(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の平面に配置される複数の液晶画素（１３５）と、そして
前記第１の平面とほぼ平行であり且つそれに近接する第２の平面に配置され、その各々が薄膜エッジエミッタと高電圧蛍光体とを使用したランプである、複数のフィールドエミッタアレイ（１４１，１４２及び１４３）と
を具備するフラットパネル表示装置において、
前記複数のフィールドエミッタアレイのうち少なくとも１つのフィールドエミッタアレイは、その少なくとも１つのフィールドエミッタアレイが前記複数の液晶画素の各液晶画素に対してほぼ連続するバックライトとして機能するように、各液晶画素に配置されている、
ことを特徴とするフラットパネル表示装置。
【請求項２】
前記複数の液晶画素に接続する第１の複数のアドレス線（行アドレス）と、
前記複数のフィールドエミッタアレイに接続する第２の複数のアドレス線（列アドレス）と
をさらに具備し；
各液晶画素に対しほぼ連続するバックライトとして機能する少なくとも１つのフィールドエミッタアレイは、前記第２の複数のアドレス線のうち１本のアドレス線からの信号に従って、少なくとも３つの異なる色から成る色グループの中の１つの色の光を発することができ、
各液晶画素は、前記第１の複数のアドレス線のうち１本のアドレス線からの信号に従って、近接するフィールドエミッタアレイからの色のスポットを受け渡して、特定の輝度を観察者に供給することができ、且つ
前記複数の液晶画素は第１の平面にフルカラー表示を生成することができる請求項１記載のフラットパネル表示装置。
【請求項３】
前記複数の液晶画素と、前記複数のフィールドエミッタアレイとは、辺を有し、ある１つの色を発生することができる各画素が辺に沿って、その色とは異なる色を発生することができる画素と境を接するように配列されており；且つ
前記複数の液晶画素の各画素は可変輝度で色を発生することができるグレイスケール画素である請求項１記載のフラットパネル表示装置。
【請求項４】
前記複数のフィールドエミッタアレイの各フィールドエミッタは、
電子を放出する陰極と、
電子を受け取る陽極と、
前記陰極から放出される電子が入射したとき、蛍光面上の蛍光体の種類により決定されるある１つの色の光子を発射するように、前記陽極に配置される蛍光画面と、
前記陰極から放出される電子の強さを制御する制御電極とを具備する請求項１記載の表示装置。
【請求項５】
前記複数の液晶画素の各液晶画素は、前記液晶画素に印加される信号に従って可変グレイスケール出力を発生する複数の部分画素（たとえば、１６２，１６３，１６４及び１６５）を含み、その信号の大きさ指示に従って、部分画素が全く活性化されない状態から複数の部分画素の全てが活性化される状態までその状態が決まる、請求項１記載のフラットパネル表示装置。
【請求項６】
前記フィールドエミッタアレイは少なくとも１つのフィールドエミッタを具備する、請求項１記載の表示装置。
【請求項７】
少なくとも１つのフィールドエミッタは薄膜エッジフィールドエミッタである、請求項６記載の表示装置。
【請求項８】
薄膜エッジフィールドエミッタは、
電子を放出する陰極と、
陰極に接続し、陰極へ流れる電流を制限する抵抗器素子と、
陰極により放出される電子を吸引する陽極と、
陽極に近接し、陽極により吸引された電子が入射し、入射した電子によって発生した光を射出する蛍光画面とを具備する請求項７記載の表示装置。
【請求項９】
陰極はくし形構造を有する請求項８記載の表示装置。
【請求項１０】
蛍光画面により射出される光の色は蛍光画面上の蛍光体の種類によって決定される請求項９記載の表示装置。
【請求項１１】
薄膜エッジフィールドエミッタは、陰極により放出される電子の強さ及び／又は方向を制御する制御電極を具備する請求項７記載の表示装置。
【請求項１２】
薄膜エッジフィールドエミッタは、陰極により放出される電子を陰極に集束する合焦電極を具備する請求項１１記載の表示装置。
【請求項１３】
薄膜エッジフィールドエミッタは、陰極により放出される電子の強さ及び／又は方向をさらに制御する第２の制御電極を具備する請求項１２記載の表示装置。
【請求項１４】
薄膜エッジフィールドエミッタは、抵抗素子と並列に接続されて、振幅が変化する電流信号を陰極へ導く容量性素子をさらに具備する請求項１３記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は表示装置に関し、特にアビオニクス用表示装置に関する。さらに特定すれば、本発明は、電力消費が少なく且つ分解能と輝度が高いフラットパネル液晶表示装置に関する。
利用可能な電子表示装置のうち、最新のアビオニクス用表示装置に要求される上記の特徴に適合するものはない。陰極線管（ＣＲＴ）は高い発光効率を有し、コントラスト比にすぐれ、観察角度の点でもすぐれている。ところが、ＣＲＴの欠点は電子銃が大型であることと、偏向増幅器が使用する電力が多いことの２つである。平面ＣＲＴを開発するために、長年にわたり多くの労力が費やされた。開発における２つの方式は、第１に、電子銃を陰極線管の面と平行になるように折りたたむ方式と、第２に、面陰極及びグリッドシステムによって画素ごとに電子ビームを発生する方式である。これらの方式のうち、第１のものはＳＯＮＹ  ＷＡＴＣＨＭＡＮで実現され、第２のものはＩＳＥの真空蛍光表示装置（ＶＦＤ）で使用された。これらは、上記のような方式を商用に適用して成功した唯一の例であった。
その他には、面陰極として円錐形電界エミッタアレイ（ＣＦＥＡ）を使用することも提示されている。しかしながら、ＶＦＤとＣＦＥＡは、共に、高電圧陽極回路を採用することにより陰極線ルミネセンスを得ることができる発光効率の高い蛍光体を使用していない。ＣＦＥＡ装置の場合、エミッタ先端の電界形成と、電子により表面から脱着される粒子によるエミッタ浸食とに起因する信頼性の問題があるため、高電圧陽極を使用できない。
輝度が高く、発光効率が高く且つ観察角度にすぐれているなどの陰極線ルミネセンスの利点を保ちつつ、小型で薄く、ランダムにアドレス可能であり、消費電力が少ないという特徴を有する装置が必要とされる。
発明の概要
本発明は表示装置において望まれる上記の特徴の全てを提供する。これは、１つ又は複数の陰極線ルミネセンス画面に対する電子源としてマトリクスアドレス可能（液晶画素ごとに個別のランプとして機能する場合）薄膜エッジ電界エミッタの二次元アレイを有する薄膜エッジ電界エミッタアレイ（ＦＥＡ）ランプを備えた液晶表示装置である。以前の電界エミッタアレイと比較した場合の本発明のランプの利点は、エミッタの曲率半径が膜蒸着によって決まるために、均一性が増し且つ電流密度が増加することと、電流バイアス用の直列抵抗器を実現するのが容易になったことと、製造コストを低減させる集積回路（ＩＣ）及びマイクロ加工プロセスに基づく製造工程であることと、信頼性と歩留まりを向上させるオンチップ合焦電極を使用することによりエミッタの焼損が排除されることと、高電圧蛍光体の使用によって発光効率が高くなることである。
本発明のその他の利点は、電圧の上昇に伴って電子放出電流が指数関数をもって増加し、その結果、薄膜エッジエミッタ及び高電圧蛍光体の使用によって高い輝度と、大きなダイナミックレンジと、高い相互コンダクタンスが得られるために、輝度とコントラストが高いことである。また、各々の液晶画素は１００を越える放出エッジを有する電界エミッタアレイランプから構成されており、そのため、高度の冗長性が得られるので、製造時の歩留まりが高くなる。画面電圧が１５キロボルト、発光効率は２０ルーメン／ワットであると仮定すると、１０００ｆＬの輝度に対して要求される電流密度は５μＡ／cm2未満であるにすぎない。電流等化抵抗素子は１回の障害がランプ又はランプの列をプルダウンするのを阻止するので、十分な欠陥許容度をもつ電界エミッタアレイランプ液晶表示装置製造プロセスが実現される。
アレイランプのエッジエミッタは、電界形成や粒子によって誘起される脱着エミッタ浸食の不都合な影響を受けない。従って、高電圧蛍光体を使用しても、信頼性の問題は起こらない。このため、より効率の良い蛍光体を使用できるので、同じ輝度であっても、より低い電力での動作が可能になり、放出される電子を高い分解能で近接集束できる。高電圧蛍光体はそれほど電流を必要とせず、発光効率の高い蛍光体によって電力消費量が少なくなるので、このような蛍光体の寿命は長い。
電界エッジエミッタアレイは、単色液晶表示装置又はカラーフィルタを有するカラー液晶表示装置において、通常の蛍光ランプの代わりに液晶表示装置用のバックライトとして機能するランプである。電界エミッタアレイのそのような用途は、アクティブマトリクス液晶表示装置並びに画素スイッチング薄膜トランジスタをもたない受動形表示装置であろう。
電界エミッタアレイランプは、１５０〜２５０フット・ランバートの表示輝度を発生するために５０００フット・ランバートの明るさを要求するアビオニクス用表示装置のバックライトを構成する能力を有する。現在の一般的なバックライト技法は、すぐれた均一性を得るために反射体、コリメータ及びディフューザなどの光学素子を必要とする管状蛍光ランプであるが、１ワット当たり１０ルーメン未満の低い発光効率を有する大型のバックライトになってしまう。しかしながら、中空の陰極を有する高価な輝度の高い平坦な蛍光ランプは光学素子のいくつかを使用せずに済み、１ワット当たり１６ルーメンの発光効率と、３０００フット・ランバートの輝度を有することができる。しかし、輝度の高い蛍光ランプは、陰極の浸食が重大であるために、通常はわずか１０００時間の寿命しかもっていない。蛍光バックライトは、通常は、耐えがたいほどの効率の低い放電を回避するようにコールドスポット温度を摂氏約４３度に調整するために、熱電装置と温度制御装置を必要とする。アビオニクス用及び宇宙用の液晶表示装置で使用される蛍光ランプはコールドスポット温度を調整するために熱電装置と温度制御装置を必要とし、また、蛍光ランプを低温で始動できるようにするため、ヒータと制御装置を必要とする。さらに、調光のために安定回路が必要であり、照明の均一性を得るためにディフューザが必要であるので、このランプの輝度は低く、発光効率も低い。
電界エミッタアレイのバックライト又はランプは、蛍光バックライトでは必要なディフューザを含む光学素子や、冷却装置及び加熱装置を必要としない。電界エミッタアレイは、電界エミッタの相互コンダクタンスが高いために、単純な調光制御回路を有する。電界エミッタアレイでは、蛍光ランプと比べて寿命は長く、信頼性は高い。電界エミッタアレイランプと、蛍光ランプは、それぞれ、液晶表示装置に設けられるディフューザの後で５０００フット・ランバートと、３０００フット・ランバートを示し、１２．５ワットと、１８ワットの使用で、１ワット当たり２５ルーメンと、９ルーメンの発光効率である。
【図面の簡単な説明】
図１は、電界エミッタアレイバックライトを有する液晶表示装置を示す。
図２は、３色電界エミッタアレイバックライト液晶表示装置を順序付けするための電子回路を示すブロック線図である。
図３は、個別画素電界エミッタ照明方式を示す。
図４は、３色電界エミッタ画素照明パターンを表わす。
図５ａは、３色単一画素電界エミッタ光を示す図である。
図５ｂは、３色電界エミッタ順序付けストリップ構成を示す。
図５ｃは、３色電界エミッタ加法混色ストリップ構成を示す。
図６は、マルチドメインハーフトーングレイスケール表示装置の製造時に使用される４つの部分画素を伴う画素の概略図を示す。
図７ａは、様々な大きさの制御コンデンサを伴う部分画素を有する画素の切取り図である。
図７ｂは、図７ａの画素の電気等価回路である。
図８は、基本くしの歯形エッジ電界エミッタを示す。
図９ａ及び図９ｂは、エミッタの縁部を示す。
図１０は、エミッタの斜視図を示す。
図１１及び図１２は、別の種類のエミッタの図を示す。
図１３は、エミッタの側面切取り図である。
図１４は、図６の横断面図である。
図１５ａ〜図１５ｃは、エミッタの３つのくし形構造を示す。
図１６は、エミッタのアレイレイアウトを表わす。
図１７は、薄膜エッジエミッタの横断面図である。
図１８は、液晶表示装置における電界エミッタの場所を示す。
図１９は、液晶画素の個別ランプとして使用される電界エミッタアレイの構造の一部である。
図２０は、電界エミッタの微細構造の斜視図である。
図２１は、電界エミッタアレイの製造のフローチャートである。
図２２は、積層エミッタ構造を示す。
図２３は、二重制御電極エミッタ構造を示す。
図２４は、単一制御電極エミッタ構造を示す。
図２５は、電界エミッタと同じ基板上に個別低電圧蛍光画面を有する平面薄膜エッジ電界エミッタを表わす。
実施形態の説明
図１では、電界エッジエミッタアレイは、単色液晶表示装置又は複数のカラーフィルタを有するカラー液晶表示装置において、通常の蛍光ランプの代わりに、液晶表示装置１３４のバックライト１３０として機能するランプである。電界エミッタアレイのこのような用途は、アクティブマトリクス液晶表示装置並びに画素スイッチング薄膜トランジスタをもたない受動形表示装置であろう。
カラーフィルタをもたないカラー液晶表示装置を実現するために、いくつかの電界エミッタアレイをバックライトとして使用しても良い。たとえば、図２では、赤，緑，青をそれぞれ発するバックライト１４１，１４２及び１４３としての３つの電界エミッタアレイは、画素アドレス指定用電子回路１３８から信号を受信する順序付け用電子回路１３６により、画素１３５の切り替えと同期して液晶表示装置１３４による画像を受け、フルカラー表示を得る。適用可能な順序付け方式とアドレス指定方式の分類は当該技術に含まれている。画素アドレス指定用電子回路１３８は、画像データ源１４０からの画像を表示するために画素１３５のスイッチングを実行する列アドレス信号及び行アドレス信号を発生する。赤色バックライト１４１は赤色の画像テンプレートを表示するときにオンし、緑色バックライト１４２は緑色の画像テンプレートを表示するときにオンし、青色バックライト１４３は青色の画像テンプレートを表示するときにオンする。画像テンプレートは１つのフレームの三分の一ずつを変化させる。フレーム周波数は毎秒６０ヘルツである。従って、１秒の１／１８０の時間だけ各テンプレートは存在し、各々のバックライトはオンしている。赤色テンプレートと、緑色テンプレートと、青色テンプレートが一順すると、フルカラー画像が生成される。
図５ｂは、図２に類似する順序付けストリップ構成である。しかしながら、バックライト１４１，１４２及び１４３の形態が図５ｂにおいては図２のバックライトと同様に順序付けされるストリップの形態をとっているという点で異なる。電界エミッタのストリップ１４１，１４２及び１４３は、図２のシステムに関して説明したようなテンプレートのシーケンスに従って、赤，緑，青の光を一度に１色のみそれぞれ射出する。ストリップは基板上に液晶パネル１３４と平行に、それと隣接して位置していても良い。設計の都合で、ストリップをパネル１３４の画素１３５の列又は行と同じ方向に整列させても良い。ストリップが列と整列されていても、又は行と整列されていても、ストリップの幅は列又は行と同じ大きさでなくとも良い。ストリップの幅は列又は行の幅の２倍までの幅であれば良い。「オン」状態である電界エミッタアレイストリップの光は、それぞれのテンプレートの持続時間中にパネル１３４の全体が１つの色で点灯されるように、あふれる（ｓｐｉｌｌ  ｏｖｅｒ）ものと予期される。１色のストリップ光が射出されているときにパネル１３４の全体を一様に点灯するように光をその他の列又は行へ拡散又は散布するために、電界エミッタアレイストリップとパネル１３４との間にディフューザ層１４５が挿入されている。
図５ｃには、液晶表示装置１３４の電界エミッタアレイ加法混色ストリップ構成を示す。ストリップ１４１，１４２及び１４３はパネル１３４の画素の列又は行のいずれかと整列されれば良い。電界エミッタアレイストリップは、パネル１３４と平行であり且つそれに隣接する基板の上にあっても良い。順序付けストリップ構成の場合と同様にあふれ又は漏話を許容しえないので、ストリップ１４１，１４２及び１４３は画素１３５の列又は行と同じ幅を有していなければならない。射出された光が対応するストリップと整列されている画素１３５の列又は行にのみ達するようにそのストリップの光をコリメートするために、電界エミッタアレイストリップ基板とパネル１３４との間に光コリメート層１４６が挿入されている。全てのストリップ１４１，１４２及び１４３は電源１４８に接続し、液晶表示パネル１３４が「オン」状態である全ての時間にわたって光を発する。３色の３つの画素１３５は加法混色されて、カラー表示装置に各々のカラースポットを生成する。画素１３５はパネル１３４を介する光の通過を制御する。
さらに、電界エッジエミッタアレイはカラー液晶表示装置１３４を照明する個々の画素１３５の不可分の一部となっている。カラーフィルタの代わりに、各画素１３５は、図３に示すように、その画素に近接する少なくとも１つの電界エミッタアレイ又はバックライト（赤色）１４１，（緑色１４２）又は（青色）１４３を有する。所定画素の１つの辺に隣接する各画素１３５は、所定画素の電界エミッタアレイとは異なる色の電界エミッタアレイを有する。たとえば、図４において、赤色電界エミッタアレイを有する中央の画素は青色電界エミッタアレイを有する２つの画素と、緑色電界エミッタアレイを有する２つの画素とに隣接している。所定の色について電界エミッタアレイからの光の色を正しく混合させるために、赤，緑，青の３つの画素をそれぞれの比例量でターンオンする。あるいは、図２の３色バックライト構成と同様に、色に応じて画素１３５のランプを順次動作させても良い。各画素の領域内に赤，緑，青の光の電界エミッタを有する別の方式もある。光の輝度と画像の制御を行い、さらに多くの効果を得るために、各々の電界エミッタアレイを対応する画素と同期して制御し、スイッチングしても良い。
前述のように画素ごとに１つの電界エミッタアレイしかないであろうが、電界エミッタアレイの光が隣接する画素へもあふれるように電界エミッタの光を関連する画素に対して製造できるので、表示装置に所望のカラースポットを生成するために３つの画素をスイッチオンするのではなく、所定の１つの画素について電界エミッタアレイを組合わせてスイッチオンして、特定の１色を生成しても良い。
別の構成は、図５ａのように、各画素領域の中に２つ以上の電界エミッタアレイが存在するという構成である。たとえば、赤，青及び緑のような３つの異なる色の光、あるいは赤，青及び／又は緑を除く複数の色の他の何らかの組合わせを発生することができるように、画素ごとに少なくとも３つの電界エミッタアレイがあっても良い。その場合、画素ごとに、画素と電界エミッタアレイに接続する行アドレス線及び列アドレス線により指示される通りに、所望の又は必要な画素色を提供するために、電界エミッタアレイは対応する画素と共に適切にスイッチングされれば良い。
電界エミッタアレイの画素色照明は単色（すなわち、カラーフィルタをもたない）グレイスケール液晶表示装置に適用可能である。電界エミッタアレイは基板上に別個に製造でき、電界エミッタアレイ色照明液晶表示装置を得るために、それらを液晶表示装置と近接させても良い。一方、電界エミッタアレイと液晶表示装置を周知の集積回路技法を使用して１つのユニットとして一体に製造しても良い。
現在の電界エミッタアレイランプ技法を適用できる液晶表示装置は、アクティブマトリクス表示装置並びにバッシブマトリクス表示装置である。アクティブマトリクス形表示装置は、特徴として、性能向上を目的として各画素をスイッチオン，スイッチオフする薄膜トランジスタを有する。しかしながら、パッシブマトリクス液晶表示装置の場合と同様に、トランジスタなしで直接に各画素をスイッチングしても良い。
図６，図７ａ及び図７ｂは、マルチドメインハーフトーン表示装置の画素１３５の１例を示す。まず最初に、約４３ミルの厚さの第１のガラス基板１８６の上に、制御コンデンサを伴うハーフトーン部分画素を有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイを製造する。部分画素１６２，１６３，１６４及び１６５の制御コンデンサＣ1，Ｃ2，Ｃ3及びＣ4は、部分画素１６２，１６３，１６４及び１６５を規定する第１の酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極１６１（ＴＦＴのドレイン１６０に接続している）と第２のＩＴＯ電極１６７との重なり合いの面積を変化させることによって製造される。第１のＩＴＯ層１６１と第２のＩＴＯ層１６７は約１０００オングストロームの厚さであり、制御コンデンサ誘電体１９２によって分離されている。任意に、ＩＴＯ層１６１をＩＴＯ層１６７の＃１の部分画素１６２の部分に接続するビア１６６（図６に示す）が設けられる。このビア接点１６６は、部分画素１６２をターンオンするために、ＩＴＯ層１６１とＩＴＯ層１６７の部分画素１６２の部分との間のキャパシタンスＣ1に従うのではなく、ＴＦＴからのデータ電圧の全てを＃１の部分画素１６２に印加させる。ビア１６６は制御コンデンサＣ1を短絡する。誘電体層１９２は約５０００オングストロームの厚さであり、二酸化シリコンから製造されている。
図７ｂの等価回路１９６のキャパシタンスＣLCは、第１の基板１８６上の個々の部分画素電極として機能する第２のＩＴＯ層１６７と、図７ａの誘電体としての液晶材料１９０を伴う第２のガラス基板１８８上の共通電極として機能する第２のＩＴＯ層１９４との間のキャパシタンスである。第２のガラス基板１８８は約４３ミルの厚さを有し、共通電極層１９４は約１０００オングストロームの厚さを有する。白色電界エミッタアレイバックライトを利用する場合、構造１８４がカラー表示のためのものであれば、第２のガラス基板１８８と電極１９４との間にカラーフィルタアレイ１６９がある。この場合、カラーフィルタアレイ１６９は約２〜３ミクロンの厚さであり、赤，緑及び青の染料を含有するポリイミドから形成されている。液晶材料１９０には、それぞれが約５００〜１０００オングストロームの厚さである第１及び第２のポリイミドアライメント層１９５及び１９７が密接に接している。第１のポリイミドアライメント層１９５はＩＴＯ層１６７の上に形成され、第２のポリイミドアライメント層１９７は共通電極ＩＴＯ層１９４の上に形成されている。アライメント層１９５及び１９７の間の、液晶材料１９０から離れて、層１９５及び１９７の離間距離を設定し且つ液晶材料１９０のためのスペースを維持する支柱，円筒又は球などのスペーサ２１３が配置されている。第１のＩＴＯ層１６１は、ＴＦＴ２３０と共に、第１のガラス基板１８６の一方の面に形成される。第１のガラス基板１８６の他方の面には第１の補償又は遅延膜又は層１９９が形成されている。第１の補償層１９９の上に第１の偏光子２０１が形成される。第２のガラス基板１８８の上には、第２の補償又は遅延膜又は層２０３が形成される。この補償層２０３の上には第２の偏光子２０５が配置されている。第２の偏光子２０５の上に反射防止及び／又は電磁干渉防止層２０７が形成される。光を表示装置１８４を経て層２０１，１９９，１８６，１６１，１９２，１６７，１９５，１９０，１９７，１９４，１６９，１８８，２０３，２０５及び２０７を介し、観察者に到達させるために、バックライト１４１，１４２及び／又は１４３が第１の偏光子２０１に近接して配置されている。
グレイスケール能力の構成を含めて、液晶表示装置の構成と、いくつかの製造技法は以下に挙げる米国特許の中に開示されている：（１）１９８９年６月２０日発行、名称「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  ａ  Ｇｒａｙ  Ｓｃａｌｅ  Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ  ｉｎ  ａ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  ｕｎｉｔ」のＡｎｔｈｏｎｙ  Ｂｅｒｎｏｔ他による米国特許第４，８４０，４６０号；（２）１９９２年６月３０日発行、名称「Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  ｗｉｔｈ  Ｓｕｂ−Ｐｉｘｅｌｓ」のＫａｌｌｕｒｉ  Ｓａｒｍａによる米国特許第５，１２６，８６５号；（３）１９９２年１１月１０日発行、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｂａｃｋｐｌａｎｅｓ  ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  Ｇａｔｅ  Ｌｉｎｅｓ  ａｎｄ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ  Ｍｏｄｅ  ｔｈｅｒｅｂｙ」のＳｃｏｔｔ  Ｈｏｌｍｂｅｒｇによる米国特許第５，１６２，９３１号；（４）１９９３年３月２日発行、名称「Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｐｌｅｙ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｇｒａｙｓｃａｌｅ」のＫａｌｌｕｒｉ  Ｓａｒｍａによる米国特許第５，１９１，４５２号；（５）１９９３年４月２０日発行、名称「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ  ａ  Ｇｒａｙ  Ｓｃａｌｅ  ｉｎ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ」のＫａｌｌｕｒｉ  Ｓａｒｍａによる米国特許第５，２０４，６５９号；（６）１９９３年１１月２日発行、名称「Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｑｕａｒｔｚ」のＫａｌｌｕｒｉ他による米国特許第５，２５８，３２３号；（７）１９９４年９月６日発行、名称「ＳＯＩ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」のＫａｌｌｕｒｉ  Ｓｈａｒｍａ〔ｓｉｃ〕他による米国特許第５，３４４，５２４号；及び（８）１９９４年１月２５日発行、名称「Ｈｉｇｈ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｄｒｉｖｅｒｓ  ｆｏｒ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ」のＫａｌｌｕｒｉ  Ｓａｒｍａによる米国特許第５，２８１，８４０号。尚、これらの特許は参考として本出願の中に取り入れられている。ここで挙げた上記の特許は、本出願の中に記載されている本発明と同じ譲受人に譲渡されている。
図８は、液晶表示装置用の電界エミッタアレイランプで使用可能である基本くしの歯形エッジ電界エミッタ２０を示す。エミッタ２０はリード導体１を有し、外部電圧源と電気的に接続し、抵抗素子５と、電気接点２の導電素子６とを介してエミッタ構造３と接触している。リード導体１は物理的には抵抗素子５のみと接触しているのが好ましい。
エミッタ構造３のエミッタエッジ４は複数のくし形素子ｅ1…ｅnに分割されている。エミッタエッジを分割すると、焼損の問題を排除するのに有用である。エッジの長さを局限することにより、焼損の拡張は防止され、その問題は元のくし形素子に限定される。
抵抗膜５は代表的には窒化タンタル又はポリシリコンであるが、それには限定されず、薄膜構成技法によって、印加される抵抗がエミッタエッジ４と直列になるようにエミッタ構造３と接触する状態に形成される。抵抗膜は鋭い先端からエミッタエッジへの過剰な直流（Ｄ．Ｃ．）放出電流又は漂遊容量からの制御不可能な放電を制限する働きをする。
導電膜６と、酸化物又は窒化物のいずれであっても良い絶縁体１１も、それらと抵抗膜５が互いに平行となるように、薄膜技法によって抵抗膜５の上に積層させることにより得られる。抵抗膜５と、絶縁体１１と、導電膜６は、一体となって、リード導体１を介する交流（Ａ．Ｃ．）の高周波数バイパスを形成するコンデンサとして作用する。このコンデンサは、限流負荷線が非常に小さな抵抗器にであるように、高周波数マイクロ波信号の増幅を可能にし、それにより、増幅器の利得を大幅に増加させる。これは、直流電流がエミッタを損傷する可能性が抵抗器により制限されるためと；バイパスコンデンサは高周波数信号がエミッタを通過するときの別の経路を形成するためである。
図９ａ及び図９ｂは２つのエミッタエッジ６１及び６２をそれぞれ示しており、矢印はそれぞれのエッジにおける電子の流れを指示する。エッジ６１の角部は電子放出の集中を招き、故障を発生しがちであるため、隆起形のエッジ６２が現時点では好ましい。
図１０は、図８に示したエミッタの斜視図を示す。符号７で示す構造は支持層として作用する。この図には、絶縁基板層１２と、上部制御電極８及び下部制御電極９も見えている。制御電極は、陽極１０と電子を放出する陰極４との間の電流の流れを制御する側方ゲートとして動作する。
図１１及び図１２は、第２の種類のエミッタの平面図と斜視図をそれぞれ示す。この構成においては、エミッタ構造全体がくし形素子４に分割されている。各々のくし形素子ｅ1…ｅnは、それを導体接点２に接続する個別の抵抗器素子５を有する。
第２の構成の配列は、個々のくし素子を焼損させずに全体としてより多くの電流を引出すことができる。図８及び図１０に示した第１の構成では、第２の構成と比べて（２つの構成が同じ大きさであると仮定した場合に）引出せる電流の総量は少なくなるが、抵抗膜の面積が広いため、容量性結合の効果は高い。
図１３は、エミッタの２つの構成のいずれか一方を表わすと考えられる断面で示した側面図である。図１３には、導電素子６と抵抗素子５との間の誘電体材料１１と、エミッタが上面に構成される絶縁基板１２も示されている。
図１４は、図１３の線７−７に沿った詳細な側面図である。最上位置に支持層１５（窒化物であるのが好ましいが、類似する電気的特性をもつ他の周知の支持層を使用することができるであろう）がある。さらに、上部制御電極８（約２５００オングストロームのＴｉＷであるのが好ましいが、他の金属又は導電性材料も使用できるであろう）と、上部犠牲層１６（約３０００オングストロームのＳｉＯ2であるのが好ましいが、その代わりに、類似の電気的品質をもつ他の支持材料を使用できるであろう）とがあり、エミッタは２つの支持層、すなわち、窒化物１１ａ及び１１ｂから成り、厚さが約２０００オングストロームの支持層により囲まれており、エミッタｅはＴｉＷの３００オングストロームの層であるが、上記の同様の層の場合と同じように代わりの材料を使用しても良い。この下方には、構造及び厚さの点で上部犠牲層１６に類似する別の「下部」犠牲層１７と、約１０００オングストロームのＴｉＷの下部電極９がある。その構造全体が別の支持層１１（約１０００オングストローム）によって支持され、ＳｉＯ2ウェハ１２の上に配置されている。代わりに結晶質シリコンなども使用できる。
図１５ａ，図１５ｂ及び図１５ｃは、くし構造４と抵抗器素子２との組み合わせ構造の３つの代替例を示す。図１５ｄは、図１５ｂに示す構造の素子ｅの側横断面図である。
図１６は、エミッタ４１，４２，４３及び４４と、抵抗器素子２ａ，２ｂ及び２ｃとを採用するアレイの一部分４０を示す。エミッタ４１をターンオンするために、制御電極ワイヤ５０，５２及び５４（メタライゼーション又は他の電流搬送構造）と、線路６３及び６５とは接合部５１及び５３でそれぞれ接続している。このようなアドレス線５０，５２，５４，６３及び６５のマトリクスは、表示装置の液晶画素のアドレススイッチングマトリクスに匹敵するであろう。
図１７は、フラットパネル液晶表示装置でランプとして使用される薄膜エッジエミッタ７０の詳細をさらに明示する図である。基板７１の上には、約２５００オングストロームの窒化物層７２がある。層７２の上には、約１０００オングストロームの厚さのＴｉＷのゲート電極７３がある。層７２には、３５００オングストロームの酸化物の層７４がある。酸化物層７４の上には、エミッタエッジ層７６としての２００から３００オングストロームのＴｉＷを支持するために使用される１５００オングストロームの窒化物の層７５がある。エミッタエッジ層７６の上には１５００オングストロームの窒化物層７７が形成されている。窒化物層７５及び７７はエミッタ層７６を構造上支えている。層７７の上には、３５００オングストロームの二酸化シリコンの層７９がある。酸化物層７９の一部の上に、約２５００オングストロームのＴｉＷのゲート電極８０が形成されている。ゲート電極８０と酸化物層７９の上には２５００オングストロームの層８１が形成されている。
ゲート電極７３及び８０と、窒化物層７２，７５，７７及び８１の縁部は、エミッタエッジ層７６の放出エッジとほぼ整列している。エミッタエッジ７６と直列に接続する抵抗器であると有効な抵抗性金属を介してエミッタ制御部を形成するために、層７７，７９及び８１にはビアがエッチングされている。金属７８はＴａＮである。酸化物層７４及び７９はエミッタエッジ層７６の放出エッジから約０．５ミクロンエッチングバックされている。基板７１上には、エミッタエッジウェハ７０とは離間して、約２５００オングストロームの窒化物層８２も形成されている。この層８２の上には、約０．５ミクロンのＴｉＷの層である陽極８３が形成されている。層７３，７６，８０及び８３の金属はＴｉＷ以外であっても良いが、異なる金属から成るそのような層の相互間で起こると考えられる電気化学的反応を阻止するように、類似する仕事関数を有する必要がある。陽極８３は、エミッタエッジ７６から放出される電子に対して合焦電極として機能する。陽極８３は、最適の集束を得るために、エッジ７６から約１．５〜４ミクロンの距離で調整自在である。
エミッタ７０は、図１０及び図１２にそれぞれ示したアセンブリ２０及び２１のように、複数の歯を有するくしの歯形エミッタとして形成されても良い。エミッタの歯の数は重要ではないが、ランプとしての好ましい数は図１８の電界エミッタ８４が有しているような４つであろう。エミッタの各々の歯は約４ミクロンの幅を有する。エミッタ８４は約３０ミクロンの寸法８７を有し、各辺で１００から３００ミクロンの寸法８９を有するランプ８８を構成するエミッタの１つである。画素ランプ８８の二次元アレイはマトリクス形アドレス可能ランプアレイ９０を構成し、これは分解能と、画素サイズとにより決定される寸法９１を有する液晶表示装置の画素アレイに匹敵する。
図１９は、基板７１上に配置された電界エミッタ８４を有するアレイ１００の構造の一部を示す。列アドレス導体ストリップ９２と、行アドレス導体ストリップ９３は、平面外画面９７に到達する電子を放出するためにターンオンされるべき特定のエミッタアレイ８８を選択する。ストリップ９２は電界エミッタ８４のゲートに接続し、ストリップ９３は電界エミッタ８４の抵抗器／エミッタに接続している。画面９４はガラス板又は基板９５から構成されている。ガラス板又は基板９５の上には蛍光体層９６が形成され、その蛍光体層９６の上に、電子のビーム９８に対して透明であるが、電気信号を導通する薄いアルミニウム（Ａｌ）層９７が形成されている。層９７は電圧源の正端子に接続しており、電圧源の他方の負端子は各々のエミッタ８４に接続している。放出した電子９８は陽極９７を通過するときに蛍光体層９６に入射する。蛍光体層９６に放出電子９８が入射すると、放出された電子９８が入射した領域で層９６は光子を放出し、その結果、観察者に対して光の可視表示が形成される。上記の画面構成は主に高電圧蛍光体に使用される。低電圧蛍光体に主に使用される別の構成においては、層９６は、電気信号を導通するが光に対して透明であり、ガラス板又は基板９５の上に形成される酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜であっても良く；層９７は電圧源の正端子に接続する層９６の上に形成された蛍光体であっても良い。電圧源の他方の負端子は各々のエミッタ８４に接続している。膜又は層９６は、エミッタ８４の放出電子を収集する陽極である。放出電子９８は陽極９６へ向かうときに蛍光体層９７に入射する。放出された電子９８が蛍光体層９７に入射すると、放出電子９８が入射した領域で層９７は光子を放出し、その結果、観察者に対して光の可視表示が形成される。画面９４は誘電体スペーサ９９により、基板７１との間隔を２００ミクロンから１００００ミクロンに保ちつつ基板７１と平行に支持される。
図２０には、無線周波数（ＲＦ）増幅のためにアレイで使用しうる真空超小型電子電界エミッタマイクロ構造１０１の構成がある。薄膜エッジエミッタ１０２は制御電極１０３及び１０４の間にはさまれている。電子はエミッタ１０２から側方へ放出されて、陽極１０５でエミッタ１０２から数ミクロン離れて集束される。構造１０１は、図２１の簡略化された工程に概要を示すように、シリコン集積回路（ＩＣ）パターニング技法と表面マイクロ加工とを組合わせた工程によって製造される。
図１９のアレイ１００の電界エミッタ構造８４は図２０の構造１０１に類似している。しかしながら、構造１０１の陽極１０５は合焦電極であろう。構造１０１のエミッタエッジ１０２は複数のくし素子１０６に分割されており、各エミッタくし素子、すなわち、フィンガ１０６は電流等化抵抗層又は素子１０７に個別に接続している。抵抗素子１０７は各フィンガ１０６の直流電流を制限することにより、放出エッジ１０２の電子泳動とバーンアウトを阻止する。フィンガ１０６に対してくし形抵抗器１０７を有する薄膜エッジエミッタ構造１０２はエミッタごとに個別のバイアスを可能にすることにより、いくつかの短絡が線間電圧をプルダウンするのを阻止する。側方直列抵抗器１０７は、製造工程のわずかなばらつきの影響を受けない。薄膜エッジエミッタ１０２の固有キャパシタンスは低い。エミッタ１０１の応答時間を速くするために、バイパスコンデンサ１０８によりフィンガの直列抵抗器１０７を適切な周波数でバイパスすることができる。
低電圧放出に対して高い電界を得るために、エミッタエッジ１０２のフィンガ１０６は薄くなければならない（すなわち、２００オングストローム未満）。理想的なエミッタ構造は非常に薄い放出エッジを有するテーパ形側方エミッタであるが、薄膜エッジエミッタ形態でこれを得るのは困難である。図２２は、薄膜エッジの鋭さという利点を厚膜の電流搬送能力と組合わせた妥協の産物としての積層エミッタ構造１０９を示す。ＬａＢ6，ＣｅＢ6，Ｃ５注入Ｗ１又はＣｓ注入ＴｉＷから成る仕事関数の小さいエミッタを使用することにより、動作ゲート電圧は妥当な低さに保持される。
薄膜エッジエミッタに基づくいくつかの電界エミッタ構造はランプに適している。その１つが図２３の二重制御電極構造１１０であるが、これはＲＦ増幅のために使用される真空トランジスタに似ている。エミッタ１１２はエミッタ１１２の上方の上部制御電極１１３と、基板１１８上の、エミッタ１１２の下方に配置された下部制御電極１１４との間に対称に配置されている。電極１１３及び１１４は電子放出１１６の強さを制御するゲートである。電極１１３及び１１４は、それぞれ、エミッタ１１２から０．５ミクロン離間している。真空トランジスタの陽極は、基板１１８上に配置される合焦電極１１５として使用され、これはエミッタ１１２に関して−２０ボルトと−５０ボルトの間、典型的には−３５ボルトでバイアスされる。電極１１５はエミッタ１１２から約４ミクロン離れている。エミッタ１１２はゼロボルトに設定され、制御電極１１３及び１１４は約＋１００ボルトに設定される。電極１１５に対する負バイアスは電子１１６を側方方向から画面１１７に向かう垂直方向に切替える。画面１１７は、上面にＩＴＯ層１２０が形成されたガラス板１１９を有する。ＩＴＯ層１２０は電子１１６に対して陽極、すなわち、コレクタとして接続している。ＩＴＯ層１２０の上には蛍光体１２１の層が形成されている。蛍光体層１２１は平行な基板１１８から約２５００ミクロン離間している。コレクタ１２０は正の２０００ボルト（すなわち、１ミクロン当たり８ボルトの電界）でバイアスされる。電子放出１１６の電子エネルギーの広がりは約０．１電子ボルト（ｅＶ）であり、放出角度は±４５度である。
もう１つのランプ電界エミッタ構造は図２４に示す単一制御電極構成である。この構成１２２は図２３の構成１１０と同じ素子、同じ物理的寸法、同じ電圧条件及び同じ動作特性を有する。唯一の相違点は、構成１２２には下部電極又はゲート１１４がないことである。合焦電極１１５の位置と高さは電子１１６のコリメーションに影響を及ぼす。電極１１５の最良の位置は構成１１０についてはエミッタ１１２の下方にあり、構成１２２については上部制御ゲート１１３と同じ高さにある。電子は構成１２２においてより良くコリメートされているように見える。構成１１０及び１２２は、共に、蛍光画面１２１の電子１１６の衝撃によって脱着されるエネルギー粒子によるエミッタ１１２の浸食の影響をほとんど受けない。
蛍光体層１２１は陽極として動作し、ガラス上に蒸着されても良い。この後に、導電層であり且つ反射体としても作用するＡｌの薄い層１２０が続いても良い。動作中、放出された電子は陽極１２１へと進み、電子が蛍光画面１２１に入射したとき、発光放出を発生させる。輝度は交流電圧と電流密度に比例し、蛍光体の寿命は付着電荷密度に反比例するので、高電圧蛍光体は低電圧蛍光体よりはるかに良い。次の表は低電圧陰極発光蛍光体と、高電圧陰極発光蛍光体の特性を比較したものである。
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図１９では、蛍光画面は個々のエッジエミッタアレイ８４の一部である。アレイ１００は、画面９４が有する蛍光体９７の種類に応じて、いくつかの色のうち１色を発することができる。上記の表は赤，緑及び青の色の光を発する蛍光体を得るために使用される材料の例を挙げている。電界エミッタ８４のアレイの画素８８は、図１９の場合と同様に蛍光画面９４と共に、赤，緑又は青の光を発するように設計されても良いが、適切な蛍光体を使用すれば別の色の光でも発する。従って、フルカラーの電界エミッタ照明液晶表示装置を得るために、赤，緑及び青の画素をマトリクス形アドレス可能画素アレイ９０に配置することができる。たとえば、所定の１色の各画素がその他の色の画素と境を接するような画素レイアウトでも良い。３色マトリクスアレイや４色マトリクスアレイのためのカラー画素フォーマットの例は、本明細書の中にも参考として取り入れられている１９８９年１月２４日発行、名称「Ｆｏｕｒ  Ｃｏｌｏｒ  Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ  Ｓｅｑｕｅｎｃｅ  Ｍａｔｒｉｘ  Ａｒｒａｙ  ｆｏｒ  Ｆｌａｔ  Ｐａｎｅｌ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ」のＬｏｕｉｓ  Ｓｉｌｖｅｒｓｔｅｉｎ他による米国特許第４，８００，３７５号などの関連技術の中に記載されている。
寿命の点を考えると、低電圧蛍光体より高電圧蛍光体のほうが良い。対処しなければならない問題は、陽極の高電圧に起因する誘電体スペーサの破壊である。しかしながら、誘電体スペーサ（図１９）の電界は２００００ボルトでは１０5Ｖ／cm未満であるので、誘電体の破壊は問題とはならないはずである。
第３のランプ電界エミッタ構造は図２５のオンチップ蛍光画面構成１２４である。構成１２４は構成１１０を基礎にしている。基板１１８の、先の合焦電極１１５の領域に１．０から２．５ミクロンの深さの溝１２５を（マイクロ加工によって）エッチングする。溝１２５に陽極１２３を堆積させる。陽極１２３を堆積した後、ｅビーム蒸着とリフトオフにより蛍光体層１２７を規定する。電子１２６はエミッタ１１２から蛍光画面１２７及び陽極１２３に向かって進み、表示観察のために光子を放出する。側方では、陽極１２３はエミッタ１１２の最も近い縁部から２〜１０ミクロン離れている。陽極１２３の電圧は、ゼロ電圧にあるエミッタ１１２に対して正の５００ボルト以上である。上部制御ゲート１１３と下部制御ゲート１１４は１００ボルトであり、エミッタ１１２に対して図２３の構成１１０と同様に位置している。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７ｂ】
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【図７ａ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１１】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１５ｄ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２１】
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【図２５】
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【図２３】
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【図２４】
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