(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明前面板と、背面板の上部に形成されたゲイト電極と、前記ゲイト電極の上に形成されたチャンネル絶縁層と、前記チャンネル絶縁層の上に一定の幅と厚さを有する絶縁層のアノード支持台と、前記アノード支持台の上に形成されるアノードと、前記アノードの上に塗布された蛍光体と、前記アノードを中心として左右に前記アノードより高い位置まで隔壁構造の導電体から形成される保護及び偏向ゲイトと、前記保護及び偏向ゲイトと前記チャンネル絶縁層の間に形成される一定の厚さを有する絶縁層とからなる単位構造を形成し、前記保護及び偏向ゲイトより高い隔壁構造により前記保護及び偏向ゲイトの間に一定の距離を置いて前記チャンネル絶縁層の上に対称構造で位置され多数個の前記単位構造を隔離すると共に前記前面板と背面板に真空チャンネルを形成して支持する絶縁体隔壁と、前記保護及び偏向ゲイトとの間に距離を置いて前記チャンネル絶縁層の上に位置され、かつ、前記絶縁体隔壁の下にその一部が重畳して位置するように形成されたカソードとを含んで構成して、ゲイト電圧によって前記カソードから放出される電子が保護及び偏向ゲイトを通過して曲線を描きながら加速されて前記アノードの上に塗布された蛍光体に衝突して放射される光が前記透明前面板を透過するように構成され、前記カソードの周縁は多角形の形に構成され、前記真空チャンネルに露出されたカソードの表面に低仕事関数の特性を有する低仕事関数物質がコーティングして構成され、前記カソードと前記低仕事関数物質の間に電子放出に起因するマイクロセル電流を制限するためのカソード抵抗層をさらに塗布し、前記チャンネル絶縁層と前記ゲイト電極の間に電子放出に起因するマイクロセル電流を制限するためのゲイト抵抗層をさらに挿入して構成したことを特徴とする平面電界放出型平板ディスプレイ。
【請求項２】
前記カソードと前記チャンネル絶縁層の間に低仕事関数の特性を有する低仕事関数物質をコーティングして構成することを特徴とする請求項１記載の平面電界放出型平板ディスプレイ。
【請求項３】
前記ゲイト電極と前記チャンネル絶縁層の間に低仕事関数物質を塗布して前記ゲイト電極とカソードの間の印加電圧のオフセットを低めるように構成することを特徴とする請求項１又は２記載の平面電界放出型平板ディスプレイ。
【請求項４】
前記カソードの上に絶縁層保護膜と保護ゲイト電極を順に形成し、カソードで電子が放出される領域が前記アノードの高電圧から保護されるように、前記保護ゲイト電極の一部をカソードの周縁の電子放出領域から真空チャンネル領域に向けて突出させてなるように形成し、前記チャンネル絶縁層の上部は空間を形成させることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の平面電界放出型平板ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、真空トンネル効果(tunneling effect)を用いて低電圧で駆動できるようにすることにより、その寿命が長くなるだけでなく均一性も優れる、平板ディスプレイ(flat panel displays)に関するものである。
背景技術
今まで全世界に最も普く知られているディスプレイとして陰極線管(CRT)を挙げ得る。しかし、最近高鮮明度と大画面を有するディスプレイにて映像を表現しようとする欲求が高くなるにつれて平板ディスプレイに対する多くの研究が行われている。例えば、従来の平板ディスプレイとしては、液晶ディスプレイ(LCD、liquid-crystal display)、電界発光ディスプレイ(ELD、electroluminescent  display)、電界放出ディスプレイ(FED、field-emission display)、プラズマディスプレイパネル(PDP、plasma display panel)、真空蛍光ディスプレイ(VFD、vacuum fluorescent display)、平板CRT(cathode-ray tube)及び発光ダイオード(LED、light emitting diode)を用いた平板ディスプレイがある。
【０００２】
このような平板ディスプレイの中で液晶ディスプレイ(LCD)が最も広く普及されている。現在は、電界放出型ディスプレイ(FED)がLCD製造業者によって支配されているFED市場で強力な競争相手であるといえる。一般に、LCDは単位構造(cell structure)からなり、蛍光物質が塗布されている前面部材と、陰極線放出素子が備えている背面部材とを所定の間隙を置いて結合し、その間隙は真空に形成する。前面部材と背面部材の間に数百V乃至数十KVの電圧をかけると、背面部材の電子放出素子から電子が放出され、放出電子が前面部材に塗布されている蛍光物質に衝突することにより、蛍光物質が発光する。
【０００３】
図1は、マイクロチップ型真空トランジスタ(microtip type vacuum transistor)構造を採用してなる従来の電界放出型ディスプレイにおける一画素に対する単位構造を示す。
【０００４】
同図に示すように、従来の電界放出型ディスプレイは、前面板3の下に透明アノード4を、その透明アノード4の下に蛍光体5を順に塗布した前面板構造1と、背面板6の上に尖いカソードチップ(cathode tip、t)を有するカソード9を、そのカソード9の上に絶縁層8を、絶縁層8の上にゲイト電極7を順に形成した背面板構造2とからなっている。
【０００５】
このような構成において、カソード9とゲイト電極7の間に強い電界を印加すると、カソードチップtの金属表面から量子力学的に電子が飛びで、その電子は透明アノード4に印加された高電圧により加速されて、アノード4表面に塗布された蛍光体5に衝突されることにより光を放出する原理を用いる。
【０００６】
真空下で金属表面から自由電子(free electron)を適当に放出するためには、0.5V/Å以上の電界が必要である。そのためには、金属カソードチップを中心として電子を放出するゲイト電極の直径を1μm以下と形成しなければならない。このような条件を充足する電界放出ディスプレイのマイクロチップの製造は、1μm以下の高解像度を達成し維持できる半導体ホトリソグラフィー(photolithography)工程を通って行われる。現在使われている半導体製造技術は相当に発展され、このような技術にその他のディスプレイの製造技術を結合してマイクロチップを作ることができるが、小規模には製造することができる一方、大規模に完成された工程を備えるには今だに多くの時間が要求される問題点があった。
【０００７】
電極間の間隔と尖鋭な電子放出部の形成以外に電界放出ディスプレイの成功的な構成のためには、安定で低い仕事関数(work function)を有する電子放出物質が求められる。安定で低い仕事関数物質はディスプレイを低電圧でも駆動させることができる。現在、電子放出物質としてモリブデン(MO)やタングステン(W)のような金属を用いたマイクロチップに対する研究事例がたびたび発表されている。モリブデンやタングステンのマイクロチップは機械的な安定性にその長所があるが、高い仕事関数を有するだけでなくチップの先端の曲率半径を小さくするにも限界があるので、充分な電子放出に要する駆動電圧が高いのが実情である。
【０００８】
最近、マイクロチップを表面処理して仕事関数を低める方法とダイアモンド系薄膜のような低仕事関数物質に対する研究が行われ、多くの角度でマイクロチップカソードの開発が行われている。
【０００９】
しかし、現在研究中であるマイクロチップを用いた電界放出ディスプレイは多くの問題点がある。
【００１０】
第一の問題は、動作中のイオンスパッタリング等によるチップの損傷である。
【００１１】
第二の問題は、チップを形成する工程上の難点である。電子放出の効率は、ディスプレイの輝度及び解像度に直接的な関連があるので、マイクロチップの構造及び形成方法と、電極の形態及び間隔に係る構造的な最適化と、電子放出物質の選択とが大変重要である。従来の電界放出ディスプレイの構造的な問題点としては、マイクロチップの形成方法が技術上の難点として依然として残っている点と、電極間の間隔を調節する方法及び製造方法が難点として残っている点である。
【００１２】
第三の問題は、空間的な均一性(uniformity)の具現がかなり難しいとのことである。同一の工程でマイクロチップを形成しても均一性を有することは容易ではない。各画素は多くの単位セル(cell)からなっているので、不良セルが小量存在しても画素機能には影響を及ばないが、形成された画素間のマイクロチップが一定ではないため、映像の均一性を具現することができないとの問題点があった。
【００１３】
第四の問題は、フリッカー(ちらつき、flicker)が発生することである。
【００１４】
第五の問題は、ゲイト電極とカソードチップ間に高い電界によるアーク放電が発生することにより、ゲイトやカソードチップが破壊される現象が発生する。実際に、工程中や動作中に真空度が落ちる。さらに、電極間の間隔が極めて狭いため、異種の金属原子のような不純物が電極の間に蒸着されているとアーク放電が発生する。
【００１５】
第六の問題は、比較的に遠く離れているが、ゲイトとアノードの間にアーク放電が発生する問題である。上のような条件にもかかわらず、マイクロチップから放出された電子を加速させるためにアノードに高電圧が印加されるから、ゲイト電極とアノードの間に放電が発生する。
【００１６】
上のような技術的な問題は、現在多くの改善が行われているが、根本的な問題点は電子が放出されるマイクロチップを形成する段階で発生するので、本発明は新たな平面構造の電界放出型平板ディスプレイを提供することにより、上の問題点を解決しようとする。
発明の開示
本発明は、上述した従来の問題点を解消するために案出したことであって、電子が放出される部分を、複雑で具現性の悪いマイクロチップのような構造ではなく、平面形態として集積度を高める電界放出型平板ディスプレイを提供することにその目的がある。
【００１７】
本発明の他の目的は、速い応答特性及び高鮮明度を具現でき、全ての自然色を高解像度に表わすことができる電界放出型平板ディスプレイを提供することにある。
【００１８】
その結果、本発明者らの度重なった研究によって、上記の条件を満足する新たな電界放出型平板ディスプレイが発展され、“ライン電界放出型ディスプレイ”(以下、“K(KAIST)FED”とする)として命名された。
【００１９】
本発明は、透明前面板の上に透明アノードを形成して蛍光体を塗布してなる前面板構造と、背面板の上にはチャンネル絶縁層をその間に置いて絶縁層の上に電子を放出するカソードを絶縁層の下にゲイト電極を各々位置させる背面板構造とからなり、前記前面板構造と背面板構造を真空状態で互いに対向させて結合した形態を単位構造とし、前記ゲイト電極とカソードの間に低電圧を印加することにより、カソードの周縁とチャンネル絶縁層との隣接部位から真空チャンネル内に電子を放出させ、放出された電子を加速するためにアノードに高電圧を印加すると、その電子がアノードの下に塗布された蛍光体に衝突して光を放射させ、ゲイト電極とカソードの間の印加電圧により放出される電子量が調節され、所望の情報を表わす一つの画素を形成するために複数個の単位構造が配列されてなる両面型平面電界放出型平板ディスプレイを提供する。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明による実施形態を添附した図面を参照して詳しく説明する。
【００２０】
図2aは、本発明による電界放出型平面ディスプレイ(FED)の単位構造を示す。同図に示すように、単位構造は前面板構造1と背面板構造2とからなる。背面板構造2は、背面板6の上にカソード9を形成し、背面板6とカソード9の間にチャンネル絶縁層8を形成し、カソード9の上に絶縁層保護膜10を形成し、電子の放出を調節するゲイト電極7をチャンネル絶縁層8の下に形成して構成される。また、前面板構造1は、前面板3の下に透明アノード4を、透明アノード4の下に蛍光体5を順に塗布して構成される。陽(+)電圧が印加される透明アノード4は、放出された電子を加速させ、加速された電子を蛍光体5に衝突させることにより発光するように構成する。
【００２１】
一方、図2bは、本発明による他のFEDの単位構造を示す。この構造は、図2aの構造に基づく。同図において、低仕事関数の特性と優れた機械的特性とを有する低仕事関数物質11aを電子放出領域であるカソード9の上に塗布することにより、低電圧駆動によっても電子放出の効率を高めることができ、電子放出部位を除いて低仕事関数物質11aの上に絶縁層保護膜10を塗布することにより、アノード4の高電圧によって低仕事関数物質11aから直接に電子が放出されることを防止するように構成する。一方、後述のために提示される図面では、カソードに低仕事関数物質がコーティングされているが、カソード金属を表面処理して仕事関数を低める方法に交替することができる。
【００２２】
図2cは、本発明の他の実施形態によるFEDの単位構造を示す。この構造は、製作工程を考慮した図2a及び図2bの一部変形例を示す。図示したように、背面板6の直上にゲイト電極7を、ゲイト電極7の上にチャンネル絶縁層8を順に形成する。続いて、カソード9をチャンネル絶縁層8の上に載置してなる。後述する他の図面なども図2a及び図2bを基準として示したが、図2cのような構造で製作することができることを前提とする。
【００２３】
図２ｄは、カソードとチャンネル絶縁層との間に低仕事関数の特性を有する低仕事関数物質を塗布してなることを特徴とするものである。
次に、本発明による平面電界放出型平板ディスプレイの動作過程を添附した図3を参照して説明する。
【００２４】
先ず、ゲイト電極7とカソード9の間に電圧VGKをかけると、ゲイト電極7とカソード9の間にあるチャンネル絶縁層8を通って強い電界が形成され、電子のトンネル効果を促進されることにより、カソード9の周りから真空に電子が放出される。このように放出された電子は、アノード4に印加された電圧VAKによって加速されて蛍光体5に衝突される。
【００２５】
本発明による平面的構造は、従来の電界放出ディスプレイのマイクロチップ構造に比べて簡単に製造することができ、印刷技法によっても製造されることができるので、大形画面の構成が容易である。また、従来のFEDにおいて、高電圧蛍光体5を使う場合、高電圧の放電によってマイクロチップが損傷されるフラッシオーバ(flashover)現象が発生する。しかし、本発明の場合は、電子が放出される部分がカソードの周縁部であり、その部分が円形あるいは多角形に形成されることにより、従来の尖鋭なマイクロチップより比較的広いので、このような問題点を殆んど解決することができる。
【００２６】
図4は、本発明の他の実施形態によるFEDの単位構造を示す。この構造は、カソード9と電子が放出される低仕事関数物質11aの間にカソード抵抗層12aを塗布して挿入することを特徴とする。絶縁保護膜10は、露出されたカソード抵抗層と電子が放出される部分を除いた低仕事関数物質11aを覆う。このような構成において、カソード抵抗層12aは、多くの電子の放出によって発生するマイクロセル電流を制限するための負荷線(load line)のように機能する。このように、平面状の構造を有するカソード抵抗層12aを形成することにより、ディスプレイの全面にわたって電子放出の均一性を向上させ得る。さらに、カソード抵抗層12aは、カソード9とゲイト電極7の間に電圧が印加される場合短絡(short circuit)時も流れ得る最大電流を制限する役割を有し、それにより短絡セルより多い正常セルを動作させることにより、ディスプレイの歩留まり(yield)を大きく高められる長所がある。
【００２７】
抵抗層の形成をカソードのみに制限させる必要はない。例えば、図5のように、チャンネル絶縁層8とゲイト電極7の間にゲイト抵抗層12bを挿入することができる。この場合、ゲイト電極7をゲイト抵抗層12bの上に形成すると、セルが短絡される時には図4より向上された保護性能を有する。
【００２８】
図6は、電界強さを高めて放出電流を増加させるための多くの形態のカソード構造を示す図面である。カソードの周縁部から放出された電流の強さは、仕事関数と電界強さの関数である。仕事関数が低いほど、また電界強さが強いほど、放出電流は増加する。従って、同一な印加電圧下でカソードの電子放出領域、即ちカソードの周縁の曲率半径を小さくするほど、電界強さが強くなり放出電流が増加する。図6からわかるように、本発明の単位セルは平面構造であるので、カソードを尖い形状、円形あるいは多角形など多様な形態に製作することができる。
【００２９】
本発明の核心は、カソードから真空への電子放出である。本発明を深く理解するために金属から真空ヘの電子放出に対して説明する。
【００３０】
金属から真空への電子放出は、強い電場によって容易に達成されることができる。より詳しくは、金属表面に強い電場をかけると、金属表面のポテンシャル障壁の高さ及び幅が減少されることにより、トンネル効果による電子の移動によって電子放出が発生する。一般的に、金属内部の電子を真空に放出させることに要する電気場の強さは109[V/m]以上である。このような金属は、一般的に純粋な金属であり、約3〜5eV程度の仕事関数を有する。しかし、特定の金属化合物やダイアモンドあるいは類似ダイアモンド(Diamond Like Carbon:DLC)のような非金属は、約0.1〜1eV程度に低い仕事関数を有し、107〜108[V/m]程度の電気場でも一般の金属とほぼ同等な強さの放出電流を得る。このような低仕事関数の金属をカソード物質として用いると、低電圧でも駆動できる電界放出型ディスプレイを作られる。
【００３１】
金属から真空に放出される電子の電流密度(current density)は、下記の式ＩのFowler-Nordheim方程式から求める。
【００３２】
【数１】
0003936841.tif 000002
ここで、Φは金属の仕事関数に相当する電位差、t(y)は放出された電子の画像力(image force)を考慮した楕円函数(elliptic function)、ν(y)は約1である楕円函数、Eは金属表面にかける電場の強さを指す。場合によっては、金属の表面に微視的な突出も可能であり、この突出による電流の増加量は一般に数百乃至数千倍に達すると知られている。
【００３３】
図2a、図2b及び図2cの構造を例を挙ると、本発明によるKFEDの基本構造は、カソードから放出された電子によって電流の強さが決定される。放出電子量は、ゲイト電極と隣接するカソードの周縁の電界強さと、カソードを構成する金属の仕事関数の高さとに依存する。カソードの周縁の電界強さは、カソードとゲイトの間に印加する電圧強さと、その間のチャンネル絶縁層の厚さ及びチャンネル絶縁層の誘電率との関数となる。
【００３４】
従って、カソード金属の仕事関数(qΦ)と電界強さが与えると、式Ｉから電流密度(J)を求めることができる。方程式Iから、電流密度を高めるためには、カソードとして低仕事関数を有する物質を用い、カソードの周縁の曲率半径を小くし、カソードとゲイト間の電圧を増加させて電界強さを高めなければならない。従来のFED構造におけるカソードチップとゲイト電極との間の間隔が、本発明のKFED構造のチャンネル絶縁層の厚さに相当するので、電子放出の効率を向上させるためにはチャンネル絶縁層の厚さを薄くする必要がある。
【００３５】
従来のFED構造では、カソードチップとゲイト電極との間隔を1μm以下に形成しようとする場合に、カソードチップとゲイト電極の間にアーク妨電による電極の破壊が発生した。そのため、両電極間の距離を狭くすることに限界がある。
従って、放出電流を増加させるための他の技術は、カソードチップの尖端の曲率半径を小くすることにより、電界強さを高めることである。しかし、曲率半径を小くすることは大変複雑な工程である。結論的に、この方式は、ゲイト電圧を高めず十分な放出電流を得るためには構造的短所がある。ゲイト駆動電圧が高い場合、高電圧駆動ICを使わなければならないため、製品価格が高くなり電力消耗も増加することになる。
【００３６】
上述したように、本発明の構造は、ゲイトとカソードの間にチャンネル絶縁層が形成されることにより、従来の構造のようなアーク放電の発生を抑制する。従って、ゲイトの破壊を防止することができる。本発明によると、チャンネル絶縁層の厚さが薄いので、従来の構造より極めて低いゲイト電圧で電子を放出することができる。従って、MOS工程で作られた低電力低電圧駆動ICを用いて駆動できるので、費用競争力のある製品を生産することができる。
【００３７】
また、チャンネル絶縁層が比誘電率εxを有する場合、チャンネル絶縁層とカソードが隣接する真空チャンネル領域での電場の強さEがεx倍に増加する。電場の強さEは、カソードの周縁の小さい曲率半径によって更に増加する。従って、本発明のFEDは強い電流密度(J)を有する。
【００３８】
カソードをタングステン(W)やモリブデン(MO)から形成する場合には、仕事関数が約4.5eVであり、この値は高すぎる。一方、ダイアモンドあるいはDLCのような低仕事関数物質をカソードとして用いる場合、低い電界強さでも所望の電流密度を得られる。更に、低仕事関数物質の導電性と製作性を考慮して、先ず導電性の良い物質でカソードを形成し、その上、低仕事関数物質をコーティングする方法がある。低い仕事関数を有し、化学的に安定し、熱と導電率が優れ、高温でも安定であるダイアモンドあるいはDLCのような物質を表面コーティングすることにより、電子放出の安定性及び放出特性を向上させた例が報告されている。
【００３９】
次いで、カソードの上に低仕事関数物質をコーティングする場合には、両物質間に存在する仕事関数の差異による問題点はないかに対して説明する。また、ゲイト金属の仕事関数の強さとカソード金属の仕事関数の強さに差異がある場合に対しても説明する。さらに、ゲイトとカソードの間を連結する導線の仕事関数がゲイトとカソードの仕事関数と違う場合に、異種金属間の接合部で発生する可能性がある問題に対しても説明する。
【００４０】
このような関係を説明するために、仕事関数の違う二種の金属を絶縁体を間に置いて接合させ、絶縁体の厚さの異なる場合、即ち、両金属間の距離が各々dm1、dm2である二つの場合に対して、dm1<<dm2と仮定する。両金属間の仕事関数の差異をqΔΦm=qΦm1-qΦm2として示す場合、ここでΔΦmは両金属間に存在する電位差を意味する。即ち、ΔΦmという電位差が絶縁体を間に置いて存在する場合、各々の金属と絶縁体との間の境界面には一定量の電荷(±ΔQ)が存在することになり、絶縁体の内部には電場が形成される。このような条件下で、両金属の両端に外部から電圧を印加する場合、極めて大きい電位差がかかる場合を除外すると、絶縁離間距離が大きい(dm2)場合には電子が絶縁体を通過することができないため、電流が流れない。しかし、離間距離が極めて小さい(dm1)場合にはトンネル効果によって容易に絶縁体を通過することができる。
【００４１】
前述の原理を基づく図2a乃至図2cの構造において、カソードが導線を通ってゲイト金属と連結されていると仮定する。このような構造で、カソードとゲイトの間の接合面を拡大したものを図7に示した。同図で、カソード、ゲイト及び導線は全部アルミニウムからなり、カソードの一部は導電性の低仕事関数物質でコーティングされていると仮定する。ここで、点線に沿って“ソース(source)-接合1-低仕事関数物質-接合2-ゲイト”の構造を形成する。即ち、二種の金属が2か所の接合を間において閉ループを形成する。
ところで、接合1は離間距離が無い(dm1≒0)ので、ソースがゲイトと直接に連結されている。従って、両金属間の仕事関数の差異による電位差は接合点間に置いて存在するが、トンネル効果によって両金属間の電子移動が自由自在である。このような接合をオーム接触(Ohmic contact)と称する。
【００４２】
一方、低仕事関数物質とゲイトの間の接合2の離間距離dm2は、接合1の離間距離dm1に比べ大きく(dm1<<dm2)離れているので、トンネル効果を期待することができ、電子が移動することができない。それにもかかわらず、低仕事関数物質とゲイトの間には、それらの仕事関数の差異に該当する強さの電位差がチャンネル絶縁層を間に置いて存在することになる。従って、チャンネル絶縁層の両側の接合境界面は±ΔQの電荷が各々存在することになる。即ち、図7aの一部拡大断面図に示すように、チャンネル絶縁層を間に置いて+ΔQはカソード側の低仕事関数物質側に-ΔQはゲイト側に各々存在することにより、チャンネル絶縁層の電場はカソードからゲイトに向ける。
【００４３】
上述のような方向に存在する電場は、ゲイトとカソードの間に電圧を印加して電子を放出しようとする場合克服すべきオフセット(Offset)電圧として作用し、カソードからの電子放出を阻害する影響を与える。従って、このようなしきい値電圧を低めるためには、ゲイト側の金属も低仕事関数を有する物質から選択されるべきである。
【００４４】
図7bは、カソード側にコーティングした低仕事関数物質を、オフセット電圧を低めるために、ゲイト電極にもコーティングした構造を示す。このような構造で、ゲイトSに形成される接合3が接合1と同じオーム接触であるため、ゲイトとカソードの間にはオフセット電圧が存在しないようになる。さらに、図7bの構造は、低仕事関数物質をカソードの上にコーティングする代わりに、チャンネル絶縁層の上に先ず塗布してから、その上にカソード導体を塗布してなる形態であることが特徴である。この場合にも前述したように同一の方式に動作される。
【００４５】
次は、カソード表面の低仕事関数物質から真空中に電子が飛び出る可能性に対して説明する。低仕事関数物質の端部を開始点(starting point)として、右側のチャンネル方向を図7a及び図7bに示すように、X方向に表示する。この時、X=0である位置で低仕事関数物質から真空中に電子が放出されるためには、仕事関数の差異を克服しなければならない。即ち、チャンネルの準位は真空準位(vacuum level)であるので、低仕事関数物質自体の仕事関数をどう克服することができるかが問題になる。これは、ゲイトとカソードの間に電圧を印加することにより、トンネル効果によって達成することができる。即ち、ゲイトとカソードの間に電位差が存在することになると、絶縁体内の電界強さはE=V/dの関係から決まる。この時、X方向にも電界が存在し、これをいわゆる周縁電界(fringing field)という。この周縁の電界の強さはX=0である付近で最大であり、Xが大きくなるにつれて減少することになる。
【００４６】
図8は、このような傾向を示す図面である。同図で、ソースとゲイト電極がそれらの離間距離dm2を20nmとして同一物質で形成されることと、絶縁体の代りに真空を用いることを仮定し、カソードとゲイトの間に1Vの電位差を印加する場合、X方向に電位分布を示す。ここで、最も重要な値がX=0付近での電界の強さ(同図面でX方向への電位曲線の傾斜)である。式IのFowler-Nordheim方程式から、電界の強さが大きくなるほど放出される電子の量が多くなるのがわかる。
【００４７】
一方、図8の結果は、カソードとゲイトの間のチャンネル絶縁層を真空と仮定する場合得られた結果であり、チャンネル絶縁層の比誘電率を考慮すると多くの差異が生じる。では、チャンネル絶縁層の材質としてSiO2を用いる場合を例と挙げて説明する。SiO2の比誘電率をεr≒4とする時、上述したような同一の条件でX方向の電界強さが図8の場合と同一の強さになるためには、カソードとゲイトの間の離間距離dm2をεr倍、即ち略80nmとしなければならない。従って、チャンネル絶縁層SiO2の内部での電界強さEは離間距離dm2が4倍に増加する場合、同一のゲイトとカソードの間の電位差1Vに対して4分の1に減少される。それにもかかわらず、電束密度(electric flux density;電気力線束密度)Dは、D=ε0εrEの関係であるので、以前と同一値を維持することになる。電束密度Dは“ゲイトチャンネル絶縁層-真空チャンネルの一部-ソース”のような同一経路に形成され、真空チャンネルを通過する経路が長くなるほど弱くなる。しかし、カソードの周縁で境界条件を考慮すると、カソードと隣接する周縁の真空チャンネルの電束密度Dは、隣接するチャンネル絶縁層の内部での電束密度とあまり差異がない。それにより、カソードと隣接するチャンネルの真空周縁での電界強さEは、隣接するチャンネル絶縁層の内部でのより約εr倍強くなる。言い換えれば、X=0付近の真空チャンネルの周縁で最も強く、Xが増加するにつれて減少する傾向を示す。結果的に、カソード側の低仕事関数物質からの電子放出は、チャンネルと隣接する周縁付近(X=0)から電界強さが最も強い真空チャンネル中に放出され、放出された電子はゲイトに印加されている電位によって一定量の電子がチャンネル領域の絶縁層の上に積もることになる。このような状態で、電荷の一部はアノード電位の作用によって流れ出ると共に、同一量の電荷がカソードから供給される形態で、電流の流れが形成される。一方、真空中に放出されてチャンネル絶縁層の上に存在する電子は、チャンネル絶縁層の厚さとチャンネル絶縁層の表面に形成されている表面エネルギー準位とによって、相当な高電圧が印加されない限り、ゲイト側へのトンネリングは容易ではない。従って、ゲイト側への安全な印加電圧の範囲は、チャンネル絶縁層の種類及び厚さの関数になる。
【００４８】
上述した説明は、カソードの表面に導電性の低仕事関数物質がコーティングされている場合に対することであり、非導電性物質であるダイアモンドあるいはDLCのような物質がコーティングされている場合にはオーム接触を説明しにくい。ところが、この場合にも上述と同じくコーティングされた表面から、低い電場強さでも電子が容易に放出される現象が実験的に観測された。
【００４９】
次いで、カソード表面を脱出した電子がアノード電圧による電界に引かれて動くことによりアノード電流が流れ出す場合、この電流の強さがゲイトによって容易に調節され得るかに対して説明する。アノードに印加される電圧が高くなるほど加速される電子のエネルギーが高くなる。また、高電圧の蛍光体を用いると発光効率が高くなる。しかし、このような高電圧は従来のマイクロチップ型FEDにフラッシオーバ現象を発生しやすい。フラッシオーバ現象が発生すると、導通状態にあるカソード電流はゲイト電圧によって制御することができない。しかし、図3に対した説明したように、本発明の構造ではこのような問題をほとんど解決することができる。
【００５０】
アノード電圧がかなり高い場合の本発明の構造において、フラッシオーバ現象を確実に防止するためには、図9a、図9b、図9cのような構造が図2a、図2b、図2cの構造よりもっと望ましい。
図9の特徴は、背面板構造の最上部に保護ゲイト電極13を形成した点であり、図2の背面板構造に絶縁層10を載置し、その上に保護ゲイト電極13を形成してなる。保護ゲイト電極13は、カソード側の電子が放出される領域がアノード側の高電圧から保護されるように、カソードの電子放出領域より突出された形態に、絶縁層の上に形成する。この構造において、保護ゲイト電極13は、アノードの高電圧によって保護ゲイト金属から直接に電子が放出されることを防止することができる仕事関数の高い金属からなる。
【００５１】
図9にかかる保護ゲイトの追加された構造に対する動作を図10を参照して説明する。図3に比べると、追加された保護ゲイト電極13にカソード9より低い負電圧VGK2を印加したことである。保護ゲイト13の印加電圧VGK2を調節することにより、カソード側の低仕事関数物質11aをアノード側の高圧VAKから適切に遮蔽(shield)し、表面電界の強さを低くするかあるいは負電界を維持することができる。それにより、制御ゲイトによってカソード側の電流を制御することができるので、フラッシオーバ現象を防止することができる。
【００５２】
下に、本発明によるFEDの単位構造を用いて、複数の画素を具現することに対して説明する。
【００５３】
図11は、単位セルの例示図を含む全体の平面電界放出型ディスプレイの構成を示すことである。先ず、ガラス基板、シリコン、金属板などの背面板6の上にゲイト電極7を形成させる。ゲイト電極7の上にチャンネル絶縁層8を形成し、この時、絶縁破壊の程度を勘案して厚さを設定する。チャンネル絶縁層8の上に半導体ホトリソグラフィー(photolithography)工程や印刷(printing)工程などを用いてカソード9を形成し、その上各々の単位セルでの最大電流を制限するために、図4のように抵抗層を形成させることもできる。そして、電子放出の効率を高めるために低仕事関数物質を抵抗層の上にコーティングする。高圧のアノードによって発生される問題を解決するために、図10のように低仕事関数物質をコーティングしてから、絶縁層をその上に形成し、保護ゲイト電極をその絶縁層の上に追加することにより、背面板構造を完成する。
【００５４】
ここで、チャンネル絶縁層8とカソード9の周縁と接触される境界面で電子放出の効果を高めるために、カソード周縁の曲率半径を最小化するか、図6のようにカソードの形態を周縁で電界強さを高める形態で選択することができる。また、背面板6には、前面板3との一定間隔を維持させるためには、スぺーサ(spacer)が必ず必要である。スペーサは高真空でも背面板6と前面板3の間の間隔を一定に維持できる機械的強さを有し、細くて長いように製作することができるだけでなく、絶縁性が良好しなければならない。今まで知られている材料としては、IC工程で絶縁材料として用いられるポリイミド(polyimide)のようなものがあり、従来の電界放出型ディスプレイに使用可能な材料はほとんど本発明の構造に適用できる。スペーサは、図11でのように支柱(supporting pillars)17のような形態のみでなく、PDPに使う隔壁形態で製作することもできる。それらの隔壁が互いに直交するように(right angle)するスクリーン印刷方法(screen printing method)を用いて前面板と背面板に接合させると、各々の交差点に画素が一つずつ形成される。
【００５５】
一方、前面板3の構成は、先ず、ガラス基板上に薄い透明導電膜(ITO)を形成する。透明導電膜は、アノード4として用いられ、蛍光体5によって発生される光を透過させる。PDPでのように透明導電膜のアノードには電流を容易に収集(collection)するために、画面表示に差し支えない配置でバス電極(bus electrode)を並設することもできる。透明導電膜の上に蛍光体5が塗布される。蛍光体の種類は、印加する駆動電圧と電流強さ及び光効率を勘案して、高電圧の蛍光体と低電圧の蛍光体の中で選択することができる。
【００５６】
放出された電子がアノード電界によって加速されて蛍光体5に衝突すると、可視光線が透明導電膜のアノード4と前面板3を通過して光を放出することになる。色相を表すために蛍光体は、赤光、緑光及び青光を発する物質を各々区分して上板に適切に塗布し、この時、ゲイト電極7とカソード9の電圧を適切に選択することにより、所望の画素で色相を得られる。蛍光体の自発光によって色相を具現することが困難な場合には、白色光の蛍光体を用い、この白色光から3色を分離するために色相フィルタを前面板の透明導電膜の上に配置させる構造を取ることもできる。前面板3と背面板6の間には高真空状態を維持すべきである。これは、カソードから放出された電子が上板の蛍光体に到達するまで空気分子との衝突を避けるためのことである。
【００５７】
図12は、図11のセル形態とは異なり、ストライプ(stripe)形態のカソードを提示している。このストライプ形態を図13bのように櫛の歯形態に取ることもできる。ストライプ形態のセル構造を拡大断面図に例示され、その基本断面構造は図11に提示された構造と同一である。即ち、ゲイト電極7の上にチャンネル絶縁層8を置いて、その上にカソード9、低仕事関数物質11a及び絶縁層保護膜10が形成された構造であり、必要によって保護ゲイトを追加することもできる。電子が放出される部分は、ゲイト電極7とチャンネル絶縁層8をその間に置いて接合される低仕事関数物質11aの境界面であるので、ここでも図11の構造のように電子が放出される部分が広く分布されている。図11及び図12のような構造以外にも図6に示すように多くの形態のカソード構造に対して平面電界放出型ディスプレイを形成することができ、これは物質の特性、印加電圧などによってその構造を異にすることができる。
【００５８】
本発明による平面電界放出型ディスプレイは、構成方法によって大きく三つの方法に分け、図11及び図12のように前面板にアノードと蛍光体を背面板にカソードとゲイトを各々形成した両面型と、図13a及び図13bのようにカソードとゲイト電極と蛍光物質が塗布されたアノードとを同一の平面の上に形成した一体型、また、図14のようにカソードとゲイト電極が形成された前面板と蛍光体とアノードが形成された中間板及びゲッタが形成された後板とから構成された反射型がある。構成要素などが前面板及び背面板に分布されている図11及び図12とは異なり、図13a及び図13bの構造は、すべての電極と蛍光体とが背面板のみに形成されている点が特徴である。従って、それらの構造を各々両面型、一体型という。一体型構造におけるその基本的な単位セル構造及び電子放出の原理は両面型と同一である。図13aは、二つの一体型構造の単位セルを示す。断面図で示すように、各セルは絶縁体隔壁15によって分離されている。この絶縁体隔壁15は、スクリーン印刷技法により形成され、この隔壁構造の代わりに図11及び図12に示す絶縁支柱を立てて構成することもできる。この隔壁あるいは絶縁支柱の上に透明ガラスの前面板3を載置して蛍光体5から放出される光を通過させる。透明ガラスの前面板3は、蛍光体5から放出された光のみを通過させるので、機械的な強さと光学的な透過性が適切に維持されると、別の工程を追加することなしに簡単に製造することができる。背面板6とゲイト電極7の上に形成されたチャンネル絶縁層8の上に、カソード9を各単位セルの両周縁に各々位置させ、単位セル構造の中で絶縁物質で厚くするアノード支持台16を形成してから、その上に蛍光体5を塗布したアノード4を形成する。各カソード9の上には両面型と同じく電子を放出しようとする領域のみに選択的に表面処理することにより仕事関数を低くするかあるいは低仕事関数物質をコーティングすることもできる。
【００５９】
図13bは、櫛の歯形態となっているカソードを示す。この場合に、櫛の歯の端部における曲率半径が小さくため、電子の大部分がここで放出され、放出効率が高くなる。従って、櫛の歯形態のカソード構造を採択する場合は、カソード金属の種類によっては表面処理工程や低仕事関数物質をコーティングする工程を省略することもできる。保護及び偏向ゲイト14は、カソードとアノードの間に位置させるが、その前に先ずチャンネル絶縁層8の上に厚さを有する絶縁層を形成してから、その上に位置させる。アノード支持台16よりは高くて絶縁体隔壁15あるいは絶縁支柱よりは低い金属隔壁からなる。アノード側の高電圧によるカソード側のフラッシオーバ現象を防止する。また、カソード側から放出される電子が曲線を描きながら移動して、アノードの上に塗布された蛍光体5の前面に衝突する役割をする。保護及び偏向ゲイト14の間に形成されるアノード4は、相対的に大きくて厚いように作られたアノード支持台16の上に扁平に形成されることにより、高電圧が印加されるアノード4とゲイト電極7の間を十分に絶縁することができる。
【００６０】
図13aを参照して動作過程を説明すると次のようである。
【００６１】
両面型と同じく、ゲイト電極7とカソード9の間に電圧VGKをかけると、チャンネル絶縁層8を間に置いて電界が形成される。これにより、低仕事関数物質11aの塗布された側のカソード9の周縁から電子トンネル効果によって電子が放出される。この電子は、セルの両端のカソード9の周縁部に存在するアノード4にかかる電圧VAKによって形成された電界に引き出る。
【００６２】
この時、保護及び偏向ゲイト電極14は、カソードの電圧に対して陽あるいは陰の電圧Vpkに調節するようになっているので、アノードの高圧からカソードを保護する役割する。また、高さがアノード4より高く形成されているので、カソード9の電子放出部まで形成された電界によって電子が曲線を描きながら加速されて、アノード4の表面に塗布された蛍光体5の前面に衝突するようになる。
【００６３】
保護及び偏向ゲイト14の直下に他の絶縁層を追加することは、ゲイト電圧VGKと保護及び偏向ゲイトの電圧Vpkとの差異によって、絶縁層との境界面で発生可能な電子の放出を抑制するためである。
【００６４】
図13bは、図13aにかかる一体型FEDを示す正面図である。図示したように、縦は絶縁体隔壁により分けている列(column)を、横は絶縁板の下部のゲイト電極が行(row)に配列されているのを示している。ゲイト電極7は、カソード9の下から長く形成されている。その理由は、カソード9の周縁部のみに集中に電界をかけると共に、他の部分に不必要な静電容量(キャパシタンス、capacitance)成分を低くして駆動電力の損失を減らすためである。図13aのように、セルは絶縁体隔壁15により分け、絶縁体隔壁15に近い側にカソード9が、その中にアノード4が、中間に保護及び偏向ゲイト14が各々形成される。上述のような一体型は、アノードとカソードを各々他の面に附着する両面型に比べて全ての構造を一つの基板面に羅列する構造であるので、製造と組立が便利である。
【００６５】
図14は、本発明による反射型平面電界放出型平板ディスプレイを示す。
【００６６】
このセル構造において、前面板3に透明電極として、カソード9とゲイト電極7を形成することにより、蛍光体5からの発光が前面板3を通過するようにし、中間板19にはアルミニウムのような光の反射率の高い金属でアノード4を形成し、その上に蛍光体5を塗布してなる。また、蛍光体5が塗布された領域の間に多くの開口(aperture、18)を形成して、蛍光体5の発光によって発生する気体分子が通過自在にし、後板21には多孔質のゲッタ20を載置することにより中間板19に形成されている開口18を通って入る気体分子を速く吸収する。
【００６７】
図11及び図12のような両面型構造は、蛍光体の発光による光の方向は、前面板を通過してディスプレイの外に出る方向と、ディスプレイの内側に向ける方向とがあるので、実際に発光される光の半分が視覚的な効果を発生させる。しかし、図14の反射型構造においては、蛍光体の発光による光が前面板に直に向けるかアルミニウムのようなアノード金属に反射されて前面板に向けるので、発光による光は大部分前面板と通って外に出る。従って、このような反射型構造は、両面型構造に比べて発光効率がほぼ2倍になる。両面型構造と比較してみると、同一量に発光するためには、蛍光体と衝突する電子数を半に減るか、あるいはアノードの電圧を低めて衝突する電子のエネルギーを低めることにより、達成することができる。従って、このような反射型構造は、低いアノード電圧を加えることができるので、低電圧電界放出ディスプレイに望ましい。
【００６８】
電界放出型ディスプレイは、安定された電子放出特性を得るために、その内部を高真空に維持すべきである。また、このためには気体分子を良く吸収する物質であるゲッタを装置内に設ける。図11、図12及び図13aのような両面型や一体型構造においては、ゲッタを蛍光体に近い部分に設けられないが、図14のような反射型構造においては、ゲッタが後板の全領域に存在しているだけでなく、中間板の開口を通って気体分子が移動自在であるので、蛍光体から発生する気体が隣接した開口を通って短時間にゲッタに吸収されることにより、真空を維持する費用が他の構造に比べ低廉である点が特徴である。
【００６９】
上述したように、本発明の平面電界放出型平板ディスプレイ(KFEDS）は、従来の半導体の製造工程を大部分そのまま用いられるだけでなく、広く知られているスクリーン印刷技術を用いて、従来のマイクロチップ形態の電界放出型ディスプレイを、より簡便に製作することができる。
【００７０】
特に、高精密の工程を要しない平面構造であるので、生産設備費の負担が低いだけでなく高い歩留まりを得られる。
【００７１】
また、本発明の平面電界放出型平板ディスプレイは、鮮明性が優れ、大部分の色相を自然色に近く具現することができ、かつ高解像度を達成する。
【００７２】
更に、液晶ディスプレイ(LCD)とは異なり、自発光の特性を有し、視野角が広くてその厚さが極めて薄いパネルを製作でき、画面の大型化が可能である。このような場合、既存のCRTとは異なりその重量も軽くすることができる。
【００７３】
そして、その応答特性が速いので、動画像を処理することに好適であり、消耗電力が少ないのでエネルギー効率がかなり優れるようと期待される。
【００７４】
従って、本発明が映像ディスプレイに適用される場合、全てのサイズの映像ディスプレイを搭載するシステムに大きな変化が予想される。
【００７５】
本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱せず、種々の形態が可能である。そのため、前述した実施形態は全ての点において単純な例示に過ぎないので、上記の実施形態に限られるものでない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に基づき、明細書の本文によっては何も拘束されない。即ち、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全部本発明の範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、従来の電界放出型平板ディスプレイ(FED)の単位構造を示す断面図である。
【図２ａ】  図2aは、本発明による平面電界放出型平板ディスプレイ(KFED)の単位構造示す断面図である。
【図２ｂ】  図２ｂは、図２ａのKFEDの単位構造において、低仕事関数物質をカソードの上に塗布したことを示す断面図である。
【図２ｃ】  図２ｃは、製作工程を考慮した図２ｂの一部変形構造を示す断面図である。
【図２ｄ】 図２ｄは、カソードとチャンネル絶縁層との間に低仕事関数の特性を有する低仕事関数物質を塗布した断面図である。
【図３】  図３は、図２ａ乃至２ｃの単位構造にかかる電子放出(electron emission)と発光(luminescence)を説明する図面である。
【図４】  図４は、図２の単位構造にかかるカソードに抵抗層(resistance layer)を形成することを示す図面である。
【図５】  図５は、図４の単位構造にかかるゲイト電極に抵抗層を形成することを示す図面である。
【図６】  図６は、電界強さを高めるために多様なカソード構造を断面図と平面図にて示す図面である。
【図７ａ】  図７ａは、KFEDの単位構造において、ゲイトとカソードを導線を通って連結した場合形成される閉ループと金属間の接合に存在する電荷と電場を示す図面である。
【図７ｂ】  図７ｂは、図７ａの単位構造において、カソードとチャンネル絶縁体の間と、ゲイトとチャンネル絶縁体の間とに低仕事関数物質を形成する構造を示す図面である。
【図８】  図８は、KFEDの単位構造において、ゲイトとカソードの間に1Vを印加した時電位の変化を有限要素法(finite element method)を用いて実験した結果を示した図面である。
【図９ａ】  図９ａは、アノ-ドによる高電圧から放出部位(emission spot)を保護するために、カソード電子放出部位から保護ケイトが突出させたKFEDの単位構造を示す図面である。
【図９ｂ】  図９ｂは、図９ａの構造において、カソードに低仕事関数物質を塗布することを示す図面である。
【図９ｃ】  図９ｃは、図９ｂの構造において、ゲイト電極とカソードに抵抗層を形成することを示す図面である。
【図１０】  図１０は、図９ｂの単位構造にかかる電子放出(electron emission)と発光(luminescence)を説明する図面である。
【図１１】  図１１は、両面型電界放出型平板ディスプレイの構造を複数の画素に対して示す図面である。
【図１２】  図１２は、カソードをストライプ(stripe)形態で構成した両面型電界放出型平板ディスプレイの構造を複数の画素に対して示す図面である。
【図１３ａ】  図１３ａは、一体型KFED(integrated type KFED)にかかる電子放出(electron emission)と発光(luminescence)を説明する図面である。
【図１３ｂ】  図１３ｂは、図１３ａにかかる一体型KFEDの構造を示す正面図である。
【図１４】  図１４は、反射型KFEDの構造を複数の画素に対して示す図面である。
【図１】
0003936841.tif 000003
【図２ａ】
0003936841.tif 000004
【図２ｂ】
0003936841.tif 000005
【図２ｃ】
0003936841.tif 000006
【図２ｄ】
0003936841.tif 000007
【図３】
0003936841.tif 000008
【図４】
0003936841.tif 000009
【図５】
0003936841.tif 000010
【図６】
0003936841.tif 000011
【図７】
0003936841.tif 000012
【図８】
0003936841.tif 000013
【図９ａ】
0003936841.tif 000014
【図９ｂ】
0003936841.tif 000015
【図９ｃ】
0003936841.tif 000016
【図１０】
0003936841.tif 000017
【図１１】
0003936841.tif 000018
【図１２】
0003936841.tif 000019
【図１３ａ】
0003936841.tif 000020
【図１３ｂ】
0003936841.tif 000021
【図１４】
0003936841.tif 000022