(57)【要約】【課題】電子ビーム径を小さくできるとともに、電子放出効率を向上することのできる冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイを提供する。【解決手段】冷陰極１０は、絶縁基板１１上に配置されるカソード電極１２と、カソード電極１２を露出する開口を有するゲート電極１４と、フォーカス電極１６と、カソード電極１２上に植毛されるＣＮＴ１７とを含み、ゲート電極１４の開口部のカソード電極１２の露出部上への投影領域に植毛された１本のＣＮＴ１７が放出する電子によりアノード電極１９に誘起されるアノード電流が最大値となる１本のＣＮＴ１７の植毛位置が描く第１の曲線と、アノード電流が最大値の１０％となるアノード電流を誘起する１本のＣＮＴ１７の植毛位置が描く第２の曲線とに挟まれた閉領域のうち、見込み角度が１８０度以下の部分領域ＲにＣＮＴ１７が植毛される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に配置されるカソード電極と、
前記カソード電極上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有する第１の絶縁材と、
前記第１の絶縁材上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有するゲート電極と、
前記ゲート電極上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有する第２の絶縁材と、
前記第２の絶縁材上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有するフォーカス電極と、
前記カソード電極上に植毛される炭素系材料とを含む冷陰極であって、
前記炭素系材料が、中央から偏倚して位置する前記カソード電極上の部分領域に植毛されることを特徴とする冷陰極。
【請求項２】
前記部分領域が、前記ゲート電極の開口部の前記カソード電極の露出部上への投影領域に植毛された１本の炭素系材料が放出する電子により前記アノード電極に誘起されるアノード電流が最大値となる１本の炭素系材料の植毛位置が描く第１の曲線と、前記アノード電流が前記最大値の１．０以下の予め定められた所定数倍となるアノード電流を誘起する１本の炭素系材料の植毛位置が描く第２の曲線とに挟まれた閉領域の一部領域である請求項１に記載の冷陰極。
【請求項３】
前記カソード電極を露出する前記ゲート電極の開口が円であり、前記部分領域が、前記ゲート電極の開口の前記カソード電極上への投影円の中心が前記閉領域を見込む角度が１８０度以下となる領域である請求項１または請求項２に記載の冷陰極。
【請求項４】
前記部分領域を含む領域に前記炭素系材料が植毛される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の冷陰極。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の冷陰極を複数個配列した冷陰極アレイであって、
各冷陰極の前記炭素系材料の植毛領域を同一方向に向けて配置した冷陰極アレイ。
【請求項６】
請求項５に記載の冷陰極アレイをサブピクセルとして使用した電界放出型ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイに係り、特に、電子ビーム径を小さくするとともに、電子放出効率を高くすることの可能な冷陰極、ならびにこれを用いた冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ：Field Emission Display）は、ＣＲＴあるいは液晶表示装置に代わる表示装置として実用化が進められているが、表示を高精細とすること、適切な輝度を確保すること、電子放出効率を高めることが要求される。
【０００３】
ＦＥＤに使用する冷陰極として、既に種々の形式が提案されているが、電子放出効率の観点から、カソード電極上にカーボンナノチューブ（以下ＣＮＴと記す）などの炭素系材料を植毛した冷陰極が注目されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図１３は、特許文献１に開示されている冷陰極を使用したＦＥＤの部分断面図（ａ）および冷陰極の上面図（ｂ）である。
【０００５】
そして、冷陰極は、基板３０１と、基板３０１上に設置されたカソード電極３０２と、カソード電極３０２上に植毛されたＣＮＴ３０３と、基板３０１上に絶縁体３０４を介して設置されるゲート電極３０５とを含む。
【０００６】
カソード電極３０２とゲート電極３０５との間に印加された電圧によりＣＮＴ３０３の先端に強電界が形成され、ＣＮＴ３０３の先端から電子がビーム状に放射される。
【０００７】
この電子ビームは、冷陰極から適宜の距離を隔てて設置された前面基板３０６の裏面に形成されたアノード電極３０７に到達し、アノード電極３０７に塗布された蛍光塗料３０８を発光させる。
【０００８】
また、ＣＮＴから放出された電子が水平方向の速度成分を有すると、電子ビームが発散して解像度の低下およびクロストークの発生の原因となるため、ゲート電極の上部にフォーカス電極を設置した冷陰極も既に提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−２４３６０７公報（［００４０］、図７）
【非特許文献１】Y. W. Jin, et al, "A Study on the Driving Property of Double Gated Triode-Type Field Emission Display using Carbon Nanotube Emitter" Proc. Euro Display '02, pp.229-232, 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に開示された冷陰極にあっては、フォーカス電極を有していないので電子ビーム径が大きくなるだけでなく、ＣＮＴはカソード電極の中心部だけに植毛されているので放出する電流が少ないという課題があった。
【００１０】
また、非特許文献１に開示された冷陰極にあっては、フォーカス電極により電子ビームを集束させることは可能であるものの、集束を強化すると電子放出効率が低下する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って、電子ビーム径を小さくできるとともに、電子放出効率を向上することの可能な冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型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】
［第１の発明］
本発明の冷陰極は、絶縁基板上に配置されるカソード電極と、前記カソード電極上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有する第１の絶縁材と、前記第１の絶縁材上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有するゲート電極と、前記ゲート電極上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有する第２の絶縁材と、前記第２の絶縁材上に配置され、前記カソード電極を露出する開口を有するフォーカス電極と、前記カソード電極上に植毛される炭素系材料とを含む冷陰極であって、前記炭素系材料が、中央から偏倚して位置する前記カソード電極上の部分領域に植毛されることを特徴とする。
【００１３】
この構成により、電子ビーム径を小さくできるとともに、電子放出効率を向上することができることとなる。
【００１４】
［第２の発明］
本発明の冷陰極は、前記部分領域が、前記ゲート電極の開口部の前記カソード電極の露出部上への投影領域に植毛された１本の炭素系材料が放出する電子により前記アノード電極に誘起されるアノード電流が最大値となる１本の炭素系材料の植毛位置が描く第１の曲線と、前記アノード電流が前記最大値の１．０以下の予め定められた所定数倍となるアノード電流を誘起する１本の炭素系材料の植毛位置が描く第２の曲線とに挟まれた閉領域の一部領域であってもよい。
【００１５】
［第３の発明］
本発明の冷陰極は、前記カソード電極を露出する前記ゲート電極の開口が円であり、前記部分領域が、前記ゲート電極の開口の前記カソード電極上への投影円の中心が前記閉領域を見込む角度が１８０度以下となる領域であってもよい。
【００１６】
［第４の発明］
本発明の冷陰極は、前記部分領域を含む領域に前記炭素系材料が植毛されていてもよい。
【００１７】
［第５の発明］
本発明の冷陰極アレイは、上記いずれかの冷陰極を複数個配列した冷陰極アレイであって、各冷陰極の前記炭素系材料の植毛領域を同一方向に向けて配置した構成を有している。
【００１８】
この構成により、複数の冷陰極を１つのサブピクセルに適用する際に、サブピクセルのドット径が大きくなることを回避することができることとなる。
【００１９】
［第６の発明］
本発明の電界放出型ディスプレイは、上記の冷陰極アレイをサブピクセルとして使用した構成を有している。
【００２０】
この構成により、電界放出型ディスプレイの輝度、解像度、および発光効率を向上できることとなる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、カソード電極の一部の領域に炭素系材料を植毛することにより、電子ビーム径を小さくできるとともに、電子放出効率を向上することの可能な冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型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】
【００２２】
以下、本発明に係る冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイの実施形態について、図面を用いて説明する。
【００２３】
なお、本明細書において、電子ビーム径とは、１つの冷陰極から放出された電子のアノード電極への到達位置の最大間隔を意味するものとする。
【００２４】
本発明の実施形態に係る冷陰極１０は、図１のＸ−Ｘ断面図（ａ）および上面図（ｂ）に示すように、絶縁基板１１上に配置されるカソード電極１２と、カソード電極１２上に配置されカソード電極１２を露出する開口を有する第１の絶縁材１３と、第１の絶縁材１３上に配置されカソード電極１２を露出する開口を有するゲート電極１４と、ゲート電極１４上に配置されカソード電極１２を露出する開口を有する第２の絶縁材１５と、第２の絶縁材１５上に配置されカソード電極１２を露出する開口を有するフォーカス電極１６と、カソード電極１２上に植毛される炭素系材料であるＣＮＴ１７とを含む。
【００２５】
なお、冷陰極１０と所定距離を隔てて配置されるアノード電極１９は、前面基板１８下面に成膜され、アノード電極１９の下面には蛍光塗料２０が塗布されている。
【００２６】
そして、ＣＮＴ１７は、カソード電極１２の中心から偏倚したカソード電極１２の部分領域Ｒに植毛される。
【００２７】
また、部分領域Ｒは、ゲート電極１４の開口部のカソード電極１２の露出部上への投影領域に植毛された１本のＣＮＴ１７が放出する電子によりアノード電極１９に誘起されるアノード電流が最大値となる１本のＣＮＴ１７の植毛位置が描く第１の曲線と、アノード電流が最大値の１．０以下の予め定められた所定数倍となるアノード電流を誘起する１本のＣＮＴ１７の植毛位置が描く第２の曲線とに挟まれた閉領域の部分領域であることが望ましい。
【００２８】
そして、カソード電極１２を露出するゲート電極１４の開口は円であり、部分領域Ｒは、ゲート電極１４の開口のカソード電極１２上への投影円の中心が閉領域を見込む角度が１８０度以下となる領域である。
【００２９】
このとき、図１（ｂ）に示すように、部分領域Ｒは、ゲート電極１４の開口のカソード電極１２上への投影円の中心Ｏが見込む角度θが１８０度以下である投影円の一部である円弧ａ、円弧ａからゲート電極１４下面とカソード電極１２上面間の距離ｈの１．０以下の予め定められた所定数α倍である距離（α・ｈ）だけ投影円の中心側に位置する内側円弧ｂ、円弧ａの一方の端点Ａ1と投影円の中心Ｏとを結ぶ第１の線分ｄ、および円弧ａの他方の端点Ａ2と中心Ｏとを結ぶ第２の線分ｅで囲まれる領域に相当する。
【００３０】
カソード電極１２とゲート電極１４との間に電圧を印加すると、ＣＮＴ１７の先端から電子が放射されるが、ＣＮＴ１７の先端に印加される電界は投影円中心では弱く、周辺に向かうほど強くなる。
【００３１】
図２は投影円内に１つのＣＮＴ１７を植毛した場合に、冷陰極１０が放射するエミッション電流ｉeおよびこのエミッション電流ｉeによりアノード電極１９に誘起されるアノード電流ｉaと投影円の中心Ｏからの距離ｒの関係を示すグラフであって、横軸は投影円の中心Ｏからの距離ｒを、縦軸はエミッション電流ｉeおよびアノード電流ｉaを表す。
【００３２】
なお、測定条件は以下の通りである。
ゲート電極電位＝０ボルト、カソード電極電位＝−５０ボルト
フォーカス電極電位＝−５０ボルト、アノード電極電位＝１０００ボルト
ゲート電極とアノード電極との距離＝１ミリメートル
ゲート電極とカソード電極との距離＝３マイクロメートル
ゲート電極とフォーカス電極との距離＝１．２マイクロメートル
ゲート電極の開口半径＝２．５マイクロメートル
フォーカス電極の開口半径＝３．０マイクロメートル
【００３３】
図２のグラフに示すように、投影円の中心Ｏからの距離ｒ＝２．２マイクロメートルに１つのＣＮＴ１７を植毛したときのアノード電流ｉaは０．０４ナノアンペア、ｒ＝２．５マイクロメートルに１つのＣＮＴ１７を植毛したときのアノード電流ｉaは０．４ナノアンペアとなる。
【００３４】
以上から、カソード電極１２の露出部上へのゲート電極１４の開口部の投影線ｐと、投影線ｐからゲート電極１４下面とカソード電極１２上面間の距離ｈ（＝３マイクロメートル）の０．１倍である距離０．３マイクロメートルだけ中心Ｏ側に隔たった線とで囲まれる円環領域にＣＮＴ１７を植毛すれば十分なアノード電流が得られることが判る。
【００３５】
図３は、半径２．５マイクロメートルの外周円と半径２．２マイクロメートルの内周円との間の円環領域にＣＮＴ１７を植毛した冷陰極１０の電子ビームの軌跡図であって、（ａ）はフォーカス電圧が高い（−４５ボルト）場合を、（ｂ）はフォーカス電圧が低い（−５０ボルト）場合を示す。
【００３６】
図３から判るように、フォーカス電圧が高い（−４５ボルト）場合は、低い（−５０ボルト）場合に比べて、アノード電極１９における電子ビーム径が大きい。
【００３７】
図４は、フォーカス電圧と電子ビーム径の関係を示すグラフであって、横軸はフォーカス電圧を、縦軸は電子ビーム径を表す。図４から、フォーカス電圧が高くなるに従ってアノード電極１９における電子ビーム径は大きくなることが判る。
【００３８】
また、図５は、フォーカス電圧とエミッション電流、アノード電流および電子放出効率ηとの関係を示すグラフであって、横軸はフォーカス電圧を、左側縦軸は電流を、右側縦軸は電子放出効率ηを表す。ここでは、エミッション電流およびアノード電流は、円環領域におけるＣＮＴ１７の１個当たりの平均電流値に換算したものとなっている。
【００３９】
表示を高精細化するためには電子ビーム径は小さい方が好ましいが、図５に示すように、フォーカス電圧を過度に低くするとアノード電流は急激に減少し、電子放出効率ηも急激に低減する。
【００４０】
ハイビジョン映像を対角２５インチの表示装置に表示する場合、もしくはスーパーハイビジョン映像を対角５０インチの表示装置に表示する場合には、電子ビーム径を射程１ミリメートルで略１００マイクロメートル以下とすることが好ましい。
【００４１】
電子ビーム径を１００マイクロメートルとしたときは、フォーカス電圧は−５２．７ボルト、エミッション電流は１．３５３ナノアンペア、アノード電流は０．０２３ナノアンペアとなり、円環領域全体にＣＮＴ１７を植毛した場合には電子放出効率ηは１．７％にまで低下してしまう。
【００４２】
そこで、本発明においては、フォーカス電圧を過度に低くすることなく電子ビーム径を小さくするために、ＣＮＴ１７を円環領域の一部に植毛する。
【００４３】
図６は、ＣＮＴ１７を植毛する円環領域を投影円の中心Ｏが見込む角度θ（度）（以下、中心角度θと記す）と電子ビーム径（マイクロメートル）の関係を示すグラフであって、横軸は中心角度θを、縦軸は電子ビーム径を表す。
【００４４】
このグラフから、電子ビーム径を１００マイクロメートルとするには、フォーカス電圧Ｖfを−４５ボルトとしたときは円環領域の中心角度θを２度に、フォーカス電圧Ｖfを−５０ボルトとしたときは円環領域の中心角度θを５４度に選定すればよいことが判明する。
【００４５】
図７は、ＣＮＴ１７を植毛する円環領域の中心角度θ（度）とエミッション電流Ｉeおよびアノード電流Ｉaの関係を示すグラフであって、横軸は中心角度θを、縦軸は電流（ナノアンペア）を表す。
【００４６】
このグラフから、フォーカス電圧Ｖfを−４５ボルト、中心角度θを２度としたときは、エミッション電流Ｉeは０．００７ナノアンペア、アノード電流Ｉaは０．００２ナノアンペアとなり、フォーカス電圧Ｖfを−５０ボルト、中心角度θを５４度としたときは、エミッション電流Ｉeは０．１９４ナノアンペア、アノード電流Ｉaは０．０３５ナノアンペアとなることが判る。
【００４７】
即ち、フォーカス電圧Ｖfを−５０ボルトとした場合は、ゲート電極１４の開口のカソード電極１２上への投影円の一部であり、中心角度θが５４度である第１の円弧、第１の円弧からゲート電極１４下面とカソード電極１２上面間の距離ｈ＝３マイクロメートルの１．０以下の予め定められた所定数α＝０．１倍である距離α・ｈ＝０．３マイクロメートルだけ中心側に隔たった第２の円弧、第１の円弧の一方の端点と中心Ｏとを結ぶ線分、および第１の円弧の他方の端点と中心Ｏとを結ぶ線分で囲まれた部分円環領域Ｒ50にＣＮＴ１７を植毛すれば、電子放出効率ηを円環領域全体にＣＮＴ１７を植毛したときの１．７％から１８％に向上させることが可能となる。
【００４８】
また、フォーカス電圧Ｖfを−４５ボルトとした場合は、ゲート電極１４の開口のカソード電極１２上への投影円の一部であり、中心角度θが２度である第１の円弧、第１の円弧からゲート電極１４下面とカソード電極１２上面間の距離ｈ＝３マイクロメートルの１．０以下の予め定められた所定数α＝０．１倍である距離α・ｈ＝０．３マイクロメートルだけ中心側に隔たった第２の円弧、第１の円弧の一方の端点と中心Ｏとを結ぶ線分、および第１の円弧の他方の端点と中心Ｏとを結ぶ線分で囲まれた部分円環領域Ｒ45にＣＮＴ１７を植毛すれば、電子放出効率ηを円環領域全体にＣＮＴ１７を植毛したときの１．７％から２９％に向上させることが可能となる。
【００４９】
１つの冷陰極で１つのサブピクセル（赤色、緑色および青色を表示する３つのサブピクセルが１つのピクセルを構成する）を構成した場合には、冷陰極のバラツキにより画質が劣化するが、複数の冷陰極をアレイ状に配置した冷陰極アレイを１つのサブピクセルとすることにより、冷陰極のバラツキに起因する画質劣化を改善することが可能となる。
【００５０】
ただし、冷陰極アレイを構成する冷陰極のＣＮＴ植毛領域を同一方向に向けて、サブピクセルのドット径が大きくなることを回避する配慮が必要となる。
【００５１】
図８は３×５の冷陰極アレイの上面図およびＸ−Ｘ断面図であって、各冷陰極のＣＮＴ植毛領域は３時の方向に設定されている。
【００５２】
ｎ×ｍ個の冷陰極で構成された冷陰極アレイから放射された電子ビームで構成されるサブピクセルのドットの縦径（Ｈ）および横径（Ｗ）は［数１］で表される。
【数１】
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【００５３】
図９はサブピクセルの一例であって、例えば、左上および右下の冷陰極アレイで緑色を、右上の冷陰極アレイで赤色を、左下の冷陰極アレイで青色を表示するベイヤー配置を適用することができる。
【００５４】
図１０はサブピクセルの他の例であって、図１０（ａ）は円形の冷陰極を使用した場合であって、各冷陰極の１２時の方向にＣＮＴが植毛されている。図１０（ｂ）は矩形の冷陰極を使用した場合であって、各冷陰極の３時の方向にＣＮＴが植毛されている。
【００５５】
図１１は、本発明に係る冷陰極の上面図であって、冷陰極は（ａ）および（ｂ）に示すように矩形であっても良いし、（ｃ）に示すように六角形であっても、（ｄ）に示すように側辺が波形となっていてもよい。
【００５６】
さらに、ＣＮＴ１７は、ゲート電極１４の開口部のカソード電極１２の露出部上への投影領域に植毛された１本のＣＮＴ１７が放出する電子によりアノード電極１９に誘起されるアノード電流が最大値となる１本のＣＮＴ１７の植毛位置が描く第１の曲線と、アノード電流が最大値の１０％となるアノード電流を誘起する１本のＣＮＴ１７の植毛位置が描く第２の曲線とに挟まれた閉領域の部分領域Ｒに植毛されていれば十分であるが、この部分領域Ｒ以外の領域に植毛してもよい。
【００５７】
図１２は、本発明に係る冷陰極アレイを使用した電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ）１００の構造を説明するための斜視図であって、冷陰極アレイ２１と前面基板２２は所定の厚さ（例えば１ミリメートル）のスペーサ（図示せず）の上下に接着され、内部を真空に維持する。
【００５８】
ゲート電極２１１には走査パルスに従ってゲート電圧ＶGが、カソード電極２１２には画像信号に応じてカソード電圧ＶKが印加される。
【００５９】
フォーカス電極２１３にはフォーカス電圧ＶFが、前面基板２２に蒸着されたアノード電極２２１にはアノード電圧ＶAが常時印加されている。
【００６０】
ゲート電極２１１にゲート電圧ＶGが、カソード電極２１２にカソード電圧ＶKが同時に印加された冷陰極２１４は動作状態となり電子を放射するが、この電子はフォーカス電極２１３の周囲に生じた電界により集束され、アノード電極２２１に吸収される。
【００６１】
アノード電極２２１に吸収される電子は、前面基板２２に塗布された蛍光体２２２を発光させる。
【００６２】
上記の実施形態においては、冷陰極の大きさは略５マイクロメートルであるとしたが、この大きさの冷陰極は蒸着あるいはスパッタリング等の薄膜製造技術により製造することが可能である。
【００６３】
なお、画素の大きさが６００マイクロメートルのＦＥＤにあっては、１００マイクロメートル程度の大きさの冷陰極を適用することも可能であるが、この大きさの冷陰極は印刷技術により製造することが可能である。
【００６４】
以上説明したように、本発明に係る冷陰極は、ＣＮＴをカソード電極の中心から偏倚したカソード電極の部分領域に植毛することにより、電子ビーム径を小さくするとともに、電子放出効率を向上することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上のように、本発明に係る冷陰極、冷陰極アレイおよび電界放出型ディスプレイは、電子ビーム径を小さくできるとともに、電子放出効率を向上することができるという効果を有し、表示装置等として有効である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る冷陰極のブロック図
【図２】エミッション電流ｉeおよびアノード電流ｉaと投影円の中心Ｏからの距離ｒの関係を示すグラフ
【図３】本発明に係る冷陰極の電子ビームの軌跡図
【図４】フォーカス電圧と電子ビーム径の関係を示すグラフ
【図５】フォーカス電圧とエミッション電流、アノード電流および電子放出効率ηとの関係を示すグラフ
【図６】円環領域の中心角度と電子ビーム径の関係を示すグラフ
【図７】円環領域の中心角度とエミッション電流Ｉeおよびアノード電流Ｉaの関係を示すグラフ
【図８】３×５の冷陰極アレイの上面図およびＸ−Ｘ断面図
【図９】サブピクセルの一例
【図１０】サブピクセルの他の例
【図１１】冷陰極の上面図
【図１２】本発明に係る冷陰極アレイを使用したＦＥＤの構造を説明するための斜視図
【図１３】従来の冷陰極を使用したＦＥＤの部分断面図および上面図
【符号の説明】
【００６７】
１０  冷陰極
１１  絶縁基板
１２  カソード電極
１３  第１の絶縁材
１４  ゲート電極
１５  第２の絶縁材
１６  フォーカス電極
１７  カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）
１８  前面基板
１９  アノード電極
２０  蛍光塗料
２１  冷陰極アレイ
１００  電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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