JP2010541185A - 電荷散逸層を備えたアンダー・ゲート電界放出トライオード - Google Patents

Abstract

アンダー・ゲート電界放出トライオード装置、それに用いるカソード組立体は、電荷散逸層を含む。電荷散逸層は、カソード電極および／または電子電界エミッタの下または上に配置されていてよい。

Description

本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）による優先権を主張し、あらゆる目的について本明細書の一部としてその全内容が参考文献として援用される２００７年１０月５日出願の米国仮特許出願第６０／９７７，６８３号明細書の利益を主張する。
本発明は、電界放出トライオード装置、およびそれに用いるカソード組立体に関する。

これまで、電界放出トライオード装置は、ゲート電極が、電子電界エミッタ上、すなわち、カソード電極とアノード組立体間に配置された設計を用いてきた。この設計は、「ノーマル・ゲート」または「トップ・ゲート」トライオード装置と呼ばれることが多い。しかしながら、カーボンナノチューブ等の低閾値電子放出材料が研究されてから、ゲート電極が異なる位置に移動した、２つの代替配置が実現可能となった。これらの新たな電子放出材料の低いターンオン電圧は、不規則配向と結びついて、代替設計配置を特徴とする装置が、スピントチップ等の従来の電子放出材料が十分な電流を放出できない条件下で、十分な量の電流を放出するのを可能とした。

ゲート電極の移動によって、主に、カソードおよびゲート電極が同一平面にある「ラテラル・ゲート」または「サイド・ゲート」配置ならびにカソード電極がゲート電極の上、すなわち、アノード組立体とゲート電極間に配置された「アンダー・ゲート」配置となる。これらの代替配置への関心は、電界放出装置の製造をより容易にし、かつ最終装置コストを削減したいという要求に後押しされている。

アンダー・ゲート配置の研究において、アンダー・ゲート設計を有する、特に、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を電子放出材料として用いる電界放出装置には意外な欠陥があることを見出した。放出は、ゲート電極にバイアスをかけることにより得られるが、アノード電圧をオフにした場合、アノード電圧をオンに戻しても、放出電流が許容されない低レベルまで落ちる。放出電流を、望ましい高レベルに回復するには、ゲート電圧を、前のレベルより相当増やさなければならない。アノード電圧をオフ・オンする度に同じ影響が生じる。この影響は始まると永久的であり、許容できるレベルの放出電流を得るために、ますます高いゲート電圧を必要とする傾向を止めるものがないことも見出した。これは、最も望ましくない欠陥である。というのは、市販の家庭用電気製品に、アノード電圧を連続的に印加することを求めるのは不可能であるためである。さらに、オフ／オンサイクルの影響を相殺して、十分な放出電流を生成するのに必要なより大きなゲート電圧だと、必要なゲート電圧が、装置の破壊強度を超える前に、装置を数回オン・オフできるだけにしかならない。

特許文献１には、トップ・ゲート設計および電荷散逸層を有する電界放出トライオードが記載されている。非特許文献１には、アンダー・ゲート設計およびＣＮＴ電子電界エミッタを有する電界放出トライオード装置が記載されている。オフ／オン動力サイクルの悪影響を最少にする、または完全に排除することのできる電界放出トライオード装置がそれでも尚必要とされている。

米国特許第５，７６０，５３５号明細書

Ｃｈｏｉら［Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ１０（２００１）１７０５−１７０８］

本発明は、電界放出トライオード装置に関し、装置に繰り返しのオフ／オンサイクルを行う使用中に、望ましい程度の安定性を与えることを特徴とする量の電流を電子放出エミッタが生成するものである。本発明はまた、かかるトライオード装置に用いるのに好適なカソード組立体にも関する。

本発明の装置およびカソード組立体の特定の構成要件は、様々なかかる構成要件を併せて結合した１つ以上の特定の実施形態によって本明細書に説明されている。しかしながら、本発明の範囲は、任意の特定の実施形態に含まれる特定の構成要件のみの説明により限定されず、本発明にはまた、（１）任意の記載された実施形態の全ての構成要件より少ないサブコンビネーションであって、サブコンビネーションを形成するのに省いた構成要件がないことを特徴とするサブコンビネーション、（２）任意の記載された実施形態の組み合わせにそれぞれ含まれる各構成要件および（３）任意で、本明細書のどこかに開示された他の構成要件と共に、２つ以上の記載された実施形態の選択した構成要件のみをグループ化することにより形成された構成要件の他の組み合わせも含まれる。

本電界放出トライオード装置の特定の実施形態のいくつかを以下に説明する。

本装置のかかる一実施形態は、（ａ）（ｉ）基板、（ｉｉ）基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）絶縁層上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層、（ｖ）電荷散逸層上に配置されたカソード電極、および（ｖｉ）カソード電極と接触している電子電界エミッタを含むカソード組立体と、（ｂ）アノードとを含む電界放出トライオード装置を提供する。

本装置の他の実施形態は、（ａ）（ｉ）基板、（ｉｉ）基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）絶縁層上に配置されたカソード電極、（ｖ）カソード電極および絶縁層上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層、および（ｖｉ）電荷散逸層上に配置された電子電界エミッタを含むカソード組立体と、（ｂ）アノードとを含む電界放出トライオード装置を提供する。

本装置のさらなる実施形態は、（ａ）（ｉ）基板、（ｉｉ）基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）絶縁層上に配置されたカソード電極、（ｖ）カソードと接触している電子電界エミッタ、（ｖｉ）絶縁層、カソード電極および電子電界エミッタ上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層を含むカソード組立体と、（ｂ）アノードとを含む電界放出トライオード装置を提供する。

本カソード組立体の特定の実施形態のいくつかを以下に説明する。

本カソード組立体のかかる一実施形態は、（ａ）基板、（ｉｉ）基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）絶縁層上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層、（ｖ）電荷散逸層上に配置されたカソード電極、および（ｖｉ）カソード電極と接触している電子電界エミッタを含むカソード組立体を提供する。

本カソード組立体の他の実施形態は、（ｉ）基板、（ｉｉ）基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）絶縁層上に配置されたカソード電極、（ｖ）カソード電極および絶縁層上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層、および（ｖｉ）電荷散逸層上に配置された電子電界エミッタを含むカソード組立体を提供する。

本カソード組立体のさらなる実施形態は、（ｉ）基板、（ｉｉ）基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）絶縁層上に配置されたカソード電極、（ｖ）カソードと接触している電子電界エミッタ、および（ｖｉ）絶縁層、カソード電極および電子電界エミッタ上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層を含むカソード組立体を提供する。

本装置およびカソード組立体の他の実施形態は、図６、１０、１１、１３、１４、１６または１７のいずれかの１つ以上に実質的に図示または説明される任意の器具または装置を含む。

アンダー・ゲート設計を有する従来の先行技術の電界放出装置の側面図を示す。 対照例Ａに開示されたアンダー・ゲート設計を有する電界放出装置のカソード組立体の上面図を示す。 対照例Ａに開示されたアンダー・ゲート設計を有する電界放出装置のカソード組立体の側面図を示す。 対照例Ａに開示された電界放出装置から得られた放出パターンの画像を示す。この画像は、アノード電圧の１回目のオフの前に記録された。 対照例Ａに開示された電界放出装置で、４回アノード電圧をオフしてからオンに戻した際に、特定の放出電流を達成するのに必要なゲート電圧を示す。 実施例１に開示されたアンダー・ゲート設計および電荷散逸層を有する電界放出装置の側面図を示す。 実施例１に開示された電界放出装置から得られた放出パターンの画像を示す。画像は、アノード電圧をオフしてからオンに再びした後に記録された。 実施例１に開示された電界放出装置のカソード基板を通して見た放出パターンの画像を示す。画像は、５回アノード電圧をオフしてからオンにした後に記録された。 ディフューザおよび実施例１に開示された電界放出装置のカソード基板を通して見た放出パターンの画像を示す。 実施例２に開示された、アンダー・ゲート設計および電荷散逸層、エミッタ線およびグリッドカソード電極（この順に堆積）を有する電界放出装置のカソード組立体の上面図を示す。 実施例２に開示された電界放出装置の側面図を示す。 実施例２に開示された電界放出装置から得られた放出パターンの画像を示す。 実施例３に開示された、アンダー・ゲート設計およびカソード電極線、電荷散逸層およびエミッタ交線（この順に堆積）を有する電界放出装置のカソード組立体の上面図を示す。 実施例３に開示された電界放出装置の側面図を示す。 実施例３に開示された電界放出装置から得られた放出パターンの画像を示す。 実施例４に開示された、アンダー・ゲート設計およびカソード電極線、エミッタ交線および薄膜電荷散逸層（この順に堆積）を有する電界放出装置のカソード組立体の上面図を示す。 実施例４に開示された電界放出装置の側面図を示す。 実施例４に開示された電界放出装置から得られた放出パターンの画像を示す。

アンダー・ゲート設計を有し、カソード組立体およびアノード組立体を有する電界放出トライオードが本明細書に記載されている。順不同であるが、基板、カソード電極、ゲート電極、電子放出エミッタ、絶縁層および電荷散逸層を含むカソード組立体も本明細書に記載されている。本明細書で用いるアノード組立体は、典型的に、基板、アノード電極および蛍光体層を含んでいる。電荷散逸層を、本カソード組立体、すなわち、最終的に、本電界放出装置に組み込むと、通常の使用での電源オフ／オンサイクル中、放出電流の許容できるレベルを維持するために、カソード電極に印加される電圧を連続的に上昇させなければならないという望ましくない必要性が、減少するかまたは排除される。さらに安定した放出電流が、本電界放出トライオード装置に与えられる。

図１に、従来の先行技術の電界発光トライオード装置の形状を示す。それは、アンダー・ゲート設計を有しており、電荷散逸層がないため、本発明の装置およびカソード組立体と比べて有用な点として作用する。図１の装置は、基板材料１．２上にある１つ以上のゲート電極１．１を含んでいる。ゲート電極は、その上にある１つ以上の絶縁誘電体層１．３によりカバーされている。誘電体層上にあるのは、１つ以上のカソード電極１．４であり、電子放出材料１．５が、カソード電極と電気的に接触している。カソードおよびゲート電極の反対に位置していて、絶縁スペーサ１．６によりサポートされているのは、１つ以上のアノード電極１．８を含むアノード基板１．７を含むアノード組立体である。このアノード基板は、発光用の蛍光体コーティング１．９を含んでおり、スペーサの使用により一定距離で維持されていてもよい。カソード電極と接触している電子放出材料からの電界放出は、正電位をゲート電極に印加することによりなされる。アノード電極に印加された別の正電位が、放出材料から放出されたアノード電子を引き付ける。アノード組立体が、蛍光体層を含む場合には、電子衝撃が、可視光放出を形成する。

本明細書に記載した電界放出トライオード装置において、さらなる要素、すなわち、電荷散逸層をカソード組立体に加える。電荷散逸層は、絶縁材料の直流抵抗又はコンダクタンスについてのＡＳＴＭ Ｄ２５７−０７標準試験方法に従って、電位計で測定すると、約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する。上記範囲の選択した抵抗は、層の厚さを調整することにより得られ、層を形成する材料の固
有抵抗に従って、約１０〜約５０オングストロームから約０．１〜約５ミクロンの範囲としてよい。電荷散逸層は、過剰電荷を接地へ導く。

電荷散逸層は、色々な方法で本発明の電界放出トライオード装置に含むことができ、電荷散逸層を備えたカソード組立体においていくつかの代替位置がある。一実施形態の構成において、例えば、電荷散逸層は、カソード電極および電子放出材料の配置前に、誘電体材料から形成されるように、絶縁層の上部に配置してよい。このように、電荷散逸層がいったん形成されると、カソード電極をその上部に配置することができる。電界放出エミッタを、カソード電極と接触配置させることができる。電子電界エミッタは、カソード電極の上部に完全に配置されていてもよく、または電気的接触を確立するために、電荷散逸層の上部に直接配置された部分と、カソード電極と接触している部分とを有していてもよい。このタイプの構成を図６に示す。

変形実施形態の構成は、電子電界エミッタの電子放出材料を、最初に、電荷散逸層に配置してから、カソード電極を、電子電界エミッタの上部に配置する。これには、カソード電極の上部から電子放出材料を除去するという利点がある。これは、アノード電位からアンゲート放出を形成し易い配向であり、「ホットスポット」としても知られている。電子放出材料が、適切な伝導性を有している場合、それは、カソード電極と電子電界エミッタの両方として作用することができる。このやり方だとまた「ホットスポット」を生じる可能性があるが、パターニングおよび位置合わせ工程が排除されると、ある状況で用いるのに利点がある。このタイプの構成を図１１に示す。

他の実施形態の構成において、電荷散逸層は、カソード電極の上部および電子電界エミッタの電子放出材料の下に配置されていてもよい。生じるであろう表面帯電の散逸に加えて、この場合の電荷散逸層はまた、安定抵抗器としても作用する。安定抵抗器は、装置の「ホットスポット」の数を減じる目的と適合する目的である、より均一な放出を達成するために、電界放出装置に用いられることが多い。このタイプの構成を図１４に示す。

さらに他の実施形態の構成において、カソード電極および電子電界エミッタを誘電体絶縁層上に配置した後、電荷散逸層を形成してもよい。これは、電荷散逸材料の薄膜を、装置全体を覆うように堆積する、または露出した誘電体領域への電荷散逸材料のパターニングスクリーン印刷により、電荷散逸層を形成することによりなされる。このやり方の利点は、ゲートとカソード電極間の距離が、厚膜として製造された電荷散逸層の存在により増大しないということである。このタイプの構成を図１７に示す。

電荷散逸層の製造に好適な材料としては、限定されるものではないが、典型的な誘電体（すなわち、絶縁）材料、例えば、磁器（セラミック）、マイカ、ガラス、プラスチック、例えば、エポキシ、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスチレンおよびポリ（テトラフルオロエチレン）ならびに様々な金属、例えば、アルミニウム、シリコン、錫およびチタンの酸化物および窒化物の１つまたは混合物が挙げられる。選択した誘電体材料を、導電性材料の粒子でドープして、所望のシート抵抗を得てもよい。かかるドーピング目的に用いるのに好適な導電性材料としては、アンチモン、金、白金、銀またはタングステン、導電性金属酸化物粒子、例えば、インジウムドープ酸化錫またはフッ素ドープ酸化錫、あるいはシリコン等の半導体粒子が挙げられる。用いる粒子によって、所望のシート抵抗を得るには、誘電体材料およびドーパントを併せた重量に基づいて、０．１重量％〜３０重量％のドーピングレベルが必要である。

電荷散逸層を形成するのに好適なその他の材料としては、限定されるものではないが、混合原子価酸化物、例えば、コバルト酸化鉄（ＣｏＯ?Ｆｅ_２Ｏ_３またはＣｏＦｅ_２Ｏ_４）、ニッケル酸化鉄（ＮｉＯ?Ｆｅ_２Ｏ_３またはＮｉＦｅ_２Ｏ_４）またはニッケル亜鉛酸
化鉄（［ＮｉＯ＋ＺｎＯ］_１Ｆｅ_２Ｏ_３または［Ｎｉ＋Ｚｎ］_１Ｆｅ_２Ｏ_４）、マンガン亜鉛酸化鉄（［ＭｎＯ＋ＺｎＯ］_１Ｆｅ_２Ｏ_３）または、さらに、鉄−酸化鉄の最も単純な事例（ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３）を用いてよい。これらの材料は、一般的に、フェライトとして知られている。これらとしては、バリウム酸化鉄およびストロンチウム酸化鉄タイプのフェライト材料が挙げられる。バルク多結晶形態のＣｏＦｅ_２Ｏ_４が、様々な用途において有用な選択であろう。また、混合原子価酸化物、例えば、ガドリニウム酸化鉄（Ｇｄ_３Ｆｅ_５Ｏ_１２）、ランタン酸化ニッケル（ＬａＮｉＯ_３）、ランタン酸化コバルト（ＬａＣｏＯ_３）ランタン酸化クロム（ＬａＣｒＯ_３）、ランタン酸化マンガン（ＬａＭｎＯ_３）およびこれらをベースとした変性材料、例えば、ランタンストロンチウム酸化マンガン（Ｌａ_０．６７Ｓｒ_０．３３ＭｎＯ_ｘ）、ランタンカルシウム酸化マンガン（Ｌａ_０．６７Ｃａ_０．３３ＭｎＯ_ｘ）またはイットリウムバリウム酸化銅（Ｙ_１Ｂａ_２Ｃｕ_３Ｏ_ｘ）を用いてもよい。これらの材料は、一般的に、希土類および非希土類混合金属酸化物として知られている。

電荷散逸層の薄膜を形成するために用いるのに好適な材料としては、クロム、金、白金、銀またはタングステン、導電性金属酸化物、例えば、インジウムドープ酸化錫、アンチモンドープ酸化錫またはフッ素ドープ酸化錫、あるいは半導体、例えば、シート抵抗が約１０^１０〜約１０^１４オーム・パー・スクエアのアモルファスシリコンが挙げられる。

他の実施形態において、電荷散逸層は、顔料または光散乱中心等の機能性成分を含有する組成物から作製して、遮光または光拡散等のさらなる機能を与えてもよい。

電子電界エミッタを形成するために電子放出材料として本発明で用いるのに好適な材料としては、カーボン、ダイヤモンドライクカーボン、半導体、金属またはその混合物等の針状材料が挙げられる。本明細書で用いる「針状」とは、アスペクト比が１０以上の粒子を意味する。針状カーボンには様々な種類がある。カーボンナノチューブが好ましい針状カーボンであり、単層カーボンナノチューブが特に好ましい。個々の単層カーボンナノチューブは、極めて小さく、典型的に、直径は約１．５ｎｍである。カーボンナノチューブは、恐らくは、ｓｐ^２混成炭素のため、グラファイト状と記載されることがある。カーボンナノチューブの壁は、グラフェンシートを巻き上げることにより形成されたシリンダーと想定することができる。小金属粒子を覆う炭素含有ガスの触媒分解から成長したカーボンファイバーも針状カーボンとして有用であり、そのそれぞれが、ファイバー軸に対して角度をなして配置されたグラフェン板を有しており、カーボンファイバーの周囲は、グラフェン板の端部から実質的になる。角度は、鋭角または９０°であってよい。針状カーボンの他の例は、ポリアクリロニトリル系（ＰＡＮ系）カーボンファイバーおよびピッチベースのカーボンファイバーである。

カソード組立体またはアノード組立体の基板は、他の層が接着する任意の材料とすることができる。シリコン、ガラス、金属またはアルミナ等の耐火材料が、基板として機能し得る。ディスプレイ用途に好ましい基板はガラスであり、ソーダ石灰ガラスが特に好ましい。アンダー・ゲート電極、カソード電極および／またはアノード電極の製造に本発明において用いるのに好適な材料としては、限定されるものではないが、銀、金、モリブデン、アルミニウム、ニッケルの酸化物、白金、錫およびタングステンが挙げられる。

カソード組立体に電荷散逸層を形成する一方法は、所望のシート抵抗を得るために、導電性材料でドープされた厚膜誘電体ペーストの堆積、例えば、スクリーン印刷による。変形方法は、所望のシート抵抗を得るために、シリコン等の抵抗材料の薄膜コーティングを塗布するものである。

本カソード組立体、そして最終的に本電界放出トライオード装置に用いる電子放出エミッタは、放出材料を所望の表面に付着させるのに必要に応じて、電子放出材料を、かかるガラスフリット、金属粉末または金属塗料（またはその混合物）と混合することにより作製してよい。電子放出材料を付着させる手段は、カソード組立体を製造する条件下、およびそのカソード組立体を含む電界放出装置が操作される条件下に耐え、その完全性を維持するものでなければならない。これらの条件には、真空条件および約４５０℃までの温度が典型的に含まれる。その結果、粒子を表面に付着させるのに、有機材料は通常適用できず、多くの無機材料はカーボンに対する接着力が低いため、用いることのできる材料の選択はさらに限定される。このように、好ましい方法は、電子放出材料およびガラスフリット（例えば、鉛またはビスマスガラスフリット）を含む厚膜ペースト、金属粉末または金属塗料（またはその混合物）を、表面に、所望のパターンでスクリーン印刷してから、乾燥したパターニングペーストを焼成することである。様々な用途、例えば、より精細な解像度を必要とするものについては、好ましいプロセスには、光開始剤および光硬化可能なモノマーを含むペーストをスクリーン印刷し、乾燥したペーストをフォトパターニングし、パターニングペーストを焼成することが含まれる。

ペースト混合物は、周知のスクリーン印刷技術を用いて、例えば、１６５−４００−メッシュのステンレス鋼スクリーンを用いることによりスクリーン印刷することができる。厚膜ペーストを、連続フィルムとして、または所望のパターンの形態で堆積することができる。表面がガラスのときは、ペーストを、約３５０℃〜約５５０℃、好ましくは約４５０℃〜約５２５℃の温度で、約１０分間、窒素中で焼成する。雰囲気が酸素を含まないという条件で、それに耐えられる表面に高めの焼成温度を用いることできる。しかしながら、ペースト中の有機成分は、３５０〜４５０℃で効率的に揮発して、電子放出材料およびガラスおよび／または金属導体で構成された複合体の層を残す。スクリーン印刷ペーストをフォトパターニングすべき場合には、ペーストは、光開始剤と、現像可能なバインダーと、例えば、少なくとも１つの重合可能なエチレン基を有する少なくとも１つの付加重合可能なエチレン性不飽和化合物を含む光硬化可能なモノマーとを含有していてもよい。

電子電界エミッタに加えてカソード組立体の層または構成部品の形成、あるいはアノード組立体の層または構成部品の形成は、上述したのと同様の厚膜印刷方法により、あるいはスパッタリングまたは化学蒸着等の当該技術分野において公知のその他の方法によりなされればよく、これには、必要であれば、マスクおよび光画像形成可能な材料を使用してよい。

カソード組立体の様々な構成部品の堆積は、本明細書の様々なところに、層を形成するための厚膜または薄膜の堆積として記載されていて、側面図で示されるとき、カソード組立体の様々な構成部品は層と見てとれるが、本明細書で用いる「層」という用語は、カソード組立体または電界放出装置の構成部品は、完全に平坦または完全に連続であることを必ずしも必要としない。形状およびレイアウトの点で、層と称す、または層と見なされる構成部分は、様々な実施形態において、ストリップ、ライン、グリッド、または不連続だが電気的に接続されたパッド、ペグまたはポストの配列であるか、またはそれらに似たものであってよい。このように、カソード電極、ゲート電極、電荷散逸層、絶縁層および／または電子電界エミッタの要素を配置するのに、単層で、複数の位置を与えることができ、その装置は、これらの各種の構成部品を複数含むことができ、個別にアドレス可能な画素の配列を与えることができる。

本電界放出トライオード装置の操作には、装置外部の接地電圧源（図示せず）を介して、以下の実施例で用いる電圧を含む範囲内の適切な電位を、ゲート電極およびアノード電極に印加して、電界放出電流の製造のために、電子電界エミッタに電圧印加することが含まれる。

本電界放出トライオード装置は、フラットパネルコンピュータディスプレイ、テレビジョンおよびその他の種類のディスプレイ、真空電子装置、放出ゲート増幅器、クライストロンおよび照明装置に用いてよい。大面積フラットパネルディスプレイ、すなわち、３０インチ（７６ｃｍ）を超えるサイズのディスプレイに特に有用である。フラットパネルディスプレイは平坦なものでも湾曲したものでもよい。これらの装置は、あらゆる目的について本明細書の一部としてその全内容が参考文献として援用される米国特許出願公開第２００２／００７４９３２号明細書により詳細に記載されている。

本装置に電荷散逸層を用いる利点の１つは、数多くのオフ／オンサイクルを通した放出電流の安定性および一貫性が改善されることである。しかしながら、この効果は、装置が生成できる放出電流の合計量の大半をほとんど犠牲にすることなく得られ、場合によっては、放出電流の量は、１０倍まで増大する。電荷散逸層の存在により、遮蔽等の条件のためにゲート電極の有効性が減少し、厚みが増大したために有効電場が減少すると通常考えられていたことを考慮すると、これは、有益な結果である。数多くのオフ／オンサイクルを経て放出電流が安定かつ高いままであるという事実は、本装置の操作中、電子電界エミッタの劣化がほとんど、または全く生じていないことを示しており、このことも、装置に電源を入れたときに存在し得、表面帯電のために操作中に存在し得る高電流負荷を考えると、有益な結果である。

本電界放出トライオード装置の有利な属性および影響は、後述する一連の実施例（実施例１〜４）で見られる。これらの実施例に基づく本装置の実施形態は、例示のみであり、実施例に記載した以外の構成部品、設計または構成が、本発明を実施するのに適していないもの、またはこれらの実施例に記載した以外の対象が、添付の請求項およびその等価物の範囲から排除されるものは、本発明を例示するためのこれらの実施形態の選択には入っていない。実施例１〜４の重要性は、それらから得られた結果を、電荷散逸層を含まない電界放出トライオード装置を含む対照例Ａで得られた結果と比較することにより、よく理解される。

対照例Ａ
図２および３に、それぞれ、アンダー・ゲート設計を有する電界放出トライオード装置のカソード組立体の上面図および側面図を示す。カソード組立体は、２インチ×２インチのガラス基板、２．１および３．１を用いて構築された。基板上のＩＴＯコーティング２．２および３．２をエッチングして、ゲート電極を形成した。厚膜誘電体ペーストを、基板上にスクリーン印刷し、１２５℃で５分間乾燥し、空気中、５５０℃のピーク温度で、２０分間焼成した。誘電体ペーストの第２の層を、第１の層上に、同じ手順を用いてスクリーン印刷した。誘電体ペーストのこれらの２枚の焼成した層を併せた厚さは、９．３μｍであり、５００Ｖを超える破壊強度の絶縁層２．３および３．３を形成した。カソード電極２．４および３．４を、厚膜銀ペーストを用いて、絶縁層の表面にスクリーン印刷した。カソード電極の層を、１２５℃で５分間乾燥し、５５０℃のピーク温度で１０分間焼成した。

電子放出材料を含むカソード電極２．５および３．５の有効面積は、１．５ｍｍの間隔のあいた幅１００μｍのラインのグリッドからなっていた。電子放出材料としてカーボンナノチューブを含む厚膜ペーストを、カソード電極上にスクリーン印刷した。続いて、ペーストを、１２５℃で、５分間乾燥し、窒素環境中、４２０℃のピーク温度で焼成した。電子電界エミッタ２．６および３．６のパターンをパターニングして、有効放出面積にあるカソード電極の全ての端部が、幅約１００μｍの電子放出材料のラインと接触するようにした。接着テープ片を、電子電界エミッタを覆うようにラミネートし、後に除去した。このプロセスは、電子電界エミッタを破砕して、「有効」面積を露出させるものとして知られている。

有効にしたカソード組立体を、蛍光体コーティング３．９を備えた２インチ×２インチのＩＴＯコートガラス基板３．８からなるアノード板の反対に装着した。厚さ４ｍｍのスペーサ２．７および３．７を用いて、カソード組立体とアノード組立体間の距離を維持した。電気的接触を、銀塗料および銅テープを用いて、ＩＴＯゲート電極、銀カソード電極およびＩＴＯアノード電極３．１０に行った。図３に示す装置を、＜１×１０^−５トルの圧力まで排気した真空チャンバに装着した。

１．７ｋＶの直流電圧を、アノード電極に印加した。繰り返し率６０Ｈｚおよびパルス幅６０μｓのパルス矩形波を、ゲート電極に印加した。カソード電極を、接地電位で維持した。パルスゲート電圧が２００Ｖに達したときに測定された直流放出電流は７．７μＡであった。この放出パターンの画像を図４に示す。

アノード電圧をオフにしてから、オンに戻し、アノード電圧のこのオフ／オンサイクル後、放出電流は完全になくなった。アノード電圧を１．７５ｋＶまで上げ、パルスゲート電圧を徐々に上げた。２７５Ｖのパルスゲート電圧で、電流は０．６μＡであった。パルスゲート電圧が３００Ｖに達したとき、放出電流は８．７μＡであり、元の放出電流を取り戻すためにゲート電位には１００Ｖの上昇が必要であった。アノード電圧を、２．０ｋＶまで上昇させたところ、パルスゲート電圧３００Ｖで、１２．４μＡの放出電流となった。

アノード電圧を再びオフにし、アノード電圧をオンに戻すと、放出電流は完全になくなった。放出を再び得るには、０．４μＡの電流が得られる３７５Ｖまでゲート電圧を上昇させた。４００Ｖで、電流は１．５μＡであったが、１０．５μＡまで徐々に増大した。再び、前の放出電流を取り戻すためにゲート電位には１００Ｖの上昇が必要であった。放出電流が再び失われるかどうかを確認するために、アノード電圧を徐々に減少させた。アノード電圧を２．０ｋＶまで戻したとき、放出電流は０．０μＡであった。

試料を真空システムから取り出し、この影響が、雰囲気との接触により排除できたかどうか確認した。しかしながら、試料をチャンバへ再び入れ、２．０ｋＶのアノード電位および４００Ｖのゲート電圧を印加したときは、いくつかの別の点滅スポットから僅か０．１μＡの放出しか見られなかった。４００Ｖは、これら装置が、通常の操作において耐えられると予測できる最大電圧に近い。アノード電圧を除去する度に必要なゲート電圧における大幅な上昇により、実際の用途にこれらの装置を使用することが不可能になっている。図５に、アノード電圧をオンに４回したときに、様々な放出電流を得るのに必要なゲート電圧を示す。

実施例１
対照例Ａで試験した試料と略同一の構造の別の電界放出トライオード装置の試料を作製した。実施例１の装置の側面図において、図３と同様に図６に、カソード組立体の基板６．１、ＩＴＯゲート電極６．２、誘電体６．３の二重層から形成された絶縁層、Ａｇカソード電極６．４および６．５、ＣＮＴ電子放出材料６．６、スペーサ６．７、蛍光体６．７、ＩＴＯアノード電極６．１０、およびアノード組立体については、アノード基板６．８を示す。本実施例で作製した試料装置と、対照例Ａで作製した試料装置の違いは、本実施例においては、カソード電極のパターニング前に、第３の厚膜層が試料にスクリーン印刷されたことである。誘電体材料６．３の２層の上部に配置されたこの層６．１１は、ドープ誘電体ペーストからなっていた。誘電体ペーストを導電性粒子によりドープして、１０^１０より大きく、１０^１４オーム・パー・スクエアより少ない有限シート抵抗を有するようにした。このように、層６．１１は、電荷散逸層として作用する。本実施例においては、アンチモンドープ酸化錫粒子を、電荷散逸層に用いる。

電荷散逸層の追加により、誘電体スタックの厚さが１３．１μｍまで増大した。真空環境において、アノード電圧およびゲート電圧を、対照例Ａに用いたのと同じやり方で、この試料に印加した。装置を、６０Ｈzで、６０μ秒ゲートパルスで駆動した。１．５ｋＶのアノード電圧および２００Ｖのゲート電圧で、放出電流は３．４μＡであった。この電流は、対照例Ａで得られた対応の電流より低く、これは、恐らく、誘電体スタックの厚さの増大および表面帯電補助放出の減少の結果である。アノード電圧を２．０ｋＶまで上昇させ、ゲート電圧を３００Ｖまで上昇させると、放出電流は１６．５μＡであった。

アノード電圧をオフにし、アノード電圧をオンに戻すと、電流は１４．２μＡに戻った。アノードをオフにして、再びオンにした後に記録されたこの放出パターンの画像を図７に示す。試料装置を一晩静置した。翌朝、同じ設定で再びオンにすると、放出電流は１５．０μＡであった。アノード電圧を再びオフにし、アノード電圧をオンに戻すと、電流は１２．１μＡであった。

試料装置を取り出し、金属表面をアノード組立体に配置したところ、カソード電極の透明な性質および大きな開放面積によって、放出光がカソード基板に向かってこれを通して反射した。アノード基板よりもカソード基板を通る光の取り出しには数多くの利点がある。反射金属フィルムは、蛍光体表面の装置の内部よりも、装置の外部にはるかに容易に配置される。従来の配向でＬＣＤディスプレイのバックライトユニット（ＢＬＵ）として用いるとき、アノード基板は、ＬＣＤマトリックスの隣に配置され、アノード基板を冷却するのを難しくさせている。光がカソードを通して装置の背面より取り出されると、アノード基板は、外部に配置することができ、より容易かつより効果的に冷却させることができる。

適所にある金属表面で操作すると、この装置の放出電流は、３００Ｖのゲート電圧および２．０ｋＶのアノード電圧について、１２．０μＡで安定化した。アノード電圧をこの構成で３回以上オフ／オンサイクルすると、毎回、電流は１２．０μＡに戻った。この装置から得られた、カソード基板から見た放出画像を図８に示す。この画像は、アノード電圧が５回オフ／オンされた後に記録された。

チャンバを排気し、試料を、カソード基板の外部のディフューザに再装着した。これによって、カソードを通して取り出された光の均一性が増大した。この装置から得られた、ディフューザおよびカソード基板から見た放出の画像を図９に示す。このやり方で操作したときに得られた電流は、３００Ｖのゲート電圧および２．０ｋＶのアノード電圧で、１２．２μＡであった。装置を、この電流で３時間間断なく稼働させた。この装置の累積放出時間は、約５時間であった。放出電流において、ある程度初期の減衰があったが、いったん電流が安定すると、ゲート電圧を上昇させる必要なく、装置をオン・オフすることができた。

実施例２
実施例１で用いた装置と同様にして、アンダー・ゲート設計を有する電界放出トライオードを作製した。実施例１の装置と実施例２の装置の主な違いは、電子電界エミッタとカソード電極のパターン、およびこれらがパターニングされた順番であった。カソード組立体の上面図および装置の側面図をそれぞれ図１０および１１に示す。これらの図において、カソード基板１０．１および１１．１、ＩＴＯゲート電極１０．２および１１．２、誘電体１０．３および１１．３の二重層から形成された絶縁層、Ａｇカソード電極１０．４および１１．４、ＣＮＴ電極放出材料１０．５および１１．５、スペーサ１０．６および１１．６、電荷散逸層１０．７および１１．７、蛍光体層１１．８、ＩＴＯアノード電極１１．９ならびにアノード基板１１．１０が示されている。

対照例Ａおよび実施例１で用いた試料装置の構造と同様のやり方で、本実施例２の装置のカソード電極は、間隔が１ｍｍであった以外は、グリッドであった。ライン電極の代わりにグリッド電極を用いることによって、１つのラインが断線しただけで、装置の拡張領域が断線する問題が排除される。電子電界エミッタのパターンは、１ｍｍの間隔のあいた厚さ１００μｍの一連の平行ラインであった。エミッタラインによって、１組の電極グリッドラインを交差することにより、カソード電極と電気的に接触する。カソード電極およびエミッタラインのこの交差配置で、位置合わせ誤差の高許容差の電気的接触が確保できる。従って、この装置は、高価で高精度の印刷またはリソグラフィー機器を用いることなく製造することができる。

本実施例２の装置から得られた放出パターンの画像を図１２に示す。この画像は、装置を３ｋＶのアノード電圧、３００Ｖのゲート電圧および２８μＡのアノード電流で操作したときに記録された。装置を１２０Ｈｚで、３０μ秒ゲートパルスで駆動した。ゲート電圧をオフにしたとき、アンゲート放出または「ホットスポット」は観察されなかった。

対照例Ａおよび実施例１において、電子放出材料は、カソード電圧を印刷した後に印刷したが、実施例２においては、電子放出材料を、カソード電極の前に印刷した。カソード電極を、電子電界エミッタラインの上部でパターニングして、エミッタラインが、カソード電極の矩形と略二等分されるようにした。設計およびパターニングの順をこのように変えると、アンゲート放出または目に見える「ホットスポット」の量が減少した。ホットスポットの痕跡が全くないままで、アノード電圧を３．０ｋＶまで上昇させることができた。

本発明は、何らかの特定の動作理論に限定されないが、「ホットスポット」のこの減少は、恐らく次の３つの条件によるものであろう。第１に、アンゲート放出に最も敏感なカソード電極の上部にあった電子放出材料が、パターニング順を逆にすることにより除去されたことである。カソード電極と直接接触する材料の量を限定することにより、電子電界エミッタおよび電荷散逸層が、安定抵抗器としても作用して、材料の大半にホットスポットが形成されるのを防ぐことができたことである。最後に、カソード電極と近接している材料が、その上に配置されたカソード電極により効果的に遮蔽されたことである。

実施例３
アンゲート放出または「ホットスポット」を減じる他の方法も研究された。本実施例３の装置の構造は、電荷散逸層を、カソード電極の後、ただし、電子電界エミッタの堆積前にパターニングした以外は、実施例１で用いた装置と同様であった。カソード組立体の上面図および装置の側面図を、それぞれ、図１３および１４に示す。これらの図において、カソード基板１３．１および１４．１、ＩＴＯゲート電極１３．２および１４．２、誘電体１３．３および１４．３の二重層から形成された絶縁層、Ａｇカソード電極１３．４および１４．４、ＣＮＴ電極放出材料１３．５および１４．５、スペーサ１３．６および１４．６、電荷散逸層１３．７および１４．７、蛍光体層１４．８、ＩＴＯアノード電極１４．９ならびにアノード基板１４．１０が示されている。

カソードとエミッタの間に電荷散逸層を配置することにより、電荷散逸層が、アンゲート放出の量を少なくする安定抵抗器として作用できた。この装置は、「ホットスポット」なしで、２．０ｋＶのアノード電圧に耐えることができた。この装置から得られた放出の画像を図１５に示す。この画像は、装置を２．２５ｋＶのアノード電圧、３００Ｖのゲート電圧および７．１μＡのアノード電流で操作したときに記録された。装置を１２０Ｈｚで、３０μ秒ゲートパルスで駆動した。ゲート電圧をオフにしたとき、ホットスポットは観察されなかった。

実施例４
厚膜誘電体コーティングを使用する代わりに、薄膜電荷散逸層を用いて、装置を作製した。クロム（Ｃｒ）薄膜の電荷散逸層を、誘電体材料の二重層、カソード電極およびＣＮＴ電子放出材料の上部に電子線蒸着装置により堆積することにより、適所に配置した。薄膜電荷散逸層は、装置の残りを構築した後、ただし、電子電界エミッタを活性化する前に蒸着した。この薄膜の厚さは、薄膜厚さ結晶モニターにより測定したところ、約１８Åであった。このフィルムは、電子線蒸着装置中の不純物のために、恐らく、クロムと酸化クロムの両方を含んでいた。それは、約１０^１０を超え、約１０^１４未満のオーム・パー・スクエアの有限シート抵抗を有している。

本実施例４の装置のカソード電極と電子電界エミッタのパターンは、ＣＮＴ電子放出材料がカソード電極の上部に位置していた以外は、実施例２で用いた装置と同様であった。カソード組立体の上面図および装置の側面図を、それぞれ、図１６および１７に示す。これらの図において、カソード基板１６．１および１７．１、ＩＴＯゲート電極１６．２および１７．２、誘電体１６．３および１７．３の二重層から形成された絶縁層、Ａｇカソード電極１６．４および１７．４、ＣＮＴ電極放出材料１６．５および１７．５、スペーサ１６．６および１７．６、電荷散逸層１６．７および１７．７、蛍光体層１７．８、ＩＴＯアノード電極１７．９ならびにアノード基板１７．１０）が示されている。

Ｃｒの薄膜を電荷散逸層として用いることにより、ゲート電極から電子電界エミッタまでの全体の距離を、約１／３減じることができる。この短い距離によって、ゲート電界が、より効率的となり、固定電界に必要な電圧が減少する。このように、必要な電圧を大幅に下げることができる。図１８に、３ｋＶのアノード電圧、２００Ｖのゲート電圧および５５．５μＡのアノード電流で動作する実施例４から得られた放出画像を示す。１２０Ｈｚ、３０μＳパルス矩形波および４ｍｍアノード−カソード間隔の駆動条件は、実施例２で用いたのと同一であったが、放出電流はこれより大きかった。実施例２のゲート電圧の６６％で、本実施例の電流は、実施例２で得られたものの２倍であった。放出電流対ゲート電圧の非線形応答を考えると、これは非常に大きい。アノードおよびゲート電圧は、装置からの放出電流に何ら変化なしに、オン・オフされた。このことは、薄膜電荷散逸層によって所望の効果が出されたことを示すものである。

Claims (20)

1. （ａ）（ｉ）基板、（ｉｉ）前記基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）前記ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）前記絶縁層上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層、（ｖ）前記電荷散逸層上に配置されたカソード電極、および（ｖｉ）前記カソード電極と接触している電子電界エミッタを含むカソード組立体と、（ｂ）アノードとを含む電界放出トライオード装置。
2. カソード電極が、電子放出材料層上に配置されている請求項１に記載の装置。
3. カソード電極および電子電界エミッタが、同一構成部品である請求項１に記載の装置。
4. カソード電極および電子電界エミッタが、交線としてパターニングされている請求項１に記載の装置。
5. カソードが、電子電界エミッタの上部でパターニングされている請求項１に記載の装置。
6. 電子電界エミッタが、カーボンナノチューブを含む請求項１に記載の装置。
7. （ａ）（ｉ）基板、（ｉｉ）前記基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）前記ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）前記絶縁層上に配置されたカソード電極、（ｖ）前記カソード電極および前記絶縁層上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層、および（ｖｉ）前記電荷散逸層上に配置された電子電界エミッタを含むカソード組立体と、（ｂ）アノードとを含む電界放出トライオード装置。
8. カソード電極および電子電界エミッタが、交線としてパターニングされている請求項７に記載の装置。
9. カソードが、電子電界エミッタの上部でパターニングされている請求項７に記載の装置。
10. 電子電界エミッタが、カーボンナノチューブを含む請求項７に記載の装置。
11. （ａ）（ｉ）基板、（ｉｉ）前記基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）前記ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）前記絶縁層上に配置されたカソード電極、（ｖ）前記カソードと接触している電子電界エミッタ、（ｖｉ）前記絶縁層、前記カソード電極および前記電子電界エミッタ上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層を含むカソード組立体と、（ｂ）アノードとを含む電界放出トライオード装置。
12. カソード電極および電子電界エミッタが、同一構成部品である請求項１１に記載の装置。
13. 電荷散逸層が、絶縁層上でパターニングされている請求項１１に記載の装置。
14. カソード電極および電子電界エミッタが、交線としてパターニングされている請求項１１に記載の装置。
15. カソードが、電子電界エミッタの上部でパターニングされている請求項１１に記載の装置。
16. 電子電界エミッタが、カーボンナノチューブを含む請求項１１に記載の装置。
17. （ａ）基板、（ｉｉ）前記基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）前記ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）前記絶縁層上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層、（ｖ）前記電荷散逸層上に配置されたカソード電極、および（ｖｉ）前記カソード電極と接触している電子電界エミッタを含むカソード組立体。
18. （ｉ）基板、（ｉｉ）前記基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）前記ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）前記絶縁層上に配置されたカソード電極、（ｖ）前記カソード電極および前記絶縁層上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層、および（ｖｉ）前記電荷散逸層上に配置された電子電界エミッタを含むカソード組立体。
19. （ｉ）基板、（ｉｉ）前記基板上に配置された導電性ゲート電極、（ｉｉｉ）前記ゲート電極上に配置された絶縁層、（ｉｖ）前記絶縁層上に配置されたカソード電極、（ｖ）前記カソードと接触している電子電界エミッタ、および（ｖｉ）前記絶縁層、前記カソード電極および前記電子電界エミッタ上に配置された約１×１０^１０〜約１×１０^１４オーム・パー・スクエアの電気シート抵抗を有する電荷散逸層を含むカソード組立体。
20. カソード電極および電子電界エミッタが、交線としてパターニングされている請求項１７〜１９のいずれか１項に記載のカソード組立体。

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