(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界放出部を備えるカソード基板と、該カソード基板に対向する発光部を備えるアノード基板からなる真空の雰囲気中で動作する電界放出型表示素子において、
前記電界放出部は、カソード電極と電子を放出するエミッタとの間に形成された抵抗層を有しており、該抵抗層を加熱するヒータ抵抗層が、前記カソード電極の下に形成されていることを特徴とする電界放出型表示素子。
【請求項２】
電界放出部を備えるカソード基板と、該カソード基板に対向する発光部を備えるアノード基板からなる真空の雰囲気中で動作する電界放出型表示素子を駆動する駆動方法であって、
前記電界放出部は、カソード電極と電子を放出するエミッタとの間に形成された抵抗層を加熱するヒータ抵抗層を有しており、低温時には該ヒータ抵抗層に通電することにより前記抵抗層の温度を上昇させ、常温・高温時には前記発光部を定電力制御することにより、前記発光部の発光輝度が変動しないようにしたことを特徴とする電界放出型表示素子の駆動方法。
【請求項３】
低温時には、前記抵抗層の抵抗値がほぼ一定の抵抗値となるように、前記ヒータ抵抗層に印加されるヒータ電圧を制御することを特徴とする請求項２記載の電界放出型表示素子の駆動方法。
【請求項４】
前記抵抗層の抵抗値を、前記ヒータ抵抗層の抵抗値を検出することにより検出して、前記ヒータ電圧を制御するようにしたことを特徴とする請求項３記載の電界放出型表示素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコールドカソードを有する表示素子として知られている電界放出型表示素子、および駆動方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属または半導体表面の印加電界を１０９  ［Ｖ／ｍ］程度にすると、トンネル効果により、電子が障壁を通過して常温でも真空中に電子放出が行われるようになる。これを電界放出（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）と云い、このような原理で電子を放出するカソードを電界放出カソード（以下、ＦＥＣと記す。）と呼んでいる。
【０００３】
近年、半導体集積化技術を駆使して、ミクロンサイズのＦＥＣを作ることが可能となり、その一例としてスピント（Ｓｐｉｎｄｔ）型と呼ばれるＦＥＣが知られている。このＦＥＣは、半導体微細加工技術を用いて製作すると、円錐状のエミッタ、すなわちエミッタコーンとゲート電極との距離をサブミクロンとすることが出来るため、エミッタコーンとゲート電極間に数１０ボルトの電圧を印加することによりエミッタコーンから電子を放出させることが出来るようになる。
また、各エミッタコーン間のピッチは５ミクロンないし１０ミクロンとして製作することが出来るため、数万から数１０万個のＦＥＣを１枚の基板上に設けることが出来る。
このように、面放出形のＦＥＣを製作することが可能となっており、このＦＥＣは蛍光表示装置、ＣＲＴ、電子顕微鏡や電子ビーム装置の電界放出型電子源として適用することが提案されている。
【０００４】
図５にスピント型のＦＥＣの概略構造を示しており、ガラス基板１００の上に薄膜状に導電性のカソード電極１０１が形成され、カソード電極１０１上に抵抗層１０２がさらに形成され、その上に２酸化シリコン等よりなる絶縁層１０３が形成されている。この絶縁層１０３の上には薄膜状のゲート電極１０４が形成され、ゲート電極１０４および絶縁層１０３を貫通する多数の開口部が設けられている。
この開口部内においては抵抗層１０２が露出しており、この抵抗層１０２の上に円錐状のエミッタコーン１０５が形成されている。
【０００５】
このように構成されたＦＥＣにおいて、エミッタコーン１０５とカソード電極１０１との間に抵抗層１０２を設ける理由は次の通りである。
一般的なＦＥＣにおいては、エミッタコーンの先端とゲートとの距離がサブミクロンという極めて短い距離とされていると共に、数万ないし数十万個のエミッタコーンが一枚の基板上に設けられるため、製造の過程において塵埃等によりエミッタコーンとゲートとが短絡してしまうことがある。このように、ゲートとエミッタコーン間の一つでも短絡していると、カソードとゲートとが短絡したことになるため、すべてのエミッタコーンに電圧が印加されなくなり動作不能の電界放出型電子源となってしまう。
【０００６】
また、電界放出型電子源の初期の動作時に局部的な脱ガスが生じ、このガスによりエミッタコーンとゲートあるいはアノード間が放電を起こすことがあり、このため大電流がカソードに流れてカソードが溶断されることがあった。
さらに、多数のエミッタコーンのうち電子の放出されやすいエミッタコーンが存在するため、このエミッタコーンから集中して放出された電子により、画面上に異常に明るいスポットが発生することもあった。
【０００７】
そこで、図５に示すように、カソード電極１０１とエミッタコーン１０５との間に抵抗層１０２を形成し、エミッタコーン１０５の中の一つが形状の不均一性から異常に多い電子を放出し始めると、ゲート電極１０４とカソード電極１０１間には抵抗層１０２による電圧降下が生じるようになる。この電圧降下により、異常に多い電流を放出しようとするエミッタコーン１０５の印加電圧が放出電流に応じて下げられるために、電子放出が抑制され、各エミッタコーン１０５で安定した電子放出を行うようになる。このため、カソード電極１０１の溶断等を防止することができる。
【０００８】
すなわち、この電圧降下は図６に示すようにＶｇ（ゲート電圧）−Ｉｅ（エミッション電流）特性が異なる場合、Ｖｇ−Ｉｅ曲線とＬｏａｄ  ｌｉｎｅ  との交点により決まる異なるエミッション電流Ｉｅとなり、図示する２つのＶｇ−Ｉｅ特性のエミッタコーン１０５においては、図示するΔＶｄｒｏｐの電圧降下の差が生じるようになる。
したがって、抵抗層１０２を設けることにより、ＦＥＣの製造上の歩留りの向上、およびＦＥＣの安定な動作を確保することができるようになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、抵抗層１０２はアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）材料を使用して形成することができるが、α−Ｓｉ材料は半導体であり、抵抗層１０２の抵抗値を制御するためにある程度の不純物導入を行うことにより、抵抗率を制御するようにしている。これにより、エミッタコーン１０５から放出される電子の変動を抑制することができる。
一般に、半導体の抵抗値は負の温度係数を有し、温度上昇と共に抵抗値が低下する傾向を示す。α−Ｓｉ材料も同様であり、抵抗値Ｒは温度変化Ｔに対し図７に示すように対数的に減少する。なお、図７の縦軸は対数目盛りとされている。このため、周囲温度の変化にともない抵抗層１０２の抵抗値、すなわちエミッタ抵抗値が変動し、エミッタ抵抗部分での電圧降下量が変化するようになる。
【００１０】
すると、実質的にエミッタに加わるゲート・エミッタ間電圧ＶＧＥが変動するようになる。その結果、温度変動によりエミッタコーン１０５から放出されるエミッション電流が急激に変動する。この様子を図８に示すが、ａ〜ｇの曲線は、ａが一番温度が低く、ｇが一番温度が高い場合のＩ−Ｖ特性を示しており、温度により指数関数的に上昇するアノード電流Ｉａが温度上昇にともない急激に上昇している。したがって、周囲温度の変動にともない発光輝度が変動してしまうという問題点があった。
また、エミッション電流が温度により変動すると、高温時のアノード電流Ｉａは定格電流の数倍以上の電流値となるため、この電流を供給するアノード電源に大きな電源容量が必要となり、消費電力の増加や電源コストが上昇するという問題点もあった。
【００１１】
そこで、本発明は周囲温度が上昇しても発光輝度が変動しない電界放出型表示素子およびその駆動方法を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電界放出型表示素子は、電界放出部を備えるカソード基板と、該カソード基板に対向する発光部を備えるアノード基板からなる真空の雰囲気中で動作する電界放出型表示素子において、前記電界放出部は、カソード電極と電子を放出するエミッタとの間に形成された抵抗層を有しており、該抵抗層を加熱するヒータ抵抗層が、前記カソード電極の下に形成されている。
【００１３】
また、本発明の電界放出型表示素子の駆動方法は、電界放出部を備えるカソード基板と、該カソード基板に対向する発光部を備えるアノード基板からなる真空の雰囲気中で動作する電界放出型表示素子を駆動する駆動方法であって、前記電界放出部は、カソード電極と電子を放出するエミッタとの間に形成された抵抗層を加熱するヒータ抵抗層を有しており、低温時には該ヒータ抵抗層に通電することにより前記抵抗層の温度を上昇させ、常温・高温時には前記発光部を定電力制御することにより、前記発光部の発光輝度が変動しないようにしている。
【００１４】
さらに、上記本発明の電界放出型表示素子の駆動方法において、低温時には、前記抵抗層の抵抗値がほぼ一定の抵抗値となるように、前記ヒータ抵抗層に印加されるヒータ電圧を制御している。
さらにまた、前記抵抗層の抵抗値を、前記ヒータ抵抗層の抵抗値を検出することにより検出して、前記ヒータ電圧を制御するようにしている。
【００１５】
このような本発明によれば、周囲温度が常温および高温時には発光部を定電力制御するようにしたので、周囲温度が変化しても発光輝度の変動を抑制することができる。
また、周囲温度が低温の時に発光部を定電力制御するようにすると、高いアノード電圧が必要となるので、抵抗層を加熱するヒータ抵抗層に通電することにより、抵抗層の抵抗値がほぼ一定値になるよう制御している。さらに、抵抗層の抵抗値をヒータ抵抗層の抵抗値から検出しているので、簡易な構成により抵抗層の抵抗値の制御を行うことができ、周囲温度が変動しても電界放出型表示素子の発光輝度が変化しないようにすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の電界放出型表示素子の駆動方法を説明するが、本発明の電界放出型表示素子の駆動方法においては、周囲温度が常温時および高温時の場合と、低温時の場合とで異なる駆動を行っている。
このような、本発明の電界放出型表示素子の駆動方法を行う本発明の電界放出型表示素子の実施の形態の構成を図１および図２に示す。
図１において、ガラス等のカソード基板１の上に導電性のくし歯状のヒータ電極パターン２を形成し、このヒータ電極パターン２の上にα−Ｓｉ材料等を用いてヒータ抵抗層３をその全面に形成する。図２に示す斜視図はこのようにカソード基板１上にヒータ電極パターン２およびヒータ抵抗層３を形成した状態を示している。
【００１７】
さらに、ヒータ抵抗層３の上にパッシベーション膜からなる絶縁膜４を形成し、その上に導電性のカソード電極５を積層する。さらにまた、カソード電極５の上にα−Ｓｉ材料等を用いて抵抗層６を形成し、その上に２酸化シリコン等よりなる絶縁層７が積層されて形成されている。この絶縁層７の上には薄膜状のゲート電極８が形成され、ゲート電極８および絶縁層７には、これらを貫通する多数の開口部が設けられている。
この開口部内においては抵抗層６が露出しており、この抵抗層６の上に円錐状のエミッタコーン９が形成されている。
【００１８】
なお、図示されていないが、このように電界放出カソードが作成されているカソード基板１から微小間隔（例えば、２００ミクロン）だけ離隔されて、アノード基板が対向配置されている。このアノード基板はガラス等からなり、アノード基板には透明のアノード電極が形成されて、その上に放出電子により発光する蛍光体が設けられている。また、カソード基板１とアノード基板からなる電界放出型表示素子の容器内は高真空とされている。
【００１９】
このように構成された電界放出型表示素子における本発明の駆動方法を説明すると、温度補償を行わない場合は、前述したように常温・高温時には抵抗層６の抵抗値が減少するようになり、エミッション電流が増加する。このためアノード電極に流れるアノード電流が増加するようになる。そこで、常温・高温時には抵抗層６の抵抗値に応じてアノード電流を制御するようにすれば、発光輝度を一定とすることができることになる。
本発明では、常温・高温時にはアノードにおける消費電力を定電力制御することによりこれを達成している。この時の温度Ｔ対アノード電圧Ｖａの変化の様子、および温度Ｔ対発光輝度Ｌの様子を図３に示している。
【００２０】
図３を観察すると、常温・高温側においては、温度上昇に伴いアノード電圧Ｖａが減少していくように制御されることになる。これにより、発光輝度Ｌはほぼ一定とされるようになる。なお、常温・高温側と低温側との境界温度は、例えば２０℃とされており、低温側においてアノードの定電力制御を行うようにすると、温度低下に伴い抵抗層６の抵抗値が急激に上昇するのでアノード電圧が高くなり過ぎるようになる。このため、低温時にはアノードの定電力制御を行わず、アノード電圧Ｖａが上限の一定電圧とされる。この時、温度低下に伴い抵抗層６の抵抗値が上昇するため、発光輝度が温度低下に伴い減少していくようになる。
【００２１】
そこで、本発明では、低温時にはヒータ電極パターン２を介してヒータ抵抗層３に通電するようにしてヒータ抵抗層３を発熱させることにより、抵抗層６の温度を上昇させて、その抵抗値が一定値となるように制御している。
この時のヒータ抵抗層３の発熱を制御する制御部の一例を図４に示す。
図４において、３は抵抗層６を加熱するためのヒータ抵抗層、１０はヒータ抵抗層３にヒータ電圧Ｖｈを印加するヒータ電圧源、１１−１および１１−２はヒータ抵抗層３へのヒータ電圧源１０の接続を制御するスイッチ、１２はヒータ抵抗層３と直列に接続された、抵抗層６の抵抗値を検出するための検出用抵抗（Ｒ）である。
【００２２】
１３は検出信号設定用の基準電圧Ｖｒｅｆを供給する基準電圧源、１４は検出用抵抗１２の両端の電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとの差を検出信号として出力するＯＰアンプ、１５は検出信号に応じてヒータ電圧Ｖｈを制御する制御回路、１６はヒータ抵抗層３と検出用抵抗１２との直列回路に測定用電圧Ｖｍを印加する測定用電圧源である。
このように構成された制御部において、周囲温度が低温と判断されると、スイッチ１１−１，１１−２がオンされてヒータ電圧源１０が、ヒータ電極パターン２を介してヒータ抵抗層３に接続される。
【００２３】
これにより、ヒータ抵抗層３が発熱するようになり、抵抗層３が加熱されてその抵抗値が減少していくようになる。この場合、ヒータ抵抗層３と抵抗層６とが同じα−Ｓｉ材料等の同材料を用いて形成されているとすると、ヒータ抵抗層３の抵抗値を検出することにより、抵抗層６の抵抗値を類推することができる。すなわち、ヒータ抵抗層３に直列に抵抗値を検出するために検出用抵抗１２を直列に接続して、その両端の電圧信号をＯＰアンプ１４に入力することにより、ＯＰアンプ１４により抵抗層６の抵抗値を検出することができる。
【００２４】
このようにして検出された抵抗値の検出信号は、ＯＰアンプ１４から電圧信号として出力され制御回路１５に入力される。制御回路１５は、検出信号に応じてヒータ電圧Ｖｈの大きさを制御することにより、ヒータ抵抗層３の抵抗値が一定となるように制御されることになる。すなわち、抵抗層６の抵抗値が一定になるように制御されるので、エミッション電流がほぼ一定となり、発光輝度の変動を抑制することができるようになる。
【００２５】
なお、基準電圧Ｖｒｅｆは検出する温度範囲を設定するためのものであり、通常、抵抗層の材料に応じて異なる電圧に設定される。
また、スイッチ１１−１，１１−２は、制御回路１５において、ヒータ抵抗層３の抵抗値が大きくなったことを検出した時にオンするようにしてもよい。さらに、ヒータ電極パターン２はくし歯状とされて、ヒータ抵抗層３が均一に発熱するようにされているが、くし歯状に限定されるものではない。
さらに、上記の説明では、抵抗層６の抵抗値をヒータ抵抗層３を兼用して検出するようにしたが、温度センサにより抵抗層６の抵抗値を検出するようにしてもよい。
【００２６】
上記説明したように、本発明の電界放出型表示素子の駆動方法においては、周囲温度が常温以上とされた場合には、アノードを定電力制御することにより発光輝度をほぼ一定とするようにし、周囲温度が低温となった場合には、カソード基板１にカソード作成工程を応用して作りこんでおいたヒータ抵抗層３を発熱させることにより、発光輝度がほぼ一定となるようにしている。
なお、抵抗層６の材料としては、不純物のドープされたアモルファスシリコンあるいはポリシリコン等が用いられ、ドープされる不純物としては、Ｐ，Ｂｉ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ等を用いることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成したので、周囲温度が常温および高温時には発光部を定電力制御することにより、周囲温度が変化しても発光輝度の変動を抑制することができる。
また、周囲温度が低温の時に発光部を定電力制御するようにすると、高いアノード電圧が必要となるので、抵抗層を加熱するヒータ抵抗層に通電することにより、抵抗層の抵抗値がほぼ一定値になるよう制御している。この場合、ヒータ抵抗層はカソード作成工程を応用してカソード基板に作り込んであるため、他の回路部品を必要とせず低コストとすることができる。
【００２８】
さらに、抵抗層の抵抗値をヒータ抵抗層を兼用して、その抵抗値から検出しているので、簡易な構成により抵抗層の抵抗値の制御を行うことができ、周囲温度が変動しても低コストで電界放出型表示素子の発光輝度の変動を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電界放出型表示素子の駆動方法が実行される本発明の電界放出型表示素子の構成を示す図である。
【図２】本発明の電界放出型表示素子の特徴部分を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態の電界放出型表示素子の駆動方法が実行された時の、常温・高温時の温度対アノード電圧の変化、および温度対発光輝度の変化を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の電界放出型表示素子の駆動方法の制御回路の構成を示す回路図である。
【図５】従来のスピント型の電界放出型カソードの構成を示す図である。
【図６】従来のスピント型の電界放出型カソードのＶｇ−Ｉａ特性を示す図である。
【図７】アモルファスシリコンの温度変化を示す図である。
【図８】電界放出型カソードのＩ−Ｖ特性を示す図である。
【符号の説明】
１  カソード基板
２  ヒータ電極パターン
３  ヒータ抵抗層
４  絶縁膜
５  カソード電極
６  抵抗層
７  絶縁層
８  ゲート電極
９  エミッタコーン
１０  ヒータ電圧源
１１−１，１１−２  スイッチ
１２  検出用抵抗
１３  基準電圧
１４  ＯＰアンプ
１５  制御回路
１６  測定用電圧源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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