JP2008060037A - 電子エミッタの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子エミッタの寿命特性を向上させる駆動方法を提供すること。
【解決手段】本電子エミッタの駆動方法は、陽極１４と対向配置された電子エミッタ１８の駆動方法であって、陽極１４と電子エミッタ１８との間に電界を印加するための駆動電圧の波形中に、当該波形の立ち上がり初期段階に電子エミッタ１８の微細突起１８ｂを選択的に電界蒸発させて安定化処理するための波形を含ませる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電界放射を行うのに適した形状を備えたｎｍオーダーの微細突起を多数備えた電子エミッタを駆動する方法に関するものである。

上記電子エミッタには、特許文献１等で基板上にシリコンや金属を微小な円錐状に形成したスピント型の構造のものや、特許文献２等で基板上にカーボンナノチューブを形成した構造のものや、その他が知られている。このような電子エミッタの１つの用途として当該電子エミッタをガラス管内で真空封止した状態で陽極と対向配置すると共にこの陽極上に蛍光体を積層したフィールドエミッションランプがある。

このフィールドエミッションランプでは、電子エミッタに電界が印加されカーボンナノチューブ等の微細突起表面から電子放出が行われ、この放出した電子が蛍光体に衝突してこれを発光させることができるようになっている。

上記した微細突起のアスペクト比が不均等な場合では、アスペクト比が特定の微細突起に電界集中が起こって電子放出が行われて、その微細突起が他の微細突起よりも早期に熱蒸発により消耗し、次に別のアスペクト比の微細突起に電界集中が起こるというごとく、電子放出物性が不安定となって発光のちらつきや発光の不均一といった不具合が発生する上に寿命特性も短く不安定化してしまう。
特開平１０−２２３１２８号公報 特開２００５−３１７４１５号公報

本発明により解決すべき課題は、電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させる駆動方法を提供することである。

本発明第１にかかる電子エミッタの駆動方法は、真空容器内において陽極と対向配置されかつ表面に電界放射が可能な複数の微細突起を備え陽極との間で電界を印加されて微細突起から陽極に向けて電子を放出させる電子エミッタに対してその駆動方法において、上記陽極と電子エミッタとの間に上記電界を印加するための駆動電圧の波形中に、当該波形の立ち上がり初期段階に上記電子エミッタの微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させる波形を含ませることを特徴とするものである。ここで、電界蒸発とは、数Ｖ／ｎｍ程度の高い電界下で導電性物質の原子が表面からイオン化される現象である。

本発明第１では、電子エミッタから電界放射により電子放出させるため陽極と電子エミッタとの間に印加する駆動電圧の波形の立ち上がり初期段階に微細突起を選択的に電界蒸発させて安定化処理するようにしたから、電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させることができる。

本発明第２による電子エミッタの駆動方法は、電界放射が可能な複数の微細突起を備え陽極との間で電界を印加されて微細突起から陽極に向けて電子を放出させる電子エミッタを駆動する方法において、上記陽極と電子エミッタとの間に上記電界を印加するための駆動電圧が正極性でかつ周期的に繰り返される周期的電圧であり、この周期的電圧は、その立ち上がり初期段階の波形が波高値が当該初期段階の後に続く他の段階の波形より正極性側に高くされて上記微細突起に高電界を印加して当該微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させる波形とされていることを特徴とするものである。

本発明第２では、電子エミッタから電界放射により電子放出させるため陽極と電子エミッタとの間に印加する駆動電圧の波形の立ち上がり初期段階に微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの寿命特性を安定化させるようにしたから、電子エミッタの寿命を格段に延ばすことができるようになる。この場合、その駆動電圧が正極性でかつ周期的に繰り返される周期的電圧であり、この周期的電圧は、その立ち上がり初期段階の波形が波高値が当該初期段階の後に続く他の段階の波形より正極性側に高くされて上記微細突起に高電界を印加して当該微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させる波形とされているから、駆動中、周期的に継続して電子エミッタの寿命特性を安定化させることができ、従来よりも格段に電子エミッタの電子放出物性の安定化ならびに寿命特性の向上を達成することができるようになる。

本発明第３による電子エミッタの駆動方法は、電界放射が可能な複数の微細突起を備え陽極との間で電界を印加されて微細突起から陽極に向けて電子を放出させる電子エミッタを駆動する方法において、上記陽極と電子エミッタとの間に上記電界を印加するための駆動電圧が正極性でかつ周期的に繰り返される周期的電圧であり、この周期的電圧はその立ち上がり初期段階の波形がその波高の絶対値が当該初期段階の後に続く他の段階の正極性の波形より負極性側に高くされて上記微細突起に高電界を印加して当該微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させる波形とされていることを特徴とするものである。

本発明第３では、電子エミッタから電界放射により電子放出させるため陽極と電子エミッタとの間に印加する駆動電圧の波形の立ち上がり初期段階に微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させるようにしたから、電子エミッタの電子放出が良好になると共にその寿命を格段に延ばすことができるようになる。この場合、その駆動電圧が正極性でかつ周期的に繰り返される周期的電圧であり、この周期的電圧はその立ち上がり初期段階の波形がその波高の絶対値が当該初期段階の後に続く他の段階の正極性の波形より負極性側に高くされて上記微細突起に高電界を印加して当該微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの寿命特性を安定化させる波形とされているから、従来よりも格段に電子エミッタの電子放出物性の安定化ならびに寿命特性の向上を達成することができるようになる。

本発明の好適な一態様は、上記駆動電圧はパルス状であり、その立ち上がり初期段階の波高値は、電子エミッタの微細突起が電界蒸発し易く安定化することができる電圧値以上に設定し、その初期段階以降の波高値は電子エミッタの微細突起が電界蒸発しにくく電界電子放出することができる電圧値以下に設定することである。

本発明によれば、電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させるよう電子エミッタを駆動することができる。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施の形態に係る電子エミッタの駆動方法を詳細に説明する。この電子エミッタが組み込まれる電子デバイスは一例としてフィールドエミッションランプに適用しているが、実施形態の駆動方法が適用される電子デバイスはフィールドエミッションランプに限定されない。また、フィールドエミッションランプも管状に限定されずフラットパネルタイプも含むことができる。

図１はそのフィールドエミッションランプ１０を模式的に示し、真空封止されたガラス管１２の内面に陽極１２が形成され、この陽極１２上に蛍光体１６が積層されている。ガラス管１２の略中心に当該ガラス管長手方向にワイヤ状の電子エミッタ１８が配設されている。この電子エミッタ１８は、導体ワイヤ１８ａの表面に炭素膜からなるｎｍオーダーの鋭端を持つ微細突起１８ｂが形成されて構成されている。この微細突起１８にはカーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、針状炭素膜、その他がある。微細突起１８ｂは金属膜で構成されても構わない。

このフィールドエミッションランプ１０においては、陽極１２と電子エミッタ１８との間に図示略の電源が印加されることにより電子エミッタ１８の微細突起１８ｂが電界放射により電子放出し、蛍光体１６がその放出した電子の照射を受けて励起発光するようになっている。

図２にその電子エミッタ１８を拡大して示す。図２は図解の理解のため模式的に誇張して示している。図２で示すように実施形態における導体ワイヤ１８ａ上の微細突起１８ｂは、カーボンナノチューブやカーボンナノウォールやその他の炭素膜になっている。図２で示す微細突起１８ｂは安定化処理前としてアスペクト比が不揃いの状態で示されている。この微細突起は炭素膜に限定されず、金属膜から構成されたものでもよい。

図３に電源から陽極１４と電子エミッタ１８との間に印加して電子エミッタ１８を駆動する駆動電圧の波形を示す。図３で横軸は時間（ｔ）、縦軸は電圧（Ｖ）を示す。この駆動電圧波形は、パルス状であり、駆動電圧を印加する期間である駆動期間Ｔｏｎと、駆動電圧の印加を停止させる期間である停止期間Ｔｏｆｆとが交互に周期的に繰り返されるようになっている。駆動期間Ｔｏｎにおける駆動電圧の波形は全体が、正極性でかつ周期的に繰り返される周期的電圧であり、その立ち上がり初期段階が安定化処理段階Ｔａとされその波高値Ｖａが当該安定化処理段階Ｔａの後に続く他の段階である駆動段階Ｔｄの波高値Ｖｂより正極性側に高くされている。これにより、電子エミッタ１８の微細突起１８ｂには駆動電圧の立ち上がり毎の初期段階で高電界が印加されることとなって当該微細突起１８ｂは選択的に電界蒸発されてそのアスペクト比が全体的に均等化処理される。

上記波高値Ｖａは、電子エミッタ１８の微細突起１８ｂが電界蒸発し易く均等化処理することができるような電圧値以上に設定することが好ましい。上記波高値Ｖｂは電子エミッタ１８の微細突起１８ｂが電界蒸発しにくく電界電子放出することができるような電圧値以下に設定することが好ましい。

駆動期間Ｔｏｎは安定化処理段階Ｔａと駆動段階Ｔｂとの組み合わせである。この安定化処理について説明すると、実施形態では安定化処理段階Ｔａを極めて短時間としてこの安定化を主に電界蒸発により行うようになっている。微細突起１８ｂを電界蒸発により安定化処理すると、微細突起１８ｂ全体のアスペクト比が均等化され、電界に対して不安定な部分が除去されて、電子放出物性が極めて安定化するようになる。

図４に図２で示す電子エミッタ１８に対して安定化処理した後の電子エミッタ１８を示す。この安定化処理により、電子エミッタ１８表面の微細突起１８ｂは電界蒸発により全体のアスペクト比が均等化され、電界に対して不安定な部分が除去されて、電子放出物性および寿命特性が安定化した電子エミッタ構成となっている。

ここで図５を参照して電界蒸発による安定化処理の原理を説明する。まず、安定化処理に用いる電極（陽極）１４と電子エミッタ１８との対向距離をｄとし、直流電源２０の電圧をＶとすると、この陽極１４と電子エミッタ１８全体における平均電界Ｅ１はＶ／ｄで与えられる。この場合、電子エミッタ１８表面の微細突起１８ｂを構成する原子を飛び出させるのに必要な電界はＶ／ｎｍオーダーであることが必要とされている。この場合、微細突起１８ｂはアスペクト比が不均等であるため、局所的に特定の微細突起１８ｂに電界集中が発生することが起こる。このような場合において個々の微細突起１８ｂに印加される局所電界Ｅ２は、ファウラノルドハイム（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）の式における電界集中係数βを用いてＥ１・βで与えられる。この電界集中係数βは微細突起１８ｂの先端が鋭利であるほど大きい値になるが約１０００程度以上であるから、陽極１４と電子エミッタ１８との対向距離ｄをμｍオーダーに設定すると、電子エミッタ１８に電源２０から上記高電圧を印加することにより、微細突起１８ｂ表面にはＶ／ｎｍオーダーの高電界が印加されることとなって微細突起１８ｂ表面から原子が飛び出されて微細突起１８ｂが電界蒸発される。その結果、微細突起１８ｂのアスペクト比は均等化されてくるようになり、寿命特性が向上する。

以上により実施形態では駆動電圧の立ち上がり初期段階を安定化処理段階Ｔａとして駆動電圧の波高値をＶａに高く設定することにより微細突起を安定化処理し、その次の駆動段階Ｔｂで駆動電圧の波高値をＶｂに低く設定して電子エミッタの微細突起から電子放出させるので、寿命特性が格段に向上する。

図６に実施形態により安定化処理した場合の電子エミッタの寿命特性を示し、図７に安定化処理しなかった場合の電子エミッタの寿命特性を示す。

図６（ａ）は実施形態における駆動電圧の波形、図６（ｂ）は実施形態において電流の波形を示す。実施形態では、図６（ａ）で示すように駆動電圧の立ち上がり初期の期間Ｔａで安定化処理を行ってから次の期間Ｔｂで駆動した場合では、図６（ｂ）で示すように立ち上がり初期の期間Ｔａでは安定化処理により若干の電流減少が見られても、次の期間Ｔｂでは電流が増加しており、電子エミッタの寿命が大幅に延びることが示されている。

図７（ａ）は従来における駆動電圧の波形、図７（ｂ）は従来における電流の波形を示す。従来では図７（ａ）で示すように駆動電圧の全期間Ｔｏｎで駆動しており安定化処理していないため、図７（ｂ）で示すように、駆動電圧で電子エミッタを駆動する毎に電流に減少が見られて寿命特性が低下してきていることが示されている。

上記の駆動電圧のパルス波形としては図８で示すようにその立ち上がり初期の期間Ｔａを負極性電圧とし、この負極性電圧により電界蒸発させて安定化処理を施すようにしてもよい。

また駆動電圧の波形として図９で示すように正弦波であってもよい。そして、駆動電圧の立ち上がり初期段階を正弦波の両極性のうち負極性半波側を安定化処理段階Ｔａとしてその波高値をＶａに高く設定し、正極性側半波側を駆動段階Ｔｂとすることができる。

以上のように実施形態では、電子エミッタ１８から電界放射により電子放出させるため陽極１４と電子エミッタ１８との間に印加する駆動電圧の波形の立ち上がり初期段階に微細突起１８ｂを選択的に電界蒸発させて安定化処理するようにしたから、電子エミッタ１８の寿命を格段に延ばすことができる。

図１はフィールドエミッションランプの構成を示す図である。 図２は図１のフィールドエミッションランプにおいて安定化処理前の電子エミッタを拡大して示す図である。 図３は陽極と電子エミッタとの間に印加される駆動電圧の波形を示す図である。 図４は安定化処理した電子エミッタを拡大して示す図である。 図５は電界蒸発の説明に用いる図である。 図６（ａ）は駆動電圧の立ち上がり初期に安定化処理波形を含む駆動電圧の波形を示す図、図６（ｂ）は図６（ａ）の駆動電圧で駆動した場合の電子エミッタの時間に対する電流特性を示す図である。 図７（ａ）は駆動電圧の立ち上がり初期に安定化処理波形を含まない駆動電圧の波形を示す図、図７（ｂ）は図７（ａ）の駆動電圧で駆動した場合の電子エミッタの時間に対する電流特性を示す図である。 図８は他の駆動電圧の波形を示す図である。 図９はさらに他の駆動電圧の波形を示す図である。

符号の説明

１０ 電子エミッタ
１２ ガラス管
１４ 陽極
１６ 蛍光体
１８ 電子エミッタ
１８ａ 導体ワイヤ
１８ｂ 微細突起

Claims (4)

1. 電界放射が可能な複数の微細突起を備え陽極との間で電界を印加されて微細突起から陽極に向けて電子を放出させる電子エミッタを駆動する方法において、
   上記陽極と電子エミッタとの間に上記電界を印加するための駆動電圧の波形中に、当該波形の立ち上がり初期段階に上記電子エミッタの微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させる波形を含ませる、ことを特徴とする電子エミッタの駆動方法。
2. 電界放射が可能な複数の微細突起を備え陽極との間で電界を印加されて微細突起から陽極に向けて電子を放出させる電子エミッタを駆動する方法において、
   上記陽極と電子エミッタとの間に上記電界を印加するための駆動電圧が正極性でかつ周期的に繰り返される周期的電圧であり、
   この周期的電圧は、その立ち上がり初期段階の波形が波高値が当該初期段階の後に続く他の段階の波形より正極性側に高くされて上記微細突起に高電界を印加して当該微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させる波形とされている、ことを特徴とする電子エミッタの駆動方法。
3. 電界放射が可能な複数の微細突起を備え陽極との間で電界を印加されて微細突起から陽極に向けて電子を放出させる電子エミッタを駆動する方法において、
   上記陽極と電子エミッタとの間に上記電界を印加するための駆動電圧が正極性でかつ周期的に繰り返される周期的電圧であり、
   この周期的電圧はその立ち上がり初期段階の波形がその波高の絶対値が当該初期段階の後に続く他の段階の正極性の波形より負極性側に高くされて上記微細突起に高電界を印加して当該微細突起を選択的に電界蒸発させて電子エミッタの電子放出物性および寿命特性を安定化させる波形とされている、ことを特徴とする電子エミッタの駆動方法。
4. 上記駆動電圧はパルス状であり、その立ち上がり初期段階の波高値は、電子エミッタの微細突起が電界蒸発し易く安定化処理することができる電圧値以上に設定し、
   その初期段階以降の波高値は電子エミッタの微細突起が電界蒸発しにくく電界電子放出することができる電圧値以下に設定する、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電子エミッタの駆動方法。

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