JP4266993B2 - 電子放出素子 - Google Patents

Description

本発明は，電子放出素子に関する。

一般に，電子放出素子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ）は，電子源の種類によって，熱陰極（ｈｏｔ ｃａｔｈｏｄｅ）を用いる方式と冷陰極（ｃｏｌｄ ｃａｔｈｏｄｅ）を用いる方式に分類される。

ここで，冷陰極を用いる方式の電子放出素子としては，電界放出アレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ａｒｒａｙ：ＦＥＡ）型，表面伝導エミッション（Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＳＣＥ）型，金属−誘電層−金属（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ：ＭＩＭ）型，金属−誘電層−半導体（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ：ＭＩＳ）型，及びバリスティック（Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ：ＢＳＥ）型などが知られている。

ＭＩＭ型素子の電子放出源は，第１金属層，第２金属層，及び第１金属層と第２金属層との間に配置される誘電層を含み，ＭＩＳ型素子の電子放出源は，金属層，半導体層，及び金属層と半導体層との間に配置される誘電層を含む。ＭＩＭ型またはＭＩＳ型の素子において，誘電層を挟んで位置する２つの金属の間または金属と半導体との間に電圧を印加するとき，高い電子電位を有する金属または半導体から低い電子電位を有する金属へ電子が移動及び加速しながら放出される。

ＢＳＥ型電子放出素子は，ポリシリコン薄膜を多孔質化した微結晶構造（ナノ結晶構造）内に注入された電子が，ポリシリコン薄膜の周囲に配置された酸化膜によって加速しながら真空中に放出される原理を利用した素子である。

ＳＣＥ型電子放出素子は，基板上に形成された電極に電圧を印加して小さい面積の導電薄膜の表面に電流を流すことにより，微細ギャップとしての電子放出部から電子が放出される原理を利用した素子であって，第１基板上に対向配置された第１電極と第２電極との間に導電薄膜を提供し，導電薄膜に微細亀裂を提供することにより，電子放出部を形成した素子である。

ＦＥＡ型電子放出素子は，仕事関数（ｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）が低い，あるいはアスペクト比が大きい物質を電子放出源として用いる場合，真空中で電界によって容易に電子が放出される原理を利用したものであって，モリブデン（Ｍｏ）やシリコン（Ｓｉ）などを主材質とする尖端チップ構造物，または黒鉛，ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの炭素系物質，またはナノチューブ（ｎａｎｏ ｔｕｂｅ）やナノワイヤ（ｎａｎｏ ｗｉｒｅ）などのナノ物質を電子放出源として適用する技術が開発されている。

一般に，電子放出素子の典型的な構造は，向かい合う２つの基板のうち第１基板上には，電子放出部，この電子放出部の電子放出を制御する駆動電極としてのカソード電極及びゲート電極が形成され，第１基板に対向する第２基板の一面には，蛍光スクリーン，およびこの蛍光スクリーンを高電位状態に維持させるアノード電極が形成される構成を持つ。

第１基板および第２基板は，フリット（ｆｒｉｔ）などの密封材によって一体に封着された後，内部が排気されて真空容器を構成する。真空容器の内部には複数のスペーサが装着される。このスペーサは，真空容器に加えられる圧力に対応して第１基板と第２基板との間隔を一定に維持させる。

さらに，電子放出素子には，ゲート電極と所定の間隔をおいて電子ビームを集束させるための集束電極が形成される。

集束電極には，電子放出部から放出されて形成された電子ビームが通過するビーム通過孔が設けられる。ビーム通過孔は，蛍光スクリーンの蛍光膜パターンに対応して設けられる。すなわち，ビーム通過孔は，蛍光スクリーンにおいて１ピクセルの大きさに合わせて設けられる。

ところが，従来では，ビーム通過孔を通過した電子ビームが，蛍光スクリーンにおいて打撃しようとする希望のピクセルに到達したとき，その大きさをピクセルの大きさよりさらに大きくして，当該ピクセルのみでなく，このピクセルに隣り合うピクセルを打撃するようにして所望しない蛍光層を発光させる場合がある。

このような場合には，所望する蛍光スクリーンのピクセルに対する輝度が得られないと共に，これにより全体蛍光スクリーンの画質が低下してしまう。

そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，電子ビームが所望しない蛍光層を打撃せず，隣接するピクセル（画素）が付随的に発光して画質の差異が発生することを抑制することが可能な，新規かつ改良された電子放出素子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，所定の間隔をおいて対向配置される第１基板及び第２基板と，第１基板上に形成され，第１電極，第２電極および電子を放出する電子放出部を含む電子放出構造体と，第２基板上に形成され，電子から形成された電子ビームによって発光する発光構造体と，を含む電子放出素子であって，電子放出構造体は，電子ビームを集束させる集束電極を含み，発光構造体は，電子ビームによって発光する蛍光層を含んだピクセルが任意のパターンとして形成される蛍光スクリーンを含み，集束電極は，電子ビームが通過するビーム通過孔を有し，ビーム通過孔の第１電極と平行な方向の長さをＬ_Ｖ，ピクセルの第１電極と平行な方向のピッチをＰ_Ｖとするとき，０．２５≦Ｌ_Ｖ／Ｐ_Ｖ≦０．６０の条件を満足する電子放出素子が提供される。

ビーム通過孔内に複数の電子放出部が配置されてもよく，ビーム通過孔内に一つの電子放出部が配置されてもよい。

本発明によれば，集束電極に設けられるビーム通過孔の垂直長さを，電子ビームが隣接の画素に到達しない最も適切な範囲に設定するので，隣接の画素が付随的に発光して画質の差異が発生することを抑えることが可能であり，全体的に画質の均一性及び品位が向上した電子放出素子を提供することが可能である。

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実施形態）
図１は，本発明の第１実施形態に係る電子放出素子を示す部分拡大斜視図である。図２は，本発明の第１実施形態に係る電子放出素子を示す部分拡大断面図であって，ＦＥＡ型電子放出素子の場合を示している。

図１及び図２を参照すると，ＦＥＡ型電子放出素子は，所定の間隔を置いて対向配置される第１基板２０および第２基板２２と，第１基板２０上に所定の間隔で形成される複数の第１電極（カソード電極）２４と，第１電極２４上に第１絶縁層２５を介して交差するパターンに形成される複数の第２電極（ゲート電極）２６と，第２電極２６と交差する部分の第１電極２４上に形成される電子放出部（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｅｍｉｓｓｏｎ ｒｅｇｉｏｎｓ）２８と，第２基板２２上に形成されるアノード電極３０と，アノード電極３０の一面に形成される蛍光スクリーン３２と，第１基板２０と第２基板２２との間に設けられるスペーサ６０と，第２絶縁層５０を介して第１電極２４および第２電極２６上に形成され，電子放出部２８から放出された電子によって形成された電子ビームが通過するビーム通過孔４００が所定のパターンに配列されて形成される集束電極４０とを含む。

集束電極４０は，電子ビームの集束性能を高める役割，およびアノード電極３０の電界を遮蔽する役割をする。

集束電極４０と第２電極２６との間に配置された第２絶縁層５０にも，電子ビーム通過孔４００に対応するビーム通過孔５００が設けられるが，本実施形態におけるビーム通過孔５００は，集束電極４０のビーム通過孔４００と同じパターンを持つ。本実施形態において，第１電極２４，第２電極２６，電子放出部２８及び集束電極４０は，電子放出素子において実際電子を放出して第２基板２２に電子ビームを走査するようにする電子放出構造体を構成する。

これに対し，アノード電極３０と蛍光スクリーン３２は，電子ビームによって発光する発光構造体を構成する。

上記の電子放出構造体についてより具体的に説明すると，第１電極２４および第２電極２６は，ストライプパターンに形成され，互いに直交する方向に配列される。例えば，第１電極２４は，図１のＸ軸方向に沿ってストライプパターンに形成され，第２電極２６は，図１のＹ軸方向に沿ってストライプパターンに形成される。

第１電極２４と第２電極２６との間には，第１基板２０の全面に形成される第１絶縁層２５が配置される。

第１電極２４と第２電極２６との交差領域を画素領域と定義すると，第１電極２４上に画素領域ごとに一つ以上の電子放出部２８が形成され，第１絶縁層２５と第２電極２６にはそれぞれ電子放出部２８に対応する開口部２５０，２６０が設けられ，電子放出部２８が露出されるようにする。

しかも，本実施形態において，電子放出部２８は，円形のパターンに形成され，各画素領域で第１電極２４の長さ方向Ｘに沿って一列に配列される構成として示したが，電子放出部２８の平面形状，画素領域当りの個数および配列形態などは，これに限定されない。

電子放出部２８は，真空中で電界が加えられると電子を放出するものであって，炭素系物質またはナノ物質（ナノメートルサイズの物質）などから形成されてもよい。

電子放出部２８として用いる好ましい物質には，例えば，黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ），ダイヤモンド，ダイヤモンドライクカーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅｄ Ｃａｒｂｏｎ：ＤＬＣ），Ｃ_６０（ｆｕｌｌｅｒｅｎ）などの炭素系物質または炭素ナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ：ＣＮＴ），黒鉛ナノファイバ，シリコンナノワイヤなどのナノ物質及びこれらの組み合わせ物質がある。

また，ここでは，第１電極２４がカソード電極の役割をし，第２電極２６がゲート電極の役割をするように説明してあるが，第１電極２４がゲート電極の役割，第２電極がカソード電極の役割をしてもよい。この場合には，第２電極上に電子放出部が形成される。

一方，前述した発光構造体をより具体的に考察すると，蛍光スクリーン３２は，Ｒ，Ｇ，Ｂ蛍光体３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂを含む蛍光層３４と，このＲ，Ｇ，Ｂ蛍光体３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂの間に配置される黒色層３６とを含む。この蛍光層３４と黒色層３６は，蛍光スクリーン３２を形成するためのピクセルを任意のパターンとすることができる。

本実施形態では，図３に示すように，蛍光層３４と黒色層３６が略長方形のパターンにピクセルＰを形成している。このようなピクセルＰのパターンは，前述した集束電極４０のビーム通過孔４００と第２絶縁層５０のビーム通過孔５００のパターンに対応する。

このピクセルＰは，第１電極２４の長さ方向，すなわち前述したＸ方向に沿って垂直ピッチＰ_Ｖをもって配列される。ここで，ピクセルＰの垂直ピッチＰ_Ｖは，蛍光層３４の垂直ピッチＰ_Ｐと黒色層３６の垂直ピッチＰ_Ｂとを合わせたものであるといえる。

本実施形態において，アノード電極３０は，アルミニウムのような導電性を有する金属膜からなるため，外部から電子ビームの加速に必要な高電圧の印加を受ける。このようなノード電極３０は，蛍光スクリーン３２から放射された可視光のうち第１基板２０を向かって放射された可視光を第２基板２２側に反射させて画面の輝度を高める役割もする。

このアノード電極３０は，金属膜ではなくインジウム−スズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）など光透過率に優れた透明な導電膜で構成することも可能である。この場合には，まずアノード電極が第２基板２２に形成され，その後アノード電極上に蛍光スクリーンが形成できる。この際，このアノード電極は，所定のパターンに区分されて複数個に形成してもよい。

このように構成された電子放出構造体と発光構造体とがそれぞれ形成された第１基板２０と第２基板２２は，電子放出部２８と蛍光スクリーン３２とが向かい合った状態で，所定の間隔をおいて密封材（図示せず。）によって接合され，その間に設けられる内部空間は排気されて真空状態を維持する。

この際，スペーサ６０は，第１基板２０と第２基板２２との間隔を一定に維持させるために，第１基板２０と第２基板２２との間に所定の間隔をおいて配設される。このスペーサ６０は，画素の位置および電子ビームの経路を回避して電子放出素子の非発光領域に設置されることが好ましい。

一方，本実施形態において，集束電極４０のビーム通過孔４００は，蛍光スクリーン３２のピクセルＰの垂直ピッチＰ_Ｖに対して２５〜６０％の範囲に維持される垂直長さＬ_Ｖをもって形成される（図４参照。）。

このようなビーム通過孔４００の垂直長さＬ_Ｖは，電子ビームが蛍光スクリーン３２に到達するとき，所望するピクセルＰの蛍光層３４のみを打撃することができることを考慮したものである。次に，これについて説明する。

表１及び図５のグラフは，前述したように電子放出素子を形成し，その輝度の目標値を３００ｃｄ／ｍ^２に設定した後，アノード電極３０にそれぞれ２．３Ｖ／ｍ，２．８Ｖ／ｍ，３．６Ｖ／ｍ，５．６Ｖ／ｍの電界（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）がかかるようにそれぞれのアノード電圧を印加しながら測定した電子ビームの垂直直径Ｄ_ＢＶを示している。

この際，この垂直直径Ｄ_ＢＶは，電子ビームが蛍光スクリーン３２において一つのピクセルＰに対応する蛍光層３４に到達してこれに衝突するときの垂直直径であり，蛍光スクリーン３２の蛍光層３４に対する開口率は，４６％に設定された。

しかも，表１と図５のグラフは，ビーム通過孔４００の垂直長さＬ_Ｖを変化させながら測定した電子ビームの垂直直径Ｄ_ＢＶを示している。

参考まで，表1及び図５において，ビーム通過孔４００の垂直長さＬ_Ｖ及び電子ビームの垂直直径Ｄ_ＢＶは，それぞれピクセルの垂直ピッチＰ_Ｖで割った値で示した。

電子ビームが蛍光スクリーン３２の垂直方向に配列されたピクセルＰに重畳状態で到達されないためには，電子ビームの垂直直径Ｄ_ＢＶがピクセルＰの垂直ピッチＰ_Ｖよりは小さくなければならない。すなわち，電子ビームの垂直直径Ｄ_ＢＶをピクセルＰの垂直ピッチＰ_Ｖで割った値Ｄ_ＢＶ／Ｐ_Ｖは１より小さくなければならない。

また，目標輝度として設定した３００ｃｄ／ｍ^２を満足するためには，Ｄ_ＢＶ／Ｐ_Ｖが０．４よりは大きくなければならない。これは，一般にピクセルＰの垂直ピッチＰ_Ｖに対して蛍光層３４の垂直ピッチＰ_Ｐを６１％，黒色層３６の垂直ピッチＰ_Ｂを３９％程度に分割して蛍光スクリーン３２を形成するため，電子ビームの垂直直径Ｄ_ＢＶがピクセルＰの垂直ピッチＰ_Ｖに対して４０％未満になると，蛍光層３４の２／３以下にのみ電子ビームが到達してこの蛍光層３４を発光させるので，十分な輝度を得ることができず，目標の輝度を達成することができないためである。

したがって，本実施形態では，電子ビームの垂直直径Ｄ_ＢＶをピクセルＰの垂直ピッチＰ_Ｖで割った値Ｄ_ＢＶ／Ｐ_Ｖを０．４より大きくし，１．０よりは小さい範囲に設定する。

これに対応してビーム通過孔４００の垂直長さＬ_ＶをピクセルＰの垂直ピッチＰ_Ｖで割った値（Ｌ_Ｖ／Ｐ_Ｖ）を表１及び図５から確認すると，０．２〜０．６２の範囲である。

このＬ_Ｖ／Ｐ_Ｖ値は，各ファクターの測定誤差と実際品の製造誤差範囲などを考慮するとき，０．２５〜０．６０に維持されることが好ましい。

上記の範囲を百分率で換算すると，ビーム通過孔４００の垂直長さＬ_Ｖを，ピクセルＰの垂直ピッチＰ_Ｖに対して２５〜６０％の範囲で設定することがよい。

電子放出素子は，上記のような範囲でビーム通過孔４００の垂直長さＬ_Ｖを設定することにより，電子放出部から放出された電子ビームが，蛍光スクリーンにおける所望の一つのピクセルに到達するとき，隣接ピクセルの発光を最大限抑えることが可能であり，これにより全体的に均一な画質を提供することが可能である。

図６Ａ〜図６Ｃは，第１実施形態の変形例による集束電極のビーム通過孔と電子放出部のパターンを示す概略図である。図６Ａは，蛍光スクリーンのピクセルの垂直方向に対応して長く形成された集束電極のビーム通過孔４１０と，このビーム通過孔４１０内に配置される一つの電子放出部４１２を示している。ここで，この電子放出部４１２は，ビーム通過孔４１０のパターンと同様であってもよい。

図６Ｂは，図６Ａの通過孔のパターンから変形された集束電極のビーム通過孔４１４内に複数の電子放出部４１６が配置されることを示しており，図６Ｃは，集束電極のそれぞれのビーム通過孔が複数の小孔４１８からなり，この小孔４１８に電子放出部４２０がそれぞれ配置されることを示している。

このような変形例において，各通過孔４１０，４１４，４１８は，蛍光スクリーンの画素領域に対応して配置される。この際，各通過孔４１０，４１４，４１８の垂直長さは，上記の条件を満足するようにする。

（第２実施形態）
図７及び図８は，本発明の第２実施形態に係る電子放出素子を示す図であって，この電子放出素子は，ＳＣＥ型電子放出素子である。

この電子放出素子は，基本的な構成を前述した第１実施形態の電子放出素子と類似にする。

この電子放出素子において，第１電極７２と第２電極７４は第１基板２０’の同一平面上に形成される。この第１電極７２及び第２電極７４には，それぞれ表面の一部を覆いながら互いに近接するように第１導電薄膜７３及び第２導電薄膜７５が形成される。

電子放出部７８は，第１導電薄膜７３と第２導電薄膜７５との間で第１導電薄膜７３及び第２導電薄膜７５と連結されて形成される。これにより，電子放出部７８は，第１導電薄膜７３及び第２導電薄膜７５を介して第１電極７２及び第２電極７４に電気的に連結される。

この第１電極７２及び第２電極７４に駆動電圧を印加すると，第１導電薄膜７３と第２導電薄膜７５を介して小さい面積の薄膜で形成される電子放出部７８の表面と水平に電流が流れながら表面電動型電子放出がなされる。

第１電極７２と第２電極７４間の間隔は，約数十ｎｍ〜数百μｍ程度の範囲で設定する。

第１電極７２及び第２電極７４は，電気的に導電性を持った様々な材料が使用可能であり，例えば，ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），金（Ａｕ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），白金（Ｐｔ），チタニウム（Ｔｉ），アルミニウム（Ａｌ），銅（Ｃｕ），パラジウム（Ｐｄ），銀（Ａｇ）などの金属及びその合金，金属酸化物からなる印刷導体及びＩＴＯなどの透明電極のいずれも使用可能である。

第１導電薄膜７３及び第２導電薄膜７５は，ニッケル（Ｎｉ），金（Ａｕ），白金（Ｐｔ），パラジウム（Ｐｄ）などの導電性材料を用いた微粒子薄膜で形成する。

電子放出部７８は，黒鉛型炭素や炭素化合物などで形成することが好ましい。また，電子放出部７８は，上述した第１実施形態と同様に，グラファイト，タイヤモンド，タイヤモンドライクカーボン，カーボンナノチューブ，Ｃ_６０などから選定して単独で或いは２種以上を組み合わせて形成することも可能である。

この第２実施形態においても，前述した構成以外は，第１実施形態と同様にして実施することが可能なので，それに対する詳細な説明は省略する。

第１，２実施形態で説明していない具体的な構成は，一般的なＦＥＡ型電子放出素子またはＳＣＥ型電子放出素子の様々な構成を適用して実施することが可能である。

上記のように，本発明の各実施形態に係る電子放出素子は，電子ビームが垂直方向に所望しないピクセルに到達して発光させることを防止することができるように，ピクセルの垂直ピッチに対応してビーム通過孔の大きさを適切な範囲に設定することにより，画質の均一度を向上させることが可能である。

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，本発明はかか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，本発明は，電子放出素子に適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る電子放出素子を示す部分拡大斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る電子放出素子を示す部分拡大断面図である。 本発明に係る電子放出素子の蛍光スクリーンのピクセルを説明するための概略図である。 本発明に係る電子放出素子の集束電極のビーム通過孔を説明するための概略図である。 本発明に係る電子放出素子において集束電極のビーム通過孔の垂直長さと電子ビームの垂直直径の関係を示すグラフ図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る集束電極のビーム通過孔と電子放出部を示す概略図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る集束電極のビーム通過孔と電子放出部を示す概略図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る集束電極のビーム通過孔と電子放出部を示す概略図である。 本発明の第２実施形態に係る電子放出素子を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る電子放出素子の電子放出部を説明するための部分拡大平面図である。

符号の説明

２０，２０’ 第１基板
２２ 第２基板
２４ 第１電極
２５ 第１絶縁層
２６ 第２電極
２８ 電子放出部
３０ アノード電極
３２ 蛍光スクリーン
３４ 蛍光層
３６ 黒色層
４０ 集束電極
５０ 第２絶縁層
６０ スペーサ
７２ 第１電極
７３ 第１導電薄膜
７４ 第２電極
７５ 第２導電薄膜
７８ 電子放出部
２５０，２６０ 開口部
４００，５００ ビーム通過孔
４１０，４１４，４１８ ビーム通過孔
４１２，４１６ 電子放出部
４１８ 小孔

Claims (3)

1. 所定の間隔をおいて対向配置される第１基板及び第２基板と，前記第１基板上に形成され，第１電極，第２電極および電子を放出する電子放出部を含む電子放出構造体と，前記第２基板上に形成され，前記電子から形成された電子ビームによって発光する発光構造体と，を含む電子放出素子であって：
   前記電子放出構造体は，前記電子ビームを集束させる集束電極を含み，
   前記発光構造体は，前記電子ビームによって発光する蛍光層を含んだピクセルが任意のパターンとして形成される蛍光スクリーンを含み，
   前記集束電極は，前記電子ビームが通過するビーム通過孔を有し，前記ビーム通過孔の前記第１電極と平行な方向の長さをＬ_Ｖ，前記ピクセルの前記第１電極と平行な方向のピッチをＰ_Ｖとするとき，０．２５≦Ｌ_Ｖ／Ｐ_Ｖ≦０．６０の条件を満足することを特徴とする，電子放出素子。
2. 前記ビーム通過孔内に複数の電子放出部が配置されることを特徴とする，請求項１に記載の電子放出素子。
3. 前記ビーム通過孔内に一つの電子放出部が配置されることを特徴とする，請求項１に記載の電子放出素子。
   

Images