層に隣接した蛍光体層に衝突する状態を模式的に示す図である。
【図12】図12は、収束電極が設けられた冷陰極電界電子放出素子の模式的な一部端面図である。
【符号の説明】
CP・・・カソードパネル、AP・・・アノードパネル、10・・・支持体、11・・・カソード電極、12・・・絶縁層、13・・・ゲート電極、14,114,214・・・開口部、14A・・・第1開口部、14B・・・第2開口部、15,15A,15B・・・電子放出部、20・・・マトリックス、21・・・カーボン・ナノチューブ、30・・・基板、31,31R,31G,31B・・・蛍光体層、32・・・ブラックマトリックス、33・・・アノード電極、40・・・カソード電極制御回路、41・・・ゲート電極制御回路、42・・・アノード電極制御回路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a cold cathode field emission display.
[0002]
[Prior art]
In the field of display devices used for television receivers and information terminal equipment, flat-panel (flat panel) that can meet the demands for thinner, lighter, larger screen, and higher definition from the conventional mainstream cathode ray tube (CRT) (Type) display devices are being considered. Examples of such a flat display device include a liquid crystal display (LCD), an electroluminescence display (ELD), a plasma display (PDP), and a cold cathode field emission display (FED). Can be. Among them, the liquid crystal display device is widely used as a display device for information terminal equipment, but there is still a problem in high brightness and large size for application to a stationary television receiver. . On the other hand, a cold cathode field emission display device is a cold cathode field emission device (hereinafter, referred to as a field emission device) capable of emitting electrons from a solid into a vacuum based on a quantum tunnel effect without thermal excitation. (Which may be referred to as an element), and has attracted attention in terms of high luminance and low power consumption.
[0003]
FIG. 2 and FIG. 3 show an example of a cold cathode field emission display (hereinafter sometimes referred to as a display) using a field emission device. FIG. 2 is a schematic partial end view of the display device, and FIG. 3 is a schematic partial perspective view when the cathode panel CP and the anode panel AP are disassembled.
[0004]
The illustrated field emission device is a so-called flat type field emission device having a substantially planar electron emission portion. The field emission device includes a cathode electrode 11 formed on a support 10, an insulating layer 12 formed on the support 10 and the cathode electrode 11, a gate electrode 13 formed on the insulating layer 12, An opening 14 provided in the electrode 13 and the insulating layer 12 (a first opening 14A provided in the gate electrode 13 and a second opening 14B provided in the insulating layer 12) and a bottom of the opening 14 It comprises an electron emitting portion 15 formed on the located cathode electrode 11. In general, the cathode electrode 11 and the gate electrode 13 are formed such that projected images of these two electrodes are formed in stripes in directions orthogonal to each other, and an overlapping area (one sub-pixel) where the projected images of these two electrodes overlap. Is generally provided with a plurality of field emission devices. Further, such overlapping areas are usually arranged in a two-dimensional matrix in an effective area (area functioning as an actual display portion) of the cathode panel CP.
[0005]
On the other hand, the anode panel AP includes a substrate 30, a phosphor layer 31 (31R, 31B, 31G) formed on the substrate 30 and having a predetermined pattern, and an anode electrode 33 formed thereon. . One sub-pixel includes a group of field emission elements provided in an overlapping region of the cathode electrode 11 and the gate electrode 13 on the cathode panel side, and a phosphor layer 31 on the anode panel side facing the group of these field emission elements. It is constituted by. In the effective area, pixels composed of the three sub-pixels are arranged, for example, in the order of several hundred thousand to several million. A black matrix 32 is formed on the substrate 30 between the phosphor layers 31.
[0006]
The display device can be manufactured by arranging the anode panel AP and the cathode panel CP such that the overlap region and the phosphor layer 31 face each other and joining the peripheral panel with the frame 34 therebetween. The space surrounded by the anode panel AP, the cathode panel CP, and the frame 34 is a vacuum.
[0007]
A relatively negative voltage is applied to the cathode electrode 11 from the cathode electrode control circuit 40, a relatively positive voltage is applied to the gate electrode 13 from the gate electrode control circuit 41, and the anode electrode 33 has a higher voltage than the gate electrode 13. A higher positive voltage is applied from the anode electrode control circuit 42. Due to an electric field generated when a voltage is applied between the cathode electrode 11 and the gate electrode 13, electrons are emitted from the electron emitting portion 15 based on the quantum tunnel effect, and the electrons are attracted to the anode electrode 33, and the fluorescent layer 31 Collide with As a result, the phosphor layer 31 is excited to emit light, and a desired image can be obtained. That is, the operation of the display device is basically controlled by the voltage applied to the gate electrode 13 and the voltage applied to the electron emission unit 15 through the cathode electrode 11.
[0008]
As described above, when a voltage is applied to the cathode electrode 11, the gate electrode 13, and the anode electrode 33, an electrostatic field is formed in the space between the gate electrode 13 and the anode electrode 33 and in the opening 14, and the opening 14 A kind of electron lens is formed inside and in the space near the opening 14. It should be noted that whether this electron lens is a convex lens or a concave lens is determined by determining the secondary differential coefficient φ of the equipotential surface formed by the anode electrode 33, the gate electrode 13, and the cathode electrode 11 on the central axis CL of the opening 14. ”= [∂Twoφ / ∂zTwo]x = 0, y = 0Is defined as follows. In the following description, the direction in which the center axis CL of the opening 14 extends is the z direction, the direction in which the gate electrode 13 extends is the x direction for convenience, and the direction in which the cathode electrode 11 extends is the y direction for convenience. . The y direction corresponds to the direction perpendicular to the plane of the drawing of FIG. FIG. 10 schematically shows a state in which the electron lens of the convex lens is formed.
[0009]
φ "<0: concave lens
φ ″> 0 ・ ・ ・ convex lens
[0010]
By the way, the electrons emitted from the electron emitting portion 15 generally have kinetic energy components not only in the z direction but also in the x direction and the y direction. Therefore, the electrons are emitted from the electron emitting portion 15 with a certain width with a certain solid angle centered on the normal direction of the support 10.
[0011]
In the case of φ ″ ≪0, that is, when the above-mentioned electron lens corresponds to a concave lens having a short focal length, the spread of the emitted electrons is expanded by the concave lens, and as a result, the electrons collide with the phosphor layer 31 facing the electron-emitting portion 15. In some cases, the light may collide with the phosphor layer 31 adjacent to the phosphor layer 31. Such a state is schematically shown in FIG. A decrease in purity and optical crosstalk between adjacent pixels occur.
[0012]
On the other hand, when φ ″ ≫0, that is, when the above-mentioned electron lens corresponds to a convex lens having a short focal length, the electrons emitted from the electron emitting portion 15 are generated in the space between the gate electrode 13 and the anode electrode 33. As a result of being once converged and then diverging, there is a case where the light does not collide with the phosphor layer 31 facing the electron emitting portion 15 but collides with the phosphor layer 31 adjacent to the phosphor layer 31. Such a phenomenon. Occurs, a decrease in luminance, a decrease in color purity, and an optical crosstalk between adjacent pixels occur.
[0013]
FIG. 4 shows a schematic layout of the cathode electrode 11, the gate electrode 13, and the opening 14 in a part of the cathode panel CP. One pixel has three sub-pixels (SPR, SPG, SPB). In FIG. 4, the cathode electrode 11 extends in the vertical direction (y direction) on the paper, and the gate electrode 13 extends in the horizontal direction (x direction) on the paper. For example, when the size of one pixel is 0.5 mm × 0.5 mm, the size of one sub-pixel (L1× LTwo) Is 0.5 mm × 0.166 mm. Also, the width of the gate electrode 13 (WGATE) Is 0.42 mm. Note that FIG. 4 shows a state in which five openings 14 are provided in one subpixel, but the number of openings 14 is not limited to this. Although the cathode electrode 11 is hatched to clearly show the cathode electrode 11, the cathode electrode 11 is actually covered with the insulating layer 12.
[0014]
In such an arrangement, the distance between the adjacent phosphor layers 31 in the x direction is shorter than the distance between the adjacent phosphor layers 31 in the y direction. The spread of electrons must be less in the x direction.
[0015]
In order to prevent the occurrence of optical crosstalk, a field emission device provided with a focusing electrode 113 as shown in a schematic partial end view in FIG. 12 has been proposed (for example, JP-A-2002-270099). reference). In this field emission device, a second insulating layer 112 is further provided on the gate electrode 13 and the insulating layer 12, and a focusing electrode 113 is provided on the second insulating layer 112. Here, the focusing electrode 113 has a sheet-like shape that covers the effective area. Reference numeral 314 denotes an opening provided in the focusing electrode 113 and the second insulating layer 112. A relatively negative voltage (for example, 0 volt) is applied to the focusing electrode 113 from a focusing electrode control circuit (not shown). By providing the focusing electrode 113 in this way, by forming an electron lens composed of a kind of convex lens, it is possible to converge the trajectory of the emitted electrons emitted from the second opening 314 toward the anode electrode 33. Have been.
[0016]
[Patent Document 1] JP-A-2002-270099
[Patent Document 2] JP-A-8-96703
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, the provision of the focusing electrode 113 complicates the manufacturing process of the cathode panel, and causes a problem of increasing the manufacturing cost of the cold cathode field emission display.
[0018]
It should be noted that paragraph No. 0035 of Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-96703 discloses that a particle having a small work function in contact with a first electrode (corresponding to a cathode electrode) in a micropore for emitting energetic particles such as electrons. A technique in which a substance is provided on a thin film (corresponding to an electron-emitting portion) is disclosed. When a voltage is applied between the first electrode and the second electrode (corresponding to a gate electrode), an equipotential surface is formed flat along the thin film. Particles that travel orthogonally travel from the micropores to the object (eg, phosphor surface) with a fairly uniform direction, so that they can always reach the target object and greatly reduce mislanding. It is said that high definition can be achieved. However, this patent publication does not disclose any concept such as a second derivative φ ″ of an equipotential surface formed by the anode electrode, the gate electrode, and the cathode electrode on the central axis of the opening.
[0019]
Therefore, an object of the present invention is to provide a cold cathode field emission display device which can reliably prevent a decrease in luminance, a decrease in color purity, and the occurrence of optical crosstalk without providing a focusing electrode. .
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The cold cathode field emission display of the present invention to achieve the above object,
A cold cathode field emission display device comprising: a cathode panel including a plurality of cold cathode field emission devices; and an anode panel provided with a phosphor layer and an anode electrode, which are joined at a peripheral portion thereof. ,
Cold cathode field emission devices
(A) a cathode electrode formed on a support and extending in a first direction;
(B) an insulating layer formed on the support and the cathode electrode;
(C) a gate electrode formed on the insulating layer and extending in a second direction different from the first direction;
(D) an opening formed in a portion of the gate electrode and the insulating layer located in an overlapping region where the cathode electrode and the gate electrode overlap;
(E) an electron-emitting portion located at the bottom of the opening;
Consisting of
On the central axis line CL of the opening, a second derivative of the equipotential surface formed by the anode electrode, the gate electrode, and the cathode electrode, φ ″ = [∂Twoφ / ∂zTwo]x = 0, y = 0Is the value of
−0.02 <φ ”<0.02
Is satisfied.
[0021]
Note that the secondary differential coefficient φ ″ = [∂Twoφ / ∂zTwo]x = 0, y = 0(The coordinate Z of the region along the z-direction)0The area above the cathode electrode surface along the central axis of the opening with the cathode electrode surface as the origin) is 0.2t ≦ Z, where t is the thickness of the insulating layer.0≦ 1.5t, preferably 0.2t ≦ Z0It is desirable that ≦ 3t. In addition, the point (0, 0, Z) of the central axis line CL of the opening.PIf the value of the second derivative φ ″ of the equipotential surface along the direction orthogonal to the direction perpendicular to the above) is not the same value, the largest value of the second derivative φ ″ needs to satisfy the above range. Here, the point (0, 0, 0) is a point (origin) located at the center of the opening 14 and on the surface of the cathode electrode 11, and Z0= 0 means the surface of the cathode electrode 11.
[0022]
The value of the secondary differential coefficient φ ″ of the equipotential surface can be obtained by calculation or simulation using the following numerical values as parameters.
[0023]
(1) Voltage applied to anode electrode
(2) Voltage applied to gate electrode
(3) Voltage applied to cathode electrode
(4) Distance from anode electrode to gate electrode
(5) Thickness of gate electrode
(6) Thickness of insulating layer
(7) Shape and size of opening provided in gate electrode and insulating layer
(8) Shape and size of electron-emitting portion
(9) Number of electron emission portions provided in one overlap region
(10) Measurement value obtained from the relationship between the electric field intensity and the amount of emitted electrons (emitted electron current) near the electron emission portion when electrons are emitted from the electron emission portion
(11) A solid angle at which electrons are emitted from the electron-emitting portion with a certain solid angle centered on the normal line of the support when the electrons are emitted from the electron-emitting portion (the size of the electron-emitting portion is smaller than the size of the opening portion). Is small enough, the contribution of this parameter is small, and in some cases this parameter need not be considered.)
[0024]
In the case of performing color display in a cold cathode field emission display device, one pixel having a regular square planar shape is generally configured by juxtaposing three rectangular sub-pixels. Therefore, the red light-emitting phosphor layer that emits red light, the green light-emitting phosphor layer that emits green light, and the blue light-emitting phosphor layer that emits blue light also occupy the rectangular area. The short side direction of the rectangular region occupied by each phosphor layer is called the x direction for convenience, and the long side direction is called the y direction.
[0025]
In the cold cathode field emission display according to the present invention, the plane shape of the overlapping region where the cathode electrode and the gate electrode overlap is rectangular (that is, the short side is parallel to the x direction, and the long side is y. A rectangular shape having a long side parallel to the long side of the overlapping area of the rectangle (that is, a short side is parallel to the x direction and a long side is y (Parallel to the direction). By forming the opening in such a planar shape, it is possible to more reliably prevent a decrease in luminance, a decrease in color purity, and an occurrence of optical crosstalk. When the planar shape of the opening is a rectangle, the corner of the rectangle may be rounded.
[0026]
In the cold cathode field emission display device of the present invention including the above-described embodiment, the cold cathode field emission device (hereinafter, abbreviated as a field emission device) may include:
(1) Flat field emission device (a field emission device in which a substantially flat electron emission portion is provided on a cathode electrode located at the bottom of an opening)
(2) Crown-type field emission device (a field emission device in which a crown-shaped electron emission portion is provided on a cathode electrode located at the bottom of an opening)
(3) A flat field emission device that emits electrons from a flat cathode electrode surface
(4) Crater-type field emission device that emits electrons from projections on the surface of the cathode electrode on which irregularities are formed
(5) Edge-type field emission device that emits electrons from the edge of the cathode electrode
(6) Spindt-type field emission device (a field emission device in which a conical electron emission portion is provided on a cathode electrode located at the bottom of an opening)
Among them, a flat field emission device composed of a carbon nanotube structure is preferable.
[0027]
In the flat-type field emission device, as the material forming the electron emitting portion, it is preferable to configure the material having a work function Φ smaller than the material forming the cathode electrode. What is necessary is just to determine based on the work function of the material which comprises a cathode electrode, the potential difference between a gate electrode and a cathode electrode, the magnitude | size of required emission electron current density, etc. Typical materials constituting the cathode electrode in the field emission device include tungsten (Φ = 4.55 eV), niobium (Φ = 4.02 to 4.87 eV), molybdenum (Φ = 4.53 to 4.95 eV), Aluminum (Φ = 4.28 eV), copper (Φ = 4.6 eV), tantalum (Φ = 4.3 eV), chromium (Φ = 4.5 eV), and silicon (Φ = 4.9 eV) can be exemplified. . The electron emitting portion preferably has a work function Φ smaller than these materials, and its value is preferably about 3 eV or less. Such materials include carbon (Φ <1 eV), cesium (Φ = 2.14 eV), LaB6(Φ = 2.66 to 2.76 eV), BaO (Φ = 1.6 to 2.7 eV), SrO (Φ = 1.25 to 1.6 eV), YTwoOThree(Φ = 2.0 eV), CaO (Φ = 1.6-1.86 eV), BaS (Φ = 2.05 eV), TiN (Φ = 2.92 eV), ZrN (Φ = 2.92 eV). be able to. It is more preferable that the electron-emitting portion is made of a material having a work function Φ of 2 eV or less. Note that the material forming the electron emitting portion does not necessarily need to have conductivity.
[0028]
Alternatively, in the flat-type field emission device, as a material constituting the electron emitting portion, a material such that the secondary electron gain δ of such a material is larger than the secondary electron gain δ of the conductive material constituting the cathode electrode. It may be selected appropriately. That is, silver (Ag), aluminum (Al), gold (Au), cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), niobium (Nb), nickel (Ni), platinum (Pt), and tantalum (Ta) ), Metals such as tungsten (W) and zirconium (Zr); semiconductors such as silicon (Si) and germanium (Ge); inorganic simple substances such as carbon and diamond; and aluminum oxide (AlTwoOThree), Barium oxide (BaO), beryllium oxide (BeO), calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO), tin oxide (SnO)Two), Barium fluoride (BaFTwo), Calcium fluoride (CaFTwo) And the like. Note that the material forming the electron emitting portion does not necessarily need to have conductivity.
[0029]
In the flat field emission device, as a particularly preferable constituent material of the electron emission portion, carbon, more specifically, diamond, graphite, or a carbon nanotube structure can be exemplified. When the electron-emitting portion is composed of these, 5 × 107An emission electron current density required for a cold cathode field emission display can be obtained at an electric field strength of V / m or less. In addition, since diamond is an electric resistor, the emission electron current obtained from each electron-emitting portion can be made uniform, thereby suppressing luminance variations when incorporated in a cold cathode field emission display. It becomes. Furthermore, since these materials have extremely high resistance to the sputtering action of the residual gas ions in the cold cathode field emission display, the life of the field emission device can be extended.
[0030]
Specific examples of the carbon nanotube structure include carbon nanotubes and / or carbon nanofibers. More specifically, the electron emission portion may be composed of carbon nanotubes, the electron emission portion may be composed of carbon nanofibers, or the electron emission portion may be composed of a mixture of carbon nanotubes and carbon nanofibers. You may comprise a part. Macroscopically, carbon nanotubes and carbon nanofibers may be in the form of powder or thin film, and in some cases, the carbon nanotube structure has a conical shape. May be. Carbon nanotubes and carbon nanofibers are formed by various known CVD methods such as the well-known arc discharge method and laser ablation method such as PVD method, plasma CVD method, laser CVD method, thermal CVD method, vapor phase synthesis method and vapor phase growth method. Can be manufactured and formed.
[0031]
A method in which a flat field emission device is applied, for example, to a desired region of a cathode electrode by dispersing a carbon nanotube structure in a binder material, and then firing or curing the binder material (more specifically, epoxy After dispersing a carbon nanotube structure in an organic binder material such as an organic resin or an acrylic resin or an inorganic binder material such as water glass, for example, in a desired region of the cathode electrode, removing the solvent, removing the binder (A method of firing and curing the material). Note that such a method is referred to as a first method for forming a carbon nanotube structure. As an application method, a screen printing method can be exemplified.
[0032]
Alternatively, the flat field emission device can be manufactured by a method in which a metal compound solution in which a carbon nanotube structure is dispersed is applied on a cathode electrode, and then the metal compound is baked. The carbon nanotube structure is fixed to the surface of the cathode electrode by the matrix containing the constituent metal atoms. Note that such a method is referred to as a second method for forming a carbon nanotube structure. The matrix is preferably made of a conductive metal oxide, more specifically, tin oxide, indium oxide, indium-tin oxide, zinc oxide, antimony oxide, or antimony oxide-tin. preferable. After firing, a state in which a part of each carbon nanotube structure is embedded in the matrix can be obtained, or a state in which the entire carbon nanotube structure is entirely embedded in the matrix can be obtained. The volume resistivity of the matrix is 1 × 10-9Ω · m to 5 × 10-6Ω · m is desirable.
[0033]
Examples of the metal compound constituting the metal compound solution include an organic metal compound, an organic acid metal compound, and a metal salt (eg, chloride, nitrate, acetate). As an organic acid metal compound solution, an organic tin compound, an organic indium compound, an organic zinc compound, and an organic antimony compound are dissolved in an acid (eg, hydrochloric acid, nitric acid, or sulfuric acid), and this is dissolved in an organic solvent (eg, toluene, butyl acetate, Isopropyl alcohol). Examples of the organometallic compound solution include those in which an organic tin compound, an organic indium compound, an organic zinc compound, and an organic antimony compound are dissolved in an organic solvent (for example, toluene, butyl acetate, and isopropyl alcohol). When the solution is 100 parts by weight, the composition preferably contains 0.001 to 20 parts by weight of the carbon nanotube structure and 0.1 to 10 parts by weight of the metal compound. The solution may contain a dispersant and a surfactant. From the viewpoint of increasing the thickness of the matrix, an additive such as carbon black may be added to the metal compound solution. In some cases, water can be used as a solvent instead of an organic solvent.
[0034]
Examples of a method of applying a metal compound solution in which a carbon nanotube structure is dispersed on a cathode electrode include a spray method, a spin coating method, a dipping method, a die quarter method, and a screen printing method. Is preferred from the viewpoint of ease of application.
[0035]
After the metal compound solution in which the carbon nanotube structure was dispersed was applied on the cathode electrode, the metal compound solution was dried to form a metal compound layer, and then unnecessary portions of the metal compound layer on the cathode electrode were removed. Thereafter, the metal compound may be fired, or after firing the metal compound, an unnecessary portion on the cathode electrode may be removed, or the metal compound solution may be applied only on a desired region of the cathode electrode. Good.
[0036]
The calcination temperature of the metal compound is, for example, a temperature at which the metal salt is oxidized to form a conductive metal oxide, or the organometallic compound or the organic acid metal compound is decomposed to form the organic metal compound or the organic acid. The temperature may be a temperature at which a matrix (for example, a conductive metal oxide) containing metal atoms constituting the metal compound can be formed, and is preferably, for example, 300 ° C. or higher. The upper limit of the firing temperature may be a temperature at which no thermal damage or the like occurs to the components of the field emission device or the cathode panel.
[0037]
In the first method or the second method of forming the carbon nanotube structure, after the formation of the electron-emitting portion, a type of activation treatment (cleaning treatment) on the surface of the electron-emitting portion is performed. This is preferable from the viewpoint of further improving the efficiency of emitting electrons from the emitting portion. Examples of such treatment include plasma treatment in a gas atmosphere such as hydrogen gas, ammonia gas, helium gas, argon gas, neon gas, methane gas, ethylene gas, acetylene gas, and nitrogen gas.
[0038]
In the first method or the second method of forming the carbon nanotube structure, the electron emission portion may be formed on the surface of the portion of the cathode electrode located at the bottom of the opening. May be formed to extend from the portion of the cathode electrode located at the bottom of the opening to the surface of the portion of the cathode electrode other than the bottom of the opening. In addition, the electron emission portion may be formed on the entire surface of the portion of the cathode electrode located at the bottom of the opening, or may be formed partially.
[0039]
Materials constituting the cathode electrode in various field emission devices include tungsten (W), niobium (Nb), tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), chromium (Cr), aluminum (Al), and copper. Metals such as (Cu), gold (Au) and silver (Ag); alloys or compounds containing these metal elements (for example, nitrides such as TiN, WSiTwo, MoSiTwo, TiSiTwo, TaSiTwoSemiconductors such as silicon (Si); carbon thin films such as diamond; and ITO (indium tin oxide). The thickness of the cathode electrode is desirably in the range of approximately 0.05 to 0.5 μm, preferably 0.1 to 0.3 μm, but is not limited to such a range.
[0040]
Tungsten (W), niobium (Nb), tantalum (Ta), titanium (Ti), molybdenum (Mo), chromium (Cr), aluminum (Al) are used as conductive materials for forming gate electrodes in various field emission devices. , Copper (Cu), gold (Au), silver (Ag), nickel (Ni), cobalt (Co), zirconium (Zr), iron (Fe), platinum (Pt) and zinc (Zn). At least one type of metal; alloys or compounds containing these metal elements (for example, nitrides such as TiN, WSiTwo, MoSiTwo, TiSiTwo, TaSiTwoOr a semiconductor such as silicon (Si); and conductive metal oxides such as ITO (indium tin oxide), indium oxide, and zinc oxide.
[0041]
Examples of the method of forming the cathode electrode and the gate electrode include a vapor deposition method such as an electron beam vapor deposition method and a hot filament vapor deposition method, a sputtering method, a combination of a CVD method, an ion plating method and an etching method, a screen printing method, a plating method, and a lift-off method. And the like. According to the screen printing method or the plating method, it is possible to directly form, for example, a striped cathode electrode or a gate electrode.
[0042]
In the field emission device, depending on the structure of the field emission device, one opening (an opening provided in the gate electrode is referred to as a first opening, and an opening provided in the insulating layer is referred to as a second opening). ), A plurality of electron-emitting portions may exist in one opening, and a plurality of first openings may be provided in the gate electrode. One second opening communicating with the first opening may be provided in the insulating layer, and one or more electron-emitting portions may be present in one second opening provided in the insulating layer.
[0043]
The planar shape of the first opening (the opening formed in the gate electrode) or the second opening (the opening formed in the insulating layer) (shape when the opening is cut along a virtual plane parallel to the surface of the support) ) Can be any shape, such as a circle, an ellipse, a rectangle, a polygon, a rounded rectangle, a rounded polygon, etc., but most preferably has the above-described rectangular shape. The formation of the first opening can be performed by, for example, anisotropic etching, isotropic etching, a combination of anisotropic etching and isotropic etching, or depending on the method of forming the gate electrode, The first opening can also be formed directly. The second opening can also be formed by, for example, anisotropic etching, isotropic etching, or a combination of anisotropic etching and isotropic etching.
[0044]
In the field emission device, a resistor layer may be provided between the cathode electrode and the electron emission portion. Alternatively, when the surface of the cathode electrode corresponds to the electron emission portion, the cathode electrode may have a three-layer structure of a conductive material layer, a resistor layer, and an electron emission layer corresponding to the electron emission portion. By providing the resistor layer, the operation of the field emission device can be stabilized and the electron emission characteristics can be made uniform. Examples of the material forming the resistor layer include carbon-based materials such as silicon carbide (SiC) and SiCN, semiconductor materials such as SiN and amorphous silicon, and ruthenium oxide (RuO).Two), High melting point metal oxides such as tantalum oxide and tantalum nitride. Examples of the method for forming the resistor layer include a sputtering method, a CVD method, and a screen printing method. The resistance value is approximately 1 × 10Five~ 1 × 107Ω, preferably several MΩ.
[0045]
SiO 2 as a constituent material of the insulating layerTwo, BPSG, PSG, BSG, AsSG, PbSG, SiN, SiON, SOG (spin on glass), low melting point glass, SiO such as glass pasteTwoAn insulating resin such as a system material, SiN, or polyimide can be used alone or in an appropriate combination. Known processes such as a CVD method, a coating method, a sputtering method, and a screen printing method can be used for forming the insulating layer.
[0046]
The constituent material of the anode electrode may be appropriately selected depending on the configuration of the cold cathode field emission display. That is, when the cold cathode field emission display is a transmission type (the anode panel corresponds to the display surface), and the anode electrode and the phosphor layer are laminated in this order on the substrate constituting the anode panel. In this case, the anode electrode itself must be transparent as well as the substrate, and a transparent conductive material such as ITO (indium tin oxide) is used. On the other hand, when the cold cathode field emission display is of a reflection type (a cathode panel corresponds to a display surface), and even of a transmission type, a phosphor layer and an anode electrode are laminated in this order on a substrate. In this case, aluminum (Al) or chromium (Cr) can be used in addition to ITO. When the anode electrode is made of aluminum (Al) or chromium (Cr), the thickness of the anode electrode is specifically 3 × 10-8m (30 nm) to 1.5 × 10-7m (150 nm), preferably 5 × 10-8m (50 nm) to 1 × 10-7m (100 nm). The anode electrode can be formed by an evaporation method or a sputtering method.
[0047]
Further, on the anode panel, electrons recoiled from the phosphor layer or secondary electrons emitted from the phosphor layer enter another phosphor layer, so-called optical crosstalk (color turbidity) occurs. To prevent this, or when the electrons recoiled from the phosphor layer or the secondary electrons emitted from the phosphor layer enter the other phosphor layer beyond the partition walls, these It is preferable that a plurality of partitions are provided to prevent electrons from colliding with other phosphor layers.
[0048]
Examples of the planar shape of the partition wall include a lattice shape (cross-girder shape), that is, a shape corresponding to one sub-pixel, for example, a shape surrounding a phosphor layer having a substantially rectangular (dot-like) planar shape, or A band shape or a stripe shape extending in parallel with two opposing sides of the substantially rectangular or striped phosphor layer can be given. When the partition has a lattice shape, the partition may have a shape that continuously surrounds four sides of one phosphor layer region or a shape that surrounds discontinuously. When the partition has a band shape or a stripe shape, the partition may have a continuous shape or a discontinuous shape. After the partition is formed, the partition may be polished to planarize the top surface of the partition.
[0049]
A black matrix that absorbs light from the phosphor layer is provided between the phosphor layer and the phosphor layer (when a partition is formed, between the phosphor layer and the phosphor layer, and between the phosphor layer and the substrate. Is preferable from the viewpoint of improving the contrast of the displayed image. As a material constituting the black matrix, it is preferable to select a material that absorbs 99% or more of light from the phosphor layer. Such materials include carbon, metal thin films (for example, chromium, nickel, aluminum, molybdenum, or alloys thereof), metal oxides (for example, chromium oxide), metal nitrides (for example, chromium nitride), and heat-resistant materials. Examples include materials such as a photosensitive organic resin, a glass paste, a glass paste containing conductive particles such as black pigment and silver, and a photosensitive polyimide resin, chromium oxide, and a chromium oxide / chrome laminated film. Can be exemplified. In the chromium oxide / chromium laminated film, the chromium film is in contact with the substrate.
[0050]
When joining the cathode panel and the anode panel at the peripheral portion, the joining may be performed using an adhesive layer, or using a frame made of an insulating rigid material such as glass or ceramics and the adhesive layer in combination. You may. When the frame and the adhesive layer are used together, by appropriately selecting the height of the frame, the facing distance between the cathode panel and the anode panel is set longer than when using only the adhesive layer. It is possible to As a constituent material of the adhesive layer, frit glass is generally used, but a so-called low melting point metal material having a melting point of about 120 to 400 ° C. may be used. Examples of such a low melting point metal material include In (indium: melting point: 157 ° C.); indium-gold based low melting point alloy; Sn80Ag20(Melting point 220-370 ° C), Sn95CuFive(Sn) high temperature solder such as (melting point 227-370 ° C.); Pb97.5Ag2.5(Melting point 304 ° C), Pb94.5Ag5.5(Melting point 304-365 ° C), Pb97.5Ag1.5Sn1.0(Pb) high temperature solder such as (melting point 309 ° C); Zn95AlFive(Melting point: 380 ° C) such as zinc (Zn) based high temperature solder; SnFivePb95(Melting point 300-314 ° C), SnTwoPb98(Melting point 316 to 322 ° C.) such as tin-lead standard solder; Au88Ga12(All the subscripts above represent atomic%) such as (melting point 381 ° C.).
[0051]
When joining the three members of the cathode panel, the anode panel, and the frame, the three may be joined at the same time, or, in the first stage, either the cathode panel or the anode panel and the frame are joined, In the second stage, the other of the cathode panel or the anode panel and the frame may be joined. If the three-member simultaneous bonding and the bonding in the second stage are performed in a high vacuum atmosphere, the space surrounded by the cathode panel, the anode panel, the frame, and the adhesive layer is evacuated simultaneously with the bonding. Alternatively, after the three members have been joined, the space surrounded by the cathode panel, the anode panel, the frame, and the adhesive layer can be evacuated to a vacuum. When evacuation is performed after the bonding, the pressure of the atmosphere at the time of the bonding may be either normal pressure or reduced pressure. The gas constituting the atmosphere may be air, nitrogen gas, or group 0 of the periodic table. May be an inert gas containing a gas belonging to (for example, Ar gas).
[0052]
When exhausting after bonding, the exhaust can be performed through a tip tube previously connected to the cathode panel and / or the anode panel. The tip tube is typically configured using a glass tube, and is bonded around a through portion provided in an inactive area of the cathode panel and / or the anode panel using frit glass or the above-described low melting point metal material. After the space reaches a predetermined degree of vacuum, it is sealed off by heat fusion. Note that if the entire cold cathode field emission display is once heated and cooled before sealing is performed, residual gas can be released into the space, and the residual gas can be removed to the outside by exhaust. This is preferable because
[0053]
The support constituting the cathode panel only needs to have at least the surface made of an insulating member.A glass substrate, a glass substrate having an insulating film formed on its surface, a quartz substrate, and a quartz substrate having an insulating film formed on its surface Although a semiconductor substrate having an insulating film formed on its surface can be used, a glass substrate or a glass substrate having an insulating film formed on its surface is preferably used from the viewpoint of manufacturing cost reduction. The substrate forming the anode panel can be configured similarly to the support.
[0054]
In the present invention, the second derivative φ ″ = [∂] of the equipotential surface formed by the anode electrode, the gate electrode, and the cathode electrode on the central axis of the opening.Twoφ / ∂zTwo]x = 0, y = 0Is defined as −0.02 <φ ″ <0.02, the electrons emitted from the electron-emitting portion do not collide with the phosphor layer facing the electron-emitting portion, and the phosphor layer Can reliably be prevented from colliding with the phosphor layer adjacent to the phosphor layer.
[0055]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments of the present invention (hereinafter, abbreviated as embodiments) with reference to the drawings.
[0056]
(Embodiment 1)
Embodiment 1 relates to a cold cathode field emission display (hereinafter simply referred to as a display) of the present invention. 2 and 3 show an example of the display device of Embodiment 1. FIG. FIG. 2 is a schematic partial end view of the display device, and FIG. 3 is a schematic partial perspective view when the cathode panel CP and the anode panel AP are disassembled.
[0057]
The display device includes a cathode panel CP having a plurality of cold cathode field emission devices (hereinafter, referred to as field emission devices) and an anode panel AP provided with a phosphor layer 31 and an anode electrode 33. Are joined at the periphery.
[0058]
Here, the field emission device is a flat field emission device in which a substantially planar electron emission portion is provided on a cathode electrode located at the bottom of an opening (more specifically, a field emission device formed of a carbon nanotube structure). Flat field emission device).
[0059]
That is, the cold cathode field emission device is
(A) a cathode electrode 11 formed on a support 10 and extending in a first direction (a y-direction which is a direction perpendicular to the plane of FIG. 2);
(B) an insulating layer 12 formed on the support 10 and the cathode electrode 11;
(C) a gate electrode 13 formed on the insulating layer 12 and extending in a second direction different from the first direction (the x direction which is a horizontal direction in FIG. 2);
(D) Opening 14 (first opening 14A provided in gate electrode 13 and insulating layer formed in a portion of gate electrode and insulating layer located in an overlapping region where cathode electrode 11 and gate electrode 13 overlap) 12, a second opening 14B) communicating with the first opening 14A);
(E) an electron-emitting portion 15 located at the bottom of the opening 14;
Consists of
[0060]
Then, on the central axis line CL of the opening 14, the secondary differential coefficient φ ″ = [∂ of the equipotential surface formed by the anode electrode, the gate electrode, and the cathode electrode.Twoφ / ∂zTwo]x = 0, y = 0Satisfies -0.02 <φ ″ <0.02.
[0061]
The cathode electrode 11 and the gate electrode 13 are formed such that projected images of these two electrodes are formed in a stripe shape in a direction orthogonal to each other, and an overlapping area (one subpixel) where the projected images of these two electrodes overlap. Are provided with a plurality of field emission devices. Further, such overlapping areas are usually arranged in a two-dimensional matrix in an effective area (area functioning as an actual display portion) of the cathode panel CP.
[0062]
On the other hand, the anode panel AP includes a substrate 30, a phosphor layer 31 (31R, 31B, 31G) formed on the substrate 30 and having a predetermined pattern, and an anode electrode 33 formed thereon. . One sub-pixel includes a group of field emission elements provided in an overlapping region of the cathode electrode 11 and the gate electrode 13 on the cathode panel side, and a phosphor layer 31 on the anode panel side facing the group of these field emission elements. It is constituted by. In the effective area, pixels composed of the three sub-pixels are arranged, for example, in the order of several hundred thousand to several million. A black matrix 32 is formed on the substrate 30 between the phosphor layers 31.
[0063]
The display device can be manufactured by arranging the anode panel AP and the cathode panel CP such that the overlap region and the phosphor layer 31 face each other and joining the peripheral panel with the frame 34 therebetween. A through hole 36 for evacuation is provided in an ineffective area (in the illustrated example, an ineffective area of the cathode panel CP) surrounding the effective area and in which a peripheral circuit for selecting a pixel is formed. The through-hole 36 is connected to a chip tube 37 that has been sealed off after evacuation. That is, the space surrounded by the anode panel AP, the cathode panel CP, and the frame 34 is in a vacuum.
[0064]
A relatively negative voltage is applied to the cathode electrode 11 from the cathode electrode control circuit 40, a relatively positive voltage is applied to the gate electrode 13 from the gate electrode control circuit 41, and the anode electrode 33 has a higher voltage than the gate electrode 13. A higher positive voltage is applied from the anode electrode control circuit 42. When displaying on such a display device, for example, a scanning signal is input to the cathode electrode 11 from the cathode electrode control circuit 40, and a video signal is input to the gate electrode 13 from the gate electrode control circuit 41. Alternatively, a video signal may be input to the cathode electrode 11 from the cathode electrode control circuit 40, and a scanning signal may be input to the gate electrode 13 from the gate electrode control circuit 41. Due to an electric field generated when a voltage is applied between the cathode electrode 11 and the gate electrode 13, electrons are emitted from the electron emitting portion 15 based on the quantum tunnel effect, and the electrons are attracted to the anode electrode 33, and the fluorescent layer 31 Collide with As a result, the phosphor layer 31 is excited to emit light, and a desired image can be obtained. That is, the operation of the display device is basically controlled by the voltage applied to the gate electrode 13 and the voltage applied to the electron emission unit 15 through the cathode electrode 11.
[0065]
FIG. 4 shows a schematic layout of the cathode electrode 11, the gate electrode 13, and the opening 14 in a part of the cathode panel CP. One pixel has three sub-pixels (SPR, SPG, SPB). In FIG. 4, the cathode electrode 11 extends in the vertical direction (y direction) on the paper, and the gate electrode 13 extends in the horizontal direction (x direction) on the paper. The size of one pixel is 0.5 mm × 0.5 mm, and the size of one subpixel (overlap area) (L1× LTwo) Is 0.5 mm × 0.166 mm, and the width of the gate electrode 13 (WGATE) Is set to 0.42 mm, the voltage applied from the anode electrode control circuit 42 to the anode electrode 33 is 10 kilovolts, the voltage applied from the cathode electrode control circuit 40 to the cathode electrode 11 is 0 volt, The distance from the gate electrode 13 is 2.0 mm, the diameter of the opening 14 having a circular planar shape is 40 μm, and the electron emission having a circular planar shape provided on the cathode electrode 11 located at the center of the bottom of the opening 14. The diameter of the portion 15 is 20 μm, the number of the electron emission portions 15 provided in one overlap region is 5, and the electron emission portions 15 are spread from the electron emission portion 15 while having a certain solid angle around the normal of the support 10. Assuming that the solid angle at which the electrons are emitted is 60 degrees (the emission angle of the electrons emitted from the electron emission portion 15 with respect to the normal of the support 10 is ± 30 degrees), Electrons from part 15 is previously obtained by experiment the relationship between electric field intensity and the amount of emitted electrons in the vicinity of the electron emitting portion 15 when released (emitted electron current).
[0066]
Then, the thickness of the gate electrode 13 is changed from 0.3 μm to 15 μm, and the thickness of the insulating layer 12 is changed from 2 μm to 20 μm. Is applied to the gate electrode 13 so as to obtain 0.86 μA (0.86 × 5 = 4.3 μA in one overlapping region) as an emission electron current value based ongAre calculated, and the voltages applied to the anode electrode 33, the gate electrode 13 and the cathode electrode 11 (10 kV, Vg, 0 volts), the space between the gate electrode 13 and the anode electrode 33 and the electrostatic field (equipotential surface) in the opening 14 are obtained by calculation. Second derivative φ ″ of this equipotential surface on CL = [=Twoφ / ∂zTwo]x = 0, y = 0And the size (spot diameter V) of the phosphor layer 31 when the electrons emitted from the electron emission section 15 collide with the phosphor layer 31.ssmm). “Φ” and “Vss1 is shown in FIG. It should be noted that the value of the secondary differential coefficient φ ″ of the equipotential surface is determined by the area on the central axis CL of the opening 14 (the coordinate Z of the area along the z direction)0) Is 0 ≦ Z, where t is the thickness of the insulating layer and the origin is a point where the center axis CL of the opening 14 intersects the surface of the cathode electrode 11.0This is the maximum value among the values in the range of ≦ 3t. Since the calculation was performed assuming that the surface of the electron emitting portion 15 was a plane, the value of the secondary differential coefficient φ ″ of the equipotential surface was set to 0 ≦ Z0≤ 3t, but the maximum value among the values in the range of ≤ 3t. However, since the actual surface of the electron-emitting portion 15 has irregularities, when the thickness of the insulating layer is t, 0.2t ≤ Z0≦ 1.5t, preferably 0.2t ≦ Z0It is desirable to set the maximum value among the values in the range of ≦ 3t.
[0067]
Spot diameter VssIs a quadratic function of φ ″, and Vss= F (φ ″) was as follows.
[0068]
Vss= 6.2127φ "Two-0.0571φ "+0.1665
[0069]
Spot diameter VssIs almost 0 when the value of the minimum spot diameter is minimum, and the value of the second order differential coefficient φ ″ when the allowable spot diameter is 1.05 times the minimum spot diameter is approximately ± 0. .02. Accordingly, the value of the secondary differential coefficient φ ″ of the equipotential surface formed by the electrode 33, the gate electrode 13, and the cathode electrode 11 on the central axis line CL of the opening 14 is −0.02 <φ ″ <0.02. Then, the allowable spot diameter can be set within 1.05 times the minimum spot diameter.
[0070]
Note that the allowable range of the second derivative φ ″ varies depending on the design of the entire display device, such as the width of the phosphor layer, and the size of the opening 14 that gives the allowable range of the second derivative φ ″ is also electronic. It changes according to the voltage-current characteristics of the emission part. However, as described above, when the thickness of the gate electrode 13 is 0.3 μm to 15 μm and the thickness of the insulating layer 12 is 2 μm to 20 μm, the value of the secondary differential coefficient φ ″ is −0.02 <φ ″ < It has been found from calculation that if 0.02, the allowable spot diameter can be set within 1.05 times the minimum spot diameter.
[0071]
In the above-described example, the plane shape of the opening 14 is circular. However, by adjusting the plane shape of the opening 14, the influence of the voltage applied to the anode electrode 33 on the equipotential surface can be controlled. The differential coefficient φ ″ may be set to −0.02 <φ ″ <0.02.
[0072]
When the threshold voltage (voltage at which electrons start to be emitted from the electron emission unit 15) in the voltage-current characteristics of the electron emission unit 15 is high, a predetermined emission electron current value based on the electrons emitted from the electron emission unit 15 is obtained. Gate voltage VgIs higher, the secondary differential coefficient φ ″ <0, that is, a kind of concave lens is formed as an electron lens. In such a case, by increasing the size of the opening portion 14, the voltage applied to the anode electrode 33 can be increased. The influence on the potential surface can be increased, and the secondary differential coefficient φ ″ can approach 0. However, when the plane shape of the opening 14 is circular, the spot diameter V of the electron beam that collides with the phosphor layer 31 is increased by the increase in the opening diameter.ssAnd the effect of improving the secondary differential coefficient φ ″ is negated.
[0073]
As described above, the distance between the adjacent phosphor layers 31 in the x direction is shorter than the distance between the adjacent phosphor layers 31 in the y direction. Therefore, the planar shape of the overlapping region where the cathode electrode 11 and the gate electrode 13 overlap is rectangular, and the planar shape of the opening 14 is a rectangle having a long side parallel to the long side of the rectangular overlapping region. Thereby, the influence on the equipotential surface by the voltage applied to the anode electrode 33 is increased, the secondary differential coefficient φ ″ is set to −0.02 <φ ″ <0.02, and the electrons that collide with the phosphor layer 31 are set. The beam spot diameter (particularly, the spot diameter in the x direction) can be improved. The number of openings in the overlapping area may be one or two or more. FIG. 5 shows a schematic arrangement diagram of the cathode electrode 11, the gate electrode 13, and the opening 114 in a part of the cathode panel CP when the number of the openings 114 in the overlapping region is one. The size of the opening 114 (LThree× LFour) Is 270 μm × 20 μm. FIG. 6 is a schematic layout diagram of the cathode electrode 11, the gate electrode 13, and the opening 214 in a part of the cathode panel CP when the number of the openings 214 in the overlapping region is plural. The size of the opening 214 (LFive× L6) Is 70 μm × 10 μm, and the distance between the openings 214 along the longitudinal direction of the openings 214 (L7) Is 30 μm, and the distance (L) between the openings 214 along the widthwise direction of the openings 214.8) Is 5 μm. In FIGS. 5 and 6, the cathode electrode 11 is hatched to clearly show the cathode electrode 11, but the cathode electrode 11 is actually covered with the insulating layer 12. The cathode electrode 11 extends in the vertical direction (y direction) on the paper, and the gate electrode 13 extends in the horizontal direction (x direction) on the paper.
[0074]
Hereinafter, various field emission devices and methods of manufacturing the same will be described. 7 to 9, only one electron emitting portion is shown.
[0075]
[Flat field emission device (1)]
Flat field emission devices are
(A) a cathode electrode 11 provided on a support 10 and extending in a first direction;
(B) an insulating layer 12 formed on the support 10 and the cathode electrode 11,
(C) a gate electrode 13 provided on the insulating layer 12 and extending in a second direction different from the first direction;
(D) a first opening 14A provided in the gate electrode 13 and a second opening 14B provided in the insulating layer 12 and communicating with the first opening 14A;
(E) a flat electron-emitting portion 15 provided on the cathode electrode 11 located at the bottom of the second opening 14B;
Consisting of
It has a structure in which electrons are emitted from the electron emission portion 15 exposed at the bottom of the second opening 14B.
[0076]
The electron emission portion 15 is composed of a matrix 20 and a carbon nanotube structure (specifically, carbon nanotube 21) embedded in the matrix 20 with its tip protruding. (Specifically, indium-tin oxide, ITO).
[0077]
Hereinafter, a method for manufacturing the field emission device will be described with reference to FIGS. 7A and 7B and FIGS. 8A and 8B.
[0078]
[Step-100]
First, a stripe-shaped cathode electrode 11 made of a chromium (Cr) layer having a thickness of about 0.2 μm and formed by, for example, a sputtering method and an etching technique is formed on a support 10 made of, for example, a glass substrate.
[0079]
[Step-110]
Next, a metal compound solution composed of an organic acid metal compound in which the carbon nanotube structure is dispersed is applied on the cathode electrode 11 by, for example, a spray method. Specifically, a metal compound solution exemplified in Table 1 below is used. In the metal compound solution, the organic tin compound and the organic indium compound are in a state of being dissolved in an acid (for example, hydrochloric acid, nitric acid, or sulfuric acid). Carbon nanotubes are manufactured by an arc discharge method and have an average diameter of 30 nm and an average length of 1 μm. At the time of coating, the support is heated to 70 to 150 ° C. The coating atmosphere is an air atmosphere. After coating, the support is heated for 5 to 30 minutes to sufficiently evaporate butyl acetate. As described above, by heating the support at the time of coating, the coating solution starts drying before self-leveling in a direction in which the carbon nanotubes approach the surface of the cathode electrode horizontally. The carbon nanotubes can be arranged on the surface of the cathode electrode in a state where the carbon nanotubes do not come off. That is, it is possible to orient the carbon nanotubes in a state where the tips of the carbon nanotubes face the direction of the anode electrode, in other words, in a direction approaching the normal direction of the support. In addition, a metal compound solution having the composition shown in Table 1 may be prepared in advance, or a metal compound solution to which no carbon nanotube is added is prepared, and the carbon nanotube and the metal compound are added before coating. You may mix with a solution. In addition, ultrasonic waves may be applied during the preparation of the metal compound solution in order to improve the dispersibility of the carbon nanotubes.
[0080]
[Table 1]
Organic tin compound and organic indium compound: 0.1 to 10 parts by weight
Dispersant (sodium dodecyl sulfate): 0.1 to 5 parts by weight
Carbon nanotubes: 0.1 to 20 parts by weight
Butyl acetate: residue
[0081]
Incidentally, as the organic acid metal compound solution, if a solution obtained by dissolving an organic tin compound in an acid is used, tin oxide is obtained as a matrix.If a solution obtained by dissolving an organic indium compound in an acid is used, indium oxide is obtained as a matrix. If an organic zinc compound is dissolved in an acid, zinc oxide is obtained as a matrix.If an organic antimony compound is dissolved in an acid, antimony oxide is obtained as a matrix.The organic antimony compound and the organic tin compound are obtained. Is dissolved in an acid to obtain antimony-tin oxide as a matrix. In addition, when an organotin compound is used as an organometallic compound solution, tin oxide is obtained as a matrix.When an organic indium compound is used, indium oxide is obtained as a matrix.When an organic zinc compound is used, zinc oxide is used as a matrix. When an organic antimony compound is used, antimony oxide is obtained as a matrix, and when an organic antimony compound and an organic tin compound are used, antimony-tin oxide is obtained as a matrix. Alternatively, a solution of a metal chloride (eg, tin chloride, indium chloride) may be used.
[0082]
In some cases, significant irregularities are formed on the surface of the metal compound layer after drying the metal compound solution. In such a case, it is desirable to apply the metal compound solution again on the metal compound layer without heating the support.
[0083]
[Step-120]
After that, by firing the metal compound composed of the organic acid metal compound, a matrix (specifically, a metal oxide containing metal atoms (specifically, In and Sn)) constituting the organic acid metal compound, More specifically, the electron-emitting portion 15 in which the carbon nanotubes 21 are fixed to the surface of the cathode electrode 11 is obtained by ITO (20). The firing is performed in an air atmosphere at 350 ° C. for 20 minutes. Thus, the volume resistivity of the obtained matrix 20 is 5 × 10-7Ω · m. By using an organic acid metal compound as a starting material, the matrix 20 made of ITO can be formed even at a low firing temperature of 350 ° C. In addition, instead of the organic acid metal compound solution, an organic metal compound solution may be used, or when a metal chloride solution (for example, tin chloride or indium chloride) is used, tin chloride or indium chloride is obtained by firing. While being oxidized, a matrix 20 of ITO is formed.
[0084]
[Step-130]
Next, a resist layer is formed on the entire surface, and a circular resist layer having a diameter of, for example, 20 μm is left above a desired region of the cathode electrode 11. Then, the matrix 20 is etched using hydrochloric acid at 10 to 60 ° C. for 1 to 30 minutes to remove an unnecessary portion of the electron emission portion. Further, if the carbon nanotubes still exist in regions other than the desired region, the carbon nanotubes are etched by oxygen plasma etching under the conditions exemplified in Table 2 below. Although the bias power may be 0 W, that is, it may be DC, it is desirable to add the bias power. Further, the support may be heated to, for example, about 80 ° C.
[0085]
[Table 2]
Equipment used: RIE equipment
Introduced gas: gas containing oxygen
Plasma excitation power: 500W
Bias power: 0-150W
Processing time: 10 seconds or more
[0086]
Alternatively, the carbon nanotubes may be etched by wet etching under the conditions exemplified in Table 3.
[0087]
[Table 3]
Working solution: KMnOFour
Temperature: 20-120 ° C
Processing time: 10 seconds to 20 minutes
[0088]
After that, the structure shown in FIG. 7A can be obtained by removing the resist layer. Note that the present invention is not limited to leaving a circular electron emitting portion having a diameter of 20 μm. For example, the electron emission portion may be left on the cathode electrode 11.
[0089]
In addition, you may perform in order of [step-110], [step-130], and [step-120].
[0090]
[Step-140]
Next, the insulating layer 12 is formed on the electron-emitting portion 15, the support 10, and the cathode electrode 11. Specifically, the insulating layer 12 having a thickness of about 15 μm is formed on the entire surface by, for example, a CVD method using TEOS (tetraethoxysilane) as a source gas.
[0091]
[Step-150]
After that, a stripe-shaped gate electrode 13 is formed on the insulating layer 12, a mask layer 22 is further provided on the insulating layer 12 and the gate electrode 13, and a first opening 14A is formed in the gate electrode 13. Further, a second opening 14B communicating with the first opening 14A formed in the gate electrode 13 is formed in the insulating layer 12 (see FIG. 7B). When the matrix 20 is made of a metal oxide, for example, ITO, when the insulating layer 12 is etched, the matrix 20 is not etched. That is, the etching selectivity between the insulating layer 12 and the matrix 20 is almost infinite. Therefore, the carbon nanotubes 21 are not damaged by the etching of the insulating layer 12. The thickness of the gate electrode 13 was 10 μm, and the diameter of the first opening 14A and the second opening 14B was 40 μm.
[0092]
[Step-160]
Next, it is preferable to remove a part of the matrix 20 under the conditions exemplified in Table 4 below to obtain the carbon nanotubes 21 in a state where the tips protrude from the matrix 20. Thus, the electron-emitting portion 15 having the structure shown in FIG. 8A can be obtained.
[0093]
[Table 4]
Etching solution: hydrochloric acid
Etching time: 10-30 seconds
Etching temperature: 10-60 ° C
[0094]
In some cases, the surface state of some or all of the carbon nanotubes 21 changes due to etching of the matrix 20 (for example, oxygen atoms, oxygen molecules, and fluorine atoms are adsorbed on the surface), and the carbon nanotubes 21 are inactive with respect to field emission. is there. Therefore, after that, it is preferable to perform the plasma treatment on the electron emitting portion 15 in a hydrogen gas atmosphere, whereby the electron emitting portion 15 is activated, and the emission efficiency of the electron from the electron emitting portion 15 is further improved. Can be improved. Table 5 shows the conditions of the plasma processing.
[0095]
[Table 5]
Gas used: HTwo= 100sccm
Power supply power: 1000W
Support applied power: 50V
Reaction pressure: 0.1 Pa
Support temperature: 300 ° C
[0096]
After that, a heat treatment or various plasma treatments may be performed to release gas from the carbon nanotubes 21, or a substance to be adsorbed to intentionally adsorb adsorbed substances on the surface of the carbon nanotubes 21 may be used. The carbon nanotubes 21 may be exposed to a contained gas. In order to purify the carbon nanotubes 21, an oxygen plasma treatment or a fluorine plasma treatment may be performed.
[0097]
[Step-170]
Thereafter, it is preferable to retreat the side wall surface of the second opening 14B provided in the insulating layer 12 by isotropic etching from the viewpoint of exposing the opening end of the gate electrode 13. The isotropic etching can be performed by dry etching using radicals as a main etching species, such as chemical dry etching, or wet etching using an etchant. As the etchant, for example, a mixture of a 49% hydrofluoric acid aqueous solution and pure water at a ratio of 1: 100 (volume ratio) can be used. Next, the mask layer 22 is removed. Thus, the field emission device shown in FIG. 8B can be completed.
[0098]
After [Step-150], the steps may be executed in the order of [Step-170] and [Step-160].
[0099]
[Flat field emission device (No. 2)]
FIG. 9A is a schematic partial cross-sectional view of the flat field emission device. The flat field emission device includes a cathode electrode 11 formed on a support 10 made of, for example, glass, an insulating layer 12 formed on the support 10 and the cathode electrode 11, and a gate electrode formed on the insulating layer 12. 13, an opening 14 penetrating the gate electrode 13 and the insulating layer 12 (a first opening provided in the gate electrode 13 and a second opening provided in the insulating layer 12 and communicating with the first opening 14A) And a flat electron emission portion (electron emission layer 15A) provided on the portion of the cathode electrode 11 located at the bottom of the opening 14. Here, the electron emission layer 15A is formed on the striped cathode electrode 11 extending in the direction perpendicular to the plane of the drawing. Further, the gate electrode 13 extends in the horizontal direction of the drawing. The cathode electrode 11 and the gate electrode 13 are made of chromium. The electron emission layer 15A is specifically formed of a thin layer made of graphite powder. In the flat field emission device shown in FIG. 9A, the electron emission layer 15A is formed over the entire surface of the cathode electrode 11, but the invention is not limited to such a structure. In short, it is only necessary that the electron emission layer 15A is provided at least at the bottom of the opening 14.
[0100]
[Flat field emission device]
FIG. 9B is a schematic partial cross-sectional view of the flat field emission device. This planar type field emission device is formed on a striped cathode electrode 11 formed on a support 10 made of, for example, glass, an insulating layer 12 formed on the support 10 and the cathode electrode 11, and an insulating layer 12. And a first opening and a second opening (opening 14) penetrating the gate electrode 13 and the insulating layer 12. The cathode electrode 11 is exposed at the bottom of the opening 14. The cathode electrode 11 extends in a direction perpendicular to the plane of the drawing, and the gate electrode 13 extends in a horizontal direction of the drawing. The cathode electrode 11 and the gate electrode 13 are made of chromium (Cr), and the insulating layer 12 is made of SiO.TwoConsists of Here, the portion of the cathode electrode 11 exposed at the bottom of the opening 14 corresponds to the electron emitting portion 15B.
[0101]
As described above, the present invention has been described based on the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these. The configurations and structures of the anode panel, the cathode panel, the display device, and the field emission device described in the embodiment of the invention are exemplifications, and can be appropriately changed. The anode panel, the cathode panel, the display device, and the field emission device Is also an example, and can be changed as appropriate. Further, various materials used in the production of the anode panel and the cathode panel are also examples, and can be appropriately changed. In the display device, color display has been described as an example, but a monochrome display may be used.
[0102]
In the embodiment, the configuration in which the cathode electrode 11 extends in the y direction and the gate electrode 13 extends in the x direction has been described, but the cathode electrode 11 extends in the x direction and the gate electrode 13 extends in the y direction. It can also be configured.
[0103]
The anode electrode may be a type in which the effective area is covered with one sheet of conductive material, or may be a type in which anode electrode units corresponding to one or a plurality of pixels are assembled. When the anode electrode has the former configuration, such an anode electrode may be connected to the anode electrode control circuit. When the anode electrode has the latter configuration, for example, each anode electrode unit may be connected to the anode electrode control circuit.
[0104]
In the field emission device, one electron emission portion corresponds to one opening portion. However, depending on the structure of the field emission device, a plurality of electron emission portions correspond to one opening portion. Or a form in which one electron-emitting portion corresponds to a plurality of openings. Alternatively, a plurality of first openings may be provided in the gate electrode, one second opening communicating with the plurality of first openings in the insulating layer may be provided, and one or a plurality of electron emission portions may be provided. You can also.
[0105]
The electron emission region can be constituted by a field emission element commonly called a surface conduction type field emission element. This surface conduction type field emission device is composed of, for example, tin oxide (SnO) on a support made of glass.Two), Gold (Au), indium oxide (In)TwoOThree) / Tin oxide (SnO)Two), A conductive material such as carbon, palladium oxide (PdO), etc., having a small area, and a pair of electrodes arranged at a predetermined interval (gap) formed in a matrix. A carbon thin film is formed on each electrode. Then, a row-direction wiring is connected to one electrode of the pair of electrodes, and a column-direction wiring is connected to the other electrode of the pair of electrodes. By applying a voltage to the pair of electrodes, an electric field is applied to the carbon thin films facing each other across the gap, and electrons are emitted from the carbon thin films. By causing the electrons to collide with the phosphor layer on the anode panel, the phosphor layer is excited and emits light, and a desired image can be obtained.
[0106]
【The invention's effect】
In the present invention, the second derivative φ ″ of the equipotential surface formed by the anode electrode, the gate electrode, and the cathode electrode on the central axis of the opening is defined as −0.02 <φ ″ <0.02. Accordingly, it is possible to reliably prevent the electrons emitted from the electron emitting portion from colliding with the phosphor layer adjacent to the phosphor layer without colliding with the phosphor layer facing the electron emitting portion. . Therefore, it is possible to reliably prevent a decrease in luminance, a decrease in color purity, and an occurrence of optical crosstalk between adjacent pixels. Moreover, the structure of the cathode panel does not become complicated, and the manufacturing cost of the cold cathode field emission display does not increase.
[0107]
When the second derivative φ ″> 0, the electric field intensity at the electron emission portion located at the center of the opening becomes strong, and a large amount of electrons are emitted from the electron emission portion located at the center of the opening. On the other hand, when the second derivative φ ″ <0, the electric field intensity at the portion of the electron emission portion located at the periphery of the opening is increased, and the electron emission from the portion of the electron emission portion located at the periphery of the opening is increased. Is released in large quantities. However, in the present invention, by defining the secondary differential coefficient φ ″ as −0.02 <φ ″ <0.02, it is possible to make the electric field intensity uniform over the entire electron emission portion, and therefore, the electron emission As a result of the emission of electrons from the entire part, the emission site density can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a secondary differential coefficient φ ″ of an equipotential surface formed by an anode electrode, a gate electrode, and a cathode electrode on a central axis line of an opening; Spot diameter V, which is the size of the phosphor layer when colliding with the body layerss6 is a graph showing the relationship of.
FIG. 2 is a schematic partial end view of a cold cathode field emission display.
FIG. 3 is a schematic partial perspective view when the cathode panel CP and the anode panel AP are disassembled.
FIG. 4 is a schematic layout diagram of a cathode electrode, a gate electrode, and an opening in a part of the cathode panel.
FIG. 5 is a schematic layout diagram of a cathode electrode, a gate electrode, and an opening in a part of the cathode panel when the number of openings in the overlapping region is one;
FIG. 6 is a schematic layout diagram of a cathode electrode, a gate electrode, and an opening in a part of the cathode panel when the number of openings in the overlapping region is plural.
FIGS. 7A and 7B are schematic partial cross-sectional views of a support and the like for describing a method of manufacturing a flat cold cathode field emission device (No. 1).
FIGS. 8A and 8B are schematic diagrams of a support or the like for explaining a method of manufacturing a flat cold cathode field emission device (No. 1), following FIG. 7B. It is a typical partial sectional view.
FIGS. 9A and 9B are a schematic partial cross-sectional view of a flat cold cathode field emission device (No. 2), and a flat cold cathode field emission device, respectively. It is a schematic partial sectional view.
FIG. 10 is a diagram schematically showing a state in which an electron lens made of a kind of convex lens is formed in an opening and in a space near the opening.
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a state in which electrons emitted from an electron emitting portion collide with a phosphor layer adjacent to the phosphor layer without colliding with a phosphor layer facing the electron emitting portion. FIG.
FIG. 12 is a schematic partial end view of a cold cathode field emission device provided with a focusing electrode.
[Explanation of symbols]
CP: cathode panel, AP: anode panel, 10: support, 11: cathode electrode, 12: insulating layer, 13: gate electrode, 14, 114, 214 ... Opening, 14A: First opening, 14B: Second opening, 15, 15A, 15B: Electron emitting section, 20: Matrix, 21: Carbon nanotube, 30 ... -Substrate, 31, 31R, 31G, 31B ... phosphor layer, 32 ... black matrix, 33 ... anode electrode, 40 ... cathode electrode control circuit, 41 ... gate electrode control circuit, 42 ... Anode electrode control circuit

Claims (3)

冷陰極電界電子放出素子を、複数、備えたカソードパネルと、蛍光体層及びアノード電極が設けられたアノードパネルとが、それらの周縁部で接合されて成る冷陰極電界電子放出表示装置であって、
冷陰極電界電子放出素子は、
(A)支持体上に形成され、第1の方向に延びるカソード電極と、
(B)支持体及びカソード電極上に形成された絶縁層と、
(C)絶縁層上に形成され、第1の方向とは異なる第2の方向に延びるゲート電極と、
(D)カソード電極とゲート電極の重複する重複領域に位置するゲート電極及び絶縁層の部分に形成された開口部と、
(E)開口部の底部に位置する電子放出部、
から成り、
該開口部の中心軸線上における、アノード電極、ゲート電極及びカソード電極によって形成される等電位面の2次微係数φ”=[∂2φ/∂z2x=0,y=0の値が、
−0.02<φ”<0.02
を満足することを特徴とする冷陰極電界電子放出表示装置。
A cold cathode field emission display device comprising: a cathode panel including a plurality of cold cathode field emission devices; and an anode panel provided with a phosphor layer and an anode electrode, which are joined at a peripheral portion thereof. ,
Cold cathode field emission devices
(A) a cathode electrode formed on a support and extending in a first direction;
(B) an insulating layer formed on the support and the cathode electrode;
(C) a gate electrode formed on the insulating layer and extending in a second direction different from the first direction;
(D) an opening formed in a portion of the gate electrode and the insulating layer located in an overlapping region where the cathode electrode and the gate electrode overlap;
(E) an electron-emitting portion located at the bottom of the opening;
Consisting of
A value of the second derivative φ ″ = [∂ 2 φ / ∂z 2 ] x = 0, y = 0 of the equipotential surface formed by the anode electrode, the gate electrode, and the cathode electrode on the central axis of the opening. But,
−0.02 <φ ”<0.02
A cold cathode field emission display device characterized by satisfying the following.
前記重複領域の平面形状は長方形であり、
前記開口部の平面形状は、長方形の該重複領域の長辺に平行な長辺を有する長方形であることを特徴とする請求項1に記載の冷陰極電界電子放出表示装置。
The planar shape of the overlapping area is a rectangle,
2. The cold cathode field emission display according to claim 1, wherein a plane shape of the opening is a rectangle having a long side parallel to a long side of the rectangular overlapping region.
電子放出部は、カーボン・ナノチューブ構造体から構成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の冷陰極電界電子放出表示装置。3. The cold cathode field emission display according to claim 1, wherein the electron emission portion is formed of a carbon nanotube structure.
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