JP2006134865A - 電界放出装置及びこれを用いた電界放出ディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 隣接している電子エミッタ尖端の間の距離を増加し、電界スクリーン・エフェクトを弱化するにより、同量の電流を取るため必要な電界強度、及び駆動コストを低減させることができる電界放出装置及びこれを用いた電界放出ディスプレイを提供する。
【解決手段】 本発明に係る電界放出装置は基板と、該基板の上に設けられている複数のカソードと、該カソード表面に設けられている複数の電子エミッタとを備え、前記複数の電子エミッタが位置されているカソード表面が突出した曲面であり、従って、該表面に設けられている複数の電子エミッタが発散形の分布を呈する。また、本発明は前記の電界放出装置を用いた電界放出ディスプレイを提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は電界放出装置及びこれを用いた電界放出ディスプレイに関するものである。

電界放出ディスプレイは、ブラウン管ディスプレイ（ＣＲＴ）と液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の後、一番競争力のある新たなディスプレイとして開発されたものである。現在使用されているディスプレイと比べ、電界放出ディスプレイは優良な顕示効果、大きな画角、低消耗及び小さい体積などの特徴を持っており、特に、カーボンナノチューブに基づいて造りだしたカーボンナノチューブ電界放出ディスプレイ（ＣＮＴ-ＦＥＤ）が、近年次第に重視されてきている。

カーボンナノチューブは新しい炭素材料であり、１９９１年日本の研究員Ｉｉｊｉｍａ（飯島澄男氏）により最初見出され、その詳細は非特許文献１に開示されている。カーボンナノチューブは、優れた導電性能を有し、且つその端部が理論の極限に近づいた表面積を有する（端部の表面積が小さいほど、電界強化因子が大きく、局部の電界が強い）ので、現在、最良の電界放出材料であると認識され、更に、極少の電界放出ターンオン電界（約２Ｖ/μｍ）を有し、極大の電流密度を安定的に伝えることができ、電界放出ディスプレイの電子放出素子に非常に適している。

一般に、電界放出ディスプレイを二極管型と三極管型に分ける。二極管型とはアノードとカソードを備えている電界放出構造を指すが、２００２年９月１０日に登録された特許文献１にこのような構造が開示されている。しかし、二極管型の構造は、高電圧が必要であり、均一性と電子放出の制御が難しく、且つ駆動回路のコストが高いので、高解像度のディスプレイに適用できない構造である。三極管型は、二極管型に基づいて電子放出を制御するためのゲート電極を増加した構造を指し、低電圧で電子放出ができ、更に、電子放出の精確な制御を可能にする構造である。

図１を参照しつつ、例えば、２００３年９月９日に登録された特許文献２などに記載されている三極管型の電界放出パネルディスプレイは、下基板８と、カソード１６と、該カソード１６表面に設けられている電子エミッタ１８と、ゲート板６（上と下表面にゲート電極２０と３４が形成されている）と、上基板１０とを備え、該下基板８とゲート板６及び上基板１０の間は、障壁２及び４により支持され、互いに所定の間隔が置かれている。ゲート板６には複数の透過孔６ａが形成されており、上基板１０はアノード層と蛍光層を備えている。使用時、アノード、ゲート電極２０と３４、カソード１６に異なる電圧を印加すると、電子エミッタ１８から放出された電子が、透過孔６ａを突き通して、アノードによる電界の作用によって加速されて、アノードと蛍光層に達し、更に、蛍光層に衝突して可視光を発する。

しかし、上述のような電界放出ディスプレイにおいて、電子エミッタ１８は平面であるカソード層に設けられているし、隣接した電子エミッタ尖端の間隔がかなり近いので、電界スクリーン・エフェクトが非常に強くなり、このため、所定の電流を放出するに必要な電界強度が強くなって、電界放出ディスプレイのコストを減少するのが難しいものとなっている。
米国特許第６４４８７０９号明細書 米国特許第６６１７６９８号明細書 「Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ」、Ｉｉｊｉｍａ、 Ｎａｔｕｒｅ、第３５４巻、１９９１年、第５６ページ

本発明の第一の課題は、電子エミッタの間の電界スクリーン・エフェクトが弱い電界放出装置を提供することを目的とする。

本発明の第二の課題は、第一の課題における電界放出装置を用いた電界放出ディスプレイを提供することを目的とする。

上記第一の課題を解決するための本発明の電界放出装置は、基板と、該基板の上に設けられている複数のカソードと、該カソードの表面に設けられている複数の電子エミッタとを備え、前記複数の電子エミッタが位置されているカソード表面を突出した曲面にすることを特徴とする。

また、上記カソードは基板に固定された円柱状の金属線であることを特徴とする。

更に、上記金属線の両端に金属膜が設けられ、前記金属線が該金属膜に固定されたことを特徴とする。

上記第二の課題を解決するための本発明の電界放出ディスプレイは、電界放出装置と、アノードと、該両者の間に設けられているゲート電極とを備え、前記電界放出装置が基板と、該基板の上に設けられている複数のカソードと、該カソードの表面に設けられている複数の電子エミッタからなり、前記複数の電子エミッタが位置されているカソードの表面が突出した曲面であることを特徴とする。

また、上記カソードは基板に固定された円柱状の金属線であることを特徴とする。

更に、上記金属線の両端に金属膜が設けられ、前記金属線が金属膜に固定されたことを特徴とする。

上記第二の課題を解決するための本発明の電界放出ディスプレイは、電界放出装置と、アノードと、ゲート電極とを備え、前記電界放出装置が基板と、該基板の上に設けられている複数のカソードと、該カソードの表面に設けられている複数の電子エミッタからなり、前記アノードが前記電子エミッタと一定の距離を保持しつつ該電子エミッタの一側に位置され、前記ゲート電極が基板の裏側に位置されてカソードと絶縁し、前記複数の電子エミッタが位置されているカソードの表面が突出した曲面であることを特徴とする。

また、上記カソードは基板に固定された円柱状の金属線であることを特徴とする。

更に、上記金属線の両端に金属膜が設けられ、前記金属線が金属膜に固定されたことを特徴とする。

今の技術と比べてみると、本発明は、カソードの表面が突出した曲面であることにより、該表面に設けられている複数の電子エミッタが発散形の分布を呈し、従って、隣接の電子エミッタ尖端の間隔が大きく、且つ電界スクリーン・エフェクトが弱くなって、同じ電流を放出するに必要な電界強度を低下させ、電界放出ディスプレイの駆動コストを減少させることができる。

加えて、本発明は、カソードが金属線であることにより、量産が易くて、コストの減少が可能であり、金属線の両端に金属膜が設けられていることにより、金属線をもっと堅固に固定させ、且つ部品からカソードを引き出すのが便利になっている。

以下図面に基づいて、本発明のカーボンナノチューブ電界放出ディスプレイを説明する。

図２に示すように、本発明の第一実施例の電界放出ディスプレイの分解図において、該電界放出ディスプレイは、電界放出装置１００と、アノード板３００と、該両者の間に設けられているゲート板２００とを備え、そのうち、電界放出装置１００は絶縁ガラス基板１０１と、該基板１０１の上に設けられている金属膜１０２と、両端が該金属膜１０２にそれぞれ固定された金属線１０３と、該金属線１０３の表面と大体垂直になる電子エミッタ１０４を備える。前記金属線１０３はカソードとして使用される。前記電子エミッタ１０４として、カーボンナノチューブ、ダイヤモンド、シリコンナノワイヤー又は金属の尖端などが選ばれる。

本実施例における電子エミッタ１０４はカーボンナノチューブを用いたが、該カーボンナノチューブは、化学気相堆積法(CVD)により金属線１０３の表面に成長させ、若しくは、電気泳動法(Electrophoresis)により金属線１０３の表面に成長させることができ、カーボンナノチューブの軸線方向を金属線１０３表面の法線方向と大体一致させるように、即ち、カーボンナノチューブが金属線１０３表面と大体垂直になるようにする。

該金属線１０３は金線、ニッケル線、ステンレス線等の金属線で、直径範囲が１０μｍ以上数百μｍ以下であるが、具体的には必要に応じて選ぶことができる。本実施例では直径が５０μｍのニッケル線を採用する。また、該金属線１０３は円柱状であるが、以上述べてきた電子エミッタ１０４が位置されている表面とは、曲面である円柱の側表面を指す。加えて、該表面と大体垂直になった電子エミッタ１０４が発散形の分布を呈し、隣接の電子エミッタ１０４の尖端が互いに分離していることにより、電界スクリーン・エフェクトが弱く、且つ同じ電流を放出するのに必要な電界強度が低下されて、駆動コストが少なくなる。

基板１０１に設けられている金属膜１０２は金属線１０３と同じ材料を用い、点溶接により、金属線１０３の両端を金属膜１０２それぞれに溶接して、金属線１０３を固定するし、また、金属膜１０２をカソードのチップとして使って、部品からカソードを引き出すようにする。

その外、基板１０１の表面に薄いガラスバルプを刷り込んで、金属線１０３を直接基板１０１に固定し、金属線１０３の両端を延長してそのままカソードの引出線として用いる。もちろん、ガラスバルプで金属線１０３を固定した場合でも、やはり、点溶接によって、金属線１０３の両端を金属膜１０２に溶接して、金属線１０３をもっと堅固に固定することができる。

その他、基板１０１に絶縁材料からなる障壁１０５が設けられ、該障壁１０５は、隣接の金属線の間に分布されているが、ゲート板２００を支持し、ゲート板２００と電界放出装置１００を所定の距離で離隔且つ絶縁するために用いられる。該障壁１０５を伝統のシルクスクリーン方法によって形成させることができ、その形状が図２に示すような細長い帯状であるが、実は、複数の柱状でもいいし、別に限りがない。さらに、障壁１０５は、絶縁材料から構成されて、ゲート板を支持し、ゲート板と電界放出装置所定の間隔で離隔することができれば結構である。本実施例においては、透明なガラスを障壁１０５として用いる。

図３に示すように、本実施例において、ゲート板２００はキャリヤー板２０１と、該キャリヤー板２０１の表面に分布されているゲート電極２０２とを備え、そのうち、ゲート電極２０２は帯状の金属薄膜であり、キャリヤー板２０１及びゲート電極２０２には複数の透過孔２０３が形成され、該透過孔２０３は均一なアレイ分布を呈する。透過孔２０３は電界放出ディスプレイの画素孔であり、電子エミッタ１０４から放出された電子は、該透過孔２０３を突き通してアノード板３００に達する。組立てる時、ゲート電極２０２が分布されたゲート板２００の一側に電界放出装置１００を対向して接続させ、帯状のゲート電極２０２を金属線２０３と垂直になるようにする。

図４に示すように、本実施例において、アノード板３００はパネル３０１と、アノード３０２と、該アノード３０２の表面に設けられている蛍光層３０３とを備え、該蛍光層３０３は複数のマトリックスから構成され、マトリックスごとがゲート板２００上の透過孔２０３の位置と対応する。組立てる時、蛍光層３０３が設けられている側にゲート板２００を対向して接続させ、絶縁の障壁で前記アノード板３００を支持して、アノード板３００とゲート板２００の間が一定の間隔を有するようにする。

最後、図５に示すように、側壁６００と側壁７００により上記電界放出装置１００、ゲート板２００、アノード板３００を連結し、且つ支持、密閉して、内部が真空状態であるスペースを形成し、従って、部品を造りだす。使用時、金属膜１０２（即ちカソードのチップ）、ゲート電極２０２及びアノード３０２に異なる電圧を印加すると、電子エミッタ１０４から電子が放出され、該電子は透過孔２０３を突き通して、アノードによる電界の作用によって加速されて、蛍光層に達し、蛍光層に衝突して光を発する。

図６に示すように、本発明の第二実施例の電界放出ディスプレイの分解図において、該電界放出ディスプレイは、電界放出装置１１０と、アノード板３００と、該両者の間に設けられているゲート板２００とを備え、前記電界放出装置１１０は絶縁ガラス基板１０１と、該基板１０１の上に設けられている帯状のカソード１１２と、該カソード１１２の表面に設けられている電子エミッタ１０４とを備え、前記カソード１１２の上表面は突出した曲面であり、該上表面は電子エミッタ１０４と大体垂直になっている。同図からみると、前記カソード１１２の両端即ち半径方向の断面は弓形である。もちろん、この断面の形は標準の弓形に限らず、カソード１１２の表面が外に凸面を向けた曲面であれば結構である。該カソード１１２を伝統の印刷法などによって形成させることができる。前記弓形面が外に凸面を向けたため、該弓形面に垂直して設けられている電子エミッタ１０４は発散形の分布を呈し、隣接の電子エミッタ１０４の尖端は間隔を有して、これにより、電界スクリーン・エフェクトが弱くなり、同じ電流を放出するのに必要な電界強度が少なくなって、駆動コストを減少することができる。

その他、基板１０１には絶縁材料からなる障壁１１５が設けられ、該障壁１１５は隣接の金属線の間に分布して、ゲート板２００を支持するのに用いられると共に、ゲート板２００と電界放出装置１１０を所定距離で離隔、且つ絶縁するのに用いられる。該障壁１１５を従来のシルクスクリーン印刷法により形成させることができるが、その形状には限られることはなく、絶縁材料で製造されて、ゲート板を支持し、ゲート板と電界放出装置を離隔することができれば結構である。図４に示すように、本実施例における障壁１１５は透明なガラスからなる複数の柱状のものであり、隣接の帯状カソード１１２の間の基板１１１に分布されている。

本実施例において、電界放出ディスプレイのゲート板２００とアノード板３００の構造、及び組立は第一実施例と同じである。

しかしながら、第一実施例と第二実施例における電界放出ディスプレイのゲート板に対して、より一層改良することができる。

即ち、図７に示すように、ゲート板４００は、キャリヤー板２０１と、該キャリヤー板２０１の第一表面に分布されている第一ゲート電極２０２と、前記第一表面と相対した第二表面に設けられている第二ゲート電極４０１とを備える。前記第一ゲート電極２０２は帯状金属薄膜であり、図３に示したものと同じように、組立てる時、該第一ゲート電極２０２を電界放出装置に接近させ、使用時、該第一ゲート電極２０２から電位を提供して電子を励起する。前記第二ゲート電極４０１は一体の薄い金属層であり、組立てる時にアノードに接近させ、使用時に電子の放出方向を制御してフォーカシングの効果を起こし、従って、電界放出ディスプレイの輝度と解像力を高める。同じく、前記キャリヤー板２０１、ゲート電極２０２及び第二ゲート電極４０１に複数の透過孔２０３が形成され、該透過孔２０３は均一なアレイ分布を呈する。透過孔２０３は電界放出ディスプレイの画素孔であり、電子エミッタ１０４から放出された電子は、該透過孔２０３を通してアノード板３００に達する。

また、図８に示すように、ゲート板５００における第二ゲート電極５０１は帯状の金属薄膜である。該帯状の第二ゲート電極５０１は、第一ゲート電極２０２と互いに垂直又は平行になるように分布されている。該第二ゲート電極５０１も電子を制御する作用を有し、フォーカシングの効果を起こして、電界放出ディスプレイの輝度と解像力を高める。

更に、本発明は反ゲート型(Undergate)の電界放出ディスプレイを提供する。この型の電界放出ディスプレイは電界放出装置と、アノードと、ゲート電極とを備え、そのうち、電界放出装置は基板、該基板の一側の表面に設けられている複数のカソード、該カソードの表面に設けられている複数の電子エミッタから構成されるが、前記アノードは前記電子エミッタの一側に位置され、且つ該電子エミッタと所定距離で離隔されており、前記ゲートは基板の裏側に位置され、且つ前記カソードと絶縁されており、複数の電子エミッタが設けられている前記カソードの表面は突出した曲面である。

反ゲート型(Undergate)の電界放出ディスプレイは、上記第一実施例と第二実施例における遠隔ゲート型(Remotegate)の電界放出ディスプレイと比べてみると、異なる点として、ゲート電極である金属薄膜が電界放出装置の基板の裏側に設けられているので、画素孔を形成する必要がなくなること以外、そのアノード構造、電界放出装置の構造においては本質的な区別がない。

以上述べてきた本発明による電界放出ディスプレイは、電界スクリーン・エフェクトが弱く、同じ電流を放出するに必要な電界強度が少なくなったため、駆動コストを減少させ、解像力を高めることができ、更に、量産ができて、実際応用に最適である。

従来技術の三極管型の電界放出ディスプレイの分解図。 本発明の第一実施例による電界放出ディスプレイの分解図。 本発明による電界放出ディスプレイのゲート板の立体構成図。 本発明による電界放出ディスプレイのアノード板の立体構成図。 本発明による電界放出ディスプレイのパッケージ後の立体図。 本発明の第二実施例による電界放出ディスプレイの分解図。 本発明による第二種のゲート板の立体構成図。 本発明による第三種のゲート板の立体構成図。

符号の説明

１００、１１０ 電界放出装置
１０１、１１１ 基板
１０２ 金属膜
１０３ 金属線
１０４ 電子エミッタ
１０５、１１５ 障壁
１１２ カソード
２００、４００、５００ ゲート板
２０１ キャリヤー板
２０２ ゲート電極
２０３ 透過孔
３００ アノード板
３０１ パネル
３０２ アノード
３０３ 蛍光層
４０１、５０１ 第二ゲート電極
６００、７００ 側壁

Claims (8)

1. 基板と、該基板の上に設けられている複数のカソードと、該カソードの表面に設けられている複数の電子エミッタとを備え、前記複数の電子エミッタが位置されているカソードの表面が突出した曲面であることを特徴とする電界放出装置。
2. 前記電子エミッタは前記カソードの表面と大体垂直になり、発散形の分布を呈することを特徴とする請求項１に記載の電界放出装置。
3. 前記カソードは円柱状の金属線であることを特徴とする請求項１に記載の電界放出装置。
4. 前記金属線の直径は１０μｍ以上数百μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の電界放出装置。
5. 前記金属線の両端、基板の表面に金属膜が設けられ、前記金属線の両端は金属膜に固定されることを特徴とする請求項３に記載の電界放出装置。
6. 前記基板の上にガラスバルプが設けられ、前記金属線は該ガラスバルプによって基板に固定されることを特徴とする請求項３から６のいずれかの一項に記載の電界放出装置。
7. 前記カソードは帯状の金属薄膜であり、そのラジアル断面が弓形を呈することを特徴とする請求項１に記載の電界放出装置。
8. 電界放出装置と、アノードと、該両者の間に設けられているゲート電極とを備え、前記電界放出装置が基板と、該基板の上に設けられている複数のカソードと、該カソードの表面に設けられている複数の電子エミッタからなり、前記複数の電子エミッタが位置されているカソードの表面が突出した曲面であることを特徴とする電界放出ディスプレイ。
   

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