JP3964600B2 - 電界放出型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出型電子源で構成され、蛍光体の発光により画像表示を行うための電界放出型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電界放出型電子源の研究、開発が盛んに行われており、電界放出型電子源を用いた表示装置は、自発光型であるために液晶表示装置のようなバックライトの必要がなく、原理的にＣＲＴと同等の見やすさ、明るさが得られ、さらには、電子源の微細性を生かした非常に高精細の表示装置を実現できる可能性がある。
【０００３】
電界放出型電子源は、C.A.Spindtらによる蒸着法で形成された高融点金属材料からなる円錐形状の電子源（ＵＳＰ３，６６５，２４１）等が良く知られているが、大型の表示装置に用いるために大面積の電子源アレイを形成する場合には、その製造方法に起因する理由により形状のバラツキが多くなり、電子源としての均一性や信頼性の点で問題があった。しかしながら、複数の電子源で画素を構成することによる冗長性の活用や、製造技術の進展にともなう形状再現性の向上等により、１５インチ程度までの表示装置が試作されるに至っている。
【０００４】
図４は、従来の電界放出型表示装置の構成を示す部分拡大斜視図であり、高融点金属材料からなる円錐形状の電子源で構成された表示装置を示す。
図４において、電子放出側基板は、支持基板４０上に画素ピッチ相当でライン状にカソード電極４１が形成されており、その上にモリブデン等の高融点金属材料からなる微小な円錐形状の電子放出部であるエミッタコーン４３が複数個、形成されている。なお、エミッタコーン４３を電気抵抗層４２を介してカソード電極４１に電気的に接続し、電気抵抗による電圧降下を利用し、電圧に対する個々のエミッタコーン４３の電子放出特性を穏やかにするとともに、１画素あたり１０００〜５０００個程度のエミッタコーン４３を形成して冗長性をもたせる等の構成をとることで、均一性を得ていることが多い。
【０００５】
おおよそ１μｍ程度の開口部４６をもち各々のエミッタコーン４３の先端を取囲むように形成されたゲート電極４５は、カソード電極４１と直交するように画素ピッチ相当でライン状に形成され、各々の電極はすべて絶縁層４４等により互いに絶縁されている。このように形成されたカソード電極４１とゲート電極４５により、画像表示のための電子放出箇所を特定するためのマトリクスが構成される。
【０００６】
発光側基板は、ガラス基板等の透明基板６３にＩＴＯ等の透明電極からなるアノード電極６２が形成されており、アノード電極６２上には蛍光体６１が形成されている。発光側基板は、電子放出側基板と対向するように配置され、両基板で挟まれた空間は、真空封止されている。
【０００７】
マトリクスにより選定されるカソード電極４１とゲート電極４５間に５０Ｖ〜１００Ｖ程度の電圧を印加すると、電界によりエミッタコーン４３先端から電子が放出され、さらに高電圧が印加されたアノード電極６２に形成された蛍光体に電子が照射され発光する。カラー表示を行う場合には、蛍光体は、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の３種類で構成され、それぞれを分割するようにブラックマトリクス６０が形成されている。アノード電極６２に印加される電圧は、形成する蛍光体の種類等によって蛍光面の励起電圧が３００〜１０００Ｖ程度の低電圧型、あるいは５ｋ〜１０ｋＶ程度の高電圧型の構成があり、発光色、輝度等の点で実績のあるＣＲＴ用蛍光体を用いる場合には高電圧型となる。
【０００８】
高電圧型の場合、絶縁耐圧の確保等の理由でカソード電極とアノード電極の距離をおよそ１ｍｍ程度以上離して構成される。高融点金属材料からなる円錐形状の電子源では、電子を放出させるために平行平板換算で１００〜２００Ｖ／μｍの高電界を必要とするため、個々のエミッタコーンの先端を取囲むようにゲート電極を形成しており、その構造に起因するエミッタコーンの先端部の電界分布により放出電子はある程度の広がり角をもつ。
【０００９】
高電圧型でカソード電極とアノード電極の距離が離れる場合には、画素に相当する蛍光体領域内に電子を正確に照射するために、放出電子の広がりを制御するための集束電極（図示略）をゲート電極とアノード電極の間にさらに追加した４極管構造とする場合も多い。
【００１０】
また、特開平９−２８３００７号公報に記載されているように、電子引き出しゲート電極としての第１のゲート電極に他に、真空管あるいは蛍光表示管におけるグリッド電極に相当するカットオフ電極としての第２のゲート電極、及び第３のゲート電極を設け、第２のゲート電極、及び第３のゲート電極によりマトリクスを構成している例がある。ところが、第１のゲート電極に印加した電圧によりすべての電子源からは常に電子が放出された状態であり、放出された後の電子をアノード電極に到達させるか否かを制御するものであって、常に不必要な電子放出と、それにともなう不必要な電流が流れており、効率的ではなく、画像表示のための電子源からの電子放出箇所を特定できるマトリクス構造ではない。
【００１１】
すなわち、従来の高融点金属材料からなる円錐形状の電子源は、電子放出のために高電界を必要とするためエミッタコーンとゲート電極をサブミクロンオーダーで近接させており、エミッタコーンとゲート電極開口部の微細形状が電子放出特性に大きく影響し、カソード電極とゲート電極間への印加電圧による電界が電子放出に支配的に作用する。そのため、個々の電子放出部毎にトランジスタを設ける等、複雑な構造を採用する等の特殊な場合を除いて、集束電極等の電極を追加した多極管構造であっても、画像表示のために電子源からの電子放出箇所を特定するためには、カソード電極とゲート電極との組合せ以外の電極の組合せでマトリクスを構成することは困難である。
【００１２】
一方、他の電界放出型電子源として、低電界で電子を放出する新規の電子放出材料も研究されている。その中で、例えば、炭素系の材料が盛んに検討されており、特に、遠藤らの解説（固体物理、Vol.12,No.1,1977）等に示されている気相成長法によるナノメーターオーダーの炭素繊維、あるいは飯島らにより確認されたアーク放電法によるカーボンナノチューブ（Nature,354,56,1991）等は、グラファイトを丸めた円筒形の物質であり、電子源としても優れた特徴を有する材料として非常に期待されている。カーボンナノチューブからの電界放出に関しては、R.E.Smalleyら（Science,269,1550,1995）及びW.A.de Heerら（Science,270,1179,1995）の研究グループ等により報告されている。
【００１３】
低電界で電子を放出する新規の電子放出材料を用いた電界放出型表示装置に関しても、現状のところ、前述のエミッタコーンからなる表示装置の構造を基にして構成されており、その一例として、カーボンナノチューブからなる電子源で構成された従来の表示装置を図５により説明する。
【００１４】
図５は、従来の電界放出型表示装置の構成を示す部分拡大斜視図であり、カーボンナノチューブからなる電子源で構成された表示装置を示す。
図５において、電子放出側基板は、支持基板５０上に画素ピッチ相当でライン状にカソード電極５１が形成されており、カソード電極５１上にはカーボンナノチューブからなる電子放出部５３が形成されている。電子放出部５３が形成されたところに開口部５６をもつゲート電極５５は、カソード電極５１と直交するように画素ピッチ相当でライン状に形成され、各々の電極はすべて絶縁層５４等により互いに絶縁されている。このように形成されたカソード電極５１とゲート電極５５により、画像表示のための電子放出箇所を特定するためのマトリクスが構成される。
【００１５】
発光側基板は、ガラス基板等の透明基板６３にＩＴＯ等の透明電極からなるアノード電極６２が形成されており、アノード電極上には蛍光体６１が形成されている。発光側基板は、電子放出側基板と対向するように配置され、両基板で挟まれた空間は、真空封止されている。
【００１６】
マトリクスにより選定されるカソード電極５１とゲート電極５５間に電圧を印加すると、電界により電子放出部５３から電子が放出され、さらに高電圧が印加されたアノード電極６２に形成された蛍光体に電子が照射され発光する。カラー表示を行う場合には、蛍光体は、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の３種類で構成され、それぞれを分割するようにブラックマトリクス６０が形成されている。
【００１７】
カーボンナノチューブのような低電界で電子放出する材料で形成した場合、平行平板換算で１〜５Ｖ／μｍ程度の低電界で電子を放出することが可能であるため、前述のエミッタコーンのようにゲート電極をサブミクロンオーダーで高精度に近接させる必要はなく、数十〜１００μｍ程度離して構成することができ、１〜数箇所の開口部５６とその内部に形成した電子放出部とにより１画素が構成される。
【００１８】
この他にも、カーボンナノチューブ等の電子源材料を用いて低電界で電子を放出する特性を利用し、アノード電極への印加電圧による電界で電子を放出させ、ゲート電極を用いないマトリクス構成として、各々が複数のライン状電極からなるカソード電極とアノード電極とを直交配置させた２極管構造でマトリクスを構成した例もある。ところが、アノード電極への印加電圧は、前記に従来例と同様に低電圧型でも３００〜１０００Ｖの印加電圧を必要とする上、電子放出にともなう電流がマトリクスを構成する微細配線であるカソード電極、及びアノード電極に流れる状態でのマトリクス駆動となる。さらに高電圧型の場合には５ｋ〜１０ｋＶのマトリクス駆動となるために現実的ではないと考えられる。
【００１９】
また、電子源と蛍光体、及び制御電極の組合せという観点から考えると、その他の類似の技術として、従来の熱陰極からなる蛍光表示管がある。種々の多極管構造による駆動電極形態が考案され、実施されているが、熱陰極という電子源の特性上、基本的には陰極より放出された電子の到達先を電界分布により制御する構成であり、電界で電子放出自体を制御するものではなく、電界放出型素子とは根本的に異質のものである。従来の熱陰極からなる蛍光表示管は、熱陰極加熱用の大電流以外にも、グリッド電流等の常に不必要な電流が存在し、効率が悪い等の問題があり、また、素子構造的に考えて、微細画素を高速動作させるような動画像表示を行うことは容易ではなく、大型、高精細の平面表示装置を構成できるものではない。
【００２０】
以上のように、従来の表示装置は種々の構造が存在するが、一般的かつ現実的であると考えられるものは図４及び図５で説明したような電極構造であり、いずれも画像表示のために電子放出箇所を特定するマトリクスは、カソード電極とゲート電極との組合せで構成されている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の電界放出型表示装置にあっては、カソード電極とゲート電極により電子放出箇所を特定するマトリクスが構成されているために、電子放出部からの電子放出にともなう電流がマトリクスを構成する微細配線であるカソード電極に流れるという問題があった。すなわち、通常の液晶表示装置の駆動回路等で一般的な電圧制御型のマトリクス駆動回路を用いようとすると、放出電流という負荷が発生することにより制御性が悪化する。また、高負荷に対応させるためにはドライバＩＣが高コスト化するという問題があった。特に、高精細、大画面の表示装置を構成するほど微細化するマトリクス配線に対して電子放出にともなう電流を流すことによる電圧降下、応答遅れ、消費電力の増大、等が発生するという問題があった。
【００２２】
また、マトリクス構成のためにカソード電極を微細化する必要から、電子放出部の製造工程が複雑となり、それに対応させるために電子放出部の構造や形成方法が限定されてしまうという問題があった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、低電界により電子を放出する電子放出材料からなる電界放出型の電子放出部で形成された電界放出型表示装置に適した構造であって、電子源からの電子放出にともなう電流を微細配線に流さないように電子放出箇所を特定するマトリクスを構成した電界放出型表示装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、電子放出部を形成するカソード電極をマトリクスの構成要素とせず一体電極化が可能な電極構成とすることで、複雑な電子放出部構造を必要とせず、それにより電子放出部の製造工程を簡略化することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の電界放出型表示装置は、電界放出型の電子放出部が形成されたカソード電極と、電子照射により発光する蛍光体が形成されたアノード電極とからなり、該アノード電極により電子を引き出す電界放出型表示装置であって、前記カソード電極は電子放出領域の全面に形成されており、前記カソード電極と前記アノード電極との間に形成され各々が複数のライン状電極からなり、前記電子放出部を開口部で取囲むように形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電極を備え、前記第１のゲート電極及び第２のゲート電極は、互いに絶縁され、かつ、互いに直交するように配置されて前記開口部を特定するマトリクスが形成され、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極への印加電圧により前記アノード電極による電界の前記電子放出部への侵入を個別に抑制して電子放出を制御する電界放出型表示装置において、前記電子放出部と前記アノード電極間の距離ｄＡ、前記カソード電極と前記アノード電極間の印加電位差ＶＡ、前記電子放出部と前記第１のゲート電極間の距離ｄＧ１、前記カソード電極と前記第１のゲート電極間の印加電位差ＶＧ１、前記電子放出部と前記第２のゲート電極間の距離ｄＧ２、前記カソード電極と前記第２のゲート電極間の印加電位差ＶＧ２が、ＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ１／ｄＧ１かつＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ２／ｄＧ２の関係を満足させるように、前記第１のゲート電極の印加電圧、及び前記第２のゲート電極の印加電圧を増加させ、前記マトリクスで特定される開口部における前記電子放出部の表面近傍の電界を電子放出しきい値電界以上にすることで、特定した前記電子放出部から電子を放出させることを特徴とする。
【００２４】
このように構成することにより、画像表示のための電子放出箇所を特定するためのマトリクスが、第１のゲート電極及び第２のゲート電極により構成されており、電子放出部からの電子放出にともなう放出電流が流れるカソード電極、及びアノード電極を微細配線にすることなく、マトリクスを形成することができる。また、カソード電極を一体電極とすることができるため、製造工程上、電子放出部形成方法の選択範囲が拡大され得る。
【００２５】
前記電子放出部は、電気的に独立するように複数に分割されており、前記カソード電極と接続されることを特徴とする。
【００２６】
また、好ましい具体的な態様としては、前記電子放出部が、少なくともカーボンナノチューブを含む導電性材料で形成されていることで、平行平板換算で１〜５Ｖ／μｍ程度の低電界により電子を放出する電子放出部を形成することができ、電子放出部にゲート電極を近接させる必要がなく、アノード電極への印加電圧でも電子放出のための電界を得ることができるため、第１のゲート電極及び第２のゲート電極によるマトリクス構造をもつ電界放出型表示装置の各電極間の配置を寸法精度的に容易に構成することができる。
【００２７】
また、好ましくは、前記電子放出部が、電気抵抗層を介して前記カソード電極に電気的に接続されていることで、第１のゲート電極、及び第２のゲート電極によるマトリクス構造をもつ電界放出型表示装置の構造であって、電気抵抗層での電圧降下によりゲート電極と電子放出部との間の電位差を減少させてアノード電極からの電界の侵入を制限することで表示装置全域での電子放出を均一化させることができる。
【００２８】
また、好ましい具体的な態様としては、前記第１のゲート電極及び第２のゲート電極が、開口部を有する絶縁性シート上に形成され、前記カソード電極上に積層配置されていることで、ゲート電極と絶縁層の形成が容易であり、また、カソード電極上に積層させるだけで組み立てを行うことができるため、一体電極としたカソード電極上に高精度な組み立て位置合せ精度を必要とせず、さらには電子放出部を形成した基板への高温プロセス等も必要としないことから、製造工程上、カソード電極への電子放出部形成方法の選択範囲が大いに拡大され、第１のゲート電極、及び第２のゲート電極からなる多層ゲート電極によるマトリクス構造の表示装置の製造が容易となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
第１の実施の形態
図１は、本発明の第１の実施の形態の電界放出型表示装置の構成を示す部分拡大斜視図であり、図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ’矢視断面図、図２（ｂ）は図１のＢ−Ｂ’矢視断面図である。
【００３０】
図１及び図２において、電子放出側基板は、支持基板１０上にカソード電極１１を形成し、さらにそのカソード電極１１上に電気抵抗層１２を形成する。ここで、カソード電極１１、電気抵抗層１２は、ともに微細配線等の微細パターンに分割して形成する必要はなく、電子放出領域の全面に共通電極となるように形成されていればよい。電気抵抗層１２の上には、電気的に独立するように分割された複数の電子放出部１３を形成する。電子放出部１３は、低電界により電子を放出する電子放出材料で形成することが好ましく、ここでは、電子放出特性に優れるカーボンナノチューブを含む導電性材料を用いた。なお、電子放出部１３は、カーボンナノチューブ以外では、ダイアモンド、あるいはダイアモンドライクカーボン等の炭素系材料、あるいは数十ｎｍ以下の金属系超微粒子材料等で形成することも可能である。
【００３１】
また、電子放出部１３を電気的に独立するように複数に分割し、電気抵抗層１２を介してカソード電極１１と接続する構成は、表示装置全域での電子放出を均一化することが目的であり、電子放出材料の選定、あるいは製造方法の最適化により、表示領域全域にわたり、ある程度、電子放出の均一化が得られる場合には、電気抵抗層を省略することも可能である。すなわち、電子放出の均一化が得られる場合には、カソード電極膜上に直接、電子放出材料膜を形成したような電子放出部構造としてもよい。
【００３２】
電子放出部１３を開口部１８で取囲むように下部ゲート電極１５（第１のゲート電極）、及び上部ゲート電極１７（第２のゲート電極）を形成する。これらの電極は、ともに開口部１８を有する下部絶縁層１４、及び上部絶縁層１６により互いに絶縁された複数のライン状電極であり、互いに直交するように配置してマトリクスを構成する。
【００３３】
図１及び図２では、下部ゲート電極１５と上部ゲート電極１７の交差箇所に１つの開口部１８を形成し、この開口部１８内に形成した電子放出部１３が１画素に対応する電子源となるように構成しているが、下部ゲート電極１５と上部ゲート電極１７の交差箇所に複数の開口部を形成し、それらを１画素に対応させてもよい。すなわち、ライン状電極である下部ゲート電極１５、及び上部ゲート電極１７を各々画素ピッチ相当で形成し、それらの交差箇所が画素に相当する構成とし、交差箇所に電子放出箇所である開口部を１〜数箇所、形成する。
【００３４】
下部ゲート電極１５及び上部ゲート電極１７は、開口部を有する絶縁性シート上に予めライン状の電極を形成したものを用いて、電子放出部１３を形成したカソード電極１１上に積層配置して形成した。絶縁性シートは真空中で使用するために、ガス放出の少ない材料が好ましく、ここではセラミックシートを用いた。この他にも、ガラスペースト、及び導電性ペーストを用いたスクリーン印刷法等により、絶縁層、及び電極を順次、電子放出部を形成したカソード電極上に積層させて形成してもよく、これらの電極形成方法は、生産性、コスト等を考慮して種々の手法の中から選定すればよい。
【００３５】
発光側基板は、ガラス基板等の透明基板２３上にＩＴＯ膜等の透明電極膜からなるアノード電極２２を形成し、その上にさらに蛍光体２１を形成する。カラー表示を行う場合には、蛍光体２１は、Ｒ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）の３種類で構成し、それぞれの蛍光体領域を分割するようにブラックマトリクス２０を形成する。なお、発光側基板は、従来からＣＲＴ等で使用されている構成である蛍光体とメタルバックの組合せで形成してもよい。
【００３６】
下部ゲート電極１５と上部ゲート電極１７の交差位置に、すなわち、電子放出部１３を形成した電子放出側基板の画素位置にそれぞれの蛍光体領域が対向するように、電子放出側基板と発光側基板とを対向させて配置し、両基板で挟まれた空間を真空排気し、真空で封止する。
【００３７】
このような構成において、各電極間の配置を、電子放出部１３とアノード電極２２間の距離ｄＡを約１ｍｍ、電子放出部１３と下部ゲート電極間１５の距離ｄＧ１を約５０μｍ、電子放出部１３と上部ゲート電極１７間の距離ｄＧ２を約１００μｍとなるように設定した。また、各電極間の電圧を、電子放出部１３とアノード電極２２間の印加電位差ＶＡを約９ｋＶで一定とし、マトリクスで選択した下部ゲート電極１５、及び上部ゲート電極１７に対し、電子放出部１３と下部ゲート電極１５間の印加電位差ＶＧ１を２５〜５０Ｖ、電子放出部１３と上部ゲート電極１７間の印加電位差ＶＧ２を５０〜１００Ｖとなるように印加した。ここで各電極により発生する電界強度は、
ＶＡ／ｄＡ＝９ｋＶ／１ｍｍ＝９Ｖ／μｍ、
ＶＧ１／ｄＧ１＝５０Ｖ／５０μｍ＝１Ｖ／μｍ
ＶＧ２／ｄＧ２＝１００Ｖ／１００μｍ＝１Ｖ／μｍ
であると見積もられ、
ＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ１／ｄＧ１かつＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ２／ｄＧ２
の関係式を満足している。
【００３８】
また、同様の電極構成において、各電極間の配置を、電子放出部１３とアノード電極２２間の距離ｄＡを約１ｍｍ、電子放出部１３と下部ゲート電極１５間の距離ｄＧ１を約１０μｍ、電子放出部１３と上部ゲート電極１７間の距離ｄＧ２を約２０μｍとなるように設定した。また、各電極間の電圧を、電子放出部１３とアノード電極２２間の印加電位差ＶＡを約７ｋＶで一定とし、マトリクスで選択した下部ゲート電極１５、及び上部ゲート電極１７に対し、電子放出部１３と下部ゲート電極１５間の印加電位差ＶＧ１を５〜１０Ｖ、電子放出部１３と上部ゲート電極１７間の印加電位差ＶＧ２を１０〜２０Ｖとなるように印加した。ここで各電極により発生する電界強度は、
ＶＡ／ｄＡ＝７ｋＶ／１ｍｍ＝７Ｖ／μｍ、
ＶＧ１／ｄＧ１＝１０Ｖ／１０μｍ＝１Ｖ／μｍ
ＶＧ２／ｄＧ２＝２０Ｖ／２０μｍ＝１Ｖ／μｍ
であると見積もられ、
ＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ１／ｄＧ１かつ ＶＡ／ｑＡ＞ＶＧ２／ｄＧ２
の関係式を満足している。
【００３９】
これらの数値は、電子放出部１３をカーボンナノチューブのような低電界で電子放出する材料で形成した場合に、平行平板換算で１〜５Ｖ／μｍ程度の低電界で電子を放出すること、及び、発光色、輝度等の点で実績のあるＣＲＴ用蛍光体を用いた場合に、蛍光面の励起電圧が５ｋ〜１０ｋＶ程度の高電圧型のアノード電極印加電圧となること等から選定している。
【００４０】
上述の数値以外にも、電子放出部１３とゲート電極１５，１７間の距離、及び電子放出部１３とゲート電極１５，１７間の印加電位差は、基本的にその構成により発生し得る電界強度値を基準に設定すればよく、例えば、製造方法上で最適と考えられる絶縁層の厚さを優先的に決定する、あるいはマトリクス駆動の電圧値を優先的に決定する等を考慮して設定することができる。さらには、使用する蛍光体２１の発光効率や、必要とする発光輝度、あるいは電子放出部１３に用いる材料の電子放出特性、等を考慮して、上述の関係式の範囲内で選定すればよい。
【００４１】
ところで、電界放出型電子源は、電子放出を開始する電界に明確なしきい値があり、しきい値以上の電界となることで電子放出を開始し、さらに電界強度を増すことにより放出電子による放出電流が増加する。本構成では、マトリクスを構成する上部ゲート電極１７と下部ゲート電極１５への印加電圧で、その交差箇所にある電子放出部１３表面近傍の電界を制御することで、電子放出部１３から電子を放出させるか否か、及び電子放出部１３からの放出電流量の制御が可能である。
【００４２】
本実施の形態の印加電圧例では、アノード電極２２への印加電圧により、最大輝度表示で必要とする加速電圧値、及び最大輝度表示で必要とする放出電流量を得るために十分以上の電界を発生させておき、上部ゲート電極１７及び下部ゲート電極１５への印加電圧により電子放出部１３表面近傍へのアノード電極２２からの電界の侵入を抑制することで、放出電流を制御している。
【００４３】
マトリクスを構成するゲート電極１５，１７に電界抑制の働きをさせることで、電子放出部１３からの放出電子の広がりを抑制するような集束効果をもたせることができるため、発光色、輝度等の点で実績のあるＣＲＴ用蛍光体を用いるためにカソード電極１１とアノード電極２２の距離を離した高電圧型の構成であっても、従来のエミッタコーン型電子源のように、集束電極の追加等が必要ない。さらに、従来のエミッタコーン型電子源では、ゲート電極を近接させて形成し、電子放出電界を発生させるための引出し電極として用いているために、放出電子の一部がゲート電極へ入射してしまいゲート電極電流となっていたが、本実施の形態のように、アノード電極２２で電子引出し電界を発生させ、ゲート電極１５，１７で電界抑制作用をもたせて放出電流を制御する構成により、放出電子がゲート電極１５，１７に入射することがなく、微細配線であるゲート電極１５，１７に流れる電流が防止できる。
【００４４】
上述のように、各電極による電界は、電子放出部１３とアノード電極２２間の距離ｄＡ、カソード電極１１とアノード電極２２間の印加電位差ＶＡ、電子放出部１３と下部ゲート電極１５間の距離ｄＧ１、カソード電極１１と下部ゲート電極１５間の印加電位差ＶＧ１、電子放出部１３と上部ゲート電極１７間の距離ｄＧ２、カソード電極１１と上部ゲート電極１７間の印加電位差ＶＧ２で表したときに、
ＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ１／ｄＧ１かつＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ２／ｄＧ２
の関係であることがより好ましい。
【００４５】
このような条件範囲で、マトリクスで選定される下部ゲート電極１５の印加電圧ＶＧ１、及び上部ゲート電極１７の印加電圧ＶＧ２を増加させ、電子放出部１３表面近傍の電界を電子放出しきい値電界以上にすると、選定した電子放出部から電子が放出する。放出電子は、引出し電界を発生させているアノード電極２２に向かって広がることなく到達、照射され、蛍光体２１が発光する。また、マトリクスで選定されない電子放出部は、電子放出しきい値電界以下であるため、電子放出は起こらない。電子放出は、必要な電子放出部のみで起こり、放出電流は、微細配線ではないカソード電極１１、及びアノード電極２２のみに流れ、マトリクスを構成している微細配線である下部ゲート電極１５、及び上部ゲート電極１７には流れない。
【００４６】
また、選定しないゲート電極への印加電圧値は、電子放出部１３表面近傍で電子放出しきい値電界以下となればよいために、カソード電極１１と同電位にする必要はなく、マトリクス駆動電位差範囲を有効に利用するように構成すればよい。すなわち、例えば、マトリクス駆動を行うゲート電極電位を接地電位付近に設定し、アノード電極２２に正電圧を印加し、カソード電極１１に負電圧を印加するように構成してもよい。いずれにしても、アノード電極２２、及びカソード電極１１は、単一電極で構成することができ、動画像表示には直接関わらない直流電圧が印加されていればよいため、安価な回路構成をとることができる。
【００４７】
なお、表示装置を構成するマトリクスは、ライン側に上部ゲート電極１７を、データ側に下部ゲート電極１５を配置する構成がより好ましい。
以下、上述のように構成された電界放出型表示装置の動作を説明する。
まず、上部ゲート電極１７に電圧を印加し、選択した１ラインに対してアノード電極２２による電界を下部ゲート電極付近まで侵入させる。
【００４８】
次に、下部ゲート電極１５の各々に印加する電圧により、各々の画素に対応する電子放出部１３表面近傍への侵入電界を個別に制御して放出電子を制御し、各々の画素に形成した蛍光体への電子照射による発光を制御し、１ラインの表示が行われる。これを順次、各ライン毎に行うことで画像を表示する。この理由としては、電子放出部１３により近い下部ゲート電極１５の方が、電子放出部１３表面近傍の電界制御が容易であり、放出電流による階調表示が正確に行うことができるためである。また、カソード電極１１と電子放出部１３の間に電気抵抗層を追加して、電気抵抗層での電圧降下により電子放出の均一化を行う場合には、電子放出部１３に近い電極との間の電圧変化を利用することがより効率的であるためである。
【００４９】
以上に説明したように、本実施の形態の電界放出型表示装置は、カソード電極１１とアノード電極２２の間に、各々が複数のライン状電極からなり、電子放出部１３を取囲むような開口部１８を有し、互いに絶縁され、かつ互いにおおよそ直交するように配置された下部ゲート電極１５及び上部ゲート電極１７により電子放出箇所を特定するマトリクスが形成されているので、電子放出部１３からの電子放出にともなう放出電流が流れるカソード電極１１及びアノード電極２２を微細配線にすることなく、マトリクスを形成することができる。また、電子放出部１３を形成するカソード電極１１をマトリクスの構成要素とせず一体電極化が可能な電極構成とすることで、電子放出部１３の製造工程を簡略化することができる。
【００５０】
さらには、電子放出部１３とアノード電極２２間の距離ｄＡ、カソード電極１１とアノード電極２２間の印加電位差ＶＡ、電子放出部１３と下部ゲート電極１５間の距離ｄＧ１、カソード電極１１と下部ゲート電極１５間の印加電位差ＶＧ１、電子放出部１３と上部ゲート電極１７間の距離ｄＧ２、カソード電極１１と上部ゲート電極１７間の印加電位差ＶＧ２が、ＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ１／ｄＧ１かつＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ２／ｄＧ２の関係であるように構成したので、アノード電極２２への印加電圧により電子放出電界を電子放出部１３に発生させ、マトリクスを構成する下部ゲート電極１５及び上部ゲート電極１７への印加電圧によりアノード電極２２による電界の電子放出部１３への侵入を個別に抑制する働きをさせることで電子放出を制御することができ、電子放出は、マトリクスで選定される電子放出部１３のみで起こり、放出電流は、微細配線ではないカソード電極１１及びアノード電極２２のみに流れ、マトリクスを構成している微細配線である下部ゲート電極１５及び上部ゲート電極１７には流れないように構成することができる。
【００５１】
次に、本発明の電界放出型表示装置に用いることができる電子源アレイの一例であって、製造が容易で特性に優れる電界放出型電子源アレイについて第２の実施の形態として説明する。
【００５２】
第２の実施の形態
図３は、本発明の第２の実施の形態の電界放出型表示装置の電界放出型電子源アレイの構成を示す部分拡大斜視図であり、図３（ａ）は、細孔内に電気泳動法によりカーボンナノチューブを挿入する前の状態を、図３（ｂ）は、細孔内に電気泳動法によりカーボンナノチューブを挿入した後の状態をそれぞれ模式的に表す。
【００５３】
図３に示す電界放出型電子源アレイは、細孔内に電気泳動法により電子放出材料である微細繊維状物質を挿入して形成する電界放出型電子源アレイであって、ここでは、カソード電極３０にアルミ基板を、電子放出材料にカーボンナノチューブ３３をそれぞれ用いている。
【００５４】
アルミ基板の表面を陽極酸化したアルミナ陽極酸化膜３１には細孔３２が形成される。カーボンナノチューブ３３は、図示しない有機溶媒中に分散しておき、カソード電極３０と、対向配置した電気泳動用の対向電極基板（図示略）との間に電圧を印加すると、電気泳動法の原理に従ってカーボンナノチューブ３３がカソード電極に向かって移動し、その内の一部がカソード電極３０の表面に形成した細孔内に挿入される。それにより、カーボンナノチューブ３３をカソード電極３０表面の細孔の方向に従って配向するように形成し、基板面におおよそ垂直方向に方向の揃ったカーボンナノチューブ３３を電子放出部とする電界放出型電子源アレイを構成する。
【００５５】
このような構成においては、別途、安価に大量生産されたカーボンナノチューブを用いて電子源アレイが作製可能で、陽極酸化膜に形成された細孔内にカーボンナノチューブを配向させることが可能である。大型の表示装置に用いるために大面積の電子源アレイを形成する場合にも、カーボンナノチューブが電子放出方向に配向されているために電子放出特性の均一性が高く、また、電気泳動法により陽極酸化膜に形成された細孔内にカーボンナノチューブを挿入するため、電子源アレイ作製工程で真空プロセスを用いる必要がなく、生産性に優れる。
【００５６】
さらに、カーボンナノチューブを作製する工程で実施される高温工程、例えばカーボンナノチューブの黒鉛化処理は２８００℃程度の高温で行うことで良質なカーボンナノチューブが形成される。このようにカーボンナノチューブ作製工程等を、電子源アレイ作製工程とは別工程で行うことができ、電子源アレイ作製時の温度を低温化させることができ、電界放出型電子源アレイを構成する基板等の各種構成要素に関して、耐熱性の低い安価な材料を用いることが可能となる。
【００５７】
このような構成の電子源アレイに対し、ゲート電極は、開口部を有する絶縁性シート上に予めライン状の電極を形成したものを用いて、電子放出部を形成したカソード電極上に積層配置して形成するとよい。絶縁性シートは、例えば、セラミックシート等、真空中で使用するために、ガス放出の少ない材料から選定すればよい。絶縁性シートの積層は、高精度の位置合せを必要しないため、組立てが容易である。
【００５８】
この他にも、ガラスペースト、及び導電性ペーストを用いたスクリーン印刷法等により、絶縁層、及び電極を順次、電子放出部を形成したカソード電極上に積層させてゲート電極を形成してもよく、これらの電極形成方法は、生産性、コスト等を考慮して種々の手法の中から選定することができる。
【００５９】
本発明の電界放出型表示装置は、電子放出部を形成するカソード電極をマトリクスの構成要素とせず一体電極化が可能な電極構成とすることが可能であり、上述の一体型のカソード電極基板からなる電界放出型電子源アレイ等を含め、種々の電子源アレイ構造、及びその製造方法を選択することができ、電子放出部の製造工程を簡略化した電界放出型表示装置を構成することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明によれば、画像表示のための電子放出箇所を特定するためのマトリクスを、電子放出部を取囲むように形成された開口部を有する第１のゲート電極及び第２のゲート電極により構成したので、電子放出部からの電子放出にともなう放出電流が流れるカソード電極、及びアノード電極を微細配線にすることなく、マトリクスを形成することができる。
また、電子放出部を形成するカソード電極をマトリクスの構成要素とせず一体電極化が可能な電極構成とすることで、電子放出部の製造工程を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電界放出型表示装置の構成を示す部分拡大斜視図である。
【図２】図１の矢視断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の電界放出型表示装置の電界放出型電子源アレイの構成を示す部分拡大斜視図である。
【図４】従来の電界放出型表示装置の構成を示す部分拡大斜視図である。
【図５】従来の電界放出型表示装置の構成を示す部分拡大斜視図である。
【符号の説明】
１０ 支持基板
１１，３０ カソード電極
１２ 電気抵抗層
１３ 電子放出部
１４ 下部絶縁層
１５ 下部ゲート電極（第１のゲート電極）
１６ 上部絶縁層
１７ 上部ゲート電極（第２のゲート電極）
１８ 開口部
２０ ブラックマトリクス
２１ 蛍光体
２２ アノード電極
２３ 透明基板
３１ アルミナ陽極酸化膜
３２ 細孔
３３ カーボンナノチューブ

Claims (5)

1. 電界放出型の電子放出部が形成されたカソード電極と、電子照射により発光する蛍光体が形成されたアノード電極とからなり、該アノード電極により電子を引き出す電界放出型表示装置であって、前記カソード電極は電子放出領域の全面に形成されており、前記カソード電極と前記アノード電極との間に形成され各々が複数のライン状電極からなり、前記電子放出部を開口部で取囲むように形成された第１のゲート電極及び第２のゲート電極を備え、前記第１のゲート電極及び第２のゲート電極は、互いに絶縁され、かつ、互いに直交するように配置されて前記開口部を特定するマトリクスが形成され、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極への印加電圧により前記アノード電極による電界の前記電子放出部への侵入を個別に抑制して電子放出を制御する電界放出型表示装置において、
   前記電子放出部と前記アノード電極間の距離ｄＡ、前記カソード電極と前記アノード電極間の印加電位差ＶＡ、前記電子放出部と前記第１のゲート電極間の距離ｄＧ１、前記カソード電極と前記第１のゲート電極間の印加電位差ＶＧ１、前記電子放出部と前記第２のゲート電極間の距離ｄＧ２、前記カソード電極と前記第２のゲート電極間の印加電位差ＶＧ２が、
   ＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ１／ｄＧ１かつＶＡ／ｄＡ＞ＶＧ２／ｄＧ２
   の関係を満足させるように、前記第１のゲート電極の印加電圧、及び前記第２のゲート電極の印加電圧を増加させ、前記マトリクスで特定される開口部における前記電子放出部の表面近傍の電界を電子放出しきい値電界以上にすることで、特定した前記電子放出部から電子を放出させることを特徴とする電界放出型表示装置。
2. 前記電子放出部は、電気的に独立するように複数に分割されており、前記カソード電極と接続されることを特徴とする請求項１に記載の電界放出型表示装置。
3. 前記電子放出部が、少なくともカーボンナノチューブを含む導電性材料で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界放出型表示装置。
4. 前記電子放出部が、電気抵抗層を介して前記カソード電極に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の電界放出型表示装置。
5. 前記第１のゲート電極及び第２のゲート電極が、開口部を有する絶縁性シート上に形成され、前記カソード電極上に積層配置されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の電界放出型表示装置。

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