JP2005243609A - 電子放出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォーカシング電極の構造を改善して集束性能を充分に確保するとともに、輝度及び色再現性をともに向上させることができる、電子放出素子を提供する。
【解決手段】 任意の間隔をおいて対向して配置される第１基板２０及び第２基板２２と、前記第１基板２０上に形成される電子放出ユニットと、前記第２基板上に形成されるイメージ表示ユニットと、複数のビーム通過孔４１を有し、前記ビーム通過孔４１に隣接した部分は薄膜４２から形成され、残りの部分は前記薄膜より厚さの厚い厚膜４４から形成されるとともに、前記第１基板２０と第２基板２２との間に配置されるフォーカシング電極４０と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は電子放出素子に係り、より詳しくは、前記電子放出素子が有するフォーカシング電極に関するものである。

一般に、電子放出素子（Electron Emission Device）には、電子源として熱陰極を利用する方式と冷陰極を利用する方式とがある。

冷陰極を利用する方式の電子放出素子としては、ＦＥＡ（Field Emitter Array）型、ＳＣＥ（Surface Conduction Emitter）型、ＭＩＭ型（Metal-Insulator-Metal）型、ＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）型、及びＢＳＥ（Ballistic electron Surface Emitting）型などが知られている。

前記電子放出素子は、その種類によって細部構造が相異するが、基本的には真空容器内に電子放出のための構造物、つまり電子放出ユニットを備え、さらに、前記電子放出ユニットと対向して配置されるように真空容器内にイメージ表示ユニットを備えて、任意の発光または表示作用を行う。

前記電子放出素子のうち、ＦＥＡ型の電子放出素子は、電界によって電子を放出する電子放出部を備えており、この電子放出部は、その周囲に配置された駆動電極に駆動電圧が印加される時に形成される電界によって電子を放出させる。

このようなＦＥＡ型の電子放出素子において、真空容器を構成する第１基板及び第２基板の間には、前記電子放出部から放出される電子ビームの集束性能を高めて色純度を向上させ、カソード電極とアノード電極との間の耐電圧特性を高めるために、複数のビーム通過孔が任意の間隔をおいて形成された金属メッシュからなるグリッド電極や前記グリッド電極とは異なる構造のフォーカシング電極が設置される。

前記グリッド電極またはフォーカシング電極において、電子ビームの集束性能の向上と、アノード電極の電界を遮蔽する耐電圧特性の向上とは、互いに相反する特徴がある。

つまり、集束性能を高めるために、カソード電極に対応してフォーカシング電極にマイナス電圧を印加すると、アノード電極に到達する電子の数が大きく減少するため、充分な輝度が得られなくなる。

したがって、フォーカシング電極にマイナス電圧を印加しながら輝度を高めるためには、フォーカシング電極と、電子放出部であるエミッタとの間隔をさらに大きく設定したり、フォーカシング電極の厚さを薄く形成しなければならない。

しかし、この場合には、再び集束性能を低下させることとなり、アノード電極の電界がエミッタに直接影響を与えるため、アノード電極に高電圧を印加することが不可能となり、輝度が低下するといった結果を招く。

このような問題により、フォーカシング電極にマイナス電圧を印加すると集束性能は向上するが、フォーカシング電極による電流のカットオフ現象のために充分なアノード電流が流れず、これによりアノード電極に高電圧を印加することができないので輝度が低下し、蛍光膜に金属膜を形成することができないので、蛍光体の寿命及び発光効率が低下するといった問題が発生する。

一方、アノード電流の遮蔽に重点をおいて金属メッシュからなるグリッド電極を用いると、アノード電極に高電圧を印加するのは容易であるが、グリッド電極にマイナス電圧を印加する場合には、前記グリッド電極の厚さにより、カソード電極から放出された電子が大部分遮断され、アノード電極まで到達する電子の数が急激に減少する。また、グリッド電極にプラス電圧を印加する場合には、電子ビームが集束されなくなり、ビームの拡散が起こって、色再現性が極めて低下するといった問題点がある。

また、上記の問題点を解決すべく、フォーカシング電極に追加してアノード遮蔽電極を設置する方法も考えられるが、この場合には、フォーカシング電極とアノード遮蔽電極との間に絶縁膜を形成しなければならず、各電極層の現像時、及びエッチング時に、他の電極層の膜に悪影響を及ぼす可能性が高く、製造工程が複雑になり、製造原価も上昇し、製造収率が極めて低下するといった問題点を有する。

本発明は、上記の問題点を解決するためのものであって、フォーカシング電極の構造を改善して集束性能を充分に確保するとともに、輝度及び色再現性をともに向上させることができる、電子放出素子を提供することを目的とする。

本発明による電子放出素子は、任意の間隔をおいて対向して配置される第１基板及び第２基板と、前記第１基板上に形成される電子放出ユニットと、前記第２基板上に形成されるイメージ表示ユニットと、複数のビーム通過孔を有し、前記ビーム通過孔に隣接した部分は薄膜から形成され、残りの部分は前記薄膜より厚さの厚い厚膜から形成されるとともに、前記第１基板と第２基板との間に配置されるフォーカシング電極と、を含む。

前記フォーカシング電極は、前記ビーム通過孔を中心に階段形状に形成されうる。

前記フォーカシング電極は、全体的に薄膜から形成され、前記ビーム通過孔の口縁部分以外には、前記薄膜上に厚膜が追加的に形成されうる。

前記フォーカシング電極は、前記ビーム通過孔の口縁部分が薄膜から形成され、残りの部分は前記薄膜と電気的に連結される厚膜から形成されうる。

前記薄膜は、蒸着法によって形成され、前記厚膜は、導電性金属材料をペースト化してスクリーン印刷法によって形成されうる。

前記薄膜及び厚膜は、同一な導電性材料を利用して形成されうる。

前記薄膜は、前記ビーム通過孔の口縁に沿って任意の幅を有する環形状に形成されうる。

前記フォーカシング電極は、前記厚膜を先に形成し、その後に前記薄膜を形成しうる。

前記フォーカシング電極は、前記電子放出ユニット上に複数形成されうる。

前記フォーカシング電極は、金属から形成されうる。

前記電子放出ユニットは、前記第１基板上に任意の間隔で形成されるカソード電極と、前記カソード電極上に形成される電子放出部と、前記カソード電極との間に絶縁層を介して前記第１基板上に形成されるゲート電極と、を含む。

前記電子放出部は、カーボン系物質またはナノサイズ物質から形成されうる。

前記イメージ表示ユニットは、前記第２基板上に形成されるアノード電極と、前記アノード電極の一面に任意のパターンを有するように形成される蛍光膜と、を含む。

本発明による電子放出素子によれば、フォーカシング電極を薄膜及び厚膜から構成することにより、ビームの集束性能及び輝度が同時に向上する。

つまり、ビームを集束するための電界を形成する部分を薄膜で形成することにより、カソード電極に対してフォーカシング電極にマイナス電圧を印加する場合にも、ビーム通過孔を通過する電子の数がそれほど大きく減少しないので、充分な輝度を得ることができ、ビームの集束性能の向上により色再現性も向上する。

また、電界を形成する部分以外を厚膜で形成することにより、アノード電極に高電圧を印加する場合にも、アノード電界がエミッタに影響を与えるのを遮蔽するアノード遮蔽効果が充分に維持されるので、輝度の向上に充分な高電圧をアノード電極に印加することができ、表示品質を向上させることもできる。

また、厚膜を形成することによって、アノード電極に高電圧を印加することができるだけでなく、蛍光膜上に金属薄膜層を形成することができるので、蛍光膜を構成する蛍光体の寿命が長くなり、発光効率も向上する。

そして、本発明による電子放出素子によれば、従来のフォーカシング電極とアノード遮蔽電極とを形成する方法に比べて、絶縁膜及び電極の形成工程が半分に減少するので、製造工程が簡単になり、製造収率が向上し、製造原価を節減することができるといった効果がある。

以下、本発明による電子放出素子の好ましい実施例を、図面を参照して詳細に説明する。

本発明による電子放出素子の第１実施例は、図１及び図２に示したように、任意の間隔をおいて対向して配置されて、真空容器を形成する第１基板２０及び第２基板２２を含む。

ここで、前記第１基板２０上には、電子放出ユニットが形成されており、前記第２基板２２上には、前記電子放出ユニットから放出された電子によって発光して任意の画像を表示するイメージ表示ユニットが形成されている。

本実施例において、前記電子放出ユニットは、前記第１基板２０上に任意の間隔をおいて形成される複数のカソード電極２４と、前記カソード電極２４上に形成される複数の電子放出部であるエミッタ２８と、絶縁層２５を介して前記カソード電極２４上に交差パターンを有して形成される複数のゲート電極２６とを含んで構成される。なお、ゲート電極２６は、カソード電極２４との間に絶縁像２５を介して前記第１基板２０上に形成されることとなる。

また、本実施例において、前記イメージ表示ユニットは、前記第２基板２２上に形成されるアノード電極３０と、前記アノード電極３０の一面に任意のパターンを有するように形成される蛍光膜３２を含んで構成される。

このような前記第１基板２０と第２基板２２との間には、前記ゲート電極２６上に絶縁膜５０を介して形成されたフォーカシング電極４０が配置される。フォーカシング電極４０には、複数のビーム通過孔４１が形成され、フォーカシング電極４０は、薄膜４２と、前記薄膜４２より厚さの厚い厚膜４４とから形成される。

本実施例において、前記フォーカシング電極４０は、前記ゲート電極２６のパターンに対応して前記第１基板２０上に複数形成される。言い換えれば、フォーカシング電極４０は、電子放出ユニット上に複数形成される。また、前記フォーカシング電極４０のビーム通過孔４１は、前記電子放出部２８に対応する任意のパターンを有して配列される。

前記フォーカシング電極４０は、前記電子放出部２８から放出される電子ビームの集束性能を高める役割を果たす。フォーカシング電極４０は、金属から形成されてもよく、特に、複数のビーム通過孔４１が任意の間隔をおいて形成された薄板の金属メッシュ（metal mesh）から形成されてもよい。

前記ゲート電極２６及びカソード電極２４は、それぞれ、ストライプパターンを有するように形成され、互いに直交する方向に配置される。例えば、前記複数のカソード電極２４は、図１のＹ軸方向に沿って形成され、ストライプパターンをなし、前記複数のゲート電極２６は、図１のＸ軸方向に沿って形成され、ストライプパターンをなす。

前記ゲート電極２６及びカソード電極２４の間には、第１基板２０の面積全体にかけて絶縁層２５が形成される。前記ゲート電極２６とカソード電極２４とが交差する領域ごとに、カソード電極２４と電気的に連結されるように前記電子放出部２８が形成される。

前記電子放出部２８は、実質的に均一な厚さに形成される面電子源（２次元マトリクス状に並べた電子源）であって、１０〜１００Ｖ程度の低電圧駆動条件下で電子を良好に放出するカーボン系物質を利用して形成される。前記電子放出部２８を形成するカーボン系物質としては、グラファイト（graphite）、ダイアモンド、ダイアモンド状カーボン（DLC；Diamond Liked Carbon）、カーボンナノチューブ（CNT；Carbon Nanotube）、Ｃ_６０（fulleren）などから選択した１または複数の物質を用いることができる。この中でもカーボンナノチューブは、端部の曲率半径が数〜数十ｎｍ程度と極めて微細で、１〜１０Ｖ/μｍ程度の低い電界でも電子を良好に放出するので、理想的な電子放出源として知られている。

一方、前記電子放出部２８は、ナノメートルサイズの物質、例えばナノチューブ（nano-rube）、ナノファイバー（nano-fiber）、またはナノワイヤー（nano-wire）などを用いて形成することもできる。

このような電子放出部２８は、図３に示したように、コーン（cone：錐体）形に形成することもでき、図示してはいないが、ウエッジ（wedge：くさび）形や薄膜フィルムエッジ（thin film edge）形など様々な形状に形成することができる。

前記ゲート電極２６及び絶縁層２５には、それぞれ孔が形成される。この孔は、前記電子放出部２８をカソード電極２４上に形成するための空間であるとともに、電界放出の際にも利用される空間である。

前記第２基板２２に形成されるアノード電極３０は、ＩＴＯなどのような光透過率の優れた透明電極で形成される。

前記第２基板２２に形成される蛍光膜３２は、図１に示したように、前記複数のフォーカシング電極４０が配置される方向（図１のＸ軸方向）に沿って赤色（Ｒ）蛍光膜３２Ｒ、緑色（Ｇ）蛍光膜３２Ｇ、青色（Ｂ）蛍光膜３２Ｂが任意の間隔をおいて順に交互に配列される。

また、前記各々の蛍光膜３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂの間には、コントラストの向上のために黒色層３３が形成される。

そして、前記蛍光膜３２及び黒色層３３上には、図２に示したように、アルミニウムなどからなる金属薄膜層３４を形成することもできる。前記金属薄膜層３４は、耐電圧特性及び輝度の向上に役に立つ。

また、前記蛍光膜３２及び黒色層３３を第２基板２２に直接形成し、その上に金属薄膜層３４を形成して、高電圧を印加して、これをアノード電極として機能するように構成することもできる。このようにすれば、第２基板２２上に透明電極でアノード電極３０を形成するのに比べて高電圧を許容することができるので、画面の輝度の向上に有利である。

上述したように構成される第１基板２０及び第２基板２２は、カソード電極２４と蛍光膜３２とが直交するように対向した状態で任意の間隔をおいて密封材によって接合され、その間に形成される内部空間は排気することによって真空状態を維持する。

また、前記第１基板２０と第２基板２２との間隔を一定に維持するために、第１基板２０と第２基板２２との間にスペーサ３８を任意の間隔をおいて設置する。前記スペーサ３８は、画素の位置及び電子ビームの経路を避けて設置されるのが好ましい。

前記フォーカシング電極４０とゲート電極２６との間には、電気的な絶縁のために絶縁膜５０を形成する。前記絶縁膜５０にも、前記フォーカシング電極４０のビーム通過孔４１に対応する位置にビーム通過孔５１を形成する。

前記フォーカシング電極４０は、少なくとも前記ビーム通過孔４１に隣接して位置する角部分、すなわちビーム通過孔４１の口縁部分が薄膜４２から形成され、残りの部分は前記薄膜４２よりも厚さの厚い厚膜４４から形成される。

つまり、前記フォーカシング電極４０は、図１及び図２に示したように、前記ビーム通過孔４１に隣接した部分は薄膜４２から形成され、残りの部分は厚膜４４から形成されて、前記ビーム通過孔４１を中心に階段形状に形成される。

上述した薄膜４２の代わりに、フォーカシング電極４０の面の全体を厚膜４４から形成し、ビーム通過孔４１に隣接した部分を部分エッチングまたは半エッチングして厚さを薄く形成することもできる。

前記フォーカシング電極４０は、導電性金属材料など導電材料を塗布して形成してもよく、導電材料を塗布して形成する代わりに、上述したように金属メッシュを利用して形成することもできる。前記フォーカシング電極４０が金属メッシュから形成される場合にも、前記ビーム通過孔４１に隣接した部分は半エッチングなどを行って厚さを薄く形成される。

上記のフォーカシング電極４０によれば、ビーム通過孔４１に隣接して位置する薄膜４２の角部分、すなわちビーム通過孔４１の口縁部分で、電界が形成されるので、ビームの集束性能が充分に向上する。

前記厚膜４４は、必要に応じて２段以上の多段に形成することもできる。

そして、前記フォーカシング電極４０は、図４に示したように、前記絶縁膜２６上に形成される薄膜４２と、前記薄膜４２上に形成され、前記ビーム通過孔４１に隣接しないように任意の間隔をおいて形成される厚膜４４とから構成することもできる。この場合、フォーカシング電極４０は、全体的に薄膜４２から形成され、前記ビーム通過孔４１の口縁部分以外には、前記薄膜上に厚膜４４が追加的に形成されることとなる。

前記薄膜４２は、蒸着法などによって形成され、前記厚膜４４は、導電性金属材料をペースト化してスクリーン印刷法などによって形成されるのが好ましい。

前記厚膜４４を形成する導電性金属材料としては、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、モリブデン/タングステン（Ｍｏ/Ｗ）、モリブデン/マンガン（Ｍｏ/Ｍｎ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、クロム/アルミニウム（Ｃｒ/Ａｌ）などを単独または２つ以上混合して用いることができる。

また、前記厚膜４４を形成する導電性金属材料の粒子は、数ミクロン（μｍ）以下の粒径の微細な粒子を用いることが望ましい。

前記薄膜４２は、ＩＴＯ、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、またはクロム/アルミニウム（Ｃｒ/Ａｌ）などを蒸着法などによって蒸着させて形成される。

また、前記フォーカシング電極４０は、図５に示したように、前記ビーム通過孔４１に隣接して位置する部分はビーム通過孔４１の角部分（すなわち、ビーム通過孔４１の口縁）に沿って薄膜４２で形成し、薄膜４２の外側部分は厚膜４４で形成することもできる。言い換えれば、前記ビーム通過孔４１の口縁部分が薄膜４２から形成され、残りの部分は、薄膜４２とは別体の厚膜４４から形成されることとなる。

この場合、前記薄膜４２は、ビーム通過孔４１の角部分（すなわち、ビーム通過孔４１の口縁）に沿って任意の幅を有する環形状または帯形状に形成される。

また、図５に示される場合には、薄膜４２と厚膜４４とは互いに電気的に連結されるように構成される。

上記の構成によれば、前記ビーム通過孔４１に隣接して位置する部分はビーム通過孔４１を囲む形状の薄膜から形成され、残りの部分は薄膜４２を再び囲む形状の厚膜４４から形成される。

上述したように、ビーム通過孔４１に隣接した部分のみを薄膜４２で形成し、残りの部分は厚膜４４で形成すれば、薄膜４２上に厚膜４４を形成するために必要な熱工程によって既に形成された薄膜４２がストレスを受けて発生するクラックを防止することができる。

また、前記フォーカシング電極４０は、先に厚膜４４を形成し、その後に薄膜４２を形成することにより、厚膜を形成するための熱工程によって薄膜４２に発生するクラックを防止することもできる。

前記薄膜４２及び厚膜４４は、同一な導電性材料を用いて形成することもでき、互いに異なる材料を用いて形成することもできる。特に、同一な導電性材料を用いて形成する場合には、薄膜４２と厚膜４２の熱膨張係数を同じにすることができ、クラックを防止することが容易となる。

以上のように構成される本発明による電子放出素子においては、厚膜４４により、アノード電極３０に印加される電圧によって形成されるアノード電界がエミッタ２８に影響を与えるのを防止することができ、薄膜４２により、電子ビームの集束性能を充分に確保することができる。

上記の説明では、本発明による電界放出素子の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの場合に限定されず、特許請求の範囲、発明の詳細な説明、及び添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することができ、これも本発明の範囲に属する。

本発明による電子放出素子の第１実施例を示す部分拡大斜視図である。 本発明による電子放出素子の第１実施例を示す部分拡大断面図である。 本発明による電子放出素子の第２実施例において、電子放出部の他の例を示す部分拡大斜視図である。 本発明による電子放出素子の第３実施例において、フォーカシング電極を示す部分拡大斜視図である。 本発明による電子放出素子の第４実施例において、フォーカシング電極を示す部分拡大斜視図である。

符号の説明

２０ 第１基板、
２２ 第２基板、
２４ カソード電極、
２５ 絶縁層、
２６ ゲート電極、
２８ エミッタ、
３０ アノード電極、
３２ 蛍光膜、
３３ 黒色層、
３４ 金属薄膜層、
３８ スペーサ、
４０ フォーカシング電極、
４１、５１ ビーム通過孔、
４２ 薄膜、
４４ 厚膜、
５０ 絶縁膜。

Claims (15)

1. 任意の間隔をおいて対向して配置される第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板上に形成される電子放出ユニットと
   前記第２基板上に形成されるイメージ表示ユニットと、
   複数のビーム通過孔を有し、前記ビーム通過孔に隣接した部分は薄膜から形成され、残りの部分は前記薄膜より厚さの厚い厚膜から形成されるとともに、前記第１基板と第２基板との間に配置されるフォーカシング電極と、を含むことを特徴とする電子放出素子。
2. 前記フォーカシング電極は、前記ビーム通過孔を中心に階段形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
3. 前記フォーカシング電極は、全体的に薄膜から形成され、前記ビーム通過孔の口縁部分以外には、前記薄膜上に厚膜が追加的に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
4. 前記フォーカシング電極は、前記ビーム通過孔の口縁部分が薄膜から形成され、残りの部分は前記薄膜と電気的に連結される厚膜から形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
5. 前記薄膜は、蒸着法によって形成され、
   前記厚膜は、導電性金属材料をペースト化してスクリーン印刷法によって形成されることを特徴とする請求項３に記載の電子放出素子。
6. 前記薄膜は、蒸着法によって形成され、
   前記厚膜は、導電性金属材料をペースト化してスクリーン印刷法によって形成されることを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
7. 前記薄膜及び厚膜は、同一な導電性材料を利用して形成されることを特徴とする請求項３に記載の電子放出素子。
8. 前記薄膜及び厚膜は、同一な導電性材料を利用して形成されることを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
9. 前記薄膜は、前記ビーム通過孔の口縁に沿って任意の幅を有する環形状に形成されることを特徴とする請求項４に記載の電池放出素子。
10. 前記フォーカシング電極は、前記厚膜を先に形成し、その後に前記薄膜を形成することを特徴とする請求項４に記載の電子放出素子。
11. 前記フォーカシング電極は、前記電子放出ユニット上に複数形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
12. 前記フォーカシング電極は、金属から形成されることを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
13. 前記電子放出ユニットは、
    前記第１基板上に任意の間隔で形成されるカソード電極と、
    前記カソード電極上に形成される電子放出部と、
    前記カソード電極との間に絶縁層を介して前記第１基板上に形成されるゲート電極と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。
14. 前記電子放出部は、カーボン系物質またはナノサイズ物質から形成されることを特徴とする請求項１３に記載の電子放出素子。
15. 前記イメージ表示ユニットは、
    前記第２基板上に形成されるアノード電極と、
    前記アノード電極の一面に任意のパターンを有するように形成される蛍光膜と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電子放出素子。

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