冷陰極電子源基板及び冷陰極ディスプレイ
【課題】従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる冷陰極電子源基板及び冷陰極ディスプレイを提供すること。
【解決手段】冷陰極ディスプレイ１０は、電子を電界放出する冷陰極電子源基板３０と、冷陰極電子源基板３０に対向配置されたアノード基板６０とを備え、冷陰極電子源基板３０は冷陰極素子２０を備え、冷陰極素子２０は、印加された電界に応じて電子を放出する冷陰極エミッタ２１と、冷陰極エミッタ２１が形成されたカソード電極２２と、冷陰極エミッタ２１から電子を引き出すゲート電極２３と、引き出された電子のビームを集束させるフォーカス電極２４とを備え、ゲート電極２３とフォーカス電極２４との間の距離に関し、冷陰極アレイ４０の中央部を端部よりも短くすることによって電子ビームの発散を大きくし、アノード電流を増加させる構成とした。
【解決手段】冷陰極ディスプレイ１０は、電子を電界放出する冷陰極電子源基板３０と、冷陰極電子源基板３０に対向配置されたアノード基板６０とを備え、冷陰極電子源基板３０は冷陰極素子２０を備え、冷陰極素子２０は、印加された電界に応じて電子を放出する冷陰極エミッタ２１と、冷陰極エミッタ２１が形成されたカソード電極２２と、冷陰極エミッタ２１から電子を引き出すゲート電極２３と、引き出された電子のビームを集束させるフォーカス電極２４とを備え、ゲート電極２３とフォーカス電極２４との間の距離に関し、冷陰極アレイ４０の中央部を端部よりも短くすることによって電子ビームの発散を大きくし、アノード電流を増加させる構成とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加された電界によって電子を放出する冷陰極電子源基板及びこれを用いた冷陰極ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷陰極電子源としては、例えば特許文献１に示された電界放出型電子源が知られている。特許文献１に示されたものは、電子を放出する冷陰極エミッタと、電子を引き出すゲート電極と、電子を集束するフォーカス電極とを備え、フォーカス電極に所定の電圧を印加することによって、冷陰極エミッタからの電子ビームの発散を抑えることができるようになっている。なお、特許文献１においては、冷陰極エミッタ、ゲート電極及びフォーカス電極は、それぞれ、電子放出デバイス、電子引出し電極及び制御電極と呼称されている。
【０００３】
また、冷陰極電子源を用いた冷陰極ディスプレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＦＥＤ）としては、例えば非特許文献１に示されたものが知られている。
【特許文献１】特開平２−２２６６３５号公報
【非特許文献１】Ｓ．Ｉｔｏｈ ｅｔ．ａｌ ＳＩＤ'０７ Ｄｉｇｅｓｔ，"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ"， ｐｐ．１２９７−１３００（２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、非特許文献１において、フォーカス電極の電位を下げていき、電子ビームの発散を抑えようとすると、フォーカス電極の電位の影響により、冷陰極エミッタからの電子ビームがフォーカス電極付近で追い返されてしまい、フォーカス電極のホールを通過できず、アノード電極に到達できる電子の数が急激に減少してしまうというシミュレーション結果が報告されている。以下、図５を用いて説明する。
【０００５】
図５は、特許文献１に示された従来の冷陰極ディスプレイ１を模式的に示したものである。図５（ａ）は、冷陰極ディスプレイ１が備える冷陰極電子源基板２の上面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した線分ＢＢにおける冷陰極ディスプレイ１の断面図である。
【０００６】
図５に示すように、従来の冷陰極ディスプレイ１は、冷陰極電子源基板２と、アノード基板７とを備えている。冷陰極電子源基板２は、冷陰極アレイ２ａ及び２ｂを備えている。なお、冷陰極アレイ２ａ及び２ｂは同様に構成されているので、以下の説明では冷陰極アレイ２ａの構成について説明する。冷陰極アレイ２ａは９個の冷陰極素子３を備え、冷陰極素子３は、それぞれ、冷陰極エミッタを備えている。図５（ｂ）において、冷陰極アレイ２ａの右端部にある冷陰極エミッタを冷陰極エミッタ３ａ、中央部にあるものを冷陰極エミッタ３ｂ、左端部にあるものを冷陰極エミッタ３ｃと呼び、冷陰極アレイ２ｂの右端部にある冷陰極エミッタを冷陰極エミッタ３ｄと呼ぶ。また、冷陰極素子３は、カソード電極４と、ゲート電極５と、フォーカス電極６とを備えている。アノード基板７は、アノード電極８と、蛍光体９とを備えている。
【０００７】
冷陰極アレイ２ａにおいて、カソード電極４とゲート電極５との間、ゲート電極５とフォーカス電極６との間には、それぞれ、一定の厚さの絶縁層が設けられている。
【０００８】
図５（ｂ）に示すように、従来の冷陰極アレイ２ａは、ゲート電極５とフォーカス電極６との間の距離が一定になるよう構成されているので、フォーカス電極６によるフォーカス効果は、冷陰極アレイ２ａ及び２ｂの中央部、端部に拘わらず一定であった。
【０００９】
そのため、冷陰極アレイ２ａからの電子ビームと、冷陰極アレイ２ｂからの電子ビームとがアノード基板７上において互いに重ならないよう分離するための条件は、互いに隣接する冷陰極エミッタ３ｃ及び３ｄからの電子ビームの発散によって決まってしまうこととなる。その結果、例えば冷陰極アレイ２ａの中央部に配置された冷陰極エミッタ３ｂからの電子ビームをフォーカス電極６が不必要に集束することになってしまう。
【００１０】
具体的には、図５（ｂ）に示すように、冷陰極アレイ２ａの中央部に配置された冷陰極エミッタ３ｂからの電子ビームの発散は、アノード基板７上において直径Ｗ１まで許容されるのに対し、直径Ｗ２に抑えられてしまうことになり、それに伴う電子ビームの追い返しによってアノード基板７に到達できる電子の数が減少することによりアノード電流が減少してしまい、画面の高輝度化が図れないという課題があった。
【００１１】
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り、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる冷陰極電子源基板及び冷陰極ディスプレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発明者らは、冷陰極ディスプレイの高輝度化を図る検討を重ねた結果、冷陰極アレイ内部において、ゲート電極とフォーカス電極との間の距離を変化させることによって、前述の課題を解決した。
【００１３】
すなわち、本発明の冷陰極電子源基板は、印加された電界に応じて電子を放出する冷陰極エミッタと、前記冷陰極エミッタから電子を引き出すゲート電極と、前記電子のビームを集束するフォーカス電極とを含む冷陰極素子を有する冷陰極アレイを複数備えた冷陰極電子源基板であって、前記ゲート電極と前記フォーカス電極との間の距離が、前記冷陰極アレイ端部の冷陰極素子から前記冷陰極アレイ中央部の冷陰極素子に向かうに従って短くなっている構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の冷陰極電子源基板は、ゲート電極とフォーカス電極との間の距離が、冷陰極アレイ端部の冷陰極素子から冷陰極アレイ中央部の冷陰極素子に向かうに従って短くなっているので、冷陰極アレイの中央部に配置された冷陰極エミッタからの電子ビームの発散を従来のものよりも大きくしてアノード電流を増加させることができる。したがって、本発明の冷陰極電子源基板は、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる。
【００１５】
本発明の冷陰極ディスプレイは、冷陰極電子源基板と、該冷陰極電子源基板から所定の間隔をおいて対向配置され、前記冷陰極電子源基板と対向する面側に蛍光体が設けられたアノード電極とを備えた構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明の冷陰極ディスプレイは、冷陰極エミッタからの電子ビームの発散を従来のものよりも大きくしてアノード電流を増加させることができるので、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができるという効果を有する冷陰極電子源基板及び冷陰極ディスプレイを提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
まず、本実施の形態における冷陰極ディスプレイの構成について説明する。図１（ａ）は、冷陰極ディスプレイ１０が有するアノード基板６０側から見たときの冷陰極電子源基板３０の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した線分ＡＡにおける冷陰極ディスプレイ１０の断面図である。
【００２０】
本実施の形態における冷陰極ディスプレイ１０は、電子を電界放出する冷陰極電子源基板３０と、冷陰極電子源基板３０に対向配置されたアノード基板６０とを備えている。冷陰極電子源基板３０は、２つの冷陰極アレイ４０及び５０を備えている。ここで、冷陰極アレイ４０及び５０は、それぞれ、例えば、ＲＧＢ（赤、緑、青）のうち、赤色及び緑色の発光体を発光させるための電子源となるものである。なお、冷陰極アレイ４０及び５０は同様に構成されているので、以下の説明では、冷陰極アレイ４０の構成について説明する。
【００２１】
冷陰極アレイ４０は、９個の冷陰極素子２０を備えている。ここで、冷陰極素子２０の個数を９個としたのは、冷陰極ディスプレイ１０の構成を分かりやすくするためであり、本発明はこれに限定されない。冷陰極素子２０は、印加された電界に応じて電子を放出する冷陰極エミッタ２１と、冷陰極エミッタ２１が形成されたカソード電極２２と、冷陰極エミッタ２１から電子を引き出すゲート電極２３と、引き出された電子のビームを集束させるフォーカス電極２４とを備えている。カソード電極２２とゲート電極２３との間（以下「カソード−ゲート電極間」という。）には第１の絶縁層が、ゲート電極２３とフォーカス電極２４との間（以下「ゲート−フォーカス電極間」という。）には第２の絶縁層が、それぞれ形成されている。
【００２２】
冷陰極エミッタ２１は、例えばカーボンナノチューブやグラファイトナノファイバのような炭素系微細繊維で構成され、カソード電極２２上に設けられている。カソード電極２２は、例えばガラス基板上に例えばＣｒを用いて形成されている。なお、図１に示すように、冷陰極アレイ４０が有する冷陰極エミッタ２１のうち、冷陰極アレイ４０の端部にあるものを冷陰極エミッタ２１ａ、冷陰極アレイ４０の中央部にあるものを冷陰極エミッタ２１ｂという。本実施の形態における冷陰極アレイ４０は、９個の冷陰極エミッタ２１で構成されているので、冷陰極エミッタ２１ａは、冷陰極エミッタ２１ｂを取り囲む配置となっている。
【００２３】
ゲート電極２３は、カソード電極２２上に設けられた第１の絶縁層上に例えばＣｒを用いて形成されており、電子を通過させるゲートホールを有している。カソード−ゲート電極間には所定のゲート電圧が印加されるようになっており、ゲート電極２３は、印加されたゲート電圧に応じて冷陰極エミッタ２１から電子を引き出すようになっている。
【００２４】
フォーカス電極２４は、ゲート電極２３上に設けられた第２の絶縁層上に例えばＣｒを用いて形成されており、電子を通過させるフォーカスホール２４ａを有している。カソード電極２２とフォーカス電極２４との間には所定のフォーカス電圧が印加されるようになっており、フォーカス電極２４は、印加されたフォーカス電圧に応じて冷陰極エミッタ２１からの電子ビームを集束させるようになっている。
【００２５】
ここで、ゲート電極２３上に設けられた第２の絶縁層の厚さは一様ではなく、冷陰極アレイ４０の中央部に位置する冷陰極エミッタ２１ｂの上方には円形状の凹部２４ｂが設けられている。すなわち、ゲート−フォーカス電極間の距離が、冷陰極アレイ４０の端部よりも中央部の方が短くなるよう円形状の凹部２４ｂが形成され、この凹部２４ｂの表面にフォーカス電極２４が設けられる構成となっている。凹部２４ｂの形成方法としては、例えば、ゲート電極２３とフォーカス電極２４との間に設ける絶縁層を全面で均一な厚さに堆積させた後、冷陰極アレイ４０の中央部をエッチングして中央部を窪ませる方法や、印刷法により冷陰極アレイ４０の中央部以外の部分に絶縁層を形成して中央部を窪ませる方法等がある。なお、凹部２４ｂの形状は、円形状に限定されない。
【００２６】
アノード基板６０は、図示を省略したガラス基板上に形成され、透明電極からなるアノード電極６１と、電子の通過により発光する蛍光体６２とを備えている。カソード電極２２とアノード電極６１との間（以下「カソード−アノード電極間」という。）には所定のアノード電圧が印加されるようになっている。
【００２７】
次に、本実施の形態における冷陰極アレイ４０の特性を確認するために行った実験結果について説明する。最初に、実験に用いた冷陰極アレイ４０の製造工程の概要について説明する。
【００２８】
まず、ゲート−フォーカス電極間が、２μｍの冷陰極アレイと２．５μｍの冷陰極アレイとをガラス基板上にそれぞれ作製した。これらの冷陰極アレイにおいて、カソード電極２２、ゲート電極２３及びフォーカス電極２４は、スパッタリング法によって堆積させた膜厚２００ｎｍのＣｒで形成したものである。
【００２９】
また、カソード−ゲート電極間にある第１の絶縁層と、ゲート−フォーカス電極間にある第２の絶縁層とを、スパッタリング法によって堆積したＳｉＯ２で形成した。ここで、作製したサンプルは２種類ある。１つ目のサンプルは、第１の絶縁層が３μｍで第２の絶縁層が２μｍのもの、すなわちゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍのものである。２つ目のサンプルは、第１の絶縁層及び第２の絶縁層が共に２．５μｍのもの、すなわちゲート−フォーカス電極間の距離が２．５μｍのものである。
【００３０】
また、ゲート電極２３及びフォーカス電極２４に設けた各ホールの半径を、それぞれ、２．５μｍ及び３．５μｍとした。ゲート電極２３及びフォーカス電極２４に設けたホールの数は共に３５個とし、３５個の冷陰極エミッタ２１を形成できる構成とした。
【００３１】
カソード電極２２上には次のように冷陰極エミッタ２１を形成した。まず、電子ビーム蒸着法によって５ｎｍ成膜したＦｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる合金触媒を、リフトオフ法によってホール内のカソード電極２２上だけに堆積させた。次いで、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法によって微細な炭素繊維状の冷陰極エミッタ２１を形成した。熱ＣＶＤ法による工程において、Ｈ２ガスとＣＯガスとを１：１の体積比となるようチャンバ内で混合し、赤外線ランプによって基板温度５８０℃で１０分間加熱した。
【００３２】
以上の製造工程で作製した冷陰極アレイ４０にアノード基板６０を対向配置し、フォーカス電圧に対するアノード電流の変化について調べた結果を図２に示す。ここで、カソード−アノード電極間の距離は７ｍｍとした。また、カソード電圧、ゲート電圧及びアノード電圧は、それぞれ、０Ｖ、４２Ｖ及び３００Ｖとした。なお、アノード電流は、５８８個分の冷陰極アレイによるものである（冷陰極エミッタ数＝３５×５８８個）。
【００３３】
図２に示すように、ゲート−フォーカス電極間が２μｍのもの及び２．５μｍのものは、共にフォーカス電圧を下げてビームを集束させるに従ってフォーカス電圧による電子ビームの追い返しが起こり、その結果フォーカス電圧に応じてアノード電流が減少している。ただし、ゲート−フォーカス電極間が２μｍのものの方が２．５μｍのものよりもアノード電流の減少傾向が緩やかである。また、例えばフォーカス電圧を５Ｖとした場合、ゲート−フォーカス電極間が２μｍのものの方が２．５μｍのものよりもアノード電流は約３倍多くなっていることが分かる。すなわち、同一の電圧条件の場合にアノード電流を増加させるには、ゲート−フォーカス電極間の間隔を小さくするのが好ましい。
【００３４】
次に、ゲート−フォーカス電極間の距離を変化させたときの電子ビームの発散について、計算機シミュレーションにより求めた結果を図３に基づいて説明する。
【００３５】
図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍ及び２．５μｍの場合における電子ビームの発散を示している。ゲート−フォーカス電極間の距離以外は同条件であり、カソード−ゲート電極間の距離は３μｍ、カソード−アノード電極間の距離は１ｍｍ、ゲートホールの半径は２．５μｍ、フォーカスホール２４ａの半径は３．５μｍとした。また、冷陰極エミッタ２１の形状は、その先端が半径１０ｎｍの半球状となっている高さ２μｍの円柱状とした。また、カソード電圧、ゲート電圧、フォーカス電圧及びアノード電圧は、それぞれ、０Ｖ、５０Ｖ、５Ｖ及び３００Ｖとした。
【００３６】
計算機シミュレーションによる電子ビームの発散は次のようになった。まず、図３（ａ）に示すように、ゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍのものは、アノード電極６１上における電子ビームの発散が半径９６．２μｍであった。一方、図３（ｂ）に示すように、ゲート−フォーカス電極間の距離が２．５μｍのものは、アノード電極６１上における電子ビームの発散が半径８６．５μｍであった。この結果より、ゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍのものは、同距離が２．５μｍのものよりも電子ビームの発散が大きいことが分かった。
【００３７】
図２及び図３に示した結果によれば、同じフォーカス電圧でもゲート−フォーカス電極間の距離が異なると電子ビームの集束状態も異なり、ゲート−フォーカス電極間を短くすると電子ビームの発散は大きくなり、アノード電流は増加することが分かる。したがって、ゲート−フォーカス電極間の距離を、冷陰極アレイ４０の端部にある冷陰極素子２０から冷陰極アレイ４０の中央部にある冷陰極素子２０に向かうに従って短くする構成が好ましい。
【００３８】
具体的には、例えば図４に示すように、ゲート−フォーカス電極間の距離を冷陰極アレイ４０の端部では２．５μｍとし、中央部では２μｍとする構成が好ましい。この構成において、冷陰極エミッタ２１ａのゲート−フォーカス電極間の距離は２．５μｍなので、冷陰極エミッタ２１ａからの電子ビームａは、図３（ｂ）に示す結果より半径８６．５μｍの大きさとなる。一方、冷陰極エミッタ２１ｂのゲート−フォーカス電極間の距離は２μｍなので、冷陰極エミッタ２１ｂからの電子ビームｂは、図３（ａ）に示す結果より半径９６．２μｍの大きさとなる。したがって、冷陰極エミッタ２１ｂは、冷陰極エミッタ２１ａよりも９．７μｍ以上内側に設ければ、電子ビームｂによる発光領域は電子ビームａによる発光領域よりも外側に出ることはない。
【００３９】
また、図２に示した結果により、同一のフォーカス電圧を印加した場合において、ゲート−フォーカス電極間の距離を２μｍとしたものは２．５μｍのものよりもアノード電流が大きくなるので、ゲート−フォーカス電極間の距離が２．５μｍで一定である従来のものよりも、図４に示した構成の方がアノード電流を大きくすることができ、高輝度化が図れる。
【００４０】
以上のように、本実施の形態における冷陰極ディスプレイ１０によれば、ゲート電極２３とフォーカス電極２４との間の距離を、冷陰極アレイ４０の端部にある冷陰極素子２０から冷陰極アレイ４０の中央部にある冷陰極素子２０に向かうに従って短くする構成としたので、冷陰極アレイ４０の中央部に配置された冷陰極エミッタ２１ｂからの電子ビームの発散を従来のものよりも大きくしてアノード電流を増加させることができる。したがって、本発明の冷陰極ディスプレイ１０は、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる。
【００４１】
また、本実施の形態における冷陰極ディスプレイ１０によれば、冷陰極アレイ４０の中央部に配置された冷陰極エミッタ２１ｂの上方に円形状の凹部２４ｂを設け、この凹部２４ｂ上にフォーカス電極２４を形成するという簡単な構成としたので、冷陰極アレイ４０の中央部のフォーカス電極２４と端部のフォーカス電極２４とを分割して別個にフォーカス電圧を印加するものよりも、大幅に製造コストを低減することができる。
【００４２】
なお、図２及び図３に示した結果は一例であるので、冷陰極ディスプレイ１０として使用する際に印加する各電圧や構成に応じて、ゲート−フォーカス電極間の距離を適宜変えることにより、本発明の冷陰極ディスプレイ１０は、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる。
【００４３】
また、前述の実施の形態において、９個の冷陰極エミッタ２１で冷陰極アレイ４０を構成し、冷陰極アレイ４０の中央部のみにおいてゲート−フォーカス電極間の距離を端部よりも短くする例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、冷陰極アレイを構成する冷陰極エミッタの個数が５個×５個の２５個の場合、冷陰極アレイの中心の１個、その外周を取り囲む８個、さらにその外周を取り囲む１６個にそれぞれ対応するゲート−フォーカス電極間の距離を、端部から中央部に向かうに従って、段階的に又はテーパ形状で短くする構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る冷陰極ディスプレイの一実施の形態における構成を示す図 （ａ）冷陰極ディスプレイが備える冷陰極アレイの平面図 （ｂ）冷陰極ディスプレイの断面図
【図２】本発明に係る冷陰極ディスプレイの一実施の形態において、フォーカス電圧とアノード電流との関係を示す図
【図３】本発明に係る冷陰極ディスプレイの一実施の形態において、計算機シミュレーションによる電子ビームの発散の計算結果 （ａ）ゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍの場合の計算結果 （ｂ）ゲート−フォーカス電極間の距離が２．５μｍの場合の計算結果
【図４】本発明に係る冷陰極ディスプレイの一実施の形態において、図２及び図３に示した結果から求めた冷陰極エミッタの位置関係と電子ビームの発散とを示す模式図
【図５】従来の冷陰極ディスプレイを示す図 （ａ）従来の冷陰極ディスプレイが備える冷陰極アレイの平面図 （ｂ）従来の冷陰極ディスプレイの断面図
【符号の説明】
【００４５】
１０ 冷陰極ディスプレイ
２０ 冷陰極素子
２１（２１ａ、２１ｂ） 冷陰極エミッタ
２２ カソード電極
２３ ゲート電極
２４ フォーカス電極
２４ａ フォーカスホール
２４ｂ 凹部
３０ 冷陰極電子源基板
４０、５０ 冷陰極アレイ
６０ アノード基板
６１ アノード電極
６２ 蛍光体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、印加された電界によって電子を放出する冷陰極電子源基板及びこれを用いた冷陰極ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷陰極電子源としては、例えば特許文献１に示された電界放出型電子源が知られている。特許文献１に示されたものは、電子を放出する冷陰極エミッタと、電子を引き出すゲート電極と、電子を集束するフォーカス電極とを備え、フォーカス電極に所定の電圧を印加することによって、冷陰極エミッタからの電子ビームの発散を抑えることができるようになっている。なお、特許文献１においては、冷陰極エミッタ、ゲート電極及びフォーカス電極は、それぞれ、電子放出デバイス、電子引出し電極及び制御電極と呼称されている。
【０００３】
また、冷陰極電子源を用いた冷陰極ディスプレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ：ＦＥＤ）としては、例えば非特許文献１に示されたものが知られている。
【特許文献１】特開平２−２２６６３５号公報
【非特許文献１】Ｓ．Ｉｔｏｈ ｅｔ．ａｌ ＳＩＤ'０７ Ｄｉｇｅｓｔ，"Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ"， ｐｐ．１２９７−１３００（２００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、非特許文献１において、フォーカス電極の電位を下げていき、電子ビームの発散を抑えようとすると、フォーカス電極の電位の影響により、冷陰極エミッタからの電子ビームがフォーカス電極付近で追い返されてしまい、フォーカス電極のホールを通過できず、アノード電極に到達できる電子の数が急激に減少してしまうというシミュレーション結果が報告されている。以下、図５を用いて説明する。
【０００５】
図５は、特許文献１に示された従来の冷陰極ディスプレイ１を模式的に示したものである。図５（ａ）は、冷陰極ディスプレイ１が備える冷陰極電子源基板２の上面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した線分ＢＢにおける冷陰極ディスプレイ１の断面図である。
【０００６】
図５に示すように、従来の冷陰極ディスプレイ１は、冷陰極電子源基板２と、アノード基板７とを備えている。冷陰極電子源基板２は、冷陰極アレイ２ａ及び２ｂを備えている。なお、冷陰極アレイ２ａ及び２ｂは同様に構成されているので、以下の説明では冷陰極アレイ２ａの構成について説明する。冷陰極アレイ２ａは９個の冷陰極素子３を備え、冷陰極素子３は、それぞれ、冷陰極エミッタを備えている。図５（ｂ）において、冷陰極アレイ２ａの右端部にある冷陰極エミッタを冷陰極エミッタ３ａ、中央部にあるものを冷陰極エミッタ３ｂ、左端部にあるものを冷陰極エミッタ３ｃと呼び、冷陰極アレイ２ｂの右端部にある冷陰極エミッタを冷陰極エミッタ３ｄと呼ぶ。また、冷陰極素子３は、カソード電極４と、ゲート電極５と、フォーカス電極６とを備えている。アノード基板７は、アノード電極８と、蛍光体９とを備えている。
【０００７】
冷陰極アレイ２ａにおいて、カソード電極４とゲート電極５との間、ゲート電極５とフォーカス電極６との間には、それぞれ、一定の厚さの絶縁層が設けられている。
【０００８】
図５（ｂ）に示すように、従来の冷陰極アレイ２ａは、ゲート電極５とフォーカス電極６との間の距離が一定になるよう構成されているので、フォーカス電極６によるフォーカス効果は、冷陰極アレイ２ａ及び２ｂの中央部、端部に拘わらず一定であった。
【０００９】
そのため、冷陰極アレイ２ａからの電子ビームと、冷陰極アレイ２ｂからの電子ビームとがアノード基板７上において互いに重ならないよう分離するための条件は、互いに隣接する冷陰極エミッタ３ｃ及び３ｄからの電子ビームの発散によって決まってしまうこととなる。その結果、例えば冷陰極アレイ２ａの中央部に配置された冷陰極エミッタ３ｂからの電子ビームをフォーカス電極６が不必要に集束することになってしまう。
【００１０】
具体的には、図５（ｂ）に示すように、冷陰極アレイ２ａの中央部に配置された冷陰極エミッタ３ｂからの電子ビームの発散は、アノード基板７上において直径Ｗ１まで許容されるのに対し、直径Ｗ２に抑えられてしまうことになり、それに伴う電子ビームの追い返しによってアノード基板７に到達できる電子の数が減少することによりアノード電流が減少してしまい、画面の高輝度化が図れないという課題があった。
【００１１】
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り、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる冷陰極電子源基板及び冷陰極ディスプレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発明者らは、冷陰極ディスプレイの高輝度化を図る検討を重ねた結果、冷陰極アレイ内部において、ゲート電極とフォーカス電極との間の距離を変化させることによって、前述の課題を解決した。
【００１３】
すなわち、本発明の冷陰極電子源基板は、印加された電界に応じて電子を放出する冷陰極エミッタと、前記冷陰極エミッタから電子を引き出すゲート電極と、前記電子のビームを集束するフォーカス電極とを含む冷陰極素子を有する冷陰極アレイを複数備えた冷陰極電子源基板であって、前記ゲート電極と前記フォーカス電極との間の距離が、前記冷陰極アレイ端部の冷陰極素子から前記冷陰極アレイ中央部の冷陰極素子に向かうに従って短くなっている構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の冷陰極電子源基板は、ゲート電極とフォーカス電極との間の距離が、冷陰極アレイ端部の冷陰極素子から冷陰極アレイ中央部の冷陰極素子に向かうに従って短くなっているので、冷陰極アレイの中央部に配置された冷陰極エミッタからの電子ビームの発散を従来のものよりも大きくしてアノード電流を増加させることができる。したがって、本発明の冷陰極電子源基板は、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる。
【００１５】
本発明の冷陰極ディスプレイは、冷陰極電子源基板と、該冷陰極電子源基板から所定の間隔をおいて対向配置され、前記冷陰極電子源基板と対向する面側に蛍光体が設けられたアノード電極とを備えた構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明の冷陰極ディスプレイは、冷陰極エミッタからの電子ビームの発散を従来のものよりも大きくしてアノード電流を増加させることができるので、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができるという効果を有する冷陰極電子源基板及び冷陰極ディスプレイを提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
まず、本実施の形態における冷陰極ディスプレイの構成について説明する。図１（ａ）は、冷陰極ディスプレイ１０が有するアノード基板６０側から見たときの冷陰極電子源基板３０の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した線分ＡＡにおける冷陰極ディスプレイ１０の断面図である。
【００２０】
本実施の形態における冷陰極ディスプレイ１０は、電子を電界放出する冷陰極電子源基板３０と、冷陰極電子源基板３０に対向配置されたアノード基板６０とを備えている。冷陰極電子源基板３０は、２つの冷陰極アレイ４０及び５０を備えている。ここで、冷陰極アレイ４０及び５０は、それぞれ、例えば、ＲＧＢ（赤、緑、青）のうち、赤色及び緑色の発光体を発光させるための電子源となるものである。なお、冷陰極アレイ４０及び５０は同様に構成されているので、以下の説明では、冷陰極アレイ４０の構成について説明する。
【００２１】
冷陰極アレイ４０は、９個の冷陰極素子２０を備えている。ここで、冷陰極素子２０の個数を９個としたのは、冷陰極ディスプレイ１０の構成を分かりやすくするためであり、本発明はこれに限定されない。冷陰極素子２０は、印加された電界に応じて電子を放出する冷陰極エミッタ２１と、冷陰極エミッタ２１が形成されたカソード電極２２と、冷陰極エミッタ２１から電子を引き出すゲート電極２３と、引き出された電子のビームを集束させるフォーカス電極２４とを備えている。カソード電極２２とゲート電極２３との間（以下「カソード−ゲート電極間」という。）には第１の絶縁層が、ゲート電極２３とフォーカス電極２４との間（以下「ゲート−フォーカス電極間」という。）には第２の絶縁層が、それぞれ形成されている。
【００２２】
冷陰極エミッタ２１は、例えばカーボンナノチューブやグラファイトナノファイバのような炭素系微細繊維で構成され、カソード電極２２上に設けられている。カソード電極２２は、例えばガラス基板上に例えばＣｒを用いて形成されている。なお、図１に示すように、冷陰極アレイ４０が有する冷陰極エミッタ２１のうち、冷陰極アレイ４０の端部にあるものを冷陰極エミッタ２１ａ、冷陰極アレイ４０の中央部にあるものを冷陰極エミッタ２１ｂという。本実施の形態における冷陰極アレイ４０は、９個の冷陰極エミッタ２１で構成されているので、冷陰極エミッタ２１ａは、冷陰極エミッタ２１ｂを取り囲む配置となっている。
【００２３】
ゲート電極２３は、カソード電極２２上に設けられた第１の絶縁層上に例えばＣｒを用いて形成されており、電子を通過させるゲートホールを有している。カソード−ゲート電極間には所定のゲート電圧が印加されるようになっており、ゲート電極２３は、印加されたゲート電圧に応じて冷陰極エミッタ２１から電子を引き出すようになっている。
【００２４】
フォーカス電極２４は、ゲート電極２３上に設けられた第２の絶縁層上に例えばＣｒを用いて形成されており、電子を通過させるフォーカスホール２４ａを有している。カソード電極２２とフォーカス電極２４との間には所定のフォーカス電圧が印加されるようになっており、フォーカス電極２４は、印加されたフォーカス電圧に応じて冷陰極エミッタ２１からの電子ビームを集束させるようになっている。
【００２５】
ここで、ゲート電極２３上に設けられた第２の絶縁層の厚さは一様ではなく、冷陰極アレイ４０の中央部に位置する冷陰極エミッタ２１ｂの上方には円形状の凹部２４ｂが設けられている。すなわち、ゲート−フォーカス電極間の距離が、冷陰極アレイ４０の端部よりも中央部の方が短くなるよう円形状の凹部２４ｂが形成され、この凹部２４ｂの表面にフォーカス電極２４が設けられる構成となっている。凹部２４ｂの形成方法としては、例えば、ゲート電極２３とフォーカス電極２４との間に設ける絶縁層を全面で均一な厚さに堆積させた後、冷陰極アレイ４０の中央部をエッチングして中央部を窪ませる方法や、印刷法により冷陰極アレイ４０の中央部以外の部分に絶縁層を形成して中央部を窪ませる方法等がある。なお、凹部２４ｂの形状は、円形状に限定されない。
【００２６】
アノード基板６０は、図示を省略したガラス基板上に形成され、透明電極からなるアノード電極６１と、電子の通過により発光する蛍光体６２とを備えている。カソード電極２２とアノード電極６１との間（以下「カソード−アノード電極間」という。）には所定のアノード電圧が印加されるようになっている。
【００２７】
次に、本実施の形態における冷陰極アレイ４０の特性を確認するために行った実験結果について説明する。最初に、実験に用いた冷陰極アレイ４０の製造工程の概要について説明する。
【００２８】
まず、ゲート−フォーカス電極間が、２μｍの冷陰極アレイと２．５μｍの冷陰極アレイとをガラス基板上にそれぞれ作製した。これらの冷陰極アレイにおいて、カソード電極２２、ゲート電極２３及びフォーカス電極２４は、スパッタリング法によって堆積させた膜厚２００ｎｍのＣｒで形成したものである。
【００２９】
また、カソード−ゲート電極間にある第１の絶縁層と、ゲート−フォーカス電極間にある第２の絶縁層とを、スパッタリング法によって堆積したＳｉＯ２で形成した。ここで、作製したサンプルは２種類ある。１つ目のサンプルは、第１の絶縁層が３μｍで第２の絶縁層が２μｍのもの、すなわちゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍのものである。２つ目のサンプルは、第１の絶縁層及び第２の絶縁層が共に２．５μｍのもの、すなわちゲート−フォーカス電極間の距離が２．５μｍのものである。
【００３０】
また、ゲート電極２３及びフォーカス電極２４に設けた各ホールの半径を、それぞれ、２．５μｍ及び３．５μｍとした。ゲート電極２３及びフォーカス電極２４に設けたホールの数は共に３５個とし、３５個の冷陰極エミッタ２１を形成できる構成とした。
【００３１】
カソード電極２２上には次のように冷陰極エミッタ２１を形成した。まず、電子ビーム蒸着法によって５ｎｍ成膜したＦｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる合金触媒を、リフトオフ法によってホール内のカソード電極２２上だけに堆積させた。次いで、熱ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法によって微細な炭素繊維状の冷陰極エミッタ２１を形成した。熱ＣＶＤ法による工程において、Ｈ２ガスとＣＯガスとを１：１の体積比となるようチャンバ内で混合し、赤外線ランプによって基板温度５８０℃で１０分間加熱した。
【００３２】
以上の製造工程で作製した冷陰極アレイ４０にアノード基板６０を対向配置し、フォーカス電圧に対するアノード電流の変化について調べた結果を図２に示す。ここで、カソード−アノード電極間の距離は７ｍｍとした。また、カソード電圧、ゲート電圧及びアノード電圧は、それぞれ、０Ｖ、４２Ｖ及び３００Ｖとした。なお、アノード電流は、５８８個分の冷陰極アレイによるものである（冷陰極エミッタ数＝３５×５８８個）。
【００３３】
図２に示すように、ゲート−フォーカス電極間が２μｍのもの及び２．５μｍのものは、共にフォーカス電圧を下げてビームを集束させるに従ってフォーカス電圧による電子ビームの追い返しが起こり、その結果フォーカス電圧に応じてアノード電流が減少している。ただし、ゲート−フォーカス電極間が２μｍのものの方が２．５μｍのものよりもアノード電流の減少傾向が緩やかである。また、例えばフォーカス電圧を５Ｖとした場合、ゲート−フォーカス電極間が２μｍのものの方が２．５μｍのものよりもアノード電流は約３倍多くなっていることが分かる。すなわち、同一の電圧条件の場合にアノード電流を増加させるには、ゲート−フォーカス電極間の間隔を小さくするのが好ましい。
【００３４】
次に、ゲート−フォーカス電極間の距離を変化させたときの電子ビームの発散について、計算機シミュレーションにより求めた結果を図３に基づいて説明する。
【００３５】
図３（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、ゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍ及び２．５μｍの場合における電子ビームの発散を示している。ゲート−フォーカス電極間の距離以外は同条件であり、カソード−ゲート電極間の距離は３μｍ、カソード−アノード電極間の距離は１ｍｍ、ゲートホールの半径は２．５μｍ、フォーカスホール２４ａの半径は３．５μｍとした。また、冷陰極エミッタ２１の形状は、その先端が半径１０ｎｍの半球状となっている高さ２μｍの円柱状とした。また、カソード電圧、ゲート電圧、フォーカス電圧及びアノード電圧は、それぞれ、０Ｖ、５０Ｖ、５Ｖ及び３００Ｖとした。
【００３６】
計算機シミュレーションによる電子ビームの発散は次のようになった。まず、図３（ａ）に示すように、ゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍのものは、アノード電極６１上における電子ビームの発散が半径９６．２μｍであった。一方、図３（ｂ）に示すように、ゲート−フォーカス電極間の距離が２．５μｍのものは、アノード電極６１上における電子ビームの発散が半径８６．５μｍであった。この結果より、ゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍのものは、同距離が２．５μｍのものよりも電子ビームの発散が大きいことが分かった。
【００３７】
図２及び図３に示した結果によれば、同じフォーカス電圧でもゲート−フォーカス電極間の距離が異なると電子ビームの集束状態も異なり、ゲート−フォーカス電極間を短くすると電子ビームの発散は大きくなり、アノード電流は増加することが分かる。したがって、ゲート−フォーカス電極間の距離を、冷陰極アレイ４０の端部にある冷陰極素子２０から冷陰極アレイ４０の中央部にある冷陰極素子２０に向かうに従って短くする構成が好ましい。
【００３８】
具体的には、例えば図４に示すように、ゲート−フォーカス電極間の距離を冷陰極アレイ４０の端部では２．５μｍとし、中央部では２μｍとする構成が好ましい。この構成において、冷陰極エミッタ２１ａのゲート−フォーカス電極間の距離は２．５μｍなので、冷陰極エミッタ２１ａからの電子ビームａは、図３（ｂ）に示す結果より半径８６．５μｍの大きさとなる。一方、冷陰極エミッタ２１ｂのゲート−フォーカス電極間の距離は２μｍなので、冷陰極エミッタ２１ｂからの電子ビームｂは、図３（ａ）に示す結果より半径９６．２μｍの大きさとなる。したがって、冷陰極エミッタ２１ｂは、冷陰極エミッタ２１ａよりも９．７μｍ以上内側に設ければ、電子ビームｂによる発光領域は電子ビームａによる発光領域よりも外側に出ることはない。
【００３９】
また、図２に示した結果により、同一のフォーカス電圧を印加した場合において、ゲート−フォーカス電極間の距離を２μｍとしたものは２．５μｍのものよりもアノード電流が大きくなるので、ゲート−フォーカス電極間の距離が２．５μｍで一定である従来のものよりも、図４に示した構成の方がアノード電流を大きくすることができ、高輝度化が図れる。
【００４０】
以上のように、本実施の形態における冷陰極ディスプレイ１０によれば、ゲート電極２３とフォーカス電極２４との間の距離を、冷陰極アレイ４０の端部にある冷陰極素子２０から冷陰極アレイ４０の中央部にある冷陰極素子２０に向かうに従って短くする構成としたので、冷陰極アレイ４０の中央部に配置された冷陰極エミッタ２１ｂからの電子ビームの発散を従来のものよりも大きくしてアノード電流を増加させることができる。したがって、本発明の冷陰極ディスプレイ１０は、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる。
【００４１】
また、本実施の形態における冷陰極ディスプレイ１０によれば、冷陰極アレイ４０の中央部に配置された冷陰極エミッタ２１ｂの上方に円形状の凹部２４ｂを設け、この凹部２４ｂ上にフォーカス電極２４を形成するという簡単な構成としたので、冷陰極アレイ４０の中央部のフォーカス電極２４と端部のフォーカス電極２４とを分割して別個にフォーカス電圧を印加するものよりも、大幅に製造コストを低減することができる。
【００４２】
なお、図２及び図３に示した結果は一例であるので、冷陰極ディスプレイ１０として使用する際に印加する各電圧や構成に応じて、ゲート−フォーカス電極間の距離を適宜変えることにより、本発明の冷陰極ディスプレイ１０は、従来のものよりも画面の高輝度化を図ることができる。
【００４３】
また、前述の実施の形態において、９個の冷陰極エミッタ２１で冷陰極アレイ４０を構成し、冷陰極アレイ４０の中央部のみにおいてゲート−フォーカス電極間の距離を端部よりも短くする例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、冷陰極アレイを構成する冷陰極エミッタの個数が５個×５個の２５個の場合、冷陰極アレイの中心の１個、その外周を取り囲む８個、さらにその外周を取り囲む１６個にそれぞれ対応するゲート−フォーカス電極間の距離を、端部から中央部に向かうに従って、段階的に又はテーパ形状で短くする構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る冷陰極ディスプレイの一実施の形態における構成を示す図 （ａ）冷陰極ディスプレイが備える冷陰極アレイの平面図 （ｂ）冷陰極ディスプレイの断面図
【図２】本発明に係る冷陰極ディスプレイの一実施の形態において、フォーカス電圧とアノード電流との関係を示す図
【図３】本発明に係る冷陰極ディスプレイの一実施の形態において、計算機シミュレーションによる電子ビームの発散の計算結果 （ａ）ゲート−フォーカス電極間の距離が２μｍの場合の計算結果 （ｂ）ゲート−フォーカス電極間の距離が２．５μｍの場合の計算結果
【図４】本発明に係る冷陰極ディスプレイの一実施の形態において、図２及び図３に示した結果から求めた冷陰極エミッタの位置関係と電子ビームの発散とを示す模式図
【図５】従来の冷陰極ディスプレイを示す図 （ａ）従来の冷陰極ディスプレイが備える冷陰極アレイの平面図 （ｂ）従来の冷陰極ディスプレイの断面図
【符号の説明】
【００４５】
１０ 冷陰極ディスプレイ
２０ 冷陰極素子
２１（２１ａ、２１ｂ） 冷陰極エミッタ
２２ カソード電極
２３ ゲート電極
２４ フォーカス電極
２４ａ フォーカスホール
２４ｂ 凹部
３０ 冷陰極電子源基板
４０、５０ 冷陰極アレイ
６０ アノード基板
６１ アノード電極
６２ 蛍光体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
印加された電界に応じて電子を放出する冷陰極エミッタと、前記冷陰極エミッタから電子を引き出すゲート電極と、前記電子のビームを集束するフォーカス電極とを含む冷陰極素子を有する冷陰極アレイを複数備えた冷陰極電子源基板であって、
前記ゲート電極と前記フォーカス電極との間の距離が、前記冷陰極アレイ端部の冷陰極素子から前記冷陰極アレイ中央部の冷陰極素子に向かうに従って短くなっていることを特徴とする冷陰極電子源基板。
【請求項２】
請求項１に記載の冷陰極電子源基板と、該冷陰極電子源基板から所定の間隔をおいて対向配置され、前記冷陰極電子源基板と対向する面側に蛍光体が設けられたアノード電極とを備えたことを特徴とする冷陰極ディスプレイ。
【請求項１】
印加された電界に応じて電子を放出する冷陰極エミッタと、前記冷陰極エミッタから電子を引き出すゲート電極と、前記電子のビームを集束するフォーカス電極とを含む冷陰極素子を有する冷陰極アレイを複数備えた冷陰極電子源基板であって、
前記ゲート電極と前記フォーカス電極との間の距離が、前記冷陰極アレイ端部の冷陰極素子から前記冷陰極アレイ中央部の冷陰極素子に向かうに従って短くなっていることを特徴とする冷陰極電子源基板。
【請求項２】
請求項１に記載の冷陰極電子源基板と、該冷陰極電子源基板から所定の間隔をおいて対向配置され、前記冷陰極電子源基板と対向する面側に蛍光体が設けられたアノード電極とを備えたことを特徴とする冷陰極ディスプレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−５４３１７（Ｐ２００９−５４３１７Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１７３１９（Ｐ２００７−２１７３１９）
【出願日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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