JPH1074473A

JPH1074473A - 電界放出型表示装置

Info

Publication number: JPH1074473A
Application number: JP8245434A
Authority: JP
Inventors: Tomoji Yamaguchi; 智司山口; Haruhisa Hirakawa; 治久平川; Kazuhiko Tsuburaya; 和彦円谷; Masaharu Tomita; 正晴冨田; Tatsuo Yamaura; 辰雄山浦
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 1998-03-17
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: JP3171121B2; US5955850A; KR100282035B1; FR2753002B1; KR19980019139A; FR2753002A1; TW386233B

Abstract

(57)【要約】【課題】高輝度でかつ漏れ発光がなく、放出された電
子を効率よくアノードに到達させる高アノード電圧タイ
プの電界放出型表示装置を提供する。【解決手段】カソード基板１上に設けられたカソード
電極上にコーン状のエミッタが形成され、エミッタが形
成されていない部分には、絶縁層、第１ゲート電極が形
成されている。第１ゲート電極のうえにはさらに絶縁層
が形成されており、その上に開口部２０を有する第２ゲ
ート電極（集束電極）７が設けられている。１画素に対
応するエミッタの領域３０には前記開口部２０が複数列
並列に形成されており、該各開口部２０の内部には、前
記エミッタが配置されている。図示しないアノード電極
には２ｋＶ〜５ｋＶのアノード電圧が印加されており、
エミッタから放出された電子は、前記集束電極により集
束されてアノードに到達する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子放出源として
電界放出カソード（ＦＥＣ：Field Emission Cathode）
を使用した表示装置（以下、電界放出型表示装置（ＦＥ
Ｄ：Field Emission Display）という）に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属または半導体表面の印加電界を１０
⁹ ［V/m ］程度にすると、トンネル効果により電子が障
壁を通過して常温でも真空中に電子放出が行われる。こ
れを電界放出（Field Emission ）と云い、このような
原理で電子を放出するカソードを電界放出カソード（Ｆ
ＥＣ）と呼んでいる。

【０００３】図１９にその一例であるスピント（Spind
t）型と呼ばれるＦＥＣを示す。この図において、ガラ
ス等のカソード基板１０１上にアルミニウム等の金属で
形成されたカソード電極１０２が設けられており、この
カソード電極１０２上にモリブデン等の金属からなるコ
ーン状のエミッタ１０５が形成されている。カソード電
極１０２上のエミッタ１０５が形成されていない部分に
は二酸化シリコン（ＳｉＯ₂ ）等からなる絶縁層１０３
が形成されており、さらにその上にゲート電極（引き出
しゲート電極）１０４が形成されている。ゲート電極１
０４および絶縁層１０３には開口部１０６が設けられて
おり、その中に上記コーン状のエミッタ１０５が位置し
ている。すなわち、このコーン状のエミッタ１０５の先
端部分が開口部１０６から臨む構成とされている。

【０００４】このコーン状のエミッタ１０５間のピッチ
は１０μｍ以下とすることができ、数万から数１０万個
のエミッタ１０５を１枚の基板上に設けることができ
る。さらに、ゲート電極１０４とエミッタ１０５のコー
ンの先端との距離をサブミクロン単位とすることができ
るため、ゲート電極１０４とエミッタ１０５との間にわ
ずか数１０ボルトのゲート−エミッタ間電圧Ｖg を印加
することにより、電子をエミッタ１０５から電界放出す
ることができる。ゲート電極１０４上に離隔して正の電
圧Ｖa が印加されたアノード電極１０９を対向して設け
ておくと、エミッタ１０５から電界放出された電子をこ
のアノード電極１０９により捕集することができる。こ
の場合、アノード電極１０９に蛍光体を設けておくとエ
ミッタ１０５から電界放出された電子が捕集されるアノ
ード電極１０９の蛍光体の部分を発光させることができ
る。このような原理を利用することにより、ＦＥＣを用
いた表示装置を作ることができる。この表示装置を電界
放出型表示装置（Field Emission Display，ＦＥＤ）と
呼ぶ。

【０００５】また、前記エミッタ１０５から放出される
電子の軌道は所定の拡がり角を有しているため、放出さ
れた電子を集束する手段を設け、高精細表示を行なう場
合であっても漏れ発光が生じないようにしたＦＥＤがい
くつか提案されている。

【０００６】図２０にこのようなＦＥＤの一構成例を示
す（特開平７−１０４５７９号公報参照）。このＦＥＤ
は、各画素に対応する複数個のエミッタからなる配列
（エミッタアレイ）毎に第２のゲート電極（集束電極）
を形成し、この第２のゲート電極に負の電位を与えるこ
とにより、エミッタアレイから放出される電子を集束さ
せるものである。すなわち、図２０において、第２のゲ
ート電極１０７は、複数のエミッタ１０５からなる配列
を取り囲むように格子状に形成されている。そして、ア
ノード電極１０９と第１のゲート電極１０４は正の同電
位とされており、第２のゲート電極１０７には負の電位
が与えられている。カソード電極１０２は図示するよう
に１画素を構成する複数個のエミッタ１０５がその上に
配置される単位領域とされており、１１１はカソード電
極１０２をマトリクス駆動するためのＴＦＴ（Thin Fil
m Transister：薄膜トランジスタ）部である。これによ
り選択された単位領域から放出された電子は、第２のゲ
ート電極１０７によって集束され、拡散することなくア
ノード１０９に形成された蛍光体１０８に射突すること
となる。

【０００７】また、ストライプ状のゲート電極間に設け
た集束電極および隣接アノード電極をオフレベルにスイ
ッチすることにより、エミッタアレイから放出された電
子の軌道を集束させることも提案されている（特開平６
−３３８２７４号公報参照）。図２１は、この電界放出
型表示装置を説明するための図であり、（ａ）はその断
面図、（ｂ）はエミッタアレイから放出される電子の軌
道を説明するための図である。

【０００８】この図において、カソード電極１０２はカ
ソード基板１０１上にストライプ状に形成されており、
ゲート電極１０４は前記カソード電極１０２の上に絶縁
体を介して、該カソード電極１０２と直交するようにス
トライプ状に形成されている。そして、前記ゲート電極
１０４の各ストライプの間には、ストライプ状の集束電
極１０７が配置されている。また、第１のアノード電極
１１８と第２のアノード電極１１９はともにストライプ
状にアノード基板１１０上に形成されており、各アノー
ド電極にはそれぞれＲ，Ｇ，Ｂの蛍光体が順次設けられ
ている。なお、１３０は前記第１のアノード電極１１８
の各ストライプが接続されたアノード引き出し電極Ａ
１、１３１は前記第２のアノード電極１１９の各ストラ
イプが接続されたアノード引き出し電極Ａ２、１３４は
前記カソード電極１０２の各ストライプから引き出され
たカソード引き出し電極である。

【０００９】そして、電極１３５を介して前記ストライ
プ状に形成された集束電極１１７に負の一定電圧を常時
印加しておくことにより、同図（ｂ）に示すように、各
エミッタアレイ１１２から放出される電子の軌道を集束
させるとともに、アノード電極１１８および１１９もス
トライプ状に形成して、駆動されていない方のアノード
電極に０［Ｖ］を印加することにより漏れ発光を阻止す
るものである。なお、図２１の（ｂ）において、実線は
電位分布を示し、破線は電子軌道を示している。

【００１０】次に、放出された電子ビームを集束するた
めの手段をカソード側の各エミッタ毎に設けた電界放出
型表示装置の一例を図２２に示す（特開平７−２９４８
４号公報参照）。図示するように、この例においてはゲ
ート電極（引き出しゲート電極）１０４の上にさらに絶
縁層１０３’を設け、その上部に円形の開口部１２０を
有する集束電極（第２ゲート電極）１０７を設けてい
る、すなわち、この例においては、前記集束電極１０７
は各エミッタ１０５毎に、それを取り囲むように設けら
れている。そして、この集束電極１０７をゲート電極１
０４よりも低電位とすることにより、エミッタ１０５か
ら放出される電子ビームを集束するようになされてい
る。これにより、個々のエミッタ１０５から放出された
電子はそれぞれ個別に前記集束電極１０７により集束さ
せられることとなる。

【００１１】なお、エミッタ１０５から放出された電子
のうちの一部が前記集束電極１０７に捕捉されて、アノ
ードに到達する電子の量が減少し無効電流が増加するこ
と、および、集束電極の電位によって、第１ゲート電極
によって生じる電界が影響を受け、エミッタから放出さ
れる電子の量が減少することを防止するために、前記特
開平７−２９４８４号公報に記載された発明において
は、前記集束電極１０７に設けられた開口部１２０の直
径Ｄ₂ と前記引き出しゲート電極１０４に設けられた開
口部１０６の直径Ｄ₁ との関係を、Ｄ₂ ＝（１．２〜
２）×Ｄ₁ となるようにしている。これにより、エミッ
タから放出された電子を集束しつつ、集束電極１０７に
流れる無効電流を少なくすることができる。

【００１２】さて、このようにして放出された電子は、
前述のようにアノードに到達して該アノードに塗布され
た蛍光体を発光させることとなる。この蛍光体の一例と
して、代表的なフルカラーディスプレイにおけるアノー
ド電極に形成される蛍光体ドットの一例を図２３に示
す。この図において、Ｓ₁ は一画素に対応する面積を表
わし、そのサイズは縦３００μｍ、横１００μｍとされ
ており、Ｓ₂ はその内部に設けられている蛍光体ドット
を表わしており、このサイズは縦２２０μｍ、横８０μ
ｍの長方形とされている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述したような従来の
ＦＥＤにおいては、アノードを１ｋＶ以下の低い電圧で
駆動させているのが通常である。アノード電圧としてこ
のような低アノード電圧を採用することにより、アノー
ドとカソードとの間隔を１５０μｍ〜３００μｍ程度と
狭くすることができ、非常に薄型の表示装置を実現する
ことができる。そして、カソード−アノード間の距離が
短いために、エミッタから放出された電子は比較的小さ
い拡がり幅をもってアノードに到達することとなる。し
たがって、放出電子を集束させる場合においても、前述
した図２０の例のように１ドット分のエミッタアレイを
取り囲むように集束電極を設けることにより、ほぼその
目的を達成することができた。また、さらに高精細のデ
ィスプレイの場合には、前記図２１に示した例のよう
に、隣接ゲートおよび隣接アノードをオフレベルにスイ
ッチすることにより、エミッタアレイからの放出電子を
一括して集束することができた。

【００１４】しかしながら、上記のような低電圧タイプ
のＦＥＤにおいては、所定の輝度を得るためには大きな
アノード電流（例えば、５０ｍＡ／ｃｍ² 〜１００ｍＡ
／ｃｍ² 程度のアノード電流密度）が必要となるが、一
般に、蛍光体は、大電流時には発光効率が低くなるとい
う性質を有している。

【００１５】そこで、近年、更に低消費電力で高輝度を
得るために、数ｋＶ以上のアノード電圧を用いるＦＥＤ
の開発が進められている。このような高電圧タイプのデ
ィスプレイにおいては、カソード−アノード間の放電を
防止するために、アノード基板とカソード基板の間隔を
５００μｍ〜５ｍｍ程度と広くすることが必要となる。
このため、エミッタから放出される電子を集束するため
の手段が必要となる。

【００１６】このとき、前記図２１に示した例のように
アノードをストライプ状にパターンニングしてこれをス
イッチングすることは、アノード電圧が高電圧とされて
いるため困難である。また、前記図２２に示したエミッ
タ毎に集束電極を設ける方法によれば、アノードをスイ
ッチングしないためこのような問題は生じないが、この
場合には、第１又は第２ゲートに流れる無効電流が大き
くなり、アノードに到達する電子が少なくなるという問
題点がある。すなわち、前記図２２に示した例において
は、第１ゲート電極に設けられる開口部の大きさと第２
ゲート電極に設けられる開口部の大きさについてはその
関係を規定しているが、エミッタから放出される電子の
拡がりについては考慮されていないために、放出された
電子を集束することはできるものの、第２ゲート電極に
流れる無効電流を余り小さくすることができない場合が
ある。

【００１７】そこで、本発明は、アノードに高電圧を印
加するタイプのＦＥＤにおいて、エミッタから放出され
る電子流の減少を最小限に抑え、かつ無効電流が増加す
ることなく集束させることを目的としている。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電界放出型表示装置は、カソード電極が設
けられたカソード基板と、前記カソード電極上に配置さ
れたエミッタと、前記エミッタの近傍に設けられた電子
引き出し用の第１のゲート電極と、前記第１のゲート電
極の上方に前記第１のゲート電極から距離Ｌ₂ だけ離れ
た位置に設けられた開口部であって、該開口の端部と前
記エミッタの中心との最短距離がｄ₁ とされた開口部を
有する電子集束用の第２のゲート電極と、前記カソード
基板に対向するように配置され、蛍光体が塗布されたア
ノード電極を有するアノード基板とを有する電界放出型
表示装置であって、前記距離ｄ₁ は、前記第２のゲート
電極が設けられていないときの前記エミッタからの距離
が前記Ｌ₂ の位置における前記エミッタから放出される
電子の軌道の拡がりの半径をｄとしたときに、０．５ｄ
≦ｄ₁ ≦３ｄとされているものである。

【００１９】また、前記開口部は円形とされており、１
つの該円形開口部の中に１つの前記エミッタが配置され
ているものであある。さらに、前記エミッタは前記円形
開口部の中心位置から外れた位置に配置されているもの
である。さらにまた、前記円形開口部が１画素当たり複
数列配置されているものである。

【００２０】さらにまた、前記開口部はスリット状とさ
れており、１つの該スリット状開口部の中に複数個の前
記エミッタが一列に配置されているものである。さらに
また、前記エミッタは前記スリット状開口部の中心位置
からずれた位置に配列されているものである。さらにま
た、前記スリット状開口部は複数のブロックに区切られ
て構成されているものである。さらにまた、前記スリッ
ト状開口部が１画素当たり複数個並列に配置されている
ものである。さらにまた、前記スリット状開口部内に一
列に配置されたエミッタのうちの端部に位置するエミッ
タは、当該スリット状開口部の端部に近接して配置され
ているものである。

【００２１】さらにまた、前記エミッタの左右において
前記第２のゲート電極に印加される電圧が異なっている
ようになされているものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の電界放出型表示装置にお
いては、充分な輝度を得るために、従来は１ｋＶ以下
（多くは、２００Ｖ〜５００Ｖ）であったアノード電圧
Ｖａを、数ｋＶ（多くは２ｋＶ〜５ｋＶ）に上げること
を前提としている。一般に、アノード電圧Ｖａが１０倍
となれば、同一のアノード入力電力を与えるためにアノ
ード電流Ｉａは１／１０であればよいことは当然である
が、電流の小さい領域で、かつ、高電圧で用いる場合に
は蛍光体の発光効率は一般に５〜２０倍改善される。こ
れにより、アノード電流は低電圧動作のときの数％に減
少させることができ、したがって、エミッタの数も数％
に減らすことができる。このように、エミッタの数を大
幅に減らすことができるので、後述するような集束電極
を構成するために充分なスペースをとることができ、ま
た、少数のエミッタを集合して設けることにより、スト
レーキャパシタンスが減少し、該ストレーキャパシタン
スの充放電に費やされる無効な消費電力を大幅に減少さ
せることができるようになる。

【００２３】このような本発明の電界放出型表示装置の
第１の実施の形態について説明する。図１は本発明の電
界放出型表示装置の第１の実施の形態におけるカソード
基板の概略斜視図、図２はその一部拡大図であり、図３
はその一部断面図である。図１において、１はカソード
基板、７は第２ゲート電極（集束電極）、２０は第２ゲ
ート電極７に設けられた開口部、破線で囲まれた３０は
１画素に対応するエミッタの領域（エミッタアレイ）で
ある。なお、この図には示されていないが、カソード基
板１の上には、前述した図２１の場合と同様に、エミッ
タが設けられたカソード電極、該カソード電極上のエミ
ッタが設けられていない部分に形成された絶縁層、該絶
縁層の上部に形成された第１ゲート電極、該第１ゲート
電極の上に形成された第２の絶縁層が設けられており、
該第２の絶縁層の上に前記第２ゲート電極７が形成され
ている。図示するように、この実施の形態においては、
円形の形状とされた前記開口部２０が各画素に対応する
エミッタアレイの領域内に例えば２列に配列されてお
り、一つの開口部２０の内部には、前述したように一つ
の前記エミッタが配置されている。

【００２４】図２は、前記１つの画素に対応するエミッ
タアレイ３０を拡大して示した図である。この図に示す
ように、前記第２ゲート電極（集束電極）７に形成され
た前記開口部２０は２列に配列されており、それらの内
部には、前記第１ゲート電極（引き出しゲート電極）４
に形成された開口部６を介して前記エミッタ５が配置さ
れている。なお、前記各エミッタ５間の左右方向の距離
Ｐ１および上下方向の距離Ｐ２はともに３μｍ〜２０μ
ｍとされている。

【００２５】図３は、前記本発明の第１の実施の形態で
ある電界放出型表示装置の断面図であり、前述したよう
に、１はガラス等からなるカソード基板、２は該カソー
ド基板１上にアルミニウム等の金属によりストライプ状
に形成されたカソード電極、５は該カソード電極２上に
モリブデン等の金属により形成されたコーン状のエミッ
タ、３は前記カソード基板２上の前記コーン状のエミッ
タ５が形成されていない部分に形成された二酸化シリコ
ン（ＳｉＯ₂ ）等からなる絶縁層、４は該絶縁層３の上
に形成された第１ゲート電極（引き出しゲート電極）で
あり、該第１ゲート電極４には円形の開口部６が設けら
れている。そして、前記コーン状エミッタ５の先端部分
が該開口部６から臨む構成とされている。前記第１ゲー
ト電極４の上部にはさらに第２の絶縁層３’が形成され
ており、その上部に前記第２のゲート電極（集束電極）
７が形成されている。この集束電極７には前述したよう
に円形の開口部２０が形成されており、該開口部２０の
中に前記第１のゲート電極４の開口部６および前記エミ
ッタ５が配置されている。

【００２６】また、前記集束電極７の上方にはガラス等
からなるアノード基板１０が配置されており、該アノー
ド基板１０にはアノード電極９が一様に形成されてい
る。そして、このアノード電極９には蛍光体層８が設け
られている。

【００２７】ここで、前記各構成要素の寸法の一例につ
いて説明すると、前記絶縁体層３の厚さＬ₁ および前記
第２の絶縁体層３’の厚さＬ₂ は、ともに０．５μｍ〜
２μｍ、前記集束電極７と前記蛍光体層８との間の距離
Ｌ₃ は１ｍｍ〜５ｍｍ、前記第１のゲート電極４および
前記集束電極７の厚さｔは０．２〜０．４μｍ程度とさ
れている。また、前記第１のゲート電極４に設けられた
円形の開口部６の直径は１μｍ〜２μｍ、前記エミッタ
５の中心から前記集束電極７に形成された円形の開口部
２０の端部との最短距離ｄ₁ は０．７μｍ〜１０μｍ、
前記開口部２０の間に形成されている集束電極７１の幅
ｄ₃ は４μｍ〜１９μｍ程度とされている。

【００２８】また、前記アノード電極９と前記カソード
電極２との間に印加されるアノード電圧Ｖａは２ｋＶ〜
１０ｋＶ、前記第１のゲート電極４と前記カソード電極
２との間に印加される第１ゲート電圧Ｖg1は２０〜２０
０Ｖ、前記第２のゲート電極７と前記カソード電極２と
の間に印加される集束ゲート電圧Ｖg2は−１０〜１０Ｖ
程度とされている。なお、前述した１画素分のエミッタ
アレイ３０に含まれるエミッタ５の数は、アノード電圧
Ｖａが２ｋＶのとき２列×６０個、５ｋＶのとき２列×
４０個程度とされている。前述したようにアノード電圧
を高電圧としているので、１画素に対応するエミッタ数
をこのように少なくすることが可能となる。

【００２９】このように構成された電界放出型表示装置
において、前記各パラメータを、第１のゲート電極４に
設けられた開口部６の直径を１μｍ、隣接するエミッタ
列間の距離Ｐ１＝１０μｍ、隣接するエミッタ５間の距
離Ｐ２＝５μｍ、Ｌ₁ ＝１μｍ、Ｌ₂ ＝１μｍ、Ｌ₃ ＝
１ｍｍ、ｔ＝０．２μｍ、ｄ₁ ＝２．５μｍ、ｄ₃ ＝５
μｍ、Ｖg1＝９０Ｖ、Ｖg2＝０Ｖ、Ｖａ＝２ｋＶとした
ときの電界解析シミュレーションの結果を図５に示す。
この図において左側に記載されているのはエミッタアレ
イから放出された電子軌道の全体図であり、右側に記載
されているのはエミッタアレイの近傍における電子軌道
を示した拡大図である。

【００３０】この図に示すように、左右に配置された各
エミッタから放出された電子は、それぞれ若干内向きに
放出され、交錯して１ｍｍ離れたアノードへ到達してお
り、その到達幅（スポット幅）は約１００ミクロンとな
っている。図２３に関して前述したように、フルカラー
ディスプレイの１ドットの幅は８０μｍ程度であり、ア
ノードに到達する電子の幅が８０〜１２０μｍ程度であ
れば、電子のクロストークによる混色を防止することが
できるとともに、逆に蛍光体の全面を均一に発光させる
上で望ましい。したがって、図５に示した例における１
００ミクロンという到達幅は適切なものであるというこ
とができる。

【００３１】次に、前記集束電極７に設けられる開口部
２０の大きさについて検討する。図４の（ａ）は、前記
図１９に関して説明したスピント型の電界放出エミッタ
における放出電子の軌道を示す図である。この図に示す
ように、エミッタ５から放出された電子はＢで示すよう
な拡がりをもった電子ビームとなる。図示するように、
エミッタから距離Ｌ₂ だけ上方における電子の拡がり角
をθ、拡がり幅をｄとすると、ｄ＝Ｌ₂ ｔａｎθとな
る。また、同図（ｂ）は本発明におけるカソードの断面
図を示すもので、前述したように、集束電極７と第１ゲ
ート電極４との距離はＬ₂ 、エミッタ５の中心部から集
束電極７の開口部の端部までの最短距離はｄ₁ とされて
いる。

【００３２】図６は、前記集束電極７の開口部２０の半
径ｄ１を前記ｄに対して種々の値に変化させたときの分
配率および発光スポットの大きさの変動の様子を示す図
である。ここで、分配率（Ｉａ／Ｉｃ）はカソードから
放出された電子とアノードに到達する電子との比率を示
しており、この値が１００％に近いほど、第１ゲート電
極および第２ゲート電極に流れる無効電流が少ないこと
を示している。図６（ａ）は前記ｄ₁ を０．５ｄ、ｄ、
１．５ｄ、２ｄ、３ｄとしたときにおける分配率を、前
記第２ゲート（集束電極）電圧Ｖg2を横軸にとってプロ
ットしたものであり、同図（ｂ）は同様に発光スポット
の大きさをプロットした図である。これらの図からわか
るように、前記集束電極７の開口部の大きさｄ₁ をｄ≦
ｄ₁ ≦３．０ｄとなるように選定したときには、第２ゲ
ートの電圧Ｖg2を適切な値に選定することにより、分配
率（Ｉａ／Ｉｃ）を高く保ちつつ、発光スポットの直径
が１００μｍ程度となる所望の集束を得ることができる
ことがわかる。

【００３３】次に、本発明の第２の実施の形態について
説明する。図７（ａ）はこの第２の実施の形態における
カソード基板の概略斜視図、（ｂ）はその一部拡大図で
ある。図から明らかなように、この実施の形態において
は、前記第２のゲート電極７にスリット状の開口部２１
が設けられており、このスリット状開口部２１の内部に
前記第１ゲート電極４に形成された開口部６およびエミ
ッタ５が一列に配置されている。そして、このスリット
状開口部２１が１画素当たり２つ設けられている。この
図７に示した実施の形態における左右方向の断面は、前
記図３と同様の断面図となる。したがって、この実施の
形態においても前記図５に示したと同様の電子軌道をも
ってエミッタ５から放出された電子がアノードに到達す
ることとなる。

【００３４】図８はこの第２の実施の形態において、前
記エミッタ５から前記スリット状開口部２１の端部まで
の最短距離ｄ₁ を種々の値としたときの分配率および発
光スポットの大きさを示す。図８（ａ）は前記ｄ₁ を
０．５ｄ、０．７ｄ、ｄ、１．２ｄ、２．５ｄとしたと
きにおける分配率を、前記第２ゲート（集束電極）電圧
Ｖg2を横軸にとってプロットしたものであり、同図
（ｂ）は同様に発光スポットの大きさをプロットした図
である。これらの図からわかるように、前記集束電極７
の開口部の大きさｄ₁ を０．５ｄ≦ｄ₁ ≦２．５ｄとな
るように選定したときには、第２ゲート電圧Ｖg2を適切
な値に選定することにより、分配率（Ｉａ／Ｉｃ）をほ
ぼ１００％に保ちつつ、かつ、アノードへの到達幅が１
００μｍ程度となる所望の集束を得ることができること
がわかる。

【００３５】前述した２つの実施の形態においては、ア
ノードに約１００μｍの発光スポットを形成することが
できた。しかしながら、前記図２３に示したような大き
さの蛍光体スポットに電子を射突させる場合には、発光
スポットの大きさを約８０μｍ程度になるように集束さ
せることが望ましい。

【００３６】前述したように、前記図５（ｂ）に示した
電子軌道解析図において、左右のエミッタからそれぞれ
放出された電子は、多少内側に交錯していた。すなわ
ち、左側のエミッタから放出された電子の軌道は多少右
に偏向しており、右側のエミッタから放出された電子の
軌道は多少左に偏向している。これは、前記開口部２０
または２１の間に存在する集束電極７１の長さがその他
の部分、すなわち、左側の開口部の左に存在する集束電
極７および右側の開口部の右に存在する集束電極７に比
べて短いために、前記集束電極７１による集束効果が、
集束電極７の前記他の部分による効果に比べて少なくな
るために生じる現象であると考えられる。そこで、前記
集束電極７１による集束効果と前記他の部分の集束電極
７による集束効果の差を無くすことにより、各エミッタ
から放出される電子を直上に進行させることができ、集
束度をより向上させることが可能となる。

【００３７】このように集束度をより向上させた本発明
の第３の実施の形態について説明する。図９の（ａ）は
本発明の第３の実施の形態の断面を示す図である。この
図において、前記図３と同一の構成要素には同一の番号
を付し、説明の重複を省く。この実施の形態において
は、前記エミッタ５の先端と前記両エミッタ間に存在す
る集束電極７１との間の距離ｄ₂ が前記両側の集束電極
７との距離ｄ₁ よりも短くされている（ｄ₂ ＜ｄ₁ ）。
これにより、面積の少ない集束電極７１とエミッタとの
距離が短くなり、集束電極７１による集束効果が有効に
作用して、前述した集束効果の差を無くすことが可能と
なる。

【００３８】図９の（ｂ）は前記図２に示した実施の形
態のように複数の円形開口部２０が２列に配列されてい
る場合に、この第３の実施の形態を適用した場合を示す
平面図であり、図示するように、左側の列に属する各エ
ミッタは、当該開口部２０の中心部よりも右側の位置に
配置されており、右側の列に属する各エミッタ５は当該
開口部２０の中心部よりも左にずれた位置に配置されて
いる。

【００３９】また、図９の（ｃ）は前記図７に示した実
施の形態のように、スリット状の開口部２１の内部にエ
ミッタ５が配置されている場合にこの第３の実施の形態
を適用した場合における平面図である。この場合にも、
各スリット状の開口部２１内に配列された各エミッタ
は、それぞれ、２つのスリット状開口部２１の中間部に
近い位置に配列されている。

【００４０】図１０はこのように構成された電界放出型
表示装置における電界解析図である。図示するようにこ
の場合には、前記図５に示した場合と比較して、左右に
あるエミッタからの電子の軌道が交錯することなくほぼ
垂直になっていることがわかる。これにより、発光スポ
ットは７５μｍとなり、前述の場合よりもより高い集束
を得ることができている。

【００４１】このように集束度を向上することができる
さらに他の実施の形態について説明する。図１１は、こ
の実施の形態における１画素当たりのエミッタアレイの
構成を示す斜視図である。図示するように、この実施の
形態においては、前記図２に示した実施の形態と同様に
円形の開口部２０が２列に配列されているものである
が、前記第２ゲート電極（集束電極）が、前記開口部２
０の周辺部分７と中間部分７１との２つに分割されてい
る点が前述の実施の形態の場合と相違している。

【００４２】この実施の形態における断面図は前記図３
に示した断面図と同様のものとなるが、この実施の形態
においては、前述したように集束電極の中心部７１と周
辺部７とが分離されて形成されているために、それぞれ
異なる値の第２ゲート電圧を印加することができる。し
たがって、中間部の集束電極７１に周辺部の集束電極７
よりも低いゲート電圧Ｖg3を印加することにより、中間
部の集束電極７１による集束効果を強くすることがで
き、前述した図９の実施の形態の場合と同様に各エミッ
タから放出された電子を集束する効果をもたらすことが
可能となる。

【００４３】図１２に、スリット状の開口部２１とされ
た前記図７の場合にこの実施の形態を適用した例を示
す。図から明らかなように、この場合にも、集束電極
は、中間部分７１と周辺部分７とに分割されている。そ
して、この中間部分７１に印加するゲート電圧Ｖg3を周
辺部分７に印加するゲート電圧Ｖg2よりも低い電圧とす
るのである。

【００４４】このような場合における電子軌道解析図を
図１３に示す。この図に示すのは、前記周辺部７に印加
するゲート電圧Ｖg2を０［Ｖ］、中間部７１に印加する
ゲート電圧Ｖg3を−１０［Ｖ］とした場合の電子軌道を
示している。なお、第１ゲート電圧Ｖg1は０［Ｖ］、ア
ノード電圧Ｖa は２［ｋＶ］である。図示するように、
この場合には、両エミッタから放出された電子の軌道は
交錯することなくほぼ真上に進行しており、１ｍｍ離れ
たアノードに到達したときのスポット幅は７５μｍとな
っている。このように、この実施の形態においても、非
常によい集束を得ることができる。このように、中間部
分７１に印加するゲート電圧Ｖg3を制御することによ
り、アノードへの到達幅、すなわち発光スポット幅を制
御することができる。

【００４５】なお、一つの開口部２０の中にエミッタを
複数列配置する場合、すなわち複数列のエミッタに対し
て共通の集束電極を設けた場合には、集束電極の近傍に
あるエミッタ列から放出された電子に対しては集束効果
が働くが、集束電極の反対側方向の電子に対しては逆に
電子を拡散させる作用が働くこととなる。また、近接す
るエミッタ以外に対しては充分な集束効果が得られな
い。したがって、一つの開口部の中に複数列のエミッタ
を設けることは好ましくない。図１８は、開口部２０の
中にエミッタを２列配列した場合における電界解析結果
を示す図である。この図に示すように、２列のエミッタ
を配列したときには、放出された電子は充分に集束され
ていないことがわかる。

【００４６】さて、いままでは２列に形成された開口部
２０あるいは２１の短辺方向（図の左右方向）の電子の
拡がりについて説明してきたが、円形の開口部２０の列
の上下方向あるいはスリット状の開口部２１の長辺方向
の電子の拡がりについて検討する。

【００４７】図１４に上下方向の電流密度分布の解析結
果の一例を示す。図１４の（ａ）はアノード−カソード
間の距離Ｌ₃ ＝１ｍｍ、アノード電圧Ｖａ＝２ｋＶとし
たときにおける解析結果、（ｂ）はアノード−カソード
距離Ｌ₃ ＝２ｍｍ、アノード電圧Ｖａ＝５ｋＶとしたと
きにおける解析結果を示しており、いずれの場合も、図
１７に示した代表的なフルカラーディスプレイにおける
各蛍光体ドットの上下方向の長さ２２０μｍを必要十分
にカバーする電子の到達幅を有しており、また、隣接す
る蛍光体ドットにおける漏れ発光は充分に低いレベルの
ものとなっていることが分かる。

【００４８】また、前記開口部の構成を変更することに
より、上下方向の電子の拡がりを精密に制御することも
可能である。図１５（ａ）および（ｂ）は、このような
上下方向の電子の拡がり幅をより精密に制御することが
できる実施の形態の構成を示す斜視図である。同図
（ａ）は、前記スリット状の開口部２１を複数のブロッ
クに区分された形状として、その一部のブロック２２に
はエミッタを配置しないようにした例である。このよう
にエミッタを配列することにより、対応する蛍光体ドッ
トの位置に対応する場所にエミッタを配列することがで
きる。また、同図（ｂ）は、複数のブロックに区切られ
たスリット状の開口部２１それぞれの内部に１または複
数の適切な個数のエミッタが配列されている例である。
これにより、上下方向の到達幅をより精密にコントロー
ルすることが可能となる。なお、図１５にはスリット状
の開口部２１に適用された例を記載したが、前記図２に
示したような円形の開口部２０の配置の場合において
も、全く同様に各エミッタおよび開口部２０を配置する
ことができる。

【００４９】上下方向の到達幅をより精密に制御するこ
とのできるさらに他の実施の形態について、図１６を参
照して説明する。図１６の（ａ）はスリット状の開口部
２１内に複数個のエミッタが配列されている場合におけ
るその上下方向の断面を示した図であり、同図（ｂ）は
その平面図である。図示するように、この実施の形態に
おいては、両端に配置されたエミッタ５１および５２が
前記スリット状の開口部２１の上端あるいは下端に近接
して配置されている。これにより、（ａ）に図示するよ
うに、エミッタ５１および５２から放出された電子の軌
道は、前記スリット２１の端部の集束電極７に近接して
いるために、スリットの端部側においてその影響を大き
く受けることとなる。従って、スリット状の開口部２１
内に配列された各エミッタから放出された電子は、上述
した実施の形態の場合と比較して、上下方向において
も、より集束されてアノードに到達することとなる。

【００５０】また、図１６の（ｃ）は、この実施の形態
を円形の開口部２０を複数個配列した実施の形態の場合
に適用した例である。この場合には、このエミッタの配
列の端部にあるエミッタ５３および５４が、対応する円
形開口部２３および２４の中心位置よりも当該エミッタ
配列の端に偏位した位置に設けられている。これによ
り、前述した場合と同様に、当該エミッタ５３および５
４から放出された電子を、エミッタが並列されている方
向に拡散させることなく、アノードに到達させることが
可能となる。したがって、この実施の形態によれば前述
したよりもより上下方向の到達幅を狭くすることがで
き、より高精細度の表示装置を実現することができるよ
うになる。

【００５１】以上の説明においては、より幅の広い蛍光
体ドットを有するモノクロディスプレイなどの場合に
は、エミッタ列を３列以上とすることもできる。図１７
の（ａ）はエミッタ列を３列とした実施の形態を示し、
同図（ｂ）はエミッタ列を４列とした場合を示してい
る。なお、この図には、スリット状の開口部２１の例を
示したあるが、円形の開口部とされた場合にも、全く同
様に構成することができる。

【００５２】なお、以上の説明においては、エミッタの
形状がコーン状の冷陰極を例にとって説明してきたが、
本発明はこのような形状のエミッタに限られることはな
く、種々のタイプの冷陰極に適用することができる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
２ｋＶ以上といった高いアノード電圧により駆動される
電界放出型表示装置において、カソードから放出された
電子を当該蛍光体ドットに集束させ、かつ、該蛍光体ド
ット全体に適度に分散して射突させることができる。ま
た、エミッタ数を少なくすることができるため、エミッ
タを小面積に集積でき、カソードおよびゲートの浮遊容
量が少なくなり、消費電力を低減することができる。さ
らにまた、蛍光体の発光効率が高い高電圧、小電流の領
域を使用しているため、消費電力が減少でき、カソード
−ゲート間の電圧、電流も減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界放出型表示装置の一実施の形態に
おけるカソード基板を斜め上方から見た斜視図である。

【図２】本発明の電界放出型表示装置の一実施の形態に
おけるカソード基板の１画素に対応する部分を拡大して
示す斜視図である。

【図３】本発明の電界放出型表示装置の一実施の形態に
おける一部断面図である。

【図４】本発明の電界放出型表示装置における集束電極
の開口部の大きさを説明するための図である。

【図５】本発明の電界放出型表示装置の一実施の形態に
おける電子ビームの軌道を説明するための図である。

【図６】本発明の電界放出型表示装置の一実施の形態に
おいて集束電極の開口部の大きさを変化させたときの分
配率（Ｉa ／Ｉc ）および発光スポットの大きさを説明
するための図である。

【図７】本発明の電界放出型表示装置の他の実施の形態
におけるカソード基板の斜視図およびその一部拡大図で
ある。

【図８】本発明の電界放出型表示装置の他の形態におい
て集束電極の開口部の大きさを変化させたときの分配率
（Ｉa ／Ｉc ）および発光スポットの大きさを説明する
ための図である。

【図９】本発明の電界放出型表示装置のさらに他の実施
の形態における電界放出カソードの構成を示す図であ
る。

【図１０】本発明の電界放出型表示装置のさらに他の実
施の形態における電子ビームの軌道解析図である。

【図１１】本発明の電界放出型表示装置のさらに他の実
施の形態における電界放出カソードの構成を示す図であ
る。

【図１２】本発明の電界放出型表示装置のさらに他の実
施の形態における電界放出カソードの構成を示す図であ
る。

【図１３】本発明の電界放出型表示装置のさらに他の実
施の形態における電子ビームの軌道を説明するための図
である。

【図１４】本発明の電界放出型表示装置の一実施の形態
における上下方向の電流密度分布を示す図である。

【図１５】本発明の電界放出型表示装置のさらに他の実
施の形態における電界放出カソードの構成を示す図であ
る。

【図１６】本発明の電界放出型表示装置のさらに他の実
施の形態における電界放出カソードの構成を示す図であ
る。

【図１７】本発明の電界放出型表示装置のさらに他の実
施の形態における電界放出カソードの構成を示す図であ
る。

【図１８】２列のエミッタ電極の外側にのみ集束電極を
設けた場合における電子の軌道を説明するための図であ
る。

【図１９】電界放出型表示装置の概略構成を示す斜視図
である。

【図２０】従来の電界放出型表示装置の一例を示す図で
ある。

【図２１】従来の電界放出表示素子の他の例を示す図で
ある。

【図２２】従来の電界放出表示素子のさらに他の例を示
す図である。

【図２３】代表的なフルカラーディスプレイにおける蛍
光体ドットサイズを説明するための図である。

【符号の説明】

１、１０１カソード基板２、１０２カソード電極３、３’、１０３、１０３’ 絶縁層４、１０４第１ゲート電極（引き出し電極）５、５１、５２、５３、５４、１０５エミッタ７、７１、１０７第２ゲート電極（集束電極）８、１０８蛍光体層９、１０９アノード電極１０、１１０アノード基板２０、２１、２３、２４開口部３０エミッタアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者冨田正晴千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株式会社内 (72)発明者山浦辰雄千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カソード電極が設けられたカソード基
板と、前記カソード電極上に配置されたエミッタと、前記エミッタの近傍に設けられた電子引き出し用の第１
のゲート電極と、前記第１のゲート電極の上方に前記第１のゲート電極か
ら距離Ｌ₂ だけ離れた位置に設けられた開口部であっ
て、該開口の端部と前記エミッタの中心との最短距離が
ｄ₁ とされた開口部を有する電子集束用の第２のゲート
電極と、前記カソード基板に対向するように配置され、蛍光体が
塗布されたアノード電極を有するアノード基板とを有す
る電界放出型表示装置であって、前記距離ｄ₁ は、前記第２のゲート電極が設けられてい
ないときの前記エミッタからの距離が前記Ｌ₂ の位置に
おける前記エミッタから放出される電子の軌道の拡がり
の半径をｄとしたときに、０．５ｄ≦ｄ₁ ≦３ｄとされ
ていることを特徴とする電界放出型表示装置。
【請求項２】前記開口部は円形とされており、１つ
の該円形開口部の中に１つの前記エミッタが配置されて
いることを特徴とする前記請求項１記載の電界放出型表
示装置。
【請求項３】前記エミッタは前記円形開口部の中心
位置から外れた位置に配置されていることを特徴とする
前記請求項２記載の電界放出型表示装置。
【請求項４】前記円形開口部が１画素当たり複数列
配置されていることを特徴とする前記請求項２あるいは
３記載の電界放出型表示装置。
【請求項５】前記開口部はスリット状とされてお
り、１つの該スリット状開口部の中に複数個の前記エミ
ッタが一列に配置されていることを特徴とする前記請求
項１記載の電界放出型表示装置。
【請求項６】前記エミッタは前記スリット状開口部
の中心位置からずれた位置に配列されていることを特徴
とする前記請求項５記載の電界放出型表示装置。
【請求項７】前記スリット状開口部は複数のブロッ
クに区切られて構成されていることを特徴とする前記請
求項５あるいは６記載の電界放出型表示装置。
【請求項８】前記スリット状開口部が１画素当たり
複数個並列に配置されていることを特徴とする前記請求
項５〜７のいずれか１項に記載の電界放出型表示装置。
【請求項９】前記スリット状開口部内に一列に配置
されたエミッタのうちの端部に位置するエミッタは、当
該スリット状開口部の端部に近接して配置されているこ
とを特徴とする前記請求項５〜８のいずれか１項に記載
の電界放出型表示装置。
【請求項１０】前記エミッタの左右において前記第
２のゲート電極に印加される電圧が異なっていることを
特徴とする前記請求項１〜９のいずれか１項に記載の電
界放出型表示装置。