JP2009016197A - 発光素子駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光状態にある発光素子を制御電極およびカソード電極への電圧印加制御により消光させる新規な駆動方法を提供すること。
【解決手段】電界放射により電子放出する電子放出層を備えたカソード電極と、このカソード電極と対向配置された蛍光体付きアノード電極と、上記電子放出層からの電子放出を制御する制御電極とを備えた発光素子に対して、アノード電極とカソード電極との電位差により電子放出層から電子を引き出すと共に蛍光体に加速衝突させて該蛍光体を励起して上記発光素子を発光させ、制御電極の電位をカソード電極の電位よりも低くして電子放出層上の電界を弱めて電子放出層から蛍光体への電子放出を抑制することにより当該蛍光体の励起を停止して上記発光素子を消光させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界放射により電子放出する電子放出層を備えたカソード電極と、このカソード電極と対向配置された蛍光体付きアノード電極と、上記電子放出層からの電子放出を制御する制御電極とを備え、アノード電圧により電子放出層から電子を引き出し蛍光体に向けて加速衝突させて蛍光体を発光させる発光素子に対する駆動方法に関するものである。

上記発光素子では、アノード電圧によりカソード電極上の電子放出層から電子を引き出すと共にこの引き出した電子をアノード電極に設けた蛍光体に加速衝突させて該蛍光体を励起発光させるものであり、アノード電圧により発光と消光とを制御するダイオード型と称することができる（特許文献１等参照）。

しかしながら、この従来のダイオード型の発光素子では発光、消光をカソード電極の電位とアノード電極の電位との電位差により制御するものであるので、引き出し電子量と加速電圧とを独立制御し難い。

このようなダイオード型に対してアノード電極とカソード電極との間に制御電極を配置し、この制御電極でカソード電極上の電子放出層から電子を引出すようにしたトライオード型の発光素子も提案されている（特許文献２，３等参照）。

なお、トライオード型としては、制御電極とカソード電極との基板表面からの電極高さ位置により以下の４タイプ、すなわち、制御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して両電極を基板表面に並設したインプレーンタイプおよびパラレルタイプと、制御電極をカソード電極よりも電極高さ位置を高くして当該両電極を基板表面に設置したオーバーゲートタイプと、制御電極をカソード電極よりも電極高さ位置を低くして当該両電極を基板表面に設置したアンダーゲートタイプとがある。

以上のトライオード型の発光素子の駆動方法における制御電極は、アノード電圧を印加して発光素子を消光させている状態から点灯させるのにプラス電位を印加する電極として用いられていた。
特開２００４−１７８８４１ 特開２００３−１００２０２ 特開平１１−０９６８９４

本発明は、上記トライオード型の発光素子における制御電極を、アノード電圧を印加して発光素子がすでに発光している状態から消光させるための電極として駆動させる新規な駆動方法を提供するものである。

本発明による発光素子駆動方法は、電界放射により電子放出する電子放出層を備えたカソード電極と、このカソード電極と対向配置された蛍光体付きアノード電極と、を備え、アノード電極にカソード電極の電位より高電位であるアノード電圧が印加されて蛍光体が発光する発光素子に対して、上記カソード電極と同一基板上に設置した制御電極の電位をカソード電極の電位よりも低くして上記蛍光体を消光させることを特徴とするものである。

カソード電極と、制御電極とを同一基板上に設置する態様には、上記したインプレーンタイプ、オーバーゲートタイプ、パラレルタイプ、アンダーゲートタイプのいずれのタイプにおける設置態様も含む。

本発明では、制御電極の電位をカソード電極の電位より低電位にするだけで発光素子を発光状態から消光状態に制御することができるようになる。

本発明の好適な一態様は、制御電極にマイナス電位を印加すると同時にカソード電極にゼロ電位またはプラス電位を印加することにより上記消光を行うことである。また本発明の好適な一態様は、制御電極にゼロ電位を印加すると同時にカソード電極にプラス電位を印加することにより上記消光を行うことである。

本発明の好適な一態様は、制御電極にゼロ電位を印加すると同時にカソード電極にゼロ電位またはマイナス電位を印加するか、制御電極にプラス電位を印加すると同時にカソード電極にゼロ電位またはマイナス電位を印加することにより、発光素子を消光状態から発光状態に制御することである。

以上の発光、消光のうち、制御電極とカソード電極とに電圧を分割して行う場合には、発光素子を低電圧で駆動することができるようになる。

また、発光時に制御電極にプラス電位を印加すると同時にカソード電極にゼロ電位またはマイナス電位を印加するか、制御電極にゼロ電位を印加すると同時にカソード電極にマイナス電位を印加することにより、電子放出層からの電子を拡げて蛍光体全体に照射させることができ、蛍光体の発光効率や均一発光性を向上させることができるようになる。

本発明の好適な一態様は、上記電子放出層がナノサイズの電子放出材料からなる電子放出層である。この電子放出材料は特に限定しないが、好ましくはナノサイズのカーボン系材料からなる。このカーボン系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。また、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。また、カソード電極を構成する電極表面上への電子放出材料の配置形態は特に限定しない。

本発明によれば、アノード電圧を印加して発光素子がすでに発光している状態のトライオード型発光素子に対して、制御電極の電位をカソード電極の電位よりも低い電位にすることにより、その発光状態から消光状態にすることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態に係る発光素子駆動方法を説明する。

図１に実施の形態に係る駆動方法が適用される発光素子の概略構成の一例を示している。この発光素子においては、絶縁基板Ｓ上にカソード電極Ｋが配置されている。このカソード電極Ｋ上には電子放出層Ｅが形成されている。また、カソード電極Ｋの両側それぞれの絶縁基板Ｓ上に該カソード電極Ｋと同一面内でかつ絶縁部分を隔てて一対の制御電極Ｃが配置されている。カソード電極Ｋには蛍光体Ｐ付きアノード電極Ａが対向配置されている。このアノード電極Ａとカソード電極Ｋとの対向空間は真空に密封されている。この発光素子では、基板Ｓ表面からの制御電極Ｃとカソード電極Ｋそれぞれの電極高さ位置は同一である。

そして、実施の形態の発光素子駆動方法では、アノード電極Ａにカソード電極Ｋの電位より高電位であるアノード電圧を印加して蛍光体Ｐが発光する発光素子に対して、カソード電極Ｋに並設した上記制御電極Ｃの電位をカソード電極Ｋの電位よりも低くして蛍光体Ｐを消光させるものである。

以下、上記発光素子の駆動方法を表１に具体的に示す。この表１で「−」はゼロ電位（接地電位）を印加することを示し、「マイナス印加」はゼロ電位を基準にしてマイナス電位を印加することを示し、「プラス印加」はゼロ電位に対してプラス電位を印加することを示す。この表１では駆動方法が１２通り示されている。

なお、アノード電極Ａにはカソード電極Ｋに対して高電位（例えば１０ｋＶ）がアノード電圧として印加されており電子放出層Ｅからは電子が引出されると共にこの引き出された電子はアノード電極Ａに向けて加速されて蛍光体Ｐに電子衝突することができるようになっている。この電子衝突で蛍光体Ｐが励起発光している状態は、発光素子が発光状態になっている。

そして実施の形態では、発光素子が発光状態にあるときに、上記したように制御電極Ｃの電位をカソード電極Ｋの電位よりも相対的に低くするが、これにより電子放出層Ｅ上の電界が弱くなり電子放出層Ｅから蛍光体Ｐへの電子放出が抑制され蛍光体Ｐは消光状態になる。

上記アノード電極Ａに対する高電位の印加に対して電子放出層Ｅからの電子放出を抑制して発光素子を消光状態に制御するには制御電極Ｃはカソード電極Ｋの電位より例えば３００Ｖ程度低いマイナス電位になっている必要がある。この電位の関係は相対的であるので、電位の組み合わせとしては、制御電極Ｃにマイナス電位、カソード電極Ｋにゼロ電位の組み合わせ、制御電極Ｃにゼロ電位、カソード電極Ｋにプラス電位の組み合わせ、制御電極Ｃにマイナス電位、カソード電極Ｋにプラス電位の組み合わせがある。

実施の形態による発光素子ではアノード電極Ａとカソード電極Ｋに加えて制御電極Ｃを備えたトライオード構造となっているが、電子放出層Ｅから電子を引出し、その電子を蛍光体Ｐに向けて加速させるのはアノード電極Ａとカソード電極Ｋとの間の電位差により制御するダイオードベースの発光素子であり、制御電極Ｃはこのような発光素子に対して、発光素子を消光させるための電位を制御する電極になっている。この意味から制御電極Ｃを電子引出しに用いると共にアノード電極Ａの電位が電子を加速させる電位とされる他のトライオード構造の発光素子とは異なるものである。

表１に基づいて発光素子の駆動方法を発光駆動と消光駆動とに分類して説明する。

（１）発光駆動に関して
駆動方法１，３，５では制御電極Ｃにゼロ電位、カソード電極Ｋにゼロ電位の組み合わせである。

駆動方法２，７，１１では制御電極Ｃにプラス電位、カソード電極Ｋにゼロ電位の組み合わせである。

駆動方法６，８，１２では、制御電極Ｃにゼロ電位、カソード電極Ｋにマイナス電位の組み合わせである。

駆動方法４，９，１０では、制御電極Ｃにプラス電位、カソード電極Ｋにマイナス電位の組み合わせである。

この組み合わせにおいて、制御電極Ｃとカソード電極Ｋに共にゼロ電位を印加する駆動方法１，３，５では図２で示すようにカソード電極Ｋとアノード電極Ａとの間の電界により生成される等電位線Ｌ１はカソード電極Ｋとアノード電極Ａとの平行対向面間で均等に発生して電子放出層Ｅから電子がアノード電圧によりアノード電極Ａに向けてその軌跡Ｌ２で示すようにほぼ垂直に引き出されて放出される。この放出された電子はアノード電圧により蛍光体Ｐに加速衝突され蛍光体Ｐが励起発光して発光素子が発光状態になる。

制御電極Ｃにプラス電位を印加する駆動方法２，７，１１および４，９，１０では図３で示すように、また、カソード電極Ｋにマイナス電位を印加する駆動方法６，８，１２および４，９，１０では図４で示すようにカソード電極Ｋとアノード電極Ａとの間の電界により生成される等電位線Ｌ１は電子放出層Ｅ周囲で上方に高く凸状になり電子放出層Ｅから電子はその軌跡Ｌ２で示すようにアノード電圧によりアノード電極Ａに向けて拡散する方向に引き出されて放出される。この放出された電子はアノード電圧により蛍光体Ｐに加速衝突され蛍光体Ｐが励起発光して発光素子が発光状態になる。

（２）消光駆動に関して
駆動方法１，２，６，９では制御電極Ｃにマイナス電位、カソード電極Ｋにゼロ電位を印加する組み合わせである。

駆動方法５，７，８，１０では制御電極Ｃにゼロ電位、カソード電極Ｋにプラス電位を印加する組み合わせである。

駆動方法３，４，１１，１２では制御電極Ｃにマイナス電位、カソード電極Ｋにプラス電位を印加する組み合わせである。

この組み合わせにおいて制御電極Ｃにマイナス電位を印加する駆動方法１，２，６，９では図５で示すように、カソード電極Ｋの電子放出層Ｅ周囲の電界は等電位線Ｌ１で示すように低下する結果、電子放出層Ｅからの電子は遮断され蛍光体Ｐへの電子の加速衝突は無くなり、蛍光体Ｐの励起発光が消滅して発光素子が消光状態になる。図５でＬ３は図２の実線で示す軌跡Ｌ２とは異なり電子がカソード電極Ｋから引き出されず遮断されていることを破線で示す。

またカソード電極Ｋにプラス電位を印加する駆動方法５，７，８，１０では図６で示すようにカソード電極Ｋの電子放出層Ｅ周囲の電界は等電位線Ｌ１で示すように低下する結果、電子放出層Ｅからの電子は破線Ｌ３で示すように遮断され蛍光体Ｐへの電子の加速衝突は無くなり、蛍光体Ｐの励起発光が消滅して発光素子が消光状態になる。

また、駆動方法３，４，１１，１２では上記組み合わせと同様に発光素子が消光する。そして、この駆動方法３，４，１１，１２ではカソード電極Ｋや制御電極Ｃそれぞれに対する駆動電圧の大きさを小さく制御することができる。

以上の実施の形態ではカソード電極Ｋ両側に制御電極Ｃを配置した、いわゆるインプレーンゲート構造であるが、図７で示すように、制御電極Ｃがカソード電極Ｋよりも基板上からの電極高さ位置が高く電子がアノード電圧の印加によりその軌跡Ｌ２で示すように引き出され加速する、いわゆるオーバーゲート構造や、図８で示すように、制御電極Ｃ、カソード電極Ｋが基板上に平行に配置して電子がアノード電圧の印加によりその軌跡Ｌ２で示すように引き出され加速する、いわゆるパラレルゲート構造、図９で示すように、制御電極Ｃがカソード電極Ｋよりも基板上からの電極高さ位置が低く電子がアノード電圧の印加によりその軌跡Ｌ２で示すように引き出され加速する。いわゆるアンダーゲート構造のいずれにも適用することができる。なお、Ｉは絶縁層を示す。

以上説明したように本実施形態では、上記表１で示すように、制御電極Ｃの電位をカソード電極Ｋの電位よりも低くして電子放出層Ｅ上の電界を弱めて電子放出層Ｅから蛍光体Ｐへの電子放出を抑制することにより当該蛍光体Ｐの励起発光を消滅させて上記発光素子を消光させるので、発光素子の消光を新規な駆動方法で容易に制御することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る駆動方法が適用される発光素子の概略構成を示す断面図である。 図２は、図１の発光素子において制御電極とカソード電極に共にゼロ電位を印加して発光駆動する場合の状態を示す図である。 図３は、図１の発光素子において制御電極にプラス電位を印加して発光駆動する場合の状態を示す図である。 図４は、図１の発光素子においてカソード電極にマイナス電位を印加して発光駆動する場合の状態を示す図である。 図５は、図１の発光素子において制御電極にマイナス電位を印加して消光駆動する場合の状態を示す図である。 図６は、図１の発光素子においてカソード電極にプラス電位を印加して消光駆動する場合の状態を示す図である。 図７は、オーバーゲート構造を有する発光素子の概略構成を示す断面図である。 図８は、パラレルゲート構造を有する発光素子の概略構成を示す断面図である。 図９は、アンダーゲート構造を有する発光素子の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

Ｓ 基板
Ａ アノード電極
Ｃ 制御電極
Ｋ カソード電極
Ｅ 電子放出層
I 絶縁層

Claims (5)

1. 電界放射により電子放出する電子放出層を備えたカソード電極と、このカソード電極と対向配置された蛍光体付きアノード電極と、を備え、アノード電極にカソード電極の電位より高電位であるアノード電圧が印加されて蛍光体が発光する発光素子に対して、上記カソード電極と同一基板上に設置した制御電極の電位をカソード電極の電位よりも低くして上記蛍光体を消光させる、ことを特徴とする発光素子駆動方法。
2. 上記制御電極にマイナス電位を印加すると同時にカソード電極にゼロ電位またはプラス電位を印加することにより、上記蛍光体の消光を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子駆動方法。
3. 上記制御電極にゼロ電位を印加すると同時にカソード電極にプラス電位を印加することにより、上記蛍光体の消光を行う、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子駆動方法。
4. 上記制御電極にゼロ電位を印加すると同時にカソード電極にゼロ電位またはマイナス電位を印加するか、制御電極にプラス電位を印加すると同時にカソード電極にゼロ電位またはマイナス電位を印加することにより、発光素子を消光状態から発光状態に制御することを特徴とする請求項１に記載の発光素子駆動方法。
5. 発光時に制御電極にプラス電位を印加すると同時にカソード電極にゼロ電位またはマイナス電位を印加するか、制御電極にゼロ電位を印加すると同時にカソード電極にマイナス電位を印加することを特徴とする請求項１に記載の発光素子駆動方法。

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