JP2003178690A

JP2003178690A - 電界放出素子

Info

Publication number: JP2003178690A
Application number: JP2001375404A
Authority: JP
Inventors: Toru Kawase; 透川瀬; Keisuke Koga; 啓介古賀
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2003-06-27
Also published as: US20030107312A1; US7365481B2

Abstract

(57)【要約】【目的】簡略化された動作により、エミッション電流
を必要な一定値以上に保つことで素子の長寿命化を実現
した高性能な電界放出素子を提供する。【解決手段】エミッタ１９と引き出し電極６を含む冷
陰極素子３７を有する。電界放出素子は、冷陰極素子３
７のエミッション特性に基づいて区分された複数種の冷
陰極素子群を備えている。電界放出素子は、エミッショ
ン特性の相違に基づいてエミッションの主体となる冷陰
極素子群を順次切り替えてエミッションを行わせる手段
を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表示装置や収束し
た電子ビームを利用する電子ビーム露光装置等に用いら
れる電界放出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】電界放出型冷陰極素子（以下、電界放出
素子という）は、画像表示装置、電子顕微鏡、電子ビー
ム露光装置等の各種電子装置への応用が期待されてい
る。これら装置では、製品化後においても、電界放出素
子を長寿命化して製品の品質を維持する必要がある。し
かし、電界放出素子中、エミッション（電子放出）させ
る部分は通常１個所のみであるため、素子の長寿命化は
困難であった。そのため、素子の長寿命化技術について
は、これまで多くの提案がなされてきている。例えば、
特開平５−１２９８６号公報には、電子放出部を電気的
に複数直列に接続し、かつ電子放出に寄与する電子放出
部を導電性部材と熱により切り替える電界放出素子が開
示されている。

【０００３】図１５に、この電界放出素子の概略図を示
す。ここで１、２はそれぞれカソード電極、アノード電
極、３は電子放出材料からなる微粒子膜、４は絶縁性基
板、５ａは電子放出部、６ａは蛍光体ターゲット、７は
発光部、８ａは導電性部材である。このように、一対の
電極の間に複数の電子放出部５ａが配置され、これら電
子放出部５ａの近傍に導電性部材８ａが配置されて電界
放出素子を構成している。この電界放出素子では、赤外
光を照射して導電性部材８ａを熱により溶解し、カソー
ド電極１とアノード電極２を短絡させて、電子放出部５
ａの切り替えが行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この素子で
は、電子放出部の切り替えは、製造工程でしか行えない
ため、製品が市場に出てから以後は、素子に不具合が発
生しても適切な対処ができない状況にあった。さらに、
この素子では、製造工程においても、電子放出部５ａが
直列に接続されているため、電極等の構成要素の数が増
えて工程数が増加したり、生産の歩留まりが低下したり
することがあった。また、電子放出部の切り替えの際
に、不良部を特定するために顕微鏡等が必要となり、レ
ーザー照射等で外部から逐次熱を供給する必要があるた
め、作業性にも劣っていた。また、いわゆるタクトによ
り生産効率が低下することもあった。さらにまた、電子
放出部５ａ以外の構成要素が素子に占める面積が増大し
て、電子放出効率が低下することもあった。

【０００５】本発明は、上記した問題を解決し、簡略化
された動作により、エミッション電流を必要な一定値以
上に保つことで素子の長寿命化を実現した高性能な電界
放出素子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の電界放出素子においては、エミッタと引き
出し電極を含む冷陰極素子を有する。この電界放出素子
は、冷陰極素子のエミッション特性に基づいて区分され
た複数種の冷陰極素子群を備えている。また、この電界
放出素子は、エミッション特性の相違に基づいてエミッ
ションの主体となる冷陰極素子群を順次切り替えてエミ
ッションを行わせる手段を有する。

【０００７】これにより、外部からの特別な操作を行わ
ずとも、例えば、引き出し電極に印加する電圧を上昇さ
せることのみで冷陰極素子群を順次切り替えてエミッシ
ョンを行わせることによって、エミッション電流が必要
な一定値以上に保たれ、素子の長寿命化が実現される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図を参照しながら説明する。

【０００９】（第一の実施の形態）図１に、本実施の形
態による電界放出素子の平面図を示す。このように、冷
陰極素子１ａ、２ａ、３ａが、カソード電極上で実質的
に境界のない状態でランダムに分散して配置されてい
る。冷陰極素子は、単一のエミッタまたはエミッタが複
数個集合したエミッタ群からなる。各冷陰極素子は、略
同一のエミッション特性を有する冷陰極素子が、それぞ
れ同種の群に属するように、複数の冷陰極素子群に区分
されてカソード電極上で配置されている（略同一のエミ
ッション特性を有する冷陰極素子を、それぞれ記号○、
□、△で示す）。ここで、エミッション特性とは、各冷
陰極素子において、引き出し電圧を印加してエミッショ
ンする際の、引き出し電圧とエミッション電流の関係を
示す曲線により示される特性であり、各冷陰極素子がエ
ミッションを開始する電圧（しきい値）や、曲線の傾き
・形状で特徴づけられる。

【００１０】次に、図２を参照しながら、本実施の形態
による電界放出素子、およびその動作を説明する。電界
放出素子の構成単位である冷陰極素子３７は、エミッタ
１９と引き出し電極６により構成され、その対向側に
は、表面にアノード電極２２が形成された基板２３が対
置されている。

【００１１】カソード電極４は基板２０上に形成され、
さらにカソード電極４上に、絶縁層５が形成されてい
る。絶縁層５上には、引き出し電極６が形成されてい
る。絶縁層５と引き出し電極６によって空間が形成さ
れ、その中にエミッタ１９が配置されている。アノード
電極２２上には、エミッタ１９と対向させるように蛍光
体ターゲット２１が形成されている。引き出し電極６に
は、引き出し電源２５が接続されている。アノード電極
２２には、アノード電源２４が接続され、直流電圧が印
加されている。

【００１２】ここで、制御回路２７によって引き出し電
圧を上昇させると、電界放出素子においてエミッション
が始まり、エミッタ１９から電子が放出される。エミッ
タ１９から放出された電子が、アノード電極２２に印加
された直流電圧により形成された電界によって、アノー
ド電極２２の方向に加速され、蛍光体ターゲット２１と
衝突して発光が起こる。

【００１３】図３に、電界放出素子の当初のエミッショ
ン特性を示す。図３は、縦軸にエミッション電流をと
り、横軸にエミッション電流を引き出すための引き出し
電圧をとっている。冷陰極素子１ａのエミッション特性
は特性１の曲線で示される。当初の特性においては、エ
ミッション電流をIe1以上に確保するために、引き出し
電圧をVex１に設定すればよい。また、冷陰極素子２
ａ、冷陰極素子３ａのエミッション特性はそれぞれ特性
２、特性３の曲線で示される。それぞれの曲線は各冷陰
極素子群に属する冷陰極素子のしきい値が異なる。

【００１４】次に、図４を参照して、この電界放出素子
の動作を説明する。先ず、使用初期には、引き出し電圧
をVex1に設定すると、冷陰極素子１ａの属する群が主に
エミッションし、電流値Ie1が確保される。時間の経過
に伴い、冷陰極素子１ａの属する群が劣化し、特性１
が、破線で示す特性１ａにシフトする。このときエミッ
ション電流をIe1以上に維持できなくなるので、引き出
し電圧をVex11に上昇させる。そうすると、特性２を有
する冷陰極素子２ａの属する群からエミッションが始ま
り、冷陰極素子１ａの属する群と冷陰極素子２ａの属す
る群のエミッション電流を合計したものがトータルのエ
ミッション電流となる。

【００１５】さらに冷陰極素子１ａの属する群の劣化が
進行し、冷陰極素子１ａの属する群から殆どエミッショ
ンしなくなったときには、引き出し電圧をVex2まで上昇
させており、冷陰極素子２ａの属する群が主にエミッシ
ョンするようになり、この冷陰極素子２ａの属する群の
みによってエミッション電流はIe1以上になる。このよ
うに、冷陰極素子１ａの属する群が劣化しても、引き出
し電圧を上昇させることにより、トータルのエミッショ
ン電流をIe1以上に保つことができる。

【００１６】以上のように、一つの冷陰極素子群が劣化
しても、引き出し電圧を上昇させることにより、エミッ
ションの主体となる冷陰極素子群を順次切り替えること
ができ、エミッション電流をIe1以上に保つことが可能
となる。

【００１７】エミッション特性は、各冷陰極素子群に属
する冷陰極素子において、図５に示す絶縁層５の厚みｄ
（μｍ）、開口部の直径Ｄ（μｍ）、またはエミッタ１
９の高さＨ（μｍ）のいずれかの長さを変えることによ
って変更することができる。また、図６に示すエミッタ
１９の先端の曲率半径ｒを変えることによっても変更す
ることができる。

【００１８】図７に、本実施の形態による電界放出素子
の断面図を示す。このように、それぞれ略同等の直径Ｄ
（μｍ）を有する開口部を備える冷陰極素子によってカ
ソード電極４上で冷陰極素子１ａ〜３ａがそれぞれ群を
形成している。例えば、冷陰極素子１ａ〜３ａそれぞれ
の直径Ｄを２．０μｍ、３．０μｍ、４．０μｍとして
形成した場合は、エミッションのしきい値が、Vth＝４
０Ｖ、Vex１＝６０Ｖ、Vex２＝８０Ｖの３種の冷陰極素
子群がカソード電極４上に形成される。また、カソード
電極４には接地された制限抵抗１１が接続されている。

【００１９】本実施の形態によれば、電界放出素子は略
同等のエミッション特性を有する冷陰極素子の属する冷
陰極素子群を複数種有し、一つの冷陰極素子群が経時的
に劣化しても、引き出し電圧を上昇させて、各冷陰極素
子群を順次切り替えてエミッションを開始させることに
より、エミッション電流が必要な一定値以上に保たれ
て、素子の長寿命化が実現される。

【００２０】また、本実施の形態によれば、各冷陰極素
子群の切り替えは、引き出し電圧を上昇させることのみ
で行えるため、本実施の形態による電界放出素子を備え
る電気製品は、市場に流通した後であっても、その素子
を簡単な動作で長寿命化することができる。

【００２１】また、本実施の形態によれば、引き出し電
極が互いに電気的に接合されているため、引き出し電極
に印加される単一の引き出し電圧を上昇させることのみ
でエミッションする冷陰極素子群を順次切り替えること
ができる。

【００２２】なお、本実施の形態では、冷陰極素子群を
３種形成したが、４種以上形成することにより、素子の
更なる長寿命化を図ることも可能となる。

【００２３】（第二の実施の形態）図８を参照しなが
ら、本実施の形態による電界放出素子、およびその制御
方法の一例を説明する。本実施の形態による電界放出素
子においては、カソード電極４に電流制御素子２６が接
続されており、制御回路２７から、電流制御素子２６に
制御信号を入力することによって、カソード電極４に流
れる電流を調節してエミッタ１９から放出されるエミッ
ション電流の量を制御するようにしている。その他は、
第一の実施の形態と同様な構成である。電流制御素子２
６にはＦＥＴ（Field Effect Transistor）を使用
し、かつ、その飽和領域で使用するのが好ましい。

【００２４】図９を参照して、本実施の形態におけるカ
ソード電極４に流れる電流の制御を説明する。エミッシ
ョンの初期は、冷陰極素子１ａが主に動作をする。この
とき、図９中の破線Ｉｘで示されるエミッション限界電
流以下で、電流制御素子２６によってエミッション電流
を一定値に制御する。また、冷陰極素子１ａの属する群
が経時的に劣化し、エミッション電流が低下すると、引
き出し電圧を上昇させて冷陰極素子２ａの属する群を主
に動作させる。このとき、上記同様の制御を行う。さら
に、冷陰極素子２ａの属する群が経時的に劣化し、エミ
ッション電流が低下すると、引き出し電圧を上昇させて
冷陰極素子３ａの属する群を主に動作させる。このと
き、上記同様の制御を行う。

【００２５】本実施の形態によれば、第一の実施の形態
と同様な効果が得られる上、電流制御素子によって、エ
ミッション電流をエミッション限界電流以下で制御する
ことにより、エミッション電流の経時的変動を僅少化し
て安定させることができる。

【００２６】（第三の実施の形態）図１０に、本実施の
形態による電界放出素子の断面図を示す。本実施の形態
では、一の冷陰極素子１ａの属する群に接続されたカソ
ード電極４が他の冷陰極素子２ａ、３ａのそれぞれ属す
る群に接続されたカソード電極８、９から電気的に分離
され、カソード電極４、８、９には、それぞれ制限抵抗
１０、１１、１２が接続されている。その他の構成は、
第一の実施の形態と同様である。図１１に示すように、
本実施の形態では、各カソード電極４、８、９に接続す
る制限抵抗の値を異ならせることにより、エミッション
のしきい値がほぼ同等の値であり、エミッション特性に
ついては、それぞれ傾き・形状が異なったエミッション
特性１〜３を有する冷陰極素子群が形成されている。

【００２７】図１１により、この電界放出素子の動作を
説明する。使用初期において、引き出し電圧をVex1に設
定すると、冷陰極素子１ａの属する群が主にエミッショ
ンし、電流値Ie1が確保される。即ち、引き出し電圧がV
ex１では、冷陰極素子１ａ、２ａ、３ａのそれぞれ属す
る群のエミッション電流を合計した電流が流れ、Ie1以
上の電流値が確保される。時間の経過に伴い、冷陰極素
子１ａが劣化しエミッション電流をIe1以上に維持でき
なくなると、引き出し電圧をVex2に上昇させる。このと
き、冷陰極素子２ａの属する群が主としてエミッション
し、冷陰極素子２ａの属する群と冷陰極素子３ａの属す
る群のエミッション電流を合計したものがトータルのエ
ミッション電流となる。このように、冷陰極素子１ａが
劣化しても、引き出し電圧を上昇させることにより、冷
陰極素子２ａ、３ａのそれぞれ属する群からエミッショ
ンさせ、トータルのエミッション電流をIe1以上に保つ
ことができる。

【００２８】以上のように、本実施の形態によれば、第
一の実施の形態と同様、一つの冷陰極素子群が劣化して
も、引き出し電圧を上昇させることにより、エミッショ
ンの主体となる冷陰極素子群を順次切り替えることがで
き、エミッション電流をIe1以上に保つことが可能とな
る。

【００２９】本実施の形態によれば、電界放出素子にお
いて、冷陰極素子に接続する制限抵抗の値を異ならせる
ことにより、固有のエミッション特性を有する冷陰極素
子群を形成することができる。そして、ある冷陰極素子
群が経時的に劣化しても、引き出し電圧を上昇させて、
各冷陰極素子群を順次切り替えてエミッションを開始さ
せることにより、エミッション電流が必要な一定値以上
に保たれて、素子の長寿命化が実現される。

【００３０】なお、本実施の形態では、制限抵抗はカソ
ード電極に外部から接続したが、例えば、Ｓｉ基板を用
いた場合は、冷陰極素子の基板部にドーピング等によっ
て制限抵抗部を形成し、いわゆるドーピング制御によっ
て当該抵抗値を異ならせても良い。

【００３１】また、制限抵抗を異ならせる代わりに、エ
ミッタに用いる材質やエミッタの先端部にコートする材
料を変更してエミッタの仕事関数を異ならせることによ
っても、冷陰極素子に固有のエミッション特性を付与す
ることができ、上記同様の作用効果が得られる。

【００３２】（第四の実施の形態）図１２に、本実施の
形態による電界放出素子の平面図を示す。本実施の形態
では、放射されるエミッションビームが電界放出素子の
中心点を基準として点対象をなすように、冷陰極素子群
を領域に区分して配置した以外は、第一の実施の形態と
同様な構成である。図１２中、（ａ）は、放射状の境界
で仕切られた領域で冷陰極素子を区分した場合を示し、
（ｂ）は、同心円状の境界で仕切られた領域で冷陰極素
子を区分した場合を示す。

【００３３】図１２（ａ）に示すように、冷陰極素子１
ａ、２ａ、３ａの属する群がそれぞれ配置される領域１
３、１４、１５がこの順で交互に配置されている。ま
た、図１２（ｂ）に示すように、冷陰極素子１ａの属す
る群が配置される円状の領域１６の周りに、冷陰極素子
２ａ、３ａの属する群がそれぞれ配置される円環状の領
域１７、１８がこの順で配置されている。

【００３４】これにより、放射されるエミッションビー
ムの対象性が確保され、さらにビームの制御性や収束性
も向上する。

【００３５】なお、本実施の形態では、領域を仕切る境
界の形状は、放射状、同心円状としたが、この形状は、
エミッションビームの対象性が確保される限り、格子
状、らせん状等であっても良い。

【００３６】（第五の実施の形態）本実施の形態では、
上記した第一〜四の実施の形態による電界放出素子の適
用例を示す。

【００３７】図１３に、本実施の形態による受像管の断
面図を示す。３７は冷陰極素子であり、そこから放出さ
れた電子は、陰極線管４２中、電子銃４４を構成する第
一電極３６、第二電極３５、第三電極３４で集束、加速
されて電子ビーム４３となり、偏向コイル３３で偏向さ
れて蛍光面３０上の所定位置に配置された蛍光体に衝突
する。そして電子ビームに由来する電子は蛍光体と電気
的に接続された陽極端子３１を通り、陽極電源３２に流
れこむ。

【００３８】ここで、第一電極３６、第二電極３５、第
三電極３４には、それぞれ第一電源４０、第二電源３
９、第三電源３８によって正の電圧が印加されている。
なお、映像信号は、オペアンプ４５を経由して冷陰極素
子３７に入力される。

【００３９】本実施の形態によれば、上記した第一〜四
の実施の形態による電界放出素子を受像管に応用するこ
とにより、素子の長寿命化が実現された受像管を提供す
ることができる。また、電界放出素子においてカソード
電極に電流制御素子を接続することによってエミッショ
ン電流が安定化され、精度の良い電子ビームを取り出す
ことができ、高品位の画像が得られるようになる。

【００４０】なお、本実施の形態では、電界放出素子を
受像管の電子銃内に収納したが、その他、電界放出素子
は、電子ビーム装置、光源装置、放電管としても適用が
可能である。さらに、本実施の形態による受像管を利用
して、さらに大型の受像管システムを構成することもで
きる。

【００４１】（第六の実施の形態）本実施の形態では、
上記した第五の実施の形態による受像管に適用しうる電
界放出素子の一例を示す。

【００４２】図１４に、本実施の形態による電界放出素
子を模式的に示す。エミッション特性の異なる冷陰極素
子１ａ、２ａ、３ａの属する群が、それぞれ領域５０、
５１、５２に区分されて配置されている。なお、各領域
が重複する領域においては、各領域に属する冷陰極素子
１ａ、２ａ、３ａがそれぞれ均一になるように配置され
ている。

【００４３】本実施の形態では、放射されるエミッショ
ンビームのスクリーン面でのビームスポット形状の歪み
を打ち消すように、受像管での偏向位置によって各領域
５０、５１、５２の切り替えを行う。

【００４４】これにより、蛍光面の隅部にビームが偏向
されて到達するとき、ビームスポットの形状に生じる歪
みを最小限に押さえられ、解像度の高い受像管を提供す
ることが可能となる。

【００４５】なお、各領域の構成は、ビームスポットの
形状の歪みが修正されるものであれば図１４に示す形状
以外でも良い。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電界放出素子は略同等のエミッション特性を有する冷陰
極素子が属する冷陰極素子群を複数種有し、一つの陰極
素子群が経時的に劣化しても、引き出し電圧を上昇させ
て、各冷陰極素子群を順次切り替えてエミッションを開
始させることにより、エミッション電流が必要な一定値
以上に保たれて、素子の長寿命化が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態による冷陰極素
子を示す平面図

【図２】本発明の第一の実施の形態による電界放出
素子の概略構成を示す断面図

【図３】本発明の第一の実施の形態による冷陰極素
子のエミッション特性を示すグラフ

【図４】本発明の第一の実施の形態による冷陰極素
子のエミッション電流が一定となる機構を示すグラフ

【図５】本発明の第一の実施の形態による冷陰極素
子を示す断面図

【図６】本発明の第一の実施の形態による冷陰極素
子におけるエミッタの先端を示す拡大図

【図７】本発明の第一の実施の形態による電界放出
素子を示す断面図

【図８】本発明の第二の実施の形態による電界放出
素子の概略構成を示す断面図

【図９】本発明の第二の実施の形態による冷陰極素
子の制御形態を示すグラフ

【図１０】本発明の第三の実施の形態による電界放出
素子を示す平面図

【図１１】本発明の第三の実施の形態による冷陰極素
子のエミッション特性を示すグラフ

【図１２】本発明の第四の実施の形態による冷陰極素
子を示す平面図（ａ：放射状領域、ｂ：同心円状領域）

【図１３】本発明の第五の実施の形態による受像管を
示す断面図

【図１４】本発明の第六の実施の形態による電界放出
素子を示す模式図

【図１５】従来技術の電界放出素子を示す構成図

【符号の説明】

１、４、８、９カソード電極１ａ、２ａ、３ａ、３７冷陰極素子２、２２アノード電極３微粒子膜５絶縁層５ａ電子放出部６引き出し電極６ａ、２１蛍光体ターゲット８ａ導電性部材１０、１１、１２制限抵抗１３、１６、５０、１４、１７、５１、１５、１８、５
２領域１９エミッタ２０、２３基板２４アノード電源２５、４１引き出し電源２６電流制御素子３０蛍光面３１陽極端子３２陽極電源３３偏向コイル３４第三電極３５第二電極３６第一電極３８第三電源３９第二電源４０第一電源４２陰極線管４３電子ビーム（の軌跡）４４電子銃４５オペアンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5C031 DD15 DD17 5C036 EG12 EH04 EH12 5C058 AA01 AA03 AA18 AB06 BA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エミッタおよび引き出し電極を含む冷陰
極素子を複数有する電界放出素子において、前記電界放
出素子は、前記冷陰極素子のエミッション特性に基づい
て区分された複数種の冷陰極素子群を備えており、前記
エミッション特性の相違に基づいてエミッションの主体
となる冷陰極素子群を順次切り替えてエミッションを行
わせる手段を有することを特徴とする電界放出素子。
【請求項２】前記引き出し電極により形成される開口
部の面積を変えることで、前記冷陰極素子のエミッショ
ン特性が変更されていることを特徴とする請求項１に記
載の電界放出素子。
【請求項３】前記エミッタの先端の曲率半径を変える
ことで、前記冷陰極素子のエミッション特性が変更され
ていることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素
子。
【請求項４】前記エミッタの仕事関数を変えること
で、前記冷陰極素子のエミッション特性が変更されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の電界放出素子。
【請求項５】前記冷陰極素子にはカソード電極が接続
され、一の冷陰極素子群に接続されたカソード電極は、
他の冷陰極素子群に接続されたカソード電極から電気的
に分離されており、前記カソード電極には制限抵抗が接
続され、当該制限抵抗の値を変えることで、前記冷陰極
素子群のエミッション特性が変更されていることを特徴
とする請求項１に記載の電界放出素子。
【請求項６】前記冷陰極素子群が、ランダムに分散し
て配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいず
れかに記載の電界放出素子。
【請求項７】前記冷陰極素子群が、放射されるエミッ
ションビームが電界放出素子の中心点を基準として点対
象をなすように、領域に区分されて配置されていること
を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電界放出
素子。
【請求項８】前記冷陰極素子群にはカソード電極が接
続され、当該カソード電極に電流制御素子が接続されて
いることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の
電界放出素子。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかに記載の電解放
出素子を備えた受像管であって、前記冷陰極素子群が、
放射されるエミッションビームのビームスポット形状の
歪みを打ち消すように、領域に区分されて配置されてい
ることを特徴とする受像管。