JPH1092347A

JPH1092347A - 平面型画像表示装置

Info

Publication number: JPH1092347A
Application number: JP24378496A
Authority: JP
Inventors: Taketoshi Suzuki; 健聡鈴木; Masayuki Nakamoto; 正幸中本; Katsuyoshi Fukuda; 勝義福田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】高電圧のスイッチングを行わずに蛍光体の選択
を行う電界放出型冷陰極を用いた平面型画像表示装置を
提供すること。【解決手段】行方向及び列方向に冷陰極１０が複数個配
置されている。同一列の冷陰極１０を囲むように、行方
向に分割して絶縁された２本１組の電極からなるゲート
電極１１（１１ａ，１１ｂ）が配置されている。冷陰極
１０は例えば、ｓｐｉｎｄｔ法あるいは転写モールド法
によって形成される。ゲート電極１１は、後述するガラ
スフェイスプレート表面のアノード電極を介して形成さ
れた赤色蛍光体１２ａ，緑色蛍光体１２ｂ，青色蛍光体
１２ｃの配列方向に対して直交する方向に配列されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電界放出型冷陰極
を用いた平面型画像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、電界放出型冷陰極から電子を放出
させアノード電極に塗布した蛍光体に衝突させて発光さ
せる平面型画像表示装置（ＦＥＤ：Field Emission Dis
play）の開発が進められている。ＦＥＤは、液晶パネル
を用いた表示装置と異なり、自発光型で発光効率が高い
ため消費電力が小さい，視野角が広い，応答速度が速
い，動作温度範囲が広い等の特徴を有する。そのため、
ＦＥＤは次世代のフラットパネルディスプレイとして注
目されている。

【０００３】図６に、従来のＦＥＤの断面図を示す。６
０はガラスプレート、６１はカソード電極、６２は冷陰
極、６３は絶縁層、６４はゲート電極、６５ａ，６５
ｂ，６５ｃはそれぞれ赤，緑，青の蛍光体、６６ａ，６
６ｂ，６６ｃはアノード電極、６７はガラスフェイスプ
レートである。

【０００４】ゲート電極６４に電圧を印加し、画像デー
タに応じた電圧を印加することで階調を実現する。電子
をそれぞれの蛍光体に選択的に衝突させてカラー表示を
行うために、陽極スイッチングと呼ぶ方法を用いてい
る。この陽極スイッチングは、蛍光体６５（６５ａ，６
５ｂ，６５ｃ）が塗布されたアノード電極６６（６６
ａ，６６ｂ，６６ｃ）に順番に数１００〜数ｋＶの電圧
を印加して行う。

【０００５】しかしながら、この種のＦＥＤにあって
は、次のような問題があった。すなわち、カラー表示の
ために陽極スイッチングを行う必要があり、パワートラ
ンジスタなどのスイッチング素子を用い、数１００〜数
ｋＶの高電圧を切り換えて順番にアノード電極６６に印
加しなければならない。このため、スイッチング素子を
含む駆動回路の負担が大きいという問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
のＦＥＤは、カラー表示を行うために高電圧のスイッチ
ングにより蛍光体の選択を行う必要があり、駆動回路に
かかる負担が大きいという問題点があった。

【０００７】本発明の目的は、陽極スイッチング等の高
電圧のスイッチングを要することなく、冷陰極からの電
子を所望の蛍光体に衝突させることができ、駆動回路の
負担を軽減し得る平面型画像表示装置を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

（構成）本発明の平面型画像表示装置は、上記課題を解
決するために以下のように構成されている。（１）本発明の平面型画像表示装置は、基板上に行方
向及び列方向に２次元配置された複数個の冷陰極と、こ
れらの冷陰極に対し同一列の冷陰極を囲むように連続し
て形成され、且つ行方向に分割して形成され、対応する
冷陰極から電子を引き出すと共に行方向に偏向させるゲ
ート電極と、前記冷陰極に対向して離間配置され、該対
向表面にカラー表示のための複数種の蛍光体を行方向に
配列してなるアノード電極とを具備してなることを特徴
とする。（２）複数の電極からなるゲート電極のそれぞれの電
極に印加する電圧値を制御することで前記カソード電極
から放出される電子の方向を制御して所望の前記蛍光体
に衝突させる。（３）前記ゲート電極は、２本１組で構成され、前記
冷陰極からの電子を１次元方向に偏向可能となってい
る。（４）前記ゲート電極は、３本１組で構成され、前記
冷陰極からの電子を２次元方向に偏向可能となってい
る。（５）前記冷陰極は、カソード電極上に抵抗バラスト
層を介して形成されている。

【０００９】（作用）本発明の平面型画像表示装置は、
冷陰極から放出された電子が衝突する蛍光体の選択を、
高電圧のスイッチングではなく、ゲート電極への印加電
圧を制御することによって行う。すなわち、複数個に分
割されたゲート電極の印加電圧をそれぞれ制御し、電子
を偏向させることによって蛍光体の選択を行う。ここ
で、ゲート電極への印加電圧は０〜１００Ｖで十分であ
り、アノード電極への印加電圧より格段に低い物であ
る。従って、高電圧のスイッチングが不要となるので、
駆動回路にかかる負担が少なくなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。（第１実施形態）図１は本発明の第１実施形態に係わる
平面型画像表示装置の一部の構成を示す平面図である。
行方向及び列方向に冷陰極１０が複数個配置されてい
る。同一列の冷陰極１０を囲むように、行方向に分割し
て絶縁された２本の電極からなるゲート電極１１（１１
ａ，１１ｂ）が、各々の冷陰極列に対応してそれぞれ配
置されている。冷陰極１０は例えば、ｓｐｉｎｄｔ法あ
るいは転写モールド法によって形成される。ゲート電極
１１は、後述するガラスフェイスプレート表面のアノー
ド電極を介して形成された赤色蛍光体１２ａ，緑色蛍光
体１２ｂ，青色蛍光体１２ｃの配列方向（行方向）に対
して直交する方向（列方向）に配列されている。赤，
緑，青の蛍光体１２を１組として１画素が構成される。
なお、実際には画素が行方向及び列方向に配置される
が、ここでは１画素分の蛍光体１２のみを図示してい
る。また、、図示されていないが、ゲート電極１１と直
交する方向に後述するカソード電極が複数本配置されて
いる。なお、１行の冷陰極に１本のカソード電極が形成
されていても良いし、複数行の冷陰極に対して１本のカ
ソード電極が形成されていても良い。また、図では１画
素当たり数個の冷陰極１０が形成されているが、実際に
は１画素当たり数千〜数万個の冷陰極１０が形成され
る。

【００１１】また、図２に本実施形態の平面型画像表示
装置の断面図を示す。ガラスプレート２０上に行方向に
延びる複数本のカソード電極２１が形成されている。カ
ソード電極２１上に抵抗バラスト層２２を介して複数個
の冷陰極１０が形成されている。それぞれの冷陰極１０
を囲むよう、抵抗バラスト層２２上に絶縁層２３が形成
されている。絶縁層２３上にゲート電極１１（１１ａ〜
ｈ）が形成されている。

【００１２】上記構造と対向してガラスフェイスプレー
ト２４が離間配置されている。ガラスフェイスプレート
２４の冷陰極１３に対向する表面にアノード電極２５が
形成されている。アノード電極２５の表面にそれぞれ
赤，緑，青の蛍光体１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が
形成されている。

【００１３】なお、抵抗バラスト層２２は、ゲート電極
１１と冷陰極１０との短絡を防ぐ役目を果たす。製造時
のバラツキで冷陰極１０の形状がそれぞれ異なる場合が
あるため、ゲート電極１１との間隔が短い冷陰極１０か
ら大量の電流が流れることによって、ゲート電極１１と
冷陰極１０との間に短絡が生じる可能性がある。しか
し、抵抗バラスト層２２を冷陰極１０とカソード電極２
１との間に挿入することでカソード電極２１から冷陰極
１０に流れる電流を制限し、短絡を抑えることができる
ゲート電極１１のライン幅３μｍ，膜厚０．５μｍ，電
極の間隔を０．５μｍとし、冷陰極１０の基底部の直径
を２．６μｍ、１画素のサイズを１００μｍ×１００μ
ｍとして２インチのフルカラーディスプレイを作製し
た。ゲート電極１１に駆動回路を接続し、冷陰極１０を
囲む２本１組のゲート電極１１を４０〜２００Ｖの範囲
で変化させることによって、赤，緑，青の蛍光体１２に
電子を偏向させた。

【００１４】上記構造によってゲート電極１１と蛍光体
１２の配列方向とが直交しているので、ゲート電極１１
ａ〜ｈに印加する電圧値をそれぞれ制御して電子を偏向
させることによって所望の蛍光体１２に冷陰極１０から
放出された電子を衝突させることができる。例えば、ゲ
ート電極１１ａに２０Ｖ、１１ｂに１００Ｖ、１１ｃに
３０Ｖ、１１ｄに８０Ｖ、１１ｅに５０Ｖ、１１ｆに６
０Ｖ，１１ｇに６０Ｖ、１１ｈに５０Ｖの電圧を印加さ
せると、電子ビームを蛍光体１２ｃに集中させて衝突さ
せることができる。

【００１５】駆動について説明する。行方向に配列する
画素の内１ライン分（１行分）に対応するカソード電極
２１とアノード電極２５との間に５００Ｖの電圧を印加
する。画像データに応じて画素に対応したゲート電極１
１とカソード電極２１との間にそれぞれ０〜１００Ｖの
電圧を印加する。そして、冷陰極１０から放出される電
子量を制御すると同時に、画素の所望の蛍光体１２ａに
電子を衝突させる。また、画素の他の蛍光体１２ｂ，１
２ｃに対して同様に電子を順次衝突させて発光させる。
この時、画素の直下のみにある冷陰極１０から電子を放
出させるのではなく、隣接する冷陰極１０から電子を放
出させてもよく、その場合輝度がより明るくなる。そし
て、上記駆動を同一ライン上の各画素に対して順次行
い、同一ライン上の画素を全て発光させる。そして、順
次別のライン上の画素に対して上記駆動を行い、全ての
画素を発光させ画像を表示する。上記駆動を行ったとこ
ろ、発光輝度に優れると共に、良好な画像を得ることが
できた。

【００１６】なお、同一ラインの全ての画素に同時に電
子を衝突させて１ライン上の画素を発光させ、順次別の
ラインの画素を発光させることによって画像を表示させ
ても良い。

【００１７】なお冷陰極１０は、通常モリブデン（Ｍ
ｏ）を用いて形成されるが、１％のケイ化バリウム（Ｂ
ａＳｉ₂ ）を含むケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）を用
いることも可能である。通常用いられるＭｏは、仕事関
数が４．２ｅＶと高く電子放出に必要な電界が高い。そ
のため、電界を高くするために冷陰極をアレイ配置する
と、電界分布の不均一性が生じ易くしばしば電流の不安
定性がみられ、極端な場合には渦電流が発生し冷陰極が
破壊されることがあった。また、ＭｏをＳｉＯやＳｉＯ
₂ 上に形成した場合、ＭｏはＳｉＯ及びＳｉＯ₂ との密
着性が低く、Ｍｏがはがれゲート電極と接触してショー
トするなどの問題が有った。

【００１８】そこで、仕事関数は比較的高い（４．５ｅ
Ｖ）がＳｉ，ＳｉＯ₂ と密着力の高いＭｏＳｉ₂ と、加
工性、安定性は比較的低いが仕事関数が低い（２．２ｅ
Ｖ）ＢａＳｉ₂ との合金を冷陰極として用いる。ＢａＳ
ｉ₂ のＭｏＳｉ₂ に対する組成比率を０．１〜１０％の
範囲の材料で形成することによって、ＳｉＯ，ＳｉＯ₂
との密着力が高く、且つ仕事関数が２．２ｅＶと低くな
ることが発明者らによって見いだされた。この材料で冷
陰極を構成すると、電子は主に仕事関数の低いＢａＳｉ
₂ から放出され、ＭｏＳｉ₂ によってＳｉＯ，ＳｉＯ₂
との密着力が高くなる。

【００１９】ＢａＳｉ₂ の組成比が１０％以上の場合、
仕事関数は低いが冷陰極表面が酸化（Ｂａの酸化）ある
いはガス吸着等によって変質しやすく、冷陰極からの放
出電流が不安定となり、極端な場合には電子が放出され
なくなる。また、ＢａＳｉ₂の組成比が０．１％以下の
場合には、仕事関数がＭｏＳｉ₂ 単体と同様に高くな
り、放出電流が低くなる傾向がある。

【００２０】この材料を冷陰極に用いると、基板との密
着力が向上し、低電界で均一性の高い放出電流を得るこ
とができる。１μＡの放出電流を得る場合、従来ゲート
に印加する電圧は約１００Ｖ必要であったのが、本実施
形態では約１０Ｖと低電圧で得られ、さらに放出電流の
均一性，安定性が向上する。

【００２１】この材料を用いた冷陰極の製造についてｓ
ｐｉｎｄｔ法と転写モールド法について説明する。先
ず、ｓｐｉｎｄｔ法による冷陰極の製造について説明す
る。図３の（ａ）に示すように、基板３１上に二酸化珪
素（ＳｉＯ₂ ）等を熱酸化もしくはＣＶＤ法で約１μｍ
堆積して絶縁膜３２を形成し、さらにゲート電極となる
シリコン（Ｓｉ）膜３３、及びアルミニウム（Ａｌ）膜
３４を例えばスパッタ法でそれぞれ３００，１００ｎｍ
積層する。

【００２２】次いで、図３の（ｂ）に示すように、レジ
スト（不図示）をマスクとして、選択エッチングによっ
てＡｌ膜３４、Ｓｉ膜３３，絶縁膜３２に直径約１．５
μｍ程度のピンホール３５を形成する。

【００２３】次いで、図３の（ｃ）に示すように、１％
のＢａＳｉ₂ を含むＭｏＳｉ₂ からなるメタル膜３６を
真空スパッタリングなどにより形成する。その際、基板
３１を回転させ、メタル膜３６を基板３１に対して垂直
方向からスパッタ蒸着する。すると、ピンホール上部の
直径がメタル膜３６の堆積と共に塞がっていき、ピンホ
ール内にメタル膜３６が円錐状に堆積される。

【００２４】そして、図３の（ｄ）に示すように、Ａｌ
膜３４を除去すると同時に、Ａｌ膜３４上のメタル膜３
６を除去する。以上でｓｐｉｎｄｔ法によって円錘状の
冷陰極と絶縁層とゲート電極が形成される。

【００２５】次に転写モールド法による冷陰極の形成に
ついて説明する。図４の（ａ）に示すように、約０．５
ｍｍの厚さのシリコン（１００）基板４１上に保護膜と
してＳｉＯ₂ 膜４２を熱酸化法により約１００ｎｍ形成
する。レジストなどをマスクとしてフッ化アンモニウム
等でＳｉＯ₂ 膜４２を選択的にエッチングしてＳｉＯ₂
膜４２に四角形のホールを形成する。そして、さらに残
ったＳｉＯ₂ 膜４２をマスクとして水酸化カリウム水溶
液でＳｉ基板４１に対して異方性エッチングを行い、３
μｍサイズの四角錘状の溝４３を形成する。

【００２６】次いで、図４の（ｂ）に示すように、Ｓｉ
Ｏ₂ 膜４２を全て除去した後、熱酸化処理を行い厚さ
０．５μｍのＳｉＯ₂ 膜４４を全面に形成する。この熱
酸化処理により四角錘状の溝の先端部はさらに鋭くな
る。ＳｉＯ₂ 膜４４は冷陰極とゲート間の絶縁膜として
構成される。

【００２７】次いで、図４の（ｃ）に示すように、真空
スパッタリングなどにより１％のＢａＳｉ₂ を含むＭｏ
Ｓｉ₂ からなるメタル膜４５（後の冷陰極）を３μｍ形
成し、その上にタンタルを０．３μｍ堆積し、接着層４
６を形成する。

【００２８】次いで、図４の（ｄ）に示すように、厚さ
０．５ｍｍのガラス基板４７を接着層４６の表面に静電
接着によって接着した後、Ｓｉ基板４１を水酸化カリウ
ム水溶液等のエッチングにより全て除去する。Ｓｉ基板
４１をエッチングすることによって、ピラミッド型のＳ
ｉＯ₂ 膜４４及びメタル膜４５が形成される。

【００２９】次いで、図４の（ｅ）に示すように、ゲー
ト電極となるＡｌ膜４８を例えばスパッタ法で３００ｎ
ｍ形成する。次いで、図４の（ｆ）に示すように、レジ
スト４９を全面に塗布し、レジスト４９をＣＤＥによっ
てＡｌ膜４８の先端が露出するまでエッチングする。

【００３０】そして、図４の（ｇ）に示すように、レジ
スト４９をマスクとしてエッチングによってＡｌ膜４８
の先端部を開口した後、ＳｉＯ₂ 膜４４をエッチングし
てメタル膜４５の先端を露出させ、四角錘状の冷陰極が
形成される。そして、レジスト４９を除去する。

【００３１】本実施形態の平面型画像表示装置は、２本
に分割されたゲート電極の印加電圧をそれぞれ制御して
冷陰極から放出された電子を偏向させて、電子を所望の
蛍光体に衝突させて発光させることができる。また、冷
陰極を１％のＢａＳｉ₂ を含むＭｏＳｉ₂ で構成するこ
とによって、低電圧で冷陰極から電子を放出させること
ができる。

【００３２】本実施形態の平面型画像表示装置は、冷陰
極から放出された電子が衝突する蛍光体の選択を、蛍光
体が塗布されたアノード電極への印加電圧（数１００Ｖ
以上）のスイッチングで行うのではなく、１列の冷陰極
に沿って配置され、２本に分割されたゲート電極への印
加電圧（０〜１００Ｖ）をそれぞれ制御して行うので、
電圧のスイッチングは格段に低くなり駆動回路への負担
が低減される。

【００３３】（第２実施形態）図５は本発明の第２実施
形態に係わる冷陰極部の構成を示す斜視図である。絶縁
基板５１上にカソード電極５２，抵抗層５３が積層され
ている。抵抗層５３の一部にホールが形成され、このホ
ール中に円錐上の冷陰極５４が形成されている。抵抗層
５３上にゲート電極５５（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ）が
形成されている。ゲート電極５５は、冷陰極５４が形成
されているホールを囲むように３分割されて形成されて
いる。

【００３４】ゲート電極５５は、ライン幅は３μｍ、膜
厚０．５μｍ、電極の間隔は０．５μｍの寸法で形成さ
れている。また、冷陰極５３の基底部の直径は２．６μ
ｍで、絶縁基板５１として厚さ１ｍｍのガラスプレート
を用いた。

【００３５】３個の電極５５に印加する電圧を２０〜１
００Ｖの範囲で変化させることによって、電子ビームが
２次元平面内を偏向することが確認された。本実施形態
の平面型画像表示装置は、３本に分割されたゲート電極
の電圧値をそれぞれ制御することによって、冷陰極から
の放出電子を任意の２次元方向に偏向させることが可能
となる。

【００３６】本発明は上記実施形態に限定されるもので
はない。例えば、アノード電極は蛍光体の色毎に独立に
形成されているが共通でも良い。また、カソード電極は
ガラスプレート以外の任意の絶縁性の基板上に形成する
ことが可能で、導電性材料上に絶縁層を介して形成する
ことも可能である。

【００３７】ケイ化物に含まれる０．１〜１０％含まれ
る物質は、ＢａＳｉ₂ 以外にもＳｒＳｉ₂ 等のケイ化Ｉ
Ｉａ属元素が適用可能である。カソード電極に印加する
電圧を変化させることによって階調を表現しても良い。

【００３８】蛍光体の色は、カラー表示を行えれば赤，
緑，青以外の色の蛍光体を用いることも可能である。そ
の他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して
実施することが可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明の平面型画像
表示装置は、それぞれ絶縁された複数本のゲート電極の
電圧値を制御することで、冷陰極から放出された電子を
偏向させて所望の蛍光体に到達させているので駆動回路
にかかる負担が少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係わる平面型画像表示装置の構
成を示す平面図。

【図２】図１の断面図。

【図３】第１実施形態に係わるｓｐｉｎｄｔ法による冷
陰極の形成を示す工程断面図。

【図４】第１実施形態に係わる転写モールド法による冷
陰極の形成を示す工程断面図。

【図５】第２実施形態に係わる平面型画像表示装置の冷
陰極部の構成を示す斜視図。

【図６】従来の平面型画像表示装置を示す断面図。

【符号の説明】

１０…冷陰極１１…ゲート電極１２…蛍光体２０…ガラスプレート２１…カソード電極２２…抵抗バラスト層２３…絶縁層２４…ガラスフェイスプレート２５…アノード電極３１…基板３２…絶縁膜３３…シリコン膜３４…アルミ膜３５…ピンホール３６…メタル膜４１…シリコン（１００）基板４２…ＳｉＯ₂ 膜４３…溝４４…ＳｉＯ₂ 膜４５…メタル膜４６…接着層４７…ガラス基板４８…アルミ膜４９…レジスト５１…基板５２…アノード電極５３…絶縁層５４…冷陰極５５…ゲート電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に行方向及び列方向に２次元配置さ
れた複数個の冷陰極と、これらの冷陰極に対し同一列の
冷陰極を囲むように連続して形成され、且つ行方向に分
割して形成され、対応する冷陰極から電子を引き出すと
共に行方向に偏向させるゲート電極と、前記冷陰極に対
向して離間配置され、該対向表面にカラー表示のための
複数種の蛍光体を行方向に配列してなるアノード電極と
を具備してなることを特徴とする平面型画像表示装置。