JP2005085666A - フィールドエミッション表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複合電界の電位分布状態を設定することにより、コントラスト比が高く、消費電流の少ないフィールドエミッション表示装置を提供する。
【解決手段】 カーボンナノチューブからなる電子源２から制御電極３に流れ込む放出電流が、所定のしきい値となるしきい放出電流密度Ithに対応する値以下となるように非開孔領域の制御電極３と電子放出層２との間の電界強度Egを設定し、他方、所望の輝度を得るために、放出電流が動作電流密度Iopとなるように開孔領域３−１の電子放出層２の表面電界強度Esを設定する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、フィールドエミッション表示装置（FED）に関するものであるが、特に、電子放出層と制御電極間に空間を有するグリット分離型CNT（Carbon Nano Tube）FED、電子放出層上に制御電極を有するCNTFEDに好適なものでもある。

下記特許文献１には、前面板上の蛍光体と制御電極との間に存在する電界が、制御電極の開孔から電子源側に滲み出し、電子源と制御電極との間に存在する電界と相互作用して、複合電界が形成され、前面板上の蛍光体の印加電圧と制御電極の印加電圧と電子源の印加電圧のいずれかを変化させることで複合電界強度を変化させ、電子放出量を制御することが記載されている。

また、特許文献１には、複合電界が電子源側に凸の等電位面集合線からなり、谷線での電位差が大きいので谷線と電子源との交差部での電子放出効果が大きくなり、放出電子が谷線に誘導されるので制御電極に吸収されることにより電子利用効率低下が少なくなることが記載され、実験的に確認されているが、個々の電界と複合電界との関係や複合電界内の電位分布状態については現在のところ明らかになっていないとも記載されている。

なお、下記特許文献２には、フィールドエミッション(電界放出型)表示装置において、放出電子ビームを収束する電極構造体を設けた表示装置が記載され、また、下記特許文献３には、電子ビーム形成(制御)電極とその電極上に絶縁層を介して電子引き出し用(加速用)電極とを設けた表示装置が記載され、さらに、下記特許文献４には、平板状の制御電極列を冷陰極列上に交差して配置する発光素子が記載され、さらに、下記非特許文献１には、制御電極と背面板間に絶縁層を有する発光装置が記載されている。
特開２００１−１４３６０４号公報 特開２００３−１６９１４号公報 特許第２８０９１２９号明細書 特開２００２−２１６６７９号公報 Y.Tomihari,F.Ito,Y.Okada,K.Konuma, and A.Okamoto,"Multi-Layered Triode Development for CNT FED",IDW'01 Technical Digest,p1213(2001)

背景技術において、ブラウン管でよく知られた３電極トライオード動作を行い、グリッド電流を低減するためには、アノード電圧を上昇させ、電極間隙を縮小する必要があり、放出電流密度と集束性を両立できないという課題があった。

上記課題は、熱電子放出を前提としたトライオード動作において、電界がなくとも電子放出が生じグリッド電流低減には、グリット電圧をカソード電圧以下とすることが必要であるため生じたものであるが、電界放出の場合、電界強度が所定値以上にならないと電子放出が生せず、グリット電圧をカソード電圧以上とすることで上記課題を解決できる。

請求項１に係る発明によると、複合電界が形成されない非開孔領域等の領域において、制御電極に流れる無効電流を蛍光体に流れる有効な電流と比較して無視できる程小さな値とできるため、消費電力を低減でき、また、陰極配線に流れる電流の大半が蛍光体に放出されるので電流駆動時に輝度制御が容易となる。

また、請求項２に係る発明によると、電子源と制御電極との間の電界の値を、制御電極に流れる無効電流を無視できる範囲内で最大値とできるので、必要な動作電流密度を得るための、蛍光体と制御電極との間の電界強度を小さくでき、放電現象の発生を低減でき、また、電子源と制御電極との間の電界強度と、前面板上蛍光体と制御電極との間の電界強度との差が小さくなり、電子ビームが過集束され広がるのを防ぐこともでき高解像度・高色純度を実現できる。

請求項３に係る発明によると、板部材制御電極に絶縁層を設けることにより、電子源と板部材制御電極との間の距離を小さくしても、板部材制御電極と電子源とのショートが生じないので、高歩留りを実現できる。

請求項４に係る発明によると、制御電極に電極構造体を設けることにより、電極構造体に近い開孔から放出された電子の軌道が画素中心に向かって曲げられるので、電子源自体の持つ発散に対し制御電極による集束作用が十分でない場合でも、電子ビームが隣接画素の蛍光体を発光させることがないので、解像度や色純度低下を防げる。

請求項５に係る発明によると、複合電界は加速電極と制御電極との間の電界により形成されるので、放出電流を決定する電子放出層の表面電界強度は、蛍光体と制御電極との間の電界強度には影響されないため、蛍光体への放出電流値と蛍光体を衝撃する際の加速電圧と独立して設定できるので、最適な輝度を設定できる。

また、輝度設定には加速電圧さえ所定の値にすればよいので、電界強度を考慮することなく背面板と前面板間の距離を大きくできるので、真空排気抵抗と放電現象の発生を低減できる。

請求項６に係る発明によると、電子源と板部材制御電極との距離を背面板上に設けた絶縁層の膜厚だけ短くできるから、制御電極の開孔から電子源側に滲み出した電界が電子源の表面に及ぼす影響が強くなり、必要な動作電流密度を得るための、前面板上蛍光体と制御電極との間の電界強度を小さくできるので、放電現象を低減でき、さらに、制御電極に印加された電圧の電子源への影響も大きくなり、電子放出のオンオフに必要な制御電極の電圧振幅と陰極配線の電圧振幅を小さくできるので、駆動回路価格を安くできる。

また、板部材制御電極を背面基板に接着する際、板部材制御電極の脚部接着位置を除いて背面基板に設けられた絶縁層の間隙に板部材制御電極の脚部が勘合し、高い精度で板部材制御電極と絶縁層上に設けられた陰極配線を位置合わせできる。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、フィールドエミッション表示装置における背面板平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ' 線に沿った背面板の部分断面図と、その背面板と対応する部分の前面板の断面図であって、１は銀よりなる陰極線配線、２はカーボンナノチューブ（CNT）よりなる電子源（電子放出層）、３は鉄または鉄合金等の薄板から形成した板部材制御電極、３−１は電子通過孔（開孔）、３−２は背面基板側に突出する脚部、４は銀よりなる板部材制御電極引き出し配線、５はガラスからなる背面基板、10は蛍光体(陽極は図示せず)、11はガラスからなる前面基板である。

１つの画素は背面板陰極配線１と板部材制御電極３との交差点に形成され、Va,Vg,Vcはそれぞれ蛍光体10、制御電極３、陰極配線１に印加される電圧である。

動作時には、制御電極３と陰極配線１に図３に示す電圧が印加され、各画素の電子放出が制御され、選択行の制御電極には電圧Vgonが、電子放出の生じる選択列の陰極配線には電圧Vgonより低い電圧Vconが印加される。

他方、電子放出の生じない非選択列の陰極配線には電圧Vgonより高い電圧Vcoffが印加され、また、非選択行の制御電極には選択行の制御電極印加電圧Vgonより低い電圧Vgoffが印加され、この電圧Vgoffは選択列の陰極配線印加電圧Vconより低いために、電子放出が抑制される。

図４は図２のP１で示した部分の電子放出をしている画素の電位図であって、符号１，２，３，３−１は図１，２と同じものであり、100は等電位線で、制御電極３の印加電圧Vgonと陰極配線１の印加電圧Vconの差電圧により非開孔領域の制御電極３と電子放出層２との間には強度Egの電界が生じる。

また、前面板上の蛍光体10と制御電極３との間に存在する強度Eaの電界が、制御電極の開孔３−１を介して電子放出層２側に滲み出し、電子放出層２と制御電極３との間の電界に作用し、その結果、複合電界が形成される。

複合電界は、電子放出層２側に凸の等電位線群からなり、開孔領域３−１の電子放出層２の表面電界強度Esは、非開孔領域の制御電極３と電子放出層２との間の電界強度Egより強くなる。

ここで、制御電極３は、その板厚が20μｍ程度、孔径が50ないし250μｍ程度であって、電子放出層２との間隔が30μｍ程度以下、印加電圧が50Ｖ程度である。

また、電子放出層２と蛍光体10との間隔は3ｍｍ程度であって、蛍光体に印加される電圧Ｖａは10ｋＶ程度である．

図５は電子放出層２の電界強度と放出電流密度の関係を示す図であって、カーボンナノチューブのような冷陰極の場合、電界強度が所定の値を越えた時に電子放出が生じる。

図５においてIthは、各画素の非開孔領域の電子源から制御電極に流れ込む放出電流が所定のしきい値となるしきい放出電流密度であって、このしきい放出電流密度Ithは、画素毎の電子源から制御電極に流れ込む放出電流が蛍光体に流れる放出電流より小さくなるように、例えば、コントラスト比を3000とするとその比分の１より小さくなるように定められ、非開孔領域の制御電極３と電子放出層２との間の電界強度Egによって放出される電流密度がこのしきい放出電流密度以下となるように電界強度Eg、例えば、1.2V/μｍ又は0＜Eg＜1.5V/μｍの範囲のEgを設定する。

また、図５においてIopは、各画素の開孔領域の電子源から蛍光体に流れる放出電流によって、所望の輝度を得るための動作電流密度であって、前面基板上蛍光体10と制御電極３との間の電界が、電子放出層２と制御電極３との間の電界に作用して形成される複合電界において、開孔領域３−１の電子放出層２の表面電界強度Es、例えば、2.8V/μｍによって放出される電流密度がこの動作電流密度となるように設定する。

以上の結果、所望の輝度を得つつ、複合電界が形成されない非開孔領域において、制御電流に流れる無効な電流を蛍光体に流れる有効な電流と比較して無視できる程小さな値、例えば、3000分の１とでき、消費電力を低減でき、また、制御電極に流れる電流が無視できるので、陰極配線に流れる電流が全て蛍光体に放出されるものとすることができ、電流駆動時に輝度制御が容易となる。

さらに、本実施例では、電子放出層２と制御電極３との間の電界強度Egによって放出される電流密度がしきい放出電流密度Ith近傍の値となるように電界Egを設定しているから、電子放出層２と制御電極３との間の電界を、制御電流に流れる無効電流を無視できる範囲内で最大値とすることができるので、必要な動作電流密度を得るために前面基板上の蛍光体10と制御電極３との間の電界強度Eaを小さくでき、放電現象の発生を低減できる。

また、電子放出層２と制御電極３との間の電界強度Egと、前面基板上の蛍光体10と制御電極３との間の電界強度Eaとの差が小さくなるので、凸の等電位線群の曲率が小さくなり電子ビームが過集束により広がるのを防ぎ高解像度・高色純度を実現できる。

図６は図１のＡ−Ａ’線に沿った背面板の断面図であって、符号１，２，３、３−１，３−２，５は図２と同じもので、20は板部材制御電極３の脚部３−２の接着位置を除き陰極配線１の下にあるガラスからなる背面基板５上に設けられた絶縁層であって、図４に示す電子放出層２と板部材制御電極３との間の距離Ｈはこの絶縁層20の膜厚だけ短くできる。

この結果、制御電極の開孔３−１から電子放出層２側に滲み出した電界が開孔領域３−１の電子放出層２の表面に及ぼす影響が強くなり、必要な動作電流密度を得るための前面基板上蛍光体10と制御電極３との間の電界強度Eaを小さくでき、放電現象の発生を低減できる。

さらに、制御電極３に印加された電圧の電子放出層２への影響も大きくなり、電子放出のオンオフに必要な制御電極電圧振幅Vgon−Vgoffと、陰極配線電圧振幅Vcon−Vcoffを小さくできることによって、駆動回路を低価格化できる。

また、板部材制御電極３を背面基板５に接着する際、絶縁層20の間隙に板部材制御電極３の脚部３−２が勘合し、高い精度で板部材制御電極３と陰極配線１を位置合わせできるので、装置の高解像度化ができる。

図７は図１のＡ−Ａ'線に沿った背面板の断面図であり、符号１，２，３、３−１、３−２、５は図２と同じもので、30は板部材制御電極３の電子源２側に設けられた絶縁層であって、この絶縁層30により電子放出層２と板部材制御電極３との間の距離Ｈを小さくしても制御電極３と電子放出層２とのショートが生せず高歩留まりを実現でき、また、絶縁層30としてポリイミド等を用いることにより、絶縁層30は、板部材制御電極３を背面基板５に接着するための接着材として兼用できる。

図８は図１のＡ−Ａ’線に沿った背面板の断面図であって、符号１，２，３，３、−１、５は図２と同じもので、40は１画素の制御電極３の開孔３−１の配列を取り囲むように設けられた集束電極、41は絶縁層であって、電子放出のなされる開孔３−１の等電位線は、図４に示すように電子放出層２側に凸であり、制御電極３は放出電子を集束する。

本実施例では、集束電極40と絶縁層41からなる電極構造体により特に集束電極40に近い開孔から放出された電子の軌道が画素中心に向かって曲げられるから、電子放出層２と板部材制御電極３との間の距離Ｈが小さく、電子源自体の持つ発散に対し制御電極３による集束作用が十分でない場合でも、電子ビームが隣接画素の蛍光体を発光させ解像度や色純度が低下することがない。

図９は図１のＡ−Ａ'線に沿った背面板の断面図であって、符号１，２，３，５は図２と同じもので、50は制御電極３上に絶縁層51を介して設けられた加速電極であって、加速電極50と制御電極３との間の電界が制御電極３の開孔３−１から電子放出層２側に滲み出し、電子放出層２と制御電極３との間の電界に作用して複合電界が形成される。

このため、放出電流量を決定する電子放出層２の表面電界強度Esは、前面基板上の蛍光体10と制御電極３との間の電界強度Eaには影響されない。

したがって、蛍光体への放出電流値と蛍光体を衝撃する際の加速電圧を独立して設定でき、輝度を最適に設定でき、また、輝度の設定には電界強度ではなく加速電圧さえ所定の値にすればよいので、背面板と前面板間の距離を大きくし、真空排気抵抗と放電現象の発生を低減できる。

図10は図１のＡ−Ａ'線に沿った背面板の断面図であって、符号１，２，５は図２と同じもので、60は板部材制御電極、61は板部材制御電極を支持するためのリブで、電子放出をしている画素の非開孔領域の制御電極60と電子放出層２との間の電界強度Egを、しきい放出電流密度Ithに対応する値以下とし、開孔領域の電子放出層２の表面電界強度Esを動作電流密度Iopに対応する値とすることにより、所望の輝度を得つつ制御電流に流れる無効電流を小さな値とでき、消費電流を低減し、電流駆動時の輝度制御を容易にできる。

図11は電子放出をしている画素の図２のP１で示した部分に対応する部分の断面図であって、72はカーボンナノチューブよりなる電子源（電子放出層）、73は制御電極、74は絶縁層、101は等電位線で、また、Vgon、Vcon、Eg、Ea、Esは図４と同じものである。

制御電極73の非開孔領域下には電子放出層72が形成されず絶縁層74が設けられているので電子放出は生じないが、図11中P2で示す開孔周辺部において、電子源72から制御電極73に流れ込む放出電流が所定のしきい値となるしきい放出電流密度に対応する値以下となるように制御電極３の非開孔領域と電子放出層２との間の電界強度Egを設定し、他方、所望の輝度を得るために、放出電流が動作電流密度Iopとなるように開孔領域の電子放出層表面電界強度Esを設定する。

以上の結果、所望の輝度を得つつ、前面基板上の蛍光体10と制御電極73との間の電界が制御電極の開孔から電子放出層２側に滲み出しても、この電界には影響されない図中P2で示す開孔周辺部で、制御電流に流れる無効電流を蛍光体に流れる有効な電流と比較して無視できる程小さな値とでき、消費電力を低減し、電流駆動時の輝度制御を容易にできる。

以上、図６に示す実施例２において、図７に示す実施例３と同様に板部材制御電極３の電子源２側に絶縁30を設けてもよい。

図８ないし図10に示す実施例４ないし６において、図６に示す実施例２と同様に板部材制御電極３の脚部３−２の接着位置を徐き陰極配線下のガラスからなる背面基板５上に絶縁層20を設けてもよく、また、図７に示す実施例３と同様に板部材制御電極３の電子源２側に絶縁層30を設けてもよく、さらに、両絶縁層20,30を同時に設けてもよい。

図８に示す実施例４で電極構造体を絶縁層41だけで構成してもよく、絶縁層の比誘電率は１より大きいため、集束電極40がなくとも同様の集束作用が生じ、絶縁層41に近い開孔から放出された電子の軌道が画素中心に向かって曲げられ、電極構造体の構造が簡単になるという利点がある。

図10，11に示す実施例６，７において、図８に示す実施例４と同様に１画素の制御電極の開孔の配列を取り囲むように設けられた、少なくとも一部に導体を含む集束作用を有する電極構造体を設けてもよく、図９に示す実施例５と同様に制御電極上に絶縁層51を介して加速電極50を設けてもよい。

フィールドエミッション表示装置における背面板平面図。 図１のＡ−Ａ' 線に沿った背面板の部分断面図及びその背面板と対応する部分の前面板の断面図。 動作電圧を表した図。 電位図。 電界強度と放出電流密度の関係図。 実施例２の図１のＡ−Ａ’線に沿った背面板の断面図。 実施例３の図１のＡ−Ａ'線に沿った背面板の断面図。 実施例４の図１のＡ−Ａ’線に沿った背面板の断面図。 実施例５の図１のＡ−Ａ'線に沿った背面板の断面図。 実施例６の図１のＡ−Ａ'線に沿った背面板の断面図。 実施例７の電子放出をしている画素の図２のP１で示した部分に対応する部分の断面図。

符号の説明

１・・・陰極配線、２・・・電子源（電子放出層）、３・・・板部材制御電極、３−１・・・電子通過孔（開孔）、３−２・・・脚部、４・・・制御電極引き出し配線、５・・・背面基板（ガラス）、10・・・蛍光体、11・・・前面基板（ガラス）、20,30・・・絶縁層、40・・・集束電極、41・・・絶縁層、50・・・加速電極、51・・・絶縁層、60・・・板部材制御電極、61・・・リブ、72・・・電子源（電子放出層）、73・・・制御電極、74・・・絶縁層、100,101・・・等電位線。

Claims (6)

1. 電子源を有する複数の陰極配線と、前記陰極配線と交差して電子を通過させる開孔領域を有する複数の制御電極、および背面基板とを有する背面板と、陽極および蛍光体を有する前面板とを備えたフィールドエミッション表示装置であって、
   前記制御電極の非開孔領域と前記電子源との間の電界強度の値を、しきい放出電流密度に対応する値以下とし、前記制御電極の開孔領域での前記電子源の表面電界強度の値を、前記蛍光体に流れる放出電流によって所望の輝度が得られる動作電流密度に対応する値とすることを特徴とするフィールドエミッション表示装置。
2. 前記制御電極の非開孔領域と前記電子源との間の電界強度の値を、しきい放出電流密度近傍に対応する値とすることを特徴とする請求項１に記載のフィールドエミッション表示装置。
3. 前記制御電極が板部材電極からなり、該板部材電極の電子源側に絶縁層を設けることを特徴とする請求項１又は２に記載のフィールドエミッション表示装置。
4. 前記制御電極の開孔領域からなる画素配列を取り囲むように設けられた、少なくとも一部に導体を含む集束作用を有する電極構造体を設けることを特徴とする請求項１ないし３に記載のフィールドエミッション表示装置。
5. 前記制御電極上に絶縁層を介して加速電極を設けることを特徴とする請求項１ないし３に記載のフィールドエミッション表示装置。
6. 電子源を有する複数の陰極配線と、前記陰極配線と交差して電子を通過させる開孔領域を有する複数の制御電極、および背面基板とを有する背面板と、陽極および蛍光体を有する前面板とを備えたフィールドエミッション表示装置であって、
   前記制御電極が脚部を有する板部材電極からなり、背面板上に脚部の接着位置を除いて絶縁層を設けることを特徴とするフィールドエミッション表示装置。
   

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