WO2002027745A1

WO2002027745A1 - Source d'electrons a cathode froide et affichage par emission electronique de champ

Info

Publication number: WO2002027745A1
Application number: PCT/JP2001/008465
Authority: WO
Inventors: Tetsuya Ide; Junichi Sawahata; Masao Urayama
Original assignee: Sharp Kabushiki Kaisha
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2002-04-04
Also published as: KR100522092B1; US20040085009A1; JPWO2002027745A1; EP1329927A4; KR20030045813A; EP1329927A1; EP1329927B1; US7078863B2; DE60135476D1

Description

明細書冷陰極電子源及びフィ一ルドエミツションディスプレイ技術分野

本発明は、冷陰極電子源に関し、特に、電子ビームの利用効率を向上することができる冷陰極電子源及び該電子源を用いたフィールドエミッションディスプレイに関する。背景技術

電子放出には、熱電子放出以外に電界電子放出、二次電子放出、光電子放出等がある。冷陰極は、電界電子放出により電子放出を行う陰極である。電界電子放出は、物質の表面近傍に強電界（1 0 ⁹ V Zm) を加え、表面のポテンシャル障壁を下げることでトンネル効果により電子放出を行うものである。

冷陰極は、熱陰極のように加熱を必要とせず、その電流一電圧特性は、フアウラ -ノードハイムの式で近似できる。電子放出部は、絶縁を保ちながら強電界を印加するために、電界集中定数を大きくする構造（針状等）を持たせている。

初期の冷陰極は、ゥイスカーのような針状単結晶を電界研磨して用いた二極管構造だったが、近年、集積回路又は薄膜の分野において用いられている微細加工技術により、高電界において電子を放出する電界放出型電子源（フィールドエミッ夕アレイ）製造技術の進歩は目覚ましく、特に極めて小型な構造を有する電界放出型冷陰極が製造されている。

この種の電界放出型冷陰極は、 3極管の超小型電子管又は超小型電子銃を構成する主要部品の内、最も基本的な電子放出デバイスである。構造の微細化が進んだことにより、電子源としては熱陰極に比較して高い電流密度を得ることができる利点がある。

冷陰極を用いたフィールドェミッションディスプレイ（F E D ) は自発光型フラットパネルディスプレイへの応用が期待され、電界放出型電子源の研究、開発が盛んに行われている。

このような電界放出型電子源の動作及び製造方法は、 Stanford Research Institute の C. A. Spindt 等による Journal of Applied Physics, Vol.47, No.12, pp.5248〜5263 (1976)に発表された研究報告により公知であり、また、 C.A. Spindt等による米国特許第 3， 6 6 5, 2 41号明細書、並びに H.F. Gray等による米国特許第 4, 3 0 7, 50 7号明細書等に開示されている。

これらの文献に開示された電界放出型電子源は、いずれも半導体基板や金属基板上に形成され;^突起状の電子放出部（ェミッタ）を持ち、ェミッ夕の周辺には電子を引き出す電界を印加するためのゲ一卜が形成されている。ゲートへの電圧印加によってエミッ夕から放出された電子は、図 8 ( a) の様にェミッタ上方に形成されたアノードに向かって進行する。

これらの冷陰極電子源では、電子を放出させるためにゲートーェミツ夕間にエミッ夕から電子を放出させられるだけの高い電界をかけ、ァノ —ドは出てきた電子を集めるため、正電圧をかけていたが、アノード一ゲート間の電界は、ゲートーェミッタ間の電界よりも弱いため、放出された電子が広がるという問題があつた。

最近では、特開平 5— 28 2990号公報に示されるように、ェミツ夕部分にダイアモンド等の低電界で電子を放出する材料を用いて、ァノ一ドに印加する電圧によってエミッ夕から電子を引き出し、ゲート電極を電子放出の抑制に用いる空乏モード電子放出装置用の電子源が開示されている。

また、特開 20 0 0— 1 56 147号公報に示されるように、ァノ一ド、ゲート及びェミッタからなる電界放出型素子において、アノード— エミッ夕間の電界により電子放出を行い、ゲート一エミッタ間の電界により電子ビームの集束を行う冷陰極電界電子放出素子が開示されている。この素子において、ゲート開口の面積は、ゲート開口底面の面積より大きく設けられる。更に、構造に係らず等電位線の条件が記載されている。

F E Dに用いられる電界放出型電子源の材料は様々のものが知られているが、従来の材料は、充分な電子放出を得るために実効値として 1 0 0 0 V Z mという電界強度を必要とするため、前述したような電界集中定数を大きくする構造により、実印加電界強度として 1 0 0 V Z i m程度の値を得ている。

一方、近年、電子放出材料として、カーボンナノチューブ（Carbon Nanot ube)をはじめとする炭素材料が極めて小さい電界強度で電子放出を行うことが確認され、注目されている。伊勢電子の上村等は、 SID 98 DIGEST, pp. 1052〜1055において、ェミッタにカーボンナノチューブを用い、図 8 ( e ) の様なゲート電極をメッシュあるいはグリッド状にした電界放出型電子源を提案している。

従来の突起状の電子放出部を有する冷陰極電子源では、双葉電子の伊藤筏生等が特開平 7— 2 9 4 8 4号公報で開示しているように、図 8 ( b ) の様な集束電極を設けて電子が拡がるのを抑制していた。そのため製造工程が増え構造が複雑になるという問題があつた。

また、ェミッタに電子を放出しやすい材料を用いた場合は、アノード一エミッ夕間の電界で十分電子を放出させることができるため、特開平 5 - 2 8 2 9 9 0号公報で開示されているように、空乏モ一ドで動作させることも考えられる。空乏モードは、ェミッタからの電子放出を抑制する電圧をゲ一ト電極にかけて電子の通り道を狭くして、電子の放出を制御するという手法のため、ゲ一ト近傍のェミッタ領域では電子放出が行われず、図 8 ( c ) の様に電界の強い領域がゲートホール中心付近のェミッタに限られるためェミッタ上で電子を放出する領域が狭

くなつてしまい、ェミッタの利用効率が悪い。

また、特開 2 0 0 0— 1 5 6 1 4 7号公報においては、ゲ一卜電極は、電子ビームの集束のために用いられており、図 8 ( d ) の様にゲート開口の面積をゲート開口底面の面積より大きくする構造を取るため、ァノ —ドからの電界を完全に抑制することが困難であり、作成工程も複雑になる。また、等電位線の条件だけでは集束に関する一般条件だけで、正確な解析がなされていない。

また、 SID 98 DIGEST, pp. 1052〜 1055においては、図 8 (e) の様に、メッシュあるいはグリツ.ド状のゲート電極を用いているため、ゲート電極をェミッタに近接させることが困難であり、また、ゲート開口直下以外にもエミッ夕が存在するため、ゲート電極に流れる電流が増加してしまう。アノード電極に到達し、蛍光体を発光させる電子以外は、損失となるため、効率が低下してしまう。

本発明の目的は、電子ビームの利用効率を向上することができ、簡単な構造により実現することができる冷陰極電子源、及び該電子源を用いたフィールドエミッションディスプレイを安価に提供することにある。発明の開示

本発明の冷陰極電子源は、基板上に絶縁層を介して形成されたゲートと、該絶縁層及びゲートを貫通して設けられたゲート開口部に設けられたェミッタとを備え、該ェミツ夕からの電子放出時には、アノード一ェミッタ間距離を Ha [ m]、アノードーェミッタ間電圧を V a [V]、ゲ一トーェミッタ間距離を H g [ ΠΙ]、ゲート一ェミッタ間電圧を V g [V] とした場合、

10 [V/ m] ≥ (Va-Vg) / (Ha-Hg) ≥Vg/Hg を満たし、さらに

V g/H g [V m] ≥V a X 10 " X (9. 7— 1. 3 X 1 n (H g)) X (100 OZH a) °· ⁵

を満たすものである。

また、前記ゲート開口部の開口幅を D gとした場合、 Dg/Hg≤5 /3を満たすことで、アノード一ゲート間の電界強度がゲート—エミッ夕間の電界強度より高い場合にエミッ夕からの電子の放出を抑制することができる。また、前記ェミッタからの電子放出時には、

(V a -V g) / (Ha-Hg) =Vg/Hg

を満たすことで、ェミッタから放出された電子は、アノードに向かって実質的に平行に進むため、ゲート開口径と実質的に同じ大きさのままァノードに到達させることができる。

また、前記ゲート開口部の開口幅を D gとした場合、 DgZHg≤2 1を満たすことで、アノード一ゲート間の電界強度がゲート一エミッ夕間の電界強度より高い場合にエミッ夕からの電子の放出を抑制することができる。

他の観点において本発明は、上記冷陰極電子源が 2次元マトリクス状に形成されているフィールドエミッションディスプレイである。

本発明の冷陰極電子源は、アノード一ゲート間の電界をゲート—エミッタ間の電界よりも強くすることにより電界の向きを電子が集束する方向に向け、ゲート電極を集束電極としても機能する様にする。これにより、集束電極を別にもうける必要を無くし、製造工程を単純化することができると同時に、平面状のェミッタを用いた場合に、ゲート電極には電子が実質的に放出されないようにすることができる。

また、好ましくは、アノード一エミッ夕間距離を H a [ m], ァノード電圧を V a [V]、ゲート—ェミッタ間を Hg [ m]、ゲート電圧を Vg [v] とした場合、

VgXHg [V/ mm] ≥V a X 1 0 -⁴ X (9. 7— 1 · 3 X 1 n (H g)) X ( 1 000 /Ha) °- ⁵

を満たすことにより、集束された電子ビームがアノード面に焦点を結ばなくても、アノード面におけるビームスポットサイズが、ェミッタ面積あるいはゲート開口面積より大きくならないことを可能にするものである。

また、好ましくは、表示画素の輝度がピーク輝度の 1ノ1 000になるまで、電子ビームのアノード到達時のスポットサイズがエミッ夕面積又はゲート開口面積より大きくならない条件にすることで、クロストークの防止を可能とするものである。

また、好ましくは、 1 0 V / m以下の電界強度で電子放出を行う材料をェミッタに用いることで、放電等による絶縁破壊の防止を可能とするものである。本明細書は本願の優先権の基礎である日本国特許出願特願 2 0 0 0 - 2 9 6 7 8 7号の明細書および/または図面に記載される内容を包含する。図面の簡単な説明

図 1は本発明の第 1実施の形態による冷陰極電子源とアノード電極 1とにより構成される装置を説明する図である。

図 2は本発明の第 1実施の形態による電子源において、アノード電圧 5 0 0 0 V、アノード一エミッタ間の距離 1 0 0 0 m、ゲート電圧 V gを 5 V〜6 0 Vに変化させた時のピ一ム軌道を説明する図である。図 3は本発明の第 1実施の形態による電子源において、ゲートーエミッ夕間の距離を 5 0 jLt m〜 2 5 0 mまで変化させ、 2 R a = D gを満たすゲートーェミッタ間の距離とゲート一ェミツ夕間の電界強度をプロットした図である。

図 4は本発明の第 1実施の形態による電子源において、ゲート一エミッ夕間の電界強度とビームスポット及び電流密度の変化をプロッ卜した図である。

図 5は本発明の第 2実施の形態による冷陰極電子源とアノード電極 1とにより構成される装置を説明する図である。

図 6は本発明の冷陰極電子源を用いた電子源アレイ図である。

図 7は本発明の第 3の実施の形態の断面図である。

図 8は従来技術を説明する図である。図 8 ( a ) は、コーン型ェミツ夕を用いた冷陰極電子源の等電位面の断面図、図 8 ( b ) は、集束電極を用いた冷陰極電子源の等電位面の断面図、図 8 ( c ) は、空乏モードを用いた冷陰極電子源の等電位面の断面図、図 8 ( d ) は、集束用ゲート電極を用いた冷陰極電子源の等電位面の断面図、図 8 ( e ) は、メッシュ状ゲートを用いた冷陰極電子源の等電位面の断面図、図 8 ( f )は、集束用ゲート電極を用いた冷陰極電子源の等電位面の断面図である。図 9は本発明の第 1実施の形態による電子源において、アノード電圧 5 0 0 0 V、ァノードーェミッタ間距離 1 0 0 0 m、ゲート開口幅 2 0 u rn, ェミッタ幅 1 6 i m、ゲート一エミッ夕間距離 2 0 m、ゲート厚さ 1 0 m、ゲート電圧 2 0 V〜 1 0 0 Vに変化させた時のビームスポット径を説明する図である。

図 1 0は本発明の第 1実施の形態による電子源において、アノード電圧 5 0 0 0 V、アノード一エミッタ間距離 1 0 0 0 x m、ゲート開口幅 3 m、ェミッタ幅 2 . 6 m, ゲート一ェミッタ間距離 3 ^ m、ゲー卜厚さ 0 . 5 rn, ゲート電圧 3 V〜 1 5 Vに変化させた時のビ一ムスポット径を説明する図である。

図 1 1は本発明の第 1実施の形態による電子源において、円形のゲー卜開口を形成、作製、評価した電子源の構成、ビームスポット径が最小となる電界強度、ビームスポット径≤ゲート開口径を満たすゲート：ェミッタ間電界強度領域及びビームスポット径≤ ( 2 Xゲート開口径）を満たすゲート：エミッ夕間電界強度領域をまとめた図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を添付図面と対応して詳細に説明する。図 1は、本発明の第 1実施の形態による冷陰極電子源とアノード電極 1とにより構成される装置を説明する図である。

本電子源は、基板 2の上に形成される絶縁層 3、該絶縁層 3の上に形成されるゲート電極 4による積層構造を有しており、絶縁層 3とゲート電極 4とを貫通するホール（ゲート開口部）には、基板 2の上にエミッ夕 6が形成されている。

ェミッタ 6には、カーボンナノチューブ 1 0 w t %を市販の焼成型銀ペーストに分散させたものをスクリーン印刷により塗布したものを用いた。エミッ夕材料は、 1 0 V/z^m以下の電界強度で 1 OmAZcm ²程度の電流密度が得られる材料であれば、カーボンナノチューブに限定されるものではない。また、ェミッタ形成手段もスクリーン印刷に限定されるものではない。

アノード一ゲート間の電界強度が、ゲート一エミッタ間の電界強度より強い時に、ゲートホールの開口径が大きいとゲート電圧 V gが 0 Vでもエミッ夕 6から電子が放出されてしまうため、ゲ一卜の開口幅 D g (2 R e)とゲート—エミッタ間距離 Hgとの比は、本実施の形態では、 D gZHg≤ 5/3を満たすことが望ましい。

つぎに、スクリーン印刷により 2 0 m厚の絶縁層 3を形成し、その上部に 5 im厚のゲート電極 4を形成した。本実施の形態では、ゲートは、 2 0 ΐηφの円形の開口を持つ形状としたが、ワッフル型やス卜ライブ型でもよいし、特にその形状は、限定されない。

アノード電極 1には、 CRT (Cathode Ray Tube)に用いられる蛍光体 P 2 2を塗布し、その上にメタルバックを形成した基板を用いた。

電子ビーム 8は、ゲート電圧による集束効果でアノード面より手前で焦点を形成する場合、図 1に示す焦点 L cを形成し、その後は逆に拡散していき、アノード電極 1の位置 L aにおいて半径 R aのスポットを形成する。

図 2は、本実施の形態による電子源において、アノード電圧 V a = 5 0 0 0 V、アノード一エミッ夕間距離 H a = 1 0 0 0 τ , ゲート電圧を 1 0 V〜 6 0 V

に変化させた時の電子ビームの軌道を説明する図である。

ここでは、図 1の Lを縦軸に、ビームスポット半径 R sを横軸に取りビーム軌道を示している。 Vg<6 0 Vでは、焦点 L c通過後のビームの拡散により、アノード面においてそのスポット 2 R aが広がる結果を示している。

図 3は、本実施の形態による電子源において、ゲートーェミツ夕間距離を 50 m〜 2 50 mまで変化させた構成において、 2 R a =D g を満たすゲート—エミッ夕間の距離とゲート一エミッ夕間の電界強度をプロッ卜した図である。

ここでは、 2 0 μπι φの孔加工を行い、ゲ一卜の開口幅 D gを 20 ^ mとした 50 m厚の絶縁シートを積層し、その最上部にゲート電極を形成したものをェミッタ 6上に配置することで、ゲート高さを

〜300 imまで変化させた構成において、アノード面でのビームスポット 2 R aとゲート開口幅 D gが、 2 R a=D gを満たすゲート高さとゲートーエミッタ間の電界強度をプロットしている。

その変化量は、対数近似で近似できる。近似曲線よりも上の領域が、アノード面でのビームスポット 2'R aが、ゲート開口幅 Dgよりも小さい領域となり、この条件を満たす構成が選択されることが望ましい。また、ゲート開口幅，ェミッタ一アノード間の距離が一定の場合、ゲート高さを高くすることで、より低い電界強度で、同様の効果を得ることができ、ゲート—ェミッタ間の絶縁維持には有利になるが、動作電圧が高くなるため、駆動の面からは好ましくない。

この結果及び一般的に真空ギャップでの絶縁耐圧が 1 0 k VZ^m であること、及び Vg/Hgが（Va_Vg) / (Ha-Hg) より大きくなる場合、ゲート電圧により電子が引き出されるため、電子ビームが拡散してしまうことを考慮し、スポット径がアノード面において広がらない条件式として、

1 0 [VZ xm] ≥ (V a-Vg) / (Ha -Hg)

≥Vg/Hg

≥V a X 1 0 ' X (9. 7— 1. 3 X 1 n (H g)) X ( 1 000 /H ) °- ⁵ ( 1 ) が導かれた。

本実施の形態では、上記条件式を満たす構成として、アノード電圧 V a = 50 00V、アノード一ェミッタ間の距離 H a = 1 00 0 m^ ゲート高さ Hg= 20 m、ゲート電圧 Vg= 60Vを選択した。メタルバックを形成した蛍光体 P 2 2において、充分な電子透過率及び発光輝度が得られるアノード電圧と、スクリーン印刷で形成が容易であるゲート高さとしてこの構成を選択したが、この構成に限定されるものではない。

ここで、ゲート開口部底面に作製するェミッタの面積を底面積の 6 4%とし、且つ、ゲート開口部の中心に位置することで、アノード面でのスポットサイズを変化させずに、ゲート電圧 Vgを 6 0 Vから 4 0 V に低電圧化することができる。

図 4は、本実施の形態による電子源において、ゲ一トーェミッタ間の電界強度とビームスポット及び電流密度の変化をプロッ卜した図である。

ここでは、 3 mの電界強度において、 1 0mA/c m²の電流密度のエミッションが得られるカーボンナノチューブエミッ夕を用い、ゲ一卜電圧を変化させた際のビームスポッ卜及び電流密度の変化を、電界強度を横軸に取りプロットしている。

電界強度が 2. 5 V/ mになった時に、スポット径は 1. 7 5倍になるが、電流密度が 3 V/ im時の 4%程度となり、輝度は電流密度とほぼ比例関係にあるので、この状態ではクロストークもそれほど目立たなくなる。ゲート電圧 V gを 6 0〜40 Vの間で変化させることにより電子の放出量をコントロールすることができ、 FEDに使用すれば階調をとることができる。

次に、ゲート開口形状が正方形の場合にエミッ夕幅 2 R eをゲート開口幅 D よりも小さくした場合についての実施例を示す。

図 9は、本実施の形態による電子源において、アノード電圧 V a = 5 0 0 0 V、アノード一エミッタ間距離 H a= 1 0 0 0 τη, ゲ一トーェミッタ間距離 Hg= 2 0 f m、ゲート開口幅 D g= 2 0 zm、エミッ夕幅 2 R e = 1 6 urn, ゲート厚さ 1 0 m、ゲ一ト電圧を 2 0 V〜 1 0 0 Vに変化させた時の電子ビームのアノードでのスポット径（2 R a) をプロッ卜した図である。この場合、スポット径（2 R a) は、以下の式で近似できる。

(2 R a) = 0. 0 1 7 XVg²- 2. 7 X V g +1 1 2

この場合、ゲート電圧 Vg= 3 5 V (ゲート一ェミッタ間電界強度 E g= 1. 7 5 V m) になった時に、スポット径は、 2倍になるが、電流密度がゲート電圧 Vg = 5 2 V (ゲート一ェミッタ間電界強度 E g =2. 6 V/ τη) の時の 4%程度となり、輝度は電流密度とほぼ比例関係にあるので、この状態ではクロストークもそれほど目立たなくなる < ゲ一ト電圧 V gを 5 2 V〜 3 5 Vの間で変化させることにより電子の放出量をコントロールすることができ、 F E Dに使用すれば階調を取ることができる。

また、ェミッタ幅 2 R eが、ゲート開口幅 D gと等しい場合のゲート電圧 Vgの変化範囲 6 0 V〜40 Vに対して、動作電圧の低電圧化が可能となる。

次に、ゲートーェミッタ間距離を更に近接させ、エミッ夕幅 2 R eをゲート開口幅 D gよりも小さくした場合についての実施例を示す。

この場合のゲート絶縁膜は、ゾルゲル法により形成し、ゲート開口は、露光装置によるパターニングにより形成した。ゲート絶縁膜の作製法は，ゾルゲル法に限定されるものではなく、絶縁フィルムをラミネ一トしてもよいし、感光性ポリイミド等も用いて、塗布 ·パターエングしてもよレ^ 特にその手法は、限定されない。

図 1 0は、本実施の形態による電子源において、アノード電圧 V a = 50 0 0 V、アノード一エミッ夕間距離 H a = 1 0 0 0 m、ゲ一トーェミッタ間距離 Hg= 3 m、ゲート開口幅 D g= 3 xm、ェミッタ幅 2 R e = 2. 6 m、ゲート厚さ 0. 5 m、ゲート電圧を 3 V〜 1 5 Vに変させた時の電子ビームのアノードでのスポット径（2 R a) をプ口ッ卜した図である。

この場合、スポット径（2 R a) は、以下の式で近似できる。

(2 R a) = 0. 3 6 X V g ²- 8. 7 X V g + 54. 2

この場合、ゲート電圧 Vg= 9 V (ゲートーェミッタ間電界強度 E g = 3 V/iim) になつと時に、スポット径は、 1. 3倍になる力電流密度がゲート電圧 Vg== 1 4 V (ゲートーェミッタ間電界強度 E g = 4. 7 V/ urn) の時の 4%程度となり、輝度は電流密度とほぼ比例関係にあるので、この状態ではクロストークもそれほど目立たなくなる。ゲート電圧 V gを 1 4 V〜 9 Vの間で変化させることにより電子の放出量をコントロールすることができ、 FEDに使用すれば階調を取ることができる。

更に、この場合は、動作電圧が 1 4Vであり、既存のドライバを用いることもできる為、駆動回路の低コスト化も可能となる。

ェミッタ幅 2 R eが、ゲート開口幅 D gと等しい場合、ゲート電圧 V _gを 1 4 V〜 9 Vの間で変化させた場合、スポット径は 4倍となるので、エミッタ幅 2 R eをゲート開口幅 D gよりも小さくした場合、クロスト —クが低減できる。

また、同じスポット径の変化量では、ゲート電圧 Vgの変化範囲は、 1 0 V〜6. 7 Vでよく、動作電圧の低電圧化が可能となる。

次に、ゲート開口形状が円形の場合の実施例を示す。

図 1 1は、作製、評価した電子源の構成、ビームスポット径が最小となる電界強度、ビームスポット径≤ゲート開口径を満たすゲ一ト：エミッ夕間電界強度領域及びビームスポット径≤ (2 Xゲート開口径）を満たすゲ一ト：エミッタ間電界強度領域をまとめたものである。

ここでいうビームスポット径は、アノード（蛍光体）面でのビームスポット径であり、ゲート：ェミッタ間電界強度は、ゲート電圧（ゲート：エミッ夕間距離）のことであり、アノード：ェミッタ間電界強度は、アノード電圧/ (アノード：ェミッタ間距離）のことである。

ビームスポット径≤ゲート開口径を満たすゲート：エミッ夕間電界強度領域がない場合は、無しという表記と共に、最小のビームスポット径となる電界強度及びその際のビ一ムスポット径ノゲート開口径の値を記載している。

図 1 1の領域 1は、スぺーサ高さを 1. 5 mmまで許容し、アノード電圧を高電圧化することで輝度確保が容易になる。また、輝度確保のために必要な電流量が減少するため、長寿命化が期待できる。

図 1 1の領域 2は、低速電子線励起蛍光体を用いた F E D、あるいは、蛍光表示管（V F D ) への利用が考えられる。この領域では、ビ一ムスポッ卜が広がらないゲー卜：エミッ夕間電界強度領域を広く取ることができるため、電子放出材料の選択の幅が広い。

また、今後、高速電子線励起蛍光体（C R T用 P 2 2等）の改良による低電圧領域での輝度改善が図られた場合、高速電子線励起蛍光体を用いた F E Dの構成となることも考えられる。

図 1 1の領域 3は、現状の F E Dの構成に最適なゲート：エミッ夕間電界強度領域を示している。

各構成において、ビームスポット径≤ゲート開口径を満たすゲート：エミッ夕間電界強度領域での使用が望ましいが、その中でもビームスポット径が最小となる電界強度よりも高い領域で用いることで、放出電流減少時（印加電圧減少時）のビームスポットの広がりを防ぐことができる。

また、ビームスポット径≤ゲート開口径を満たすゲート：エミッ夕間電界強度領域で用いるのが望ましいが、エミッ夕形成領域に対してァノード側の画素領域の面積が大きい場合には、より広いゲート：ェミッタ間電界強度領域で用いることが可能となる。

例えば、ビームスポット径がゲート開口径の 2倍まで許容されれば、図 1 1中のビームスポット径≤ ( 2 Xゲート開口径）を満たすゲート：エミッ夕間電界強度領域を用いることができる。

特に、ゲート開口径 3 mの場合のようにゲートをエミッ夕に近接させた場合、アノード：エミッ夕間距離が l mm以上では、ビームスポット径をゲート開口径以下にすることは困難であり、駆動電圧を下げるためには、ビームスポッ卜径がゲート開口径の 4〜 5倍程度になることを許容する構成になるよう、画素サイズをエミッ夕サイズより大きく取ることが望ましい。また、ゲート高さ：ゲート径比を 3 ： 5とした場合、放出電流を制御できる構成としては、ゲート絶緣層の膜厚を最小にすることができるので、作製が容易になる。

また、ゲート高さ：ゲ一ト径比を 1 ： 1とした場合、ゲ一ト高さ：ゲ —ト径比が 3 ： 5の場合と比較して、ビームスポット径の広がりを抑えることができる。

本実施の形態による電子源を用いた駆動方法により、電界の向きを電子が集束する方向に向けることができ、簡単な構造で電子の拡散を抑制することができる。また、ェミッタ全体から電子が放出され、エミッ夕の面積利用効率を高くすることができる。

図 5は、本発明の第 2実施の形態による冷陰極電子源とアノード電極 1とにより構成される装置を説明する図である。なお、上述した第 1実施の形態と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

本電子源は、基板 2の上に形成される絶縁層 3、該絶縁層 3の上に形成されるゲート電極 4による積層構造を有しており、絶縁層 3とゲート電極 4とを貫通するホールには、基板 2の上にエミッタ 6が形成されている。

本実施の形態では、上記式（1) に対応して

1 0 [v/ m]≥(Va-Vg)X(Ha-Hg)=Vg/Hg≥0…… ( 2 )

とし、アノード—ゲート間の電界とゲ一トーエミッ夕間の電界がほぼ等しくなるようなゲー卜電圧にして駆動する。

たとえば、 F EDで耐圧を考慮しアノード—ゲ一卜間を広げた場合を考え、アノード電圧 V a = 5 k V、ァノ一ドーゲート間の距離（H a— H g) = 1. 7mmとする。この時のアノード一ゲート間の電界は 3. 0 V/ _tmとなる。

ゲート開口径が大きいとゲー卜電圧 V gが 0 Vでもアノードからの電界がエミッ夕面に進入し、ェミッタから電子が放出されてしまう。このため、本実施の形態では、ゲートの開口幅 D gとゲート上端からエミッ夕までの距離 H gの比は、 D g /H g≤2 / 1を満たすことが望ましい。

この条件では、ゲート電圧 V gが 0 Vの時にエミッタ面に進入するァノードからの電界を 3 0 %以下に抑えられるため、アノードからの電界だけでは電子が放出されなくなる。上述した第 1実施の形態による電子源によれば、電圧によって電子の収束量が変化し電子ビームのスポットサイズが変化し、またアノード一ゲート間の距離によっても電子ビームのスポットサイズが変化するが、本実施の形態では、電子がアノードに向かってほぼ平行に進むため、電子ビームはアノード—エミッ夕間の距離によらず、ゲート開口径とほぼ同じ大きさのままアノードに到達する。図 7は、上述した第 1又は第 2実施の形態による電子源を用いてマトリクス状に配置することにより構築した F E Dを説明する図である。なお、上述した第 1又は第 2実施の形態と同じ構成には同一符号を付して説明を省略する。

図 7に示す F E Dは、 2次元マトリクス上に配列された各画素に対応して上記電子源を有するカゾードパネル（リアプレート 1 0上に設けられる構成全体）と、該パネルとスぺーサ 1 6を介して、上記電子源から電界放出される電子との衝突により励起されて発行する蛍光体層を有するアノードパネル（フェイスプレート 1 2上に設けられる構成全体）により構成される。

本実施の形態ではフェイスプレー卜 1 2やリアプレー卜 1 0はガラス基板を用い、ブラックマトリクス 1 5に設けられる蛍光体 1 4は C R Tと同じ P 2 2を用いる。

ゲート電極 4やカゾードライン 1 1は、ニオブを蒸着で推積して作成しているがニオブ以外の金属を用いても良いし、蒸着でなくスパッ夕やスクリーン印刷を用いて配線しても良い。

ェミッタ 6の材料には、カーボンナノチューブを用いたが、カーボンナノチューブでなくても、ダイアモンド等の低電界で電子を放出しやすい物質を用いればよい。図 6は、図 7に示す F E Dの駆動について説明するための図である。ここで例示されている F E Dには、リァプレート 1 0上に 6本のエミッ夕ライン 6が形成されており、各エミッ夕ライン 6に印加されるパルス電圧が示されている。また、 6本のェミッタラインと実質的に直交するように 3本のゲ一トライン 4が形成されており、各ゲートラインに印加されるパルス電圧が示されている。

この F E Dは、ゲ一トライン電圧を順次走査していき、エミッ夕ライン電圧を変化させることで駆動される。具体的には、第 1〜3段の各ゲ一トラインにパルス電圧が印加され、各エミッ夕ライン電圧に応じて電子がアノード（図示せず）の方向に放出され蛍光層の所定位置が発行する。ここでは階調をェミッタ 6の電圧を変化させてとったが、ェミッタ 6の電圧を固定してエミッ夕ラインの電圧パルスの幅を変化させて階調をとつてもよい。

本実施の形態では、 1つの蛍光体 1 4に 1つのエミッ夕 6を用いる構成にしたが、 1つの蛍光体 1 4に複数のエミッ夕を用いる構成としてもよい。本実施の形態では、ゲートラインを順次操作するという駆動法をとったがカソ一ドラインを順次駆動するという方法をとつてもよい。このように駆動することで、等電位面 5がゲート近傍において図 1又は図 5に示すように常にエミッ夕 6側に向かって凸又は平行になる。電子は等電位面 5に対して垂直方向に力を受けるため、電子はアノードに向かって進行しながら集束又は平行に進むことになる。したがって、ェミッ夕から放出される電子を容易に集束させることができ、簡易な製造工程により実現することができる。

本発明によれば、アノード—ゲート間の電界をゲート—エミッ夕間の電界より強くするか少なくとも同等の強さにするという駆動方法を取ることにより、ゲート電極だけで電子ビーム量の制御及び電子ビームの集束が可能となる。

また、エミッ夕全体から電子が放出され、ェミッタの面積利用効率が高くなる。さらに、集束電極がない簡単な構造でも電子の拡散を抑制することができる。

さらに、ゲ一ト電極の開口部底面に作製するエミッ夕の面積が底面積よりも小さく、且つ、ゲート開口部の中心に位置することで、駆動電圧の低電圧化が可能となる。

さらに、アノード一ゲート間の電界をゲート一エミッタ間の電界と同等の強さにした塲合、電子が平行に進むため、アノードの位置にかかわらず到達電子ビームの径がほぼ一定になり、 F E Dの構造が設計しやすくなる。

さらに、エミッ夕を平面にし特定の領域に電子放出が集中しなくなるため、ェミッタが破壊されにくくなる。電子の放出領域が広いため、多くの電流が取れるようになる。

さらに、カーボンナノチューブのような低電界で電子を放出する材料を用いることにより、電子を放出させるのに必要なゲート一エミッ夕間の電界よりもアノード一ゲート間の電界を強くできるようになる。さらに、集束電極を用いない簡単な構造でありながら、電子が拡散しないためクロストークが発生しなくなり、電子を効率的に蛍光体に当てられるフィ一ルドエミッシヨンディスプレイが可能となる。本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書にとり入れるものとする。産業上の利用の可能性

本発明は、電子ビームの利用効率を向上することができ、'簡単な構造により実現することができる冷陰極電子源を提供する。

Claims

請求の範囲

1. 基板上に絶縁層を介して形成されたゲートと、該絶縁層及びゲートを貫通して設けられたゲート開口部に設けられたエミッ夕とを備え、該ェミツ夕からの電子放出時には、アノード一エミッ夕間距離を H a lnm], アノード一ェミッタ間電圧を V a [V]、ゲート一エミッ夕間距離を Hg [ m]、ゲートーェミッタ間電圧を V g [V] とした場合、 1 0 [V/^rn] ≥ (V a -V g) / (H a-H ) ≥Vg/Hg を満たし、さらに

V g/H g [V /

≥ V a X 1 0- ⁴X (9. 7 - 1 · 3 X 1 n (H g)) X ( 1 0 0 0 /H a) ^{0 5}

を満たすことを特徴とする冷陰極電子源。

2. 前記ゲート開口部の開口幅を D gとした場合、 D g/Hg≤ 5/ 3を満たすことを特徴とする請求項 1記載の冷陰極電子源。

3. 前記ェミッタからの電子放出時に、

(V a— Vg) / (Ha -Hg) =V g/Hg

を満たし、さらに、前記ゲート開口部の開口幅を D gとした場合、 D g ZH g≤ 2 Z 1を満たすことを特徵とする請求項 1記載の冷陰極電子源。

4 · 請求項 2又は請求項 3記載の冷陰極電子源が 2次元マトリクス状に形成されていることを特徵とするフィールドエミッションディスプレイ。