JP3134772B2 - 電界放出型表示素子およびその駆動方法 - Google Patents
電界放出型表示素子およびその駆動方法Info
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Description
有する表示素子として知られている電界放出型表示素
子、および駆動方法の改良に関するものである。
9 [V/m]程度にすると、トンネル効果により、電子
が障壁を通過して常温でも真空中に電子放出が行われる
ようになる。これを電界放出(Field Emission)と云
い、このような原理で電子を放出するカソードを電界放
出カソード(以下、FECと記す。)と呼んでいる。
ロンサイズのFECを作ることが可能となり、その一例
としてスピント(Spindt)型と呼ばれるFECが知られ
ている。このFECは、半導体微細加工技術を用いて製
作すると、円錐状のエミッタ、すなわちエミッタコーン
とゲート電極との距離をサブミクロンとすることが出来
るため、エミッタコーンとゲート電極間に数10ボルト
の電圧を印加することによりエミッタコーンから電子を
放出させることが出来るようになる。また、各エミッタ
コーン間のピッチは5ミクロンないし10ミクロンとし
て製作することが出来るため、数万から数10万個のF
ECを1枚の基板上に設けることが出来る。このよう
に、面放出形のFECを製作することが可能となってお
り、このFECは蛍光表示装置、CRT、電子顕微鏡や
電子ビーム装置の電界放出型電子源として適用すること
が提案されている。
しており、ガラス基板100の上に薄膜状に導電性のカ
ソード電極101が形成され、カソード電極101上に
抵抗層102がさらに形成され、その上に二酸化シリコ
ン等からなる絶縁層103が形成されている。この絶縁
層103の上には薄膜状のゲート電極104が形成さ
れ、ゲート電極104および絶縁層103を貫通する多
数の開口部が設けられている。この開口部内においては
抵抗層102が露出しており、この抵抗層102の上に
円錐状のエミッタコーン105が形成されている。
ミッタコーン105とカソード電極101との間に抵抗
層102を設ける理由は次の通りである。一般的なFE
Cにおいては、エミッタコーンの先端とゲートとの距離
がサブミクロンという極めて短い距離とされていると共
に、数万ないし数十万個のエミッタコーンが一枚の基板
上に設けられるため、製造の過程において塵埃等により
エミッタコーンとゲートとが短絡してしまうことがあ
る。このように、ゲートとエミッタコーン間の一つでも
短絡していると、カソードとゲートとが短絡したことに
なるため、すべてのエミッタコーンに電圧が印加されな
くなり動作不能の電界放出型電子源となってしまう。
局部的な脱ガスが生じ、このガスによりエミッタコーン
とゲートあるいはアノード間が放電を起こすことがあ
り、このため大電流がカソードに流れてカソードが溶断
されることがあった。さらに、多数のエミッタコーンの
うち電子の放出されやすいエミッタコーンが存在するた
め、このエミッタコーンから集中して放出された電子に
より、画面上に異常に明るいスポットが発生することも
あった。
101とエミッタコーン105との間に抵抗層102を
形成し、エミッタコーン105の中の一つが形状の不均
一性から異常に多い電子を放出し始めると、ゲート電極
104とカソード電極101間には抵抗層102による
電圧降下が生じるようになる。この電圧降下により、異
常に多い電流を放出しようとするエミッタコーン105
の印加電圧が放出電流に応じて下げられるために、電子
放出が抑制され、各エミッタコーン105から安定した
電子放出が行われるようになる。このため、カソード電
極101の溶断等を防止することができる。
にVg(ゲート電圧)−Ie(エミッション電流)特性
が異なる場合、Vg−Ie曲線とLoad line との交点に
より決まるエミッション電流が異なるようになり、図示
する2つのVg−Ie特性のエミッタコーン105にお
いては、図示するΔVdropの電圧降下の差が生じるよう
になる。したがって、抵抗層102を設けることによ
り、FECの製造上の歩留りの向上、およびFECの安
定な動作を確保することができるようになる。
2はアモルファスシリコン(α−Si)材料を使用して
形成することができるが、α−Si材料は半導体であ
り、抵抗層102の抵抗値を制御するためにある程度の
不純物導入を行うことにより、抵抗率を制御するように
している。これにより、エミッタコーン105から放出
される電子の変動を抑制することができる。一般に、半
導体の抵抗値は負の温度係数を有し、温度上昇と共に抵
抗値が減少する傾向を示す。α−Si材料も同様であ
り、抵抗値Rは温度変化Tに対し図5に示すように対数
的に減少する。なお、図5の縦軸は対数目盛りとされて
いる。このため、周囲温度の変化にともない抵抗層10
2の抵抗値、すなわちエミッタ抵抗値が変動し、エミッ
タ抵抗部分での電圧降下量が変化するようになる。
・エミッタ間電圧VGEが変動するようになる。その結
果、温度変動によりエミッタコーン105から放出され
るエミッション電流が急激に変動する。この様子を図6
に示すが、a〜fの曲線は、aが一番温度が低く、fが
一番温度が高い場合のI−V特性を示しており、温度に
より指数関数的に上昇するアノード電流Iaが温度上昇
にともない急激に上昇している。したがって、周囲温度
の変動にともない発光輝度が変動してしまうという問題
点があった。また、エミッション電流が温度により変動
すると、高温時のアノード電流Iaは定格電流の数倍以
上の電流値となるため、この電流を供給するアノード電
源に大きな電源容量が必要となり、消費電力の増加や電
源コストが上昇するという問題点もあった。
光輝度が変動しない電界放出型表示素子およびその駆動
方法を提供することを目的としている。
に、本発明の電界放出型表示素子は、電界放出部を備え
るカソード基板と、該カソード基板に対向する発光部を
備えるアノード基板からなる真空の雰囲気中で動作する
電界放出型表示素子において、前記電界放出部は、カソ
ード電極と電子を放出するエミッタとの間に形成された
抵抗層を有しており、該抵抗層の抵抗値を検出するため
のモニタ抵抗パターンが、該抵抗層と同材料を用いて同
一のプロセスにより形成されている。
方法は、電界放出部を備えるカソード基板と、該カソー
ド基板に対向する発光部を備えるアノード基板からなる
真空の雰囲気中で動作する電界放出型表示素子を駆動す
る駆動方法であって、前記電界放出部は、カソード電極
と電子を放出するエミッタとの間に形成された抵抗層を
有しており、該抵抗層の抵抗値を検出して、検出された
抵抗値に応じて駆動電圧を制御することにより、前記発
光部の発光輝度が変動しないようにしている。
の駆動方法において、前記抵抗層の抵抗値を、抵抗層と
同材料を用いて同一のプロセスにより形成されたモニタ
抵抗パターンにより検出するようにしている。さらにま
た、前記駆動電圧が制御されても、ゲート電圧とカソー
ド電圧とが一定電位差を保持するようにしているもので
ある。
じて変動した抵抗層の抵抗値を抵抗層と同一のプロセス
で形成したモニタ抵抗パターンから検出できるようにし
たので、検出された抵抗値に応じて駆動電圧を制御する
ことにより、周囲温度が変動しても電界放出型表示素子
の輝度の変動を防止することができる。この場合、ゲー
ト・カソード間電圧が一定になるようにされると、駆動
電圧を制御してもコントラストの変化を防止することが
できる。
実施の形態を実現する構成のブロックを図1に示す。図
1において、1はカソード基板でありこの上に前記図3
に示すような抵抗層を有する電界放出型カソードが数万
個以上形成されている。2はこのような電界放出型カソ
ードが多数形成されて構成された表示領域であり、3は
抵抗層の下に形成されているストライプ状の複数の列を
構成するカソード電極(Column電極)、4は絶縁層の上
に形成されているストライプ状の複数の行を構成するゲ
ート電極(Row 電極)である。
タコーンの下に形成されている抵抗層と同時に同材料を
用いて同一プロセスで形成されているモニタ抵抗パター
ン、10はカソード電極3にカソード電圧Vcを供給す
るカソード電圧源、11はモニタ抵抗パターン5の抵抗
値を電圧に変換した検出信号を出力するOPアンプ、1
2はモニタ抵抗パターン5と直列に接続され、抵抗値変
動に伴い両端の電圧が変化する検出抵抗(R)、13は
モニタ抵抗パターン5の抵抗値に応じて設定される基準
電圧Vrefを供給する基準電圧源、14はOPアンプ
から出力された検出信号に応じてゲート電圧Vgの電圧
値を制御する制御回路、15はゲート電極4にゲート電
圧Vgを供給するゲート電圧源、16はモニタ抵抗パタ
ーン5と検出抵抗12との直列回路に測定用電圧Vmを
供給する測定用電圧源である。
例えばゲート電極4が1行づつ順次選択的に駆動され、
この時カソード電極3に供給されたカソード電圧Vcに
応じて表示領域2に形成された対応するエミッタコーン
から電子が放出される。この放出電子は、図示しないカ
ソード基板1に微小間隔(例えば、200ミクロン)で
対向配置されているアノード基板に飛翔していく。そし
て、表示領域2から放出された電子はアノード基板に塗
布されている蛍光体に衝突して、励起することにより蛍
光体が発光するようになる。この時の発光輝度は放出電
子量、すなわちエミッション電流に応じた発光輝度とさ
れる。
ート電極4の走査に同期して供給することにより、表示
領域2に対応した蛍光体上に画像を表示することができ
る。なお、カソード基板1とアノード基板との間は真空
の雰囲気とされる。この時、前記したように電界放出型
表示素子の周囲温度に応じて抵抗層の抵抗値が変動する
ようになる。すると、この抵抗層の抵抗値の変動は、同
一のプロセスにより形成されているモニタ抵抗パターン
5にも同様に現れるようになる。モニタ抵抗パターン5
の抵抗値が変動すると、モニタ抵抗パターン5と検出抵
抗12との測定電圧Vmの分割電圧値が変化するので、
検出抵抗12の両端の電圧を検出することにより抵抗層
の抵抗値の変動を検出することができる。
mの分割電圧をOPアンプ11の例えば非反転入力端子
に入力する。OPアンプ11の反転入力端子には基準電
圧Vrefが入力されており、OPアンプ11からは両
入力電圧の差が出力されるようになる。この差電圧は検
出信号として制御回路14に供給され、制御回路14は
この検出信号に基づいてゲート電圧Vgを制御する。な
お、基準電圧Vrefは検出する温度範囲を設定するた
めのものであり、通常、抵抗層の材料に応じて異なる電
圧に設定される。
に対数的に変化し、ゲート電圧に対するアノード電流は
図6に示すように指数関数的に変化するため、温度変動
に対し、ゲート電圧Vgをほぼリニアに変化させること
により、発光輝度の変動を抑制することができる。した
がって、制御回路14は検出信号にリニアな制御信号を
出力すればよいため、その構成を簡単化することができ
る。なお、制御回路14からの制御信号をリニアでな
く、ある関数に基づいて出力するようにしてもよい。
おいては抵抗層の抵抗値が大きくなるため、ゲート電圧
Vgは上昇されるように制御される。すると、表示コン
トラストが低下するようになる。これは、カソードのカ
ットオフ電圧に関する駆動条件が設定点からずれるため
である。そこで、発光輝度の温度補償を行っても表示コ
ントラストの変動を防止するために、破線で示すように
制御回路14の制御信号によりゲート電圧Vgの変化に
連動してカソード電圧Vcを制御するようにする。これ
により、ゲート電圧Vgが制御されてもゲート電圧Vg
とカソード電圧Vcとの差電圧(Vg−Vc)がほぼ一
定に保たれるため、コントラストの変化を抑制すること
ができるようになる。
の周囲温度が変化しても、コントラストを変化させるこ
となく発光輝度の温度補償を行うことができる。この場
合の、温度補償結果を図2(a)(b)に示す。図2
(a)は温度−ゲート電圧特性を示しており、温度補償
しない場合は破線で示すように温度変化に対してゲート
電圧Vgは一定とされるが、温度補償を行った場合は、
実線で示すように温度が上昇するに伴いゲート電圧Vg
は低下していく。また、図2(b)は温度−アノード電
流特性を示しており、温度補償しない場合は破線で示す
ように温度変化に対してアノード電流Iaは上昇してい
くが、温度補償を行った場合は、実線で示すように温度
が変化してもアノード電流Iaはほぼ一定とされる。
ほぼ一定に制御されていることがわかる。なお、以上の
説明ではモニタ抵抗パターンにより抵抗層の抵抗値を検
出するようにしたが、温度センサにより抵抗層の抵抗値
を検出するようにしてもよい。また、抵抗層の材料とし
ては、不純物のドープされたアモルファスシリコンある
いはポリシリコン等が用いられ、ドープされる不純物と
しては、P,Bi,Ga,In,Tl等を用いることが
できる。
囲温度に応じて変動した抵抗層の抵抗値を抵抗層と同時
に同一材料を用いて同一プロセスで形成したモニタ抵抗
パターンから検出することができ、検出された抵抗値に
応じて駆動電圧を制御することにより、周囲温度が変動
しても電界放出型表示素子の輝度が変化しないようにす
ることができる。この場合、ゲート電圧とカソード電圧
との差電圧が一定になるようにされると、駆動電圧を制
御してもコントラストの変化を防止することができる。
アに変化させればよいので、ゲート電圧を制御する制御
回路の構成を簡単に構成することができる、さらに、ア
ノード電流をほぼ一定とすることができるのでアノード
電源の容量を必要以上に大きな電源容量とする必要がな
く、低消費電力化および低コスト化することができる。
動方法を実現する構成を示す図である。
動方法の温度補償結果を示す温度−ゲート電圧特性、お
よび温度−アノード電流特性である。
を示す図である。
−Ia特性を示す図である。
る。
る。
Claims (4)
- 【請求項1】 電界放出部を備えるカソード基板と、該
カソード基板に対向する発光部を備えるアノード基板か
らなる真空の雰囲気中で動作する電界放出型表示素子に
おいて、 前記電界放出部は、カソード電極と電子を放出するエミ
ッタとの間に形成された抵抗層を有しており、該抵抗層
の抵抗値を検出するためのモニタ抵抗パターンが、該抵
抗層と同材料を用いて同一のプロセスにより形成されて
いることを特徴とする電界放出型表示素子。 - 【請求項2】 電界放出部を備えるカソード基板と、該
カソード基板に対向する発光部を備えるアノード基板か
らなる真空の雰囲気中で動作する電界放出型表示素子を
駆動する駆動方法であって、 前記電界放出部は、カソード電極と電子を放出するエミ
ッタとの間に形成された抵抗層を有しており、該抵抗層
の抵抗値を検出して、検出された抵抗値に応じて駆動電
圧を制御することにより、前記発光部の発光輝度が変動
しないようにしたことを特徴とする電界放出型表示素子
の駆動方法。 - 【請求項3】 前記抵抗層の抵抗値を、抵抗層と同材料
を用いて同一のプロセスにより形成されたモニタ抵抗パ
ターンにより検出することを特徴とする請求項2記載の
電界放出型表示素子の駆動方法。 - 【請求項4】 前記駆動電圧が制御されても、ゲート電
圧とカソード電圧とが一定電位差を保持していることを
特徴とする請求項2記載の電界放出型表示素子の駆動方
法。
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