JP2008305769A - 冷陰極電子源 - Google Patents

Abstract

【課題】エミッタからの電子放出効率を高くし、発光効率に優れた冷陰極電子源の構造を提供すること。
【解決手段】電界電子放出するエミッタを備えたカソード電極と該エミッタからの電子放出を制御するゲート電極とを絶縁領域を介在させて離隔配置した冷陰極電子源において、カソード電極の電極幅をＷｋ、ゲート電極の電極幅をＷｇとして、上記両電極の電極幅比Ｗｋ／ＷｇがＷｋ／Ｗｇ≦１の式を満たした構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界電子放出するエミッタを有するカソード電極と、エミッタからの電子放出を制御するゲート電極と、を絶縁基板表面に一定の距離を隔てて設置した冷陰極電子源に関するものである。

上記冷陰極電子源では、基板上にゲート電極をカソード電極の両側に設置すると共にこれら電極を蛍光体付きのアノード電極と対向配置し、全体で発光素子を構成することができる。これらは電極がゲート電極とカソード電極とアノード電極との３つから構成されているので一般的にはトライオード構造の発光素子と称されている（非特許文献１）。このトライオード構造の発光素子では、ゲート電極をカソード電極に対して基板表面からの電極高さ位置を同一に配置したインプレーンタイプやパラレルタイプなどがある。

このトライオード構造においてカソード電極上のエミッタが、例えばナノカーボン材料を印刷法により形成して構成されているものである場合、エミッタからの電子放出効率が低く、それゆえ印加電力（Ｗ）に対する発光強度（ｌｍ）の割合である発光効率（ｌｍ／Ｗ）が低いことが課題となっていた。
KIM(LG Electronics)et al.,JJAP,44,15(2005)pp.L454

本発明においては、カソード電極とゲート電極とを絶縁領域を介在させて離隔配置した冷陰極電子源において、カソード電極への電界集中を促進してエミッタからの電子放出特性を向上することにより発光効率に優れた冷陰極電子源の構造を提供するものである。

本発明による冷陰極電子源は、電界電子放出するエミッタを備えたカソード電極と該エミッタからの電子放出を制御するゲート電極とを絶縁領域を介在させて電極幅方向に離隔配置した冷陰極電子源において、上記カソード電極の電極幅をＷｋ、ゲート電極の電極幅をＷｇとして、上記両電極の電極幅比Ｗｋ／ＷｇがＷｋ／Ｗｇ≦１の式を満たしていることを特徴とするものである。

この冷陰極電子源はトライオード構造のパラレルタイプだけでなく、インプレーンタイプ、オーバーゲートタイプ等も含む。

なお、トライオード構造には、ゲート電極をカソード電極に対して基板表面からの電極高さ位置を同一に配置したインプレーンタイプやパラレルタイプと、ゲート電極をカソード電極よりも電極高さ位置を高く配置したオーバーゲートタイプと、ゲート電極をカソード電極よりも電極高さ位置を低く配置したアンダーゲートタイプがある。

インプレーンタイプの発光素子では、ゲート電極の電位をカソード電極の電位と同電位に制御しアノード電圧の印加により電子放出層から電子を引き出すと共に蛍光体に向けて加速衝突させて蛍光体を励起発光させる一方、ゲート電極の電位をカソード電極に対して負の電位に制御してアノード電圧による電子放出層からの電子引き出しを抑制して上記蛍光体の励起発光状態を停止させるようになっている。

また、インプレーンタイプ以外の上記他のタイプの発光素子では、ゲート電極の電位をカソード電極の電位に対して正の電位に制御して電子放出層から電子を引き出すと共にその引き出した電子をアノード電圧により蛍光体に向けて加速衝突させて蛍光体を励起発光させる一方、ゲート電圧の印加を停止して上記蛍光体の励起発光状態を停止させるようになっている。

本発明では、上記カソード電極とゲート電極との電極幅比Ｗｋ／ＷｇがＷｋ／Ｗｇ≦１の式を満たしているので、カソード電極上への電界集中が促進される結果、エミッタから電子放出をON・OFFさせるための印加電圧であるゲート電極へのゲート電圧を低減することができるようになり、冷陰極電子源としての電子放出効率を向上することが可能となる。

本発明の好適な一態様は、上記カソード電極の電極幅を２００μｍ以下とすることである。

本発明の好適な一態様は、上記ゲート電極をカソード電極の両側に設けることである。

上記エミッタを構成する電子放出材料は特に限定しないが、好ましくはナノカーボン材料からなる。このナノカーボン材料は特に限定しないが、ファイバ、粒子でもよい。ファイバとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノコイル、グラファイトナノファイバー、グラファイトリボン、などのファイバを例示することができる。電子放出材料には上記ファイバだけに限定されず、例えば、粒子形態でもよく、この形態としては例えばグラファイト粒子を挙げることができる。

本発明によれば、エミッタからの電子放出効率を高くすることができ、発光効率に優れた冷陰極電子源を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態に係る冷陰極電子源を説明する。

まず図１を参照して本実施の形態を説明する。図１はパラレルタイプのトライオード構造の冷陰極電子源の概略構成を示す。図１ではアノード電極は図示を略している。この冷陰極電子源は、紙面を垂直に貫通する方向に延びる基板Ｓを備える。この基板Ｓ材料は例えばガラスである。基板Ｓの表面に紙面を垂直方向に延びるカソード電極Ｋが配置されている。カソード電極Ｋの上面には紙面を垂直方向に単一に伸びるかないしは紙面を垂直方向に等間隔に点在する複数のエミッタＥが設けられている。エミッタＥはカソード電極Ｋ上に印刷法またはCVD法などにより形成されている。エミッタＥは好ましくはカーボンナノチューブで構成されている。基板の表面でカソード電極Ｋの図中左右方向である電極幅方向両側にゲート電極Ｇ１，Ｇ２が絶縁領域を介在して離隔配置されている。これらカソード電極Ｋとゲート電極Ｇ１，Ｇ２とに図上方位置で図示略のアノード電極が平行に対向配置される。これらアノード電極、カソード電極Ｋ、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２は図示略のケーシング内に真空封止されている。

上記冷陰極電子源は、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の電位をカソード電極Ｋの電位に対して正の電位に制御してエミッタＥから電子を引き出すと共にその引き出した電子を図示略のアノード電極にアノード電圧を印加することによりアノード電極の電極面上の蛍光体に加速衝突させて該蛍光体を励起発光させる一方、ゲート電圧の印加を停止して蛍光体の励起発光状態を停止させるようになっている。

以上の構成を備えた実施の形態の冷陰極電子源では、カソード電極Ｋの電極幅をＷｋ、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の電極幅をＷｇとして、これらカソード電極Ｋとゲート電極Ｇ１，Ｇ２との電極幅比Ｗｋ／ＷｇがＷｋ／Ｗｇ≦１の式を満たした冷陰極電子源としたことに特徴を備える。この場合、カソード電極Ｋの電極幅は２００μｍ未満であることが好ましく、より好ましくは１００μｍ以下である。２００μｍ以上では駆動電圧が高くなり好ましくない。

図２（ａ）−（ｄ）を参照して上記電極幅比を説明する。図２（ａ）−（ｄ）において横軸はカソード電極Ｋ中央直上（Ｘ＝０）からの右側方向の距離（μｍ）を示し、縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ²）を示す。

図２（ａ）はカソード電極Ｋの電極幅５０μｍとゲート電極Ｇ１，Ｇ２の電極幅２００μｍとし両電極の電極幅比Ｗｋ／Ｗｇが５０／２００のときのカソード電極上の放出電流密度分布を示す。実線はゲート電極Ｇ１，Ｇ２のゲート電圧が２００Ｖのとき、点線はゲート電圧が１００Ｖのとき、一点鎖線はゲート電圧が０Ｖのときの放出電流密度である。

図２（ａ）での電極幅比Ｗｋ／Ｗｇは５０μｍ／２００μｍであり、カソード電極Ｋの電極幅は、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の電極幅の１／４である。図２（ａ）ではゲート電圧が１００Ｖは冷陰極電子源が動作（ＯＮ）していて、ゲート電圧が０Ｖは冷陰極電子源が動作停止（ＯＦＦ）している。ゲート電圧が１００ＶのＯＮ時でのカソード電極中央付近の電流密度は１００μＡ／ｃｍ²以上であり、ゲート電圧が０ＶのＯＦＦ時でのカソード電極中央付近の電流密度は２μＡ／ｃｍ²程度であり、このＯＮ／ＯＦＦの電流密度比率は５０倍以上になっている。

図２（ｂ）はカソード電極Ｋの電極幅１００μｍ、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の電極幅１５０μｍとし両電極の電極幅比Ｗｋ／Ｗｇが１００／１５０のときのカソード電極上の放出電流密度分布を示す。図２（ａ）と同様にしてゲート電圧が１００ＶのＯＮ時でのカソード電極中央付近の電流密度は１０μＡ／ｃｍ²以上であり、ゲート電圧が０ＶのＯＦＦ時でのカソード電極中央付近の電流密度は２μＡ／ｃｍ²程度であり、このＯＮ／ＯＦＦの電流密度比は５倍以上になっている。

図２（ｃ）はカソード電極Ｋの電極幅１０μｍ、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の電極幅２４０μｍとし、両電極の電極幅比Ｗｋ／Ｗｇが１０／２４０のときのカソード電極上の放出電流密度分布を示す。図２（ａ）と同様にしてゲート電圧が１００ＶのＯＮ時でのカソード電極中央付近の電流密度は１００ｍＡ／ｃｍ²以上であり、ゲート電圧が０ＶのＯＦＦ時でのカソード電極中央付近の電流密度は１ｍＡ／ｃｍ²程度であり、このＯＮ／ＯＦＦの電流密度比は１００倍以上になっている。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）はいずれもこれらカソード電極Ｋとゲート電極Ｇ１，Ｇ２との電極幅比Ｗｋ／ＷｇがＷｋ／Ｗｇ≦１の式を満たした冷陰極電子源である。

図２（ｄ）はカソード電極Ｋの電極幅２００μｍ、ゲート電極Ｇ１，Ｇ２の電極幅５０μｍで両電極の電極幅比Ｗｋ／Ｗｇが２００／５０であり、Ｗｋ／Ｗｇ≦１の式を満たしていない。図２（ｄ）の場合、ゲート電圧が１００ＶのＯＮ時でのカソード電極中央付近の電流密度は５μＡ／ｃｍ²程度であり、ゲート電圧が０ＶのＯＦＦ時でのアノード電極へ到達する電流密度は２μＡ／ｃｍ²程度であり、このＯＮ／ＯＦＦの電流密度比率は２．５倍程度にしかなっていない。この場合、ゲート電圧を２００ＶでＯＮにするとカソード電極中央付近の電流密度は１０μＡ／ｃｍ²以上になり、ＯＮ／ＯＦＦの電流密度比が５倍以上になっている。

以上のことからこの実施の形態では、カソード電極Ｋの電極幅Ｗｋとゲート電極Ｇ１，Ｇ２の電極幅Ｗｇとの電極幅比Ｗｋ／ＷｇがＷｋ／Ｗｇ≦１の式を満たした関係に設定することにより、ゲート電圧によるカソード電極Ｋからの放出電流密度のＯＮ，ＯＦＦ時での比率を大きくとれるので、電子放出量を制御するためのゲート電圧を低減することができる。その結果、カソード電極Ｋとゲート電極Ｇ１，Ｇ２とを絶縁領域を介在させて離隔配置した冷陰極電子源において、ゲート電圧を低減させても電界集中によりエミッタＥで電子放出を起こさせることができ、発光効率に優れた冷陰極電子源を得ることができるようになる。

図１は、本発明の実施の形態の冷陰極電子源の概略構成を示す断面図である。 図２は、（ａ）にカソード電極の電極幅Ｗｋとゲート電極の電極幅Ｗｇとの電極幅比率が５０／２００のときのカソード電極上の放出電流密度分布を示す図、（ｂ）にその電極幅比率が１００／１５０のときのカソード電極上の放出電流密度分布を示す図、（ｂ）にその電極幅比率が１０／２４０のときのカソード電極上の放出電流密度分布を示す図、（ｄ）にその電極幅比率が２００／５０のときのカソード電極上の放出電流密度分布を示す図である。

符号の説明

Ｓ 基板
Ｋ カソード電極
Ｅ エミッタ
Ｇ１，Ｇ２ ゲート電極

Claims (3)

1. 電界電子放出するエミッタを備えたカソード電極と該エミッタからの電子放出を制御するゲート電極とを絶縁領域を介在させて電極幅方向に離隔配置した冷陰極電子源において、
   上記カソード電極の電極幅をＷｋ、ゲート電極の電極幅をＷｇとして、上記両電極の電極幅比Ｗｋ／ＷｇがＷｋ／Ｗｇ≦１の式を満たしている、ことを特徴とする冷陰極電子源。
2. 上記カソード電極の電極幅が２００μｍ未満である、ことを特徴とする請求項１に記載の冷陰極電子源。
3. 上記ゲート電極が、カソード電極の両側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の冷陰極電子源。

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