JP2752014B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、薄型の画像表示装置、
即ち平面パネルディスプレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化に即応して数多くの情報機
器やＯＡ機器が開発されている。画像表示装置として
は、色、輝度、コントラスト及び分解能に対して良好な
性能を有する陰極線管が通常用いられているが、近年の
情報量の増大やパ−ソナル化、軽薄短小の市場ニ−ズに
対応するために各種の薄型パネルディスプレイの開発が
急速に展開されている。

【０００３】薄型パネルディスプレイとしては、電界放
出型冷陰極のマイクロガンをマトリクス状に配列した平
面パネルディスプレイが注目されており、一例としてR.
Heyer らの「Microtips Fluorescent Display 」が「Ja
pan Display 1986」コンファレンスにおいて提案されて
いる。この種のマイクロガンは、モリブデンの複数のチ
ップにより構成され、チップの上方に位置するゲ−トか
らチップに電界が印加され、特に電界効果によって、チ
ップ頂上から電子が抽出される。アノ−ドは、発光団材
料により形成されてゲ−ト面から約100 μm 離れて形成
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
のマイクロガンを用いた従来の平面パネルディスプレイ
では、薄型であって通常のＣＲＴに勝るディスプレイ性
能を有するが、次の３つの理由により実用化されていな
い。即ち先ず、冷陰極とアノ−ドの発光団材料との間を
真空状態に維持しなければならないので、製造工程が複
雑でコストが高い。次いで、冷陰極の電子放出部の表面
に異種原子が若干でも吸着すると冷陰極の電子放出部の
仕事関数が大幅に変化するので、安定した電子放出特性
を実現することができない。最後に、電子ビ−ムにより
イオン化された残留ガスが冷陰極とアノ−ドの発光団材
料との間に印加される陽極電圧により加速され、高エネ
ルギで凸形状の冷陰極に衝突してスパッタするので、寿
命が短く、動作が不安定となってしまう。

【０００５】本発明は上述した従来の問題点に鑑み成さ
れたものであり、簡単な工程で安価に製造することがで
き、安定した動作を実現し得る画像表示装置を提供する
ことを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の画像表示装置は
上述の課題を達成するために、基板と、基板上に配置さ
れたＸ−Ｙマトリクス電極と、Ｘ−Ｙマトリクス電極上
に配置されておりＸ−Ｙマトリクス電極に制御されてＸ
−Ｙマトリクスに対応した位置から選択的に電子を放出
する電子放出層と、電子放出層に対向して配置された陽
極層と、電子放出層と陽極層との間に配置されており電
子放出層から陽極層に向けて放出された電子がトンネル
効果により通過する絶縁層と、絶縁層と陽極層との間に
配置されており絶縁層を通過して入射する電子により発
光する蛍光体層とを備えた画像表示装置であって、電子
放出層は、Ｘ−Ｙマトリクスに対応した位置において絶
縁層の側へ夫々突出しており先端から電子を夫々放出す
る複数の錐状放出部を有することを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明の画像表示装置においては、電子放出層
が、Ｘ−Ｙマトリクス電極に制御されてＸ−Ｙマトリク
スに対応した位置において絶縁層の側へ突出している錐
状放出部の先端から電子を放出すると、放出された電子
は、トンネル効果により絶縁層を陽極層へ向かって通過
する。ここで一般に、ある閾値以上のエネルギを有する
電子が蛍光体に入射すると、蛍光体内で電子・正孔対が
生成され、この電子の遷移により蛍光体が発光する。従
って、本発明においては、ある閾値以上の電圧を陰極層
と陽極層との間に印加すれば、蛍光体層は、絶縁層を通
過して入射する電子により発光する。このため、かかる
発光動作をＸ−Ｙマトリクス電極で制御すれば、蛍光体
層上に所望の画像表示を得ることができる。

【０００８】ここで、本発明の画像表示装置の上述の如
き構成によれば、電子放出層と蛍光体層との間には絶縁
層が配置されおり、従来例のように真空層を設ける必要
はないので、簡単な工程で安価に製造することができ
る。また、電子放出層の電子を放出する部分が、電子放
出層と蛍光体層との間に配置された絶縁層により保護さ
れるので、安定した電子放出特性を実現して寿命を長く
することができ、動作を安定化することができる。

【０００９】次に示す本発明の実施例から、本発明のこ
のような作用がより明らかにされ、更に本発明の他の作
用が明らかにされよう。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明に係る画像表示装置の一実施例を
示す要部破断斜視図、図２は、図１の点線で示す部分を
拡大して示す要部拡大断面図、図３は、図１及び図２の
画像表示装置の全体的な外観を示す斜視図、図４〜図11
は、図１〜図３に示す画像表示装置の製造方法を示す説
明図である。

【００１１】図１及び図２において、画像表示装置は、
表示側に位置した透明なフェ−スプレ−ト30と、アノ−
ド電極として機能する陽極層の一例としての透明導電膜
層31と、蛍光体層32と、トンネル効果を有する電気絶縁
層33と、錐状放出部の一例を構成する電子放出源34a を
有する電子放出層の一例としての冷陰極アレイ34と、コ
アとなる電気絶縁層35と、カソ−ド電極として機能する
Ｘ−Ｙマトリクス電極の一例を構成する冷陰極アレイ電
極21と、基板の一例としての背面支持プレ−ト20とを備
えている。尚、図２では、フェ−スプレ−ト30側の層Ｂ
と背面支持プレ−ト20側の層Ａが離間して示されている
が、実際には一体化されている。

【００１２】１画素には、多角錐状又は円錐状の凸形状
の電子放出源34a が複数個で対応するように構成され
る。電子放出源34a は、電子放出部である先端が鋭く、
底部が一体化されて冷陰極アレイ34を形成する。冷陰極
アレイ34は、冷陰極アレイ電極21に電気的に面接続され
ている。冷陰極アレイ34は、冷陰極アレイ電極21と同様
に、Ｘ−Ｙマトリクス状に仕切られ、絶縁層35のコアに
より覆われて互いに電気的に絶縁されており、かかる先
端は、トンネル効果を有する電気絶縁層33に接触してい
る。フェ−スプレ−ト30には、アノ−ド電極となる透明
導電膜層31と蛍光体層32が順次形成されており、蛍光体
層32は、電気絶縁層33を介して冷陰極アレイ34の先端に
対向している。

【００１３】冷陰極アレイ電極（カソ−ド電極）21は、
フェ−スプレ−ト30に塗着された蛍光体層32の各画素の
アドレッシングを行うために、図１に示したようにお互
いに交差する走査線23と信号線24により仕切られた領域
内に形成され、隣の領域内に形成されるカソ−ド電極と
は、電気的に絶縁されるようＸ−Ｙマトリクス電極を構
成している。即ち、本実施例の平面パネルディスプレイ
は、液晶ディスプレイにおいて用いられている、走査線
と信号線が交差したＸ−Ｙマトリクス法とほぼ同様の駆
動原理をとる。

【００１４】走査線23と信号線24が交差する領域には、
アモルファスシリコン（ａ−Ｓi ）の薄膜トランジスタ
（ＴＦＴ）25が形成され、このＴＦＴ25により、冷陰極
アレイ34と、蛍光体層32が塗着されたフェ−スプレ−ト
11の透明導電膜層31間の任意の画素に対応する印加電圧
を制御することができる。尚、本実施例のＴＦＴ25は、
公知の逆スタガ構造で形成され、ゲ−ト配線が走査線と
なり、信号線がソ−ス電極とドレイン電極を兼用してい
る。また、ＴＦＴ25は、立体的構造を有するが、実用的
に透明導電膜層31に合わせて平坦化処理されている。

【００１５】このような構成において、図３に示すよう
に、背面支持プレ−ト20側のカソ−ド電極（冷陰極アレ
イ電極21）と、フェ−スプレ−ト30側のアノ−ド電極
（透明導電膜層31）の間に蛍光体電圧回路11と基体駆動
回路12により電圧が印加されると、冷陰極アレイ34の電
子放出源34a では特に、前記電気絶縁層33と接触する先
端部において強電界が誘起され、電子が冷陰極アレイ34
の先端部と電気絶縁層33の間のポテンシャル障壁をトン
ネル現象で通過して蛍光体層32に入射する。

【００１６】ここで、発光は、入射電子により蛍光体層
32内に電子・正孔対が生成され、この電子の遷移により
発光するものと考えれており、入射電子が発光に寄与す
るためには電子・正孔対の生成エネルギ以上のエネルギ
−を有する必要がある。即ち、冷陰極アレイ電極21と透
明導電膜層31の間には、入射電子が電子・正孔対の生成
エネルギ以上のエネルギ−を有するような電圧が印加さ
れる。

【００１７】次に、図４〜図11を参照してこの画像表示
装置の製造方法を説明する。ここで、前述したように図
２に示した背面支持プレ−ト20側の層Ａは、公知の液晶
ディスプレイのアクティブマトリクス型電極とほぼ同様
であるので説明を省略する。尚、ＴＦＴ25の半導体層に
おいては、基板として安価なガラスを用いることがで
き、更に、容易に大画面化することができるａ−Ｓi を
用いている。

【００１８】次に、図２に示したフェ−スプレ−ト30側
の層Ｂの構造について詳述すると、先ず、図４に示すよ
うに、フェ−スプレ−ト30上に順次、透明導電膜層31、
蛍光体層32、電気絶縁層33即ちトンネル層を形成する。
本実施例では、先ず、フェ−スプレ−ト30の材料として
厚さが1.1mm の透明なガラス基板を用い、次いで、この
ガラス基板上の透明導電膜層31の材料としてＩn-Ｓn-Ｏ
（ＩＴＯ）又はＳn Ｏ₂ を主として用い、膜厚が約0.2
μm になるように形成した。形成方法は、タ−ゲットと
して酸化物を用いることができるスパッタ法、或いはＩ
n-Ｓn 合金やＳn の金属タ−ゲットを用いた反応性スパ
ッタリング法を用いた。

【００１９】蛍光体層32の材料としては、低速電子線励
起での発光効率が室温で最も高いＺn Ｏ：Ｚn （10[lm/
W]）を用いた。蛍光体層32の膜厚は、0.08〜1.2 μm の
範囲で試作し、実施例では0.3 μm で形成されている。
形成方法は、電子ビ−ム蒸着法を用いて下地温度が200
°Ｃで成膜後、真空中（約10^-4Ｐa ）で550 °Ｃ、１時
間の熱処理を行った。尚、蒸着源としてはＺn ＯとＺｎ
の焼結体を用い、Ｚnの濃度を適切な値に設定した。

【００２０】ここで、蛍光体層32のエネルギギャップは
約3.26 eＶ、フェルミ準位は伝導帯下において約0.04 e
Ｖと推定することができる。そして、電子・正孔対の生
成エネルギの閾値は約7.9eＶであるので、蛍光体層32を
発光させるためには、冷陰極アレイ34の電子放出部に対
して最低4.68 eＶの電界を印加する必要がある。

【００２１】電気絶縁層33即ちトンネル層は、平坦化処
理された蛍光体層32上に形成される。この電気絶縁層33
は、電子のトンネル確率に強く影響を与える層であり、
実施例ではＳi Ｎx を用いてプラズマＣＶＤ法により形
成した。原料ガスは一般に、Ｓi Ｈ₄ 、ＮＨ₃ 、Ｎ₂ が
用いられるが、本実施例では、Ｈ₂ を添加することによ
り、内部応力を引っ張りから圧縮まで任意に制御可能に
形成した。また、電気絶縁層33の組成比は、化学量論的
な組成よりややＮリッチ（Ｘ＞1.33）であり、膜厚は２
〜３nmで形成した。

【００２２】次いで、図５に示すように、凸状の陰極ア
レイ34のコアとなる電気絶縁層（コア層）35として、Ｓ
i Ｏ₂ 、Ｓi Ｃ、Ｓi Ｎ_x 、Ｔa ₂ Ｏ₅ 、Ａl₂ Ｏ₃ が
用いられるが、本実施例では、電気絶縁層33と同一のＳ
i Ｎx を用い、同様な方法により１μm の厚さで積層し
た。即ち、本実施例では、電気絶縁層33と電気絶縁層35
を連続して形成することができる。

【００２３】次いで、ＬＳＩの微細加工に用いられる集
束イオンビ−ム加工装置を用い、図６及び図７に示すよ
うな複数のＶ溝35a を平行に形成した。この場合、集束
イオンビ−ムのイオンソ−スとしては、Ａu-Ｓi-Ｂe の
液体金属イオン源を用い、加速エネルギは40〜300 ｋＶ
の範囲で制御し、Ｖ溝35a が電気絶縁層33までの距離の
１／２の距離に到達するように形成した。また、かかる
ビ−ムとしては、ガウシアン形状でビ−ム径が約0.1 μ
m であるものが好ましい。

【００２４】更に、図８〜図10に示すように、このＶ溝
35a と直交するように複数のＶ溝35b を平行に形成し
た。このとき、加工深さは、Ｖ溝35a との交差部に形成
される角錐状の凹部35c の先端が電気絶縁層33まで正確
に到達するように制御した。尚、図８は、この場合の側
面断面を示し、図９は、交差領域の深さの数値を示し、
図10は、図９における斜視図である。即ち、図９に示す
ように、Ｖ溝が２回形成されるので各Ｖ溝の頂点が交差
する点は最も深くなり（図示数値「２」）、この交差点
が電気絶縁層33まで到達する。

【００２５】次いで、図11に示すように、凸状の陰極ア
レイ34の材料である金属をスパッタ法、蒸着法等によ
り、電気絶縁層35の凹部35a 〜35c を埋めるように堆積
し、表面を平坦化することにより、凹部35c に対応する
角錐状の電子放出源34a を有する陰極アレイ34を形成し
た。尚、本実施例では、陰極アレイ34の材料としてＡl
を用いた。このように形成されたフェ−スプレ−ト30側
の層Ｂと、背面支持プレ−ト20側の層Ａを陰極アレイ34
と冷陰極アレイ電極21が対向するように密着して電気的
に接続すると、図１〜図３に示すような平面パネルディ
スプレイが完成する。

【００２６】ここで、この平面パネルディスプレイの画
面寸法を110 ×90mm² （６インチに相当）、画素数を25
6 ×256個、電子放出源34a の凸部の数を１画素当たり1
815(=33×55）個として形成したところ、動作特性は、
カソ−ド−アノ−ド間電圧が約10Ｖの場合にスクリ−ン
輝度は約100 cd/m² であった。したがって、従来の装置
では、数百Ｖの電圧が必要とされるが、本発明の構造で
は、数十Ｖの電圧で十分であり、したがって、実用化す
ることができる。

【００２７】尚、発光効率を向上する手段としては、ト
ンネル層となる電気絶縁層33におけるトンネル電子の散
乱を小さくするような良質の薄膜が望ましい。実施例で
は、Ｓi Ｎx のアモルファス膜を用いたが、ＭＢＥ（分
子ビ−ムエピタキシ）技術や原子層エピタキシ技術等を
用いて電気絶縁層33の単結晶膜を形成してもよく、ま
た、電気絶縁層33の静電容量を大きくすることが有効で
ある。また、この実施例では、Ｖ溝35a 、35bを集束イ
オンビ−ム加工装置により形成したが、電子ビ−ム露光
とホット分子ビ−ムドライエッチング等により形成して
もよい。更に、蛍光体層32の材料としてＺn Ｏ：Ｚｎを
用いたが、代わりに赤、青、緑の３原色の蛍光体を用い
ることによりカラ−画像を表示することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の画
像表示装置によれば、Ｘ−Ｙマトリクス電極に制御され
て電子を放出する電子放出層と、電子放出層に対向して
配置された陽極層と、電子放出層と陽極層との間に配置
されており電子放出層から陽極層に向けて放出された電
子がトンネル効果により通過する絶縁層と、絶縁層と陽
極層との間に配置されており絶縁層を通過して入射する
電子により発光する蛍光体層とを備えた画像表示装置で
あって、電子放出層は、Ｘ−Ｙマトリクスに対応した位
置において絶縁層の側へ夫々突出しており先端から電子
を夫々放出する複数の錐状放出部を有するので、簡単な
工程行程で安価に製造することができ、また、安定した
電子放出特性を実現して寿命を長くすることができ、動
作を安定化することができる。

【００２９】以上の結果、本発明により安価で信頼性及
び安定性に優れた薄型の画像表示装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る画像表示装置の一実施例を示す要
部破断斜視図である。

【図２】図１の点線で示す部分を示す要部拡大断面図で
ある。

【図３】図１及び図２の画像表示装置の全体的な外観を
示す斜視図である。

【図４】図１〜図３に示す画像表示装置の製造方法を示
す説明図である。

【図５】図１〜図３に示す画像表示装置の製造方法を示
す説明図である。

【図６】図１〜図３に示す画像表示装置の製造方法を示
す説明図である。

【図７】図１〜図３に示す画像表示装置の製造方法を示
す説明図である。

【図８】図１〜図３に示す画像表示装置の製造方法を示
す説明図である。

【図９】図１〜図３に示す画像表示装置の製造方法を示
す説明図である。

【図１０】図１〜図３に示す画像表示装置の製造方法を
示す説明図である。

【図１１】図１〜図３に示す画像表示装置の製造方法を
示す説明図である。

【符号の説明】

20 背面支持プレ−ト 21 冷陰極アレイ電極 31 透明導電膜層 32 蛍光体層 33 絶縁層（トンネル層） 34 冷陰極アレイ 34a 電子放出源 35 絶縁層（コア層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤木 裕 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭50−2487（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01J 31/15

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、該基板上に配置されたＸ−Ｙマ
   トリクス電極と、該Ｘ−Ｙマトリクス電極上に配置され
   ており該Ｘ−Ｙマトリクス電極に制御されてＸ−Ｙマト
   リクスに対応した位置から選択的に電子を放出する電子
   放出層と、該電子放出層に対向して配置された陽極層
   と、前記電子放出層と前記陽極層との間に配置されてお
   り前記電子放出層から前記陽極層に向けて放出された電
   子がトンネル効果により通過する絶縁層と、該絶縁層と
   前記陽極層との間に配置されており前記絶縁層を通過し
   て入射する電子により発光する蛍光体層とを備えた画像
   表示装置であって、前記電子放出層は、前記Ｘ−Ｙマト
   リクスに対応した位置において前記絶縁層の側へ夫々突
   出しており先端から電子を夫々放出する複数の錐状放出
   部を有することを特徴とする画像表示装置。