JP4741449B2

JP4741449B2 - 冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイ

Info

Publication number: JP4741449B2
Application number: JP2006293854A
Authority: JP
Inventors: 哲彦室井; 敏裕山本
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2026-10-30
Also published as: JP2008112609A

Description

本発明は、冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイに係り、特に、電子ビーム径を小さくするとともに、電子放出効率を高くすることの可能な冷陰極、ならびにこれを用いた冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイに関する。

電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Display）は、ＣＲＴあるいは液晶表示装置に代わる表示装置として実用化が進められているが、表示を高精細とすること、適切な輝度を確保すること、電子放出効率を高めることが要求される。

ＦＥＤに使用する冷陰極として、既に種々の形式が提案されているが、電子放出効率の観点から、カソード電極上にカーボンナノチューブ（以下ＣＮＴと記す）などの炭素系材料を形成した冷陰極が注目されている（例えば、特許文献１参照）。

図１３は、特許文献１に開示されている冷陰極を使用したＦＥＤの部分断面図（ａ）および冷陰極の上面図（ｂ）である。

そして、冷陰極は、基板３０１と、基板３０１上に設置されたカソード電極３０２と、カソード電極３０２上に形成されたＣＮＴ３０３と、基板３０１上に絶縁体３０４を介して設置されるゲート電極３０５とを含む。

カソード電極３０２とゲート電極３０５との間に印加された電圧によりＣＮＴ３０３の先端に強電界が形成され、ＣＮＴ３０３の先端から電子がビーム状に放射される。

この電子ビームは、冷陰極から適宜の距離を隔てて設置された前面基板３０６の裏面に形成されたアノード電極３０７に到達し、アノード電極３０７に塗布された蛍光塗料３０８を発光させる。

また、ＣＮＴから放出された電子が水平方向の速度成分を有すると、電子ビームが発散して解像度の低下およびクロストークの発生の原因となるため、ゲート電極の上部にフォーカス電極を設置した冷陰極も既に提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００５−２４３６０７公報（［００４０］、図７） 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

しかしながら、特許文献１に開示された冷陰極にあっては、フォーカス電極を有していないので電子ビーム径が大きくなるだけでなく、ＣＮＴはカソード電極の中心部だけに形成されているので放出する電流が少ないという課題があった。

また、非特許文献１に開示された冷陰極にあっては、フォーカス電極により電子ビームを集束させることは可能であるものの、集束を強化すると電子放出効率が低下するという課題があった。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであって、電子ビーム径を小さくできるとともに、電子放出効率を向上することの可能な冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイを提供することを目的とする。

［第１の発明］
本発明の冷陰極は、アノード電極と所定距離を隔てて配置される冷陰極であって、絶縁基板上に配置されるカソード電極と、前記カソード電極上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有する第１の絶縁材と、前記第１の絶縁材上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有するゲート電極と、前記ゲート電極上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有する第２の絶縁材と、前記第２の絶縁材上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有するフォーカス電極と、前記カソード電極上に形成される炭素系材料と、を含み、前記炭素系材料が、前記カソード電極上において前記カソード電極の中心から偏倚した部分領域に形成されることを特徴とする。

この構成により、電子ビーム径を小さくできるとともに、電子放出効率を向上することができることとなる。

［第２の発明］
本発明の冷陰極は、前記カソード電極を露出する前記ゲート電極の開口が円であり、前記部分領域は、前記ゲート電極の開口部の前記カソード電極の露出部上への投影円と、前記ゲート電極の下面と前記カソード電極の上面との間の距離の１．０以下の予め定められた所定数倍の距離だけ前記投影円の中心側に位置する円と、に挟まれた閉領域の一部領域であってもよい。

［第３の発明］
本発明の冷陰極は、前記ゲート電極の開口の前記カソード電極上への投影円の中心から前記部分領域を見込む角度が１８０度以下であってもよい。

［第４の発明］
本発明の冷陰極アレイは、上記いずれかの冷陰極を複数個配列した冷陰極アレイであって、各冷陰極の前記炭素系材料の形成領域が、前記カソード電極上において前記カソード電極の中心から同一方向に偏倚した構成を有している。

この構成により、複数の冷陰極を１つのサブピクセルに適用する際に、サブピクセルのドット径が大きくなることを回避することができることとなる。

［第５の発明］
本発明の電界放出型ディスプレイは、上記の冷陰極アレイをサブピクセルとして使用した構成を有している。

この構成により、電界放出型ディスプレイの輝度、解像度、および発光効率を向上できることとなる。

本発明は、カソード電極の一部の領域に炭素系材料を形成することにより、電子ビーム径を小さくできるとともに、電子放出効率を向上することの可能な冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイを提供することができるものである。

以下、本発明に係る冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイの実施形態について、図面を用いて説明する。

なお、本明細書において、電子ビーム径とは、１つの冷陰極から放出された電子のアノード電極への到達位置の最大間隔を意味するものとする。

本発明の実施形態に係る冷陰極１０は、図１のＸ−Ｘ断面図（ａ）および上面図（ｂ）に示すように、絶縁基板１１上に配置されるカソード電極１２と、カソード電極１２上に配置されカソード電極１２を露出する開口を有する第１の絶縁材１３と、第１の絶縁材１３上に配置されカソード電極１２を露出する開口を有するゲート電極１４と、ゲート電極１４上に配置されカソード電極１２を露出する開口を有する第２の絶縁材１５と、第２の絶縁材１５上に配置されカソード電極１２を露出する開口を有するフォーカス電極１６と、カソード電極１２上に形成される炭素系材料であるＣＮＴ１７とを含む。

なお、冷陰極１０と所定距離を隔てて配置されるアノード電極１９は、前面基板１８下面に成膜され、アノード電極１９の下面には蛍光塗料２０が塗布されている。

そして、ＣＮＴ１７は、カソード電極１２の中心から偏倚したカソード電極１２の部分領域Ｒに形成される。

また、部分領域Ｒは、ゲート電極１４の開口部のカソード電極１２の露出部上への投影領域に形成された１本のＣＮＴ１７が放出する電子によりアノード電極１９に誘起されるアノード電流が最大値となる１本のＣＮＴ１７の形成位置が描く第１の曲線と、アノード電流が最大値の１．０以下の予め定められた所定数倍となるアノード電流を誘起する１本のＣＮＴ１７の形成位置が描く第２の曲線とに挟まれた閉領域の部分領域であることが望ましい。

そして、カソード電極１２を露出するゲート電極１４の開口は円であり、部分領域Ｒは、ゲート電極１４の開口のカソード電極１２上への投影円の中心が閉領域を見込む角度が１８０度以下となる領域である。

このとき、図１（ｂ）に示すように、部分領域Ｒは、ゲート電極１４の開口のカソード電極１２上への投影円の中心Ｏが見込む角度θが１８０度以下である投影円の一部である円弧ａ、円弧ａからゲート電極１４下面とカソード電極１２上面間の距離ｈの１．０以下の予め定められた所定数α倍である距離（α・ｈ）だけ投影円の中心側に位置する内側円弧ｂ、円弧ａの一方の端点Ａ₁と投影円の中心Ｏとを結ぶ第１の線分ｄ、および円弧ａの他方の端点Ａ₂と中心Ｏとを結ぶ第２の線分ｅで囲まれる領域に相当する。

カソード電極１２とゲート電極１４との間に電圧を印加すると、ＣＮＴ１７の先端から電子が放射されるが、ＣＮＴ１７の先端に印加される電界は投影円中心では弱く、周辺に向かうほど強くなる。

図２は投影円内に１つのＣＮＴ１７を形成した場合に、冷陰極１０が放射するエミッション電流ｉ_eおよびこのエミッション電流ｉ_eによりアノード電極１９に誘起されるアノード電流ｉ_aと投影円の中心Ｏからの距離ｒの関係を示すグラフであって、横軸は投影円の中心Ｏからの距離ｒを、縦軸はエミッション電流ｉ_eおよびアノード電流ｉ_aを表す。

なお、測定条件は以下の通りである。
ゲート電極電位＝０ボルト、カソード電極電位＝−５０ボルト
フォーカス電極電位＝−５０ボルト、アノード電極電位＝１０００ボルト
ゲート電極とアノード電極との距離＝１ミリメートル
ゲート電極とカソード電極との距離＝３マイクロメートル
ゲート電極とフォーカス電極との距離＝１．２マイクロメートル
ゲート電極の開口半径＝２．５マイクロメートル
フォーカス電極の開口半径＝３．０マイクロメートル

図２のグラフに示すように、投影円の中心Ｏからの距離ｒ＝２．２マイクロメートルに１つのＣＮＴ１７を形成したときのアノード電流ｉ_aは０．０４ナノアンペア、ｒ＝２．５マイクロメートルに１つのＣＮＴ１７を形成したときのアノード電流ｉ_aは０．４ナノアンペアとなる。

以上から、カソード電極１２の露出部上へのゲート電極１４の開口部の投影線ｐと、投影線ｐからゲート電極１４下面とカソード電極１２上面間の距離ｈ（＝３マイクロメートル）の０．１倍である距離０．３マイクロメートルだけ中心Ｏ側に隔たった線とで囲まれる円環領域にＣＮＴ１７を形成すれば十分なアノード電流が得られることが判る。

図３は、半径２．５マイクロメートルの外周円と半径２．２マイクロメートルの内周円との間の円環領域にＣＮＴ１７を形成した冷陰極１０の電子ビームの軌跡図であって、（ａ）はフォーカス電圧が高い（−４５ボルト）場合を、（ｂ）はフォーカス電圧が低い（−５０ボルト）場合を示す。

図３から判るように、フォーカス電圧が高い（−４５ボルト）場合は、低い（−５０ボルト）場合に比べて、アノード電極１９における電子ビーム径が大きい。

図４は、フォーカス電圧と電子ビーム径の関係を示すグラフであって、横軸はフォーカス電圧を、縦軸は電子ビーム径を表す。図４から、フォーカス電圧が高くなるに従ってアノード電極１９における電子ビーム径は大きくなることが判る。

また、図５は、フォーカス電圧とエミッション電流、アノード電流および電子放出効率ηとの関係を示すグラフであって、横軸はフォーカス電圧を、左側縦軸は電流を、右側縦軸は電子放出効率ηを表す。ここでは、エミッション電流およびアノード電流は、円環領域におけるＣＮＴ１７の１個当たりの平均電流値に換算したものとなっている。

表示を高精細化するためには電子ビーム径は小さい方が好ましいが、図５に示すように、フォーカス電圧を過度に低くするとアノード電流は急激に減少し、電子放出効率ηも急激に低減する。

ハイビジョン映像を対角２５インチの表示装置に表示する場合、もしくはスーパーハイビジョン映像を対角５０インチの表示装置に表示する場合には、電子ビーム径を射程１ミリメートルで略１００マイクロメートル以下とすることが好ましい。

電子ビーム径を１００マイクロメートルとしたときは、フォーカス電圧は−５２．７ボルト、エミッション電流は１．３５３ナノアンペア、アノード電流は０．０２３ナノアンペアとなり、円環領域全体にＣＮＴ１７を形成した場合には電子放出効率ηは１．７％にまで低下してしまう。

そこで、本発明においては、フォーカス電圧を過度に低くすることなく電子ビーム径を小さくするために、ＣＮＴ１７を円環領域の一部に形成する。

図６は、ＣＮＴ１７を形成する円環領域を投影円の中心Ｏが見込む角度θ（度）（以下、中心角度θと記す）と電子ビーム径（マイクロメートル）の関係を示すグラフであって、横軸は中心角度θを、縦軸は電子ビーム径を表す。

このグラフから、電子ビーム径を１００マイクロメートルとするには、フォーカス電圧Ｖ_fを−４５ボルトとしたときは円環領域の中心角度θを２度に、フォーカス電圧Ｖ_fを−５０ボルトとしたときは円環領域の中心角度θを５４度に選定すればよいことが判明する。

図７は、ＣＮＴ１７を形成する円環領域の中心角度θ（度）とエミッション電流Ｉ_eおよびアノード電流Ｉ_aの関係を示すグラフであって、横軸は中心角度θを、縦軸は電流（ナノアンペア）を表す。

このグラフから、フォーカス電圧Ｖ_fを−４５ボルト、中心角度θを２度としたときは、エミッション電流Ｉ_eは０．００７ナノアンペア、アノード電流Ｉ_aは０．００２ナノアンペアとなり、フォーカス電圧Ｖ_fを−５０ボルト、中心角度θを５４度としたときは、エミッション電流Ｉ_eは０．１９４ナノアンペア、アノード電流Ｉ_aは０．０３５ナノアンペアとなることが判る。

即ち、フォーカス電圧Ｖ_fを−５０ボルトとした場合は、ゲート電極１４の開口のカソード電極１２上への投影円の一部であり、中心角度θが５４度である第１の円弧、第１の円弧からゲート電極１４下面とカソード電極１２上面間の距離ｈ＝３マイクロメートルの１．０以下の予め定められた所定数α＝０．１倍である距離α・ｈ＝０．３マイクロメートルだけ中心側に隔たった第２の円弧、第１の円弧の一方の端点と中心Ｏとを結ぶ線分、および第１の円弧の他方の端点と中心Ｏとを結ぶ線分で囲まれた部分円環領域Ｒ₅₀にＣＮＴ１７を形成すれば、電子放出効率ηを円環領域全体にＣＮＴ１７を形成したときの１．７％から１８％に向上させることが可能となる。

また、フォーカス電圧Ｖ_fを−４５ボルトとした場合は、ゲート電極１４の開口のカソード電極１２上への投影円の一部であり、中心角度θが２度である第１の円弧、第１の円弧からゲート電極１４下面とカソード電極１２上面間の距離ｈ＝３マイクロメートルの１．０以下の予め定められた所定数α＝０．１倍である距離α・ｈ＝０．３マイクロメートルだけ中心側に隔たった第２の円弧、第１の円弧の一方の端点と中心Ｏとを結ぶ線分、および第１の円弧の他方の端点と中心Ｏとを結ぶ線分で囲まれた部分円環領域Ｒ₄₅にＣＮＴ１７を形成すれば、電子放出効率ηを円環領域全体にＣＮＴ１７を形成したときの１．７％から２９％に向上させることが可能となる。

１つの冷陰極で１つのサブピクセル（赤色、緑色および青色を表示する３つのサブピクセルが１つのピクセルを構成する）を構成した場合には、冷陰極のバラツキにより画質が劣化するが、複数の冷陰極をアレイ状に配置した冷陰極アレイを１つのサブピクセルとすることにより、冷陰極のバラツキに起因する画質劣化を改善することが可能となる。

ただし、冷陰極アレイを構成する冷陰極のＣＮＴ形成領域を同一方向に向けて、サブピクセルのドット径が大きくなることを回避する配慮が必要となる。

図８は３×５の冷陰極アレイの上面図およびＸ−Ｘ断面図であって、各冷陰極のＣＮＴ形成領域は３時の方向に設定されている。

ｎ×ｍ個の冷陰極で構成された冷陰極アレイから放射された電子ビームで構成されるサブピクセルのドットの縦径（Ｈ）および横径（Ｗ）は［数１］で表される。

図９はサブピクセルの一例であって、例えば、左上および右下の冷陰極アレイで緑色を、右上の冷陰極アレイで赤色を、左下の冷陰極アレイで青色を表示するベイヤー配置を適用することができる。

図１０はサブピクセルの他の例であって、図１０（ａ）は円形の冷陰極を使用した場合であって、各冷陰極の１２時の方向にＣＮＴが形成されている。図１０（ｂ）は矩形の冷陰極を使用した場合であって、各冷陰極の３時の方向にＣＮＴが形成されている。

図１１は、本発明に係る冷陰極の上面図であって、冷陰極は（ａ）および（ｂ）に示すように矩形であっても良いし、（ｃ）に示すように六角形であっても、（ｄ）に示すように側辺が波形となっていてもよい。

さらに、ＣＮＴ１７は、ゲート電極１４の開口部のカソード電極１２の露出部上への投影領域に形成された１本のＣＮＴ１７が放出する電子によりアノード電極１９に誘起されるアノード電流が最大値となる１本のＣＮＴ１７の形成位置が描く第１の曲線と、アノード電流が最大値の１０％となるアノード電流を誘起する１本のＣＮＴ１７の形成位置が描く第２の曲線とに挟まれた閉領域の部分領域Ｒに形成されていれば十分であるが、この部分領域Ｒ以外の領域に形成してもよい。

図１２は、本発明に係る冷陰極アレイを使用した電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ）１００の構造を説明するための斜視図であって、冷陰極アレイ２１と前面基板２２は所定の厚さ（例えば１ミリメートル）のスペーサ（図示せず）の上下に接着され、内部を真空に維持する。

ゲート電極２１１には走査パルスに従ってゲート電圧Ｖ_Gが、カソード電極２１２には画像信号に応じてカソード電圧Ｖ_Kが印加される。

フォーカス電極２１３にはフォーカス電圧Ｖ_Fが、前面基板２２に蒸着されたアノード電極２２１にはアノード電圧Ｖ_Aが常時印加されている。

ゲート電極２１１にゲート電圧Ｖ_Gが、カソード電極２１２にカソード電圧Ｖ_Kが同時に印加された冷陰極２１４は動作状態となり電子を放射するが、この電子はフォーカス電極２１３の周囲に生じた電界により集束され、アノード電極２２１に吸収される。

アノード電極２２１に吸収される電子は、前面基板２２に塗布された蛍光体２２２を発光させる。

上記の実施形態においては、冷陰極の大きさは略５マイクロメートルであるとしたが、この大きさの冷陰極は蒸着あるいはスパッタリング等の薄膜製造技術により製造することが可能である。

なお、画素の大きさが６００マイクロメートルのＦＥＤにあっては、１００マイクロメートル程度の大きさの冷陰極を適用することも可能であるが、この大きさの冷陰極は印刷技術により製造することが可能である。

以上説明したように、本発明に係る冷陰極は、ＣＮＴをカソード電極の中心から偏倚したカソード電極の部分領域に形成することにより、電子ビーム径を小さくするとともに、電子放出効率を向上することが可能となる。

以上のように、本発明に係る冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイは、電子ビーム径を小さくできるとともに、電子放出効率を向上することができるという効果を有し、表示装置等として有効である。

本発明に係る冷陰極のブロック図エミッション電流ｉ_eおよびアノード電流ｉ_aと投影円の中心Ｏからの距離ｒの関係を示すグラフ本発明に係る冷陰極の電子ビームの軌跡図フォーカス電圧と電子ビーム径の関係を示すグラフフォーカス電圧とエミッション電流、アノード電流および電子放出効率ηとの関係を示すグラフ円環領域の中心角度と電子ビーム径の関係を示すグラフ円環領域の中心角度とエミッション電流Ｉ_eおよびアノード電流Ｉ_aの関係を示すグラフ３×５の冷陰極アレイの上面図およびＸ−Ｘ断面図サブピクセルの一例サブピクセルの他の例冷陰極の上面図本発明に係る冷陰極アレイを使用したＦＥＤの構造を説明するための斜視図従来の冷陰極を使用したＦＥＤの部分断面図および上面図

符号の説明

１０冷陰極
１１絶縁基板
１２カソード電極
１３第１の絶縁材
１４ゲート電極
１５第２の絶縁材
１６フォーカス電極
１７カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
１８前面基板
１９アノード電極
２０蛍光塗料
２１冷陰極アレイ
１００電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ）

Claims

アノード電極と所定距離を隔てて配置される冷陰極であって、
絶縁基板上に配置されるカソード電極と、
前記カソード電極上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有する第１の絶縁材と、
前記第１の絶縁材上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有するゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有する第２の絶縁材と、
前記第２の絶縁材上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有するフォーカス電極と、
前記カソード電極上に形成される炭素系材料と、を含み、
前記炭素系材料が、前記カソード電極上において前記カソード電極の中心から偏倚した部分領域に形成されることを特徴とする冷陰極。
前記カソード電極を露出する前記ゲート電極の開口が円であり、
前記部分領域は、前記ゲート電極の開口部の前記カソード電極の露出部上への投影円と、前記ゲート電極の下面と前記カソード電極の上面との間の距離の１．０以下の予め定められた所定数倍の距離だけ前記投影円の中心側に位置する円と、に挟まれた閉領域の一部領域である請求項１に記載の冷陰極。
前記ゲート電極の開口の前記カソード電極上への投影円の中心から前記部分領域を見込む角度が１８０度以下である請求項２に記載の冷陰極。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷陰極を複数個配列した冷陰極アレイであって、
各冷陰極の前記炭素系材料の形成領域が、前記カソード電極上において前記カソード電極の中心から同一方向に偏倚した冷陰極アレイ。
請求項４に記載の冷陰極アレイをサブピクセルとして使用した電界放出型ディスプレイ。