JP5363584B2 - 蛍光ランプ及び画像表示装置 - Google Patents

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Description

本願は、蛍光ランプまたは蛍光発光を利用した表示装置に関わる発明である。
直管型蛍光灯は一般照明として広く普及しており、その発光効率は100-120lm/Wと非常に高い。しかしながら最近欧州をはじめとする環境規制、例えばRoHS規制からHgを使用しない新たな照明を求める動きが活発になされている。代表的な候補は、LED、OLED照明であるが、蛍光灯も水銀を使わないXeランプが見直されている。
特開2005-353419号公報 特開2002-150944号公報 特開2006-004954号公報 特開2001-006565号公報 特開2009-009822号公報
T. Ichikawa, et. al., IDW’08, MEMS5-2, p1363(2008)
水銀を用いないXeランプの問題は、放電電圧が高いため消費電力が大きいことにある。特許文献２乃至４では、放電電圧を下げるため、管内に電子源を設けて電子を空間に放出しこれにより放電開始電圧を下げることが開示されている。特許文献２では熱電子放出素子が、また特許文献３，４ではBSD(Ballistic electron Surface-emitting Diode)と呼ばれるMIS(金属／絶縁体／半導体)積層型の電子放出素子が用いられている。一方で放電そのものをなくすことを検討した例が、特許文献１及び非特許文献１に開示されている。通常ガス放電では、Xe原子を励起状態にし、放出される紫外線を蛍光体で可視光線に変換することで照明としている。しかし詳しい解析によれば約４割の電力はこの過程以外に消費され熱となって失われてしまう。
本来Xe原子を励起状態にするには10eV程度のエネルギーがあれば十分である。しかしながらガス励起に放電を用いる場合は、Xe原子の電離エネルギー、電子及びXeイオンの運動エネルギーに投入する電力が費やされ過剰なエネルギーは最終的に熱損失となる。従って放電を行わず直接電子でXe原子を励起することができれば大幅な効率向上が見込まれる。特許文献１では電子源としてMIM(金属／絶縁膜／金属)電子源、非特許文献１では前述のBSD電子源についての技術が開示されている。後者により無放電での発光現象が記載されているが、動作条件については記述があるものの、輝度、効率については言及がない。また特許文献１については、構造の概略が述べられているにとどまり、材料、デバイス構造、製造プロセス、動作条件、性能(輝度・効率)に関する具体的な記載がない。すなわち上記２つの特許文献では、直接励起方式の無放電蛍光体が実用的性能、すなわち輝度、効率を発現する手段・方法は開示されていない。
本発明者は、電子源としてMIM電子源を用いた直接ガス励起方式の無放電ガスランプの実験を行い、後述する電流輝度効率が電界に比例するという新たな実験事実を見出した。本発明では、この原理を示すとともに、本原理に基づいて、従来の直管型蛍光灯と同等またはそれ以上の性能を発揮するのに必要な具体的な構成要件を開示する。
上記課題は以下の手段によって解決される。
すなわち、対向する前面基板および背面基板と、前記前面基板と前記背面基板を囲む壁が構成する容器と、前記背面基板の前記前面基板側に配置されていてホットエレクトロンを放出する電子源と、前記前面基板の前記背面基板側に配置されていて紫外線を吸収し可視発光を行う蛍光体と、前記容器内に封入されている希ガスもしくは分子性ガスと、前記前面基板と前記背面基板に設置されている電極と、を備え、前記電極の間にアノード電圧が加わることにより前記希ガスもしくは前記分子性ガス中に放出されたホットエレクトロンを回収し、前記可視発光の輝度Lをアノード電流密度で除した電流輝度効率が、前記アノード電圧を前記前面基板と前記背面基板の間の基板間隔で除して得られるアノード電界の値に比例することを特徴とする蛍光ランプ及びその蛍光ランプを用いた画像表示装置によって解決される。
また、本発明の別の発明によっても解決される。すなわち、対向する前面基板および背面基板と、前記前面基板と前記背面基板を囲む壁が構成する容器と、前記背面基板の前記前面基板側に配置されていてホットエレクトロンを放出する電子源と、前記前面基板の前記背面基板側に配置されていて紫外線を吸収し可視発光を行う蛍光体と、前記容器内に封入されている希ガスもしくは分子性ガスと、前記前面基板と前記背面基板に設置されている電極と、を備え、前記電極の間にアノード電圧が加わることにより前記希ガスもしくは前記分子性ガス中に放出されたホットエレクトロンを回収し、前記ガスの圧力が10kPa以上で、かつアノード電圧が240V以下で、かつ前記基板間隔が0.4mm以下であることを特徴とする蛍光ランプ及びその蛍光ランプを用いた画像表示装置によっても解決される。
電流輝度効率が、アノード電圧に比例することを利用して、直管型蛍光灯を凌駕する輝度、効率性能を有する無放電蛍光ランプを実現することが可能となる。
無放電ガスランプの構成の一例を示す図である。 無放電ガスランプの輝度のアノード電界依存性を示す図である。 無放電ガスランプの電流輝度効率のアノード電界依存性を示す図である。 （Ａ）実施例1における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図４（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例1における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図５（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例1における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図６（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例1における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図７（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例1における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図８（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例1における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図９（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例1における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１０（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例２における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１１（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例２における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１２（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例３における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１３（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例３における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１４（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例３における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１５（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例３における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１６（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例４における無放電ガスランプの製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１７（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１８（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。（Ｃ）図１８（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図１９（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。（Ｃ）図１９（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図２０（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。（Ｃ）図２０（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図２１（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。（Ｃ）図２１（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図２２（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。（Ｃ）図２２（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図２３（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。（Ｃ）図２３（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図２５（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。（Ｃ）図２４（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図２５（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。（Ｃ）図２５（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図２６（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。（Ｃ）図２６（Ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。 （Ａ）実施例５における無放電ガス表示装置の製造方法の一例を示す図である。（Ｂ）図２７（Ａ）におけるＡ−Ａ’断面図である。 実施例５における無放電ガス表示装置の駆動回路との結線の一例を表す図である。 実施例５における無放電ガス表示装置の駆動波形の一例を示す図である。 無放電ガスランプの輝度の性能を示す図表である。
まずはMIM電子源を用いた直接ガス励起方式の無放電ガスランプについて、本発明者が見出した電流輝度効率に関する新たな知見を開示する。
図１は実験系の模式図である。真空容器の内部にMIM電子源を持つカソード基板と、蛍光体を配したアノード基板を、ある間隔で対向させる。ここで使うカソード基板、及びアノード基板の製造方法については実施例１で詳しく記述する。
内部を真空排気した後Xeガスを導入し所定の圧力に保持する。ここで用いるガス種としては、励起により真空紫外(VUV)〜紫外(UV)光を発する希ガスが適している。またこの他に、放電を伴う分解を心配する必要がないので、分子性ガス、例えばN2等も用いることが可能である。
続いて真空容器の外部からMIM電子源の上部電極１５と、アノード電極２１の間にギャップ電圧VaをDC電源から与える。これはMIM電子源からXeガス中に放出された電子をアノード電極へ引き込んで回収するためである。またMIM電子源の下部電極と上部電極の間にもDCパルス電源から、所定の電圧Vd、パルス幅、周期の駆動パルスを印加する。
図３０の「実施例１」の列に実験条件と、発光性能を記す。
ここで使われている各種物量の定義を以下に記す。
無放電ガスランプの光束φは、
と表わされる。ηは輝度効率、Pは消費電力である。
ここで内部輝度効率ηintとして
を定義する。Vaはアノード基板とカソード基板の間の空間に掛かる電圧、Jaはそこを流れる電流密度である。
式（２）でL／Jaを電流輝度効率と定義する。
この図３０から判るように、アノード電界2×105[V/m]、圧力60kPaにおける電流輝度効率は5.6×10３ [cd/A]に達することが判明した。
この時の内部輝度効率は29.3 [lm/W]である。内部輝度効率ではガス中で消費される電力のみを考慮している。電子源が消費する電力を加味したものを、外部輝度効率と定義する。
VdはMIMダイオードに掛かる電圧、JdはMIMダイオードに流れる電流を表す。
上記BSD、MIMでは、JaとJdの間には比例関係が成り立ち、その比例係数を電子利用効率αと呼ぶ。
この実験では電子利用効率は１％であり、ダイオード電圧11Ｖであるので、式（４）からJdを求め、式（３）に代入すれば外部輝度効率が10.3 [lm/W]と求まる。この値は白熱電球とほぼ同じであるが、実用的な輝度を得るには至っていない。
電流輝度効率が高いにも関わらず、内部輝度効率が低いのは、アノード電圧が600Vと高いことに起因している。そこで電圧を下げるべく、アノード電界を一定になるようアノード基板とカソード基板の間の基板間隔dとアノード電圧Vdを1/10に縮小する。アノード電流Ia(＝Ja×S, S:発光領域の面積)は以下に示す空間電荷制限電流に従っている。


前述の比例縮小によりd-3項の効果でアノード電流Iaが10倍に増加する。これにより輝度L及び内部輝度効率は10倍向上する(図３０中、「Ａ」列参照)。
さらに実施例１により図３に示すごとく、電流輝度効率がアノード電界に比例するという知見を得た。この効果を利用して、間隔dをさらに1/3に縮小する。これにより電流輝度効率は1.7×104 [cd/A]に向上し、式（５）により同時にアノード電流Iaも27倍に増加するので、輝度Lは9.1×103cd/m2に向上する(図３０中、「Ｂ」列参照)。
これまでの検討は緑単色の輝度、効率を議論してきたが、これを白色輝度、効率に変換する。実施例１で開示した蛍光体のうちプラズマディスプレイ用のRGB蛍光体を使った場合、両者の換算比は1/1.7であることが判っている。その変換を行った数値が図３０中、「Ｃ」列に対応する。
以上はパネル側の設計による輝度、輝度効率の向上策を開示してきた。しかしながら外部輝度効率を向上させるには、電子源の性能(アノード電流密度Ja、電子利用効率α)を改善する必要がある。
特許文献５にMIM電子源の性能向上に関する技術が開示されている。具体的には、
（１）トンネル絶縁膜中のNd不純物を一定以下にする
（２）トンネル絶縁膜の膜厚を4Vから6V酸化に変える
が記載されている。本発明ではこれに加え新たに、
（３）トンネル絶縁膜の酸化電圧を8V以上に上げる、
（４）上部電極の表面をCs酸化物で覆う事で仕事関数を下げる
（５）パネルを真空中で加熱することで、Au/Pt/Ir貴金属薄膜の自己薄膜化をおこさせる、
を実施することでアノード電流密度Ja2000[A/m2]、電流利用効率を10%を実現した。以上２点の改善策を考慮すると、図３０のＤ列に記すごとくアノード電流密度Jaが5.4[A/m2]で、輝度Lは5.3×104[cd/m2]、外部輝度効率は183 [lm/W]という直感型蛍光灯を上回る高輝度・高効率光源が実現できることが判明した。
以上の議論を整理すると、内部輝度効率はギャップ間隔（基板間隔）ｄに反比例することになる。前述の超高効率ではなく、たとえばダウンライト型LED照明なみの輝度効率50lm/Wでも照明としては利用可能である。つまりギャップ間隔を４倍程度まで広げても実用性は損なわれない。ただしこの場合電流輝度効率を一定、すなわち電界を一定に保つ必要があるので、アノード電圧を４倍に上げる必要がある。従ってダウンライト型LED照明同等以上の輝度効率を得るには、ギャップ間隔0.4mm以下、アノード電圧240V以下が良い。図３０のＤ列の条件、すなわちアノード電圧60Ｖ、ギャップ0.1ｍｍを基準とすれば、同じ電界強度を維持した場合で、ギャップ間隔とアノード電圧の最小値を考えると、ギャップ間隔は0.01ｍｍでアノード電圧は6Ｖとなる。ギャップ間隔については、蛍光体の粒径のサイズ以上に設定するのがよい。またガラスを張り合わせて容器を作るが、あまりギャップ間隔が狭いとガスとの置換がうまく行えなくなる。この観点からも0.01ｍｍ以上のギャップ間隔でもよいといえる。
以下、本発明の実施形態を実施例の図面を参照して詳細に説明する。
ここでは本発明の裏付けとなる、無放電ガスランプの性能検証実験結果を開示する。
まず電子源の製造方法から述べる。図４に示すごとくカソード基板１０として絶縁材である安価なソーダライムガラスを用意する。ソーダガラス基板からアルカリ成分が拡散してこないように、ガラス表面にアルカリ拡散防止膜１１を設ける。拡散防止膜としては、酸化ケイ素、窒化ケイ素などを主成分とする絶縁膜が良い。ここではスピンコートで塗膜可能な、無機ポリシラザン膜を使用した。これをスピンコータで塗布後、大気中250℃で加熱しシリカ膜へ添加させる。加えて窒素中550℃で焼成することで熱収縮を行わせた。これはランプを製造する際に行うフリットガラス封着の温度400℃でシリカ膜がこれ以上収縮しないよう予めそれより高い温度で焼成をする。これにより熱収縮にともなうMIM電子源への応力が解消され、構成材であるAl合金のボイド、ヒロックの発生を防止する効果がある。
次にMIM電子源の下部電極となるAl合金をスパッタ法で成膜する。Al合金としては上述のフリットガラス封着の熱処理で、ボイド、ヒロックの発生を抑止するよう耐熱性を強化した組成、周期律表における３Ａ族，４Ａ族，もしくは５Ａ族の金属を１つまたは複数添加したAl合金が好適である。ここでは添加量の異なるAl-Nd合金を2種類使用した。まずNd含有量が2原子％の合金ターゲットを用いて厚さ300nmの膜を形成したのち、連続して今度は0.6原子％の合金ターゲットで厚さ200nmの膜を積層した。このような積層Al合金膜の表面を陽極酸化法により酸化膜を形成しトンネル絶縁膜とする。トンネル絶縁膜には合金の添加材であるNdが一定の濃度で混入する。混入したNdはアルミナ中のエネルギーギャップ内に電子トラップを形成し、これによりダイオード電流の減少、電子利用効率の低下が起きる。MIM電子源を持つFED(Field Emission Display)パネルを使った事前検討では、陽極酸化電圧4Vの場合、Nd含有量を2原子％から0.6原子％に変化させると、得られるMIM電子源の電子利用効率は3.3％から5.5％に倍増した。このことから5％を超える電子利用効率を得るには、Nd含有量を1原子量％以下にするとよいことが分かった。
成膜後はホトリソグラフィ工程、エッチングエ程により図５に示すような櫛歯状の一対の下部電極１６と上部電極バス配線１７を形成する。エッチング液には、例えば燐酸、酢酸、硝酸の混合水溶液によるウェットエッチングが好適である。
図６において、下部電極１６の一部にレジストパターンを付与し、表面を局所的に陽極酸化する。陽極酸化の条件は、対向電極にPt板を、化成液の組成は酒石酸アンモニウム水溶液とエチレングリコールの混合液で、室温で、酸化電流は100uA/cm2、酸化電圧は100Vである。これにより約140nmのフィールド絶縁膜１３が形成される。一方この間、上部電極バス配線１７はレジストで覆い、かつフローティング状態とすることでフィールド絶縁膜１３の成長を防止する。
続いて、図７に示すごとく局所酸化に用いたレジストパターンを剥離し、下部電極１６の表面を再度陽極酸化し、電子加速層となるトンネル絶縁層１４を形成する。陽極酸化の条件は、対向電極はPt板で、化成液の組成は酒石酸アンモニウム水溶液とエチレングリコールの混合液、室温処理で酸化電流は10uA/cm2、酸化電圧は4から20Vの間に設定した。この時、既に酸化膜が成長した領域では、酸化は行われず、前工程でレジストに覆われていた領域だけに酸化膜が約10nmだけ成長する。以上によりトンネル絶縁膜１４の周囲にフィールド絶縁膜１３が形成される。
図８に示すごとく発光領域となる部分に上部電極１５を形成する。成膜にはインラインのDC型マグネトロンスパッタ装置を用いたマスク成膜が好適である。Ir、Pt、Auの順で真空を破ることなく連続してスパッタを行い、Au/Pt/Ir積層膜からなる上部電極１５を得た。これにより下部電極１６側にはMIM電子源が、上部電極バス配線１７側には上部電極につながった低抵抗配線が形成されたカソード基板が完成した。
続いてアノード基板の製造方法を開示する。図９においてアノード基板２０は、可視発光を外部に取り出すため透明な絶縁材が必要で、一般的にガラスが好ましい。アノード基板２０の透明導電性酸化膜として、酸化錫、あるいはITO膜を形成し発光を行う領域に電極を加工する。パターン化するには、マスク蒸着、マスクスパッタまたは、ホトリソグラフィとエッチングを行えばよい。図１０においてアノード電極２１の発光領域に蛍光体膜を形成する。蛍光体には、真空紫外〜紫外光を吸収し可視発光をする材料を用いる。ここではプラズマディスプレイ用によく使われる、Xeガスからの147nmと173nmのVUV(真空紫外光)を吸収し緑色に発光するZn2SiO2:Mnを用いた。同様な赤色蛍光体としては(Y, Gd)BO3:Euが、また青色用にはBaMgAl14O23:Euが適している。蛍光体としては上記に限るものではなく、蛍光灯に使われている白色用のハロりん酸カルシウム、赤色用のユーロピウム付活酸化イットリウム、緑用のケイ酸亜鉛、セリウム・テリビウム付活アルミン酸マグネシウム、青色用のタングステン酸カルシウム、ユーロピウム付活ストロンチウムクロロアバタイト等、またはこれらの混合体を使ってもよい。
蛍光体膜２２を作るには、蛍光体をバインダーと有機溶剤とで混合したペーストを用意し、これをスクリーン印刷で所望の領域に塗膜する。これを大気で焼成することでバインダーを燃やし蛍光体膜が得られる。VUVを全て吸収するには10um以上の膜厚にすれば良いが、厚すぎると可視光の透過率が低下するため、膜厚は2um以上10um以下とするのが好ましく、ここでは8.5umとし、可視光透過率が25%程度になるように設定した。
このようにして製作したカソード基板１０とアノード基板２０を図１に示すごとく一定の間隔d、ここでは3mmを設けて対向させ、真空容器５０の中に設置する。アノード電極２１、上部電極バス配線１７と下部電極１６に電気配線をつなぎ容器外部へ取り出す。容器は一旦真空に排気したのち、Xeガスを所望の圧力、10から100kPaで導入した。
真空容器５０には電気配線を通して、アノード電極２１、上部電極バス配線１７と下部電極１２に駆動信号を与えた。上部電極バス配線１７は接地し、アノード電極２１に対してはアノード電圧Vaを、また下部電極１２に対してはダイオード電圧Vdを印加した。アノード電圧Vaとしては0から800VのDC電位を、ダイオード電圧Vdとしては両極性のパルス電位を一定の繰り返し周波数で与えた。アノード電極２１と上部電極に流れた電流、IaとIdは電流計で計測する。また得られた可視発光輝度Lは、真空容器５０に設けた石英ガラス窓５１越しに分光輝度計により計測した。
図２はトンネル絶縁膜１４が10Vの陽極酸化膜の場合における、輝度Lとアノード電界Eaとの関係である。アノード電圧Vaを間隔dで除せばアノード電界Ea が得られる。Xe圧力は、10kPa, 30kPa, 60kPaである。輝度Lはアノード電界Eaに従って非線形に増大した。一方内部輝度効率ηintは、圧力10kPaと低電界領域を除きほぼ一定であった。圧力10kPaでは電界が5×104[V/m]以上になると放電が発生し、アノード電流Iaと輝度Lが急増するものの、逆に内部輝度効率ηintが極端に小さくなる(＜0.01 lm/W)ことが判った。
一般に、高い圧力であれば放電現象は起きにくくなる。従って放電を避け本発明の発光現象を行わせるには、少なくとXe圧力を10kPa以上、好ましくは30kPa以上、望ましくは60kPa以上とすることがよい。圧力の上限値については、これまでの研究から大気圧付近までMIM電子源は電子放出が可能であることが分かった。大気圧以上では真空容器及び、低融点ガラスで封着したガラス容器は構造的に破壊するので実験が行えない。従ってガラス容器を用いるランプとしては、圧力上限値は大気圧(105kPa)と考える。
図３が電流輝度効率L/Jaとアノード電界Eaとの関係を表したグラフである。両者の間に線形関係が成り立つことが判る。電流輝度効率は高アノード電界になれば増加するが、これには合わせて高圧力でないと上記したように放電が発生する。このことからも30kPa以上の圧力を用いることが好ましいことが分かる。
本実施例により電流輝度効率がアノード電界2×10５[V/m]で5000cd/Aに達し、しかも電界に比例するという新たな知見を得た。これと同様の実験を陽極酸化電圧が、４, ６, ８, １５, ２０Vのトンネル絶縁膜を持つカソード基板についても行った。その結果、4V品では発光は確認できたものの計測できる輝度に達しなかった。6V以上の酸化電圧を持つカソードでは、発光が計測でき、特性的には10V品とほぼ同じであった。このことから酸化電圧としては、6V以上望ましくは10V以上がよい。これは、酸化電圧が高くなるに従い、電子エネルギーが増加することによる。
ここでは無放電蛍光ランプの製造方法を開示する。まず実施例１の図８におけるカソード基板１０にランプ内部を真空排気しガス導入するため、予め貫通孔を設ける。加えて電子利用効率を１０％に改善するため、仕事関数低減処理を行う。すなわち上部電極１５の形成に先立ち、カソード基板１０を、アルカリ金属酸化物塩を含む水溶液に浸し乾燥することで表面にアルカリ金属酸化物塩を吸着させる。アルカリ金属塩としては、後続のフリット封着の熱処理で熱分解を起こしアルカリ金属酸化物になり易い炭酸塩、炭酸水素塩が好ましい。また仕事関数を下げる効果があるアルカリ金属としては、原子番号の大きい方が有利である。以上の観点からCsHCO3の水溶液がよい。
仕事関数低減処理を行ったカソード基板１０には、実施例１と同様に上部電極１５を形成する。続いて図１１に示すごとく、実施例１で製造したアノード基板２０に、容器の壁となるフリットシール３０を形成する。フリットシール３０の材質は低融点ガラスであり、その主成分は鉛系ではPbO、非鉛系ではB-SiやBi-P等がある。フリットシール３０をアノード基板２０上にパターン形成するにはスクリーン印刷や、ディスペンサーが好適である。ペースト化したフリットシール材には、間隔dを制御するため直径の定まったビーズを混入すると良い。フリットシール３０を印刷したら、アノード基板２０を融点以上の温度で大気中焼成してペーストに含まれるバインダー、有機溶媒を取り除く。この工程は蛍光体２２の焼成と兼ねると工程簡略上より好ましい。
以上により製作したカソード基板１０とアノード基板２０を図１２に示すごとく位置を合わせて対向させ封着し一体のガラス容器とする。この際各電極(１６、１７、２１)の端子がガラスの縁端で露出するようにパターンを設計する。
封着工程では、まず大気中でシール材の融点以上まで温度を上げて融着を行い、引き続いて温度を融点より僅かに下げた状態で貫通孔２３から真空排気を行いいわゆるガス出しを行わせる。所定の時間ガス出しを行ったら、徐々に温度を室温まで下げ、最後にXeガスを所定の圧力で導入し排気管をガラス封止してランプが完成する。
この封着工程において上部電極１５では低仕事関数化処理が完了する。すなわち融点以上の大気焼成でCsHCO3は熱分解を起こしCsOに変化し、続く真空中の熱処理で、上部電極１５自体が構造変化を起こして薄膜化し、同時に熱拡散してきたCsが上部電極１５のAu表面を覆い仕事関数を約0.5eV低減する。真空中の加熱で吸着ガス等がなくなることも加わり、MIM電子源の電子利用効率は10%を優に超える。
このようにして作られた無放電Xeランプを、アノード電圧60V、MIM電子源の動作条件として、Vd=11V、パルス幅30usec、繰り返し周波数600Hz点灯したところ、白色輝度として60W入力時に約10000cd/m2、発光輝度150lm/Wの性能を得た。ここではMIM電子源をパルス駆動しているが、パルスの高さ、あるいは幅を変えることで発光量の調整を行うことができる。
ランプを大型化していくと、封着工程での真空排気、あるいは封入されるXeガスが減圧(＜１気圧)であることから、パネルが大気圧に耐えきれず、間隔dが不均一になり最悪の場合挫屈して破壊することがある。これを防ぐには発光領域に支柱となるリブを形成すれば良い。
リブ３１は図１３に示すごとく、アノード電極２１の上に形成する。リブ３１の材質は前述のフリットシール３０と類似の低融点ガラスが適しており、フリットシール３０よりも融点が高いものが好ましい。パターンの形成方法については、予め感光性を与えておいてホトリソグラフィで形成しても良いが、感光性がない場合は一度均一な膜をスクリーン印刷などで形成し、ホトレジストでマスクを付与したのちサンドブラストなどで削り取っても良い。
図１４は、リブ３１を配したアノード基板２０に蛍光体膜２２を形成する様子を示している。蛍光体はスクリーン印刷などによりリブ３１の上面には付かないように配置するが、混色が問題にならない場合はこの限りではない。
このようにして製造した図１５のアノード基板２０を、実施例２の手法でカソード基板１０と組み合わせて図１６に示すごとくランプを構成する。リブ３１は上部電極バス配線１７に沿って形成され、リブとリブの間(以下リブ溝と呼ぶ)の部分が独立した発光領域となる。このようなリブ３１を導入することで、大気圧による影響を回避しながらランプの大型化が可能となる。
先の実施例３においてパネルにリブを導入した。これによりリブとリブに挟まれた部分が独立した発光領域となることは既に述べた。このことを利用し各発光領域に異なる種類の蛍光体を、図１７の断面図に示すごとく、下部電極１６と１６’に対応する領域に分けて形成することが可能である。蛍光体の種類は目的とする機能により選択すれば良い。例えば白色発光を得るには、各リブ溝に赤、緑、青色用の蛍光体を形成すれば良い。
この考えをさらに拡張すれば、図１７の上面図に示すごとく、リブ溝毎に下部電極１６を分離させ、これを外部に引き出して独立に駆動することにより、エリア点灯、あるいは発光色制御を行うことも可能となる。実施例２で述べた調光機能と合わせることによりデジタルサイネージ等に向けた多彩な表示性能を得ることが可能である。
実施例４の考えをさらに拡張すれば無放電ガス表示装置を構成することも可能である。それにはMIM電子源をX-Y平面に配列したマトリックスアレイを構成すれば良い。以下図１８から２６を使って、マトリックスアレイ版の発光セルの製造方法を開示する。
各図において、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線に沿った断面図を示す。
図１８において、実施例１と同じ手法でガラス等の絶縁物からなるカソード基板１０上に下部電極１２、１２’（信号線１６’と同一）を、図１９においてフィールド絶縁膜１３、及びトンネル絶縁膜１４を形成する。
図２０において、絶縁膜４０として、窒化珪素ＳｉＮ（例えば、Ｓｉ3Ｎ4）をスパッタ法により形成する。接続電極４１としてクロム(Ｃｒ)を１００ｎｍ、上部電極バス配線４２としてＡ１合金を２μｍ、その上に表面保護層４３としてクロム(Ｃｒ)を形成する。
図２１において、走査線となる部分に表面保護層４３のＣｒを残す。Ｃｒのエッチングには、硝酸セリウム２アンモニウムと硝酸の混合水溶液が適している。このとき、表面保護層４３の線幅は、次工程で作製される上部電極給電線４２の線幅よりも狭くなるように設計する必要がある。これは、上部電極バス配線４２が２μｍのＡ１合金からなるため、ウェットエッチングにより同程度のサイドエッチングの発生が避けられないためである。これを考慮しないと表面保護層４３が上部電極バス配線４２から庇上に張り出す。表面保護層４３の庇上に張り出した部分は、強度が不十分で、製造工程中容易に崩落や、剥離を起こし、走査線間のショート不良に至るとともに、アノード電圧Va印加時に電界集中を起こすため致命的な放電を誘発する。
図２２において、上部電極バス配線４２を下部電極１６とは直交する方向にストライプ状に加工する。エッチング液には例えば、燐酸、酢酸、硝酸の混合水溶液（ＰＡＮ）が適している。
図２３において、接続電極４１をトンネル絶縁膜１４側にせり出すように、また反対側では上部電極バス配線４２に対して後退するように(アンダーカットができるように)加工する。このためには、ホトレジストパターン６０を、前者では接続電極４１上に、後者では表面保護層４３上に配してウェットエッチングを行えばよい。エッチング液には前述の硝酸セリウム２アンモニウムと硝酸との混合水溶液が好適である。このとき、絶縁膜４０はトンネル絶縁膜１４をエッチング液から守るエッチングストッパーの役割を担っている。
図２４において、電子放出部を開けるために、ホトレジストパターン６０を形成しホトリソグラフィとドライエッチングにより絶縁膜４０の一部を開口する。エッチングガスにはＣＦ4と０2との混合ガスが好適である。図２５において露出したトンネル絶縁膜１４には再度陽極酸化を施し、エッチングによる加工損傷を修復する。酸化条件は、化成液の組成は酒石酸アンモニウム水溶液とエチレングリコールの混合液で、酸化電流は10uA/cm2、酸化電圧は10Vとする。
修復酸化が完了したら続いて前述した低仕事関数化処理を実施する。図２６に示したように、上部電極１５を形成してカソード基板１０（電子源基板、陰極基板）が完成する。上部電極１５の成膜にはシャドウマスクを用い、基板周辺に配された電気配線の端子部分などに成膜しないようにスパッタリング（スパッタ）法で行う。上部電極１５は前述のアンダーカット構造部分で被服不良を起こし、上部電極バス配線４２毎に自動的に分離される。これにより、ホトリソグラフィとエッチングに付随する上部電極１５やトンネル絶縁膜１４への汚染や損傷を回避することができる。
図２７において、作製したアノード基板２０と完成したカソード基板１０をフリットシールで実施例３と同様に封着、真空排気とXeガス封入を行い表示パネルが完成する。リブは下部電極１６に平行に、すなわち上部電極バス配線４２に直行する方向に形成されており、各リブ溝には蛍光体が、赤色、緑色、青色の順で形成されている。蛍光体としては実施例１で開示したものに加え、CRT用等、種々のものがあるが、用途、性能に合わせて適宜選択して用いれば良い。
次に前記表示装置の構成例を図２８に、また表示シーケンスを図２９により説明する。まず、上述のサブピクセルを複数個配列したカソード基板を作製する。説明のため、図２８には（３×４）個のサブピクセルの平面図を示したが、実際には表示ドット数に対応した数のマトリクスを形成する。同図では表示装置パネル１２０の駆動回路への結線図も表わしており、本発明の表示装置を駆動する電気回路全体の概略図を示している。カソード基板１０上に設けられた下部電極１６は信号線として、信号線駆動回路１００へＦＰＣ７０で結線し、上部電極バス配線４２は走査線として走査線駆動回路９０にＦＰＣ７０で結線する。信号線駆動回路１００には、各信号線１６に対応した信号駆動回路Ｄが配設されており、走査線駆動回路９０には、各走査線１７に対応した走査駆動回路Ｓが配設されている。アノード電極２１にはアノード電圧発生回路８０から60V程度のDC電圧を印加する。
なお、本実施例では、図２８に示すように、走査線及び信号線ともにカソード基板１０の片側から駆動することを想定しているが、必要に応じて両側にそれぞれの駆動回路を配備することは、何ら本発明の実現性を妨げるものではない。
図２９は、各駆動回路における発生電圧波形の一例を示す。時刻ｔ0ではいずれの電極も電圧ゼロであるので電子は放出されず、蛍光体は発光しない。時刻ｔ1において、上部電極バス配線４２のうちS1だけにＶ1なる電圧をかけ、下部電極１６のうちD２、D３には−Ｖ2なる電圧を印加する。座標（1、2）、（1、3）において下部電極１６と上部電極バス配線４２間には（Ｖ1＋Ｖ2）なる電圧が印加されるので、（Ｖ1＋Ｖ2）を電子放出開始電圧以上に設定しておけば、これらのMIM型電子源からは電子がガス中に放出される。放出された電子は、最終的にアノード電極２１に電圧発生回路８０により回収される。同様に時刻ｔ2において、上部電極バス配線４２のS2にＶ1なる電圧を印加し、下部電極１６のD3に−Ｖ2なる電圧を印加すると、同様に座標（2、3）が点灯し、電子が放出され、この電子源座標上の蛍光体が発光する。
このようにして、上部電極バス配線４２に印加する走査信号を変えることにより所望の画像または情報を表示することが出来る。また、下部電極１６への印加電圧−Ｖ2の大きさを適宜変えることにより、階調のある画像を表示することが出来る。以上の表示方法は一般的に線順次表示法といわれているものである。時刻ｔ５において、トンネル絶縁膜１４中に蓄積される電荷を開放するための反転電圧の印加を行う。すなわち、上部電極バス配線４２の全てに−V3を加え、同時に下部電極１６に0Vを印加する。
表示性能については、図３０における「Ｄ」列の値をいくつか修正する必要がある。まず輝度については、各サブピクセルの点灯時間は照明の場合よりも短く制限されるため低下する。即ち表示フォーマットを水平1920×垂直1080画素のフルＨＤとした場合、インターレース表示では１フレーム時間は1/60秒であり、これから走査線1本の選択時間は1/60×1/540、すなわち30.8usecとなる。パルス幅としては図３０とほぼ同じであるが、図３０では繰り返し周波数が10倍の600Hzであることを考慮すると、得られる輝度は1/10に低下するはずである。これに加えて表示装置では外光の映りこみによるコントラストの低下を防止するために、蛍光体の専有面積を表示エリアの1/3程度に制限する必要がある。
以上の２点を考慮すると、本発明による無放電ガス表示装置の性能は、ピーク輝度1780 [cd/m2]、平均輝度(ピーク輝度×1/4)445 [cd/m2]、白色輝度効率51 [lm/W]となると見込まれる。これらの値は現行LCDやPDPに比べて高い数値であり、本発明の無放電ガス表示装置が非常に高性能であることを示している。
１０…カソード基板
１１…アルカリ拡散防止膜
１２…下部電極
１３…フィールド絶縁膜
１４…トンネル絶縁層
１５…上部電極
１６…下部電極
１７，４２…上部電極バス配線
２０…アノード基板
２１…アノード電極
２２…蛍光体膜
２３…貫通孔
３０…フリットシール
３１…リブ
４０…絶縁膜
４１…接続電極
４３…表面保護層
５０…真空容器
５１…石英ガラス窓
６０…ホトレジストパターン
７０…ＦＰＣ
８０…アノード電圧発生回路
９０…走査線駆動回路
１００…信号線駆動回路
１２０…表示装置パネル

Claims (16)

  1. 対向する前面基板および背面基板と、前記前面基板と前記背面基板を囲む壁が構成する容器と、前記背面基板の前記前面基板側に配置されていてホットエレクトロンを放出する電子源と、前記前面基板の前記背面基板側に配置されていて紫外線を吸収し可視発光を行う蛍光体と、前記容器内に封入されている希ガスもしくは分子性ガスと、前記前面基板と前記背面基板に設置されている電極と、を備え、前記電極の間にアノード電圧が加わることにより前記希ガスもしくは前記分子性ガス中に放出されたホットエレクトロンを回収し、前記可視発光の輝度Lをアノード電流密度で除した電流輝度効率が、前記アノード電圧を前記前面基板と前記背面基板の間の基板間隔で除して得られるアノード電界の値に比例し、前記希ガスもしくは前記分子性ガスの圧力が10kPa以上で、かつ前記アノード電圧が240V以下で、かつ前記基板間隔が0.4mm以下であることを特徴とする蛍光ランプ。
  2. 前記希ガスもしくは前記分子性ガスの圧力が30kPa以上であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光ランプ。
  3. 前記希ガスもしくは前記分子性ガスの圧力が60kPa以上であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光ランプ。
  4. 対向する前面基板および背面基板と、前記前面基板と前記背面基板を囲む壁が構成する容器と、前記背面基板の前記前面基板側に配置されていてホットエレクトロンを放出する電子源と、前記前面基板の前記背面基板側に配置されていて紫外線を吸収し可視発光を行う蛍光体と、前記容器内に封入されている希ガスもしくは分子性ガスと、前記前面基板と前記背面基板に設置されている電極と、を備え、前記電極の間にアノード電圧が加わることにより前記希ガスもしくは前記分子性ガス中に放出されたホットエレクトロンを回収し、前記ガスの圧力が10kPa以上で、かつ前記アノード電圧が240V以下で、かつ前記基板間隔が0.4mm以下であることを特徴とする蛍光ランプ。
  5. 前記希ガスもしくは前記分子性ガスの圧力が30kPa以上であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光ランプ。
  6. 前記希ガスもしくは前記分子性ガスの圧力が60kPa以上であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光ランプ。
  7. 前記電子源が、下部電極、電子加速層と上部電極をこの順序で積層したMIM型電子源であり、前記MIM型電子源が、前記下部電極が周期律表における３Ａ族，４Ａ族，もしくは５Ａ族の金属を１つまたは複数添加したAl合金で、前記電子加速層が前記Al合金の陽極酸化膜からなるトンネル絶縁膜で、かつ前記上部電極がIr, Pt, Auをこの順序で積層した薄膜であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の蛍光ランプ。
  8. 前記Al合金の表面側において、合金添加材の含有量が１atm%以下で、かつ前記トンネル絶縁膜が６V以上の酸化電圧による陽極酸化膜であり、かつその表面にアルカリ金属酸化物が修飾され電子利用効率が5%を超えることを特徴とする請求項７に記載の蛍光ランプ。
  9. 前記前面基板の前記背面基板側にリブを設置していることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の蛍光ランプ。
  10. 表示装置パネルと、電圧発生回路と、信号線駆動回路とを備え、前記表示装置パネルが、対向する前面基板および背面基板と、前記前面基板と前記背面基板を囲む壁が構成する容器と、前記背面基板の前記前面基板側に配置されていてホットエレクトロンを放出する１次元または２次元に配列した複数の電子源と、前記複数の電子源の各電子源に対応して前記前面基板の前記背面基板側に配置されていて紫外線を吸収し可視発光を行う１次元または２次元に配列した複数の蛍光体と、前記容器内に封入されている希ガスもしくは分子性ガスと、前記前面基板と前記背面基板に設置されている電極と、を備え、前記電極の間にアノード電圧が加わることにより前記希ガスもしくは前記分子性ガス中に放出されたホットエレクトロンを回収し、前記可視発光の輝度Lをアノード電流密度で除した電流輝度効率が、前記アノード電圧を前記前面基板と前記背面基板の間の基板間隔で除して得られるアノード電界の値に比例している蛍光ランプであり、前記希ガスもしくは前記分子性ガスの圧力が10kPa以上で、かつ前記アノード電圧が240V以下で、かつ前記基板間隔が0.4mm以下であることを特徴とする画像表示装置。
  11. 前記希ガスもしくは前記分子性ガスの圧力が30kPa以上であることを特徴とする請求項１０に記載の画像表示装置。
  12. 前記希ガスもしくは前記分子性ガスの圧力が60kPa以上であることを特徴とする請求項１０に記載の画像表示装置。
  13. 表示装置パネルと、電圧発生回路と、信号線駆動回路とを備え、前記表示装置パネルが、対向する前面基板および背面基板と、前記前面基板と前記背面基板を囲む壁が構成する容器と、前記背面基板の前面基板側に配置されていてホットエレクトロンを放出する１次元または２次元に配列した複数の電子源と、前記複数の電子源の各電子源に対応して前記前面基板の前記背面基板側に配置されていて紫外線を吸収し可視発光を行う１次元または２次元に配列した複数の蛍光体と、前記容器内に封入されている希ガスもしくは分子性ガスと、前記前面基板と前記背面基板に設置されている電極と、を備え、前記電極の間にアノード電圧が加わることにより前記希ガスもしくは前記分子性ガス中に放出されたホットエレクトロンを回収し、前記ガスの圧力が10kPa以上でかつ前記アノード電圧が240V以下で、かつ前記基板間隔が0.4mm以下であることを特徴とする画像表示装置。
  14. 前記複数の電子源が、下部電極、電子加速層と上部電極をこの順序で積層したMIM型電子源であり、前記MIM型電子源が、前記下部電極が周期律表における３Ａ族，４Ａ族，もしくは５Ａ族の金属を１つまたは複数添加したAl合金で、前記電子加速層が前記Al合金の陽極酸化膜からなるトンネル絶縁膜で、かつ前記上部電極がIr, Pt, Auをこの順序で積層した薄膜であることを特徴とする請求項１０乃至１３の何れか一項に記載の画像表示装置。
  15. 前記Al合金の表面側において、合金添加材の含有量が１atm%以下で、かつ前記トンネル絶縁膜が６V以上の酸化電圧による陽極酸化膜であり、かつその表面にアルカリ金属酸化物が修飾され電子利用効率が5%を超えることを特徴とする請求項１４に記載の画像表示装置。
  16. 表面保護層と上部電極給電線を備え、前記表面保護層の線幅が前記上部電極給電線の線幅よりも狭いことを特徴とする請求項１０乃至１５の何れか一項に記載の画像表示装置。
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