(57)【要約】【課題】低いドライブ電圧で駆動し、かつ、フォーカス専用の電極を設けなくても良好なフォーカス特性が得られるようにする。【解決手段】本発明に係る表示装置は、アノード電極１１を有するアノード基板２と、アノード基板２と対向する側の基板面に積層状態で形成されたカソード電極４、絶縁層５およびゲート電極６と、絶縁層５とゲート電極６の積層部分を貫通する状態で形成されたゲートホール７と、ゲートホール７内のカソード電極４上に形成されたエミッタ８とを有するカソード基板１とを備えるもので、ゲートホール７の側壁部に露出するゲート電極６の壁面高さ寸法Ｔ１を絶縁層５の壁面高さ寸法Ｔ２以上とするとともに、ゲートホール７の開口径φＤをゲートホール７の深さ寸法Ｈｄ以上とし、アノード電極１１にアノード電圧を印加した際に発生する電界を利用してエミッタ８から電子放出させる構成とした。【選択図】　　　　図６
2004087158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極を有するアノード基板と、
前記アノード基板と対向する側の基板面に積層状態で形成されたカソード電極、絶縁層およびゲート電極と、前記絶縁層と前記ゲート電極の積層部分を貫通する状態で形成されたゲートホールと、前記ゲートホール内の前記カソード電極上に形成されたエミッタとを有するカソード基板とを備え、
前記ゲートホールの側壁部に露出する前記ゲート電極の壁面高さ寸法を前記絶縁層の壁面高さ寸法以上とするとともに、前記ゲートホールの開口径を当該ゲートホールの深さ寸法以上とし、前記アノード電極にアノード電圧を印加した際に発生する電界を利用して前記エミッタから電子放出させる構成としてなる
ことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記ゲート電極の厚み寸法を前記絶縁層の厚み寸法以上に設定することにより、前記ゲートホールの側壁部を形成する前記ゲート電極の壁面高さ寸法を前記絶縁層の壁面高さ寸法以上としてなる
ことを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【請求項３】
前記ゲートホールの側壁部の一部を前記ゲート電極で覆うことにより、前記ゲートホールの側壁部を形成する前記ゲート電極の壁面高さ寸法を前記絶縁層の壁面高さ寸法以上としてなる
ことを特徴とする請求項１記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出型の電子放出素子を用いた平面型の表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
真空中におかれた金属等の導体あるいは半導体の表面に、ある閾値以上の電界を与えると、トンネル効果によって電子が障壁を通過し、常温時においても真空中に電子が放出される。この現象は電界放出（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）と呼ばれ、これによって電子を放出するカソードは電界放出型カソード（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｃａｔｈｏｄｅ）と呼ばれている。近年では、ミクロンサイズの電界放出型カソードを、半導体加工技術を駆使して基板上に多数形成したフラットディスプレイ装置（平面型の表示装置）としてＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｉｓｐｌａｙ）が注目されている。ＦＥＤは、電気的に選択（アドレッシング）されたエミッタから電界の集中によって電子を放出させるとともに、この電子をアノード基板側の蛍光体に衝突させて、蛍光体の励起・発光により画像を表示するものである。
【０００３】
図１１は従来の表示装置（ＦＥＤ）の主要部の構成例を示す概略断面図であり、図１２はその概略斜視図である。図においては、カソード基板５１とアノード基板５２とが微小なギャップを介して対向状態に配置されている。カソード基板５１とアノード基板５２との間は真空状態に維持される。カソード基板５１は、ベース基板５３と、カソード電極５４と、抵抗層５５と、絶縁層５６と、ゲート電極５７、エミッタ５８とを備えている。ゲート電極５７および絶縁層５６にはゲートホール５９が形成されている。また、ゲートホール５９内にはコーン形状（略円錐形）のエミッタ５８が形成されている。このエミッタ５８はスピント型エミッタとも呼ばれる。一方、アノード基板５２は、ベース基板６０と、アノード電極６１と、蛍光体層６２とを備えている。アノード電極６１はＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）等の透明電極からなるもので、蛍光体層６２は１画素分のエリア内に赤、緑、青の各色に対応する蛍光体を並べて配置したものである。
【０００４】
ここで、上記構成の表示装置（ＦＥＤ）の製造プロセスについて簡単に説明する。先ず、カソード基板５１を得るにあたっては、ベース基板５３上に、カソード電極５４、抵抗層５５、絶縁層５６およびゲート電極５７を蒸着法によって順に積層する。次に、フォトプロセス（フォトレジスト塗布、パターニング、エッチング）を施して、ゲート電極５７および絶縁層５６にゲートホール５９を形成した後、フォトレジストを除去する。
【０００５】
次いで、ベース基板５３を回転させながら、その基板面に対して斜め方向からアルミニウムなどを蒸着させることにより、ゲート電極５７の表面とその開口縁部にのみアルミニウムからなる剥離層を形成する。続いて、剥離層の上からエミッタ材料となる金属、例えばモリブデンを堆積させる。これにより、ゲートホール５９の開口径がモリブデンの堆積とともに徐々に小さくなり、最終的にゲートホール５９が完全に閉じられる。その結果、ゲートホール５９内にエミッタ材料（モリブデン）の堆積によってコーン形状のエミッタ５８が形成される。その後、ゲート電極５７上の不要なエミッタ材料を剥離層とともにエッチングによって除去する。
【０００６】
一方、アノード基板５２を得るにあたっては、ベース基板６０上にＩＴＯ等のアノード電極６１を形成した後、蛍光体材料の塗布によって蛍光体層６２を形成する。また、こうして得られたカソード基板５１とアノード基板５２とを、例えば０．２〜１．０ｍｍのギャップで真空状態に封止する。以上の製造プロセスでは、エミッタ５８とゲート電極５７との間の距離がサブミクロンレベルに制御されることから、それらの間に数十ボルトの電圧を印加することにより、エミッタ５８の先端部に電界を集中させ、これに伴うトンネル効果によってエミッタ５８から真空中に電子を放出させることができる。その際、抵抗層５５は、例えばエミッタ５８への放電電流が大きくなった場合に、抵抗による電圧降下の増大によってエミッタ５８に作用する実効電圧を減少させ、逆に放電電流が小さくなった場合はエミッタ５８に作用する実効電圧を増加させることにより、放電電流を安定化させる役目を果たす。
【０００７】
ところで近年においては、図１３に示すように、非常に鋭利な先端が無数に得られるカーボンナノチューブ６３を用いた面放出タイプのエミッタ構造が提案されている。一般にカーボンナノチューブ６３は高いアスペクト比を有し、先端の曲率半径も非常に小さいため、高い発光効率を実現するエミッタ材料として注目されている。カーボンナノチューブ６３でエミッタを形成する手法の一つとしては、例えばカーボンナノチューブ６３を他の材料に混ぜてペースト化し、これによって得られたペースト材料を印刷法等によってカソード電極上に塗布する方法が知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、カーボンナノチューブ６３を用いてエミッタを形成した場合は、ゲートホール内に多数のカーボンナノチューブ６３が面的な広がりをもって高密度に配列した状態となる。これに対して、ゲート電極にゲート電圧を印加してエミッタに電界を作用させる場合に、ゲートホール内の電位分布はゲートホールの開口縁からの距離に応じて変化するため、全てのカーボンナノチューブから同じ電界強度でかつ同じ電界方向で電子を放出させることはきわめて困難となる。また、ゲートホール内の全てのカーボンナノチューブに均一に電界を作用させるうえでは、図１４に示すように、ゲートホール５９の開口径（直径）φＤと深さ寸法Ｈｄの関係を１：１にすることが理想的であるとされている。
【０００９】
現状では、絶縁層５６の厚みに対してゲート電極５７の厚みが非常に薄いため、ゲートホール５９の深さ寸法Ｈｄが絶縁層５６の厚み寸法に依存したものとなっている。また、現状におけるゲートホール５９の開口径φＤと深さ寸法Ｈｄ（絶縁層５６の厚み）の関係はφＤ＞Ｈｄとなっている。そのため、図１５に示すように、ゲートホール５９内の電位分布が不均一になり、これに伴う水平方向の電界成分によって電子ビームが水平方向に膨らんでフォーカス特性が悪化してしまう。したがって、従来では電子ビームを集束するためのフォーカス電極を別途設ける必要があった。
【００１０】
また、上述した理想状態を得るには、現状に比較して、ゲートホール５９の開口径φＤを小さくするか、ゲートホール５９の深さ寸法Ｈｄを大きくする（絶縁層５６を厚くする）、或いはその両方を実現する必要がある。しかしながら、ゲートホール５９の開口径φＤを小さくするには製造プロセス上の限界もあって容易に実現できない状況にある。また、ゲートホール５９の深さ寸法Ｈｄを大きくした場合は、ゲート電極５７からエミッタまでの距離が長くなり、その距離分を補うためにゲート電極５７に印加するゲート電圧を高く設定する必要がある。そのため、エミッタから電子を放出させる際に、より高いドライブ電圧が必要となる。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、画像を表示するにあたって、低いドライブ電圧で駆動し、かつ、フォーカス専用の電極を設けなくても良好なフォーカス特性を得ることが可能な表示装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る表示装置は、アノード電極を有するアノード基板と、このアノード基板と対向する側の基板面に積層状態で形成されたカソード電極、絶縁層およびゲート電極と、絶縁層とゲート電極の積層部分を貫通する状態で形成されたゲートホールと、このゲートホール内のカソード電極上に形成されたエミッタとを有するカソード基板とを備えるもので、ゲートホールの側壁部に露出するゲート電極の壁面高さ寸法を絶縁層の壁面高さ寸法以上とするとともに、ゲートホールの開口径をゲートホールの深さ寸法以上とし、アノード電極にアノード電圧を印加した際に発生する電界を利用してエミッタから電子放出させる構成としたものである。
【００１３】
上記構成の表示装置においては、ゲートホールの側壁部に露出するゲート電極の壁面高さ寸法を絶縁層の壁面高さ寸法以上とすることで、ゲート電極にゲート電圧を印加した際に発生する電界がより強くエミッタに作用するようになるとともに、ゲート電極がフォーカス機能を奏するようになる。また、ゲートホールの開口径をゲートホールの深さ寸法以上とすることにより、製造プロセス上ではゲートホールの形成が容易になり、動作上ではアノード電極からの電界がゲートホール内にしみこみ易くなる。したがって、アノード電極からの電界を利用してエミッタから電子を放出させることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る表示装置（ＦＥＤ）の主要部の構成例を示す概略断面図であり、図２はその概略斜視図である。図においては、カソード基板１とアノード基板２とが微小なギャップを介して対向状態に配置されている。カソード基板１とアノード基板２との間（ギャップ空間）は真空状態に維持される。カソード基板１は、ガラス基板等からなるベース基板３と、このベース基板３上に順に積層されたカソード電極４、絶縁層５およびゲート電極６と、ベース基板３上に形成されたゲートホール７と、このゲートホール７内に形成されたエミッタ８とを備え、これらの構成要素によって電界放出型の電子放出素子が構成されている。また、カソード電極４、絶縁層５およびゲート電極６は、アノード基板２と対向する側の基板面（図１におけるベース基板３の上面）に積層状態で形成されている。なお、図１および図２においては、電子放出素子の１画素に相当する部分のみを示している。また、放電電流の安定化のための抵抗層（不図示）は、カソード電極４と同一のパターンで形成される。
【００１５】
上述した構成要素のうち、カソード電極４は、図３に示すように、ベース基板３上で複数のカソードラインを構成するようにストライプ状（帯状）に形成され、ゲート電極６は、ベース基板３上で上記カソードラインに交又する複数のゲートラインを構成するようにストライプ状（帯状）に形成されている。カソード電極４とゲート電極６の交叉部分は一つの画素を構成するものとなる。絶縁層５はカソード電極４とゲート電極６との間で電気的な絶縁作用をなすもので、それらの電極間に層状に形成されている。
【００１６】
ゲートホール７は、絶縁層５およびゲート電極６の積層部分を貫通する状態で、カソード電極４とゲート電極６の交叉部分に複数個形成されている。ゲートホール７の孔形状は円形状となっている。また、ゲートホール７の側壁部は、この側壁部に露出する絶縁層５の壁面とゲート電極６の壁面によって形成されている。エミッタ８は、ゲートホール７内でカソード電極４上に形成されている。このエミッタ８は、面放出タイプのエミッタ構造をなすもので、炭素系材料で針状構造をなすカーボンナノチューブ９を用いて形成されている。
【００１７】
カーボンナノチューブ９を用いたエミッタ８の電子放出特性は、図４に示すように、１〜２Ｖ／μｍといった非常に低い閾値電界値で電子を放出するものとなる。ただし、エミッタ８の形成材料としては、上記カーボンナノチューブ９のほかにも、例えばフラーレンや、ダイヤモンドの薄膜などように、エミッタ８の表面部分に微細な先鋭部が多数得られるもので、かつ電子放出のための閾値電界値が低い材料（例えば、閾値電界値が５Ｖ／μｍ以下で、より好ましくは３Ｖ／μｍ以下の材料）であればよい。
【００１８】
一方、アノード基板２は、ＦＥＤの前面パネルを構成するもので、透明ガラス基板からなるベース基板１０と、このベース基板１０上に積層されたアノード電極１１および蛍光体１２を備えて構成されている。アノード電極１１はＩＴＯ等の透明電極によって形成され、蛍光体１２は１画素分のエリア内に赤、緑、青の各色に対応する蛍光体を並べて形成されている。
【００１９】
上記構成からなる電子放出素子を備える表示装置において、アノード電極１１にアノード電圧（高圧）を印加する一方、カソード電極４にカソード電圧、ゲート電極６にゲート電圧をそれぞれ所定の条件で印加すると、エミッタ８を形成する各々のカーボンナノチューブ９の先鋭なエッジ部（先端部）に電界が集中し、この電界集中に伴うトンネル効果によってエミッタ８から真空中に電子が放出される。こうして放出された電子は、アノード基板２のアノード電極１１に引き寄せられて蛍光体１２に衝突する。これにより、蛍光体１２が励起されて発光し、画像が表示される。このとき、エミッタ８からの電子放出によって得られるエミッション電流の大きさによって表示画像の輝度（蛍光体の発光量）が変化する。
【００２０】
続いて、本発明の実施形態に係る表示装置（ＦＥＤ）の製造方法として、特に電子放出素子を構成するカソード基板１の製造プロセスについて図５（Ａ）〜（Ｂ）を用いて説明する。カソード基板１は、主に、カソード電極の形成工程と、絶縁層の形成工程と、ゲート電極の形成工程と、ゲートホールの形成工程と、エミッタの形成工程とを順に経て製造される。以下、各工程について説明する。
【００２１】
［カソード電極の形成工程］
先ず、ベース基板３上にカソード電極４を形成する。カソード電極４を構成する電極材料としては、例えば、クロム、タンタル、タングステン、モリブデン等の金属のように電気的に抵抗値の低い材料であれば、どのような材料を用いてもよい。カソード電極４の形成パターンはストライプ状であって、その形成方法としてはペースト状の電極材料を印刷により塗布する印刷法を採用することが簡便である。ただし、他の形成方法として、周知のフォトリソグラフィ工程によってカソード電極４をストライプ状に形成してもよい。この場合の塗布方法としてはスピンコート法を用いることができる。
【００２２】
［絶縁層の形成工程］
次に、カソード電極４を覆う状態でベース基板３上に絶縁層５を形成する。絶縁層５を構成する材料としては、ＳｉＯ２（二酸化シリコン）などのように電気的に高い絶縁性を有する材料であれば、どのような材料を用いてもよい。絶縁層５はベース基板３の上面を全体的に覆うように層状に形成される。絶縁層５の形成方法としては、例えば、スピンコート法、印刷法、スパッタ法、蒸着法などのいわゆる成膜法を用いることができる。
【００２３】
［ゲート電極の形成工程］
次いで、上述のように積層したベース基板３の絶縁層５上にゲート電極６を形成する。ゲート電極６を構成する電極材料としては、例えば、クロム、タンタル、タングステン、モリブデン等の金属のように電気的に抵抗値の低い材料であれば、どのような材料を用いてもよい。ゲート電極６の形成パターンは、カソード電極４にほぼ直交するストライプ状であって、その形成方法としては上記カソード電極４の形成方法と同様の方法を用いることができる。これにより、図５（Ａ）に示すように、ベース基板３上にカソード電極４、絶縁層５およびゲート電極６を順に積層した状態の構造体が得られる。また、ゲート電極を厚く成膜するには電界メッキ（電着）法も有効である。
【００２４】
［ゲートホールの形成工程］
続いて、ゲート電極６および絶縁層５の所定部位（カソード電極４とゲート電極６の各電極ラインが交叉する部分；１画素部分）を、所望するゲートホール７の配置に合わせて部分的にエッチングすることにより、図５（Ｂ）に示すように、カソード電極４の一部を露出する状態でベース基板３上にゲートホール７を形成する。このゲートホール７は、ゲート電極６および絶縁層５の積層部分を貫通する状態で、上記所定部位に複数形成される。エッチング方法としては、ウェット式、ドライ式のどちらを採用してもよい。
【００２５】
［エミッタの形成工程］
次いで、図５（Ｃ）に示すように、ゲートホール７の内部に複数のカーボンナノチューブ９を配列してエミッタ８を形成する。エミッタ８の形成手法としては、ＣＶＤ法を用いることができる。ＣＶＤ法を用いる場合は、ゲートホール７内で所望の部位にエミッタ８を形成するため、このエミッタ形成部位に対して予め触媒層を設けておく。触媒層は、ベース基板３上にカソード電極４を形成した後（絶縁層５を形成する前）に、当該カソード電極４上に設ける。触媒層は、カーボンナノチューブ９となるカーボンナノチューブの成長反応を促すもので、例えばニッケル、コバルト、鉄、又はこれらの金属の少なくとも２種からなる合金を、蒸着法、スパッタ法、電解メッキ法等によりカソード電極４に被着させた後、フォトリソグラフィーによる選択的エッチングによってパターニングすることにより得られる。また、エミッタ８の他の形成方法として、複数のカーボンナノチューブ９を混合したペースト材料（不図示）を用いて行う。具体的には、例えば、複数（多数）のカーボンナノチューブを感光性の有機バインダと混合し、これによって得られたペースト材料を印刷法等によりベース基板３の表面側の全面に塗布した後、フォトリソグラフィのマスキング技術を用いてゲートホール７内にペースト材料を選択的に残すことによりエミッタ形成を行ってもよい。以上の製造プロセスによってカソード基板１が得られる。
【００２６】
ここで、本発明の実施形態に係る表示装置（ＦＥＤ）では、図６に示すように、ゲート電極６の厚み寸法Ｔ１を絶縁層５の厚み寸法Ｔ２以上に設定することにより、ゲートホール７の側壁部７Ａに露出するゲート電極６の壁面高さ寸法（Ｔ１）を絶縁層５の壁面高さ寸法（Ｔ２）以上とするとともに、ゲートホール７の開口径φＤをこのゲートホール７の深さ寸法Ｈｄ以上とし、アノード電極１１にアノード電圧（正の高電圧）を印加した際に発生する電界を用いてエミッタ８から電子放出させる構成としたことを特徴としている。
【００２７】
ゲート電極６の壁面高さ寸法とは、ゲートホール７の深さ方向（カソード基板１の厚み方向）において、ゲートホール７の側壁部７Ａに露出しているゲート電極６の壁面の高さ寸法をいう。同様に、絶縁層５の壁面高さ寸法とは、ゲートホール７の深さ方向において、ゲートホール７の側壁部７Ａに露出している絶縁層５の壁面の高さ寸法をいう。図６においては、ゲート電極６の壁面高さ寸法がゲート電極６の厚み寸法Ｔ１と等しい寸法となっており、絶縁層５の壁面高さ寸法は絶縁層５の厚み寸法Ｔ２と等しい寸法となっている。また、ゲートホール７の深さ寸法Ｈｄは、ゲート電極６の厚みＴ１と絶縁層５の厚みＴ２を足し合わせた寸法（Ｔ１＋Ｔ２）と等しい寸法となっている。
【００２８】
以下に、本発明の実施形態をより具体的に説明する。先ず、本実施形態においては、アノード電極１１にアノード電圧を印加するにあたって、例えば高い輝度が得られるようにアノード電圧を１０ｋＶ程度に設定するものとする。アノード電極１１にアノード電圧を印加した際に発生する電界は、アノード電極１１からの離間距離に応じてその電界値が変化する。そこで、アノード電極１１からの電界が上記エミッタ８の閾値電界値を超える電界値をもってエミッタ８に作用する条件で、アノード基板２とカソード基板１との距離（より具体的にはアノード電極１１とカソード電極４との距離）を例えば２ｍｍに設定する。この場合、アノード電極１１とカソード電極４との間にゲート電極６が無い、いわゆる２極構造であれば、アノード電極１１からの電界がエミッタ８に作用する電界値は５Ｖ／μｍとなるため、この電界を受けてエミッタ８から電子が放出することになる。
【００２９】
ただし、実際にはアノード電極１１とカソード電極４の間にゲート電極６が存在するとともに、このゲート電極６と絶縁層５の積層部分を貫通するゲートホール７内にエミッタ８が存在する。そのため、アノード電極１１からの電界がエミッタ８に作用するときの実効的な電界値は、ゲートホール７の寸法（開口径、深さなど）によって左右される。すなわち、ゲートホール７のアスペクト比（開口径と深さの比）が大きくなるとアノード電極１１からの電界強度が弱まり、逆に、ゲートホール７のアスペクト比が小さくなるとアノード電極１１からの電界強度が強まる。
【００３０】
そこで、本実施形態においては、ゲートホール７の開口径φＤをゲートホール７の深さ寸法Ｈｄよりも大きくすることにより、ゲートホール７の孔形状としてアスペクト比が小さい孔形状（浅い孔形状）を採用している。このようにアスペクト比が小さい孔形状を採用することにより、アノード電極１１からの電界がゲートホール７内にしみこみ易くなるため、アノード電極１１からの電界を用いてエミッタ８から電子を放出させることが可能となる。また、アスペクト比の小さい孔形状の採用により、ゲートホール７の開口径φＤを大きく確保できるため、カソード基板１の製造プロセスにおいてゲートホール７の形成が容易になる。
【００３１】
具体的な数値例として、ゲートホール７の開口径φＤと深さ寸法Ｈｄの相対的な寸法関係を４：１．５とした場合、ゲートホール７の開口径φＤを４０μｍとすると、ゲートホール７の深さ寸法Ｈｄは１５μｍとなる。この状態では、アノード電極１１にアノード電圧を印加した際に発生する電界と、ゲート電極６にゲート電圧を印加した際に発生する電界とを合成した合成電界により、エミッタ８からの電子放出を制御して所望のエミッション電流を得ることが可能となる。
【００３２】
この場合、ゲート電極１１は、当該ゲート電極１１に印加されるゲート電圧を適宜調整することにより、ゲートホール７からの電子の引き出し量を可変してエミッション電流を制御する機能を奏するものとなる。また、ゲート電極１１によるエミッション電流の制御形態は、ゲート電極１１に印加されるゲート電圧の極性に応じて３つに分けられる。
【００３３】
第１の制御形態は、ゲート電極６に正（プラス）のゲート電圧のみを印加する場合である。この第１の制御形態は、アノード電極１１からの電界がエミッタ８に作用するものの、この電界だけではエミッタ８から電子が放出されない状況で適用されるものである。この場合、ゲート電極６に正のゲート電圧を印加することにより、アノード電極１１からの電界がゲート電極６の電界によって強められるため、エミッタ８からの電子放出が促進される。したがって、ゲート電極６に所定以上の正のゲート電圧を印加することにより、エミッタ８から電子を放出させ、かつそのゲート電圧値を調整することにより、エミッタ８からの電子放出量を可変してエミッション電流を制御することが可能となる。
【００３４】
第２の制御形態は、ゲート電極６に負（マイナス）のゲート電圧のみを印加する場合である。この第２の制御形態は、アノード電極１１からの電界だけでエミッタ８から電子が放出され、しかもこの電子放出により画像表示のための十分なエミッション電流が得られる状況で適用されるものである。この場合、ゲート電極６に所定以上の負のゲート電圧を印加することにより、アノード電極１１からの電界がゲート電極６の電界によって弱められるため、エミッタ８からの電子放出が抑制される。したがって、ゲート電極６に所定以上の負のゲート電圧を印加することにより、エミッタ８からの電子放出を停止させ、かつそのゲート電圧値を調整することにより、エミッタ８からの電子放出量を可変してエミッション電流を制御することが可能となる。ちなみに、第２の制御形態を採用した場合は、エミッタ８から放出された電子と、負のゲート電圧が印加されたゲート電極６との間に反発力が作用する。そのため、エミッタ８から放出された電子は図７に示すような軌道を描いてアノード電極１１に到達することになる。
【００３５】
第３の制御形態は、ゲート電極６に正と負の両方のゲート電圧を印加する場合である。この第３の制御形態は、アノード電極１１からの電界だけでエミッタ８から電子が放出されるものの、その電子放出によって得られるエミッション電流の値が小さいため、画像表示に際して十分なエミッション電流が得られない状況で適用されるものである。この場合、ゲート電極６に正のゲート電圧を印加するとアノード電極１１からの電界が強められるため、エミッタ８からの電子放出が促進され、反対に、ゲート電極６に負のゲート電圧を印加するとアノード電極１１からの電界が弱められるため、エミッタ８からの電子放出が抑制される。したがって、ゲート電極６に所定以上の負のゲート電圧を印加することにより、エミッタ８からの電子放出を停止させ、かつそのゲート電圧の極性と電圧値を調整することにより、エミッタ８からの電子放出量を可変してエミッション電流を制御することが可能となる。
【００３６】
上記第１〜第３の制御形態のいずれを採用する場合でも、アノード電極１１からの電界を利用してエミッタ８から電子を放出させるため、ゲート電極６に印加するゲート電圧を低く抑えてドライブ電圧の低電圧化を図ることができる。ちなみに、第１〜第３の制御形態のいずれを採用するかは、エミッタ８の電子放出特性や面積、アノード電圧、基板（１，２）間距離、ゲートホール寸法など、ＦＥＤの設計上の各種の因子によって決定（又は選択）されるものである。
【００３７】
また、本実施形態においては、ゲート電極６の厚み寸法Ｔ１を絶縁層５の厚み寸法Ｔ２よりも大きく設定することにより、ゲートホール７の側壁部７Ａに露出するゲート電極６の壁面高さ寸法（Ｔ１）を絶縁層５の壁面高さ寸法（Ｔ２）よりも大きいものとしている。具体的な数値例として、絶縁層５の厚み寸法Ｔ２を５μｍとすると、ゲート電極６の厚み寸法Ｔ１をそれよりも大きい１０μｍに設定（ゲートホール７の開口径φＤは１５μｍに設定）し、これにしたがってゲートホール７の側壁部７Ａに露出するゲート電極６の壁面高さ寸法（Ｔ１）を絶縁層５の壁面高さ寸法（Ｔ２）の２倍の寸法とする。
【００３８】
このようにゲートホール７の側壁部７Ａでゲート電極６の壁面高さ寸法（Ｔ１）を大きく確保することにより、ゲート電極６にゲート電圧を印加した際に発生する電界の強度が高まるため、ゲート電極６でエミッション電流を制御する際のドライブ電圧（オフ電圧とオン電圧の差）を下げることができる。また、エミッタ８から放出する電子を収束させるフォーカス機能をゲート電極６に持たせることができるため、別途、フォーカス電極を設ける必要がなくなる。
【００３９】
ちなみに、カソード電極４上でのエミッタ８の面積については、より多くのエミッション電流を得るために、できるだけ広く確保することが望ましい。ただし、ゲート電極６とエミッタ８との距離が近すぎると、両者の接触によって電気的なショートを引き起こす恐れがある。そのため、エミッタ８の形成領域は、ゲートホール７の開口径φＤに対して、製造プロセス上のマージンを見込んだ内側の領域に設定することが肝要である。
【００４０】
図８はゲート電極の厚み寸法とドライブ電圧の関係をシミュレーションした結果を示すもので、図９はゲート電極の厚み寸法と電子ビームのスポット径比の関係をシミュレーションした結果を示すものである。図８および図９においては、いずれも絶縁層５の厚み寸法Ｔ２を５μｍで一定とし、ゲート電極６の厚み寸法Ｔ１を、Ｔ２よりも小さい０．３μｍ、Ｔ２と同じ５μｍ、Ｔ２よりも大きい１０μｍに変えた場合のシミュレーション結果を示している。また、図９においては、ゲート電極６の厚み寸法Ｔ１が５μｍのときのスポット径を「１」として正規化した場合の値をスポット径比として表している。図８のシミュレーション結果では、ゲート電極６の厚み寸法が大きくなるにつれてドライブ電圧が低下することが分かる。また、図９のシミュレーション結果では、ゲート電極６の厚み寸法が大きくなるについてスポット径比が小さくなる、つまりゲート電極６によるフォーカス作用が強くなることが分かる。
【００４１】
以上のことから、本実施形態に係る表示装置によれば、エミッタ８から電子を放出させるにあたってアノード電極１１からの電界を利用するとともに、エミッタ８からの電子放出を制御するゲート電極６を厚膜で形成しているため、従来よりもドライブ電圧を低く抑えることができる。これにより、発光効率の向上と駆動ドライバの低価格化を図ることができる。また、ゲートホール７の開口径φＤをゲートホール７の深さ寸法Ｈｄ以上とすることにより、アノード電極１１からの電界をエミッタ８に作用させることができるとともに、ゲートホール７の開口径φＤを大きく設定してカソード基板１の製造を容易にすることができる。これにより、ゲートホール７の形成に際して、特殊な微細加工や製造装置を必要としないため、表示装置の低価格化と大型化の実現が容易になる。さらに、ゲート電極６を厚膜とすることでゲート電極６自体にフォーカス機能を持たせることができるため、フォーカス電極とその形成工程が不要になる。
【００４２】
なお、上記実施形態においては、ゲート電極６の厚み寸法Ｔ１を絶縁層６の厚み寸法Ｔ１以上に設定するにより、ゲートホール７の側壁部に露出するゲート電極６の壁面高さ寸法を絶縁層５の壁面高さ寸法以上としたが、本発明はこれに限らず、例えば図１０に示すように、ゲート電極６の厚み寸法Ｔ１を絶縁層５の厚み寸法Ｔ２未満に設定した場合でも、ゲートホール７の開口縁部で斜め蒸着などの成膜手法によりゲート電極６を形成し、これによってゲートホール７の側壁部の一部をゲート電極６で覆うことにより、ゲートホール７の側壁部を形成するゲート電極６の壁面高さ寸法Ｔ３を絶縁層５の壁面高さ寸法Ｔ４以上として上記同様の作用効果を得ることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の表示装置によれば、ゲート電極にゲート電圧を印加した際により強い電界が得られるとともに、アノード電極にアノード電圧を印加した際に発生する電界を利用してエミッタから電子放出させるため、従来よりも低いドライブ電圧で駆動することができる。また、ゲート電極を厚膜とすることにより、ゲート電極自体がフォーカス機能を奏するため、フォーカス専用の電極を設けなくても良好なフォーカス特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る表示装置の主要部の構成例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る表示装置の主要部の構成例を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る表示装置の主要部の構成例を示す概略平面図である。
【図４】本発明の実施形態で採用したエミッタの電子放出特性を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る表示装置の製造方法の一例を説明する図である。
【図６】表示装置の各部の寸法関係を説明する図である。
【図７】本発明の実施形態における電子ビームの軌道を説明する図である。
【図８】ゲート電極の厚み寸法とドライブ電圧の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図９】ゲート電極の厚み寸法と電子ビームのスポット径比の関係をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１０】本発明の他の実施形態を説明する図である。
【図１１】従来の表示装置の主要部の構成例を示す概略断面図である。
【図１２】従来の表示装置の主要部の構成例を示す概略斜視図である。
【図１３】カーボンナノチューブを用いたエミッタ構造を示す図である。
【図１４】ゲート電極による電位分布の理想状態を説明する図である。
【図１５】従来における電子ビームの軌道を説明する図である。
【符号の説明】
１…カソード基板、２…アノード基板、３…ベース基板、４…カソード電極、５…絶縁層、６…ゲート電極、７…ゲートホール、８…エミッタ、９…カーボンナノチューブ、１０…ベース基板、１１…アノード電極、１２…蛍光体
【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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【図１４】
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【図１５】
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