JP3933686B2 - 電界エミッタ液晶表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は表示装置に関し、特にアビオニクス用表示装置に関する。さらに特定すれば、本発明は、電力消費が少なく且つ分解能と輝度が高いフラットパネル液晶表示装置に関する。
利用可能な電子表示装置のうち、最新のアビオニクス用表示装置に要求される上記の特徴に適合するものはない。陰極線管(CRT)は高い発光効率を有し、コントラスト比にすぐれ、観察角度の点でもすぐれている。ところが、CRTの欠点は電子銃が大型であることと、偏向増幅器が使用する電力が多いことの2つである。平面CRTを開発するために、長年にわたり多くの労力が費やされた。開発における2つの方式は、第1に、電子銃を陰極線管の面と平行になるように折りたたむ方式と、第2に、面陰極及びグリッドシステムによって画素ごとに電子ビームを発生する方式である。これらの方式のうち、第1のものはSONY WATCHMANで実現され、第2のものはISEの真空蛍光表示装置(VFD)で使用された。これらは、上記のような方式を商用に適用して成功した唯一の例であった。
その他には、面陰極として円錐形電界エミッタアレイ(CFEA)を使用することも提示されている。しかしながら、VFDとCFEAは、共に、高電圧陽極回路を採用することにより陰極線ルミネセンスを得ることができる発光効率の高い蛍光体を使用していない。CFEA装置の場合、エミッタ先端の電界形成と、電子により表面から脱着される粒子によるエミッタ浸食とに起因する信頼性の問題があるため、高電圧陽極を使用できない。
輝度が高く、発光効率が高く且つ観察角度にすぐれているなどの陰極線ルミネセンスの利点を保ちつつ、小型で薄く、ランダムにアドレス可能であり、消費電力が少ないという特徴を有する装置が必要とされる。
発明の概要
本発明は表示装置において望まれる上記の特徴の全てを提供する。これは、1つ又は複数の陰極線ルミネセンス画面に対する電子源としてマトリクスアドレス可能(液晶画素ごとに個別のランプとして機能する場合)薄膜エッジ電界エミッタの二次元アレイを有する薄膜エッジ電界エミッタアレイ(FEA)ランプを備えた液晶表示装置である。以前の電界エミッタアレイと比較した場合の本発明のランプの利点は、エミッタの曲率半径が膜蒸着によって決まるために、均一性が増し且つ電流密度が増加することと、電流バイアス用の直列抵抗器を実現するのが容易になったことと、製造コストを低減させる集積回路(IC)及びマイクロ加工プロセスに基づく製造工程であることと、信頼性と歩留まりを向上させるオンチップ合焦電極を使用することによりエミッタの焼損が排除されることと、高電圧蛍光体の使用によって発光効率が高くなることである。
本発明のその他の利点は、電圧の上昇に伴って電子放出電流が指数関数をもって増加し、その結果、薄膜エッジエミッタ及び高電圧蛍光体の使用によって高い輝度と、大きなダイナミックレンジと、高い相互コンダクタンスが得られるために、輝度とコントラストが高いことである。また、各々の液晶画素は100を越える放出エッジを有する電界エミッタアレイランプから構成されており、そのため、高度の冗長性が得られるので、製造時の歩留まりが高くなる。画面電圧が15キロボルト、発光効率は20ルーメン/ワットであると仮定すると、1000fLの輝度に対して要求される電流密度は5μA/cm2未満であるにすぎない。電流等化抵抗素子は1回の障害がランプ又はランプの列をプルダウンするのを阻止するので、十分な欠陥許容度をもつ電界エミッタアレイランプ液晶表示装置製造プロセスが実現される。
アレイランプのエッジエミッタは、電界形成や粒子によって誘起される脱着エミッタ浸食の不都合な影響を受けない。従って、高電圧蛍光体を使用しても、信頼性の問題は起こらない。このため、より効率の良い蛍光体を使用できるので、同じ輝度であっても、より低い電力での動作が可能になり、放出される電子を高い分解能で近接集束できる。高電圧蛍光体はそれほど電流を必要とせず、発光効率の高い蛍光体によって電力消費量が少なくなるので、このような蛍光体の寿命は長い。
電界エッジエミッタアレイは、単色液晶表示装置又はカラーフィルタを有するカラー液晶表示装置において、通常の蛍光ランプの代わりに液晶表示装置用のバックライトとして機能するランプである。電界エミッタアレイのそのような用途は、アクティブマトリクス液晶表示装置並びに画素スイッチング薄膜トランジスタをもたない受動形表示装置であろう。
電界エミッタアレイランプは、150〜250フット・ランバートの表示輝度を発生するために5000フット・ランバートの明るさを要求するアビオニクス用表示装置のバックライトを構成する能力を有する。現在の一般的なバックライト技法は、すぐれた均一性を得るために反射体、コリメータ及びディフューザなどの光学素子を必要とする管状蛍光ランプであるが、1ワット当たり10ルーメン未満の低い発光効率を有する大型のバックライトになってしまう。しかしながら、中空の陰極を有する高価な輝度の高い平坦な蛍光ランプは光学素子のいくつかを使用せずに済み、1ワット当たり16ルーメンの発光効率と、3000フット・ランバートの輝度を有することができる。しかし、輝度の高い蛍光ランプは、陰極の浸食が重大であるために、通常はわずか1000時間の寿命しかもっていない。蛍光バックライトは、通常は、耐えがたいほどの効率の低い放電を回避するようにコールドスポット温度を摂氏約43度に調整するために、熱電装置と温度制御装置を必要とする。アビオニクス用及び宇宙用の液晶表示装置で使用される蛍光ランプはコールドスポット温度を調整するために熱電装置と温度制御装置を必要とし、また、蛍光ランプを低温で始動できるようにするため、ヒータと制御装置を必要とする。さらに、調光のために安定回路が必要であり、照明の均一性を得るためにディフューザが必要であるので、このランプの輝度は低く、発光効率も低い。
電界エミッタアレイのバックライト又はランプは、蛍光バックライトでは必要なディフューザを含む光学素子や、冷却装置及び加熱装置を必要としない。電界エミッタアレイは、電界エミッタの相互コンダクタンスが高いために、単純な調光制御回路を有する。電界エミッタアレイでは、蛍光ランプと比べて寿命は長く、信頼性は高い。電界エミッタアレイランプと、蛍光ランプは、それぞれ、液晶表示装置に設けられるディフューザの後で5000フット・ランバートと、3000フット・ランバートを示し、12.5ワットと、18ワットの使用で、1ワット当たり25ルーメンと、9ルーメンの発光効率である。
【図面の簡単な説明】
図1は、電界エミッタアレイバックライトを有する液晶表示装置を示す。
図2は、3色電界エミッタアレイバックライト液晶表示装置を順序付けするための電子回路を示すブロック線図である。
図3は、個別画素電界エミッタ照明方式を示す。
図4は、3色電界エミッタ画素照明パターンを表わす。
図5aは、3色単一画素電界エミッタ光を示す図である。
図5bは、3色電界エミッタ順序付けストリップ構成を示す。
図5cは、3色電界エミッタ加法混色ストリップ構成を示す。
図6は、マルチドメインハーフトーングレイスケール表示装置の製造時に使用される4つの部分画素を伴う画素の概略図を示す。
図7aは、様々な大きさの制御コンデンサを伴う部分画素を有する画素の切取り図である。
図7bは、図7aの画素の電気等価回路である。
図8は、基本くしの歯形エッジ電界エミッタを示す。
図9a及び図9bは、エミッタの縁部を示す。
図10は、エミッタの斜視図を示す。
図11及び図12は、別の種類のエミッタの図を示す。
図13は、エミッタの側面切取り図である。
図14は、図6の横断面図である。
図15a〜図15cは、エミッタの3つのくし形構造を示す。
図16は、エミッタのアレイレイアウトを表わす。
図17は、薄膜エッジエミッタの横断面図である。
図18は、液晶表示装置における電界エミッタの場所を示す。
図19は、液晶画素の個別ランプとして使用される電界エミッタアレイの構造の一部である。
図20は、電界エミッタの微細構造の斜視図である。
図21は、電界エミッタアレイの製造のフローチャートである。
図22は、積層エミッタ構造を示す。
図23は、二重制御電極エミッタ構造を示す。
図24は、単一制御電極エミッタ構造を示す。
図25は、電界エミッタと同じ基板上に個別低電圧蛍光画面を有する平面薄膜エッジ電界エミッタを表わす。
実施形態の説明
図1では、電界エッジエミッタアレイは、単色液晶表示装置又は複数のカラーフィルタを有するカラー液晶表示装置において、通常の蛍光ランプの代わりに、液晶表示装置134のバックライト130として機能するランプである。電界エミッタアレイのこのような用途は、アクティブマトリクス液晶表示装置並びに画素スイッチング薄膜トランジスタをもたない受動形表示装置であろう。
カラーフィルタをもたないカラー液晶表示装置を実現するために、いくつかの電界エミッタアレイをバックライトとして使用しても良い。たとえば、図2では、赤,緑,青をそれぞれ発するバックライト141,142及び143としての3つの電界エミッタアレイは、画素アドレス指定用電子回路138から信号を受信する順序付け用電子回路136により、画素135の切り替えと同期して液晶表示装置134による画像を受け、フルカラー表示を得る。適用可能な順序付け方式とアドレス指定方式の分類は当該技術に含まれている。画素アドレス指定用電子回路138は、画像データ源140からの画像を表示するために画素135のスイッチングを実行する列アドレス信号及び行アドレス信号を発生する。赤色バックライト141は赤色の画像テンプレートを表示するときにオンし、緑色バックライト142は緑色の画像テンプレートを表示するときにオンし、青色バックライト143は青色の画像テンプレートを表示するときにオンする。画像テンプレートは1つのフレームの三分の一ずつを変化させる。フレーム周波数は毎秒60ヘルツである。従って、1秒の1/180の時間だけ各テンプレートは存在し、各々のバックライトはオンしている。赤色テンプレートと、緑色テンプレートと、青色テンプレートが一順すると、フルカラー画像が生成される。
図5bは、図2に類似する順序付けストリップ構成である。しかしながら、バックライト141,142及び143の形態が図5bにおいては図2のバックライトと同様に順序付けされるストリップの形態をとっているという点で異なる。電界エミッタのストリップ141,142及び143は、図2のシステムに関して説明したようなテンプレートのシーケンスに従って、赤,緑,青の光を一度に1色のみそれぞれ射出する。ストリップは基板上に液晶パネル134と平行に、それと隣接して位置していても良い。設計の都合で、ストリップをパネル134の画素135の列又は行と同じ方向に整列させても良い。ストリップが列と整列されていても、又は行と整列されていても、ストリップの幅は列又は行と同じ大きさでなくとも良い。ストリップの幅は列又は行の幅の2倍までの幅であれば良い。「オン」状態である電界エミッタアレイストリップの光は、それぞれのテンプレートの持続時間中にパネル134の全体が1つの色で点灯されるように、あふれる(spill over)ものと予期される。1色のストリップ光が射出されているときにパネル134の全体を一様に点灯するように光をその他の列又は行へ拡散又は散布するために、電界エミッタアレイストリップとパネル134との間にディフューザ層145が挿入されている。
図5cには、液晶表示装置134の電界エミッタアレイ加法混色ストリップ構成を示す。ストリップ141,142及び143はパネル134の画素の列又は行のいずれかと整列されれば良い。電界エミッタアレイストリップは、パネル134と平行であり且つそれに隣接する基板の上にあっても良い。順序付けストリップ構成の場合と同様にあふれ又は漏話を許容しえないので、ストリップ141,142及び143は画素135の列又は行と同じ幅を有していなければならない。射出された光が対応するストリップと整列されている画素135の列又は行にのみ達するようにそのストリップの光をコリメートするために、電界エミッタアレイストリップ基板とパネル134との間に光コリメート層146が挿入されている。全てのストリップ141,142及び143は電源148に接続し、液晶表示パネル134が「オン」状態である全ての時間にわたって光を発する。3色の3つの画素135は加法混色されて、カラー表示装置に各々のカラースポットを生成する。画素135はパネル134を介する光の通過を制御する。
さらに、電界エッジエミッタアレイはカラー液晶表示装置134を照明する個々の画素135の不可分の一部となっている。カラーフィルタの代わりに、各画素135は、図3に示すように、その画素に近接する少なくとも1つの電界エミッタアレイ又はバックライト(赤色)141,(緑色142)又は(青色)143を有する。所定画素の1つの辺に隣接する各画素135は、所定画素の電界エミッタアレイとは異なる色の電界エミッタアレイを有する。たとえば、図4において、赤色電界エミッタアレイを有する中央の画素は青色電界エミッタアレイを有する2つの画素と、緑色電界エミッタアレイを有する2つの画素とに隣接している。所定の色について電界エミッタアレイからの光の色を正しく混合させるために、赤,緑,青の3つの画素をそれぞれの比例量でターンオンする。あるいは、図2の3色バックライト構成と同様に、色に応じて画素135のランプを順次動作させても良い。各画素の領域内に赤,緑,青の光の電界エミッタを有する別の方式もある。光の輝度と画像の制御を行い、さらに多くの効果を得るために、各々の電界エミッタアレイを対応する画素と同期して制御し、スイッチングしても良い。
前述のように画素ごとに1つの電界エミッタアレイしかないであろうが、電界エミッタアレイの光が隣接する画素へもあふれるように電界エミッタの光を関連する画素に対して製造できるので、表示装置に所望のカラースポットを生成するために3つの画素をスイッチオンするのではなく、所定の1つの画素について電界エミッタアレイを組合わせてスイッチオンして、特定の1色を生成しても良い。
別の構成は、図5aのように、各画素領域の中に2つ以上の電界エミッタアレイが存在するという構成である。たとえば、赤,青及び緑のような3つの異なる色の光、あるいは赤,青及び/又は緑を除く複数の色の他の何らかの組合わせを発生することができるように、画素ごとに少なくとも3つの電界エミッタアレイがあっても良い。その場合、画素ごとに、画素と電界エミッタアレイに接続する行アドレス線及び列アドレス線により指示される通りに、所望の又は必要な画素色を提供するために、電界エミッタアレイは対応する画素と共に適切にスイッチングされれば良い。
電界エミッタアレイの画素色照明は単色(すなわち、カラーフィルタをもたない)グレイスケール液晶表示装置に適用可能である。電界エミッタアレイは基板上に別個に製造でき、電界エミッタアレイ色照明液晶表示装置を得るために、それらを液晶表示装置と近接させても良い。一方、電界エミッタアレイと液晶表示装置を周知の集積回路技法を使用して1つのユニットとして一体に製造しても良い。
現在の電界エミッタアレイランプ技法を適用できる液晶表示装置は、アクティブマトリクス表示装置並びにバッシブマトリクス表示装置である。アクティブマトリクス形表示装置は、特徴として、性能向上を目的として各画素をスイッチオン,スイッチオフする薄膜トランジスタを有する。しかしながら、パッシブマトリクス液晶表示装置の場合と同様に、トランジスタなしで直接に各画素をスイッチングしても良い。
図6,図7a及び図7bは、マルチドメインハーフトーン表示装置の画素135の1例を示す。まず最初に、約43ミルの厚さの第1のガラス基板186の上に、制御コンデンサを伴うハーフトーン部分画素を有する薄膜トランジスタ(TFT)アレイを製造する。部分画素162,163,164及び165の制御コンデンサC1,C2,C3及びC4は、部分画素162,163,164及び165を規定する第1の酸化インジウムスズ(ITO)電極161(TFTのドレイン160に接続している)と第2のITO電極167との重なり合いの面積を変化させることによって製造される。第1のITO層161と第2のITO層167は約1000オングストロームの厚さであり、制御コンデンサ誘電体192によって分離されている。任意に、ITO層161をITO層167の#1の部分画素162の部分に接続するビア166(図6に示す)が設けられる。このビア接点166は、部分画素162をターンオンするために、ITO層161とITO層167の部分画素162の部分との間のキャパシタンスC1に従うのではなく、TFTからのデータ電圧の全てを#1の部分画素162に印加させる。ビア166は制御コンデンサC1を短絡する。誘電体層192は約5000オングストロームの厚さであり、二酸化シリコンから製造されている。
図7bの等価回路196のキャパシタンスCLCは、第1の基板186上の個々の部分画素電極として機能する第2のITO層167と、図7aの誘電体としての液晶材料190を伴う第2のガラス基板188上の共通電極として機能する第2のITO層194との間のキャパシタンスである。第2のガラス基板188は約43ミルの厚さを有し、共通電極層194は約1000オングストロームの厚さを有する。白色電界エミッタアレイバックライトを利用する場合、構造184がカラー表示のためのものであれば、第2のガラス基板188と電極194との間にカラーフィルタアレイ169がある。この場合、カラーフィルタアレイ169は約2〜3ミクロンの厚さであり、赤,緑及び青の染料を含有するポリイミドから形成されている。液晶材料190には、それぞれが約500〜1000オングストロームの厚さである第1及び第2のポリイミドアライメント層195及び197が密接に接している。第1のポリイミドアライメント層195はITO層167の上に形成され、第2のポリイミドアライメント層197は共通電極ITO層194の上に形成されている。アライメント層195及び197の間の、液晶材料190から離れて、層195及び197の離間距離を設定し且つ液晶材料190のためのスペースを維持する支柱,円筒又は球などのスペーサ213が配置されている。第1のITO層161は、TFT230と共に、第1のガラス基板186の一方の面に形成される。第1のガラス基板186の他方の面には第1の補償又は遅延膜又は層199が形成されている。第1の補償層199の上に第1の偏光子201が形成される。第2のガラス基板188の上には、第2の補償又は遅延膜又は層203が形成される。この補償層203の上には第2の偏光子205が配置されている。第2の偏光子205の上に反射防止及び/又は電磁干渉防止層207が形成される。光を表示装置184を経て層201,199,186,161,192,167,195,190,197,194,169,188,203,205及び207を介し、観察者に到達させるために、バックライト141,142及び/又は143が第1の偏光子201に近接して配置されている。
グレイスケール能力の構成を含めて、液晶表示装置の構成と、いくつかの製造技法は以下に挙げる米国特許の中に開示されている:(1)1989年6月20日発行、名称「Apparatus and Method for Providing a Gray Scale Capability in a Liquid Crystal Display unit」のAnthony Bernot他による米国特許第4,840,460号;(2)1992年6月30日発行、名称「Liquid Crystal Display with Sub−Pixels」のKalluri Sarmaによる米国特許第5,126,865号;(3)1992年11月10日発行、名称「Method of Manufacturing Flat Panel Backplanes including Redundant Gate Lines and Displays Mode thereby」のScott Holmbergによる米国特許第5,162,931号;(4)1993年3月2日発行、名称「Active Matrix Liquid Crystal Displey Fabrication for Grayscale」のKalluri Sarmaによる米国特許第5,191,452号;(5)1993年4月20日発行、名称「Apparatus and Method for providing a Gray Scale in Liquid Crystal Flat Panel Displays」のKalluri Sarmaによる米国特許第5,204,659号;(6)1993年11月2日発行、名称「Single Crystal Silicon on Quartz」のKalluri他による米国特許第5,258,323号;(7)1994年9月6日発行、名称「SOI Substrate Fabrication」のKalluri Sharma〔sic〕他による米国特許第5,344,524号;及び(8)1994年1月25日発行、名称「High Mobility Integrated Drivers for Active Matrix Displays」のKalluri Sarmaによる米国特許第5,281,840号。尚、これらの特許は参考として本出願の中に取り入れられている。ここで挙げた上記の特許は、本出願の中に記載されている本発明と同じ譲受人に譲渡されている。
図8は、液晶表示装置用の電界エミッタアレイランプで使用可能である基本くしの歯形エッジ電界エミッタ20を示す。エミッタ20はリード導体1を有し、外部電圧源と電気的に接続し、抵抗素子5と、電気接点2の導電素子6とを介してエミッタ構造3と接触している。リード導体1は物理的には抵抗素子5のみと接触しているのが好ましい。
エミッタ構造3のエミッタエッジ4は複数のくし形素子e1…enに分割されている。エミッタエッジを分割すると、焼損の問題を排除するのに有用である。エッジの長さを局限することにより、焼損の拡張は防止され、その問題は元のくし形素子に限定される。
抵抗膜5は代表的には窒化タンタル又はポリシリコンであるが、それには限定されず、薄膜構成技法によって、印加される抵抗がエミッタエッジ4と直列になるようにエミッタ構造3と接触する状態に形成される。抵抗膜は鋭い先端からエミッタエッジへの過剰な直流(D.C.)放出電流又は漂遊容量からの制御不可能な放電を制限する働きをする。
導電膜6と、酸化物又は窒化物のいずれであっても良い絶縁体11も、それらと抵抗膜5が互いに平行となるように、薄膜技法によって抵抗膜5の上に積層させることにより得られる。抵抗膜5と、絶縁体11と、導電膜6は、一体となって、リード導体1を介する交流(A.C.)の高周波数バイパスを形成するコンデンサとして作用する。このコンデンサは、限流負荷線が非常に小さな抵抗器にであるように、高周波数マイクロ波信号の増幅を可能にし、それにより、増幅器の利得を大幅に増加させる。これは、直流電流がエミッタを損傷する可能性が抵抗器により制限されるためと;バイパスコンデンサは高周波数信号がエミッタを通過するときの別の経路を形成するためである。
図9a及び図9bは2つのエミッタエッジ61及び62をそれぞれ示しており、矢印はそれぞれのエッジにおける電子の流れを指示する。エッジ61の角部は電子放出の集中を招き、故障を発生しがちであるため、隆起形のエッジ62が現時点では好ましい。
図10は、図8に示したエミッタの斜視図を示す。符号7で示す構造は支持層として作用する。この図には、絶縁基板層12と、上部制御電極8及び下部制御電極9も見えている。制御電極は、陽極10と電子を放出する陰極4との間の電流の流れを制御する側方ゲートとして動作する。
図11及び図12は、第2の種類のエミッタの平面図と斜視図をそれぞれ示す。この構成においては、エミッタ構造全体がくし形素子4に分割されている。各々のくし形素子e1…enは、それを導体接点2に接続する個別の抵抗器素子5を有する。
第2の構成の配列は、個々のくし素子を焼損させずに全体としてより多くの電流を引出すことができる。図8及び図10に示した第1の構成では、第2の構成と比べて(2つの構成が同じ大きさであると仮定した場合に)引出せる電流の総量は少なくなるが、抵抗膜の面積が広いため、容量性結合の効果は高い。
図13は、エミッタの2つの構成のいずれか一方を表わすと考えられる断面で示した側面図である。図13には、導電素子6と抵抗素子5との間の誘電体材料11と、エミッタが上面に構成される絶縁基板12も示されている。
図14は、図13の線7−7に沿った詳細な側面図である。最上位置に支持層15(窒化物であるのが好ましいが、類似する電気的特性をもつ他の周知の支持層を使用することができるであろう)がある。さらに、上部制御電極8(約2500オングストロームのTiWであるのが好ましいが、他の金属又は導電性材料も使用できるであろう)と、上部犠牲層16(約3000オングストロームのSiO2であるのが好ましいが、その代わりに、類似の電気的品質をもつ他の支持材料を使用できるであろう)とがあり、エミッタは2つの支持層、すなわち、窒化物11a及び11bから成り、厚さが約2000オングストロームの支持層により囲まれており、エミッタeはTiWの300オングストロームの層であるが、上記の同様の層の場合と同じように代わりの材料を使用しても良い。この下方には、構造及び厚さの点で上部犠牲層16に類似する別の「下部」犠牲層17と、約1000オングストロームのTiWの下部電極9がある。その構造全体が別の支持層11(約1000オングストローム)によって支持され、SiO2ウェハ12の上に配置されている。代わりに結晶質シリコンなども使用できる。
図15a,図15b及び図15cは、くし構造4と抵抗器素子2との組み合わせ構造の3つの代替例を示す。図15dは、図15bに示す構造の素子eの側横断面図である。
図16は、エミッタ41,42,43及び44と、抵抗器素子2a,2b及び2cとを採用するアレイの一部分40を示す。エミッタ41をターンオンするために、制御電極ワイヤ50,52及び54(メタライゼーション又は他の電流搬送構造)と、線路63及び65とは接合部51及び53でそれぞれ接続している。このようなアドレス線50,52,54,63及び65のマトリクスは、表示装置の液晶画素のアドレススイッチングマトリクスに匹敵するであろう。
図17は、フラットパネル液晶表示装置でランプとして使用される薄膜エッジエミッタ70の詳細をさらに明示する図である。基板71の上には、約2500オングストロームの窒化物層72がある。層72の上には、約1000オングストロームの厚さのTiWのゲート電極73がある。層72には、3500オングストロームの酸化物の層74がある。酸化物層74の上には、エミッタエッジ層76としての200から300オングストロームのTiWを支持するために使用される1500オングストロームの窒化物の層75がある。エミッタエッジ層76の上には1500オングストロームの窒化物層77が形成されている。窒化物層75及び77はエミッタ層76を構造上支えている。層77の上には、3500オングストロームの二酸化シリコンの層79がある。酸化物層79の一部の上に、約2500オングストロームのTiWのゲート電極80が形成されている。ゲート電極80と酸化物層79の上には2500オングストロームの層81が形成されている。
ゲート電極73及び80と、窒化物層72,75,77及び81の縁部は、エミッタエッジ層76の放出エッジとほぼ整列している。エミッタエッジ76と直列に接続する抵抗器であると有効な抵抗性金属を介してエミッタ制御部を形成するために、層77,79及び81にはビアがエッチングされている。金属78はTaNである。酸化物層74及び79はエミッタエッジ層76の放出エッジから約0.5ミクロンエッチングバックされている。基板71上には、エミッタエッジウェハ70とは離間して、約2500オングストロームの窒化物層82も形成されている。この層82の上には、約0.5ミクロンのTiWの層である陽極83が形成されている。層73,76,80及び83の金属はTiW以外であっても良いが、異なる金属から成るそのような層の相互間で起こると考えられる電気化学的反応を阻止するように、類似する仕事関数を有する必要がある。陽極83は、エミッタエッジ76から放出される電子に対して合焦電極として機能する。陽極83は、最適の集束を得るために、エッジ76から約1.5〜4ミクロンの距離で調整自在である。
エミッタ70は、図10及び図12にそれぞれ示したアセンブリ20及び21のように、複数の歯を有するくしの歯形エミッタとして形成されても良い。エミッタの歯の数は重要ではないが、ランプとしての好ましい数は図18の電界エミッタ84が有しているような4つであろう。エミッタの各々の歯は約4ミクロンの幅を有する。エミッタ84は約30ミクロンの寸法87を有し、各辺で100から300ミクロンの寸法89を有するランプ88を構成するエミッタの1つである。画素ランプ88の二次元アレイはマトリクス形アドレス可能ランプアレイ90を構成し、これは分解能と、画素サイズとにより決定される寸法91を有する液晶表示装置の画素アレイに匹敵する。
図19は、基板71上に配置された電界エミッタ84を有するアレイ100の構造の一部を示す。列アドレス導体ストリップ92と、行アドレス導体ストリップ93は、平面外画面97に到達する電子を放出するためにターンオンされるべき特定のエミッタアレイ88を選択する。ストリップ92は電界エミッタ84のゲートに接続し、ストリップ93は電界エミッタ84の抵抗器/エミッタに接続している。画面94はガラス板又は基板95から構成されている。ガラス板又は基板95の上には蛍光体層96が形成され、その蛍光体層96の上に、電子のビーム98に対して透明であるが、電気信号を導通する薄いアルミニウム(Al)層97が形成されている。層97は電圧源の正端子に接続しており、電圧源の他方の負端子は各々のエミッタ84に接続している。放出した電子98は陽極97を通過するときに蛍光体層96に入射する。蛍光体層96に放出電子98が入射すると、放出された電子98が入射した領域で層96は光子を放出し、その結果、観察者に対して光の可視表示が形成される。上記の画面構成は主に高電圧蛍光体に使用される。低電圧蛍光体に主に使用される別の構成においては、層96は、電気信号を導通するが光に対して透明であり、ガラス板又は基板95の上に形成される酸化インジウムスズ(ITO)膜であっても良く;層97は電圧源の正端子に接続する層96の上に形成された蛍光体であっても良い。電圧源の他方の負端子は各々のエミッタ84に接続している。膜又は層96は、エミッタ84の放出電子を収集する陽極である。放出電子98は陽極96へ向かうときに蛍光体層97に入射する。放出された電子98が蛍光体層97に入射すると、放出電子98が入射した領域で層97は光子を放出し、その結果、観察者に対して光の可視表示が形成される。画面94は誘電体スペーサ99により、基板71との間隔を200ミクロンから10000ミクロンに保ちつつ基板71と平行に支持される。
図20には、無線周波数(RF)増幅のためにアレイで使用しうる真空超小型電子電界エミッタマイクロ構造101の構成がある。薄膜エッジエミッタ102は制御電極103及び104の間にはさまれている。電子はエミッタ102から側方へ放出されて、陽極105でエミッタ102から数ミクロン離れて集束される。構造101は、図21の簡略化された工程に概要を示すように、シリコン集積回路(IC)パターニング技法と表面マイクロ加工とを組合わせた工程によって製造される。
図19のアレイ100の電界エミッタ構造84は図20の構造101に類似している。しかしながら、構造101の陽極105は合焦電極であろう。構造101のエミッタエッジ102は複数のくし素子106に分割されており、各エミッタくし素子、すなわち、フィンガ106は電流等化抵抗層又は素子107に個別に接続している。抵抗素子107は各フィンガ106の直流電流を制限することにより、放出エッジ102の電子泳動とバーンアウトを阻止する。フィンガ106に対してくし形抵抗器107を有する薄膜エッジエミッタ構造102はエミッタごとに個別のバイアスを可能にすることにより、いくつかの短絡が線間電圧をプルダウンするのを阻止する。側方直列抵抗器107は、製造工程のわずかなばらつきの影響を受けない。薄膜エッジエミッタ102の固有キャパシタンスは低い。エミッタ101の応答時間を速くするために、バイパスコンデンサ108によりフィンガの直列抵抗器107を適切な周波数でバイパスすることができる。
低電圧放出に対して高い電界を得るために、エミッタエッジ102のフィンガ106は薄くなければならない(すなわち、200オングストローム未満)。理想的なエミッタ構造は非常に薄い放出エッジを有するテーパ形側方エミッタであるが、薄膜エッジエミッタ形態でこれを得るのは困難である。図22は、薄膜エッジの鋭さという利点を厚膜の電流搬送能力と組合わせた妥協の産物としての積層エミッタ構造109を示す。LaB6,CeB6,C5注入W1又はCs注入TiWから成る仕事関数の小さいエミッタを使用することにより、動作ゲート電圧は妥当な低さに保持される。
薄膜エッジエミッタに基づくいくつかの電界エミッタ構造はランプに適している。その1つが図23の二重制御電極構造110であるが、これはRF増幅のために使用される真空トランジスタに似ている。エミッタ112はエミッタ112の上方の上部制御電極113と、基板118上の、エミッタ112の下方に配置された下部制御電極114との間に対称に配置されている。電極113及び114は電子放出116の強さを制御するゲートである。電極113及び114は、それぞれ、エミッタ112から0.5ミクロン離間している。真空トランジスタの陽極は、基板118上に配置される合焦電極115として使用され、これはエミッタ112に関して−20ボルトと−50ボルトの間、典型的には−35ボルトでバイアスされる。電極115はエミッタ112から約4ミクロン離れている。エミッタ112はゼロボルトに設定され、制御電極113及び114は約+100ボルトに設定される。電極115に対する負バイアスは電子116を側方方向から画面117に向かう垂直方向に切替える。画面117は、上面にITO層120が形成されたガラス板119を有する。ITO層120は電子116に対して陽極、すなわち、コレクタとして接続している。ITO層120の上には蛍光体121の層が形成されている。蛍光体層121は平行な基板118から約2500ミクロン離間している。コレクタ120は正の2000ボルト(すなわち、1ミクロン当たり8ボルトの電界)でバイアスされる。電子放出116の電子エネルギーの広がりは約0.1電子ボルト(eV)であり、放出角度は±45度である。
もう1つのランプ電界エミッタ構造は図24に示す単一制御電極構成である。この構成122は図23の構成110と同じ素子、同じ物理的寸法、同じ電圧条件及び同じ動作特性を有する。唯一の相違点は、構成122には下部電極又はゲート114がないことである。合焦電極115の位置と高さは電子116のコリメーションに影響を及ぼす。電極115の最良の位置は構成110についてはエミッタ112の下方にあり、構成122については上部制御ゲート113と同じ高さにある。電子は構成122においてより良くコリメートされているように見える。構成110及び122は、共に、蛍光画面121の電子116の衝撃によって脱着されるエネルギー粒子によるエミッタ112の浸食の影響をほとんど受けない。
蛍光体層121は陽極として動作し、ガラス上に蒸着されても良い。この後に、導電層であり且つ反射体としても作用するAlの薄い層120が続いても良い。動作中、放出された電子は陽極121へと進み、電子が蛍光画面121に入射したとき、発光放出を発生させる。輝度は交流電圧と電流密度に比例し、蛍光体の寿命は付着電荷密度に反比例するので、高電圧蛍光体は低電圧蛍光体よりはるかに良い。次の表は低電圧陰極発光蛍光体と、高電圧陰極発光蛍光体の特性を比較したものである。
図19では、蛍光画面は個々のエッジエミッタアレイ84の一部である。アレイ100は、画面94が有する蛍光体97の種類に応じて、いくつかの色のうち1色を発することができる。上記の表は赤,緑及び青の色の光を発する蛍光体を得るために使用される材料の例を挙げている。電界エミッタ84のアレイの画素88は、図19の場合と同様に蛍光画面94と共に、赤,緑又は青の光を発するように設計されても良いが、適切な蛍光体を使用すれば別の色の光でも発する。従って、フルカラーの電界エミッタ照明液晶表示装置を得るために、赤,緑及び青の画素をマトリクス形アドレス可能画素アレイ90に配置することができる。たとえば、所定の1色の各画素がその他の色の画素と境を接するような画素レイアウトでも良い。3色マトリクスアレイや4色マトリクスアレイのためのカラー画素フォーマットの例は、本明細書の中にも参考として取り入れられている1989年1月24日発行、名称「Four Color Repetitive Sequence Matrix Array for Flat Panel Displays」のLouis Silverstein他による米国特許第4,800,375号などの関連技術の中に記載されている。
寿命の点を考えると、低電圧蛍光体より高電圧蛍光体のほうが良い。対処しなければならない問題は、陽極の高電圧に起因する誘電体スペーサの破壊である。しかしながら、誘電体スペーサ(図19)の電界は20000ボルトでは105V/cm未満であるので、誘電体の破壊は問題とはならないはずである。
第3のランプ電界エミッタ構造は図25のオンチップ蛍光画面構成124である。構成124は構成110を基礎にしている。基板118の、先の合焦電極115の領域に1.0から2.5ミクロンの深さの溝125を(マイクロ加工によって)エッチングする。溝125に陽極123を堆積させる。陽極123を堆積した後、eビーム蒸着とリフトオフにより蛍光体層127を規定する。電子126はエミッタ112から蛍光画面127及び陽極123に向かって進み、表示観察のために光子を放出する。側方では、陽極123はエミッタ112の最も近い縁部から2〜10ミクロン離れている。陽極123の電圧は、ゼロ電圧にあるエミッタ112に対して正の500ボルト以上である。上部制御ゲート113と下部制御ゲート114は100ボルトであり、エミッタ112に対して図23の構成110と同様に位置している。
Claims (14)
- 第1の平面に配置される複数の液晶画素(135)と、そして
前記第1の平面とほぼ平行であり且つそれに近接する第2の平面に配置され、その各々が薄膜エッジエミッタと高電圧蛍光体とを使用したランプである、複数のフィールドエミッタアレイ(141,142及び143)と
を具備するフラットパネル表示装置において、
前記複数のフィールドエミッタアレイのうち少なくとも1つのフィールドエミッタアレイは、その少なくとも1つのフィールドエミッタアレイが前記複数の液晶画素の各液晶画素に対してほぼ連続するバックライトとして機能するように、各液晶画素に配置されている、
ことを特徴とするフラットパネル表示装置。 - 前記複数の液晶画素に接続する第1の複数のアドレス線(行アドレス)と、
前記複数のフィールドエミッタアレイに接続する第2の複数のアドレス線(列アドレス)と
をさらに具備し;
各液晶画素に対しほぼ連続するバックライトとして機能する少なくとも1つのフィールドエミッタアレイは、前記第2の複数のアドレス線のうち1本のアドレス線からの信号に従って、少なくとも3つの異なる色から成る色グループの中の1つの色の光を発することができ、
各液晶画素は、前記第1の複数のアドレス線のうち1本のアドレス線からの信号に従って、近接するフィールドエミッタアレイからの色のスポットを受け渡して、特定の輝度を観察者に供給することができ、且つ
前記複数の液晶画素は第1の平面にフルカラー表示を生成することができる請求項1記載のフラットパネル表示装置。 - 前記複数の液晶画素と、前記複数のフィールドエミッタアレイとは、辺を有し、ある1つの色を発生することができる各画素が辺に沿って、その色とは異なる色を発生することができる画素と境を接するように配列されており;且つ
前記複数の液晶画素の各画素は可変輝度で色を発生することができるグレイスケール画素である請求項1記載のフラットパネル表示装置。 - 前記複数のフィールドエミッタアレイの各フィールドエミッタは、
電子を放出する陰極と、
電子を受け取る陽極と、
前記陰極から放出される電子が入射したとき、蛍光面上の蛍光体の種類により決定されるある1つの色の光子を発射するように、前記陽極に配置される蛍光画面と、
前記陰極から放出される電子の強さを制御する制御電極とを具備する請求項1記載の表示装置。 - 前記複数の液晶画素の各液晶画素は、前記液晶画素に印加される信号に従って可変グレイスケール出力を発生する複数の部分画素(たとえば、162,163,164及び165)を含み、その信号の大きさ指示に従って、部分画素が全く活性化されない状態から複数の部分画素の全てが活性化される状態までその状態が決まる、請求項1記載のフラットパネル表示装置。
- 前記フィールドエミッタアレイは少なくとも1つのフィールドエミッタを具備する、請求項1記載の表示装置。
- 少なくとも1つのフィールドエミッタは薄膜エッジフィールドエミッタである、請求項6記載の表示装置。
- 薄膜エッジフィールドエミッタは、
電子を放出する陰極と、
陰極に接続し、陰極へ流れる電流を制限する抵抗器素子と、
陰極により放出される電子を吸引する陽極と、
陽極に近接し、陽極により吸引された電子が入射し、入射した電子によって発生した光を射出する蛍光画面とを具備する請求項7記載の表示装置。 - 陰極はくし形構造を有する請求項8記載の表示装置。
- 蛍光画面により射出される光の色は蛍光画面上の蛍光体の種類によって決定される請求項9記載の表示装置。
- 薄膜エッジフィールドエミッタは、陰極により放出される電子の強さ及び/又は方向を制御する制御電極を具備する請求項7記載の表示装置。
- 薄膜エッジフィールドエミッタは、陰極により放出される電子を陰極に集束する合焦電極を具備する請求項11記載の表示装置。
- 薄膜エッジフィールドエミッタは、陰極により放出される電子の強さ及び/又は方向をさらに制御する第2の制御電極を具備する請求項12記載の表示装置。
- 薄膜エッジフィールドエミッタは、抵抗素子と並列に接続されて、振幅が変化する電流信号を陰極へ導く容量性素子をさらに具備する請求項13記載の表示装置。
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