JP2005056589A - 電子放出素子及び電界放出型表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、冷陰極エミッタを備えた電子放出素子及び電界放出型表示装置に関し、冷陰極エミッタから放出された電子ビームを集束させて効率良く蛍光体に照射し、高精細な画像を得ることを目的とする。
【解決手段】基板３２上にカソード電極３３と、絶縁層３４と、ゲート電極３５と、負に帯電可能な誘電体層３６と、冷陰極エミッタ３８とを順次形成し、誘電体層３６を負に帯電させて等電位線Ｍを形成し、電子ビームを集束させて、蛍光体４２に照射する。
【選択図】 図８
【解決手段】基板３２上にカソード電極３３と、絶縁層３４と、ゲート電極３５と、負に帯電可能な誘電体層３６と、冷陰極エミッタ３８とを順次形成し、誘電体層３６を負に帯電させて等電位線Ｍを形成し、電子ビームを集束させて、蛍光体４２に照射する。
【選択図】 図８
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子放出素子及び電界放出型表示装置に係り、特に冷陰極エミッタを備えた電子放出素子及び電界放出型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ；Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）は、画素に対応した複数の冷陰極エミッタを蛍光体の面と対向するように配置し、冷陰極エミッタから放出された電子を加速して蛍光体に照射することで発光させている。電界放出型ディスプレイには、カソード電極上に先端が先鋭な冷陰極エミッタを形成し、カソード電極上に冷陰極エミッタを取り囲むような絶縁層と、絶縁膜上にゲート電極とを形成して、冷陰極エミッタとゲート電極との間に電圧を印加して、高電界を発生させて冷陰極エミッタの先端から電子の放出を行うＳｐｉｎｄｔ型や、カソード電極とゲート電極との間に形成された絶縁層に電圧を印加して高電界を発生させて、トンネル効果により電子の放出を行うＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）型や、カソード電極とゲート電極との間に形成された薄膜に微小ギャップを形成し、カソード電極とゲート電極との間に電圧を印加して、微小ギャップから電子の放出を行うＳＣＥ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｍｉｔｔｅｒ）型等の方式が検討されている。また、冷陰極エミッタの材料としてＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）やＣＮＴ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）等の炭素系材料の研究が行われている。
【０００３】
従来のゲート電極を用いた電界放出型ディスプレイにおいては、冷陰極エミッタから放出された電子ビームの照射角度は広がる傾向にあり、解像度の低下や混色の発生等の画質の劣化を引き起こす。この電子ビームの照射角度の広がりは、ゲート電極とカソード電極との間の電界強度と、ゲート電極とアノード電極との間の電界強度との大小関係により決まる。理論上は、カソード電極とゲート電極との間の電界強度と、ゲート電極とアノード電極との間の電界強度を一致させればよいが、現状の電界放出型ディスプレイではゲート電極とアノード電極との間の電界強度が小さいため、カソード電極とゲート電極との間の電界強度と、ゲート電極とアノード電極との間の電界強度とを同じにした場合には、冷陰極エミッタから電子は放出されない。そのため、高精細な画像を得るためにアノード電極に形成された蛍光体面において、電子ビームが集束する電界放出型ディスプレイの構成の検討が行われている。
【０００４】
図１乃至２は、従来の電子ビームを集束する電界放出型表示装置の概略図である。なお、図１中に示したＢ，Ｃは、ゲート電極１５に電圧Ｖｇと、フォーカス電極１８に電圧Ｖｆとを印加することにより形成された等電位線（以下、等電位線Ｂ，Ｃ）を示している。また、図１中に示したＤは、冷陰極エミッタ１９から放出された電子ビームの軌道（以下、軌道Ｄ）を示している。図２中に示したＦは、ゲート電極２６に電圧Ｖｇを印加することにより形成された等電位線（以下、等電位線Ｆ）を示しており、Ｇは冷陰極エミッタ１９から放出した電子ビームの軌道（以下、軌道Ｇ）を示している。
【０００５】
図１に示すように、電界放出型表示装置１０は、大略すると電子放出素子１１と、基板２１と、アノード電極２２と、蛍光体２３と、スペーサ２４とにより構成されている。電子放出素子１１は、基板１２と、カソード電極１３と、絶縁層１４と、ゲート電極１５と、誘電体層１７と、フォーカス電極１８と、冷陰極エミッタ１９とにより構成されている。基板１２上には、カソード電極１３が形成されており、カソード電極１３上には、絶縁層１４と、ゲート電極１５と、誘電体層１７と、フォーカス電極１８とが順次形成され、カソード電極１３を露出する開口部Ａが形成されている。
【０００６】
開口部Ａに露出されたカソード電極１３には、電子を放出するための冷陰極エミッタ１９が形成されている。フォーカス電極１８上には、スペーサ２４が形成されており、このスペーサ２４によりアノード電極２２が形成された基板２１が支持されている。アノード電極２２の冷陰極エミッタ１９と対向する面には、蛍光体２３が形成されている。このような構成の電界放出型表示装置１０は、ゲート電極１５に電圧Ｖｇが印加されると冷陰極エミッタ１９から電子ビームが放出され、冷陰極エミッタ１９の表面に形成された上に凸の等電位線Ｂと直交する方向（ゲート電極１５に向かう方向）に力を受けて電子ビームは発散するが、フォーカス電極１８により形成された等電位線Ｃにより発散する電子ビームは集束され、電子ビームを蛍光体２３に照射することができる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
図２に示すように、電界放出型表示装置２５は、大略すると電子放出素子２７と、基板２１と、アノード電極２２と、蛍光体２３と、スペーサ２４とにより構成されている。電子放出素子２７は、基板１２と、カソード電極１３と、絶縁層１４と、ゲート電極２６と、冷陰極エミッタ１９とにより構成されている。基板１２上には、カソード電極１３が形成されており、カソード電極１３上には、絶縁層１４と、厚さの大きいゲート電極２６とが順次形成され、カソード電極１３を露出する開口部Ｅが形成されている。
【０００８】
電界放出型ディスプレイ２５は、このような電子放出素子２７上に、基板２１と、アノード電極２２と、蛍光体２３と、スペーサ２４とが形成された構成とされている。このようにゲート電極２６の厚さを大きくすることにより、発散する電子ビーム（図中に示した軌道Ｇに進む電子ビーム）をゲート電極２６の側面で遮断することができる（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｙ．Ｗ．Ｊｉｎ，ｅｔ ａｌ，“Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｇａｔｅｄ Ｔｒｉｏｄｅ−Ｔｙｐｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｅｍｉｔｔｅｒ”Ｐｒｏｃ．Ｅｕｒｏ Ｄｉｓｐｌａｙ‘０２，ｐｐ．２２９−２３２，２００２
【００１０】
【非特許文献２】
Ｊ．Ｅ．Ｊｕｎｇ，ｅｔ ａｌ，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｒｉｏｄｅ−Ｔｙｐｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｍｉｔｔｅｒ Ａｒｒａｙｓ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｏｄｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｂｙ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ Ｎｉ Ｗａｌｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ．Ｂ，Ｖｏｌ．２１（１），ｐｐ．３７５−３８１，２００３
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電界放出型表示装置１０の場合には、電子ビームを集束させることは可能であるが、電子ビームを集束させるためのフォーカス電極１８を形成する必要があるため、電極の数が増加して構成が複雑になるという問題や、駆動電圧が上昇するという問題があった。
【００１２】
電界放出型表示装置２５の場合には、ゲート電極２６の厚さを大きくすることで発散された電子ビームをゲート電極２６の側壁で遮断しているのみであり、電子ビームを集束させることができないという問題があった。また、電子ビームをゲート電極２６の側壁で遮断するため、冷陰極エミッタ１９から放出された電子が蛍光体２３に到達する割合であるエミッション効率が低下するという問題があった。
【００１３】
そこで本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、冷陰極エミッタから放出された電子ビームを集束させて効率良く蛍光体に照射し、高精細な画像を得ることのできる電子放出素子及び電界放出型表示装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１記載の発明では、基板上に形成された第１の電極と、該第１の電極上に形成され、該第１の電極を露出する第１の開口部を有した絶縁層と、該絶縁層上に形成され、前記第１の電極を露出する第２の開口部を有した第２の電極と、前記第１の開口部に露出された前記第１の電極上に形成された電子を放出するための冷陰極エミッタとを備えた電界放出素子において、前記第２の電極上に第３の開口部を有した誘電体層を設けたことを特徴とする電界放出素子により、解決できる。
【００１６】
上記発明によれば、誘電体層を設け、例えば誘電体層を負に帯電させることにより、第３の開口部に等電位線が形成され、この等電位線により冷陰極エミッタから放出した電子ビームを集束させることができる。
【００１７】
請求項２記載の発明では、前記誘電体層は、前記冷陰極エミッタから放出された前記電子により負に帯電させられることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子により、解決できる。
【００１８】
上記発明によれば、冷陰極エミッタから放出された電子により誘電体層を負に帯電させることができる。また、誘電体層を負に帯電させるための構成を別途設ける必要がないため、従来の電極を用いて電子ビームを集束させる場合と比較して構成を簡略化できる。
【００１９】
請求項３記載の発明では、前記誘電体層に帯電する前記電子の電荷量は、前記第１及び第２の電極の電圧を可変することにより、所望の電荷量に調整可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の電界放出素子により、解決できる。
【００２０】
上記発明によれば、第１及び第２の電極の電圧を可変することにより、冷陰極エミッタから放出される電子の数を調整して、誘電体層に帯電する電荷量を調整することができる。これにより、第３の開口部を通過する電子ビームの集束の具合を調整することができる。
【００２１】
請求項４記載の発明では、前記誘電体層は、一定の周期毎に負に帯電させられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子放出素子により、解決できる。
【００２２】
上記発明によれば、一定の周期毎に誘電体層を負に帯電させることにより、誘電体層の帯電状態を均一に保つことができる。
【００２３】
請求項５記載の発明では、前記誘電体層の第３の開口部の開口径は、前記第２の電極の第２の開口部の開口径の１．５倍〜２．０倍の大きさとなるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子放出素子により、解決できる。
【００２４】
上記発明によれば、冷陰極エミッタの表面に形成される電界強度の低下を防止することができ、冷陰極エミッタから放出される電子の数を減少させることなく、電子ビームを集束させることができる。
【００２５】
請求項６記載の発明では、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子放出素子と、前記冷陰極エミッタと対向し、かつ離間した位置に形成された第３の電極と、該第３の電極の前記冷陰極エミッタと対向する面に形成された蛍光体とを備えたことを特徴とする電界放出型表示装置により、解決できる。
【００２６】
上記発明によれば、負に帯電した誘電体層により形成される等電位線により、電子ビームは集束し、効率良く電子ビームを蛍光体に照射することができる。これにより、高精細な画像を得ることができる。
【００２７】
請求項７記載の発明では、前記第３の電極は、正の電圧と負の電圧とに切り換え可能に構成され、前記電子が放出された際、前記第３の電極に負の電圧を印加することにより、前記誘電体層を負に帯電させることを特徴とする請求項６に記載の電界放出型表示装置により、解決できる。
【００２８】
上記発明によれば、電子が放出された際、第３の電極に負の電圧を印加することにより、第２の電極に形成された第２の開口部を通過した電子の進路を誘電体層の方向に曲げることができ、電子を誘電体層に到達させて、誘電体層を負に帯電させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。始めに、本実施例による電界放出型表示装置３０の構成について説明する。図３は、本発明の本実施例による電界放出型表示装置の断面図である。なお、図３に示したＨ１は絶縁層３４の開口部（以下、開口部Ｈ１）、Ｈ２はゲート電極３５の開口部（以下、開口部Ｈ２）、Ｈ３は誘電体層３６の開口部（以下、開口部Ｈ３）をそれぞれ示している。また、図３に示したＲｇはゲート電極３５に形成された開口部Ｈ２の開口径（以下、開口径Ｒｇ）を示しており、Ｒｉは誘電体層３６に形成された開口部Ｈ３の開口径（以下、開口径Ｒｉ）を示している。
【００３０】
図３に示すように、電界放出型表示装置３０は、大略すると電子放出素子３１と、基板３９と、アノード電極４１と、スペーサ４３と、蛍光体４２とにより構成されている。第３の電極であるアノード電極４１は、基板３９の下面に形成されており、アノード電極４１の下面には、蛍光体４２が形成されている。電子放出素子３１は、基板３２と、カソード電極３３と、絶縁層３４と、ゲート電極３５と、誘電体層３６と、冷陰極エミッタ３８とにより構成されている。基板３２上には、第１の電極であるカソード電極３３が形成されている。カソード電極３３上には、第１の開口部である開口部Ｈ１を有した絶縁層３４と、第２の開口部である開口部Ｈ２を有した第２の電極であるゲート電極３５と、第３の開口部である開口部Ｈ３を有した誘電体層３６とが順次形成されている。なお、図３に示した電子放出素子３１では、開口部Ｈ２の開口径Ｒｇと開口部Ｈ３の開口径Ｒとは同じ大きさに形成されている。
【００３１】
冷陰極エミッタ３８は、ゲート電極３５に電圧Ｖｇと、カソード電極３３に電圧−Ｖｃとが印加された際、電子を放出するためのものである。誘電体層３６は、負に帯電させられることで、後述する下に凸な等電位線Ｍを形成し、電子ビームを集束させるためのものである。誘電体層３６は、負に帯電可能な層であればどのような材料を用いても良い。誘電体層３６には、例えば、酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成されたＳｉＯ２膜や、ゲート電極３５にＡｌを適用して、その上面を酸化して形成されるＡｌの酸化物等を用いることができる。なお、誘電体層３６を負に帯電させる具体的な方法については後述する。誘電体層３６上には、スペーサ４３が設けられており、基板３９はアノード電極４１を介してスペーサ４３に支持されている。また、冷陰極エミッタ３８と対向するアノード電極４１の面には、蛍光体４２が形成されている。アノード電極４１に正の電圧Ｖａが印加されると、冷陰極エミッタ３８から放出された電子は加速され、蛍光体４２に照射されて発光する。
【００３２】
このように、ゲート電極３５上に負に帯電可能な誘電体層３６を形成し、誘電体層３６を負に帯電させることで、後述する下に凸な等電位線Ｍが形成され、この等電位線Ｍにより電子ビームを集束することができ、集束された電子ビームを効率良く蛍光体４２に照射することができ、高精細な画像を得ることができる。また、誘電体層３６を負に帯電させるための構成を別途設ける必要がないため、従来のフォーカス電極１８を用いて電子ビームを集束させる場合と比較して構成を簡略化できる。
【００３３】
図４は、誘電体層の開口部をゲート電極の開口部よりも大きく形成した電界放出型表示装置の断面図である。なお、図４において、図３と同一構成部分には同一符号を付す。また、図４中のＨ４は誘電体層４４に形成された開口部（以下、開口部Ｈ４）を示しており、ＲＩは誘電体層４４に形成された開口部Ｈ４の開口径ＲＩを示している。図４に示すように、電界放出型表示装置３７には、電子放出素子４６が設けられており、電子放出素子４６の誘電体層４４には、ゲート電極３５に形成された開口部Ｈ２よりも大きな開口部ＲＩが形成されている。このように、誘電体層４４に形成された開口部Ｈ４の開口径ＲＩをゲート電極３５に形成された開口部Ｈ２の開口径Ｒｇよりも大きく形成しても良い。
【００３４】
好ましくは、開口部Ｈ４の開口径ＲＩを開口部Ｈ２の開口径Ｒｇの１．５倍〜２．０倍の大きさに形成すると良い。このような大小関係となるような開口径ＲＩ，Ｒｇを形成することにより、誘電体層４４を負に帯電させた際に生じる冷陰極エミッタ３８表面の電界強度の低下を抑制して、冷陰極エミッタ３８から放出される電子の数を低下させることなく、電子ビームを集束させることができる。また、冷陰極エミッタ３８から放出される電子の数が低下しないことから、アノード電流が低下しないため、蛍光体４２を高輝度に発光させることができ、さらに高画質な画像を得ることができる。なお、上記説明した電界放出型表示装置３０，３７は、従来からある手法により形成することができる。
【００３５】
次に、図５に示した電界放出型表示パネル５４を例に挙げて、誘電体層３６を負に帯電させる方法について説明する。図５は、図３に示した電子放出素子を複数配列させて構成された電界放出型表示パネルの電子放出素子アレイを平面視した際の概略図であり、図６は電界放出型表示パネルの駆動波形を示した図である。なお、図６に示したＴ１は初期状態（以下、初期状態Ｔ１）、Ｔ２は誘電体層３６を負に帯電させる時間（以下、帯電時間Ｔ２）、Ｔ３は電界放出型表示パネル５４の１水平ライン（１ラインのゲート電極）を走査する時間（以下、走査時間Ｔ３）をそれぞれ示している。また、図６中に示した（ａ）はアノード電極４１の電圧パルスの波形、（ｂ）はゲート電極３５−１の電圧パルスの波形、（ｃ）はゲート電極３５−２の電圧パルスの波形、（ｄ）はゲート電極３５−３の電圧パルスの波形、（ｅ）はカソード電極３３−１の電圧パルスの波形、（ｆ）はカソード電極３３−２の電圧パルスの波形をそれぞれ示している。
【００３６】
始めに、図５を参照して、複数の電子放出素子３１を備えた電界放出型表示パネル５４の図示した部分の構成について説明する。図５に示すように、電界放出型表示パネル５４は、大略するとゲート電極３５−１〜３５−３と、カソード電極３３，３３−１〜３３−２と、アノード電極４１とにより構成されている。ゲート電極３５−１〜３５−３は、カソード電極３３，３３−１〜３３−２と交差するように配置されている。ゲート電極３５−１〜３５−３と、カソード電極３３，３３−１〜３３−２と、アノード電極４１とには、制御装置（図示せず）がそれぞれ駆動回路（図示せず）を介して設けられている。制御装置は、駆動回路を制御して、セル５１，５１Ａ〜５１Ｄを発光させるためのものである。
【００３７】
セル５１，５１Ａ〜５１Ｄには、それぞれ複数の電子放出素子３１が配設されている。セル５１Ａは、ゲート電極３５−１とカソード電極３３−１とが交差する位置に形成され、セル５１Ｂはゲート電極３５−１とカソード電極３３−２とが交差する位置に形成されている。また、セル５１Ｃはゲート電極３５−２とカソード電極３３−１とが交差する位置に形成され、セル５１Ｄは、ゲート電極３５−２とカソード電極３３ａとが交差する位置に形成されている。
【００３８】
次に、図５乃至図６を参照して、電界放出型ディスプレイ３０に形成された誘電体層３６の帯電方法ついて説明する。図６に示すように、誘電体層３６を負に帯電させるために、時刻ｔ１において、アノード電極４１に電圧−ＶＡＣを印加し、さらにゲート電極３５−１〜３５−３に電圧ＶＧとカソード電極３３−１〜３３−２に電圧−ＶＣＣとを印加して、この状態を帯電時間Ｔ２の間維持する。
【００３９】
図７は、帯電時間Ｔ２での電界放出型表示装置の状態を模式的に示した断面図である。なお、図７に示したＪは、等電位線（以下、等電位線Ｊ）を示しており、Ｋは冷陰極エミッタ３８から放出された電子の軌道（以下、軌道Ｋ）を示している。
【００４０】
図７に示すように、ゲート電極３５―１〜３５−３に印加された電圧ＶＧと、カソード電極３３−１〜３３−２に印加された電圧−ＶＣＣとの電位差により、冷陰極エミッタ３８から電子が放出される。この放出された電子が持つ電子エネルギーは、ＶＧ＋ＶＣＣ（ｅＶ）となる。この放出された電子は負の電荷を有しており、この電子の放出方向の先にあるアノード電極４１には電圧−ＶＡＣが印加されているため、開口部Ｈ１〜Ｈ３を通過後、電子はアノード電極４１の電位により、その進路を曲げられて、方向Ｋに進み誘電体層３６に到達する。
【００４１】
このように、アノード電極４１と、ゲート電極３５−１〜３５−３と、カソード電極３３−１〜３３−２とに印加される電圧を制御することにより、誘電体層３６を電子で負に帯電させることができる。また、負に帯電した誘電体層３６により生成される電位は、帯電時間Ｔ２と電子エネルギーとに依存し、長時間経過後にはＶＧ＋ＶＣＣに収束する。したがって、帯電時間Ｔ２又はゲート電極３５−１〜３５−３に印加する電圧ＶＧ、カソード電極３３−１〜３３−２に印加する電圧−ＶＣＣのいずれかを調整することにより、電子の電荷量を所望の値に調整できる。これにより、負に帯電する誘電体層３６の電位を制御して、電子ビームの径を所望の大きさに制御することができる。なお、各電圧は、例えば、電圧ＶＡを１５００Ｖ、電圧−ＶＡＣを−２００Ｖ、電圧ＶＧを３０Ｖ、電圧−ＶＣＣを−３０Ｖにそれぞれ設定することができる。
【００４２】
次に、誘電体層３６を負に帯電させた後に行う、電界放出型表示パネル５４のゲート電極の走査方法について、図５に示したゲート電極３５−１，３５−２を走査する場合を例に挙げて説明する。時刻ｔ２において、ゲート電極３５−１に電圧ＶＧを印加させた状態で、アノード電極４１に電圧ＶＡと、カソード電極３３−１に電圧−ＶＣとを印加し、ゲート電極３５−２，３５−３とカソード電極３３−２との電圧を０にする。これによりゲート電極３５−１には電圧ＶＧが印加され、カソード電極３３−１には電圧−ＶＣが印加されるため、セル５１Ａに形成された冷陰極エミッタ３８からは電子が放出される。
【００４３】
図８は、誘電体層を負に帯電させた後に電子ビームを放出させた電界放出型表示装置の状態を模式的に示した図である。なお、図８に示したＬ，Ｍは、ゲート電極３５に印加された電圧及び負に帯電した誘電体層３６により形成された等電位線（以下、等電位線Ｌ，Ｍ）を示しており、Ｎは電子ビームの軌道（以下、軌道Ｎ）を示している。
【００４４】
図８に示すように、冷陰極エミッタ３８から電子が放出されると、電子は冷陰極エミッタ３８の表面近傍に形成された上に凸の等電位線Ｌと直交する方向に力を受けて進む。そのため、大半の電子はゲート電極３５の方向（蛍光体４２に対して発散する方向）に進む。しかし、開口部Ｈ３を有した誘電体層３６は、負に帯電されているため、電子ビームが開口部Ｈ３を通過する際、下に凸の等電位線Ｍと直交する方向に力を受ける。これにより、電子ビームは集束されて方向Ｎに進み、蛍光体４１に照射される。
【００４５】
このように、ゲート電極３５上に負に帯電可能な誘電体層３６を形成し、誘電体層３６を電子により負に帯電させて、誘電体層３６の近傍に下に凸の等電位線Ｍを形成することにより、電子ビームを集束させて、効率良く蛍光体４２に照射することができる。
【００４６】
次に、複数の電子放出素子３１を備えて構成された電界放出型表示パネル５４に画像を表示させる際の駆動方法について説明する。図９は、図５に示した電界放出型表示パネルの全体の概略を示した平面図であり、図１０は図９に示した電界放出型表示パネルの駆動波形を示した図である。なお、図１０に示した１Ｈは、１水平ラインを走査する時間を示しており、１Ｆは１画面を構成するのに要する（１画面を走査する）時間を示している。例えば、表示パネル５４に配設された走査線数がｎ本の場合には、１Ｆ＝ｎ×１Ｈとなる。また、図１０中に示した（ｇ）はアノード電極４１の電圧パルスの波形、（ｈ）はゲート電極３５−１の電圧パルスの波形、（ｉ）はゲート電極３５−２の電圧パルスの波形、（ｊ）はゲート電極３５―ｎの電圧パルスの波形、（ｋ）はカソード電極３３の電圧パルスの波形をそれぞれ示しており、カソード電極３３は表示輝度レベルにより電圧−ＶＣが印加される時間が変化するため、電圧パルスは同図中では斜線で示している。
【００４７】
始めに、図９に図示した表示パネル５４の構成について簡単に説明する。図９に示すように、電界放出型表示パネル５４の電子放出素子アレイは、ｎ本のゲート電極３５−１〜３５−ｎと、複数のカソード電極３３とにより構成されており、ゲート電極３５−１〜３５−ｎとカソード電極３３とが交差する領域には、それぞれセル５１が形成される。
【００４８】
次に、図１０を参照して、表示パネル５４の駆動方法について説明する。図１０に示すように、時刻ｔ１において、アノード電極４１に電圧−ＶＡＣと、全てのゲート電極３５−１〜３５−ｎに電圧ＶＧと、カソード電極３３に電圧−ＶＣＣを印加する。全てのゲート電極３５−１〜３５−ｎとカソード電極３３とに電圧が印加されているため、全ての冷陰極エミッタ３８から電子が放出される。この際、アノード電極４１には、負の電圧−ＶＡＣが印加されているため、放出された電子は、ゲート電極３５−１〜３５−ｎに形成された開口部Ｈ２を通過後、誘電体層３６に到達する。これにより、誘電体層３６は負に帯電するため、電子ビームを集束するための下に凸な等電位線Ｍが形成される。
【００４９】
時刻ｔ２から時刻ｔ３の間では、１番目のゲート電極３５−１のラインの走査が行なわれる。時刻ｔ２では、アノード電極４１に電圧ＶＡと、ゲート電極３５−１に電圧ＶＧとを印加する。電圧−ＶＣが印加されたカソード電極３３とゲート電極３６−１とが交差するセル５１では、冷陰極エミッタ３８から電子が放出される。電子ビームは、誘電体層３６に形成された開口部Ｈ３を通過する際、下に凸の等電位線Ｍにより集束され、アノード電極４１により加速されて蛍光体４２に照射される。これにより、蛍光体４２からは、可視光が放出されて発光する。電圧が印加されなかったカソード電極３３とゲート電極３５−１が交差するセル５１では、冷陰極エミッタ３８から電子は放出されない。
【００５０】
また、ゲート電極３５−２〜３５−ｎには電圧ＶＧが印加されていないため、冷陰極エミッタ３８から電子は放出されない。時刻ｔ３では、ゲート電極３５−２に電圧ＶＧを印加し、ゲート電極３６−２以外のゲート電極の電圧は０にする。これにより、電圧−ＶＣが印加されたカソード電極３３とゲート電極３６−２とが交差したセル５１では、冷陰極エミッタ３８から電子が放出され、電子ビームは等電位線Ｍにより集束され、蛍光体４２に照射される。この蛍光体４２への電子の照射をそれぞれのゲート電極３５−１〜３５−ｎに対して順次行い、時刻ｔ５では、ゲート電極３５−ｎに電圧ＶＧが印加され、集束された電子ビームが蛍光体４２に照射される。このように、ゲート電極３５−１からゲート電極３５−ｎまでの走査を行うことにより電界放出型表示パネル５４の一画面が構成される。
【００５１】
時刻ｔ６では、ゲート電極３５−１に電圧ＶＧを印加し、ゲート電極３５−１以外のゲート電極の電圧は０にする。これにより、電圧−ＶＣが印加されたカソード電極３３とゲート電極３５−１とが交差したセル５１では冷陰極エミッタ３８から電子が放出され、誘電体層３６の開口部Ｈ３を通過する際、電子ビームは等電位線Ｍにより集束され、蛍光体４２に照射される。このような走査をゲート電極３５−１からゲート電極３５−ｎまで繰り返し行うことで、再度一画面が構成される。
【００５２】
上記方法により、３６００画面（３６００Ｆ）を構成した後、時刻ｔ７において、再びアノード電極４１に電圧−ＶＡＣと、ゲート電極３５−１〜３５−ｎに電圧ＶＧと、カソード電極３３に電圧−ＶＣＣとを印加し、誘電体層３６を負に帯電させる。時刻ｔ８においてゲート電極３５−１に電圧ＶＧを印加してゲート電極３５−１の走査を行う。
【００５３】
このように、電界放出型表示パネル５４を駆動させることにより、高精細な画像を得ることができる。なお、本実施例では、３６００Ｆ毎に誘電体層３６を負に帯電させて帯電状態を均一に維持したが、誘電体層３６を負に帯電させる周期は３６００Ｆに限定されない。帯電状態が均一に長時間維持することができる場合には、負に帯電させる周期を３６００Ｆよりも大きくしても良いし、短時間しか均一な帯電状態が維持できない場合には、誘電体層３６を負に帯電させる周期を短くしても良い。また、電子放出素子３１の代わりに電子放出素子４６を適用しても良い。
【００５４】
（電界放出型表示装置の評価結果）
次に、本発明者が行った誘電体層３６の開口部の開口径を変化させた際の電界放出型表示装置３０，３７の特性評価を行った結果について説明する。
【００５５】
図１１は誘電体層に帯電した電子の電荷密度とアノード電流との関係を示した図であり、図１２は誘電体層に帯電した電子の電荷密度と電子ビームの径との関係を示した図である。なお、本評価には、図３及び図４に示した電界放出型表示装置３０，３７を用い、誘電体層３６，４４には膜厚が１．０μｍのＳｉＯ２膜を用いた。また、開口部Ｈ３の開口径は１０μｍに形成し、開口部Ｈ４の開口径は１５μｍと２０μｍとに形成したものを用い、ゲート電極３５の開口部Ｈ２の開口径は全て１０μｍに形成したものを用いた。
【００５６】
図１１に示すように、電荷密度が大きくなるにつれ、誘電体層３６，４４に形成された開口部Ｈ３，Ｈ４の開口径に依存することなく、アノード電流は小さくなる。これは、ゲート電極３５に印加される電圧により冷陰極エミッタ３８表面に形成される電界強度が、誘電体層３６に帯電した電荷によって弱められ、冷陰極エミッタ３８から放出される電子が減少するためである。また、誘電体層３６に帯電した電子の電荷密度が大きい場合には、誘電体層３６に帯電した電荷により冷陰極エミッタ３８から放出される電子が遮断されるため、電子は誘電体層３６，４４に形成された開口部Ｈ３，Ｈ４を通過することができない。そのため、図１１に示すように、電荷密度が大きい場合には、アノード電流は０になる。
【００５７】
図１２に示すように、開口部Ｈ３の開口径が１０μｍの場合には、電荷密度が５×１０−４Ｃ／ｍ２において電子ビームの径が極小値１７１μｍとなり、開口部Ｈ４の開口径が１５μｍと２０μｍとの場合には、電荷密度が１×１０−３Ｃ／ｍ２において電子ビームの径が極小値４５μｍとなる。なお、電子ビームの径が極小値となる電荷密度よりも小さい電荷密度の領域では、負に帯電した誘電体層３６により形成される下に凸な等電位線Ｍの作用が小さいため、電子ビームの径は大きくなる。また、電子ビームの径が極小値となる電荷密度よりも大きな電荷密度の領域では、等電位線Ｍの作用が大きすぎるため、ゲート電極３５に形成された開口部Ｈ２を通過した直後にクロスオーバとなり、電子ビームの径は大きくなる。
【００５８】
上記評価結果から、誘電体層３６に形成された開口径Ｈ４をゲート電極３５の開口径Ｈ２の１．５〜２．０倍の大きさに形成することにより、ゲート電極３５の開口径と誘電体層３６の開口径Ｈ３とを同じ大きさに形成した場合と比較して、電子ビームをより集束させることができ、さらに高輝度で高精細な画像を得ることができる。
【００５９】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。なお、本実施例では、電子冷陰極エミッタ３８から放出される電子により誘電体層３６を負に帯電させたが、誘電体層３６を負に帯電させることができれば良く、本実施例の帯電方法に限定されない。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、冷陰極エミッタから放出された電子ビームを集束させ、効率良く蛍光体に照射し、高精細な画像を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電界放出型表示装置の概略図（その１）である。
【図２】従来の電界放出型表示装置の概略図（その２）である。
【図３】本発明の本実施例による電界放出型表示装置の断面図である。
【図４】誘電体層の開口部をゲート電極の開口部よりも大きく形成した電界放出型表示装置の断面図である。
【図５】図３に示した電子放出素子を複数配列させて構成された電界放出型表示パネルの電子放出素子アレイを平面視した際の概略図である。
【図６】電界放出型表示パネルの駆動波形を示したものである。
【図７】帯電時間Ｔ２での電界放出型表示装置の状態を模式的に示した断面図である。
【図８】誘電体層を負に帯電させた後に電子ビームを放出させた際の電界放出型表示装置の状態を模式的に示した図である。
【図９】図５に示した電界放出型表示パネルの全体の概略を示した平面図である。
【図１０】図９に示した電界放出型表示パネルの駆動波形を示した図である。
【図１１】誘電体層に帯電した電子の電荷密度とアノード電流との関係を示した図である。
【図１２】誘電体層に帯電した電子の電荷密度と電子ビームの径との関係を示した図である。
【符号の説明】
１０、２５、３０、３７ 電界放出型表示装置
１１、２７、３１、４６ 電子放出素子
１２、２１、３２、３９ 基板
１３、３３，３３−１〜３３−２ カソード電極
１４、３４ 絶縁層
１５、２６、３５、３５−１〜３５−３、３５−ｎ ゲート電極
１７、３６、４４ 誘電体層
１８ フォーカス電極
１９、３８ 冷陰極エミッタ
２２、４１ アノード電極
２３、４２ 蛍光体
２４、４３ スペーサ
５１、５１Ａ〜５１Ｄ セル
５４ 電界放出型表示パネル
Ａ、Ｅ、Ｈ１〜Ｈ４ 開口部
Ｂ、Ｃ、Ｆ、Ｊ、Ｌ、Ｍ 等電位線
Ｄ、Ｇ、Ｋ、Ｎ 軌道
Ｒｇ、Ｒｉ、ＲＩ 開口径
【発明の属する技術分野】
本発明は電子放出素子及び電界放出型表示装置に係り、特に冷陰極エミッタを備えた電子放出素子及び電界放出型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ；Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）は、画素に対応した複数の冷陰極エミッタを蛍光体の面と対向するように配置し、冷陰極エミッタから放出された電子を加速して蛍光体に照射することで発光させている。電界放出型ディスプレイには、カソード電極上に先端が先鋭な冷陰極エミッタを形成し、カソード電極上に冷陰極エミッタを取り囲むような絶縁層と、絶縁膜上にゲート電極とを形成して、冷陰極エミッタとゲート電極との間に電圧を印加して、高電界を発生させて冷陰極エミッタの先端から電子の放出を行うＳｐｉｎｄｔ型や、カソード電極とゲート電極との間に形成された絶縁層に電圧を印加して高電界を発生させて、トンネル効果により電子の放出を行うＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ Ｍｅｔａｌ）型や、カソード電極とゲート電極との間に形成された薄膜に微小ギャップを形成し、カソード電極とゲート電極との間に電圧を印加して、微小ギャップから電子の放出を行うＳＣＥ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｍｉｔｔｅｒ）型等の方式が検討されている。また、冷陰極エミッタの材料としてＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）やＣＮＴ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）等の炭素系材料の研究が行われている。
【０００３】
従来のゲート電極を用いた電界放出型ディスプレイにおいては、冷陰極エミッタから放出された電子ビームの照射角度は広がる傾向にあり、解像度の低下や混色の発生等の画質の劣化を引き起こす。この電子ビームの照射角度の広がりは、ゲート電極とカソード電極との間の電界強度と、ゲート電極とアノード電極との間の電界強度との大小関係により決まる。理論上は、カソード電極とゲート電極との間の電界強度と、ゲート電極とアノード電極との間の電界強度を一致させればよいが、現状の電界放出型ディスプレイではゲート電極とアノード電極との間の電界強度が小さいため、カソード電極とゲート電極との間の電界強度と、ゲート電極とアノード電極との間の電界強度とを同じにした場合には、冷陰極エミッタから電子は放出されない。そのため、高精細な画像を得るためにアノード電極に形成された蛍光体面において、電子ビームが集束する電界放出型ディスプレイの構成の検討が行われている。
【０００４】
図１乃至２は、従来の電子ビームを集束する電界放出型表示装置の概略図である。なお、図１中に示したＢ，Ｃは、ゲート電極１５に電圧Ｖｇと、フォーカス電極１８に電圧Ｖｆとを印加することにより形成された等電位線（以下、等電位線Ｂ，Ｃ）を示している。また、図１中に示したＤは、冷陰極エミッタ１９から放出された電子ビームの軌道（以下、軌道Ｄ）を示している。図２中に示したＦは、ゲート電極２６に電圧Ｖｇを印加することにより形成された等電位線（以下、等電位線Ｆ）を示しており、Ｇは冷陰極エミッタ１９から放出した電子ビームの軌道（以下、軌道Ｇ）を示している。
【０００５】
図１に示すように、電界放出型表示装置１０は、大略すると電子放出素子１１と、基板２１と、アノード電極２２と、蛍光体２３と、スペーサ２４とにより構成されている。電子放出素子１１は、基板１２と、カソード電極１３と、絶縁層１４と、ゲート電極１５と、誘電体層１７と、フォーカス電極１８と、冷陰極エミッタ１９とにより構成されている。基板１２上には、カソード電極１３が形成されており、カソード電極１３上には、絶縁層１４と、ゲート電極１５と、誘電体層１７と、フォーカス電極１８とが順次形成され、カソード電極１３を露出する開口部Ａが形成されている。
【０００６】
開口部Ａに露出されたカソード電極１３には、電子を放出するための冷陰極エミッタ１９が形成されている。フォーカス電極１８上には、スペーサ２４が形成されており、このスペーサ２４によりアノード電極２２が形成された基板２１が支持されている。アノード電極２２の冷陰極エミッタ１９と対向する面には、蛍光体２３が形成されている。このような構成の電界放出型表示装置１０は、ゲート電極１５に電圧Ｖｇが印加されると冷陰極エミッタ１９から電子ビームが放出され、冷陰極エミッタ１９の表面に形成された上に凸の等電位線Ｂと直交する方向（ゲート電極１５に向かう方向）に力を受けて電子ビームは発散するが、フォーカス電極１８により形成された等電位線Ｃにより発散する電子ビームは集束され、電子ビームを蛍光体２３に照射することができる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００７】
図２に示すように、電界放出型表示装置２５は、大略すると電子放出素子２７と、基板２１と、アノード電極２２と、蛍光体２３と、スペーサ２４とにより構成されている。電子放出素子２７は、基板１２と、カソード電極１３と、絶縁層１４と、ゲート電極２６と、冷陰極エミッタ１９とにより構成されている。基板１２上には、カソード電極１３が形成されており、カソード電極１３上には、絶縁層１４と、厚さの大きいゲート電極２６とが順次形成され、カソード電極１３を露出する開口部Ｅが形成されている。
【０００８】
電界放出型ディスプレイ２５は、このような電子放出素子２７上に、基板２１と、アノード電極２２と、蛍光体２３と、スペーサ２４とが形成された構成とされている。このようにゲート電極２６の厚さを大きくすることにより、発散する電子ビーム（図中に示した軌道Ｇに進む電子ビーム）をゲート電極２６の側面で遮断することができる（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｙ．Ｗ．Ｊｉｎ，ｅｔ ａｌ，“Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｇａｔｅｄ Ｔｒｉｏｄｅ−Ｔｙｐｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ｕｓｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｅｍｉｔｔｅｒ”Ｐｒｏｃ．Ｅｕｒｏ Ｄｉｓｐｌａｙ‘０２，ｐｐ．２２９−２３２，２００２
【００１０】
【非特許文献２】
Ｊ．Ｅ．Ｊｕｎｇ，ｅｔ ａｌ，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｒｉｏｄｅ−Ｔｙｐｅ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｍｉｔｔｅｒ Ａｒｒａｙｓ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｄｉｏｄｅ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｂｙ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｅｄ Ｎｉ Ｗａｌｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ．Ｂ，Ｖｏｌ．２１（１），ｐｐ．３７５−３８１，２００３
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電界放出型表示装置１０の場合には、電子ビームを集束させることは可能であるが、電子ビームを集束させるためのフォーカス電極１８を形成する必要があるため、電極の数が増加して構成が複雑になるという問題や、駆動電圧が上昇するという問題があった。
【００１２】
電界放出型表示装置２５の場合には、ゲート電極２６の厚さを大きくすることで発散された電子ビームをゲート電極２６の側壁で遮断しているのみであり、電子ビームを集束させることができないという問題があった。また、電子ビームをゲート電極２６の側壁で遮断するため、冷陰極エミッタ１９から放出された電子が蛍光体２３に到達する割合であるエミッション効率が低下するという問題があった。
【００１３】
そこで本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、冷陰極エミッタから放出された電子ビームを集束させて効率良く蛍光体に照射し、高精細な画像を得ることのできる電子放出素子及び電界放出型表示装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１記載の発明では、基板上に形成された第１の電極と、該第１の電極上に形成され、該第１の電極を露出する第１の開口部を有した絶縁層と、該絶縁層上に形成され、前記第１の電極を露出する第２の開口部を有した第２の電極と、前記第１の開口部に露出された前記第１の電極上に形成された電子を放出するための冷陰極エミッタとを備えた電界放出素子において、前記第２の電極上に第３の開口部を有した誘電体層を設けたことを特徴とする電界放出素子により、解決できる。
【００１６】
上記発明によれば、誘電体層を設け、例えば誘電体層を負に帯電させることにより、第３の開口部に等電位線が形成され、この等電位線により冷陰極エミッタから放出した電子ビームを集束させることができる。
【００１７】
請求項２記載の発明では、前記誘電体層は、前記冷陰極エミッタから放出された前記電子により負に帯電させられることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子により、解決できる。
【００１８】
上記発明によれば、冷陰極エミッタから放出された電子により誘電体層を負に帯電させることができる。また、誘電体層を負に帯電させるための構成を別途設ける必要がないため、従来の電極を用いて電子ビームを集束させる場合と比較して構成を簡略化できる。
【００１９】
請求項３記載の発明では、前記誘電体層に帯電する前記電子の電荷量は、前記第１及び第２の電極の電圧を可変することにより、所望の電荷量に調整可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の電界放出素子により、解決できる。
【００２０】
上記発明によれば、第１及び第２の電極の電圧を可変することにより、冷陰極エミッタから放出される電子の数を調整して、誘電体層に帯電する電荷量を調整することができる。これにより、第３の開口部を通過する電子ビームの集束の具合を調整することができる。
【００２１】
請求項４記載の発明では、前記誘電体層は、一定の周期毎に負に帯電させられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子放出素子により、解決できる。
【００２２】
上記発明によれば、一定の周期毎に誘電体層を負に帯電させることにより、誘電体層の帯電状態を均一に保つことができる。
【００２３】
請求項５記載の発明では、前記誘電体層の第３の開口部の開口径は、前記第２の電極の第２の開口部の開口径の１．５倍〜２．０倍の大きさとなるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子放出素子により、解決できる。
【００２４】
上記発明によれば、冷陰極エミッタの表面に形成される電界強度の低下を防止することができ、冷陰極エミッタから放出される電子の数を減少させることなく、電子ビームを集束させることができる。
【００２５】
請求項６記載の発明では、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子放出素子と、前記冷陰極エミッタと対向し、かつ離間した位置に形成された第３の電極と、該第３の電極の前記冷陰極エミッタと対向する面に形成された蛍光体とを備えたことを特徴とする電界放出型表示装置により、解決できる。
【００２６】
上記発明によれば、負に帯電した誘電体層により形成される等電位線により、電子ビームは集束し、効率良く電子ビームを蛍光体に照射することができる。これにより、高精細な画像を得ることができる。
【００２７】
請求項７記載の発明では、前記第３の電極は、正の電圧と負の電圧とに切り換え可能に構成され、前記電子が放出された際、前記第３の電極に負の電圧を印加することにより、前記誘電体層を負に帯電させることを特徴とする請求項６に記載の電界放出型表示装置により、解決できる。
【００２８】
上記発明によれば、電子が放出された際、第３の電極に負の電圧を印加することにより、第２の電極に形成された第２の開口部を通過した電子の進路を誘電体層の方向に曲げることができ、電子を誘電体層に到達させて、誘電体層を負に帯電させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。始めに、本実施例による電界放出型表示装置３０の構成について説明する。図３は、本発明の本実施例による電界放出型表示装置の断面図である。なお、図３に示したＨ１は絶縁層３４の開口部（以下、開口部Ｈ１）、Ｈ２はゲート電極３５の開口部（以下、開口部Ｈ２）、Ｈ３は誘電体層３６の開口部（以下、開口部Ｈ３）をそれぞれ示している。また、図３に示したＲｇはゲート電極３５に形成された開口部Ｈ２の開口径（以下、開口径Ｒｇ）を示しており、Ｒｉは誘電体層３６に形成された開口部Ｈ３の開口径（以下、開口径Ｒｉ）を示している。
【００３０】
図３に示すように、電界放出型表示装置３０は、大略すると電子放出素子３１と、基板３９と、アノード電極４１と、スペーサ４３と、蛍光体４２とにより構成されている。第３の電極であるアノード電極４１は、基板３９の下面に形成されており、アノード電極４１の下面には、蛍光体４２が形成されている。電子放出素子３１は、基板３２と、カソード電極３３と、絶縁層３４と、ゲート電極３５と、誘電体層３６と、冷陰極エミッタ３８とにより構成されている。基板３２上には、第１の電極であるカソード電極３３が形成されている。カソード電極３３上には、第１の開口部である開口部Ｈ１を有した絶縁層３４と、第２の開口部である開口部Ｈ２を有した第２の電極であるゲート電極３５と、第３の開口部である開口部Ｈ３を有した誘電体層３６とが順次形成されている。なお、図３に示した電子放出素子３１では、開口部Ｈ２の開口径Ｒｇと開口部Ｈ３の開口径Ｒとは同じ大きさに形成されている。
【００３１】
冷陰極エミッタ３８は、ゲート電極３５に電圧Ｖｇと、カソード電極３３に電圧−Ｖｃとが印加された際、電子を放出するためのものである。誘電体層３６は、負に帯電させられることで、後述する下に凸な等電位線Ｍを形成し、電子ビームを集束させるためのものである。誘電体層３６は、負に帯電可能な層であればどのような材料を用いても良い。誘電体層３６には、例えば、酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により形成されたＳｉＯ２膜や、ゲート電極３５にＡｌを適用して、その上面を酸化して形成されるＡｌの酸化物等を用いることができる。なお、誘電体層３６を負に帯電させる具体的な方法については後述する。誘電体層３６上には、スペーサ４３が設けられており、基板３９はアノード電極４１を介してスペーサ４３に支持されている。また、冷陰極エミッタ３８と対向するアノード電極４１の面には、蛍光体４２が形成されている。アノード電極４１に正の電圧Ｖａが印加されると、冷陰極エミッタ３８から放出された電子は加速され、蛍光体４２に照射されて発光する。
【００３２】
このように、ゲート電極３５上に負に帯電可能な誘電体層３６を形成し、誘電体層３６を負に帯電させることで、後述する下に凸な等電位線Ｍが形成され、この等電位線Ｍにより電子ビームを集束することができ、集束された電子ビームを効率良く蛍光体４２に照射することができ、高精細な画像を得ることができる。また、誘電体層３６を負に帯電させるための構成を別途設ける必要がないため、従来のフォーカス電極１８を用いて電子ビームを集束させる場合と比較して構成を簡略化できる。
【００３３】
図４は、誘電体層の開口部をゲート電極の開口部よりも大きく形成した電界放出型表示装置の断面図である。なお、図４において、図３と同一構成部分には同一符号を付す。また、図４中のＨ４は誘電体層４４に形成された開口部（以下、開口部Ｈ４）を示しており、ＲＩは誘電体層４４に形成された開口部Ｈ４の開口径ＲＩを示している。図４に示すように、電界放出型表示装置３７には、電子放出素子４６が設けられており、電子放出素子４６の誘電体層４４には、ゲート電極３５に形成された開口部Ｈ２よりも大きな開口部ＲＩが形成されている。このように、誘電体層４４に形成された開口部Ｈ４の開口径ＲＩをゲート電極３５に形成された開口部Ｈ２の開口径Ｒｇよりも大きく形成しても良い。
【００３４】
好ましくは、開口部Ｈ４の開口径ＲＩを開口部Ｈ２の開口径Ｒｇの１．５倍〜２．０倍の大きさに形成すると良い。このような大小関係となるような開口径ＲＩ，Ｒｇを形成することにより、誘電体層４４を負に帯電させた際に生じる冷陰極エミッタ３８表面の電界強度の低下を抑制して、冷陰極エミッタ３８から放出される電子の数を低下させることなく、電子ビームを集束させることができる。また、冷陰極エミッタ３８から放出される電子の数が低下しないことから、アノード電流が低下しないため、蛍光体４２を高輝度に発光させることができ、さらに高画質な画像を得ることができる。なお、上記説明した電界放出型表示装置３０，３７は、従来からある手法により形成することができる。
【００３５】
次に、図５に示した電界放出型表示パネル５４を例に挙げて、誘電体層３６を負に帯電させる方法について説明する。図５は、図３に示した電子放出素子を複数配列させて構成された電界放出型表示パネルの電子放出素子アレイを平面視した際の概略図であり、図６は電界放出型表示パネルの駆動波形を示した図である。なお、図６に示したＴ１は初期状態（以下、初期状態Ｔ１）、Ｔ２は誘電体層３６を負に帯電させる時間（以下、帯電時間Ｔ２）、Ｔ３は電界放出型表示パネル５４の１水平ライン（１ラインのゲート電極）を走査する時間（以下、走査時間Ｔ３）をそれぞれ示している。また、図６中に示した（ａ）はアノード電極４１の電圧パルスの波形、（ｂ）はゲート電極３５−１の電圧パルスの波形、（ｃ）はゲート電極３５−２の電圧パルスの波形、（ｄ）はゲート電極３５−３の電圧パルスの波形、（ｅ）はカソード電極３３−１の電圧パルスの波形、（ｆ）はカソード電極３３−２の電圧パルスの波形をそれぞれ示している。
【００３６】
始めに、図５を参照して、複数の電子放出素子３１を備えた電界放出型表示パネル５４の図示した部分の構成について説明する。図５に示すように、電界放出型表示パネル５４は、大略するとゲート電極３５−１〜３５−３と、カソード電極３３，３３−１〜３３−２と、アノード電極４１とにより構成されている。ゲート電極３５−１〜３５−３は、カソード電極３３，３３−１〜３３−２と交差するように配置されている。ゲート電極３５−１〜３５−３と、カソード電極３３，３３−１〜３３−２と、アノード電極４１とには、制御装置（図示せず）がそれぞれ駆動回路（図示せず）を介して設けられている。制御装置は、駆動回路を制御して、セル５１，５１Ａ〜５１Ｄを発光させるためのものである。
【００３７】
セル５１，５１Ａ〜５１Ｄには、それぞれ複数の電子放出素子３１が配設されている。セル５１Ａは、ゲート電極３５−１とカソード電極３３−１とが交差する位置に形成され、セル５１Ｂはゲート電極３５−１とカソード電極３３−２とが交差する位置に形成されている。また、セル５１Ｃはゲート電極３５−２とカソード電極３３−１とが交差する位置に形成され、セル５１Ｄは、ゲート電極３５−２とカソード電極３３ａとが交差する位置に形成されている。
【００３８】
次に、図５乃至図６を参照して、電界放出型ディスプレイ３０に形成された誘電体層３６の帯電方法ついて説明する。図６に示すように、誘電体層３６を負に帯電させるために、時刻ｔ１において、アノード電極４１に電圧−ＶＡＣを印加し、さらにゲート電極３５−１〜３５−３に電圧ＶＧとカソード電極３３−１〜３３−２に電圧−ＶＣＣとを印加して、この状態を帯電時間Ｔ２の間維持する。
【００３９】
図７は、帯電時間Ｔ２での電界放出型表示装置の状態を模式的に示した断面図である。なお、図７に示したＪは、等電位線（以下、等電位線Ｊ）を示しており、Ｋは冷陰極エミッタ３８から放出された電子の軌道（以下、軌道Ｋ）を示している。
【００４０】
図７に示すように、ゲート電極３５―１〜３５−３に印加された電圧ＶＧと、カソード電極３３−１〜３３−２に印加された電圧−ＶＣＣとの電位差により、冷陰極エミッタ３８から電子が放出される。この放出された電子が持つ電子エネルギーは、ＶＧ＋ＶＣＣ（ｅＶ）となる。この放出された電子は負の電荷を有しており、この電子の放出方向の先にあるアノード電極４１には電圧−ＶＡＣが印加されているため、開口部Ｈ１〜Ｈ３を通過後、電子はアノード電極４１の電位により、その進路を曲げられて、方向Ｋに進み誘電体層３６に到達する。
【００４１】
このように、アノード電極４１と、ゲート電極３５−１〜３５−３と、カソード電極３３−１〜３３−２とに印加される電圧を制御することにより、誘電体層３６を電子で負に帯電させることができる。また、負に帯電した誘電体層３６により生成される電位は、帯電時間Ｔ２と電子エネルギーとに依存し、長時間経過後にはＶＧ＋ＶＣＣに収束する。したがって、帯電時間Ｔ２又はゲート電極３５−１〜３５−３に印加する電圧ＶＧ、カソード電極３３−１〜３３−２に印加する電圧−ＶＣＣのいずれかを調整することにより、電子の電荷量を所望の値に調整できる。これにより、負に帯電する誘電体層３６の電位を制御して、電子ビームの径を所望の大きさに制御することができる。なお、各電圧は、例えば、電圧ＶＡを１５００Ｖ、電圧−ＶＡＣを−２００Ｖ、電圧ＶＧを３０Ｖ、電圧−ＶＣＣを−３０Ｖにそれぞれ設定することができる。
【００４２】
次に、誘電体層３６を負に帯電させた後に行う、電界放出型表示パネル５４のゲート電極の走査方法について、図５に示したゲート電極３５−１，３５−２を走査する場合を例に挙げて説明する。時刻ｔ２において、ゲート電極３５−１に電圧ＶＧを印加させた状態で、アノード電極４１に電圧ＶＡと、カソード電極３３−１に電圧−ＶＣとを印加し、ゲート電極３５−２，３５−３とカソード電極３３−２との電圧を０にする。これによりゲート電極３５−１には電圧ＶＧが印加され、カソード電極３３−１には電圧−ＶＣが印加されるため、セル５１Ａに形成された冷陰極エミッタ３８からは電子が放出される。
【００４３】
図８は、誘電体層を負に帯電させた後に電子ビームを放出させた電界放出型表示装置の状態を模式的に示した図である。なお、図８に示したＬ，Ｍは、ゲート電極３５に印加された電圧及び負に帯電した誘電体層３６により形成された等電位線（以下、等電位線Ｌ，Ｍ）を示しており、Ｎは電子ビームの軌道（以下、軌道Ｎ）を示している。
【００４４】
図８に示すように、冷陰極エミッタ３８から電子が放出されると、電子は冷陰極エミッタ３８の表面近傍に形成された上に凸の等電位線Ｌと直交する方向に力を受けて進む。そのため、大半の電子はゲート電極３５の方向（蛍光体４２に対して発散する方向）に進む。しかし、開口部Ｈ３を有した誘電体層３６は、負に帯電されているため、電子ビームが開口部Ｈ３を通過する際、下に凸の等電位線Ｍと直交する方向に力を受ける。これにより、電子ビームは集束されて方向Ｎに進み、蛍光体４１に照射される。
【００４５】
このように、ゲート電極３５上に負に帯電可能な誘電体層３６を形成し、誘電体層３６を電子により負に帯電させて、誘電体層３６の近傍に下に凸の等電位線Ｍを形成することにより、電子ビームを集束させて、効率良く蛍光体４２に照射することができる。
【００４６】
次に、複数の電子放出素子３１を備えて構成された電界放出型表示パネル５４に画像を表示させる際の駆動方法について説明する。図９は、図５に示した電界放出型表示パネルの全体の概略を示した平面図であり、図１０は図９に示した電界放出型表示パネルの駆動波形を示した図である。なお、図１０に示した１Ｈは、１水平ラインを走査する時間を示しており、１Ｆは１画面を構成するのに要する（１画面を走査する）時間を示している。例えば、表示パネル５４に配設された走査線数がｎ本の場合には、１Ｆ＝ｎ×１Ｈとなる。また、図１０中に示した（ｇ）はアノード電極４１の電圧パルスの波形、（ｈ）はゲート電極３５−１の電圧パルスの波形、（ｉ）はゲート電極３５−２の電圧パルスの波形、（ｊ）はゲート電極３５―ｎの電圧パルスの波形、（ｋ）はカソード電極３３の電圧パルスの波形をそれぞれ示しており、カソード電極３３は表示輝度レベルにより電圧−ＶＣが印加される時間が変化するため、電圧パルスは同図中では斜線で示している。
【００４７】
始めに、図９に図示した表示パネル５４の構成について簡単に説明する。図９に示すように、電界放出型表示パネル５４の電子放出素子アレイは、ｎ本のゲート電極３５−１〜３５−ｎと、複数のカソード電極３３とにより構成されており、ゲート電極３５−１〜３５−ｎとカソード電極３３とが交差する領域には、それぞれセル５１が形成される。
【００４８】
次に、図１０を参照して、表示パネル５４の駆動方法について説明する。図１０に示すように、時刻ｔ１において、アノード電極４１に電圧−ＶＡＣと、全てのゲート電極３５−１〜３５−ｎに電圧ＶＧと、カソード電極３３に電圧−ＶＣＣを印加する。全てのゲート電極３５−１〜３５−ｎとカソード電極３３とに電圧が印加されているため、全ての冷陰極エミッタ３８から電子が放出される。この際、アノード電極４１には、負の電圧−ＶＡＣが印加されているため、放出された電子は、ゲート電極３５−１〜３５−ｎに形成された開口部Ｈ２を通過後、誘電体層３６に到達する。これにより、誘電体層３６は負に帯電するため、電子ビームを集束するための下に凸な等電位線Ｍが形成される。
【００４９】
時刻ｔ２から時刻ｔ３の間では、１番目のゲート電極３５−１のラインの走査が行なわれる。時刻ｔ２では、アノード電極４１に電圧ＶＡと、ゲート電極３５−１に電圧ＶＧとを印加する。電圧−ＶＣが印加されたカソード電極３３とゲート電極３６−１とが交差するセル５１では、冷陰極エミッタ３８から電子が放出される。電子ビームは、誘電体層３６に形成された開口部Ｈ３を通過する際、下に凸の等電位線Ｍにより集束され、アノード電極４１により加速されて蛍光体４２に照射される。これにより、蛍光体４２からは、可視光が放出されて発光する。電圧が印加されなかったカソード電極３３とゲート電極３５−１が交差するセル５１では、冷陰極エミッタ３８から電子は放出されない。
【００５０】
また、ゲート電極３５−２〜３５−ｎには電圧ＶＧが印加されていないため、冷陰極エミッタ３８から電子は放出されない。時刻ｔ３では、ゲート電極３５−２に電圧ＶＧを印加し、ゲート電極３６−２以外のゲート電極の電圧は０にする。これにより、電圧−ＶＣが印加されたカソード電極３３とゲート電極３６−２とが交差したセル５１では、冷陰極エミッタ３８から電子が放出され、電子ビームは等電位線Ｍにより集束され、蛍光体４２に照射される。この蛍光体４２への電子の照射をそれぞれのゲート電極３５−１〜３５−ｎに対して順次行い、時刻ｔ５では、ゲート電極３５−ｎに電圧ＶＧが印加され、集束された電子ビームが蛍光体４２に照射される。このように、ゲート電極３５−１からゲート電極３５−ｎまでの走査を行うことにより電界放出型表示パネル５４の一画面が構成される。
【００５１】
時刻ｔ６では、ゲート電極３５−１に電圧ＶＧを印加し、ゲート電極３５−１以外のゲート電極の電圧は０にする。これにより、電圧−ＶＣが印加されたカソード電極３３とゲート電極３５−１とが交差したセル５１では冷陰極エミッタ３８から電子が放出され、誘電体層３６の開口部Ｈ３を通過する際、電子ビームは等電位線Ｍにより集束され、蛍光体４２に照射される。このような走査をゲート電極３５−１からゲート電極３５−ｎまで繰り返し行うことで、再度一画面が構成される。
【００５２】
上記方法により、３６００画面（３６００Ｆ）を構成した後、時刻ｔ７において、再びアノード電極４１に電圧−ＶＡＣと、ゲート電極３５−１〜３５−ｎに電圧ＶＧと、カソード電極３３に電圧−ＶＣＣとを印加し、誘電体層３６を負に帯電させる。時刻ｔ８においてゲート電極３５−１に電圧ＶＧを印加してゲート電極３５−１の走査を行う。
【００５３】
このように、電界放出型表示パネル５４を駆動させることにより、高精細な画像を得ることができる。なお、本実施例では、３６００Ｆ毎に誘電体層３６を負に帯電させて帯電状態を均一に維持したが、誘電体層３６を負に帯電させる周期は３６００Ｆに限定されない。帯電状態が均一に長時間維持することができる場合には、負に帯電させる周期を３６００Ｆよりも大きくしても良いし、短時間しか均一な帯電状態が維持できない場合には、誘電体層３６を負に帯電させる周期を短くしても良い。また、電子放出素子３１の代わりに電子放出素子４６を適用しても良い。
【００５４】
（電界放出型表示装置の評価結果）
次に、本発明者が行った誘電体層３６の開口部の開口径を変化させた際の電界放出型表示装置３０，３７の特性評価を行った結果について説明する。
【００５５】
図１１は誘電体層に帯電した電子の電荷密度とアノード電流との関係を示した図であり、図１２は誘電体層に帯電した電子の電荷密度と電子ビームの径との関係を示した図である。なお、本評価には、図３及び図４に示した電界放出型表示装置３０，３７を用い、誘電体層３６，４４には膜厚が１．０μｍのＳｉＯ２膜を用いた。また、開口部Ｈ３の開口径は１０μｍに形成し、開口部Ｈ４の開口径は１５μｍと２０μｍとに形成したものを用い、ゲート電極３５の開口部Ｈ２の開口径は全て１０μｍに形成したものを用いた。
【００５６】
図１１に示すように、電荷密度が大きくなるにつれ、誘電体層３６，４４に形成された開口部Ｈ３，Ｈ４の開口径に依存することなく、アノード電流は小さくなる。これは、ゲート電極３５に印加される電圧により冷陰極エミッタ３８表面に形成される電界強度が、誘電体層３６に帯電した電荷によって弱められ、冷陰極エミッタ３８から放出される電子が減少するためである。また、誘電体層３６に帯電した電子の電荷密度が大きい場合には、誘電体層３６に帯電した電荷により冷陰極エミッタ３８から放出される電子が遮断されるため、電子は誘電体層３６，４４に形成された開口部Ｈ３，Ｈ４を通過することができない。そのため、図１１に示すように、電荷密度が大きい場合には、アノード電流は０になる。
【００５７】
図１２に示すように、開口部Ｈ３の開口径が１０μｍの場合には、電荷密度が５×１０−４Ｃ／ｍ２において電子ビームの径が極小値１７１μｍとなり、開口部Ｈ４の開口径が１５μｍと２０μｍとの場合には、電荷密度が１×１０−３Ｃ／ｍ２において電子ビームの径が極小値４５μｍとなる。なお、電子ビームの径が極小値となる電荷密度よりも小さい電荷密度の領域では、負に帯電した誘電体層３６により形成される下に凸な等電位線Ｍの作用が小さいため、電子ビームの径は大きくなる。また、電子ビームの径が極小値となる電荷密度よりも大きな電荷密度の領域では、等電位線Ｍの作用が大きすぎるため、ゲート電極３５に形成された開口部Ｈ２を通過した直後にクロスオーバとなり、電子ビームの径は大きくなる。
【００５８】
上記評価結果から、誘電体層３６に形成された開口径Ｈ４をゲート電極３５の開口径Ｈ２の１．５〜２．０倍の大きさに形成することにより、ゲート電極３５の開口径と誘電体層３６の開口径Ｈ３とを同じ大きさに形成した場合と比較して、電子ビームをより集束させることができ、さらに高輝度で高精細な画像を得ることができる。
【００５９】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。なお、本実施例では、電子冷陰極エミッタ３８から放出される電子により誘電体層３６を負に帯電させたが、誘電体層３６を負に帯電させることができれば良く、本実施例の帯電方法に限定されない。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、冷陰極エミッタから放出された電子ビームを集束させ、効率良く蛍光体に照射し、高精細な画像を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電界放出型表示装置の概略図（その１）である。
【図２】従来の電界放出型表示装置の概略図（その２）である。
【図３】本発明の本実施例による電界放出型表示装置の断面図である。
【図４】誘電体層の開口部をゲート電極の開口部よりも大きく形成した電界放出型表示装置の断面図である。
【図５】図３に示した電子放出素子を複数配列させて構成された電界放出型表示パネルの電子放出素子アレイを平面視した際の概略図である。
【図６】電界放出型表示パネルの駆動波形を示したものである。
【図７】帯電時間Ｔ２での電界放出型表示装置の状態を模式的に示した断面図である。
【図８】誘電体層を負に帯電させた後に電子ビームを放出させた際の電界放出型表示装置の状態を模式的に示した図である。
【図９】図５に示した電界放出型表示パネルの全体の概略を示した平面図である。
【図１０】図９に示した電界放出型表示パネルの駆動波形を示した図である。
【図１１】誘電体層に帯電した電子の電荷密度とアノード電流との関係を示した図である。
【図１２】誘電体層に帯電した電子の電荷密度と電子ビームの径との関係を示した図である。
【符号の説明】
１０、２５、３０、３７ 電界放出型表示装置
１１、２７、３１、４６ 電子放出素子
１２、２１、３２、３９ 基板
１３、３３，３３−１〜３３−２ カソード電極
１４、３４ 絶縁層
１５、２６、３５、３５−１〜３５−３、３５−ｎ ゲート電極
１７、３６、４４ 誘電体層
１８ フォーカス電極
１９、３８ 冷陰極エミッタ
２２、４１ アノード電極
２３、４２ 蛍光体
２４、４３ スペーサ
５１、５１Ａ〜５１Ｄ セル
５４ 電界放出型表示パネル
Ａ、Ｅ、Ｈ１〜Ｈ４ 開口部
Ｂ、Ｃ、Ｆ、Ｊ、Ｌ、Ｍ 等電位線
Ｄ、Ｇ、Ｋ、Ｎ 軌道
Ｒｇ、Ｒｉ、ＲＩ 開口径
Claims (7)
- 基板上に形成された第１の電極と、
該第１の電極上に形成され、該第１の電極を露出する第１の開口部を有した絶縁層と、
該絶縁層上に形成され、前記第１の電極を露出する第２の開口部を有した第２の電極と、
前記第１の開口部に露出された前記第１の電極上に形成された電子を放出するための冷陰極エミッタとを備えた電界放出素子において、
前記第２の電極上に第３の開口部を有した誘電体層を設けたことを特徴とする電界放出素子。 - 前記誘電体層は、前記冷陰極エミッタから放出された前記電子により負に帯電させられることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
- 前記誘電体層に帯電する前記電子の電荷量は、前記第１及び第２の電極の電圧を可変することにより、所望の電荷量に調整可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の電界放出素子。
- 前記誘電体層は、一定の周期毎に負に帯電させられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子放出素子。
- 前記誘電体層の第３の開口部の開口径は、前記第２の電極の第２の開口部の開口径の１．５倍〜２．０倍の大きさとなるよう構成したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子放出素子。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子放出素子と、
前記冷陰極エミッタと対向し、かつ離間した位置に形成された第３の電極と、
該第３の電極の前記冷陰極エミッタと対向する面に形成された蛍光体とを備えたことを特徴とする電界放出型表示装置。 - 前記第３の電極は、正の電圧と負の電圧とに切り換え可能に構成され、前記電子が放出された際、前記第３の電極に負の電圧を印加することにより、前記誘電体層を負に帯電させることを特徴とする請求項６に記載の電界放出型表示装置。
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-
2003
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