CN1286490A - 显示装置的真空外壳 - Google Patents
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Abstract
一种显示器的真空外壳,所述外壳减小应力和平板面部的屏区偏移,并具有轻的重量,适用于阴极射线管或场发射显示器,图像显示屏基本上由复合层部件构成,复合层包含一层玻璃内层和作为外层的透明树脂,并且透明树脂的杨氏模量EP与玻璃的杨氏模量EG之比为1/10—1/5。
Description
本发明涉及诸如阴极射线管之类主要用于电视广播信号接收或工业设备的或者场发射显示单元(以下称为FED)的显示装置的真空外壳。
在诸如阴极射线管、FED之类的普通显示装置中，利用高真空条件下高速运动的电子的动能激发磷发光，由于树脂材料的密封性能较差(虽然它具有密度低的优点)，所以难以用树脂材料构成直接与真空外壳内部接触的部分。对于用于真空外壳内部的材料，除了考虑维持高真空条件以外，还要考虑到承受大气压力的机械强度、X射线吸收性质、电阻性质、制造过程中的热阻性质、电子束引起的损坏危险等，因此采用玻璃是不可避免的。
在图3所示典型的阴极射线管内，真空外壳或玻璃泡2由显示图像的平板部分3和包括容纳电子枪17的颈部5的漏斗4构成。
在图3中，标号6表示平板裙边部分，标号7表示显示图像的面板面，标号8表示防爆加固带，用于提供足够的强度，标号10表示借助焊料玻璃等将面板部分3与漏斗部分4密封的密封部分，标号12表示通过电子束照射发送荧光的磷，标号13为前向反射荧光的铝薄膜，标号14表示使电子束照射到磷上预定位置的荫罩，以及标号15表示立筋脚，用于将荫罩固定在面板裙边部分6的内壁上。字符A表示延伸经过颈部5的中心线和面板部分3的中心线的管轴。
阴极射线管适于通过电子束高速撞击至真空外壳内部空间的磷上激发磷从而发光以显示图像。因此真空外壳内部保持大约10-8乇的高真空条件。由于阴极射线管具有与球形不同的非对称结构，所以在真空外壳内部与外部直接施加了一个大气压的压差。因此真空外壳内总是存在高的变形能量并且相对变形来说处于不稳定状态。
在这种不稳定状态下，如果阴极射线管玻璃泡内产生开裂，则导致释放已有高变形能量的力，从而使开裂发展为断裂。而且在高张应力加载到阴极射线管外表面的状态下，由于空气的湿度引起的应力侵蚀导致迟滞的断裂，这也影响了可靠性。由上可见，需要增加玻璃泡的厚度，从而提供足够的机械强度。因此，例如对角线为29英寸的屏幕的玻璃泡的重量约为25公斤。
另一方面，最近提出了几种不同于阴极射线管以外的图像显示装置。众所周知，与这些图像显示装置相比，阴极射线管的缺点主要在于这种显示装置的深度和重量较大。因此人们试图缩短深度或减少重量。
在普通阴极射线管内，当缩短深度时，阴极射线管结构的非对称性增大，并且产生了变形能进一步累积在真空外壳内的问题。而且当试图减少重量时，由于玻璃刚性的减小，变形能一般会增大。变形能的增大会增加应力。因此加剧了由于断裂引起的安全性下降和由于迟滞断裂引起的可靠性下降。当为了防止应力增加而增加玻璃壁厚时，重量不可避免地增加。
在图4所示典型的FED中，真空外壳基本上由显示图像用的玻璃制成的前面板23、后面板24(作为在场发射模式下发射电子的电子发射源的衬底)和外部框架25构成。标号26表示形成电子发射器27的阴极。通过插入绝缘层29在后面板24上形成栅电极28从而由栅电极控制电子流。阳极30形成于前面板23上并且像素31形成于阳极30上从而使每个像素对应每个电子发射器27。前面板23和后面板24与四周被焊料玻璃等密封的外部框架25连接。被这些部件包围的内部空间保持超过10-8乇的高真空。
因此FED应该具有与阴极射线管一样承受大气压的结构。为了确保预定的强度，必须增大由玻璃制成的前面板23和后面板24的壁厚。因此真空外壳的重量也相对增加。
出版物(JP-A-8-007793)中提出为了减少用作阴极射线管的真空外壳的重量，在玻璃泡外表面上提供由树脂制成的加固部件，其中由树脂制成的的加固部件具有比玻璃小的密度。29英寸型号玻璃泡的面板面中心壁厚一般为14-15毫米左右。但是在该出版物中，描述的玻璃面板壁厚例如为7-8毫米并且作为塑料加固部件的聚碳酸酯的厚度也是7-8毫米。彩色阴极射线管的玻璃面板密度一般为2.8g/cm3左右并且聚碳酸酯的密度为1.1g/cm3左右。因此可以减少30％左右的重量。
但是玻璃面板的杨氏模量为7000-8000kgf/mm2而聚碳酸酯的杨氏模量为240kgf/mm2，大约是玻璃面板的1/30。因此当大气压的负载施加在具有上述结构的真空外壳上时，真空外壳玻璃面板屏幕边缘部分外表面产生的最大张应力是单层结构真空外壳产生的最大张应力的两倍。即，当采用这种复合层结构时，由于玻璃泡外表面的内外压力差导致实践中张应力超过玻璃强度，从而导致碎裂。
而且如果施加了大气压，则具有复合层结构的真空外壳产生的偏斜量大约是具有单层结构的真空外壳的三倍。因此可能无法确保磷与电子束到达位置的准确，从而得不到所需的显示。因此按照普通技术的复合层结构可能无法在使用范围内保持一定的机械强度和显示操作所需精度的同时大大减少真空外壳的重量。
即使在高真空条件下发射电子以激发磷从而发光的FED中，也以类似阴极射线管的方式采用玻璃制成的真空外壳。出版物(JP-A-10-188857)提出了一种减少FED真空外壳重量的技术。即，真空外壳具有由相对的相隔预定距离的两块薄玻璃面板形成的结构；玻璃薄面板的四周部分被密封，并且密封的内部空间处于真空状态，其中加固片与薄面板至少一个后面一体形成从而能承受一个大气压，加固片为杨氏模量大于薄面板的材料。
但是出版物描述的材料是诸如氮化硅、氧化锆、氧化铝之类的陶瓷，其杨氏模块大于玻璃而密度小于玻璃，这样就可以减少重量。这些材料在可见光范围内是不透明的。这意味着杨氏模量大于玻璃的材料作为屏幕区域的加固部件在光学性质上是不合适的。另一方面，透明的甲基丙烯酸树脂密度较低，约为1.2g/cm3。但是由于其杨氏模量小到260kgf/mm2，所以提供的刚度不够。因此不适于作加固部件。
本发明的目标是提供一种阴极射线管或FED的真空外壳，它可以在应力和偏斜不增加的前提下降低重量并且安全可靠。
按照本发明，提供了具有大体上矩形屏幕区域的显示器的真空外壳，其中屏幕区域基本上由复合层部件构成，复合层包含至少一层玻璃作为与抽真空的内部接触的内层和作为外层的透明树脂，并且透明树脂的杨氏模量EP与玻璃的杨氏模量EG之比为1/10-1/5。
而且按照本发明，提供了一种上述真空外壳，其中Ep与EG之比为1/10-1/7并且ρp 3/Ep小于ρG 3/EG，这里ρp为透明树脂的密度而ρG为玻璃密度。
在附图中：
图1为按照本发明的阴极射线管实施例的部分剖面侧视图；
图2为按照本发明的FED实施例的部分剖面平面图；
图3为按照普通技术的阴极射线管部分剖面的侧视图；以及
图4为按照普通技术的FED实施例的部分剖面平面图。
以下借助附图描述本发明的较佳实施例。
显示装置的真空外壳主要用于阴极射线管或FED。真空外壳的屏幕区域基本上由复合层部件组成，复合层包含作为内层的至少一层玻璃和作为外层的透明树脂。
重要的是作为外层的透明树脂杨氏模量与作为内层的玻璃的杨氏模量之比为1/10-1/5，从而保持真空外壳的机械强度以足以承受大气压施加的负载并且可以使这种负载产生的偏斜量落在装置操作可接受的范围内而装置的重量得到了减少。
用于真空外壳的玻璃的杨氏模量EG或多或少取决于玻璃的成分，大约为7000-8000kgf/mm2。如果屏幕区域由复合层部件(其中采用杨氏模量EG小于1/10的透明树脂)组成的真空外壳的刚度与单层玻璃组成的真空外壳的刚度相同，则为了提供足够的强度，屏幕区域的壁厚增大，从而削弱了重量减轻的效果。
另一方面，在通过粘合杨氏模量超过EG的1/5的透明树脂形成的真空外壳中，将引起的问题是在粘合界面产生较大的应力从而降低强度。而且难以选择这样大杨氏模量的透明树脂材料。为了获得超过EG的1/5的杨氏模量EP，考虑将大量杨氏模量大的填充剂(例如玻璃纤维)填入以补偿增强效应。但是当放入大量的填充剂时，损失了树脂层折射率的均匀性。因此，当真空外壳产生的光线经过树脂层时，由于折射率的不均匀，导致强烈的色散，从而使图像显示的质量低下。
对于作为复合层部件的结构单元的透明树脂，比较好的是采用室温下杨氏模量Ep为800-1100kgf/mm2的树脂，即杨氏模量EP是玻璃的杨氏模量EG的1/10-1/7，从而可以保持合适的折射率和反射率。作为具有这种杨氏模量的典型实例，有聚苯撑树脂。
需要透明树脂来提高强度并有效减轻与构成复合层部件内层的玻璃材料相关的重量。为了减轻重量，进一步需要使ρp 3/EP小于ρG 3/EG，这里ρp为透明树脂的密度而ρG为玻璃密度。
作为构成本发明中阴极射线管真空外壳的复合层部件的玻璃，假定玻璃面板应该是薄的，则可以采用普通用于阴极射线管的玻璃面板。如例如JP-A-7-206466中所述，进一步需要采用X射线波长为0.06nm下吸收系数为32cm-1或更大的玻璃以增加薄玻璃层的X射线吸收能力。
比较好的是，阴极射线管真空外壳屏幕区域内构成复合层部件的玻璃层的平均厚度为2毫米或者以上并且小于整个复合层部件厚度的1/2。当厚度小于2毫米时，难以保持阴极射线管组装时所需的机械强度。由于阴极射线管通常在20kV或更大的加速电压下工作，所以电子束高速撞击构成荫罩的物质，从而产生X射线。为了使真空外壳的玻璃吸收阴极射线管内产生的足够多的X射线，构成真空外壳的玻璃厚度比较好的是在5毫米以上。另一方面，当玻璃层厚度超过整个厚度的1/2时，预计重量减轻的效果并不明显。
以下描述本发明的FED真空外壳的复合层部件。外壳的屏幕区域由复合层部件组成，它包含至少一层与抽真空的外壳内部空间接触的玻璃内层和透明树脂外层。玻璃需要具有良好的电阻性质、电子束耐抗击性质和X射线的吸收能力。因此比较好的是采用阴极射线管的玻璃面板、等离子体显示器的玻璃、有源矩阵型液晶的玻璃。
比较好的是，FED真空外壳复合层部件的玻璃层的平均厚度为0.7毫米或者以上并且小于整个复合层部件厚度的1/2。当厚度小于0.7毫米时，难以保持组装FED时所需的机械强度。由于高压启动型FED通常采用几个kV或更大的加速电压，与阴极射线管一样加速的电子束会产生X射线。为了使构成真空外壳的玻璃充分吸收FED内产生的的X射线，构成真空外壳的玻璃厚度比较好的是在2毫米以上。另一方面，当玻璃层厚度超过整个复合层部件厚度的1/2时，虽然保持了足够的刚度，但是预计重量减轻的效果并不明显。
在本发明中，玻璃与透明树脂通过粘合相互固定从而形成复合层。选择粘合用粘合剂的折射率要考虑玻璃层和透明树脂的折射指数从而避免外部光线反射率不必要的增大。比较好的是粘合剂对可见光是透明的、导电的并且具有高的X射线吸收能力。
按照本发明的真空外壳的复合层部件可用于包括屏幕区域的部分，例如阴极射线管的面板部分或FED整个前面板部分或其他部分。复合层部件通常由两层组成：玻璃层和透明树脂层。但是可以在它们之间插入调整这些单元膨胀系数差异的过渡层从而使复合层部件具有三层以上的结构。可以利用表面处理(例如溅射)在透明树脂层的外表面上形成最外层以降低外部光线的反射率，从而提高能见度。
在本发明中，基本上由作为内层的玻璃层和作为外层的透明树脂层组成的复合层部件结构包括上述结构。表面处理形成层需要具有光吸收性质、导电性和高的X射线吸收能力。
而且复合层部件的总透射率取决于玻璃层、粘合层、透明树脂层和表面处理层中每一种的透射率，比较好的是20％以上。从显示装置内部产生的位于显示表面的光强比较获得的对比度连同外部光线合适的反射率范围考虑，从进一步比较好的是总透射率在30％-70％。
具有基本为平坦的屏幕区域的真空外壳内大气压产生的变形主要是弯曲变形。平坦片内的弯曲变形正比于外部施加的负载并且反比于平坦片的刚度。弯曲刚度(杨氏模量×截面积的二次力矩)正比于片材料厚度的三次方并且反比于杨氏模量，这里片材料为单片材料。
另一方面，假定将杨氏模量和密度较高的片与杨氏模量和密度较低的片层叠。在这种情况下，由于片远离弯曲中心，所以当减小杨氏模量大的片厚度时可以增加弯曲刚度。因此与单片相比，通过优化叠层片厚度的组合可以减少偏斜量并且因此减轻真空外壳的重量。例如，当采用密度为玻璃的1/2而杨氏模量为玻璃的1/8-1/7的树脂构成复合层部件时，重量可以减轻20％-30％。
但是当树脂的杨氏模量太低时，重量的减轻程度减小。一般采用的聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯的刚度低达玻璃的1/30并且ρp 3/EP小于ρG 3/EG。为了使仅仅包含玻璃的真空外壳的刚度与包含带这种树脂的复合层部件的真空外壳的刚度一致，需要增加树脂的厚度从而提供足够的刚度。因此重量减轻的效果甚微。
直接控制强度的弯曲应力正比于负载并且反比于片厚的二次方，这里为单片。复合层部件内产生的应力更为复杂，一般正比于偏斜量和复合层部件的厚度。因此即使弯曲应力与单片一致，与利用单片的有关弯曲形变的上述方式相比也可以减轻重量。
[实例]
(实例1)
图1示出了按照本发明的具有复合层结构的阴极射线管的结构。阴极射线管的基本构造与图3所示的普通阴极射线管一致。真空外壳2由显示图像的面板3和漏斗4组成。显示图像的面板面7由作为内层的玻璃层21和作为外层的透明树脂层22组成。阴极射线管为具有基本上为矩形平坦面的29英寸型，其中屏幕部分的纵横比为3∶4。
在该实例中，面板3和漏斗4由Asahi玻璃有限公司制造并且表1示出了其物理值。作为构成面板3单元的外层透明树脂层，采用美国Maxdem生产的Parmax(注册商标)。Parmax是聚苯撑树脂，具有的性质例如有玻璃转变温度为160℃，密度为1.2g/cm3和杨氏模量为1050kgf/mm2。面板3的面部分具有通过将透明树脂层22与玻璃层21粘合形成的两层结构，其中玻璃层21的厚度为5毫米，透明树脂层22的厚度为14毫米，整个面板面7的厚度为19毫米。
由于在阴极射线管外表面施加了一个大气压，所以产生了弯曲力矩并且在面短轴上的有效屏幕区域边缘施加较大的张应力。在玻璃层的外表面部分张应力为10MPa而在透明树脂的外表面部分为4MPa。面部分中央部分的偏斜量为0.7毫米。在比较实例1的阴极射线管(面板面7包含单层玻璃)与实例1的阴极射线管比较中(表2)，为了提供与实例1面板面同样的张应力，比较实例1的面板面7的厚度为16毫米。因此实例1与包含单层玻璃的阴极射线管比较，重量减轻了30％。
表2还示出了具有复合层结构的比较实例2，它包含作为树脂层的聚碳酸酯，杨氏模量较小。在比较实例2中，玻璃层的厚度为8毫米并且聚碳酸酯的厚度为20毫米。在实例1与比较实例1的比较中，虽然最大张应力增加到11MPa，但是重量基本上与包含单层玻璃的情况一致并且未有效减轻。
所用材料的ρ3/E(这里ρ为密度而E为杨氏模量)如下：
玻璃：0.0028，Parmax：0.0016，而聚碳酸酯：0.0055。
(实例2)
图2示出了按照本发明的采用复合层结构的FED的结构。本实例FED为具有基本上为矩形平坦面的15英寸型FED，其中屏幕部分的纵横比为3∶4。真空外壳基本上由显示图像的前面板23、作为在场发射模式下发射电子的电子发射源的衬底的后面板24以及外部框架53组成。
前面板23具有两层结构，它包含作为内层的玻璃层32和作为外层的透明树脂层33。通过插入外部框架，用焊料玻璃将前面板23和后面板24密封从而提供密封条件。真空外壳的内部空间保持超过10-8乇的高真空条件。阴极26位于外壳内部空间的后面板24上并且电子发射器形成于每个阴极26上。通过插入绝缘层29，栅电极28也形成于后面板24上从而可以控制电子流。另一方面，通过插入阳极30在前面板23上提供荧光31的像素从而与电子发射器27相对。
在实例2中，具有表1所示物理性质的玻璃材料用作前面板23、后面板24和外部框架25。作为构成前面板23单元的透明树脂33，与例1相同采用美国Maxdem生产的Parmax。前面板23具有通过将透明树脂33与玻璃32粘合形成的两层结构，其中玻璃32的厚度为3毫米，透明树脂33的厚度为18毫米，整个前面板23的厚度为21毫米。
由于与阴极射线管一样在FED外表面施加了一个大气压，所以产生了弯曲力矩并且在前面板23短轴上的有效屏幕区域边缘施加较大的张应力。在玻璃层的外表面部分张应力为7MPa。前面板23中央部分的偏斜量为50微米。为比较起见，测量了包含单层玻璃的FED的前面板23的厚度，它提供了与包含复合层部件的FED一样的偏斜量。结果厚度14毫米。而且短轴上有效面边缘部分产生的最大张应力为8MPa。即，与包含单层玻璃的阴极射线管相比，实例2可以减轻25％的重量，与此同时可以减少短轴上有效面边缘部分产生的最大张应力。
表1
| 名称 | 面板 | 玻璃漏斗 | 前面板 |
| 密度(g/cm3) | 2.78 | 3.00 | 2.77 |
| 杨氏模量(kgf/mm2) | 7500 | 6900 | 7800 |
| 泊松比 | 0.21 | 0.21 | 0.21 |
| X射线吸收系数(cm-1) | 28 | 65 | 19 |
表2
| 实例1 | 比较实例1 | 比较实例2 | |
| 面结构 | 两层 | 单层玻璃 | 两层 |
| 玻璃厚度(mm) | 5 | 16 | 8 |
| 树脂材料 | Parmax | - | 聚碳酸酯 |
| 树脂厚度(mm) | 14 | - | 20 |
| 偏斜(mm) | 0.7 | 0.5 | 0.8 |
| 最大张应力(MPa) | 10 | 10 | 11 |
| 有效图像显示部分重量(kg) | 8.9 | 12.8 | 12.7 |
按照本发明，可以在不增加应力和偏斜的前提下提供用于显示器的安全可靠的真空外壳，并且可以减轻真空外壳的重量。
Claims (8)
1．一种具有大体上矩形图像显示区域的显示器的真空外壳，其特征在于图像显示区域基本上由复合层部件构成，复合层包含至少一层玻璃作为与抽真空的内部接触的内层和作为外层的透明树脂，并且透明树脂的杨氏模量EP与玻璃的杨氏模量EG之比为1/10-1/5。
2．如权利要求1所述的显示器用真空外壳，其特征在于Ep与EG之比为1/10-1/7。
3．如权利要求1所述的显示器用真空外壳，其特征在于ρP 3/EP小于ρG 3/EG，这里ρP为透明树脂的密度而ρG为玻璃密度。
4．如权利要求1所述的显示器用真空外壳，其特征在于EP与EG之比为1/10-1/7，并且ρP 3/EP小于ρG 3/EG，这里ρP为透明树脂的密度而ρG为玻璃密度。
5．如权利要求1所述的显示器用真空外壳，其特征在于作为内层的玻璃通过粘合固定在作为外层的透明树脂上。
6．如权利要求1所述的显示器用真空外壳，其特征在于作为复合层部件组成单元的玻璃厚度为2毫米或以上并且不超过复合层部件整个厚度的1/2。
7．如权利要求1所述的显示器用真空外壳，其特征在于真空外壳用于场发射显示器，并且作为复合层部件组成单元的玻璃厚度为0.7毫米或以上并且不超过复合层部件整个厚度的1/2。
8．如权利要求1所述的显示器用真空外壳，其特征在于透明树脂为聚苯撑。
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