(57)【要約】【課題】本発明は、アンブランキング(Unblanking)電圧が低く、高解像力の平面表示が実現でき、電子放出効率を高めることができる電界放出表示装置を提供する。【解決手段】本発明における電界放出表示装置は、蛍光層を有するアノードと、導電性を有するカソード及びゲート電極とを備え、前記カソードは電子エミッタを含み、同一画素に対応する電子エミッタは該画素に対応するゲート電極の両側に分布されており、前記ゲート電極は、前記画素に対応する電子エミッタと前記画素に対応する蛍光層との間に懸垂設置されている。また、該装置は少なくとも二つの絶縁障壁を含み、前記金属線がこの両絶縁障壁の天井部に懸垂設置されている。更に、前記カソードは円柱状の金属線であり、前記電子エミッタ材料はカーボンナノチューブを含み、前記円柱状の金属線の表面に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光層を有するアノードと、導電性を有するカソード及びゲート電極とを備え、前記カソードは電子エミッタを含み、同一画素に対応する電子エミッタは該画素に対応するゲート電極の両側に分布されており、前記ゲート電極は、前記画素に対応する電子エミッタと前記画素に対応する蛍光層との間に懸垂設置されていることを特徴とする電界放出表示装置。
【請求項２】
前記カソード及びゲート電極はそれぞれ行列状に配列されることを特徴とする請求項１に記載の電界放出表示装置。
【請求項３】
前記各ゲート電極は、該ゲート電極に対応する蛍光層の中心と正面対向になることを特徴とする請求項２に記載の電界放出表示装置。
【請求項４】
更に少なくとも二つの絶縁障壁を含み、前記ゲート電極がこの両絶縁障壁の天井部に懸垂して固定されていることを特徴とする請求項１に記載の電界放出表示装置。
【請求項５】
前記カソードは円柱形状であることを特徴とする請求項２に記載の電界放出表示装置。
【請求項６】
前記電子エミッタの材料はカーボンナノチューブ、カーボン繊維、黒鉛炭素、ダイヤモンド、又は金属のいずれかの一種であることを特徴とする請求項１に記載の電界放出表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電界放出ディスプレイに係り、特に、高解像度を有する三極管型の電界放出表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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て、電界放出ディスプレイは高い解像度、大きな画角、低消費電力及び小さな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を用いて製造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いる。
【０００３】
カーボンナノチューブは、１９９１年に日本の研究員Ｉｉｊｉｍａ（飯島澄男氏）により初めて見出され、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、新しい炭素材料であり、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、極小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。カーボンナノチューブの成長技術の進歩に伴って、カーボンナノチューブ電界放出ディスプレイの研究も、様々な重要な成果が得られている。
【０００４】
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、このような二極管型の構造は、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追加した構造を指し、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。
【０００５】
図６に示したのは、従来の典型的な三極管型の電界放出装置であるが、図面には一つの画素に当たる表示構造しか示していない。ここで、画素とは画像表示の最小ユニットを指す。典型的なカラー表示システムにおいて、カラー画像は三原色、即ち、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三種の単一カラーユニットを組み合わせることによって実現される。各ユニットは単一のカラー（例えば赤色）を表示するユニットであって、一つの画素と呼ばれる。以下の電界放出装置において、赤色の画素ユニットを例として説明する。該装置は、基板１０１と、該基板１０１に形成された絶縁層１０２と、該絶縁層１０２に形成されたゲート電極１０３とを備え、該絶縁層１０２とゲート電極１０３には電子の通過のため突設された透過孔１０４があり、該透過孔１０４の底部にはカソードとして用いられる電子放出素子１０５が形成されている。また、アノード１０６及び赤色蛍光物質を有する蛍光層１０７が、ゲート電極１０３の上部と一定の間隔を有する位置に配置されている。使用時、アノード１０６、ゲート電極１０３及びカソードに異なる電圧を印加すると、電子が電子放出素子１０５から放出されて、透過孔１０４を通過して、アノード１０６による電界の作用によって加速されて、アノード１０６と蛍光層１０７に達し、更に、蛍光層１０７に衝突して可視光を発する。一般に、アノード１０６の電圧は数千ボルトであり、ゲート電極１０６の電圧は１００ボルトぐらいである。この構造のような電界放出表示装置において、放出された電子が両側のゲート電極１０３による電界の影響を受けて、大部分の電子１１０及び１１１は、大きな角度の偏向を受けて、蛍光層１０７の以外の領域に衝突する。このため、電子放出素子１０５の正面対向領域の中心位置に衝突する電子が非常に少なくなり、若しくは、一部の電子が隣の別の画素（例えば緑色又は青色）に偏向されて、別の色を表示し、色表示のエラーを発生し、若しくは、一部の電子が隣の別の赤色画素に衝突して、画像の表示エラーをもたらす。
【０００６】
図７は、上記問題を解決するために、ＴＯＳＨＩＢＡ会社のＨｉｒｏｎｏｒｉ Ａｓａｉなどにより改良して提出された構造図であり、詳細は２００２年９月３日に登録された特許文献１に開示されている。図７に示すように、この構造の装置は、基板２１１と、該基板２１１に形成されたカソード層２０３と、該カソード層２０３に順に形成された絶縁層２０２と、ゲート電極２０１とを備え、該絶縁層２０２とゲート電極２０１には透過孔が突設され、透過孔の底部及びカソード層２０３には電子放出のため形成された電子放出層２０７がある。改良点としては、このような構造は、
式Ｌ／Ｓ≧１を満足することであるが、ここで、Ｓは透過孔の直径、Ｌは電子が放出してゲート電極まで達する最小距離、即ち、電子放出層２０７からゲート電極２０１までの最短距離と定義される。このような構造は大きなＬが必要になり、即ち、電子放出層２０７の電子放出部からゲート電極２０１までの距離が大きいということで、従って、ゲート電極２０１は非常に高い電圧の場合のみ、十分な電界の作用により電子を電子放出層２０７から取り出すことができるが、このため、放出電圧の低下が不利になり、該装置の電気エネルギーの消耗を高める。また、電子放出層２０７が絶縁層２０２の下方に位置されているため、電子放出点からゲート電極までの距離が遠く、大部分の電子は絶縁層２０２により吸収されるようになるから、放出された電子の有効利用率が非常に低くなり、画像の表示輝度に影響を与えることを免れることができない。
【０００７】
以上述べてきた従来技術に存在する問題を解決するため、本発明の発明者である魏洋とハン守善たちは、中心ゲート構造を有する電界放出装置を提出したことがあるが、詳細は特許文献２に開示されている。
【０００８】
本発明は、上記の中心ゲート構造を有する電界放出装置の改良であって、電子放出性能及びその利用効率をより一層高め、更に、製造工程の簡略化、コストの低下を実現することができる。
【特許文献１】米国特許第６４４５１２４号明細書
【特許文献２】中国特許出願公開２００４１００２７０４３．５号明細書
【非特許文献１】「Ｈｅｌｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏｔｕｂｕｌｅｓ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｉｃ Ｃａｒｂｏｎ」、Ｉｉｊｉｍａ、Ｎａｔｕｒｅ、第３５４巻、１９９１年、第５６〜５８ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の点に鑑み、従来技術での電界放出ディスプレイの高ゲート放出電圧、及び電子エミッタの周囲に位置しているゲート電極による電子放出の拡散作用などの問題を解決するために、以下の複数の実施例に基づいて、本発明の電界放出ディスプレイを説明する。該ディスプレイは、低電圧の場合でも電子を容易に放出し、放出された電子の方向を効率的に制御して、これらの電子を対応する画素領域に集めて、高解像度の画像表示を実現し、更に電子放出効率を高めることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記内容を解決するための本発明の電界放出表示装置は、蛍光層を有するアノードと、導電性を有するカソードと及びゲート電極とを備え、前記カソードは電子エミッタを含み、同一画素に対応する電子エミッタは該画素に対応するゲート電極の両側に分布されており、前記ゲート電極は、前記画素に対応する電子エミッタと前記画素に対応する蛍光層との間に懸垂設置されている。
【００１１】
また、上記ゲート電極は金属線からなり、該金属線が金線、ニッケル線を含むことが好ましい。
【００１２】
また、該電界放出表示装置は、更に少なくとも二つの絶縁障壁を含み、上記金属線がこの両絶縁障壁の天井部に懸垂して固定されていることが好ましい。
【００１３】
また、上記のカソードは円柱状の金属線であり、カーボンナノチューブを含む電子エミッタが、該円柱形状の金属線の表面に形成されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
従来の技術と比べてみると、本発明は、電子エミッタの尖端からゲート電極までの距離が小さくなって、アンブランキング電圧を低下することができ、また、ゲート電極が電子エミッタの上方の中央位置に設けられているため、このような構造は、ゲート電極が電子の放出と電子の集束ができるようにさせることと共に、ゲート電極の電界により電子ビームの運動方向を変更させることができて、これにより、電子ビームの照射のため蛍光層に発生される斑を少なくさせて、高解像度を有する平面表示を実現する。更に、ゲート電極が電子エミッタの上方に懸垂して設置されているので、電子エミッタから放出された大部分の電子が対応している蛍光層を衝突するようになって、電子放出の効率を高める。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面と具体な実施例に基づいて、本発明の電界放出表示装置の実施形態を説明する。
【００１６】
図１と図２は、本発明の第一実施例のカーボンナノチューブ電界放出ディスプレイ１０の断面図である。該電界放出ディスプレイには、対向且つ平行して設置された基板１１と透明の出光板２１と、基板１１と出光板２１の間を一定の距離で離隔して、それにより内部スペース（図示せず）を形成するための複数の支持壁１８と、互いに平行且つそれぞれ一定の距離で離隔して配列した前記基板１１の表面に形成された複数の絶縁障壁１４と、隣接した二つの絶縁障壁１４の間に形成された隙間１５と、各隙間１５の底部に設けられた第一の金属線１２とを備え、そのうち、該金属線１２は、絶縁障壁と大体平行して基板１１の表面に配列され、その両端が両側に設置されている引出板１２１に溶接され、金属線１２の表面に電子を放出するためのカーボンナノチューブ１３が形成されている。また、信号伝送装置と接続するのが便利になるように、前記引出板１２１の一部分を内部スペースの外まで伸ばしておく。また、該電界放出ディスプレイには、少なくとも一つの第二金属線１６と、基板１１の端部の表面に形成されている金属電極１７とを含んでいるが、該二金属線１６はゲート電極として用いられ、該第二金属線１６の両端部１６１と１６２は、それぞれ金属電極１７側に曲がって伸びており、金属電極１７と電気接続している。該金属電極１７は、基板１１の両側の表面に直接形成され、且つ信号伝送装置（図示せず）と接続するのが便利になるように、その一部分を内部スペースの外まで伸ばしておく。また、前記出光板２１の基板１１に対向する内表面にはアノード２２が形成され、該アノード２２の表面には蛍光層２３が形成され、蛍光層２３は蛍光物質を含み、さらに、電子が衝突する時、相応な色の可視光を発する。
【００１７】
本発明の第一実施例において、上記の基板１１はガラス、シリコン、セラミックなどの絶縁材料からなり、上記アノード２２はインジウム・スズ系酸化物（ＩＴＯ）からなり、上記絶縁障壁１４は一定の高さを有するガラスなどの絶縁材料からなるが、該複数の絶縁障壁１４は互いに平行し、一定の間隔で離隔して配列されている。
【００１８】
本実施例における第一金属線１２は金線、ニッケル線などの優れた導電性を有する導体からなって、例えば、十ミリメートルから数十ミリメートルまでの範囲に属する金属線の直径が実際の使用に適合するので好ましい。第一金属線１２の表面にあるカーボンナノチューブ１３は、例えば、化学気相堆積法（ＣＶＤ）によって、ニッケル線に直接成長させる方法、若しくは、ほかの適当な方法によって、カーボンナノチューブを第一表面にくっつける方法などの適合な方法を用いて形成される。更に、第一金属線１２の表面はアーク形状であるのが好ましく、このような形状によると、さらに多くの量のカーボンナノチューブがその表面に形成されるのに有利であり、また、カーボンナノチューブを放射状に分布させて、隣接したカーボンナノチューブの尖端の間の間隔を増加して、互いの電界遮蔽効果を弱化するのに有利である。このような構造の具体的な利点は特許文献３に開示されている。
【００１９】
本実施例における第二金属線１６は、金線又はニッケル線などの優れた導電性を有する導体からなり、機械強度を満足する前提で、その直径を数ミリメートルから数十ミリメートルまでの範囲に属するようにできるだけ小さくさせて、電子が放出される時、電子に与える抵抗を減少するようにする。また、粘着若しくはその他の方法によって、第二金属線１６を絶縁障壁１４の天井部に固定させる。例えば、第二金属線１６を取り付ける前に、絶縁障壁１４の天井部にガラスパルプを予め印刷し、その後、第二金属線１６に張力を与え、絶縁障壁１４の天井部に水平方向一時的に懸垂させ、最後に、ガラスパルプを焼結して、該第二金属線１６を絶縁障壁１４の天井部に固定させる。
【００２０】
典型的な電界放出表示装置において、ゲート電極とカソードは、それぞれ互いに直交する行列状に配置され、また走査信号及び制御信号を制御する。勿論、本実施例においても、このような行列状の配置を採用して、ゲート電極（即ち第二金属線１６）及びカソード（即ちカーボンナノチューブが形成されている第一金属線１２）を配置させる。各行と各列との交差位置が一つの画素に対応する。
【００２１】
本実施例において、各蛍光層２３は第一金属線１２とそれぞれ正面対向しており、ゲート電極としての第二金属線１６は第一金属線１２と垂直且つその上方に懸垂されているが、このような構造を懸垂中心ゲート電界放出構造と称する。
【００２２】
また、本実施例において、第二金属線１６（即ちゲート電極）と第一金属線１２の表面にあるカーボンナノチューブ１３との接触によるショートが発生しないように間隔を確保するため、絶縁障壁１４の高さは、第一金属線１２の直径より大きくなければならない。更に、電界放出に必要な電圧を低減するため、カーボンナノチューブ１３と第二金属線１６との間隔を小さくすることが好ましい。
【００２３】
使用時、アノード２２、ゲート電極（第二金属線１６）及びカソード（第一金属線１２）に異なる電圧をそれぞれ印加すると、ゲート電極の電界の作用によって、電子は、第一金属線１２の表面にあるカーボンナノチューブ１３から放出され、また、アノード２２の電界の作用によって、内部スペースを通って、加速され、蛍光層２３に衝突されて光を発する。本実施例の電界放出構造において、ゲート電極の位置は蛍光層２３の中心位置に対応し、電子エミッタのカーボンナノチューブ１３はゲート電極の両側にそれぞれ位置されているが、これにより、ゲート電極は、カーボンナノチューブ１３の尖端から電子を引っ張る役割を行なうばかりでなく、電子ビームに対する集束、即ち、カーボンナノチューブ１３から放出された電子が、中央の上方に懸垂されているゲート電極の電界の影響を受けて、蛍光層２３に集束されることができて、従って、電子が必要な位置に、正確に衝突されるようになり、高解像度の平面表示を実現することができる。
【００２４】
本実施例に係る具体的な構造をより一層理解し、電子ビームの集束原理及びその特徴を実現するため、以下は、一つの画素の構造を例として、もっと詳しく説明する。
【００２５】
図３に示すように、第一金属線１２（即ちカソード）の表面に形成されているカーボンナノチューブ１３は、第二金属線１６（即ちゲート電極）の電圧（両電極間の電位差）が誘発した電界の作用によって、電子を放出するが、そのうち、第二金属線１６と遠く離れているカーボンナノチューブから放出された電子３３は、電界の作用のため、偏向されて、対応する蛍光層２３のエッジ部に衝突し易くなり、第二金属線１６に近いカーボンナノチューブから放出された電子３１は、蛍光層２３の中心部付近に衝突し易くなるが、極小の第二金属線１６に正面対向しているカーボンナノチューブから放出された電子３２のみが、第二金属線１６に阻止されて蛍光層２３に衝突することができなくなる。しかしながら、第二金属線１６の直径がかなり小さい場合、このような阻止も最小に低減される。このため、大部分のカーボンナノチューブ１３から放出された大部分の電子は、蛍光層２３に有効に衝突して、光を発するのに用いられる。したがって、従来の技術と比べると、本実施例における電子放出効率はかなり高くなり、且つ、第二金属線１６の集束の作用によって、電子に衝突される蛍光層の面積を減少させ、画像の最小画素のサイズを小さくさせ、従って、高解像度及び高品質の画像を表示することができる。
【００２６】
以下、上記実施例におけるものの製造方法について、簡単に説明する。カーボンナノチューブ１３を備えている第一金属線１２は上記の方法により単独に製造され、絶縁障壁１４は従来のスクリーン印刷方法により製造され、第二金属線１６は上記の焼結方法により絶縁障壁に固定され、最後に、製造された各部品を組立てて、アノードと蛍光層を備えているガラス基板の中心を合わせて、真空パッケージングすればよい。そのため、本実施例における製造方法はかなり簡単であって、量産が可能である。
【００２７】
図４及び図５に示すように、本発明の第二実施例は第一実施例とほぼ同じ構造を有し、対向配置された基板１１と出光板２１と、基板１１の上に形成された絶縁障壁１４と、出光板２１の上に形成されたアノード２２及び蛍光層２３とを備えているが、異なる部分としては、隣接した二つの絶縁障壁１４の間に形成された隙間１５に、導電性のカソード層４１及び該カソード層４１の表面に形成されたカーボンナノチューブ層４３が設置されていることで、そのうち、前記カソード層４１は、絶縁障壁１４と平行する帯状の金属薄膜であり、該金属薄膜は、例えば、ニッケル、銅又は金などからなる薄膜である。ゲート電極４５は絶縁障壁１４の天井部に跨って設置され、カソード層４１と垂直、交差形状で分布されているが、該ゲート電極４５とカソード層４１とが交差した部分は、その上方にある蛍光層２３と対向している。カーボンナノチューブ層４３はカーボンナノチューブパルプの印刷方法、若しくはその他の方法によりカソード層４１の表面に形成される。勿論、カーボンナノチューブ層４３はカソード層４１の全体の表面に分布することができ、また、ゲート電極４５とカソード層４１との交差部分の表面に分布することもできる。
【００２８】
第二実施例における電子放出の経路及び集束の機構は、第一実施例とほぼ同じであるので、ここでは、別に詳しく説明しない。
【００２９】
以上述べてきたのは、電界放出表示装置の一部分のユニット構造に対する説明であって、本発明の技術的思想の範囲内で当分野で通常の知識を有する者によって様々な変形が可能である。例えば、サイズを大きくして、大寸法を有す平面表示装置を形成することなどができる。
【００３０】
また、本発明に係る電界放出ディスプレイの好適な各実施例において、カーボンナノチューブを電子エミッタの材料として採用したが、これに限らず、別の実施例において、例えば、カーボン繊維、黒鉛炭素、ダイヤモンドなどの、電子を放出する尖端を有する材料であれば、如何なるものでも適用できる。更に、尖端を有する金属発射体も電子エミッタの材料として採用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第一実施例によるカーボンナノチューブ電界放出表示装置の断面図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図。
【図３】本発明の第一実施例によるカーボンナノチューブ電界放出表示装置の電子放出及び集束機構を示す図。
【図４】本発明の第二実施例によるカーボンナノチューブ電界放出表示装置の断面図。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図。
【図６】従来技術の三極管型の電界放出ディスプレイの構造及び電子放出を示す図。
【図７】別種類の従来技術の電界放出表示装置の構造を示す図。
【符号の説明】
【００３２】
１０  電界放出ディスプレイ
１１  基板
１２  第一金属線
１３  カーボンナノチューブ
１４  絶縁障壁
１５  隙間
１６  第二金属線
１７  金属電極
１８  支持壁
２１  出光板
２２  アノード
２３  蛍光層
３１、３２、３３  電子
４１  カソード層
４３  カーボンナノチューブ層
４５  ゲート電極
１２１  引出板
１６１、１６２  端部
【図１】
2006236971.tif 000003
【図２】
2006236971.tif 000004
【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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