JPH07111131A - 電界放出型ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電界放出型カソードの先端近傍の電界強度を
有効に高めることができるように、先端の尖鋭化を充分
高め、しかも生産性の向上、価格の低廉化をはかる。 【構成】 電界放出型カソードを有する電界放出型ディ
スプレイ装置において、その電界放出型カソード７を、
高融点金属カソード材よりなる円錐頂部７Ａと、他の導
体もしくは半導体よりなるカソード底部７Ｂとより構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電界放出型カソードか
らの電子ビームを用いて例えば蛍光体励起を行って発光
表示を行う電界放出型ディスプレイ装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】低電圧励起で比較的解像度の高いディス
プレイ装置として、微小な円錐状の電界放出型カソード
いわゆるマイクロチップカソードを用いたフラット型の
電界放出型ディスプレイ装置（ＦＥＤ）の開発が進めら
れている。

【０００３】このフラット型のＦＥＤは、蛍光面に対向
して微細加工によって作製した微小な円錐状の電界放出
型カソードを配置し、電界によってその先端から電子を
取出し、これによってディスプレイ面に配列形成した画
素を構成する蛍光体を励起させて目的とする画像表示を
行うものである。

【０００４】このフラット型のＦＥＤは、例えば図７に
その分解斜視図を示すように、それぞれガラスパネルよ
りなるカソード側の第１のパネル１と、ディスプレイ面
側の第２のパネル２とが所要の小間隔をもって対向配置
されて両パネル１および２の周辺部間が図示しないがフ
リットシールによって気密的に封止され、両パネル１お
よび２間に高真空度に保持される偏平空間が形成され
る。

【０００５】第１のパネル１の内面には、一方向例えば
ｘ方向に延びるストライプ状のカソード電極３が平行配
列されて形成され、これの上にＳｉＯ₂ 等の絶縁層４を
介してストライプ状のゲート電極５がカソード電極３の
延長方向のｘ方向と直交するｙ方向に延長して平行配列
される。

【０００６】各カソード電極３と、ゲート電極５との対
向交叉部に、ゲート電極５と絶縁層４とを貫通して複数
の微細電子通過孔６が穿設され、図８にその更に要部の
斜視図を示すように、各微細電子通過孔６内のカソード
電極３上にそれぞれ円錐状の電界放出型カソード７すな
わちマイクロチップカソードが被着形成される。

【０００７】第２のパネル２は、図７に示すように、デ
ィスプレイ面となる前面パネルであり、その内面には、
透明電極（図示せず）が形成されこれの上に各画素８と
なる蛍光体例えばカラー表示を行うディスプレイ装置で
は赤，緑および青の各蛍光体Ｒ，ＧおよびＢがそれぞれ
例えば電着法によって両電極３および５の対向交叉部に
対向して配置形成されて蛍光面１８が形成される。蛍光
面１８の各蛍光体Ｒ，ＧおよびＢ間には例えばコントラ
スト向上のための黒色層によるいわゆるブラックマトリ
ックス９が塗布される。

【０００８】このような構成によるＦＥＤは、図９に模
式的に示すように、例えばカソード・ゲート間距離が１
μｍとされ、ゲート・蛍光面間が０．２〜１ｍｍとさ
れ、選択されたゲート電極５とカソード電極３との間
に、ゲート電極５側を正とする所要の電圧を印加して、
円錐状の電界放出型カソード７に所要の電界例えば１０
⁶〜１０⁸ Ｖ／ｃｍ程度の電界強度を与えることによ
り、円錐状の電界放出型カソード７の先端から電子−ｅ
を放出させ、これを蛍光面１８に印加された所定の蛍光
面電位によって与えられた所要の運動エネルギーで蛍光
面１８の所定の画素８すなわち蛍光体Ｒ，ＧおよびＢを
励起して発光表示を行うようになされている。

【０００９】ここで、ゲート電極５の微細電子通過孔６
の直径φは例えば１μｍ前後で、円錐状の電界放出型カ
ソード７すなわち円錐状マイクロチップカソードの高さ
ｈは例えば１μｍ前後であり、全画素すなわち各赤，緑
および青の各蛍光体Ｒ，ＧおよびＢの各１に対してそれ
ぞれ複数の微細電子通過孔６、すなわち同一数の円錐状
の電界放出型カソード７が配置されている。

【００１０】この円錐状の電界放出型カソードの作製
は、例えば図１０にその一例の工程図を示すように、先
ず、図１０Ａに示すように、第１のパネル１上に、導電
膜例えばＣｒ，Ｎｂ，ＩＴＯ（ＩｎおよびＳｎの複合酸
化物），ＷＳｉ_X 等を厚さ２０００〜４０００Åに全面
成膜し、パターンエッチングによって前述した一方向ｘ
に延びる複数のストライプ状のカソード電極３を平行配
列するように被着形成する。そして、これの上に全面的
に絶縁層４を例えばＳｉＯ₂ をスパッタリングやＣＶＤ
（化学的気相成長）法によって形成し、更にこれの上に
全面的に金属層例えばＮｂを２０００〜４０００Åの厚
さにスパッタリング、蒸着等によって形成する。この金
属層をパターンエッチングしてカソード電極３の延長方
向と例えば直交する方向のｙ方向に延びる複数のストラ
イプ状のゲート電極５を形成する。

【００１１】そして、これらゲート電極５と、カソード
電極３とが対向交叉する部分に複数（図１０において
は、１つのみが示されている）の微細電子通過孔６を、
ゲート電極５と絶縁層４とに差し渡って穿設する。

【００１２】図１０Ｂに示すように、パネル１を回転さ
せ、かつこのパネル面に対して斜め方向から透孔６内に
入り込むことがないように、ゲート電極５上にアウミニ
ウムＡｌを数１００Å〜１０００Å程度の厚さに蒸着、
あるいはスパッタして中間層１０を形成する。

【００１３】その後、図１０Ｃに示すように、パネル１
の面に対して垂直方向から電界放出型のカソード構成材
１１の例えばＷ，Ｍｏ等を蒸着する。このようにすると
カソード構成材１１が微細電子通過孔６内の底面すなわ
ち微細電子通過孔６を通じて露出するカソード電極３上
と、ゲート電極５上とに堆積するが、このとき、ゲート
電極５上に堆積するカソード構成材１１がその堆積に伴
って微細電子通過孔６の縁部から微細電子通過孔６の中
心に向かってせり出すように堆積し、微細電子通過孔６
を閉塞していくことから、これによって遮ぎられて微細
電子通過孔６内にカソード構成材１１が円錐状に堆積
し、微細な円錐状の電界放出型カソード７すなわちマイ
クロチップカソードが形成される。

【００１４】このようにして、円錐状の電界放出型カソ
ード７を形成して後、中間層１０を例えばＮａＯＨ，Ｋ
ＯＨ等のアルカリエッチング液によってエッチング除去
し、微細電子通過孔６内の円錐状の電界放出型カソード
７を構成するカソード構成材１１のみを残して、ゲート
電極５上のカソード構成材１１を中間層１０の排除と共
に除去する。

【００１５】このようにすると、図８で示したように、
各微細電子通過孔６内において、カソード電極３上にカ
ソード構成材１１の堆積による円錐状の電界放出型カソ
ード７が形成される。

【００１６】ところで、上述したＦＥＤにおける円錐状
の電界放出型カソード７からの電界放出電流量は、その
円錐先端の電界強度によって決まる。そして、この電界
強度は、微細電子通過孔６の直径φ、円錐状の電界放出
型カソード７とゲート電極５との位置関係に影響される
こともさることながら、円錐状の電界放出型カソード７
の頂角αや先端曲率半径Ｒｔに大きく影響される。

【００１７】図２は、円錐状の電界放出型カソードのカ
ソード頂角αをパラメータとする、カソード先端近傍電
界強度の、カソード軸心に対する角度θの依存性を示す
もので、曲線２１、２２、２３はそれぞれα＝３０°、
６０°、９０°とした場合で、これらを比較して明らか
なように、円錐状の電界放出型カソードの先端の頂角α
が電界強度に影響するものであり、角度αが±３０°異
なることで先端近傍の電界強度は約±５０％変化し、頂
角αを小さくすることによって電界強度を高めることが
できることが分かる。

【００１８】図３は円錐状の電界放出型カソードの先端
曲率半径Ｒｔをパラメータとする、カソード先端電界強
度の、カソード軸心に対する角度θの依存性を示すもの
で、曲線３１、３２、３３、３４、３５はそれぞれＲｔ
α＝２０Å、５０Å、１００Å、２００Å、５００Åと
した場合で、これらを比較して明らかなように、円錐状
の電界放出型カソードの先端の曲率半径Ｒｔが電界強度
に影響するものであり、曲率半径Ｒｔが２０Åと５００
Åとでは先端電界強度は１桁も変化し、曲率半径Ｒｔは
これが小さいほど高い電界強度が得られることが分か
る。

【００１９】つまり、電流量を高めて高輝度化をはか
り、明るさにむらなく均一な特性とするには、円錐状の
電界放出型カソード７の先端は尖鋭にし、したがって先
端曲率半径はできるだけ小さく、しかも均一に形成する
ことが必要である。

【００２０】そして、このように円錐状の電界放出型カ
ソード７の先端形状を正確に、しかも先鋭に形成するに
は、図１０で説明した方法によるカソード構成材１１の
堆積において、このカソード材粒子のカソード電極３へ
の飛翔は垂直性にすぐれた蒸着法を適用することにな
る。

【００２１】また、このカソード材の蒸着は、さらにそ
の蒸着粒子の飛翔方向に垂直性を付与するために、蒸着
源と被蒸着体すなわち第１のパネルをとの間に図４に示
すようにその蒸着方向を制限する幅ＷｓのスリットＳＬ
を有する遮蔽体ＳＨを配置し、このスリットＳＬを横切
って矢印ａ，−ａに示すように、往復移行させてその蒸
着を行うことによって蒸着面への入射角が±３°以下と
なるようにしている。

【００２２】一方、円錐状の電界放出型カソードは、微
細電子源として安定に動作させることができるように、
また大電流の導出においての温度上昇に耐えることがで
きるように高融点金属のＷ、Ｍｏ等によって構成され、
図４に示すように、スリットＳＬを通じてその蒸着を行
う場合、そのスリット幅Ｗｓを小さくして蒸着面への入
射角を０°（すなわち垂直）に近づけるほど蒸着レート
（蒸着速度）が小さく、蒸着効率が落ちる。図５は、蒸
着源と遮蔽体ＳＨとの間隔を６０ｃｍとしたときのスリ
ット幅Ｗｓをパラメータとした蒸着レートの、スリット
に沿う方向の蒸着面の中心からの距離に対する依存性、
すなわち膜厚分布を示したもので、黒丸印、四角印、菱
形印はそれぞれＷｓを５０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍ
ｍとした場合を示し、これらを比較して明らかなよう
に、スリット幅Ｗｓが小さくなる程、膜厚分布が均一化
してくるものの、蒸着速度が小さくなるものであり、例
えばスリット幅Ｗｓを２００ｍｍとした場合、Ｗｓを５
０ｍｍとした場合に比べ、その蒸着速度は約４倍にな
る。

【００２３】また高融点金属のＭｏ、Ｗはこれ自体高価
である上に、更にこの金属を遮蔽体のスリットを通じて
蒸着することは、カソード形成に寄与しない無駄な材料
の発生が大きいこと、蒸着速度が遅く生産性が低いこと
等が相乗して円錐状の電界放出型カソードの高価格化、
ひいては電界放出型ディスプレイ装置の高価格化を招来
する。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電界放出型
カソードを有する電界放出型ディスプレイ装置におい
て、その電界放出型カソードの先端近傍の電界強度を有
効に高めることができるように、先端の尖鋭化を充分高
め、しかも上述した生産性の課題、高価格化の課題の解
決をはかることができるようにした電界放出型ディスプ
レイ装置を提供するものである。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明は、電界放出型カ
ソードを有する電界放出型ディスプレイ装置において、
図１にその電子放出部の要部の一部を断面とする斜視図
を示すように、その電界放出型カソード７を、高融点金
属カソード材よりなる円錐頂部７Ａと、他の導体もしく
は半導体よりなるカソード底部７Ｂとより構成する。

【００２６】

【作用】上述したように、本発明によれば、電界放出型
カソード７を、その電子の電界放出に寄与する先端にお
いては、電子放出特性に優れたカソード材、すなわち一
般には高融点のＭｏ、Ｗ等の金属材による円錐頂部７Ａ
とするものの、底部においては他の材料による構成とす
るので、このカソード底部７Ｂにおいては、例えば低価
格で堆積能率が高い材料および方法によって構成できる
ので、生産性の向上，コストの低廉化をはかることがで
きる。

【００２７】

【実施例】図１を参照して本発明の一実施例を説明する
が、この例で対象としているＦＥＤの基本的構成は、図
７〜図９で説明したＦＥＤと同様の構成とした場合であ
る。

【００２８】すなわち、この場合前述したように、例え
ば図７にその分解斜視図を示すように、それぞれガラス
パネルよりなるカソード側の第１のパネル１と、ディス
プレイ面側の第２のパネル２とが所要の小間隔をもって
対向配置されて両パネル１および２の周辺部間がフリッ
トシールによって気密的に封止され、両パネル１および
２間に高真空度に保持される偏平空間が形成される。

【００２９】第１のパネル１の内面には、一方向例えば
ｘ方向に延びるストライプ状のカソード電極３が平行配
列されて形成され、これの上にＳｉＯ₂ 等の絶縁層４を
介してストライプ状のゲート電極５がカソード電極３の
延長方向のｘ方向と直交するｙ方向に延長して平行配列
される。

【００３０】各カソード電極３と、ゲート電極５との対
向交叉部に、ゲート電極５と絶縁層４とを貫通して複数
の微細電子通過孔６が穿設され、図８にその更に要部の
斜視図を示すように、各微細電子通過孔６内のカソード
電極３上にそれぞれ先端が円錐状の電界放出型カソード
７が被着形成される。

【００３１】そして、特に本発明においては、図１にそ
の電子放出部の要部の一部を断面とする斜視図を示すよ
うに、その電界放出型カソード７を、その全体の高さｈ
の１０％程度を電子放出効率が高く高融点金属カソード
材よりなる円錐頂部７Ａによって構成し、これ以外の底
部を他の導体もしくは半導体よりなる切頭カソード底部
７Ｂとにより構成する。

【００３２】また、前述したと同様に、第２のパネル２
は、ディスプレイ面となる前面パネルであり、その内面
には透明電極（図示せず）が形成され、これの上に各画
素８となる蛍光体この例ではカラー表示を行う赤，緑お
よび青の各蛍光体Ｒ，ＧおよびＢが両電極３および５の
対向交叉部に対向して配置形成されて蛍光面１８が形成
される。蛍光面１８の各蛍光体Ｒ，ＧおよびＢ間には例
えばコントラスト向上のための黒色層によるいわゆるブ
ラックマトリックス９が塗布される。

【００３３】そして、選択されたゲート電極５とカソー
ド電極３との間に、ゲート電極５側を正とする所要の電
圧を印加して、この選択された両電極３および５の交叉
部に対応する複数の各円錐状の電界放出型カソード７す
なわちマイクロチップカソードの先端近傍の空間に所要
の電界強度を与えることにより、円錐状の電界放出型カ
ソード７の先端から電子を放出させ、これを蛍光面１８
に印加された所定の蛍光面電位によって与えられた所要
の運動エネルギーで蛍光面１８の所定の画素すなわち蛍
光体Ｒ，ＧおよびＢを励起して発光表示を行うようにな
される。

【００３４】上述の本発明装置において、第１のパネル
上に形成するカソード電極３、絶縁層４、ゲート電極
５、電界放出型カソード７の形成方法は、図１０で説明
したと同様の方法によることができるが、特に本発明に
おいては、電界放出型カソード７の形成において、その
底部と頂部とを異なる材料によって構成する。

【００３５】すなわち、この場合においても先ず、図１
０Ａに示すように、第１のパネル１上に、導電膜例えば
Ｃｒ，Ｎｂ，ＩＴＯ（ＩｎおよびＳｎの複合酸化物），
ＷＳｉ_X 等を厚さ２０００〜４０００Åに全面成膜し、
パターンエッチングによって一方向ｘに延びる複数のス
トライプ状のカソード電極３を平行配列するように被着
形成する。そして、これの上に全面的に絶縁層４を例え
ばＳｉＯ₂ をスパッタリングやＣＶＤ（化学的気相成
長）法によって形成し、更にこれの上に全面的に金属層
例えばＮｂを２０００〜４０００Åの厚さにスパッタリ
ング、蒸着等によって形成する。この金属層をパターン
エッチングしてカソード電極３の延長方向と例えば直交
する方向のｙ方向に延びる複数のストライプ状のゲート
電極５を形成する。

【００３６】そして、これらゲート電極５と、カソード
電極３とが対向交叉する部分に複数（図１０において
は、１つのみが示されている）の微細電子通過孔６を、
ゲート電極５と絶縁層４とに差し渡って穿設する。

【００３７】図１０Ｂに示すように、パネル１を回転さ
せ、かつ、このパネル面に対して斜め方向から通過孔６
内に入り込むことがないように、ゲート電極５上にアウ
ミニウムＡｌを数１００Å〜１０００Å程度の厚さに蒸
着、あるいはスパッタして中間層１０を形成する。

【００３８】その後、図１０Ｃに示すように、電界放出
型カソード７の形成を行うが、まずこの場合図１で示す
切頭円錐状のカソード底部７Ｂの形成を行い、続いて円
錐頂部７Ａの形成を行う。

【００３９】円錐頂部７Ａは、高融点金属のＷ、Ｍｏ等
のカソード材によって構成するが、カソード底部７Ｂ
は、円錐頂部７Ａに比してより低融点の導体もしくは半
導体、例えばＮｂ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ等によって
構成する。

【００４０】カソード底部７Ｂの形成は、垂直性にすぐ
れた被着方法を採るに限られるものではなく、比較的作
業性にすぐれた、すなわち堆積効率の高い方法によって
行うことができる。すなわち、この場合、例えば蒸着源
と被蒸着面すなわち第１のパネル１との間に図４で説明
したスリットＳＬを有する遮蔽体ＳＨを配置し、このス
リットＳＬを横切って被蒸着体のパネル１を移行させる
ことによって蒸着を行う方法を採る場合においても、そ
のスリットＳＬの幅Ｗｓを比較的幅広に選定することに
よって図５で説明したように蒸着レートを高めることが
できる。

【００４１】円錐頂部７Ａの形成は、垂直性にすぐれた
蒸着法によってすなわち、そのカソード材のＷあるいは
Ｍｏの蒸着源と被蒸着面すなわち第１のパネル１との間
に図４で説明した所要の幅狭のスリットＳＬを有する遮
蔽体ＳＨを配置し、このスリットＳＬを横切って被蒸着
体のパネル１を移行させることによって±３°以下の入
射角の垂直性に優れた蒸着によって行う。このようにし
て尖鋭すなわち頂角αが小で、先端の曲率半径Ｒｔの小
さい円錐頂部７Ａを形成する。

【００４２】このようにして、カソード底部７Ｂおよび
円錐状頂部７Ａの構成材１１が微細電子通過孔６内の底
面すなわち微細電子通過孔６を通じて露出するカソード
電極３上と、ゲート電極５上とに堆積するが、この円錐
状の電界放出型カソードの形成においてその構成材料の
堆積に伴って微細電子通過孔６の縁部から微細電子通過
孔６の中心に向かってせり出すように堆積し、微細電子
通過孔６を閉塞していくことから、これによって形成さ
れたカソードは、微細な円錐状の電界放出型カソード７
として形成される。

【００４３】このようにして、円錐状の電界放出型カソ
ード７を形成して後、中間層１０を例えばＮａＯＨ，Ｋ
ＯＨ等のアルカリエッチング液によってエッチング除去
し、これと共にゲート電極５上のカソード構成材１１を
除去する。

【００４４】尚、上述した例では、円錐状の電界放出型
カソード７を構成するカソード底部７Ｂの形成におい
て、蒸着源と被蒸着面との間に幅広のスリットを有する
遮蔽体を配置して蒸着を行ったものであるが、この底部
７Ｂの形成を全くスリットを介することのない蒸着、ま
たはスパッタリング等によって形成することもできる。

【００４５】また、このカソード底部７Ｂは、必ずしも
切頭円錐状とするに限られるものではなく、柱状等の柱
状とすることもできる。

【００４６】上述したように、本発明によれば、電界放
出型カソード７を、その頂部においては、電子放出効率
の高いカソード材、すなわち一般には高融点のＭｏ、Ｗ
等の金属材による円錐頂部７Ａとするものの、底部にお
いては他の材料による構成とするので、このカソード底
部７Ｂにおいては、低価格で堆積能率が高い材料および
方法によって構成できるので、生産性の向上，コストの
低廉化をはかることができる。

【００４７】また、電界放出型カソード７の底部すなわ
ち大部分を例えばＮｂによって構成することにより、こ
のＮｂの価格は、高融点金属の例えばＭｏに比し１／１
０程度であることから、格段に価格の低減化をはかるこ
とができる。

【００４８】更に、低融点材料を用いる場合、その蒸着
等の堆積時における突沸を回避できることから安定した
電界放出型カソード７を形成できる。

【００４９】また、電界放出型カソード７の底部７Ｂを
例えばＮｂによって構成する場合はその内部応力が高融
点金属より低いことから全体として安定した特性を有す
る電界放出型カソードを構成できる。因みに、図６にの
膜厚と内部応力の関係を示す。図６において、丸印およ
び菱形印はＭｏとＮｂの膜面に沿う一方向Ｘに関する内
部応力、四角印および三角印はＭｏとＮｂの膜面に沿う
方向Ｘと直交する方向Ｙに関する内部応力を示す。これ
によれば、ＮｂにおいてはＭｏに比し格段にその応力が
小さいことがわかる。

【００５０】また、上述した例においては、ＦＥＤのカ
ラーディスプレイ装置に本発明を適用した場合である
が、白黒表示等の単色のＦＥＤのディスプレイ装置に本
発明を適用することもできる。

【００５１】

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、先端
が円錐状の電界放出型カソード７を、その頂部において
は、電子放出特性に優れたカソード材、すなわち一般に
は高融点のＭｏ、Ｗ等の金属材による円錐頂部７Ａとす
るものの、底部においては他の材料による構成としたこ
とから、このカソード底部７Ｂにおいては、低価格で堆
積能率が高い材料および方法によって構成できるので、
生産性の向上、コストの低廉化をはかることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電界放出型ディスプレイ装置の一
例の要部の一部を断面とする斜視図である。

【図２】電界放出型カソードの頂角を変化させたときの
先端部電界強度の角度依存性を示す図である。

【図３】電界放出型カソードの先端曲率半径を変化させ
たときの先端部電界強度の角度依存性を示す図である。

【図４】蒸着態様の説明図である。

【図５】蒸着スリット幅を変化させたときの蒸着レート
のスリットに沿った方向の分布を示す図である。

【図６】ＭｏおよびＮｂの内部応力の膜厚依存性を示す
図である。

【図７】本発明を適用する電界放出型ディスプレイ装置
の一例の要部の斜視図である。

【図８】従来の電界放出型ディスプレイ装置の一例の要
部の斜視図である。

【図９】電界放出型ディスプレイ装置の動作の説明図で
ある。

【図１０】本発明を適用する電界放出型ディスプレイ装
置の製造方法の一例を示す工程図である。図１０Ａはそ
の一の工程図である。図１０Ｂはその一の工程図であ
る。図１０Ｃはその一の工程図である。

【符号の説明】

１ 第１のパネル ２ 第２のパネル ３ カソード電極 ４ 絶縁層 ５ ゲート電極 ６ 微細電子通過孔 ７ 電界放出型カソード ７Ａ 円錐頂部 ７Ｂ カソード底部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電界放出型カソードを有する電界放出型
   ディスプレイ装置において、 上記電界放出型カソードが、高融点金属よりなる円錐頂
   部と、他の導体もしくは半導体よりなるカソード底部と
   よりなることを特徴とする電界放出型ディスプレイ装
   置。