JP3727894B2

JP3727894B2 - 電界放出型電子源

Info

Publication number: JP3727894B2
Application number: JP2002063877A
Authority: JP
Inventors: 昌彦関; 敏裕山本; 瑞芳後沢; 智志上田; 達哉武井; 啓萩原
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: JP2003263951A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出型電子源に関し、より詳細には、陽極と平面状の電子放出部位を有する陰極との間に高電界が生成される電界放出型電子源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高発光効率で低消費電力化が期待できる表示装置として、電界放出型電子源を用いた冷陰極表示装置（ＦＥＤ）の開発が進められている。
【０００３】
冷陰極表示装置（以下、単に表示装置ということがある。）は、電界放出型電子源（以下、単に電子源ということがある。）の陰極で生成した電子を真空中で加速して蛍光体に衝突させ、蛍光体を励起して発光させるものであり、この点においてブラウン管（ＣＲＴ）と類似する。但し、ブラウン管が熱陰極から発生する熱電子を電磁界で偏向させて蛍光面を走査する方式であるのに対して、冷陰極表示装置は陰極（冷陰極）から電界放出によって放出された電子を蛍光面に当てるものであり、走査は各陰極のスイッチングにより行う方式である点において両者は相違する。
【０００４】
この冷陰極表示装置に用いられる電界放出型電子源には種々の方式がある。
【０００５】
スピント型電子源は、研究の歴史も長く現在最も完成度の高い技術と考えられる代表的なものであり、シリコンやモリブデン等で作製された円錐状の陰極（チップ）とこれを取り囲むゲートの間に電圧を印加して、陰極の先鋭な先端部分から電子を放出させる方式である。この場合、陰極の先鋭な先端部分に電界が集中して高電界が生成されるため、陰極とゲートとの間には数十Ｖ程度の比較的低い電圧を印加することで電子の良好な放出を実現できる。
【０００６】
しかしながら、上記スピント型電子源を用いた表示装置は、電子放出箇所が陰極の先鋭な先端部分、言い換えれば、点であるため、大電流を取り出すことができない。また、スピント型電子源は、製造方法が複雑であり、特に円錐状の陰極を精度良く形成することは必ずしも容易ではないため、１つの画素を複数の微小なスピント型電子源（陰極）で構成してスピント型電子源間の特性バラツキを相殺して平均化したり、陰極の下部に抵抗層を挿入する等の工夫が行われているが、均一な特性を有する大画面の表示装置を得るには未だ多くの課題を残している。
【０００７】
上記スピント型電子源と構造上比較的に近いものとして、最近では、カーボンナノチューブ、ダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン等の炭素材料で膜状の陰極を形成し、この陰極の近傍に陰極を取り囲むようにゲートを配置した表示装置が開発されている。
【０００８】
陰極としてダイアモンド薄膜を用いた表示装置の例（特開平１０−４０８０５号公報）について図１を参照して説明する。図１は、表示装置の１画素に対応する部分のみを示す。なお、後述する実施例を含む以下の各図においても、特に断らない限り、表示装置の１画素に対応する部分のみを示す。また、図１において、各部材には異なる模様を付しているが、これは各部材の識別の便宜上付したものであり、各部材の材質や断面等を表示するものではない。なお、後述する実施例を含む以下の各図においても同様である。
【０００９】
表示装置１は、背面板２上にダイアモンド薄膜からなる陰極３ａが形成され、また陰極３ａを取り囲んで背面板２上に絶縁層３ｂが形成されている。絶縁層３ｂ上にはゲート３ｃが形成される。これにより、ゲート３ｃが陰極３ａを取り囲んで露出させた形態の電子源３が得られる。電子源３と対向して、背面板２と平行に前面板４が配置される。前面板４の電子源３に向けた面上に蛍光面５が形成され、蛍光面５上に陽極６が形成される。陽極６とゲート３ｃとの間にスペーサ７が設けられ、陽極６と陰極３ａとが所定間隔ｌ離間した状態で保持される。これらの各部材は図示しないフリットで封着され、内部空間ａは真空に保たれる。
【００１０】
上記のように構成した表示装置１は、陰極３ａの電子放出箇所が平面状であるため上記スピント型電子源の場合に比べて大電流を取り出すことができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の表示装置１は、陰極３ａと陽極６との間に印加した電圧で電子放出を行わせる駆動方法において、電子源３の陰極３ａの全表面から電子を良好に放出させるには、上記スピント型電子源の場合に比べて高い電圧を陰極３ａと陽極６との間に印加して、陰極３ａ付近に高い電界を生成する必要がある。なお、このためには、スペーサ７の高さを小さくして陰極３ａと陽極６との間隔ｌを小さくすることが好ましく、また、スペーサ７の高さを小さくすることは、表示装置１の製造のし易さやコスト面からも好ましい。
【００１２】
より端的な例として、上記の表示装置１に変えて、カーボンナノチューブを陰極とした表示装置の場合について説明する。この場合、良好な電子の引き出しを行うとともに、蛍光面に到達する電子のエネルギーを大きくして良好な発光効率を得るためには、例えば陰極と陽極との間の間隔が１ｍｍのとき、陰極と陽極との間に８ｋＶの電圧を印加して陰極付近の電界をおよそ８Ｖ／μｍの高い値とすることが必要である。このとき、陰極と陽極との間に印加した高い電圧そのものによって陰極からの電子の引き出しが実現されているため、陰極とゲートとの間に電圧を印加しても電子の放出（引き出し）をＯＮ、ＯＦＦ制御できない。この電子の放出のＯＮ、ＯＦＦ制御を陽極のスイッチング操作で行うことは現実的ではないため、結局、ゲートによって電子の放出のＯＮ、ＯＦＦを行うことができる程度に陰極と陽極との間の印加電圧を低下させて、電子の引出し性能や蛍光面の発光効率を犠牲にせざるを得ないことになる。
【００１３】
また、上記の表示装置１はゲート３ｃが陰極３ａを取り囲んで露出させた形態となっているため、平面状の陰極３ａの各部位とゲート３ｃとの間の間隔が各部位によって差があり（図１中、間隔をｌ１、ｌ２で例示した。）、例えば大きな間隔ｌ１となっている陰極３ａの中央の部位（放出サイト）からの電子の放出をゲート３ｃによって制御することが難しく、このため、電子放出特性が陰極３ａの各部位によってばらつくことを避けることができない。なお、この場合、例えば図２に示す表示装置１ａのように、陰極３ａの中央の部位に開口８を形成すると、言い換えれば、ゲート３ｃの開口９の中心の直下に陰極３ａを形成しない構造とすると、エッジ効果により陰極３ａのエッジ部位（図２中、矢印ｅで示す。）での電子の放出が顕著となり、電子の放出をゲート３ｃによって制御することがやはり難しい。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、電子の放出を良好に制御することができ、また、平面状の陰極表面から均一に電子を放出させることができる電界放出型電子源を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の電界放出型電子源では、次に述べる各手段を講じたものである。
請求項１記載の発明では、高電圧が印加された陽極に衝突させる電子を放出するための平面状の電子放出部位を有する陰極と、該陰極から離間して配設され、該陰極を該陽極に向けて露出させるように形成されたゲートとを有する電界放出型電子源において、該陰極の平面状の電子放出部位は開口部を有するとともに、該開口部に相対して前記陰極のゲートに向けた反対側に、前記開口部とは絶縁層を挟んで、または前記開口部とは空間で離間して前記陽極に向けて露出されるように近接して配設され、前記ゲートの電位とともに前記陰極の電位よりも低い電位が印加されて前記陰極近傍に生成される電界を緩和する制御電極をさらに有することを特徴としている。
ここで、平面状の電子放出部位を有する陰極とは、少なくともスピント型陰極のような電子の放出部位が点状であるもの以外の陰極を指し、ダイヤモンド等の薄膜で形成された陰極に限らず、例えば、無数のカーボンナノチューブが立設された陰極等のように小さな面あるいは点が集合して、いわば１つの平面状の一定の電子の放出面積をもつものも含む。また、制御電極を陰極に近接して配設するとは、陰極とゲートとの距離（間隔）よりも陰極と制御電極との距離が小さくなる位置に制御電極を配設することをいう。なお、陰極と制御電極とは空間または絶縁体等によって絶縁される。
【００１６】
上記発明によれば、陽極との間の電位差（電圧）によって陰極近傍に生成される電界をゲートの電位とともに、その電位を陰極の電位より低くした制御電極によって緩和することで電子の放出程度を良好に制御することができ、また、制御電極によって陰極の全面近傍の電界を均一に緩和することで平面状の陰極表面から均一に電子を放出させることができる。特に、陰極と陽極との間に印加する高電圧によって生成した高電界によって陰極からの電子の放出が行われる場合は、電子放出のＯＮ、ＯＦＦ制御を制御電極によって行うことができ、また、このとき、電子放出の閾値電圧の小さい材料を用いて陰極を形成したものであっても確実に電子放出のＯＮ、ＯＦＦ制御を行うことができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る電界放出型電子源の好適な実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、図を参照して、以下に説明する。
【００２３】
まず、本実施の形態例に係る電界放出型電子源およびその駆動方法について、図３〜図６を参照して説明する。
【００２４】
本実施の形態例に係る電界放出型電子源（以下、他の実施例の場合も含め、単に電子源という。）１０は、背面板１２と、陰極１４と、ゲート１６と、制御電極１８とを有する。
【００２５】
電子源１０は、背面板１２上に制御電極１８が形成され、制御電極１８を取り囲んで背面板１２上に、制御電極１８の厚みＴ１よりも大きい厚みＴ２を有する絶縁層２０が形成される。絶縁層２０上に、制御電極１８を露出させる絶縁層２０の円形の開口２２に連通した開口２４を有するストライプ状（図３参照）の薄膜からなる陰極１４が制御電極１８に近接して形成される。したがって、陰極１４は、制御電極１８を上方に向けて露出させた状態にある。陰極１４を取り囲んで、絶縁層２０上に、陰極１４の厚みＴ３よりも大きい厚みＴ４を有する絶縁層２６が形成される。絶縁層２６は、円形の開口２８が上方に向けて広がるテーパ状に形成される。絶縁層２６上に、制御電極１８および陰極１４を露出させる円形の開口３０を有するゲート１６が形成される。
【００２６】
ここで、厚みＴ１〜Ｔ４は、電界条件、陰極１４の材質等に応じて適宜所望の値に設定することができ、例えば、１〜３０μｍ程度である。
【００２７】
上記のように構成した電子源１０を含む冷陰極表示装置（以下、単に表示装置という。）３２は、前記した従来例と同様に、前面板３４、蛍光面３６、陽極３８およびスペーサ４０等を有する。
【００２８】
なお、１つの電子源１０で構成された１画素分のみを図３に示し、複数の画素について図５に示した。
【００２９】
図５では、それぞれストライプ状に形成されて平行に配置された陰極１４およびゲート１６が空間的に交差する複数の交差箇所Ｃに、それぞれ電子源１０が配置されており、各交差箇所Ｃ、言い換えれば各電子源１０の１つずつがそれぞれ１つの画素に対応する。
【００３０】
陰極表示装置３２の各部材の材料について以下説明する。
【００３１】
ゲート１６および制御電極１８の材料は、特に限定するものではないが、例えば、ニッケル、モリブデン、白金、タングステン、クロム、アルミニウム等の金属、あるいは導電性のシリコン等の導電性材料を使用することができる。
【００３２】
陰極１４の材料は、特に限定するものではないが、例えば、カーボンナノチューブ、ダイアモンド、ダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、グラファイト等の炭素材料を使用することができる。
【００３３】
絶縁層２０、２６は、特に限定するものではないが、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｙ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２等の薄膜またはガラス成分を含む厚膜等で形成することができる。
【００３４】
蛍光面３６の材料は、例えば、ＣＲＴ用のＰ２２の蛍光体（Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ（赤）、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｌ（緑）、ＺｎＳ：Ａｇ（青）等）等を使用することができる。
【００３５】
陽極３８は、例えば、アルミニウムを材料として用いて蛍光面３６上にメタルバックとして形成される。
【００３６】
なお、電子源１０において、陰極は、開口のない平板状に形成してもよい。また、制御電極は、陰極と同一平面上に絶縁体等を介して陰極を取り囲むように設けてもよく、あるいは、陰極の上方であってゲートの下方に設けてもよい。
【００３７】
電子源１０の駆動方法について、図６を参照して説明する。
【００３８】
陰極１４を例えば０Ｖの固定電位とする。そして、陽極３８を例えば５〜１０ｋＶの固定電位とするような電圧を陰極１４および陽極３８間に印加して、陰極１４から電子を放出する（図６中▲１▼）。この５〜１０ｋＶの電圧は、上記したＰ２２のような高電圧タイプの蛍光体を用いた場合において、印加電圧と電子の放出効率、言い換えれば発光効率とが比例関係にある領域であり、大きな発光効率を得るのに望ましい大きな電圧レベルである。この場合、陰極１４からの電子の放出は、ゲート１６によってではなく陽極３８によって（陰極１４と陽極３８との間に印加した電圧によって）行われる。このため、ゲート１６は、例えば陰極１４と同じ０Ｖの電位にしておく。また、制御電極１８も陰極１４と同じ０Ｖの電位にしておく。
【００３９】
陰極１４から放出された（引き出された）電子は、加速されて蛍光面３８に衝突し、蛍光体を励起して発光させる。
【００４０】
つぎに、蛍光面３８の発光を停止するには、ゲート１６および制御電極１８の電位を０Ｖよりも低い同一の電位Ｅ１とする（図６中▲２▼）。このゲート１６および制御電極１８の電位の制御は、共通の電源（制御回路）を用いて行うことができる。これにより、陰極１４近傍の高い電界が緩和され、陰極１４からの電子の放出が停止する。この場合、電界条件によっては、制御電極１８の電位のみをＥ１としてもよい。また、必要に応じてゲート１６の電位のみをＥ１としてもよい。
【００４１】
一方、ゲート１６および制御電極１８の電位を０Ｖよりも低く、かつ電位Ｅ１よりも高い電位Ｅ２とすると（図６中▲４▼）、電界の緩和状態が適度に調整されて、陰極１４からの電子の放出状態（放出量）を調整、制御することができる。また、このとき、ゲート１６から遠い位置にあり、かつこの場合、開口２４が形成されてエッジ状となっている陰極１４の中央部位の電子の放出状態を制御電極１８によって制御できるため、陰極１４の全面から均一に電子を放出させることができる。この場合、電界条件によっては、制御電極１８の電位のみをＥ２としてもよい。
【００４２】
つぎに、電子源１０の変形例について、図７を参照して説明する。
【００４３】
変形例の電子源１０ａは、基本的な構成は電子源１０と同様である。したがって、電子源１０ａについて、電子源１０と同一の構成要素には電子源１０と同一の参照符号を付すとともに重複する説明を省略する。
【００４４】
電子源１０ａは、制御電極１８が絶縁層２０の下に形成されている点が電子源１０と相違する。
【００４５】
上記のように構成した電子源１０ａは、制御電極１８と陰極１４とが導通するおそれが少なく、また、電子源１０ａの製造が容易である。なお、この場合、制御電極１８と陰極１４との間に絶縁層２０が介在しているため、駆動方法としては、陰極１４近傍の電界を緩和するには、電子源１０の場合よりもより小さい電位レベルに制御電極１８の電位を設定する。
【００４６】
つぎに、１画素を構成する電子源１０の変形例について、図８を参照して説明する。
【００４７】
図８では、図５と同様に、それぞれストライプ状に形成されて平行に配置された陰極１４およびゲート１６が空間的に交差して複数の交差箇所Ｃが設けられ、１つの交差箇所Ｃが１つの画素に対応する。但し、この場合、１つの交差箇所Ｃに設けられた１つの電子源１０ｂは、ゲート１６には９つの開口が形成されて各開口のそれぞれに陰極１４および制御電極３０ａが設けられている。
【００４８】
上記のように構成した電子源１０ｂは、陰極１４の電子を放出する部位が９つの小さな円に分割されているため、各電子を放出する部位およびゲート１６の寸法ばらつきがあったとしても１画素分全体としては相殺されて平均化され、電子の放出が均一に行われる。また、９つの各電子を放出する部位の中央の箇所とゲート１６との離間間隔が図３の電子源１０よりもはるかに小さいため、電子を放出する部位の中央の箇所とその周囲の箇所とで電子の放出状態に差がない。
【００４９】
なお、この場合、電子源１０ｂを９つの微小な電子源の集合体とみてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明に係る電界放出型電子源によれば、高電圧が印加された陽極に衝突させる電子を放出するための平面状の電子放出部位を有する陰極と、陰極から離間して配設され、陰極を取り囲んで陰極を陽極に向けて露出させるように形成されたゲートとを有する電界放出型電子源において、陰極の平面状の電子放出部位は開口部を有するとともに、開口部に相対して陰極のゲートに向けた反対側に、開口部とは絶縁層を挟んで、または開口部とは空間で離間して陽極に向けて露出させるように近接して配設され、ゲートの電位とともに陰極の電位よりも低い電位が印加されて陰極近傍に生成される電界を緩和する制御電極をさらに有するため、電子の放出程度を良好に制御することができ、また、平面状の陰極表面から均一に電子を放出させることができる。特に、陰極と陽極との間に印加する高電圧によって生成した高電界によって陰極からの電子の放出が行われる場合は、電子放出のＯＮ、ＯＦＦ制御を制御電極によって行うことができ、また、このとき、電子放出の閾値電圧の小さい材料を用いて陰極を形成したものであっても確実に電子放出のＯＮ、ＯＦＦ制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイアモンドによって陰極を形成した従来の電子源を含む表示装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１の表示装置の変形例である。
【図３】本実施の形態例の１つの電子源の平面図である。
【図４】図３の電子源を含む表示装置を、図３中ＩＶ−ＩＶ線上断面で示した図である。
【図５】本実施の形態例の複数の電子源の平面図である。
【図６】本実施の形態例の電子源の駆動方法を説明するための図である。
【図７】変形例の電子源を含む表示装置の断面構成を示す図である。
【図８】図５とは異なる複数の電子源の平面図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ電子源
１２背面板
１４陰極
１６ゲート
１８、３０ａ制御電極
２０、２６絶縁層
３２表示装置
３４前面板
３６蛍光面
３８陽極
４０スペーサ

Claims

高電圧が印加された陽極に衝突させる電子を放出するための平面状の電子放出部位を有する陰極と、該陰極から離間して配設され、該陰極を該陽極に向けて露出させるように形成されたゲートとを有する電界放出型電子源において、
該陰極の平面状の電子放出部位は開口部を有するとともに、
該開口部に相対して前記陰極のゲートに向けた反対側に、前記開口部とは絶縁層を挟んで、または前記開口部とは空間で離間して前記陽極に向けて露出されるように近接して配設され、前記ゲートの電位とともに前記陰極の電位よりも低い電位が印加されて前記陰極近傍に生成される電界を緩和する制御電極をさらに有することを特徴とする電界放出型電子源。