JPH0443539A

JPH0443539A - マトリクス光源

Info

Publication number: JPH0443539A
Application number: JP14809890A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Komatsu; 博志小松
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-06-06
Filing date: 1990-06-06
Publication date: 1992-02-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は光方式プリンタのアレイ状光ヘッドや、発光型
表示装置に利用するマトリクス光源に関する。さらに詳
しくは、解像度（単位長さ当りに形成された画素数）を
大きくでき、多色化が可能なマトリクス光源に関する。

［従来の技術］従来のマトリクス光源には、発光ダイオード（ＬＥＤ）
型光源や、熱電子放出型の蛍光表示管光源などがあった
。

［発明が解決しようとする課題］しかし前述の従来技術には、つぎに列配するようないく
つかの問題点がある。

■まずＬＥＤ型光源の場合、ＬＥＤは面積の小さな化合
物半導体基板に形成されるため、ＬＥＤアレイの１チッ
プ当りの長さは１０ｍｍ程度と短く、Ａ４Ｍサイズの光
プリンタ用のアレイ状光源をつくるためには約２０個の
ＬＥＤチップを並べなければならない。このときのＬＥ
Ｄチップを並べて実装する作業コストが扁い。またＬＥ
Ｄチップ間の特性にばらつきがあるため、予め発光強度
を揃える作業工程も必要である。

したがって、ＬＥＤ型光源は製造コストが高く、均一性
が悪いという問題点がある。

■また、ＬＥＤチップを複数個並べて実装するとき、Ｌ
ＥＤチップ間の実装間隔に限界があるため、その実装間
隔以上に解像度をあげられないという問題点がある。

■さらにＬＥＤの発光波長はＬＥＤを構成する材料によ
って決まるため、多色のアレイ光源の実現がきわめて難
しいという問題点がある。特に光強度の大きな青色光源
の実現は難しい。

■また、熱電子放出型の蛍光表示管光源の場合、。

グリッド電極の、構造が複雑であり、またカソード電極
とアノード電極の距離がＩＯＣ）ｃｚｍ程度と長いため
、画素間のピッチを小さくできない。そのため解像度を
上げられないという問題点がある。

そこで本発明のマトリクス光源は、このような従来技術
の問題点を克服するためのもので、その目的とするとこ
ろは、４００ＤＰＩ以上の高解像度化が可能で、ＲＧＢ
などの多色種の発光が可能で、しかも駆動回路を搭載で
きる安価なマトリクス光源を提供するところにある。

［課題を解決するための手段］本発明のマトリクス光源は、カソード電極およびゲート電極をもつ電界電子放出素子
と、アノード電極をもつ蛍光体とで構成される単位光源
がマトリクス状に配列されて成ることを特徴とし、また、異なる発色を呈する複数種の単位光源がマトリク
ス状に配列されて成ることを特徴とし、また、前記単位
光源は、少なくとも、マトリクス状に配置されたゲート
電極の選択によって任意に選択されることを特徴とし、さらに、前記単位光源を選択し、輝度調節するための駆
動用集積回路が第一平面基板もしくは第二平面基板の表
面に、モノリシック構造もしくはハイブリッド構造に具
備されて成ることを特徴とする。

［実施例］本発明のマトリクス光源を実施例に従いさらに詳述する
。

〈実施例１〉第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の第一の実施例を説
明するためのもので、モノクロの一次元マトリクス光源
の概略平面図およびＡ−Ａ’線に沿った概略断面図をそ
れぞれ示している。

このマトリクス光源は、複数個の電界電子放出素子５が
形成された第一平面基板ｌと、それに対向して配置され
発光体６が形成された第二平面基板２と、第一平面基板
１と第二平面基板２の間隔を一定に保持する挟持体３と
、第一平面基板１と第二平面基板２と挟持体３に囲まれ
た真空層４が主な構成要素である。

第一平面基板１は（１００）面方位をもつｎ型シリコン
単結晶基板よりなり、電界電子放出素子５部分と基板コ
ンタクト電極７部分を除きシリコン酸化膜（Ｓｉ０２Ｎ
）１“で覆われている。第二平面基板２は透明なガラス
基板よりなり、その表面に透明なＩＴＯ材料よりなるア
ノード電極９と酸化亜鉛（ＺｎＯ：　　Ｚｎ）材料より
なる蛍光体６がｆｉ層され形成されている。挟持体３は
酸化シリコン厚膜よりなり、第一平面基板１と第二平面
基板２に陽極接合法による静電気接合か、またはフリッ
トガラスによる接着接合がなされている。

カソード電極とゲート電極を有する電界電子放出素子５
とアノード電極を有する蛍光体６は真空層４を挟んで対
向して配置され、その一対が単位光源を構成している。

単位光源は互いに分離され、アレイ状に配置されたゲー
トｔｔ！！ｉに区分される１個の電界電子放出素子をも
つ。本実施例のマトリクス光源は、各々の電界電子放出
素子のカソード電極はシリコン単結晶基板を共有してい
る。またアノード電極も共通である。

本マトリクス光源は、電界電子放出素子ピッチで与えら
れる単位光源ピッチが５０μｍ、画素数が４２００個、
実効長が２１０ｍｍである。また本マトリクス光源の真
空層４は真空度が１×１０−’Ｔｏｒｒ以下に維持され
ている。

第２図は第１図（ａ）に示した一次元マトリクス光源の
Ｂ−Ｂ’線に沿った詳細断面図である。

一つの電界電子放出素子は第一平面基板１の表面に形成
された複数個の突起状のカソード電極１１と、５ｉ０２
膜Ｉ′を介して形成され、それぞれの突起の近傍に開口
をもつゲート電極１２よりなる。カソード電極１１はシ
リコン単結晶基板の一部で、突起高さが１μｍ、突起間
隔が縦・横ともに１０μｍ、突起数は縦・横ともに３個
ずつ並べられ全部で９個有する。ゲート電極１２の開口
は突起中心軸を中心とする円形であり、その直径は１μ
ｍである。この開口数も突起数と同じ９個である。カソ
ード電極１１とゲート電極１２の距離は開口半径で与え
られ０．５μｍ、カソード電極１１とアノード電極９の
距離はほぼ挟持体３の高さと同じで約１０μｍである。

また各々の電界電子放出素子でゲート電極１１は分離さ
れ、素子部のゲート電極１１の大きさは３０μｍ口であ
る。

単位光源の発光動作は次のようになる。すなわち、基板
コンタクト電極７を通してシリコン単結晶基板１を接地
した状態で、ゲートコンタクト電極８を通して電界電子
放出素子５のゲート電極にゲート電圧Ｖｇｋを、アノー
ドコンタクト電極１０およびアノード電極９を通して蛍
光体６にアノード電圧Ｖａｋをそれぞれ印加する。この
とき、電界電子放出素子５のカソード電極の突起部分に
ゲート電極の電界が印加され、突起先端より電子が放出
される。放出された電子はアノード電圧に加速されて蛍
光体６に到達し、素子に対向する部分の蛍光体６を発光
させる。

単位光源は５０μｍピッチで一列に形成されている。電
界電子放出素子のカソード電極１１の突起より放出され
た電子はアノード電極に到達するまでに少し発散される
ため、単位光源の蛍光体の発光領域は約４５μｍ口とな
る。しかし単位光源を５０μｍピッチで形成しているた
め、隣接する単位光源間で相互干渉はなく、解像度５０
０ＤＰ工の良好なマトリクス光源が得られた。

本マトリクス光源の駆動方法をつぎに述べる。

まず、単位光源のそれぞれの電界電子放出素子のゲート
電極にスイッチング用のＭＯＳＦＥＴのソース端子を接
続し、それぞれのＭＯＳＦＥＴのドレイン端子を＋８０
ｖに一定にする。アノード電圧はＶａｋ＝＋２００Ｖ一
定とする。任意の位置の単位光源を発光させたいときは
、発光すべき単位光源に対応するＭＯＳＦＥＴのゲート
端子に制御信号を入力し、ＭＯＳＦＥＴをｏｎ状態にす
る。

このとき、・発光すべき単位光源の電界電子放出素子の
ゲート電極にはｏｎ状態となったＭＯＳＦＥＴを通して
、発光に必要な閾値電圧以上のゲート電圧Ｖｇｋ＝＋８
０Ｖが印加され、電界電子放出素子のカソード電極突起
より電子が放出される。放出された電子はアノード電圧
に加速されて蛍光体を発光させる。単位光源あたりのア
ノード電流は０．１μＡであり、このときの蛍光体の明
るさは単位光源あたり２００ｎｉ　を程度である。ＭＯ
ＳＦＥＴのゲート端子に加える制御信号をコントロール
することにより、任意の位置の単位光源が発光する一次
元マトリクス光源が実現できる。

本発明の電界電子放出素子はフォトリソ技術によって微
細化できるため１．解像度を大きくできる。

また、現有するシリコン単結晶基板の大きさは８インチ
径のものがあり、チップの大きさで最大１８ｃｍ程度の
ものが作製可能である。これを利用するとＡ４版サイズ
のマトリクス光源を形成するとき、２チツプだけを並べ
て実装すれば完成するため、実装コストを大幅に軽減で
きる。また、シリコン単結晶基板は機械的強度が強いた
め、実装時などの作業性もよいなどの利点もある。

本実施例において、第一平面基板にシリコン単結晶基板
を用い、突起はシリコン単結晶基板の異方性エツチング
を利用して作製したが、本発明はこれに限らず、金属電
極をもつ絶縁性基板と金属突起を用いたり、導電性基板
に金属突起を形成したものを用いてもかまわない。蛍光
体として青緑発光を呈するＺｎＯ：　　Ｚｎを用いたが
、赤外光から紫外光のどの波長の材料を用いてもかまわ
ない。

〈実施例２〉第３図は本発明の第二の実施例を説明するためのもので
、多色発光の二次元マトリクス光源の概略平面図である
。

第二平面基板２の表面に形成された平行な３本のアノー
ド電極９１．９２．９３と、これらに直交して第一平面
基板１の表面に形成された複数本のゲート電極１２との
各交点に単位光源が形成された二次元マトリクス光源で
ある。３本のアノード電極の表面にはそれぞれ異なる発
光色を呈する蛍光体が形成されている。すなわち、アノ
ード電極９１には赤色（Ｒ）蛍光体（［Ｚｎ、Ｃｄ１Ｓ
：Ａｇ）６１が、アノード電極９２には緑色（Ｇ）蛍光
体（ＺｎＳ：　　Ｃｕ、ＡＩ）６２が、アノード電極９
３には青色（Ｂ）蛍光体（ＺｎＳ：　　Ｚｎ）６３がそ
れぞれ形成されている。したがって、ＲＧＢの各単位光
源はアノード電極に沿ってストライブ状に形成され、各
ゲート電極にはＲＧＢ各ひとつずつの単位光源が接続さ
れている。ＲＧＢの配列方法にはストライブ配列の他に
ちどり配列やデルタ配列などがある。

第一平面基板１の表面には第２図に示したものと同様な
構造の電界電子放出素子がマトリクス状に形成されてい
る。ひとつの電界電子放出素子のゲート電極の大きさは
４０μｍＸ１５μｍであり、カソード電極の突起数は１
６個である。ゲート電極ピッチは６０μｍ、アノード電
極ピッチは２０μｍであり、解像度は約４００ＤＰＩで
ある。挟持体３と第一平面基板１および第二平面基板２
に囲まれた空間は真空状態である。このマトリクス光源
の実効長は１８０ｍｍで８５版対応である。

本マトリクス光源の駆動方法は次のようになる。

すなわち、発光させるべき任意の単位光源は、それにつ
ながるアノード電極とゲート電極を選択することによっ
て決められる。すなわち基板コンタクト電極７を通して
カソード電極を接地した状態で、選択する単位光源の電
界電子放出素子につながるゲート電極に閾値電圧よりも
大きなゲート電圧Ｖｇｋを印加し電子を放出させる。選
択する単位光源のアノード電極にはアノード電圧Ｖａｋ
を印加して電子を加速させ、選択する単位光源の蛍光体
に電子を流し込んで蛍光体を発光させるのである。

このとき、非選択のゲート電極とアノード電極は非選択
単位光源の蛍光体が発光しない程度に低電位に保持して
おく。蛍光体の種類によって発光効率が異なる場合は、
発光強度が同じになるように蛍光体に照射する電子のエ
ネルギーを調節すればよい。この方法には、ゲート電圧
によってアノード電流を制御する方法と、アノード電圧
によって加速電圧を制御する方法がある。また、電界電
子放出素子の突起の密度を変えて、ゲート電圧を同一に
したままアノード電流を変えることも可能である。

マトリクス光源のもう一つの駆動方法として、カソード
電極とゲート電極をマトリクス状に配置し、アノード電
極はベタ電極として全単位光源で共通使用する構造のも
のがある。すなわち、任意の単位光源の選択はそれにつ
ながるカソード電極とゲート電極を選択することによっ
て行い、そのカソード電極電位とゲート電極電位を制御
することで、Ｖｇｋを電子放出閾値電圧以下とするか閾
値電圧以上とするかによって非発光状態と発光状態を制
御するものである。このような駆動方法の利点は、アノ
ード電極を全面ベタの共通電極とするため、マトリクス
光源の作製が簡単になる。また第一平面基板側のみの駆
動で済むため、周辺の駆動回路の構成が簡単になること
である。

〈実施例３〉第４図は本発明の第三の実施例を説明するためのもので
、駆動回路を一体化したマトリクス光源の概略平面図で
ある。マトリクス光源の構成は実施例１で述べた構造の
ものと同様である。本実施例の特徴は、第一平面基板１
であるシリコン単結晶基板の表面にマトリクス光源を駆
動するための駆動回路１３をモノリシックに形成した点
にある。

電界電子放出素子５の領域外に、ＣＭＯＳ構造で構成さ
れるシフトレジスタとサンプル＆ホールド回路およびア
ナログスイッチアレイが形成されている。必要があれば
ラッチアップ回路を形成してもよい。駆動回路１３の入
力１４は電源、クロック、画像信号などであり、駆動回
路の出力は各単位光源の電界電子放出素子のゲート電極
制御信号である。

モノリシックな駆動回路はカソード電極の突起を形成し
た後、ＣＭＯＳプロセスによって作製すればよい。

第４図に示したマトリクス光源以外の構造のものについ
ても、ガラス基板上に形成されたものについては薄膜ト
ランジスタで駆動回路をモノリシックに形成したり、あ
るいはチップオングラス（ＣＯＧ）法によってハイブリ
ッドに駆動回路を同一基板上に形成してもよい。

このように駆動回路を一体化したマトリクス光源は、微
細化と小型化がより可能となり、真空層の形成まで含め
たマトリクス光源の製造方法がより簡単になるという効
果がある。

［発明の効果］本発明のマトリクス光源は以下に列記するような発明の
効果をもつ。

■微細加工技術を利用した作製法により５００ＤＰＩ以
上の高解像度化が可能である ■多色化ができる。

■カソード電極から出た電子のほとんどはアノード電流
になるため、電力効率がきわめて良好である。

■駆動回路を一体化できるため、小型化が容易で、しか
も耐振動などの信頼性がよい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は本発明の第一の実施例を説
明するためのもので、モノクロの一次元マトリクス光源
の概略平面図およびＡ−Ａ’線に沿った概略断面図をそ
れぞれ示している。第２図は第１図（ａ）に示した一次元マトリクス光源の
Ｂ−Ｂ’線に沿った詳細断面図である。第３図は本発明の第二の実施例を説明するためのもので
、多色発光の二次元マトリクス光源の概略平面図である
。第４図は本発明の第三の実施例を説明するためのもので
、駆動回路を一体化したマトリクス光源の概略平面図で
ある。１・・第一平面基板２・・第二平面基板３・・挟持体４・・真空層５・・電界電子放出素子６・・蛍光体９・・アノード電極１１・・カソード電極１２・・ゲート電極１３・・駆動回路第１図（ａ）第１図（ｂ）以上

Claims

【特許請求の範囲】

（１）カソード電極およびゲート電極をもつ電界電子放
出素子と、アノード電極をもつ蛍光体とで構成される単
位光源がマトリクス状に配列されて成ることを特徴とす
るマトリクス光源。
（２）異なる発色を呈する複数種の単位光源がマトリク
ス状に配列されて成ることを特徴とする請求項１に記載
のマトリクス光源。
（３）前記単位光源は、少なくとも、マトリクス状に配
置されたゲート電極の選択によって任意に選択されるこ
とを特徴とする請求項１または２に記載のマトリクス光
源。
（４）前記単位光源を選択し、輝度調節するための駆動
用集積回路が第一平面基板もしくは第二平面基板の表面
に、モノリシック構造もしくはハイブリッド構造に具備
されて成ることを特徴とする請求項１乃至３に記載のマ
トリクス光源。