JP4266994B2 - 電子放出デバイス，電子放出表示デバイス - Google Patents

Description

本発明は電子放出デバイスに関し，より詳しくは，カソード電極の構造を改善した電子放出素子を行列状に配置した電子放出デバイスおよびこれを用いた電子放出表示デバイスに関するものである。

一般に，電子放出素子は，電子源の種類に応じて熱陰極を用いる方式と冷陰極を用いる方式に分類できる。

ここで，冷陰極を用いる方式の電子放出素子としては，電界放出行列型，表面電導放出型，金属−絶縁層−金属型および金属−絶縁層−半導体型などが知られている。

電子放出素子は，第１基板に行列状に配置されて，電子放出デバイスを構成する。電子放出デバイスは，蛍光層，黒色層およびアノード電極などから構成された発光ユニットが備えられた第２基板と結合して，電子放出表示デバイスを構成する。

通常の電界放出行列型電子放出表示デバイスは，第１基板上に電子放出部が形成され，単位画素ごとに電子放出部の電子放出を制御する駆動電極としてカソード電極とゲート電極が提供されている。そして，第１基板と対向する第２基板の一面には，蛍光層と黒色層および電子ビーム加速のためのアノード電極が形成される。

電子放出部は，カソード電極と電気的に結合することにより，電子放出に必要な電流供給を受ける。ゲート電極は，絶縁層を挟んでカソード電極や他の層に結合され，一例としては，カソード電極上部に位置して，カソード電極と絶縁状態を維持する。このとき，ゲート電極および絶縁層は，電子放出部を露出するための，各放出部の開口部を形成する。

これにより，カソード電極およびゲート電極に所定の駆動電圧を印加すると，二つの電極間電位差が臨界値の以上である単位画素で，電子放出部の周囲に電界が形成される。これにより，電子放出部から電子が放出される。放出された電子は，アノード電極に印加された高電圧に引かれて，第２基板に向かいながら，対応する単位画素の蛍光層に衝突してこれを発光させる。

ところで，前述した構造では，電子放出部の全体に電界が均一に集中できず，ゲート電極と対向する電子放出部の上部周縁に主に電界が集中して，この部分から電子が放出される。この場合に，放出された電子は，第２基板に向かいながら，任意の傾斜角を有して広がって進行するので，対応する単位画素の蛍光層だけでなく，隣接する単位画素の他色蛍光層に到達して，画面の色純度を低下させる。

また，電子放出表示デバイスは，その作動時，カソード電極に不安定な駆動電圧が印加されたり，カソード電極の電圧降下によって単位画素別電子放出部に印加される駆動電圧に差が発生することがある。この場合，電子放出部の放出特性が不均一になって，単位画素別発光均一度低下につながる。

そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，電子ビーム広がりを抑制して画面の色純度を高め，電子放出部の放出特性を均一化して，単位画素の発光均一度を高めることの可能な，新規かつ改良された電子放出デバイスおよびこれを用いた電子放出表示デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，基板と，基板上に形成されるカソード電極と，カソード電極と絶縁され，カソード電極と交差する方向に沿って形成されるゲート電極と，カソード電極と電気的に結合する電子放出部と，を含む電子放出デバイスが提供される。ここで，カソード電極は，カソード電極の内部に開口部が形成される主電極と，開口部の内側で，主電極から離隔して設けられ，少なくとも１つのビアホールが形成される隔離電極と，主電極と隔離電極との間に形成される抵抗層と，を含む。また，電子放出部は，隔離電極と接触するようにビアホールの内部に設けられ，電子放出部の高さは，隔離電極の高さより低く形成されることを特徴とする。

主電極および隔離電極は，抵抗層の上面の一部を覆いながら，抵抗層上に形成することができ，また，抵抗層の厚さより厚く形成することができる。

隔離電極は，カソード電極とゲート電極の交差領域ごとに１つずつ設けられ，基板の一方向に沿って複数のビアホールを形成してもよい。この場合，抵抗層は一定の幅を有し，隔離電極の周縁を囲むように設けることができる。

一方，主電極の開口部の内側に，複数の隔離電極を所定の間隔をおいて設けることもできる。この場合，抵抗層は，各隔離電極の両側で主電極と隔離電極との間に個別に形成してもよい。

電子放出デバイスは，カソード電極およびゲート電極と絶縁され，カソード電極およびゲート電極の上部に位置する集束電極をさらに含むことができる。

また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，互いに対向配置される第１基板および第２基板と，第１基板上に形成されるカソード電極と，カソード電極と絶縁状態され，カソード電極と交差する方向に沿って形成されるゲート電極と，カソード電極に電気的に結合する電子放出部と，第２基板の一面に形成される蛍光層と，蛍光層の一面に設けられるアノード電極と，を含む電子放出表示デバイスが提供される。ここで，カソード電極は，カソード電極の内部に開口部が形成される主電極と，開口部の内側で，主電極から離隔して設けられ，少なくとも１つのビアホールが形成される隔離電極と，主電極と隔離電極との間に形成される抵抗層と，を含む。そして，電子放出部は，隔離電極と接触するようにビアホールの内部に設けられ，電子放出部の高さは，隔離電極の高さより低く形成されることを特徴とする。

主電極および隔離電極は，抵抗層の上面の一部を覆いながら，抵抗層上に形成することもでき，また，主電極および隔離電極の厚さは，抵抗層より厚く形成することもできる。

隔離電極は，カソード電極とゲート電極との交差領域ごとに１つずつ設けられ，基板の一方向に沿って複数のビアホールを形成してもよい。

一方，隔離電極は，主電極の開口部の内側に，所定の間隔をおいて複数設けてもよい。このとき，抵抗層は，各隔離電極の両側で主電極と隔離電極との間に個別に形成してもよい。

さらに，カソード電極およびゲート電極と絶縁され，カソード電極およびゲート電極の上部に位置する集束電極を含んでもよい。

本発明の電子放出デバイスおよびこれを利用した電子放出表示デバイスは，第２基板に到達する電子ビームスポットサイズを縮小させるので，電子ビーム集束効率が向上し，電子ビームが隣接する単位画素の他色蛍光層に到達することを抑制して，画面の色純度を向上させることができる。

以上説明したように本発明によれば，電子ビーム広がりを抑制して画面の色純度を高め，電子放出部の放出特性を均一化して，単位画素の発光均一度を高めることの可能な電子放出デバイスおよびこれを利用した電子放出表示デバイスを提供することができる。

以下に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。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
まず，図１〜３に基づいて，本発明の第１の実施形態にかかる電子放出表示デバイスについて説明する。図１〜３に示すように，本実施形態にかかる電子放出表示デバイスは，所定の間隔をおいて略平行に対向配置される第１基板１０と第２基板１２とを含む。第１基板１０と第２基板１２の周縁には，密封部材（図示せず）が配置されており，両基板１０，１２が接合されて，内部空間が約１０^−６Ｔｏｒｒの真空度に排気されることにより，第１基板１０，第２基板１２および密封部材によって真空容器が構成される。

第１基板１０と第２基板１２との対向面には，電子放出素子が行列状に配置されて，第１基板１０と共に電子放出デバイス１００を構成する。そして，電子放出デバイス１００が第２基板１２に設けられた発光ユニット１１０および第２基板１２と結合して，電子放出表示デバイスを構成する。

第１基板１０上（ｚ軸正方向側の面）には，第１電極であるカソード電極１４が第１基板１０の一方向（図１においては，ｙ軸方向）に沿って帯状パターンに形成され，カソード電極１４を覆いながら，第１基板１０の全体に絶縁層１６が形成される。絶縁層１６上には，第２電極であるゲート電極１８がカソード電極１４と直交する方向（図１においては，ｘ軸方向）に沿って帯状パターンに形成される。カソード電極１４とゲート電極１８との交差領域が一つの単位画素を構成する。

本実施形態でそれぞれのカソード電極１４は，第１基板１０の一方向に沿って帯状パターンに形成されながら，単位画素ごとにその内部に開口部２０を形成する主電極１４１と，開口部２０の内側で主電極１４１から離隔して位置する隔離電極１４２と，主電極１４１と隔離電極１４２とを電気的に連結する抵抗層１４３とを含む。隔離電極１４２は，その内部に複数のビアホール２２を形成し，それぞれのビアホール２２の内側に電子放出部２４が位置する。

主電極１４１および隔離電極１４２は，抵抗層１４３の上面の一部を覆いながら，抵抗層１４３上に形成される。このとき，主電極１４１および隔離電極１４２は，抵抗層１４３との接触抵抗を減らし，抵抗層１４３より厚くなるように形成される。主電極１４１と隔離電極１４２は，比抵抗が低い導電物質，例えば，アルミニウム（Ａｌ）やモリブデン（Ｍｏ）のような金属により形成できる。

抵抗層１４３は，約１０，０００Ωｃｍ〜１００，０００Ωｃｍの比抵抗値を有する物質である。抵抗層１４３は，主電極１４１と隔離電極１４２とを構成する導電物質より大きい抵抗を有し，例えば，ｐ型またはｎ型ドーピングされた非晶質シリコンで形成できる。抵抗層１４３は，単位画素ごとに一定の幅を有する環形に形成されて隔離電極１４２の周縁全体を囲むように設けることができる。

抵抗層１４３は，真空容器外部から駆動電圧を印加される主電極１４１と電子放出部２４が位置する隔離電極１４２を電気的に結合して，電子放出表示デバイス作動時に電子放出部２４の放出特性を均一化させる役割を果たす。

電子放出部２４は，隔離電極１４２のビアホール２２の内側でその側面が隔離電極１４２と接触することにより，電子放出に必要な電流を得ることができる。特に，電子放出部２４，隔離電極１４２より高さを低く形成して電子放出部２４の上面が隔離電極１４２の上面より下側に位置するようにする。

つまり，本実施形態で，隔離電極１４２は，電子放出部２４より高く形成されて電子放出部２４の上部で電子放出部２４を囲むので，電子放出部２４は，その上部周縁が真空に露出されず，上面だけが真空に露出される。このような隔離電極１４２は，電子放出表示デバイス作動時に電子放出部２４の周囲の電界分布を変化させて，電子放出部２４から放出される電子の初期発散角を狭める役割を果たす。

電子放出部２４は，真空中で電界が加えられると電子を放出する物質，例えば炭素系物質またはナノメートルサイズ物質を用いて形成できる。電子放出部２４は，例えば，炭素ナノチューブ，黒鉛，黒鉛ナノファイバー，ダイヤモンド，ダイヤモンド状炭素，フラーレン（Ｃ_６０），シリコンナノワイヤーまたはこれらの組み合わせ物質を含むことができる。

このように，電子放出部２４が隔離電極１４２のビアホール２２の一部を充填し，位置する構造では，電子放出部２４のパターン形成のための別途の工程が要求されず，電子放出部２４を微細パターンに形成するという有利な長所がある。

絶縁層１６とゲート電極１８には，各電子放出部２４に対応する開口部１６１，１８１が形成されて，第１基板１０上で電子放出部２４を露出させる。このとき，絶縁層１６の開口部１６１とゲート電極１８の開口部１８１とは，電子放出部２４が位置する隔離電極１４２のビアホール２２より幅を広く形成する。

なお，図１と図３では，単位画素ごとに一つの隔離電極１４２が位置し，各隔離電極１４２で電子放出部２４が主電極１４１の長手方向に沿って一列に位置し，各電子放出部２４が円形に形成される場合を示した。しかしながら，単位画素別隔離電極１４２と電子放出部２４の配列構造と個数および平面形状などは図示の例に限定されず，多様に変形可能である。

ここで，図４および図５に基づいて，電子放出表示デバイス中のカソード電極および電子放出部の構成の変形例を以下に示す。

（変形例１）
図４に示すように，変形例１では，主電極１４１’の開口部２０’の内側には，複数の隔離電極１４４が，主電極１４１’の長手方向に沿って所定の間隔をおいて設けられる。また，抵抗層１４５は，隔離電極１４４の両側で主電極１４１’の長手方向に沿って帯状パターンに形成される。

（変形例２）
図５に示すように，変形例２では，主電極１４１”の開口部２０”の内側には，複数の隔離電極１４４が，主電極１４１”の長手方向に沿って所定の間隔をおいて設けられる。また，抵抗層１４６は，各隔離電極１４４の両側で主電極１４１”と隔離電極１４４との間に個別に形成される。

上述した変形例１（図４）と変形例２（図５）では，電子放出部２４’，２４”が別々に主電極１４１’，１４１”と隔離電極１４４との間に個別抵抗１４５，１４６を配置するので，電子放出部２４’，２４”が別々に放出特性をより効果的に安定化させることができる。

また，電子放出部２４の断面形状（ｚ軸方向からみた形状）は，図４および図５に示した円形以外に，長方形や楕円形など多様な形状に形成できる。また，絶縁層１６およびゲート電極１８の開口部１６１，１８１は，電子放出部２４に対応する断面形状を有する。

再び図１と図２とを参照すると，第１基板１０に対向する第２基板１２の一面には蛍光層２６，一例として赤色と緑色および青色の各蛍光層２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂが任意の相互間距離をおいて形成され，各蛍光層２６の間に画面のコントラスを向上させるための黒色層２８が形成される。蛍光層２６は，第１基板１０に設定される単位画素に一つの色の蛍光層が対応するように配置され，３色の各蛍光層２６Ｒ，２６Ｇ，２６Ｂが位置する３個の単位画素が集まって一つの任意の色相を表現できる画素を構成する。

そして，蛍光層２６および黒色層２８上には，例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属膜からなるアノード電極３０が形成される。アノード電極３０は，外部から電子ビーム加速に必要な高電圧を印加されて蛍光層２６を高電位状態に維持させ，蛍光層２６から放射した可視光のうち，第１基板１０に向かって放射した可視光を第２基板１２側に反射させて，画面の輝度を高める。

一方，アノード電極は，例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の透明導電膜から形成することができる。この場合，アノード電極の第２基板１２と対向する一面に，蛍光層２６および黒色層２８が配置される。また，アノード電極として上述した透明導電膜と金属膜とを同時に形成する構造も可能である。

そして，第１基板１０と第２基板１２との間には，真空容器に加えられる圧縮力を支持し，両基板の間隔を一定に維持させるスペーサ３２が配置される。スペーサ３２は，露出した蛍光層２６に重ならないように黒色層２８の範囲内に対応して配置する。

上述した構成の電子放出表示デバイスは，外部からカソード電極１４，ゲート電極１８およびアノード電極３０に所定の電圧を供給することにより駆動する。例えば，カソード電極１４とゲート電極１８とのうちいずれか１つの電極が走査駆動電圧を印加されて走査電極として機能し，他の電極がデータ駆動電圧を印加されてデータ電極として機能する。そして，アノード電極３０には，電子ビーム加速に必要な電圧，例えば，数百〜数千ボルトの正の直流電圧が印加される。

これにより，カソード電極１４とゲート電極１８との電圧差が臨界値以上である単位画素から電子放出部２４の周囲に電界が形成されて，電子放出部２４から電子が放出される。放出された電子は，アノード電極３０に印加された高電圧に引かれて，対応する単位画素の蛍光層２６に衝突することによって蛍光層２６を発光させる。

上述した駆動過程では，抵抗層１４３が電子放出部２４の放出特性を均一に制御して，単位画素の発光均一度を高めるとともに，隔離電極１４２が電子放出部２４の周囲の電界分布を変化させて，電子ビームの初期発散角を減少させることにより，画面の色純度を向上させる。

（比較実験）
次に，図６および図７に，比較例の電子放出表示デバイスと本実施形態にかかる電子放出表示デバイスとにおいて，電子放出部の周囲に形成される電位分布と電子ビーム軌跡を示した。なお，実験に使用された比較例の電子放出表示デバイスおよび実施形態の電子放出表示デバイスにおいて，カソード電極０Ｖ，ゲート電極８０Ｖ，アノード電極５ｋＶをそれぞれ印加した。

図６に示すように，比較例の電子放出表示デバイスは，全体が帯状パターンに形成されるカソード電極３４を備える。図６において，符号３６は電子放出部を示し，符号３８は絶縁層を示し，符号４０はゲート電極を示す。

図６を参照すれば，比較例の電子放出表示デバイスでは，電子放出部３６の直上部において電子放出部３６から遠ざかるような膨らんだ等電位線が形成される。このような電位分布によって，電子放出部３６から放出した電子は，所定の初期発散角を有するようになる。

一方，図７を参照すれば，本実施形態の電子放出表示デバイスでは，電子放出部２４の直上部において電子放出部２４に近づくように，凹んだ等電位線が形成される。このように，隔離電極１４２が電子放出部２４より高く形成されることにより，変形された電位分布によって，電子ビームは隔離電極１４２のビアホールを通過しながら集束されるので，比較例より初期発散角が小さくなる。

したがって，本実施形態の電子放出表示デバイスは，電子ビーム広がりを最小化して，第２基板１２に到達する電子ビームスポットサイズを縮小させるので，電子ビームが隣接する単位画素の他色蛍光層に到達することを抑制して，画面の色純度を向上させることができる。

以上，第１の実施形態にかかる電子放出表示デバイスについて説明した。次に，図８に基づいて，本発明の第２の実施形態にかかる電子放出デバイスについて説明する。

（第２の実施形態）
図８に示すように，本発明の第２の実施形態にかかる電子放出表示デバイスは，ゲート電極１８’の上部に電子ビーム集束のための集束電極４２を追加的に形成できる。カソード電極１４’とゲート電極１８’との間に位置する絶縁層を第１絶縁層１６’とすれば，集束電極４２の下部（ｚ軸負方向）には，第２絶縁層４４が設けられてゲート電極１８’と集束電極４２とを絶縁させる。

集束電極４２には，電子放出部２４’ごとに対応する開口部が形成され，各電子放出部２４’から放出される電子を個別に集束したり，単位画素ごとに１つの開口部４２１を形成することにより，１つの単位画素から放出される電子を包括的に集束できる。図８では後者の場合を示した。

本実施形態では，集束電極４２に，電子放出表示デバイス作動時に０ボルトまたは数〜数十ボルトの負の直流電圧を印加することにより，開口部４２１を通過する電子に反発力が付与されて，電子を電子ビーム束の中心部に集束させることができる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は，電子放出デバイスおよびこれを用いた電子放出表示デバイスに適用可能である。

本発明の第１の実施形態にかかる電子放出表示デバイスの部分分解斜視図である。 同実施形態にかかる電子放出表示デバイスの部分断面図である。 同実施形態にかかる電子放出表示デバイスのカソード電極および電子放出部の部分拡大平面図である。 変形例１の電子放出表示デバイスのカソード電極および電子放出部の部分拡大平面図である。 変形例２の電子放出表示デバイスのカソード電極および電子放出部の部分拡大平面図である。 比較例の電子放出表示デバイスにおける電子放出部周囲の電位分布と電子ビーム軌跡とを示す説明図である。 本発明の第１の実施形態にかかる電子放出表示デバイスにおける電子放出部周囲の電位分布と電子ビーム軌跡とを示す説明図である。 本発明の第２の実施形態にかかる電子放出表示デバイスの部分分解斜視図である。

符号の説明

１０ 第１基板
１２ 第２基板
１４ カソード電極
１６ 絶縁層
１８ ゲート電極
２０，１６１，１８１ 開口部
２２ ビアホール
２４，３６ 電子放出部
１００ 電子放出デバイス
１１０ 発光ユニット
１４１ 主電極
１４２，１４４ 隔離電極
１４３，１４５，１４６ 抵抗層

Claims (15)

1. 基板と；
   前記基板上に形成されるカソード電極と；
   前記カソード電極と絶縁され，前記カソード電極と交差する方向に沿って形成されるゲート電極と；
   前記カソード電極と電気的に結合する電子放出部と；
   を含み，
   前記カソード電極は，
   単位画素ごとに内部に開口部が形成される主電極と，
   前記開口部の内側で，前記主電極から離隔して設けられ，少なくとも１つのビアホールが形成される隔離電極と，
   前記主電極と前記隔離電極との間に形成され，前記主電極と前記隔離電極とを電気的に連結する抵抗層と，
   を含み，
   前記電子放出部は，前記隔離電極と接触するように前記ビアホールの内部に設けられ，
   前記電子放出部の高さは，前記隔離電極の高さより低く形成され，
   前記電子放出部と前記抵抗層とは，前記基板に接触することを特徴とする，電子放出デバイス。
2. 前記主電極および前記隔離電極は，前記抵抗層の上面の一部を覆いながら，前記抵抗層上に形成されることを特徴とする，請求項１に記載の電子放出デバイス。
3. 前記主電極および前記隔離電極の厚さは，前記抵抗層より厚く形成されることを特徴とする，請求項２に記載の電子放出デバイス。
4. 前記隔離電極は，前記カソード電極と前記ゲート電極との交差領域ごとに１つずつ設けられ，
   前記ビアホールは，前記基板の一方向に沿って複数形成されることを特徴とする，請求項１に記載の電子放出デバイス。
5. 前記抵抗層は，一定の幅を有し，前記隔離電極の周縁を囲むように設けられることを特徴とする，請求項４に記載の電子放出デバイス。
6. 前記隔離電極は，前記主電極の前記開口部の内側に，所定の間隔をおいて複数設けられることを特徴とする，請求項１に記載の電子放出デバイス。
7. 前記抵抗層は，前記各隔離電極の両側で，前記主電極と前記隔離電極との間に個別に形成されることを特徴とする，請求項６に記載の電子放出デバイス。
8. 前記カソード電極および前記ゲート電極と絶縁され，前記カソード電極および前記ゲート電極の上部に位置する集束電極をさらに含むことを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の電子放出デバイス。
9. 互いに対向配置される第１基板および第２基板と；
   前記第１基板上に形成されるカソード電極と；
   前記カソード電極と絶縁状態され，前記カソード電極と交差する方向に沿って形成されるゲート電極と；
   前記カソード電極に電気的に結合する電子放出部と；
   前記第２基板の一面に形成される蛍光層と；
   前記蛍光層の一面に設けられるアノード電極と；
   を含み，
   前記カソード電極は，
   単位画素ごとに内部に開口部が形成される主電極と，
   前記開口部の内側で，前記主電極から離隔して設けられ，少なくとも１つのビアホールが形成される隔離電極と，
   前記主電極と前記隔離電極との間に形成され，前記主電極と前記隔離電極とを電気的に連結する抵抗層と，
   を含み，
   前記電子放出部は，前記隔離電極と接触するように前記ビアホールの内部に設けられ，前記電子放出部の高さは，前記隔離電極の高さより低く形成され，
   前記電子放出部と前記抵抗層とは，前記基板に接触することを特徴とする，電子放出表示デバイス。
10. 前記主電極および前記隔離電極は，前記抵抗層の上面の一部を覆いながら，前記抵抗層上に形成されることを特徴とする，請求項９に記載の電子放出表示デバイス。
11. 前記主電極および前記隔離電極の厚さは，前記抵抗層より厚く形成されることを特徴とする，請求項１０に記載の電子放出表示デバイス。
12. 前記隔離電極は，前記カソード電極と前記ゲート電極との交差領域ごとに１つずつ設けられ，
    前記ビアホールは，前記基板の一方向に沿って複数形成されることを特徴とする，請求項９に記載の電子放出表示デバイス。
13. 前記隔離電極は，前記主電極の前記開口部の内側に，所定の間隔をおいて複数設けられることを特徴とする，請求項９に記載の電子放出表示デバイス。
14. 前記抵抗層は，前記各隔離電極の両側で前記主電極と前記隔離電極との間に個別に形成されることを特徴とする，請求項１３に記載の電子放出表示デバイス。
15. 前記カソード電極および前記ゲート電極と絶縁され，前記カソード電極および前記ゲート電極の上部に位置する集束電極をさらに含むことを特徴とする，請求項９〜１４のいずれかに記載の電子放出表示デバイス。
    

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