JP3937853B2

JP3937853B2 - 発光表示装置

Info

Publication number: JP3937853B2
Application number: JP2002026242A
Authority: JP
Inventors: 恭彦宗吉; 富雄矢口; 誠岡井; 伸明林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-02-04
Also published as: JP2003228316A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的低い電界で電子を放出する材料、特にカーボンナノチューブ、微細カーボンファイバ、ダイヤモンド等の炭素系材料または窒化硼素系材料を電子源に用いた発光表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微小な電子源を多数並べ、放出された電子で蛍光体を励起して表示を行う発光表示装置の開発が盛んになっている。このような発光表示装置はブラウン管と同等の応答速度と明るさが期待できるうえに、液晶を用いる表示装置と同様の薄型化と軽量化が期待できる。
【０００３】
図８に従来例の発光表示装置の一例を示す。陰極パネル８１０は、高融点金属を先端半径０．１μｍ以下にまで尖らせた高さ１μｍ程度のエミッタ８１１と、このエミッタ先端近傍に電界をかけて電子を引き出すためのゲート８１２と、エミッタ８１１とゲート８１２を電気的に絶縁させるための絶縁層８１３、エミッタ８１１に電子を供給するカソード８１４、そして基板８１５からなる。また、陽極パネル８２０はアノード８２１、蛍光層８２２そして透明基板８２３からなる。
【０００４】
ゲート８１２に電圧をかけるとエミッタ８１１の先端に電界集中が生じて電子が引き出される。引き出された電子はアノード８２１に掛かる電圧によって加速され、蛍光層８２２を励起して発光させる。蛍光層８２２に色純度のよい高エネルギ用の蛍光体を用いるためにはアノード８２１に６ｋＶ程度の加速電圧を必要とし、放電を防ぐためにアノード８２１とカソード８１４は１．５ｍｍ程度離れた位置に配置する。エミッタ８１１の先端とゲート電極８１２の間の距離はおよそ１μｍ以下であるが、エミッタ８１１に使われる高融点金属から電子を引き出すためにはエミッタ８１１の先端に大きな電界集中を生じさせなければならず、ゲート８１２に大きな電圧を掛ける必要がある。
【０００５】
例えば、「発光型ディスプレイ１」（共立出版刊、２００１年）の１８９頁、図４．９（ａ）によればゲート電圧として少なくとも５０Ｖ以上必要である。ゲート電圧は低いほうが駆動しやすいので、より低い電界で電子を放出する材料、例えばカーボンナノチューブを電子源に用いた例もある。その場合、高融点金属を用いた図８のエミッタ８１１の場合とは異なり平坦な構造であっても、ゲート電極に電圧を掛けることにより電子を引き出すことができる。例えば、ＩＤＷ‘００の１１７７頁に記載されている報告では、ゲート電極に２５Ｖ以上掛けることでエミッタから電子が放出され始め、１００Ｖで１４ｍＡ／ｃｍ^２のエミッション電流密度が得られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
電子源にカーボンナノチューブ、微細カーボンファイバ、ダイヤモンド等の炭素系材料または窒化硼素を用いることにより、高融点金属の場合とは異なり、鋭利な突起を形成することなく比較的低いゲート電圧で電子を引き出すことが可能となり、駆動が容易な発光表示装置を得ることができる。
【０００７】
図２にカーボンナノチューブの電界放出特性の一例を示す。図２から３Ｖ／μｍの平均電界があれば、５００ｃｄ／ｍ^２程度の輝度を得るのに必要なおよそ１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られることが分かる。高融点金属のエミッタ８１１から電子を引き出すには５０Ｖ／μｍ以上の平均電界が必要であったのに対して非常に低い電界ですむため、ゲート電圧を小さくすることができる。しかし、高融点金属エミッタをそのままカーボンナノチューブに置き換えると、アノードとカソードの間に掛かる電界によって電子が放出されることがある。
【０００８】
例えば、図８のアノード８２１とカソード８１４の間には４Ｖ／μｍ（＝６ｋＶ÷１．５ｍｍ）の平均電界が発生する。この場合、５０Ｖ／μｍ以上の平均電界が必要な高融点金属のエミッタ８１１から電子は放出されないが、３Ｖ／μｍの平均電界で済むカーボンナノチューブでは電子が放出される。このため、高融点金属のエミッタの場合とは異なり、カーボンナノチューブを用いた場合はアノードやカソード、その他の電極の設定順序によって不必要な電子放出が生じ、画面上に不要な輝点が現れることがあった。
【０００９】
アノードの電圧を低く抑えるか、アノードとカソードの間の距離を大きくすれば、アノードとカソードの間に生じる平均電界を十分小さくすることができ、カーボンナノチューブなどの低電界電子放出材料を用いた場合でも不必要な電子放出を防ぐことができる。例えば前記文献ＩＤＷ‘００の１１７７頁に記載されている報告では、アノード電圧を７００Ｖと低く抑え、アノードとカソードの間の距離を１．５ｍｍとしているので、平均電界が０．４７Ｖ／μｍと小さくなり、不要な電子放出が生じることはない。
【００１０】
しかし、上記従来例のような低いアノード電圧では（Ｚｎ_０．２，Ｃｄ_０．８）Ｓ：Ａｇ，Ｃｌ＋Ｉｎ_２Ｏ_３…赤、ＺｎＯ：Ｚｎ…緑、ＺｎＳ：〔Ｚｎ〕＋Ｉｎ_２Ｏ_３…青、などの色純度が悪い低エネルギ用の蛍光体しか用いることができない。このため、色再現性のよい発光表示装置を提供することができないという問題があった。
【００１１】
アノードとカソードの間の距離を大きくすれば、アノードとカソードの間の平均電界を十分小さくできるために、不要な電子放出を防ぐとともに、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋…赤、ＺｎＳ：Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ…緑、ＺｎＳ：Ａｇ…青、などの色純度のよい高エネルギ用の蛍光体を用いることができる。しかし、この場合はアノードとカソードの間の距離が大きいために発光表示装置が厚くなるという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、上記の従来技術の持つ課題を解決し、不必要な電子放出とそれに起因する不要な輝点を生じさせることがない、薄型で色再現性のよい発光表示装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の発光表示装置では、蛍光体を発光させるときのアノード電極の電位をＶａｏｎ、蛍光体を発光させないときの制御電極の電位およびカソード電極の電位をそれぞれＶｃｏｆｆ、Ｖｋｏｆｆとした場合に、Ｖａｏｎ、Ｖｃｏｆｆ、Ｖｋｏｆｆの設定および解除の順序を規定した。
【００１４】
図１において、アノード電極１０１とカソード電極１０２を１．５ｍｍ離れた位置に配置し、カソード電極１０２上にカーボンナノチューブを含む炭素系材料または窒化硼素からなる群から選択された材料を含む電子源１０３を配設し、カソード電極１０２の電位を０Ｖ、アノード電極１０１の電位Ｖａｏｎを高エネルギ蛍光体が使用可能な６ｋＶに設定すると、アノード電極１０１とカソード電極１０２の間の平均電界は４Ｖ／μｍとなり、図２から分かるように電子源１０３から電子が引き出されるのに十分な電界が生じる。
【００１５】
したがって、カソード電極１０２の電位をＶｋｏｆｆに、または、制御電極１０４の電位をＶｃｏｆｆに設定する前に、アノード電極１０１の電位Ｖａｏｎを設定すると、電子源１０３から不要に電子が引き出される。これを防ぐために制御電極の電位またはカソード電極の電位の少なくとも一方をそれぞれＶｃｏｆｆまたはＶｋｏｆｆに設定した後に、アノード電極の電位をＶａｏｎに設定するようにした。
【００１６】
また、アノード電極の電位Ｖａｏｎを解除する前に制御電極の電位またはカソード電極の電位の少なくとも一方をそれぞれＶｃｏｆｆまたはＶｋｏｆｆに設定し、その後、アノード電極の電位Ｖａｏｎを解除することで、やはり不要な電子放出とそれに起因する輝点が生じるのを防ぐことができた。
【００１７】
図２より、３Ｖ／μｍの平均電界があれば５００ｃｄ／ｍ^２程度の輝度を得るのに必要な、およそ１０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度が得られる。上述したように、図１において、アノード電極１０１とカソード電極１０２の間の距離を１．５ｍｍに、カソード電極１０２の電位を０Ｖ、アノード電極１０１の電位Ｖａｏｎを高エネルギ蛍光体が使用可能な６ｋＶに設定すると、アノード電極１０１とカソード電極１０２の間の平均電界は４Ｖ／μｍとなる。
【００１８】
しかし、これでは図２から分かるように、電子源１０３から過剰な電子が引き出されて蛍光体や電子源の寿命を短くする原因となる。アノード電極１０１とカソード電極１０２の間の距離を大きくすることで、電子源１０３に掛かる平均電界を小さくできるが、それでは装置の大型化につながる。
【００１９】
そこで、蛍光体を発光させるときの制御電極の電位およびカソード電極の電位をそれぞれＶｃｏｎ、Ｖｋｏｎとし、アノード電極−カソード電極間距離およびアノード電極−制御電極間距離をそれぞれＤａｋ、Ｄａｃとした場合に、（Ｖｃｏｎ−Ｖｋｏｎ）の値が（Ｖａｏｎ−Ｖｋｏｎ）×（Ｄａｋ−Ｄａｃ）／Ｄａｋの値よりも小さくすれば、装置を大型化することなく、適切な電子量を電子源１０３から引き出すことができる。例えば、アノード電極１０１と制御電極１０４の間の距離が９５０μｍの場合は、制御電極の電位を１５０Ｖとすることで、電子源１０３に掛かる平均電界を３Ｖ／μｍとすることができ、適正な電流密度を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を参照して本発明をさらに詳細に説明する。なお、図中における同一の記号は、同一物または類似物を表示するものとする。
【００２１】
図３は本発明による発光表示装置の一画素の構成例とその部分拡大図を示した図である。図３において、陽極パネル３１０は少なくともガラス基板３１１、蛍光層３１２、アノード３１３からなっている。蛍光層はカラー表示を行うために赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色の領域に分けられており、その間はブラックマトリクスで仕切られている。
【００２２】
陰極パネル３２０は基板３０１上にカソードライン３０２と制御ライン３０４を、絶縁層３０３を介して直交して設けている。カソードライン３０２は画素の三色の領域に共通に設けられているのに対して、制御ライン３０４は各色に対応して備えられている。この画素の表示すべき色に対応して、それぞれの制御ライン３０４に印加する電位を制御することで色が選択される。制御ライン３０４には複数の開口部３０５が設けられており、拡大図に示される通り、開口部３０５内には電子源３０６が備えられている。
【００２３】
次に図３で説明した画素構成を含めた発光表示装置の部分構成について説明する。図４は発光表示装置の陽極パネル３１０と陰極パネル３２０の配置関係を示した部分断面斜視図である。
【００２４】
図４において、陽極パネル３１０と陰極パネル３２０は、両者の距離が略一定になるように複数の絶縁性のスペーサ４０１を介して接合され、陽極パネル３１０と陰極パネル３２０の間は真空に保たれている。陰極パネル３２０には複数のカソードライン３０２と複数の制御ライン３０４が絶縁層３０３を介して直交して配置されている。また、制御ライン３０４には複数の開口部３０５が配置され、図３の拡大図で説明した通り、開口部３０５内には電子源３０６が設けられ、制御ライン３０４に電圧を印加することで電子源３０６から放出される電子量を制御する。放出された電子はアノード３１３に掛かっている電位によって加速されて蛍光層３１２を励起する。図４には図示していないが、蛍光層３１２は図３で説明した通り、カラー表示を行うために複数の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の領域に分けられており、その間はブラックマトリクスで仕切られている。
【００２５】
次に図３および図４で示した本発明による発光表示装置の作製方法について説明する。ガラスの基板３０１上に銀ペーストを幅１２００μｍ、ピッチ１２７０μｍで印刷し、大気中において５５０℃で２０分間焼成し、カソードライン３０２を形成した。この後、５μｍ以下の長さに粉砕したカーボンナノチューブを重量比で約１０％含むペーストをカソードライン３０２上の電子放出させる所定の位置に印刷し、大気中において５３０℃で１５分間焼成して、厚さ約３０μｍの電子源３０６を形成した。
【００２６】
次に電子源３０６が配設されている領域以外のカソードライン３０２上の所定の領域に絶縁性ペーストを印刷し、これを５１０℃で２０分間焼成して、厚さ約５０μｍの絶縁層３０３を形成した。形成した絶縁層３０３の上にカソードライン３０２と直交する方向に銀ペーストを幅４００μｍ、ピッチ４２３μｍで印刷し、大気中において４９０℃で１５分間焼成し、制御ライン３０４を形成した。
【００２７】
以上の方法により陰極パネル３２０を作製した。陽極パネル３１０はガラス基板３１１上に、ブラウン管と同様の製造工程によりブラックマトリクス（図示せず）、蛍光層３１２、アノード３１３を形成して作製する。
【００２８】
図５は本発明による発光表示装置の断面構造の概略を示す。電子放出を行う電子源と蛍光層の間の距離が略一定になるように、スペーサ４０１を介して陽極パネル３１０と陰極パネル３２０を適切な位置に合わせたうえで接合し、陰極パネル３２０の背面に主にバリウムからなるゲッタ５０１を取り付ける。表示部全体を真空排気するために陽極パネル３１０と側面パネル５０２と背面パネル５０３を低融点ガラスで封着し、背面パネル５０３にあらかじめ取り付けてある排気管５０４から油拡散ポンプを用いて約２００℃に加熱しながら１００μＰａ程度まで排気した後、排気管５０４を封じ切る。その後、ゲッタ５０１を加熱して背面パネル５０３内にバリウムゲッタ膜を形成する。以上の工程により発光表示装置を作製できる。
【００２９】
図６はカソードライン３０２、制御ライン３０４、電子源３０６を回路として表し、その駆動方法を模式的に示した図である。カソードライン３０２には走査信号６０１が加えられ。順次選択されていく。その間、制御ラインに輝度信号６０２が加えられ、その信号に応じて電子源３０６からの電子放出量が制御される。
【００３０】
図７は、図６で示した回路において、カソードライン、制御ラインおよびアノードに加える電位のタイムスケジュールの一例を示した図である。図７の一番上の矩形波は輝度信号として制御ラインに加えられる電位Ｖｃであり、二番目の矩形波は走査信号としてカソードラインに加えられる電位Ｖｋであり、三番目の矩形波は電子を加速するためのアノードに加えられる電位Ｖａである。Ｖｃｇ、Ｖｋｇ、Ｖａｇはそれぞれ、制御ライン電位Ｖｃ、カソードライン電位Ｖｋ、アノード電位Ｖａの初期状態の電位を示しており、例えば発光表示装置の電源が切られているときの電位を示す。
【００３１】
発光表示装置の電源が入ると、制御ライン電位Ｖｃ、カソードライン電位Ｖｋ、アノード電位Ｖａは一旦全てｏｆｆ状態とするためにそれぞれ、Ｖｃｏｆｆ、Ｖｋｏｆｆ、Ｖａｏｆｆの電位に設定される（時間ｔ_１）。この後、アノード電位Ｖａを蛍光層の発光に必要な電位であるＶａｏｎに設定する（時間ｔ_２）。このとき、制御ライン電位ＶｃがＶｃｏｆｆ、カソードライン電位ＶｋがＶｋｏｆｆに設定されたままなので、電子源３０６から電子が不用意に放出されることはない。その後、制御ライン電位Ｖｃとカソードライン電位ＶｋにそれぞれＶｃｏｎとＶｋｏｎが加えられ、画像表示を行う（時間ｔ_３以降）。
【００３２】
発光表示装置の電源をオフ状態とする前には、まず、制御ライン電位Ｖｃとカソードライン電位ＶｋをそれぞれＶｃｏｆｆとＶｋｏｆｆに設定し、電子源からの電子放出を止める（時間ｔ_ｎ−３）。その後、アノード電位ＶａをＶａｏｆｆに設定する（時間ｔ_ｎ−２）。これにより電子源３０６から電子が不用意に放出されるのを防ぐことができる。最後に制御ライン電位Ｖｃ、カソードライン電位Ｖｋ、アノード電位ＶａをそれぞれＶｃｇ、Ｖｋｇ、Ｖａｇに設定し、初期状態に戻す（時間ｔ_ｎ−１）。
【００３３】
以上、本発明によれば、カーボンナノチューブ、微細カーボンファイバ、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、窒化硼素および炭素含有窒化硼素などの、低電界において電子を放出する材料を電子源として用いても、不必要な電子放出とそれに起因する不要な輝点を生じさせることがなく、薄型で色再現性のよい発光表示装置を提供することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、カーボンナノチューブ等の数Ｖ／μｍの低電界において電子を放出する電子源材料を用いると際に、アノード、カソードおよび制御電極に印加する電位の順序を設定することで、不必要な電子放出とそれに起因する不要な輝点を防ぐことができるとともに、薄型で色再現性のよい発光表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動作原理を説明するための発光表示装置の模式的断面図。
【図２】本発明に用いる電子源の電子放出特性の一例を示す図。
【図３】本発明による実施例の画素構成の概略を説明するための斜視図。
【図４】本発明による実施例の部分構成の概略を説明するための斜視図。
【図５】本発明による実施例の断面構成の概略を説明するための断面図。
【図６】本発明による実施例の電子放出素子の回路図。
【図７】本発明による実施例の駆動信号の波形図。
【図８】従来例における動作原理を説明するための断面図。
【符号の説明】
１０１…アノード電極、１０２…カソード電極、１０３…電子源、１０４…制御電極、３０１…基板、３０２…カソードライン、３０３、８１３…絶縁層、３０４…制御ライン、３０５…開口部、３０６…電子源、３１０、８２０…陽極パネル、３１１…ガラス基板、３１２、８２２…蛍光層、３１３…アノード、３２０、８１０…陰極パネル、４０１…スペーサ、５０１…ゲッタ、５０２…側面パネル、５０３…背面パネル、５０４…排気管、６０１…走査信号、６０２…輝度信号、８１１…エミッタ、８１２…ゲート電極、８１４…カソード電極、８１５…基板、８２１…金属膜、８２３…透明基板。

Claims

電子源と、前記電子源に電子を供給するカソード電極と、前記電子源から放出される電子の量を調節する制御電極と、前記電子源から放出された電子を加速させるアノード電極と、前記電子源から放出された電子により励起されて発光する蛍光体を少なくとも有し、蛍光体を発光させるときのアノード電極に印加する電位をＶａｏｎ、蛍光体を発光させるときには制御電極の電位およびカソード電極の電位をそれぞれＶｃｏｎ、Ｖｋｏｎとするのに対して、制御電極の電位をＶｃｏｆｆにするか、カソード電極の電位をＶｋｏｆｆにすることにより、蛍光体を発光させないように制御することができる発光表示装置において、前記発光表示装置の電源を入れてから前記蛍光体が発光するまでの間で、アノード電極の電位をＶａｏｎと異なる状態からＶａｏｎの状態に変化させる際には、制御電極の電位がＶｃｏｆｆであるか、もしくはカソード電極の電位がＶｋｏｆｆであるかの、少なくとも一方の状態を満たすことを特徴とする発光表示装置。
前記発光表示装置の電源をオフ状態とするときに、アノード電極の電位をＶａｏｎからＶａｏｎとは異なる状態に変化させる際には、制御電極の電位がＶｃｏｆｆであるか、カソード電極の電位がＶｋｏｆｆであるかの、少なくとも一方の状態を満たすことを特徴とする請求項１に記載の発光表示装置。
前記電子源を構成する材料の主成分がカーボンナノチューブ、微細カーボンファイバ、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン、窒化硼素および炭素含有窒化硼素からなる群から選択された電子放出材料の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の発光表示装置。