JP3625951B2

JP3625951B2 - ガス封入電子流型電子管

Info

Publication number: JP3625951B2
Application number: JP07114896A
Authority: JP
Inventors: 主税林
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2016-03-01
Also published as: JPH09245742A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス封入電子流型電子管に関するものであり、更に詳しくは電子が安定して放出される微小な形状の電子管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カソードから自由電子を放出させて利用する電子管の中でも、映像管としてのＣＲＴ（ブラウン管）は広く普及しており、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）やＰＤＰ（プラズマ・ディスプレイ・パネル）よりも輝度が大きくドット密度が大きい点で優れているが、電子ビームを垂直偏向および水平偏向させて画面を形成させているので、駆動電圧が極度に高くまた形状を小型化するには限界がある。しかしこれを微小化し、１本の電子管を１個のドットとして使用するような小型のフラット・ディスプレイができれば、１画面に多種多様な映像を表示し得るし、また合成して大きい映像を表示し得るなど実用上の意義は大きいと思われる。
【０００３】
そのような観点からＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）が提案されている。すなわち、１０^−６Ｔｏｒｒ程度の高真空下、尖針（曲率半径１０ｎｍ〜１μｍ）に高電界を印加し、トンネル効果によって放出される電子を利用する表示装置である。図４はそれに使用される電子放出素子１１の模式部分断面図である。先端にエミッタ・エッジ１２Ｐを設けたエミッタ１２が窒化シリコン１３に絶縁されて導出され、その両面は絶縁膜としての酸化シリコン１４に挟まれ、更にその両面に窒化シリコン１５が形成されている。また、片面側の窒化シリコン１５と酸化シリコン１４を貫通して導電性のエミッタコンタクト１６が設けられ、両側の窒化シリコン１５の先端部にはエミッタ１２を挟み、ゲート電極１７を対峙させて設けた構造になっている。なお、エミッタ１２の導出部と窒化シリコン１５との間隙ｇは０．５μｍとされている。
【０００４】
上記の電子放出素子１１からは１μＡ以上の電界放出電流が得られたと報告されている。また、他例において、２０Ｖの電圧印加で１μＡの電流が得られたとの報告もある。このことは上記の電子放出素子１１をカソードとして電子管内に組み込み、アノードとしてのプレート側に蛍光体を設けることにより、放出電子で蛍光体を発光させることが可能であることを意味する。事実、既に対角１インチで５０×５０セルのモノクロＦＥＤが試作されている。セル毎の輝度むらに問題はあるとされているが、１セル当り０．３６ｍｍ角のＦＥＤである。
【０００５】
このようにＦＥＤは電流が不安定であることが指摘されているほか、電子管の内壁や蛍光体から脱離する不純物によってカソードとしての尖針が汚染され劣化するという欠点が指摘されており、このことも不安定化の一因になっていると考えられる。
【０００６】
一方、電子管内に封入したガスのガス放電に伴う発光を利用するフラット・ディスプレイとしてＰＤＰ（プラズマ・ディスプレイ・パネル）が既に実用化されており、フルカラー化もはかられている。図５は交流タイプのＰＤＰ２０の模式部分断面図であり、背面ガラス基板２１には誘電体２２に覆われた列電極２３と、その上面の誘電体２４に覆われた行電極２５とが設けられ、ヘリウムガスを封入する空間２６を介して設置される前面ガラス基板２７の下面には蛍光体２８が黒色障壁２９と共に設けられている。そして列電極２３と行電極２５との間に電圧を印加してヘリウムガスに破線で示す放電を生起させ、生ずる紫外線によって前面ガラス基板２７の蛍光体２８を光らせるものである。このＰＤＰ２０は駆動電圧が９０〜３００Ｖと高く、回路に負担がかかり勝ちであると言う欠点を有している。また、その構成上から小型のＰＤＰ上でＣＲＴ並みの微小なドット表示は困難であるとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、長期間安定に動作する微小な形状の電子流型電子管を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の目的は、電子放出源としてのカソードとアノードとしてのプレートとを備えた電子管において、前記電子管の管壁、その他からの不純物原子（分子）により前記電子放出源が汚染され劣化されることを防ぐための不活性ガスが封入されており、該不活性ガスの原子（分子）との衝突についての、電子の平均自由行程をλｅｇ、前記不活性ガス原子（分子）の平均自由行程をλｇ、前記不純物原子（分子）の平均自由行程をλｍｇ、前記カソードと前記プレートとの間の距離をｄ₁ とするとき、次式（１）が成立するように前記距離ｄ₁ が設定されていることを特徴とするガス封入電子流型電子管によって達成される。
λｅｇ＞ｄ₁ ＞λｇ≒λｍｇ・・・・・式（１）
【０００９】
上記の式（１）のように設定することにより、電子管の管壁その他から生じ、カソードとしての電子放出源を劣化させる不純物原子（分子）は封入されている不活性ガスの原子（分子）に衝突して電子放出源へ達し得ないのでこれを汚染せず、電子放出源から放出される電子は他に衝突阻止されることなくプレートに到達することにより、電子管は長期間安定して動作する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態によるガス封入電子流型電子管について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施の形態のガス封入電子流型電子管１０の模式断面図である。電子管１０の内部には、例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはレニウム（Ｒｅ）製の尖針３を有するカソードとしての電子放出素子４が設けられており、アノードとして働くプレートは透明電極７であり、その内面側に蛍光体６が形成されている。尖針３と透明電極７との間には電圧が印加され、尖針３から放出され加速される電子ｅが蛍光体６を光らせて透明電極７に到達するようになっている。また、電子管１０の管壁２や蛍光体６から微量脱離してくる不純物原子（分子）ｍが尖針３へ到達し得ないように電子管１０内に衝突させるべき不活性ガス、例えばヘリウムガスを封入し、尖針３と管壁２との間には不活性ガス原子（分子）ｇの雲がかかっているようにされている。
【００１２】
上記の電子管１０の動作状態においては封入不活性ガス中に電子ｅと不純物原子（分子）ｍとが共存することになるが、封入不活性ガスの原子（分子）ｇとの衝突についての電子ｅの平均自由行程をλｅｇ、封入不活性ガス原子（分子）ｇの平均自由行程をλｇ、不純物原子（分子）ｍの平均自由行程をλｍｇ、及び尖針３と透明電極７との間の距離ｄ_１との間に、次式（１）の関係を成立させる。
λｅｇ＞ｄ_１＞λｇ≒λｍｇ・・・・・式（１）
【００１３】
すなわち、平均自由行程λは原子（分子）の断面積に逆比例するが、放出される電子ｅの断面積は不純物原子（分子）ｍの断面積に比べて遥かに小さいので、電子ｅが封入不活性ガス原子（分子）ｇと衝突した後、次に衝突するまでの飛行距離の平均である平均自由行程λｅｇは不純物原子（分子）ｍについての同様な平均自由行程λｍｇより大きく（少なくとも４倍以上）、尖針３と透明電極７との間の距離ｄ_１を不純物原子（分子）ｍの平均自由行程λｍｇや封入不活性ガス原子（分子）ｇの平均自由行程λｇよりも大きく、かつ電子ｅの平均自由行程よりは小さく設定することによって、放出される電子ｅは衝突阻止されることなく尖針３から透明電極７へ到達するようになっている。
【００１４】
また、カソードとしての尖針３とプレートを構成する透明電極７との間に印加する電圧は封入する不活性ガスが放電を生じない解離電圧以下、例えばヘリウムガスでは２４．６Ｖ以下とする。勿論、このレベルの印加電圧であっても電子ｅは充分に加速される。
【００１５】
更には、電子放出源である尖針３が不純物原子（分子）ｍによって汚染さえることを防ぐために封入する不活性ガスの圧力は管壁２と尖針３との間の距離ｄ_２を下記の次式（３）のように設定することによって導き出すことができる。
ｄ_２＞３λｍｇ・・・・・・・・・・・式（３）
【００１６】
すなわち、管壁２から脱離する不純物原子（分子）ｍが尖針３へ到達することを防ぐために尖針３と管壁２との間の距離ｄ_２を不純物原子（分子）ｍの平均自由行程λｍｇの３倍以上に設定する。前述したように平均自由行程λは原子（分子）の断面積に逆比例するが、不純物原子（分子）ｍはその種類が何であってもヘリウム原子の断面積よりは大きいのでヘリウム原子の平均自由行程λ_Ｈｅは不純物原子（分子）の平均自由行程λｍｇよりは大きい。従って次式（２）のように設定すればよいことになる。
ｄ_２＞３λ_Ｈｅ・・・・・・・・・・・・式（２）
【００１７】
例えば、ｄ_２＝１０μｍ＝１×１０^−５ｍの電子管１０を考えると、式（３）からλ_Ｈｅ＜３．３×１０^−６ｍとなるが、この平均自由行程λ_Ｈｅに対応するヘリウムガスの圧力Ｐ_Ｈｅは４５Ｔｏｒｒ以上である。また、ｄ_２＝０．１５ｍｍ＝１５×１０^−５ｍの電子管１０を考えると、λ_Ｈｅ＜５×１０^−５ｍとなり、この平均自由行程λ_Ｈｅに対応するヘリウムガスの圧力Ｐ_Ｈｅは３Ｔｏｒｒ以上である。すなわち、不活性ガスとしてヘリウムを封入する場合、ｄ_２＝１０μｍの電子管１０に対しては４５Ｔｏｒｒ以上の圧力、ｄ_２＝０．１５ｍｍの電子管１０に対しては３Ｔｏｒｒ以上の圧力で封入すればよいことになる。
【００１８】
すなわち、本発明の実施の形態の電子管１０は電界放出させた電子ｅを利用するという点では従来例のＦＥＤに類似しているが、熱放出電子も利用することができ、かつガス封入しているという点で高真空のＦＥＤとは異なる。また、ガス封入しているという点では従来例のＰＤＰ２０と類似しているが、本発明の実施の形態の電子管１０はプラズマ放電させないのでＰＤＰ２０とは全く異なるものである。
【００１９】
本発明の実施の形態によるガス封入電子流型電子管１０は以上のように構成されるが、次にその作用について説明する。
【００２０】
図１を参照し、本発明の実施の形態のガス封入電子流型電子管１０において、電子管１０の内部にはヘリウムガスが上記の式（３）から導かれる所定の圧力に封入されており、カソードとしての尖針３とプレートを構成する透明電極７との間にヘリウムガスの解離電圧２４．６Ｖよりは低い電圧を印加することにより、ヘリウムガスは放電を生起することなく尖針３から電子ｅが電界放出される。そして、尖針３と透明電極７との間の距離ｄ_１は電子ｅの平均自由行程λｅｇより小に設定されているので、電子ｅは他に衝突阻止されることなく蛍光体６を通過してこれを光らせ透明電極７に到達する。
【００２１】
また、ヘリウムガス中には電子管１０の管壁２から微量の不純物原子（分子）ｍが脱離してくるが、管壁２と尖針３との間の距離ｄ_２が不純物原子（分子）ｍの平均自由行程λｍｇよりは大きいヘリウムの平均自由行程λ_Ｈｅの３倍以上に設定されているので、不純物原子（分子）ｍはヘリウム原子と衝突して尖針３のへは到達し得ず、従って尖針３の汚染劣化は起らず、電子管１０は長期間安定して動作する。
【００２２】
すなわち、印加電圧をＯＮ・ＯＦＦすることにより、蛍光体６を光らせたり、消したりすることができる。また、３本の電子管１０に赤、緑、青の蛍光体を分担させたユニットを平面状に並べることにより、３本の電子管１０を１個の画素とする小型フルカラーのフラット・ディスプレイパネルとして動作させることができる。（あるいは、既知のカラーフィルタ式ディスプレイとしても使える。）
【００２３】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して説明したが、勿論、本発明はこれに限られることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００２４】
例えば、本発明の実施の形態においては電子管１０内にカソードとしての尖針３とプレートを構成する透明電極７と蛍光体６のみを設置したが、第１変形例として図２に示す電子管１０’のように、プレート側の温度をＴ₁ 、カソード側の温度をＴ₂ としてＴ₁ ＞Ｔ₂ と温度差を付けることにより、封入されているヘリウムガスは矢印で示すように上方から管壁２に沿って対流するので、不純物原子（分子）ｍを捕獲するためのゲッター８を管壁２に沿って設定することにより、尖針３の近傍を更に純度の高いヘリウムで覆うことができ、電子放出源としての尖針３の劣化を防ぎ得る。
【００２５】
また、第２変形例として図３に示す電子管１０”のように内部にグリッド９を設けて放出電子流を制御してもよく、また、グリッド９ではなく電子放出素子４に尖針３を形成させる時に、その両側に同時にゲート電極を形成させておき、ゲート電極に印加する電圧によって放出電子流を制御するようにしてもよい。
【００２６】
また、本発明の実施の形態においては電子放出源としての尖針３が１本だけの電子放出素子４を採用したが、１個の電子放出素子４の中に複数の尖針３を形成させてもよく、このことによって透明電極７に到達する放出電子流の流れが平均化され電流は一層安定化される。
【００２７】
また、本発明の実施の形態においては、トンネル効果を利用して尖針３から電子ｅを電界放出させたが、原理的に許される範囲内で電子放出素子４を大きく作成し（例えば３ｍｍ角）、ヒータによってカソードとしての尖針３を加熱するか、またはビーム径をμｍ単位に絞ったレーザで外部から尖針３を加熱する等により、ショットキー効果を利用し熱電子を放出させるようにしてもよい。勿論、電界放出と熱放出とを併用してもよいことは言うまでもない。
【００２８】
また本発明の実施の形態においては、映像管としての電子管１０を例示したが、本発明のガス封入電子流型電子管は映像管としてのみならず、電子が衝突する面での電子エネルギーを映像以外に変換する応用も可能である。例えば蛍光体６の代わりに光導電体を設けることにより、あらかじめ静電荷を帯電させておいた光導電体から静電荷を消滅させることもできる。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のガス封入電子流型電子管は電子放出源を有する微小な電子放出素子をカソードとし不活性ガスを封入したものであるため、微小な形状の電子管とすることができ、かつ管壁から脱離する不純物原子（分子）は封入ガスに遮られて電子放出源を汚染劣化させないので長期間安定して動作する。従って、電子管のアノードとしてのプレート側に蛍光体を設けることによりモノクロームの映像管とし得るし、３本の電子管に赤、緑、青の蛍光体を分担させたユニットを平面状に並べることにより、小型でフルカラーのフラットパネル・ディスプレイとすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のガス封入電子流型電子管の模式断面図である。
【図２】第１変形例のガス封入電子流型電子管の模式断面図である。
【図３】第２変形例のガス封入電子流型電子管の模式断面図である。
【図４】従来例のＦＥＤにおける電子放出素子の模式断面図である。
【図５】従来例のプラズマ・ディスプレイ・パネルの模式部分断面図である。
【符号の説明】
２管壁
３尖針
４電子放出素子
６蛍光体
７透明電極
８ゲッター
９グリッド
１０ガス封入電子流型電子管

Claims

電子放出源としてのカソードとアノードとしてのプレートとを備えた電子管において、前記電子管の管壁、その他からの不純物原子（分子）により前記電子放出源が汚染され劣化されることを防ぐための不活性ガスが封入されており、該不活性ガスの原子（分子）との衝突についての、電子の平均自由行程をλｅｇ、前記不活性ガス原子（分子）の平均自由行程をλｇ、前記不純物原子（分子）の平均自由行程をλｍｇ、前記カソードと前記プレートとの間の距離をｄ₁ とするとき、次式（１）が成立するように前記距離ｄ₁ が設定されていることを特徴とするガス封入電子流型電子管。
λｅｇ＞ｄ₁ ＞λｇ≒λｍｇ・・・・・式（１）
前記カソードと前記管壁との間の距離をｄ_２、ヘリウムガスの平均自由行程をλ_Ｈｅとするとき、次式（２）が成立するように前記距離ｄ_２が設定されている請求項１に記載のガス封入電子流型電子管。
ｄ_２＞３λ_Ｈｅ・・・・・・・・・・・・式（２）
前記カソードが単数または複数の尖針状に形成されており、前記プレートとの間に前記不活性ガスの解離電圧以下の電圧が印加され、前記カソードから電子が電界放出され前記プレートに向かって加速される請求項１または請求項２に記載のガス封入電子流型電子管。
前記カソードと前記プレートとの間に前記不活性ガスの解離電圧以下の電圧が印加され、前記カソードがヒータで加熱されて、前記カソードから熱電子が放出され前記プレートに向かって加速される請求項１または請求項２に記載のガス封入電子流型電子管。
前記プレート側の温度と前記カソード側の温度とに温度差を与えて封入されている前記不活性ガスに対流を生じさせると共に、前記不純物原子（分子）を捕獲するためのゲッターが前記管壁に沿って内部に設けられている請求項１から請求項４までの何れかに記載のガス封入電子流型電子管。
前記カソードから放出される電子の流れを制御するためのゲート電極またはグリッドが前記カソードの近傍に設けられている請求項１から請求項５までの何れかに記載のガス封入電子流型電子管。
前記電子が衝突して発光する蛍光体が前記プレートに一体的に設けられており、映像管として使用される請求項１から請求項６までの何れかに記載のガス封入電子流型電子管。