JP2005123066A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電電流を低減することのできる電界放出素子を用いた平面型画像表示装置を提供することにある。
【解決手段】画像表示装置の前面基板２は、蛍光面６および蛍光面に重ねて設けられたメタルバック層を有している。前面基板と対向して配置された背面基板上には、蛍光面に向けて電子を放出する複数の電子放出素子が配置されている。メタルバック層は、第１方向Ｘおよびこの第１方向と直交する第２方向Ｙに互いにそれぞれギャップｇ１、ｇ２をおいて複数の分割領域７ａに分断されている。ｇ１部のシート抵抗ρｇ１はｇ２部のシート抵抗ρｇ２よりも低く設定されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、画像表示装置に係り、特に、電子放出素子を用いた平面型の画像表示装置に関する。

近年、次世代の画像表示装置として、電子放出素子を多数並べ、蛍光面と対向配置させた平面型画像表示装置の開発が進められている。電子放出素子には様々な種類があるが、いずれも基本的には電界放出を用いており、これらの電子放出素子を用いた表示装置は、一般に、フィールド・エミッション・ディスプレイ（以下、ＦＥＤと称する）と呼ばれている。ＦＥＤの内、表面伝導型電子放出素子を用いた表示装置は、表面伝導型電子放出ディスプレイ（以下、ＳＥＤと称する）とも呼ばれているが、本願においてはＳＥＤも含む総称としてＦＥＤという用語を用いる。

ＦＥＤは、一般に、所定のギャップを置いて対向配置された前面基板および背面基板を有し、これらの基板は、矩形枠状の側壁を介して周縁部同士を互いに接合することにより真空外囲器を構成している。真空容器の内部は、真空度が１０^−４Ｐａ程度以下の高真空に維持されている。また、背面基板および前面基板に加わる大気圧荷重を支えるために、これらの基板の間には複数の支持部材が配設されている。

前面基板の内面には赤、青、緑の蛍光体層を含む蛍光面が形成され、背面基板の内面には、蛍光体を励起して発光させる電子を放出する多数の電子放出素子が設けられている。また、多数の走査線および信号線がマトリックス状に形成され、各電子放出素子に接続されている。蛍光面にはアノード電圧が印加され、電子放出素子から出た電子ビームがアノード電圧により加速されて蛍光面に衝突することにより、蛍光体が発光し映像が表示される。

このようなＦＥＤでは、前面基板と背面基板とのギャップを数ｍｍ以下に設定することができ、現在のテレビやコンピュータのディスプレイとして使用されている陰極線管（ＣＲＴ）と比較して、軽量化、薄型化を達成することができる。

上記のように構成されたＦＥＤにおいて、実用的な表示特性を得るためには、通常の陰極線管と同様の蛍光体を用い、更に、蛍光体の上にメタルバックと呼ばれるアルミ薄膜を形成した蛍光面を用いることが必要となる。この場合、蛍光面に印加するアノード電圧は最低でも数ｋＶ、できれば１０ｋＶ以上にすることが望まれる。

しかし、前面基板と背面基板との間のギャップは、解像度やスペーサの特性などの観点からあまり大きくすることはできず、１〜２ｍｍ程度に設定する必要がある。したがって、ＦＥＤでは、前面基板と背面基板との小さいギャップに強電界が形成されることを避けられず、両基板間の放電が問題となる。

放電ダメージ抑制に関して何の対策も導入しないと、放電により電子放出素子、それにつながる薄膜電極、蛍光面、ドライバＩＣ、駆動回路の破壊や劣化が引き起こされる。これらをまとめて放電ダメージと呼ぶことにする。このようなダメージが起こる状況では、ＦＥＤを実用化するためには、長期間に渡り、放電が絶対に発生しないようにしなければならない。しかし、これを実現するのは非常に難しい。

そこで、放電が起きても放電ダメージが発生しないか無視できるレベルに抑制できるように、放電電流を低減する対策が重要となる。このための技術として、蛍光面に設けられたメタルバックに切り欠きを入れてジグザグなどのパターンを形成し、蛍光面の実効的なインピーダンスを高める技術が開示されている（特許文献１）。また、メタルバックを分割し、抵抗部材を介して共通電極と接続することで高電圧を印加する技術が開示されている（特許文献２）。更に、メタルバックの分割部での沿面放電を抑制するために、分割部に導電性材料の被覆を設ける技術が開示されている（特許文献３）。また、メタルバックを分割あるいはパターン化し、さらにメタルバックに抵抗性の材料を用いる技術が開示されている。（特許文献４）
特開２０００−３１１６４２号公報 特開平１０−３２６５８３号公報 特開２０００−２５１７９７号公報 特開２００３−２４２９１１号公報

しかし、検討を続けた結果、従来技術のうち、実用性が高く、放電電流制限効果も大きいメタルバックを長手方向に分断する技術によっては、３Ａ程度までしか放電電流を低減することができないことがわかってきた。

これにより、蛍光面やドライバＩＣの破損を防ぐことはできるようになった。しかし、電子源については、ほぼ確実にダメージを防げるものの、稀に電子放出素子を巻き込むような放電が起きた場合は、点欠陥ができるケースがあった。また、電子放出素子につながる薄膜電極の断線を抑制する対策のため、プロセスが増加し、コストアップにもなっていた。一方、ドライバＩＣについても、３Ａ程度に対応するためには特殊な設計をしなければならず、コストアップ要因となっていた。したがって、一層、放電電流を減らすことのできる技術が切望されていた。

本発明は、このような課題を解決するためのものであり、その目的は、前面基板と背面基板との間で発生する放電の放電電流を、従来技術より大幅に小さくすることのできる画像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係る画像表示装置は、蛍光体層および遮光層を含む蛍光面と、この蛍光面に重ねて設けられたメタルバック層と、を有した前面基板と、上記前面基板と対向して配置されているとともに、上記蛍光面に向けて電子を放出する複数の電子放出素子が配置された背面基板と、を備え、上記メタルバック層は、上記蛍光面と対応する領域で、第１方向にｇ１のギャップ、第１方向と直交する第２方向にｇ２のギャップで分割されており、ｇ１＜ｇ２となっており、ｇ１部、ｇ２部のシート抵抗をそれぞれρｇ１、ρｇ２としたとき、ρｇ１＜ρｇ２であることを特徴とする。

さらに、上記ｇ１のギャップ、ｇ２のギャップの抵抗をそれぞれＲｇ１，Ｒｇ２としたとき、
０．５≦（Ｒｇ１／Ｒｇ２）^１／２／（ｇ１／ｇ２）≦２
であることを特徴とする。

本発明によれば、前面基板と背面基板との間で発生する放電の放電電流を、従来よりも大幅に低減した画像表示装置を提供することができる。これにより、背面基板側での追加対策をなくしたり簡素化することができ、プロセス削減、コストダウンを図ることが可能となる。また、ドライバＩＣのコストダウンも図ることができる。さらに、稀に起こる可能性のあった点欠陥も発生しないようにできる。

更に、本発明によれば、アノード電圧を上げたり、前面基板と背面基板との間のギャップを小さくすることが可能となり、輝度、解像度、蛍光体寿命などの特性が向上した画像表示装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、この発明を適用したＦＥＤの実施の形態について詳細に説明する。
図１および図２に、この発明の実施の形態に共通のＦＥＤの構造を示す。このＦＥＤは、それぞれ矩形状のガラスからなる前面基板２、および背面基板１を備え、これらの基板は１〜２ｍｍのギャップを置いて対向配置されている。そして、前面基板２および背面基板１は、矩形枠状の側壁３を介して周縁部同士が接合され、内部が１０^−４Ｐａ程度以下の高真空に維持された偏平な矩形状の真空外囲器４を構成している。

前面基板２の内面には蛍光面６が形成されている。この蛍光面６は、赤、緑、青に発光する蛍光体層とマトリックス状の遮光層とで構成されている。蛍光面６上には、アノード電極として機能するメタルバック層７が形成されている。表示動作時、メタルバック層７には所定のアノード電圧が印加される。蛍光面の詳細な構造は後述する。

背面基板１の内面上には、蛍光体層を励起するための電子ビームを放出する多数の電子放出素子８が設けられている。これらの電子放出素子８は、画素毎に対応して複数列および複数行に配列されている。電子放出素子はマトリックス状に配設された配線（図示せず）により駆動される。また、背面基板１および前面基板２の間には、これらの基板に作用する大気圧を支持するため、板状あるいは柱状に形成された多数のスペーサ１０が配置されている。
蛍光面６にはメタルバック層７を介してアノード電圧が印加され、電子放出素子８から放出された電子ビームはアノード電圧により加速され蛍光面６に衝突する。これにより、対応する蛍光体層が発光し画像が表示される。

図３に、この発明の実施の形態に共通の、前面基板２、特に蛍光面６の構造を示す。蛍光面６は、赤、青、緑に発光する多数の矩形状の蛍光体層Ｒ、Ｇ、Ｂを有している。前面基板２の長手方向を第１方向Ｘ、これと直交する幅方向を第２方向Ｙとした場合、蛍光体層Ｒ、Ｇ、Ｂは、第１方向Ｘに所定のギャップをおいて繰り返し配列され、第２方向には同一色の蛍光体層が所定のギャップをおいて配列されている。なお、所定のギャップといっても製造誤差の範囲内であるいは設計の微調整の範囲内で変化しており一定値であるとは限らない。また、蛍光面６は遮光層２２を有している。この遮光層２２は、前面基板２の周縁部に沿って延びた矩形枠部２２ａ、および矩形枠部の内側で蛍光体層Ｒ、Ｇ、Ｂの間をマトリックス状に延びたマトリックス部２２ｂを有している。

次に、図４ないし図６を参照しながら、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。図４は蛍光面６の平面図、図５、図６はそれぞれ、蛍光面６のＸ方向およびＹ方向の断面図である。

以後、寸法の目安のため、画素（Ｒ、Ｇ、Ｂまとめたもの）がピッチ６００μｍの正方画素である場合を例にとり適宜数値を示す。

遮光層２２の上には、抵抗調整層３０が形成されている。抵抗調整層３０は、マトリックス部２２ｂの領域においては、それぞれ蛍光体層間をＸ方向に延びた複数の横線部３１Ｈと、それぞれ蛍光体層間をＹ方向に延びた複数の縦線部３１Ｖとを有している。蛍光体層はＸ方向にＲ、Ｇ、Ｂと並んでいるため、縦線部３１Ｖは、横線部３１Ｈよりもはるかに幅が狭くなっている。例えば、縦線部３１Ｖの幅は４０μｍ、横線部３１Ｈの幅は３００μｍである。

縦線部３１Ｖには、横線部３１Ｈよりも低抵抗の材料が用いられている。この抵抗値については、後述する。横線部３１Ｈおよび縦線部３１Ｖはいずれも、ある抵抗性の金属酸化物の微粒子を母材とした材料を用いて、周知の技術であるフォトリソグラフィー技術により形成される。
蛍光体層Ｒ、Ｇ、Ｂは、周知のスクリーン印刷やフォトリソグラフィーにより形成される。

抵抗調整層３０の上には、薄膜分断層３２が形成されている。薄膜分断層３２は、それぞれ抵抗調整層３０の横線部３１Ｈ上に形成された横線部３３Ｈ、およびそれぞれ抵抗調整層３０の縦線部３１Ｖ上に形成された縦線部３３Ｖを有している。薄膜分断層３２は、表面が凸凹になるように適切な密度で粒子が分散され、これにより、この後に蒸着などにより形成される薄膜が分断される。薄膜分断層３２は、遮光層２２よりも少し細めに形成されており、数値例を示すと、薄膜分断層の横線部３３Ｈの幅は２６０μｍ、縦線部３３Ｖの幅は２０μｍとなっている。

薄膜分断層３２の形成後、メタルバック層７を平滑に形成するためにラッカーなどによる平滑化処理が行われる。この平滑化のための膜は、メタルバック層７が形成された後には、焼成により焼失する。この平滑化処理は基本的にはＣＲＴなどで周知のものである。なお、薄膜分断層３２の領域では、平滑化作用が失われるように、条件が制御される。

平滑化処理の後、蒸着等の薄膜形成プロセスにより、メタルバック層７が形成される。これにより、薄膜分断層３２で分断された分断メタルバック７ａが形成される。この場合、分断メタルバック７ａ間のギャップは薄膜分断層３２の横線部３３Ｈおよび縦線部３３Ｖの幅とほぼ同じであり、Ｘ方向にはｇ１＝２０μｍ、Ｙ方向にｇ２＝２６０μｍとなる。

次に、抵抗調整層３０の抵抗値の設定について詳細に説明する。ギャップｇ１、ｇ２部のシート抵抗をそれぞれρｇ１、ρｇ２とする。なお、ｇ１、ｇ２はギャップの値を指すと共にそのギャップそのものをも指すこととする。上記構造では、ρｇ１は、縦線部３１Ｖのシート抵抗、ρｇ２は横線部３１Ｈのシート抵抗にほぼ等しくなる。また、ギャップｇ１、ｇ２間の抵抗をＲｇ１、Ｒｇ２とする。Ｒｇ１、Ｒｇ２は、隣接する分断メタルバック７ａ間の抵抗として測定され、分断ピッチでの縦線部の長さをＷ１、横線部の長さをＷ２とすると、近似的に、
Ｒｇ１＝ρｇ１・ｇ１／Ｗ１
Ｒｇ２＝ρｇ２・ｇ２／Ｗ２
となる。一般には、ρｇ１、ρｇ２が抵抗調整層３０の値になるとは限らないが、Ｒｇ１，Ｒｇ２を測定し、上記の近似式に基づいて逆算した値をρｇ１、ρｇ２と定義する。

放電が起こると、放電の起きた場所の分断メタルバック７ａの電圧はアノード電圧から０Ｖに向かって低下していくが、隣接した分断メタルバックの電圧は同じペースで落ちていくわけではないので、ギャップｇ１、ｇ２には電位差Ｖｇ１，Ｖｇ２が発生する。これがそのギャップの耐圧より高くなると、ギャップ間の放電が起きてしまう。すると、放電によりギャップｇ１やｇ２が低抵抗でつながってしまう上、なだれ式にどんどん放電が連鎖していく現象が起こることもあり、電流が大きくなってしまう。したがって、メタルバック７の分断を行う場合には、その分断部に発生する電圧を耐圧以下に抑制することが重要課題となる。

分断されたメタルバック７が２次元的に並んだ系のふるまいは解析的には求めることができないので、電気回路シミュレータ（ＳＰＩＣＥ）により検討を行った。

その結果、一般に、
Ｖｇ１∝√Ｒｇ１
Ｖｇ２∝√Ｒｇ２
という関係が近似的に成り立つことが判明した。ギャップｇ１、ｇ２の電界Ｅｇ１，Ｅｇ２は、
Ｅｇ１＝Ｖｇ１／ｇ１
Ｅｇ２＝Ｖｇ２／ｇ２
となる。

一般にギャップの耐圧はギャップにほぼ比例するので、Ｅｇ１、Ｅｇ２が放電の臨界電界に達するか否かが、放電が起こるか否かの目安となる。放電電流をできるだけ小さくするには、Ｅｇ１、Ｅｇ２をほぼ等しくした上で、耐圧を考慮して値を設定することが最適である。Ｅｇ１、Ｅｇ２に差があると、その分だけ無駄な電流が流れることになる。あるいは、一方の耐圧が不利になる。

製作の面からは、抵抗層は一つの材料で作るのが容易であるが、そうした場合にどうなるかについて説明する。ρｇ１＝ρｇ２＝ρｇとした場合、数値例で考えると、ｇ１＝２０μｍ、Ｗ１＝３４０μｍ、ｇ２＝２６０μｍ、Ｗ２＝１８０μｍの場合、
Ｒｇ１／Ｒｇ２＝０．０４
Ｖｇ１／Ｖｇ２＝０．２
Ｅｇ１／Ｅｇ２＝２．６
となり、ギャップｇ１の電界の方が大きくなってしまう。これはあくまで数値例だが、実用的な寸法では、この関係は変わらない。結局、Ｖｇ１，Ｖｇ２のＲｇ１，Ｒｇ２への依存性が比例ではなく、平方根に比例となっているため、ギャップの小さいｇ１の電界の方が必ず大きくなってしまうことになる。

したがって、本発明においては、ρｇ１をρｇ２よりも小さくする。さらには、Ｅｇ１＝Ｅｇ２程度とするのが好適であり、
０．５≦（Ｒｇ１／Ｒｇ２）^１／２／（ｇ１／ｇ２）≦２
とする。ｇ１部とｇ２部の耐圧の違いや設計自由度を考慮すると、完全に等しくことが必要なわけではないので、０．５〜２倍の範囲が許容される。

ある程度の放電電流抑制効果を得るためには、Ｒｇ１，Ｒｇ２のうちＲｇ１を指標とすると、Ｒｇ１＝１０^２Ω以上は必要である。一方、抵抗を高くしすぎると、画面の輝度低下が無視できなくなってしまうので、そのことから上限が決まる。ビーム電流は一般に１０ｍＡのオーダーであり、電圧降下量の計算からほぼＲｇ１＝１０^５Ωが上限となる。Ｒｇ１はこのような範囲で、ディメンジョン、実際的な材料の制約、目標電流、目標輝度低下量等を総合的に考慮して決定すればよい。
以上のような前面基板を用いて、表面伝導型の電子放出素子を用いたＦＥＤを作製して、放電ダメージの評価を行った。抵抗値はＲｇ１＝１０^２Ω、Ｒｇ２＝１０^４Ωとした。なお、後述の実施の形態３のように、蛍光面には分断ゲッタ層も形成した。アノード電圧を９ｋＶが標準条件のＦＥＤにおいて、アノード電圧を最大で１４ｋＶまで上昇させ、強制的に放電を起こさせた。その結果、１００回の放電後も、許容電流が１ＡのドライバＩＣが壊れることはなかった。また、電子放出素子の破壊、劣化も認められなかった。この場合の放電電流は、０．０５Ａと推定され、従来よりもはるかに小さくなっていた。

本発明の第２の実施形態の蛍光面等の、Ｘ方向断面図を図７に示す。Ｙ方向の断面図は容易にわかることなので省略する。本実施の形態においては、遮光層２２自体が抵抗調整層となっている。これを実現するために、抵抗調整層には、抵抗を適正化しつつ遮光層に求められる黒色に近く低反射率の材料を用いている。これにより、プロセスの簡易化、歩留まりの向上、コストダウンを図ることが可能になる。ただし、抵抗調整の自由度が減る。

本発明の第３の実施形態の蛍光面の、Ｘ方向の断面図を図８に示す。Ｙ方向断面についても同様なので図示は省略する。本実施の形態においては、実施の形態２に対して、メタルバック層７の上にさらに、ゲッタ層４０が形成されている。ＦＥＤにおいては、長期に渡り真空度を確保するために、このように蛍光面にゲッタ層を形成することが必要になるケースがあり、本実施の形態はそのような場合に対応したものである。一般にゲッタ層は大気に暴露されると作用が失われてしまうので、ゲッタ層は、前面基板２と背面基板１を真空中で封着する際に蒸着等の薄膜プロセスにより形成するのが現実的な製法となる。メタルバック層７の形成後も薄膜分断層の作用は失われていないので、ゲッタ層４０もメタルバック層７と同様のパターンに分断されて分断ゲッタ層４０ａが形成される。ゲッタ層４０は一般に導電性の金属であるが、これにより、ゲッタ層４０を形成しても、蛍光面が導通してしまうことを避けることができる。

なお、以上の説明においては、抵抗調整層３０は遮光層２２のマトリックスに対応させてマトリックス状に形成していたが、例えば、横線部３１Ｈは２ラインごと、縦線部３１Ｖは、Ｒ、Ｇ、Ｂを３つまとめて１画素とした場合に、この画素ごとに形成する構成としても良い。こうすることで、分断数を減らすことができ、製造歩留まりの面などで有利となる。一般に、分断のピッチは、目標を満たせる範囲でさまざまに選択できることはいうまでもない。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
その他、各構成要素の寸法、材料等は、上述の実施の形態で示した数値、材料に限定されることなく、必要に応じて種々選択可能である。

この発明の実施の形態に係るＦＥＤを示す斜視図。 図１の線Ａ−Ａに沿った上記ＦＥＤの断面図。 上記ＦＥＤにおける前面基板の蛍光面およびメタルバック層を示す平面図。 この発明の第１の実施形態に係るＦＥＤの蛍光面部分を示す平面図。 図４の線Ｂ−Ｂに沿った蛍光面等の断面図 図４の線Ｃ−Ｃに沿った上記蛍光面等の断面図。 この発明の第２の実施形態に係るＦＥＤの蛍光面等を示す断面図。 この発明の第３の実施形態に係るＦＥＤの蛍光面等を示す断面図。

符号の説明

１…背面基板、 ２…前面基板、 ３…側壁、 ６…蛍光面、
７…メタルバック層、 ７ａ…分割メタルバック、 ８…電子放出素子、
２２…遮光層、 ２２ｂ…遮光層のマトリックス部、 ３０…抵抗調整層、
３１Ｈ…抵抗調整層の横線部、 ３１Ｖ…抵抗調整層の縦線部
３２…薄膜分断層、 ３３Ｈ…薄膜分断層の横線部、３３Ｖ…薄膜分断層の縦線部
４０…ゲッタ層、 ４０ａ…分断ゲッタ層

Claims (4)

1. 蛍光体層および遮光層を含む蛍光面と、この蛍光面に重ねて設けられたメタルバック層と、を有した前面基板と、
   上記前面基板と対向して配置されているとともに、上記蛍光面に向けて電子を放出する複数の電子放出素子が配置された背面基板と、を備え、
   上記メタルバック層は、上記蛍光面と対応する領域で、第１方向にｇ１のギャップ、第１方向と直交する第２方向にｇ２のギャップで分割され、ｇ１＜ｇ２であり、
   ｇ１部、ｇ２部のシート抵抗をそれぞれρｇ１、ρｇ２としたとき、
   ρｇ１＜ρｇ２
   であることを特徴とする画像表示装置
2. 上記ｇ１のギャップ、およびｇ２のギャップの抵抗をそれぞれＲｇ１、Ｒｇ２とすると、
   ０．５≦（Ｒｇ１／Ｒｇ２）^１／２／（ｇ１／ｇ２）≦２
   であることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置
3. １０^２Ω≦Ｒｇ１≦１０^５Ωであることを特徴とする請求項２記載の画像表示装置
4. 上記メタルバック層に重ねてゲッタ層が形成され、このゲッタ層は、上記メタルバック層と対応したパターンに分断されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の画像表示装置

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