JP2005267917A - フィールドエミッション型表示装置、ワイヤー型カソードの製造方法及びワイヤー型カソード印加電圧の変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＮＴをカソードに用いたＦＥＤを低電圧で駆動させる。
【解決手段】 ガラス性の背面板２０上に、帯状の複数の垂直アドレス電極３０が所定の間隔で並列に設けられている。垂直アドレス電極３０の長手方向と垂直方向に垂直アドレス電極３０の上方数100μm位置に、複数のワイヤー型カソード４０が張られている。ワイヤー型カソード４０は、タングステンなどの金属導線やレニウム入りタングステンなどの合金導線の表面にＣＮＴが塗布されたものである。ガラス性の表示基板６０は、背面板２０と対向している。大画面化を可能とするために、耐大気圧対策として表示基板６０と背面板２０との間には一定間隔ごとに支持壁７０が設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フィールドエミッション型表示装置に関する。特に本発明は、カソードにカーボンナノチューブを用いたフィールドエミッション型表示装置に関する。

フィールドエミッションディスプレイ（Field-Emission Display ：以下「ＦＥＤ」と呼ぶ）は、陰極線管（Cathode Ray Tube：以下「ＣＲＴ」と呼ぶ）並みのカラー性能と、画像品質に加えて、高速応答、広視野角、薄型構造などの特徴を兼ね備えた平面ディスプレイである。その中でも、近年、カーボンナノチューブ（Carbon Nano Tube：以下「ＣＮＴ」と呼ぶ）をカソードに用いたＦＥＤが急激に成長している。
開２００３−５９４３６号公報

ＣＮＴをカソードとして用いたＦＥＤでは、低電圧駆動化が課題となっていた。

本発明は上述の事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、低電圧で駆動可能なＣＮＴをカソードに用いたＦＥＤを提供することにある。

本発明のある態様は、絶縁性基板と、前記絶縁性基板上に並列して設けられた複数の垂直アドレス電極と、前記複数の垂直アドレス電極の上方に、前記複数の垂直アドレス電極の並列方向と垂直な方向に並列して設けられた複数のワイヤー型カソードと、前記絶縁性基板と支持壁を介して対向し、前記絶縁性基板との対向面側にアノード電極及び蛍光体層を有する表示基板と、を備え、前記ワイヤー型カソードが表面にカーボンナノチューブを有する金属または合金のワイヤーであることを特徴とする。

上記構成によれば、アノードに電圧を印加することにより、ワイヤー型カソード表面のＣＮＴからの電子放出が可能である。ワイヤー型カソードを用いることにより、平面型カソードよりも電界強度を強くしやすく、より低い電圧で電子ビーム放出量を制御できるので低電圧駆動が可能となる。また、薄膜では不可能であった垂直アドレス電極とカソードの間隔を広げることが可能である。さらに、垂直アドレス電極がワイヤー型カソードの下部に位置するため、ワイヤー型カソードから放出される電子を効率よく蛍光体に衝突させることが可能である。

上記構成において、前記支持壁が前記表示基板上の前記蛍光体層の周囲に設けられたブラックマトリクス部分で前記表示基板を支持してもよい。ブラックマトリクスとは、蛍光層が有する各色の蛍光体の周囲に設けられた、カーボンブラックなどの非蛍光性の物質が塗布された領域である。支持壁の表示基板側が、ブラックマトリクス上を保持することにより、表示画面上において支持壁による影がなくなり、見やすい画面を得ることができる。

上記構成において 前記ワイヤー型カソードの両側に偏向電極を有し、一方の前記偏向電極に印加する電圧と、他方の前記偏向電極に印可する電圧との電圧差を正にすることにより、一方の前記偏向電極の方へ前記ワイヤー型カソードから放出された電子ビームを偏向してもよい。

これによれば、偏向電極に印加する電圧を制御することにより、所望の色を発色する蛍光層に電子ビームの方向を容易に偏向させることができる。１本のワイヤー型カソードから放出される電子ビームにより、より密に設けられた各蛍光層を発色させることができるので、画像を高画質化することが可能となる。

本発明の他の態様は、フィールドエミッション型表示装置に用いられるワイヤー型カソードの製造方法であって、金属又は合金のワイヤーにカーボンナノチューブを混練した導電性ペーストを塗布する工程と、前記導電性ペーストが塗布された前記ワイヤーに電界を印加するとともに、前記ワイヤーを1000〜1400[℃]に加熱する工程と、を備える。

ＣＮＴが付着した金属又は合金のワイヤーに電界を掛けながら1000〜1400[℃]の高温に加熱することにより、発光特性を均一化することができる。

本発明の他の態様は、フィールドエミッション型表示装置に用いられるワイヤー型カソードに印加する電圧の変調方法であって、前記複数のワイヤー型カソードに正の所定電圧と、0[V]から前記正の所定電圧までの範囲の電圧を１本ずつ交互に印加し、前記２通りの電圧を所定の周期で切り替えることを特徴とする。

これによれば、隣合うワイヤー型カソード間の干渉が防止され、さらに、電子放出を行うワイヤー型カソードを交互に切り替えることにより、解像度はワイヤー型カソードの間隔と実際上等しくなるので、高解像度を確保することができる。

本発明の装置によれば、低駆動電圧でＣＮＴをカソードに用いたＦＥＤを動作させることができる。

図１は、実施形態に係るワイヤー型カソード４０を用いたＦＥＤ１０の基本構成を表す斜視図である。ガラスなどの絶縁材料で形成された絶縁性基板からなる背面板２０上に、帯状の複数の垂直アドレス電極３０が所定の間隔で並列に設けられている。垂直アドレス電極３０の長手方向が表示画面上では水平方向となり、垂直アドレス電極３０の長手方向と垂直な方向が表示画面上の垂直方向となる。垂直方向に沿って、垂直アドレス電極３０の上方100〜400μｍの位置に、複数のワイヤー型カソード４０が張られている。ワイヤー型カソード４０は、タングステンなどの金属導線やレニウム入りタングステンなどの合金導線の表面にＣＮＴが塗布されたものである。ワイヤー型カソード４０の作成方法については後述する。垂直アドレス電極３０とワイヤー型カソード４０との間隔は、後述する支持壁７０とワイヤー型カソード４０との交点部分に設けられた絶縁性のスペーサ５０により保たれている。

ガラスなどの絶縁材料で形成された絶縁性基板からなる表示基板６０は、背面板２０と対向する位置に設けられる。大画面化を可能とするために、耐大気圧対策として表示基板６０と背面板２０との間には一定間隔ごとに支持壁７０が設けられる。表示基板６０の背面板２０に対する対向面側には、赤、緑、青（ＲＧＢ）をそれぞれ発色する蛍光体からなる蛍光層８０が塗布されている。さらに、蛍光層８０の上には、アノード電極９０としてアノード用メタルバックが蒸着されている。

なお、蛍光層８０が有する各色の蛍光体の周囲にはカーボンブラックなどの非蛍光性の物質が塗布されたブラックマトリクス１００が設けられている。ブラックマトリクス１００により、電子ビームが蛍光体に当たらない所謂黒の状態でも外からの光で白っぽくなることが防止され、コントラストの向上が図られる。また、たとえば、赤の信号による電子ビームが赤の蛍光体の部分からはみ出した場合に、他の色の蛍光体が発色することを防止できるので、より鮮明な色を表示することが可能となる。

上述した支持壁７０の表示基板６０側は、ブラックマトリクス１００上を保持している。このため、表示画面上において支持壁７０による影がなくなり、見やすい画面を得ることができる。

（偏向方法）
図２は、ワイヤー型カソード４０から放出された電子ビームを偏向する構成及び方法を示す。各ワイヤー型カソード４０の両側に、偏向電極４２がそれぞれ設けられる。ワイヤー型カソード４０の直径φは0.1[mm]、ワイヤー型カソード４０と垂直アドレス電極３０との間隔Ｈａは0.4[mm]である。ワイヤー型カソード４０と偏向電極４２との間隔Ｄは0.9[mm]である。偏向電極４２の水平方向の幅Ｗは0.3[mm]、高さＨｂは0.7[mm]である。偏向電極４２と垂直アドレス電極３０との間隔Ｈｃは0.2[mm]である。

表示基板６０上には、ブラックマトリクス１００を間に挟んで、青色を発色する蛍光層８０ｂ、緑色を発色する蛍光層８０ｇ及び赤色を発色する蛍光層８０ｒが順に繰り返し設けられる。各ワイヤー型カソード４０に対しては、蛍光層８０ｂ、蛍光層８０ｇ及び蛍光層８０ｒの組み合わせが計３組設けられる。表示基板６０上の各ワイヤー型カソード４０と正対する位置には、蛍光層８０ｇが設けられる。蛍光層８０ｂ、蛍光層８０ｇ及び蛍光層８０ｒの間隔Ｅは0.3[mm]である。

図２では、１本のワイヤー型カソード４０から出る電子ビーム４４は９本描かれているが、実際には、１本のワイヤー型カソード４０からは、１本の電子ビーム４４が放出される。すなわち、ワイヤー型カソード４０両側の偏向電極４２にともに0[V]の電圧を印加すると、ワイヤー型カソード４０に正対する蛍光層８０ｇの方向へ電子ビーム４４が放射される。ワイヤー型カソード４０両側の偏向電極４２にともに所定の負の電圧を印加すると、電子ビーム４４は集束されて蛍光層８０ｇのみに衝突し、緑色のみが発色する。以下、電子ビーム４４を集束させる電圧を集束電圧とよぶ。

ワイヤー型カソード４０に対し一方の偏向電極４２に正の偏向電圧をその集束電圧に重畳させ、他方の偏向電極４２に負の偏向電圧を重畳させると電子ビーム４４は、正の偏向電圧を重畳した偏向電極４２の方へ偏向される。ワイヤー型カソード４０の両側の偏向電極４２に極性の反転した鋸歯状波+集束電圧を印加すると、電子ビーム４４は連続的に水平方向に走査される。水平方向の走査に加えて、電子ビーム４４の量をワイヤー型カソード４０の電位の変化により制御するとともに、垂直アドレス電極３０の電圧制御による垂直走査を行うことにより、画像の表示が可能となる。
なお、図２の説明における各構成の寸法等は例示であり、当業者による設計変更が可能であることはいうまでもない。

（ワイヤー型カソード作成法）
（１．ＣＮＴの塗布）
ワイヤー型カソードの材質としてタングステンを用いる。この他、ワイヤー型カソードの材質としてレニウム入りタングステンなども適用可能である。

ワイヤー型カソードの直径は0.05[mm]〜0.1[mm]が望ましい。ワイヤー型カソードの直径が0.05[mm]より細くなると、電子放出の表面積が少なくなるため、輝度が低下する。一方、ワイヤー型カソードの直径が0.1[mm]より太くなると、後述するエージングにおいて電流を多く流す必要が生じる。また、ワイヤー型カソードから出る電子ビームが集束しにくくなる。

約5[ｇ]の銀ペーストと約0.02[ｇ]のＣＮＴを混練して混合液を作成する。銀ペーストに代えて、銀以外の金属や、カーボンなどの導電性物質を含有する導電性ペーストを用いることもできる。ワイヤー型カソードの表面に混合液を塗布する。混合液の塗布は、抽出法やディップ法などが適用可能である。

（２．エージング）
ＣＮＴを塗布したワイヤー型カソードをエージング装置にセットする。なお、エージング装置の基本的な構造は図１に示したＦＥＤ１０と同様である。エージング装置の寸法は、たとえばアドレス電極とワイヤー型カソードとの間隔を0.5[mm]、ワイヤー型カソードとアノード電極との間隔を4.5[mm]とする。エージング装置を真空排気装置内に装着し、真空度が約10^-5[Pa]になるまで排気する。

アノード電極に5[kV]の電圧を印加した状態で、ワイヤー型カソードに電流を少しずつ流して、ワイヤー型カソードを加熱する。この時点で、アノード電極側の蛍光層に数点の発光が観察される。アノード電圧を少しずつ下げていくと、蛍光層の発光領域が広がる。アノード電圧が2[kV]になり、ワイヤー型カソードの温度が約１２００[℃]まで上昇させたところでエージングを止める。この時点で、蛍光層の発光が均一になる。このときワイヤー型カソードに流れるヒーティング電流は１〜２[A]である。なお、ワイヤー型カソードの加熱温度は、約1000〜1400[℃]が好適である。加熱温度が1000[℃]より低いと、電子ビームの放出が充分でないという問題が生じ、加熱温度が1400[℃]より高いと、ワイヤー型カソードが溶融してきれてしまう。

蛍光層が均一に発光したところで、エージングをやめる。その後ワイヤー型カソード電流を0[A]にしてもアノード電圧を5[kV]印加すると均一な発光が得られる。

なお、一般的に、カソード作成においては400[℃]のベーキングが行われるが、本発明においては、電界をかけた状態で1200[℃]の高温でエージングした結果、均一な発光を得ることができた。このワイヤー型カソードをディスプレイ用の基板にセットし集束・偏向などすれば、テレビ画面を表示することができる。この場合、ワイヤー型カソードを一旦空気中に曝すことになるが特に問題はない。

（変調方法）
高精細ディスプレイの場合、高解像度を満たすためにはワイヤー型カソード間隔は0.3[mm]必要である。しかし、ワイヤー型カソード間隔を狭めると、ワイヤー型カソードが互いに干渉する可能性が大きくなる。この点については、図３に示すような変調方法を用いることにより、干渉を防止しつつ、高解像度を確保することができる。図３は、ＦＥＤ１０の水平方向の断面を示す。図３の1st、2nd、3rd…は、奇数番目と偶数番目のワイヤー型カソード４０の電位を示している。より具体的には、1stでは、奇数番目のワイヤー型カソード４０をプラス電位、たとえば5[V]に固定することにより、干渉防止用カソードとして機能させる。一方、偶数番目のワイヤー型カソード４０に0[V]〜干渉防止用カソードに印加したプラス電位の間の電圧、たとえば0[V]を印加することにより、電子放出用カソードとして機能させて、電子を放出させる。続いて、2ndでは、偶数番目のワイヤー型カソード４０をプラス電位、たとえば5[V]に固定し（干渉防止用カソード）、奇数番目のワイヤー型カソード４０を0[V]に固定することにより、奇数番目のワイヤー型カソードから電子が放出される（電子放出用カソード）。干渉防止用カソードと電子放出用カソードとを切り替える周期は31.75[μsec]である。このように、奇数番目と偶数番目のワイヤー型カソード４０の電圧を交互に切り替えることにより、ワイヤー型カソード４０同士の干渉を防止しつつ、水平方向の高解像度を確保することができる。

実際に、電子放出用カソードから電子が放出されるか否かは、ワイヤー型カソード４０の背部に設けられ、垂直方向の走査を行うための垂直アドレス電極３０の電位を制御することにより決められる。

図４は、電子ビーム放出時のワイヤー型カソード４０周囲の電位分布の状態を示す。垂直アドレス電極３０に-10[V]印加したときに、ワイヤー型カソード４０のうち電子放出用カソード付近の等電位線の間隔が密になることで電界強度が強くなる。これにより、電子放出用カソードから電子が放出される。

図５は、カットオフ時のワイヤー型カソード４０周囲の電位分布の状態を示す。垂直アドレス電極３０に-30[V]印加した場合には、ワイヤー型カソード４０のうち電子放出用カソード付近の等電位線の間隔が疎になることで電界強度が弱くなる。このため、電子放出用カソードから電子は放出されない。

表１に、干渉防止用カソード電圧、電子放出用カソード電圧、垂直アドレス電極の電圧と電子放出状態との関係をまとめた。条件１及び３では、電子放出用カソードの電圧は電子放出が可能な状態であるが、条件３では垂直アドレス電極の電圧が-30[V]となっているため、電子放出用カソードから電子は放出されない。条件２及び４では、電子放出用カソードの電圧は電子放出が不可能な状態であり、垂直アドレス電極の電圧に拘わらず、電子放出用カソードから電子は放出されない。この結果、条件１のみが電子放出が可能な状態となることがわかる。表１から理解されるように、干渉防止用カソード電圧、電子放出用カソード電圧、垂直アドレス電極の電圧を|30|[V]以下に抑えた状態で、電子の放出とカットオフとが制御可能である。

実施形態に係るワイヤー型カソードを用いたＦＥＤの基本構成を表す斜視図である。 ワイヤー型カソードから放出された電子ビームを偏向する構成及び方法を示す図である。 ワイヤー型カソードに印加する電圧の変調方法を示す図である。 電子ビーム放出時のワイヤー型カソード周囲の電位分布の状態を示す図である。 カットオフ時のワイヤー型カソード周囲の電位分布の状態を示す図である。

符号の説明

１０ ＦＥＤ、２０ 背面板、３０ 垂直アドレス電極、４０ ワイヤー型カソード、５０ スペーサ、６０ 表示基板、７０ 支持壁、８０ 蛍光層、９０ アノード電極、１００ ブラックマトリクス。

Claims (5)

1. 絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板上に並列して設けられた複数の垂直アドレス電極と、
   前記複数の垂直アドレス電極の上方に、前記複数の垂直アドレス電極の並列方向と垂直な方向に並列して設けられた複数のワイヤー型カソードと、
   前記絶縁性基板と支持壁を介して対向し、前記絶縁性基板との対向面側にアノード電極及び蛍光体層を有する表示基板と、
   を備え、
   前記ワイヤー型カソードが表面にカーボンナノチューブを有する金属または合金のワイヤーであることを特徴とするフィールドエミッション型表示装置。
2. 前記支持壁が前記絶縁性基板上の前記蛍光体層の周囲に設けられたブラックマトリクス部分で前記表示基板を支持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型表示装置。
3. 前記ワイヤー型カソードの両側に偏向電極を有し、
   一方の前記偏向電極に印加する電圧と、他方の前記偏向電極に印可する電圧との電圧差を正にすることにより、一方の前記偏向電極の方へ前記ワイヤー型カソードから放出された電子ビームを偏向す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型表示装置。
4. フィールドエミッション型表示装置に用いられるワイヤー型カソードの製造方法であって、
   金属又は合金のワイヤーにカーボンナノチューブを混練した導電性ペーストを塗布する工程と、
   前記導電性ペーストが塗布された前記ワイヤーに電界を印加するとともに、前記ワイヤーを1000〜1400[℃]に加熱する工程と、
   を備えることを特徴とするワイヤー型カソードの製造方法。
5. 請求項１又は２に記載のフィールドエミッション型表示装置に用いられるワイヤー型カソードに印加する電圧の変調方法であって、
   前記複数のワイヤー型カソードに正の所定電圧と、0[V]から前記正の所定電圧まで範囲の電圧を１本ずつ交互に印加し、前記２通りの電圧を所定の周期で切り替えることを特徴とするワイヤー型カソード印加電圧の変調方法。

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