JP2005100890A - プラズマディスプレイ装置 - Google Patents

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雄一郎 宮前
Junichi Hibino
純一 日比野
Yoshinori Tanaka
好紀 田中
Hiroshi Setoguchi
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Abstract

【課題】蛍光体層の劣化防止を図り、パネルの輝度及び寿命、信頼性の向上を実現することを目的とする。
【解決手段】放電セルが複数配列されるとともに、各放電セルに対応する色の蛍光体層が配設され、前記蛍光体層が紫外線により励起されて発光するプラズマディスプレイパネルを備えたプラズマディスプレイ装置であって、蛍光体層はZn2SiO4:Mnを有する緑色蛍光体層110Gを有し、前記Zn2SiO4:Mnよりなる緑色蛍光体は、少なくとも表面近傍の亜鉛(Zn)と珪素(Si)の元素比が2/1〜2.09/1で+または0に帯電させた。蛍光体層110Gを均質に形成でき、パネル製造工程での輝度劣化が少なく放電特性の良好なパネルが得られる。
【選択図】図2

Description

本発明は紫外線により励起されて発光する蛍光体層を有するプラズマディスプレイ装置に関する。
近年、コンピュータやテレビなどの画像表示に用いられているカラー表示デバイスにおいて、プラズマディスプレイパネル(以下、「PDP」という。)表示装置は、大型で薄型軽量を実現することのできるカラー表示デバイスとして注目されている。
プラズマディスプレイ装置は、いわゆる3原色(赤、緑、青)を加法混色することにより、フルカラー表示を行っている。このフルカラー表示を行うために、プラズマディスプレイ装置には3原色である赤(R)、緑(G)、青(B)の各色を発光する蛍光体層が備えられ、この蛍光体層を構成する蛍光体粒子はPDPの放電セル内で発生する紫外線により励起され、各色の可視光を生成している。
上記各色の蛍光体に用いられる化合物としては、例えば、赤色を発光する(YGd)BO3:Eu3+、Y23:Eu3+、緑色を発光するZn2SiO4:Mn2+、青色を発光するBaMgAl1017:Eu2+が知られている。これらの各蛍光体は、所定の原材料を混ぜ合わせた後、1000℃以上の高温で焼成することにより固相反応されて作製される(例えば、非特許文献1参照)。
この焼成により得られた蛍光体粒子は、軽く粉断(粒子同士が凝集している状態をほぐす程度で結晶を破断しない程度に粉砕)後、ふるいわけ(赤、緑の平均粒径:2μm〜5μm、青の平均粒径:3μm〜10μm)を行ってから使用している。蛍光体粒子を軽く粉砕、ふるいわけ(分級)する理由は、一般にPDPに蛍光体層を形成する場合において各色蛍光体粒子をペーストにしてスクリーン印刷する手法やペーストをノズルから吐出させて塗布するインキジェット法が用いられており、軽く粉砕後分級しないと蛍光体中に大きい凝集物が含まれるため、これらの蛍光体を用いてペーストを塗布した際に塗布むらやノズルの目づまりが発生するためである。したがって、軽く粉砕後分級した蛍光体は、粒子径が小さく、均一である(粒度分布がそろっている)ためよりきれいな塗布面が得られる。
しかしながらZn2SiO4:Mnからなる緑色蛍光体の場合は、蛍光体の製造上ZnOに対するSiO2の割合が、化学量論比(2ZnO/SiO2)よりもSiO2が多く、1.5ZnO/SiO2の配合比でZnOとSiO2を配合し、空気中(一気圧)1200℃〜1300℃で焼成して作製している(例えば、非特許文献2参照)。そのためZn2SiO4:Mn結晶の表面はSiO2で覆われており、蛍光体表面は負に帯電している。
一般にPDPにおいて、緑色蛍光体が負に大きく帯電していると、放電特性が悪化することが知られている(例えば、特許文献1、2参照)。また負に帯電した緑色のインキを細いノズルから連続的に塗布するインキジェット塗布法で塗布する場合、やはり、ノズルの目づまりや塗布むらが発生することが知られている。特に目づまりや塗布むらの原因はインキ中にあるエチルセルロースが、負に帯電したZn2SiO4:Mnの表面に吸着しにくくなっているからと思われる。また、蛍光体が負に帯電しているため、放電中に発生するNeの+イオンやCH系の+イオン、あるいはHの+イオンが負に帯電している緑色蛍光体にイオン衝突を起し、蛍光体の輝度を劣化させるという課題もある。
一方、Zn2SiO4:Mnの表面の負帯電を正帯電にするため、正帯電の酸化物をある程度の厚み(0.1〜0.5wt%)で積層コートする方法や、正帯電の緑色蛍光体を混合して見かけ上正帯電とする方法が考案されているが、0.1wt%以上積層コートすると輝度低下が起こり、帯電状態の異なる2種類の蛍光体を塗布する時は目づまりや塗布むらが生じやすいという課題があった。また、Zn2SiO4:Mnを作製する時あらかじめZnOとSiO2の比を2対1以上(Zn/Siの元素比で2/1以上)で配合して、蛍光体を1気圧の空気中あるいは窒素中で1200℃〜1300℃で焼成しても、ZnOの蒸気圧がSiO2の蒸気圧より高いため、ZnOが焼成中に先に飛散(昇華)し、結晶学的(X線回折的)にはZn2SiO4:Mnが生成するが、結晶の表面近傍はどうしてもSiO2がリッチになり負に帯電してしまうと言う課題がある。
蛍光体ハンドブック P219、225 オーム社 蛍光体ハンドブック pp219〜220 オーム社 1991年 特開平11−86735号公報 特開2001−236893号公報
本発明はこのような課題に鑑みなされたもので、蛍光体層の劣化防止を図り、パネルの輝度及び寿命、信頼性の向上を実現することを目的とする。
この課題を解決するために本発明のプラズマディスプレイ装置は、放電セルが複数配列されるとともに、各放電セルに対応する色の蛍光体層が配設され、前記蛍光体層が紫外線により励起されて発光するプラズマディスプレイパネルを備えたプラズマディスプレイ装置であって、前記蛍光体層はZn2SiO4:Mnを有する緑色蛍光体層を有し、前記Zn2SiO4:Mnよりなる緑色蛍光体は、少なくとも表面近傍の亜鉛(Zn)と珪素(Si)の元素比が2/1以上で付活剤をMnとするものであることを特徴とする。
また、放電セルが複数配列されるとともに、各放電セルに対応する色の蛍光体層が配設され、前記蛍光体層が紫外線により励起されて発光するプラズマディスプレイパネルを備えたプラズマディスプレイ装置であって、前記蛍光体層はZn2SiO4:Mnを有する緑色蛍光体層を有し、前記Zn2SiO4:Mnよりなる緑色蛍光体は、少なくとも表面近傍の亜鉛(Zn)と珪素(Si)の元素比が2/1〜2.09/1で+または0に帯電していることを特徴とする。
さらに、本発明のプラズマディスプレイ装置用蛍光体の製造方法は、緑色蛍光体を構成する元素〔Zn、Si、Mn〕を含む硝酸塩あるいは有機金属塩を水に溶解後、加水分解して共沈物を作製する工程と、前記共沈物を空気中600℃〜900℃で焼成する仮焼工程と、前記仮焼物をZnO粉体で遮蔽された状態で、1000℃〜1350℃で焼成する工程とを有することを特徴とする。
また、緑色蛍光体を構成する元素〔Zn、Si、Mn〕を含むこれらの酸化物や炭酸化物原料を混合する蛍光体原料混合工程と、前記混合原料を空気中600℃〜900℃で焼成する仮焼工程と、前記仮焼物をZnO粉体で遮蔽された状態で、1000℃〜1350℃で焼成する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明の製造方法においては、仮焼体が配置される場所の温度が、ZnO粉体の配置される場所の温度よりも低いことを特徴とする。
本発明によれば、緑色蛍光体結晶の帯電状態を0または+にした蛍光体粒子で緑色蛍光体層を構成することによって、当該蛍光体層の塗布状態に均一化及び劣化防止を図り、あわせてパネルの輝度及び寿命、信頼性の向上を実現することができる。
本発明は、珪酸亜鉛結晶構造を有するZn2SiO4:Mnを作製する時、配合するZnO、SiO2及び付活剤MnO2とを混合後、これを600℃〜900℃で空気中で仮焼し、次にこの仮焼粉体をZnO粉体で完全に遮蔽した状態にし、次にこれを1000℃〜1350℃で本焼成してZn2SiO4:Mnを作製する。
PDPに用いられているZn2SiO4:Mn緑色蛍光体は、主に固相反応法で作製されているが、輝度向上のためにSiO2をZnOよりも化学量論比より多い組成で作製している。そのためにZn2SiO4:Mn結晶の表面がSiO2で覆われている状態になっている。また、表面がSiO2で覆われないように化学量論比で作製しても、1000℃以上で焼成するとZnOの蒸気圧がSiO2の蒸気圧よりかなり高くなるので、表面近傍のZnOがより多く飛散(昇華)し、蛍光体の表面が結果的にSiO2が多くなる。ZnOが飛散(昇華)しないように、1000℃以下で焼成すると、Zn/Siの比が2/1のZn2SiO4:Mnは合成されるが、珪酸亜鉛としての結晶化度が低いため高輝度の蛍光体が得られない。
従って、上記の課題を解決するためには、1000℃以上の高温で焼成しても、Zn2SiO4:Mnの原料であるZnOが飛散(昇華)することなく結晶性が良好で−帯電にならないようにするものを作製すれば良い。
そこで、本発明は配合するZnOとSiO2の元素比を2.1/1〜2.0/1の間に設定し、ZnOの飛散(昇華)を防止するために、坩堝にZn2SiO4:Mn混合組成物を入れ、その周りをZnOで完全に覆い(遮蔽し)、電気炉に入れて覆ったZnO側を坩堝中のZn2SiO4:Mnより少し高い温度に設定して、N2(窒素)、N2−H2(窒素−水素)、N2−O2(窒素−酸素)中で焼成することで、ZnOの飛散(昇華)を防ぎ、上記課題を解決する。すなわち、Zn2SiO4:Mn仮焼粉の周りをZnOで覆い、このZnO側を炉中で少し高めの温度に設定し、焼成温度でのZnO側の飽和蒸気圧を高めにしておくことで、Zn2SiO4:Mn仮焼粉中のZnOの飛散(昇華)を防止する。
以下、本発明の蛍光体の製造方法について説明する。
ここで、蛍光体本体の製造方法としては、従来の酸化物や炭酸化物原料及びフラックスを用いた固相焼結法で仮焼粉体を作製する方法や、有機金属塩や硝酸塩を用いこれらを水溶液中で加水分解したり、アルカリ等を加えて沈殿させる共沈法を用いて蛍光体の前駆体を作製し、次にこれを熱処理して仮焼粉体を作製する液相法、あるいは蛍光体原料が入った水溶液を加熱された炉中に噴霧して作製する液体噴霧法等で蛍光体の前駆体を製造する方法が考えられるが、いずれの方法で作製した蛍光体の前駆体や仮焼粉体を用いても、Zn2SiO4:Mnを1000℃以上で焼成する時に、Zn2SiO4:MnをZnOで遮蔽し(Zn2SiO4:Mn粉体をZnOで密封し)、1000℃〜1350℃で本焼成することで焼成中に表面からのZnOの飛散を防止し、Zn2SiO4:Mn蛍光体の特性の改善に効果があることが判明した。
(固相反応によりZn2SiO4:Mnを作製する方法)
ここで緑色蛍光体作製方法の一例として、一般的な緑色蛍光体の固相反応法による製法について述べる。原料として、ZnO、SiO2、MnCO3等の炭酸化物や酸化物を先ず、蛍光体母材の組成〔(Zn1-xMnx2SiO4〕のモル比より、ZnOに対するSiO2の量を少し多く配合し(ZnOとSiO2の元素配合比が2.1/1〜2.0/1)、次にこれを混合後、600℃〜900℃で2時間〜3時間仮焼成後、これを坩堝(Al23、あるいはZnO製)に入れてふたをし、次にこの仮焼粉体を入れた坩堝の周りをZnO粉体やZnO坩堝で覆い、相対的にZnO坩堝やZnO粉体の方が若干温度が高めになるような電気炉の設定で、N2中、N2−H2中、N2−O2中、1000℃〜1350℃で焼成して緑色蛍光体とする。
また水溶液から蛍光体を作製する場合(液相法)は、蛍光体を構成する元素(Zn、Si、Mn)を含有する有機金属塩(例えばアルコキシド、やアセチルアセトン)あるいは硝酸塩をあらかじめZn2SiO4:Mnにおける化学両論比であるZn/Siが2.1/1〜2.0/1になる組成で水に溶解後、加水分解して共沈物(水和物)を作製し、その後これを、空気中600℃〜900℃で仮焼成後、前記固相反応法と同様に、仮焼粉体を入れた坩堝の周りをZnO粉体やZnO坩堝で覆い、相対的にZnO坩堝やZnO粉体の方が若干温度が高めになるような電気炉の設定で、N2中、N2−H2中、N2−O2中、1000℃〜1350℃で焼成して緑色蛍光体とする。
このように従来のZnOに対してSiO2を化学量論比より少し多い組成で作製された仮焼粉体をZnOで遮蔽して、1000℃〜1350℃で焼成したZn2SiO4:Mn緑色蛍光体は、1000℃〜1350℃で焼成する時、仮焼粉体中のZnOの蒸気圧より、遮蔽に使うZnOの蒸気圧の方が高いため、焼成時に、Zn2SiO4:Mn中の表面からのZnO飛散(昇華)が少ない。従って、従来のZn2SiO4:Mnのように表面近傍がSiO2リッチにならず、内部に至るまでZnOが若干リッチなZn2SiO4:Mnが得られる。このことにより、Zn2SiO4:Mn粒子の帯電が+方向に改善された緑色蛍光体が得られる。
ここでZnとSiの比を2.1/1〜2.0/1に限定したのは、Zn元素を若干過剰にすることで、Zn2SiO4が+帯電になり易くするためである。また、Znの比が2.1以上では、結晶格子間のZnが増加して輝度が低下し、2.0以下では−帯電になりやすいので、ZnとSiの比は2.1/1〜2.0/1が好ましい。
焼成温度を1000℃〜1350℃に限定したのは、1000℃以下では、ZnO、SiO2の蒸気圧が共に低いため、表面からのZnOの飛散(昇華)は少なく表面近傍にSiO2リッチ相はできにくいが、Zn2SiO4:Mnの結晶性が悪く輝度の高い蛍光体が得られないためである。また、1350℃以上になると、ZnOの蒸気圧がSiO2の蒸気圧に対して、相対的に大きくなり、ZnOでZn2SiO4:Mnを覆う効果が少し薄れるとともに、Zn2SiO4の焼結が進みすぎて、粒径が大きくなりすぎ、輝度が低下するためである。
ここで、プラズマディスプレイ装置における緑色蛍光体層に使用する具体的な蛍光体粒子としては、〔(Zn1-xMnx2SiO4〕を母体とし、上記緑色蛍光体におけるxの値は、0.01≦x≦0.2であることが、輝度、及び輝度劣化に優れているため好ましい。
青色蛍光体層に使用する具体的な蛍光体粒子としては、Ba1-xMgAl1017:Eux、もしくはBa1-x-ySryMgAl1017:Euxで表される化合物を用いることができる。ここで、前記化合物におけるxの値は、0.03≦x≦0.20、0.1≦y≦0.5であれば輝度が高く好ましい。
赤色蛍光体層に使用する具体的な蛍光体粒子としては、Y2x3:Eux、もしくは(Y、Gd)1-xBO3:Euxで表される化合物を用いることができる。赤色蛍光体の化合物におけるxの値は、0.05≦x≦0.20であれば、輝度及び輝度劣化に優れており、好ましい。
以下、本発明に係るプラズマディスプレイ装置の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の実施の形態におけるPDPの前面ガラス基板を取り除いた概略平面図であり、図2はPDPの画像表示領域の構造を断面で示す斜視図である。なお、図1においては表示電極群、表示スキャン電極群、アドレス電極群の本数などについては分かりやすくするため一部省略して図示している。
図1に示すように、PDP100は、前面ガラス基板101(図示せず)と、背面ガラス基板102と、N本の表示電極103と、N本の表示スキャン電極104(N本目を示す場合はその数字を付す)と、M本のアドレス電極107群(M本目を示す場合はその数字を付す)と、斜線で示す気密シール層121とからなり、表示電極103、表示スキャン電極104、アドレス電極107による3電極構造の電極マトリックスを有しており、表示電極103及び表示スキャン電極104とアドレス電極107との交点に表示セルが形成され、画像表示領域123が形成されている。
このPDP100は、図2に示すように、前面ガラス基板101の一つの主面上に表示電極103、表示スキャン電極104、誘電体ガラス層105、MgO保護層106が配された前面パネルと、背面ガラス基板102の一つの主面上にアドレス電極107、誘電体ガラス層108、隔壁109及び蛍光体層110R、110G、110Bが配設された背面パネルとが張り合わされ、前面パネルと背面パネルとの間に形成される放電空間122内に放電ガスが封入された構成となっており、図3に示すPDP駆動装置150に接続されてプラズマディスプレイ装置160を構成している。
図3に示すように、プラズマディスプレイ装置160は、PDP100に表示ドライバ回路153、表示スキャンドライバ回路154、アドレスドライバ回路155を有しており、コントローラ152の制御に従い点灯させようとするセルに対応する表示スキャン電極104とアドレス電極107に放電電圧を印加することによりその間でアドレス放電を行い、その後表示電極103、表示スキャン電極104間にパルス電圧を印加して維持放電を行う。この維持放電により、当該セルにおいて紫外線が発生し、この紫外線により励起された蛍光体層が発光することでセルが点灯し、各色セルの点灯、非点灯の組み合わせによって画像が表示される。
次に、上述したPDP100について、その製造方法を図4及び図5を参照しながら説明する。図4はPDPの画像表示領域の構造を示す断面図である。図4において、前面パネルは、前面ガラス基板101上に、まず、各N本の表示電極103及び表示スキャン電極104(図2においては各2本のみ表示している。)を交互かつ平行にストライプ状に形成した後、その上を誘電体ガラス層105で被覆し、さらに誘電体ガラス層105の表面にMgO保護層106を形成することによって作製される。
表示電極103及び表示スキャン電極104は、ITOからなる透明電極と銀からなるバス電極とから構成される電極であり、バス電極用の銀ペーストはスクリーン印刷により塗布した後、焼成することによって形成される。
誘電体ガラス層105は、鉛系のガラス材料を含むペーストをスクリーン印刷で塗布した後、所定温度、所定時間(たとえば560℃で20分)焼成することによって、所定の層の厚み(約20μm)となるように形成する。上記鉛系のガラス材料を含むペーストとしては、たとえば、PbO(70wt%)、B23(15wt%)、SiO2(10wt%)及びAl23(5wt%)と有機バインダー(α−ターピネオールに10%のエチルセルロースを溶解したもの)との混合物が使用される。ここで、有機バインダーとは樹脂を有機溶媒に溶解したものであり、エチルセルロース以外に樹脂としてアクリル樹脂、有機溶媒としてブチルカービトールなども使用することができる。さらに、こうした有機バインダーに分散剤(たとえば、グリセルトリオレエート)を混入させてもよい。
MgO保護層106は、酸化マグネシウム(MgO)から成るものであり、例えばスパッタリング法やCVD法(化学蒸着法)によって層が所定の厚み(約0.5μm)となるように形成される。
背面パネルは、まず背面ガラス基板102上に、電極用の銀ペーストをスクリーン印刷し、その後、焼成することによってM本のアドレス電極107が列設された状態に形成される。その上に鉛系のガラス材料を含むペーストがスクリーン印刷法で塗布されて誘電体ガラス層108が形成され、同じく鉛系のガラス材料を含むペーストをスクリーン印刷法により所定のピッチで繰り返し塗布した後焼成することによって隔壁109が形成される。この隔壁109により、放電空間122はライン方向に一つのセル(単位発光領域)毎に区画される。
図4は、PDP100の一部断面図である。同図に示すように、隔壁109の間隙寸法Wが一定値32インチ〜50インチのHD−TVに合わせて130μm〜240μm程度に規定される。
そして、隔壁109と隔壁109の間の溝には、赤色(R)、青色(B)、Zn/Siの元素比を2.1/1〜2.0/1とし、Zn2SiO4:Mn仮焼粉体をその周りをZnOで遮蔽し、1000℃〜1350℃でN2、N2−O2、N2−H2中で焼成した緑色(G)の各蛍光体粒子と有機バインダーとからなるペースト状の蛍光体インキを塗布し、これを400〜590℃の温度で焼成して有機バインダーを焼失させることによって、各蛍光体粒子が結着してなる蛍光体層110R、110G、110Bが形成される。この蛍光体層110R、110G、110Bのアドレス電極107上における積層方向の厚みLは、各色蛍光体粒子の平均粒径のおよそ8〜25倍程度に形成することが望ましい。すなわち、蛍光体層に一定の紫外線を照射したときの輝度(発光効率)を確保するために、蛍光体層は、放電空間において発生した紫外線を透過させることなく吸収するために蛍光体粒子が最低でも8層、好ましくは20層程度積層された厚みを保持することが望ましく、それ以上の厚みとなれば蛍光体層の発光効率はほとんどサチュレートしてしまうとともに、20層程度積層された厚みを超えると放電空間122の大きさを十分に確保できなくなるからである。また、水熱合成法等により得られた蛍光体粒子のように、その粒径が十分小さく、かつ球状であれば、球状でない粒子を使用する場合と比べ積層段数が同じ場合であっても蛍光体層充填度が高まるとともに蛍光体粒子の総表面積が増加するため、蛍光体層における実際の発光に寄与する蛍光体粒子表面積が増加しさらに発光効率が高まる。この蛍光体層110R、110G、110Bの合成方法については後述する。
このようにして作製された前面パネルと背面パネルは、前面パネルの各電極と背面パネルのアドレス電極とが直交するように重ね合わせられるとともに、パネル周縁に封着用ガラスを介挿させ、これを例えば450℃程度で10〜20分間焼成して気密シール層121(図1)を形成させることにより封着される。そして、一旦放電空間122内を高真空(例えば、1.1×10-4Pa)に排気した後、放電ガス(例えば、He−Xe系、Ne−Xe系の不活性ガス)を所定の圧力で封入することによってPDP100が作製される。
図5は、蛍光体層110R、110G、110Bを形成する際に用いるインキ塗布装置200の概略構成図である。この図5に示すように、インキ塗布装置200は、サーバ210、加圧ポンプ220、ヘッダ230などを備え、蛍光体インキを蓄えるサーバ210から供給される蛍光体インキは、加圧ポンプ220によりヘッダ230に加圧されて供給される。ヘッダ230にはインキ室230a及びノズル240が設けられており、加圧されてインキ室230aに供給された蛍光体インキは、ノズル240から連続的に吐出されるようになっている。このノズル240の口径Dは、ノズルの目づまり防止のため30μm以上、かつ塗布の際の隔壁からのはみ出し防止のため隔壁109間の間隔W(約130μm〜200μm)以下にすることが望ましく、通常30μm〜130μmに設定される。
ヘッダ230は、図示しないヘッダ走査機構によって直線的に駆動されるように構成されており、ヘッダ230を走査させるとともにノズル240から蛍光体インキ250を連続的に吐出することにより、背面ガラス基板102上の隔壁109間の溝に蛍光体インキが均一に塗布される。ここで、使用される蛍光体インキの粘度は25℃において、1500〜50000CPの範囲に保たれている。
なお、上記サーバ210には図示しない攪拌装置が備えられており、その攪拌により蛍光体インキ中の粒子の沈殿が防止される。またヘッダ230は、インキ室230aやノズル240の部分も含めて一体成形されたものであり、金属材料を機器加工ならびに放電加工することによって作製されたものである。
また、蛍光体層を形成する方法としては、上記方法に限定されるものではなく、例えば、フォトリソ法、スクリーン印刷法、及び蛍光体粒子を混合させたフィルムを配設する方法など、種々の方法を利用することができる。
蛍光体インキは、各色蛍光体粒子、バインダー、溶媒とが混合され、1500〜50000センチポアズ(CP)となるように調合されたものであり、必要に応じて、界面活性剤、シリカ、分散剤(0.1〜5wt%)等を添加してもよい。
この蛍光体インキに調合される赤色蛍光体としては、(Y、Gd)1-xBO3:Eux、またはY2x3:Euxで表される化合物が用いられる。これらは、その母体材料を構成するY元素の一部がEuに置換された化合物である。ここで、Y元素に対するEu元素の置換量xは、0.05≦x≦0.20の範囲となることが好ましい。これ以上の置換量とすると、輝度は高くなるものの輝度劣化が著しくなることから実用上使用できにくくなると考えられる。一方、この置換量以下である場合には、発光中心であるEuの組成比率が低下し、輝度が低下して蛍光体として使用できなくなるためである。
緑色蛍光体としては、Zn/Siの元素比を2.1/1〜2.0/1とし、仮焼後、ZnOで密閉された状態でN2中、N2−H2中、N2−O2中で焼成した〔(Zn1-xMnx2SiO4〕で表される化合物が用いられる。〔(Zn1-xMnx2SiO4〕は、その母体材料を構成するZn元素の一部がMnに置換された化合物である。ここで、Zn元素に対するMn元素の置換量xは、0.01≦x≦0.20の範囲となることが好ましい。
青色蛍光体としては、Ba1-xMgAl1017:Eux、またはBa1-x-ySryMgAl1017:Euxで表される化合物が用いられる。Ba1-xMgAl1017:Eux、Ba1-x-ySryMgAl1017:Euxは、その母体材料を構成するBa元素の一部がEuあるいはSrに置換された化合物である。ここで、Ba元素に対するEu元素の置換量xは、上記と同様の理由により、前者の青色蛍光体は0.03≦x≦0.20、0.1≦y≦0.5の範囲となることが好ましい。
これらの蛍光体の合成方法については後述する。
蛍光体インキに調合されるバインダーとしては、エチルセルロースやアクリル樹脂を用い(インキの0.1〜10wt%を混合)、溶媒としては、α−ターピネオール、ブチルカービトールを用いることができる。なお、バインダーとして、PMAやPVAなどの高分子を、溶媒として、ジエチレングリコール、メチルエーテルなどの有機溶媒を用いることもできる。
本実施の形態においては、蛍光体粒子には、溶液法、噴霧焼成法により製造されたものが用いられる。
(1)青色蛍光体
(Ba1-xMgAl1017:Euxについて)
まず、原料となる硝酸バリウムBa(NO32、硝酸マグネシウムMg(NO32、硝酸アルミニウムAl(NO33、硝酸ユーロピウムEu(NO32をモル比が1−x:1:10:x(0.03≦x≦0.25)となるように混合し、これを水性媒体に溶解して混合液を作製する。次に水和混合液を乾燥後、空気中で600℃〜1000℃で焼成して仮焼粉体を作製する。
次に、この仮焼粉体を還元雰囲気下(例えば水素を5%、窒素を95%含む雰囲気)で、所定温度、所定時間(例えば、1350℃で2時間)焼成し、次にこれを分級することにより所望の青色蛍光体Ba1-xMgAl1017:Euxを得ることができる。
また、前記水和混合物を金あるいは、白金の容器に入れずに、この水和混合物をノズルから高温炉に吹き付けて蛍光体を合成する噴霧法によっても青色蛍光体を作製できる。
(Ba1-x-ySryMgAl1017:Euxについて)
この蛍光体は、上述したBa1-xMgAl1017:Euxと原料が異なるのみで固相反応法で作製する。以下、その使用する原料について説明する。
原料として、水酸化バリウムBa(OH)2、水酸化ストロンチウムSr(OH)2、水酸化マグネシウムMg(OH)2、水酸化アルミニウムAl(OH)3、水酸化ユーロピウムEu(OH)2を必要に応じたモル比となるように秤量し、これらをフラックスとしてのAlF3と共に混合し、所定の温度(1300℃〜1400℃)、焼成時間(12〜20時間)を経ることにより、Mg、Alを4価のイオンで置換したBa1-x-ySryMgAl1017:Euxを得ることができる。本方法で得られる蛍光体粒子の平均粒径は、0.1μm〜3.0μm程度のものが得られる。
次に、これを還元雰囲気下、例えば水素を5%、窒素を95%の雰囲気で所定温度(1000℃から1600℃で2時間)で焼成後、空気分級機によって分級して蛍光体粉を作製する。
なお蛍光体の原料として、酸化物、硝酸塩、水酸化物を主に用いたが、Ba、Sr、Mg、Al、Eu、等の元素を含む有機金属化合物、例えば金属アルコキシド、やアセチルアセトン等を用いて蛍光体を作製することもできる。
(2)緑色蛍光体
〔(Zn1-xMnx2SiO4について〕
図6は、緑色蛍光体を本焼成する時に用いる焼成炉の概略断面図である。図6において、300は電気炉本体、310は仮焼粉体を入れるZnOあるいはAl23製の坩堝、320は仮焼粉体、330はZnO粉体、340は加熱ヒータ、350はZnOあるいはAl23製の坩堝である。
まず、(固相法で作製する場合)原料である酸化亜鉛(ZnO)、酸化珪素(SiO2)、酸化マンガンMnOを、先ずZnとMnのモル比で1−x:x(0.01≦x≦0.20)となるように混合し、次にZnとSiの原子比を2.1/1〜2.0/1になるよう原料を必要に応じてフラックス(ZnF2、MnF2)と共に混合し、この混合物を、650℃〜900℃で2時間仮焼成する。次に、これを凝集物がほぐれる程度に軽く粉砕し、次にこれをAl23あるいは、ZnO製坩堝310に入れ、この坩堝の周りをZnO粉体330とZnO坩堝350で覆い、N2、N2−O2、N2−H2雰囲気中で1000℃〜1350℃で焼成して緑色蛍光体を作製する。この時ZnO製の坩堝350やZnO粉体330の周囲に炉のヒータ340がくるようにすれば、ZnO坩堝350、310やZnO粉体330の方がZn2SiO4:Mn仮焼粉体320より若干温度が高くなる。炉の坩堝350の周りのヒータ340のパワー制御とN2、N2−O2、N2−H2のガスの流し方で坩堝350、310やZnO粉体330側の温度とZn2SiO4:Mn仮焼粉体320側の温度をコントロールする。
次に、緑色蛍光体を水溶液法で作製する場合は、まず、混合液作製工程において、原料である、硝酸亜鉛Zn(NO32、硝酸マンガンMn(NO32、珪酸エチル〔Si(O・C254〕がモル比で、先ず硝酸亜鉛と硝酸マンガンのモル比を1−x:x(0.01≦x≦0.20)となるように混合し、次にZn(NO32と〔Si(O・C254〕の配合においてZnとSiの元素比が2.1/1〜2.0/1になるよう原料を混合し、これをイオン交換水に投入して混合液を作製する。
次に、水和工程においてこの混合液に塩基性水溶液、例えばアンモニア水溶液を滴下することにより、水和物を形成させる。その後、この水和物を600℃〜900℃で仮焼成し、次にこの仮焼成物を固相法と同様にして、Al23あるいは、ZnO製坩堝に入れ、この坩堝の周りをZnO粉体とZnO坩堝で覆いN2、N2−O2、N2−H2雰囲気中で1000℃〜1350℃で焼成して緑色蛍光体を作製する。
(3)赤色蛍光体
((Y、Gd)1-xBO3:Euxについて)
混合液作製工程において、原料である、硝酸イットリウムY2(NO33と水硝酸ガドリミウムGd2(NO33とホウ酸H3BO3と硝酸ユーロピウムEu2(NO33を混合し、モル比が1−x:2:x(0.05≦x≦0.20)(YとGdの比は65対35)となるように混合し、次にこれを空気中で1200℃〜1350℃で2時間熱処理後、分級して赤色蛍光体を得る。
(Y2x3:Euxについて)
混合液作製工程において、原料である、硝酸イットリウムY2(NO32と硝酸ユーロピウムEu(NO32を混合し、モル比が2−x:x(0.05≦x≦0.30)となるようにイオン交換水に溶解して混合液を作製する。
次に、水和工程において、この水溶液に対して塩基性水溶液(例えば、アンモニア水溶液)を添加し、水和物を形成させる。
その後、水熱合成工程において、この水和物とイオン交換水を白金や金などの耐食性、耐熱性を持つものからなる容器中に入れ、例えばオートクレーブを用いて高圧容器中で温度100〜300℃、圧力0.2M〜10MPaの条件下で、3〜12時間水熱合成を行う。その後、得られた化合物の乾燥を行い、所望のY2x3:Euxが得られる。次にこの蛍光体を空気中で1300℃〜1400℃で2時間アニール後、分級して赤色蛍光体とする。この水熱合成工程により、得られる蛍光体は粒径が0.1μm〜2.0μm程度となり、かつその形状が球状となる。この粒径、形状は発光特性に優れた蛍光体層を形成するのに適している。
なお、上述したPDP100の蛍光体層110R、110Bについては、従来用いられてきた蛍光体で、蛍光体層110Gについては、蛍光体を構成する〔(Zn1-xMnx2SiO4〕の表面を正の帯電にした緑色蛍光体粒子を使用した。特に、従来の緑色蛍光体は、本発明の緑色蛍光体と比べて、負に帯電しているため蛍光体工程中ノズルの目づまりが起こりやすく、また緑色を発光させた時の輝度は低下する傾向があったが、本発明にかかる製造方法により製造された緑色蛍光体を使用すれば、緑色セルの蛍光体塗布工程中ノズルの目づまりがなく、またパネルの色ずれやアドレス放電ミスも起こらない。したがって、白表示の時の輝度を上げることができる。
〔評価実験1〕
以下、本発明のプラズマディスプレイ装置の性能を評価するために、上記実施の形態に基づくサンプルを作製し、そのサンプルについて性能評価実験を行い、実験結果を検討する。
作製した各プラズマディスプレイ装置は、42インチの大きさを持ち(リブピッチ150μmのHD−TV仕様)誘電体ガラス層の厚みは20μm、MgO保護層の厚みは0.5μm、表示電極と表示スキャン電極の間の距離は0.08mmとなるように作製した。また、放電空間に封入される放電ガスは、ネオンを主体にキセノンガスを5%混合したガスで所定の放電ガス圧で封入されている。
サンプル1〜10のプラズマディスプレイ装置に用いるZn2SiO4:Mn緑色蛍光体粒子には、ZnとSiの元素比が2.1/1〜2.0/1で、この蛍光体の仮焼粉体をAl23あるいは、ZnO製坩堝に入れ、この坩堝の周りをZnO粉体とZnO坩堝で覆い、N2、N2−O2、N2−H2雰囲気中で1000℃〜1350℃で焼成した〔(Zn1-xMnx2SiO4〕蛍光体を用いた。それぞれの合成条件を表1に示す。
Figure 2005100890
サンプル1〜4は、固相合成法で作製した〔(Zn1-xMnx2SiO4〕緑色蛍光体を、赤色蛍光体には(Y、Gd)1-xBO3:Euxを、青色蛍光体には(Ba1-xMgAl1017:Eux)をそれぞれ用いた組み合わせのものであり、蛍光体の合成の方法、発光中心となるMn、Euの置換比率、すなわちZn元素に対するMnの置換比率、及びY、Ba元素に対するEuの置換比率及び、緑色の場合、Znに対するSiの元素比及び焼成条件を表1のように変化させたものである。
サンプル5〜9は、赤色蛍光体に(Y2x3:Eux)、液相法で作製した緑色蛍光体〔(Zn1-xMnx2SiO4〕、青色蛍光体に(Ba1-x-ySryMgAl1017:Eux)を用いた組み合わせのものであり、上記と同様、蛍光体合成方法の条件及び、緑色の場合のZnに対するSiの元素比及び焼成条件を表1のように変化させたものである。
また、蛍光体層の形成に使用した蛍光体インキは、表1に示す各蛍光体粒子を使用して蛍光体、樹脂、溶剤、分散剤を混合して作製した。
そのときの蛍光体インキの粘度(25℃)について測定した結果を、いずれも粘度が1500〜50000CPの範囲に保たれている。形成された蛍光体層を観察したところ、いずれも隔壁壁面に均一に蛍光体インキが塗布されていた。
また、この時塗布に使用されたノズルの口径は100μmであり、蛍光体層に使用される蛍光体粒子については、平均粒径0.1〜3.0μm、最大粒径8μm以下の粒径のものが各サンプルに使用されている。
サンプル10は、緑色蛍光体の原料配合時のZn/Siの元素比を、1.9/1としたサンプルで、サンプル11は、同じくZn/Siの元素比を2.2/1とした比較サンプルである。サンプル12は、従来例の緑色蛍光体で、原料の配合時のZn/Siの元素比が2.0/1で、通常の坩堝(Al23製坩堝)のみで焼成したサンプルである。サンプル13は、緑色蛍光体の原料配合時のZn/Siの比が2.0/1で、仮焼粉体の焼成温度は本発明と同じで、ZnOで坩堝を覆うが、本焼成時の温度が900℃と低くしたサンプルである。
(実験1)
作製されたサンプル1〜9及び比較サンプル10〜13について、先ず作製した緑色蛍光体をグローオフ法を用いて還元鉄粉に対する帯電量を調べた(照明学会誌 第76巻第10号 平成4年 PP16〜27)。
(実験2)
作製されたサンプル1〜9及び比較サンプル10〜13について、XPS(X線光電子分光分析装置)を用いて表面近傍(約10nm)のZnとSiの元素比を測定した。
(実験3)
パネル製造工程後のパネルの全白時の輝度と、緑色及び青色の輝度を輝度計を用いて測定した。
(実験4)
パネルを点灯した時の全面白表示時と緑色表示時の輝度劣化変化率の測定は、プラズマディスプレイ装置に電圧185V、周波数100kHzの放電維持パルスを1000時間連続して印加し、その前後におけるパネル輝度を測定し、そこから輝度劣化変化率(<〔印加後の輝度−印加前の輝度〕/印加前の輝度>*100)を求めた。
また、アドレス放電時のアドレスミスについては画像を見てちらつきがあるかないかで判断し、1個所でもあればありとしている。
(実験5)
緑色蛍光体インキをノズル口径100μmのノズルを用いて100時間連続塗布した時のノズルの目づまりの有無を調べた。
これら実験1〜5の緑色の輝度及び輝度劣化変化率についての結果及びノズルの目づまりの結果を表2に示す。
Figure 2005100890
表2に示すように比較サンプル10、11において、サンプル10は、原料のZnとSiの元素比が1.9/1で、Zn2SiO4:MnのZn/Siの比が化学量論比よりSiがリッチなため、−帯電しておりパネルの緑色と青色の輝度劣化が大きく、またアドレスミスやノズルの目づまりも起こる。サンプル11は、原料のZnとSiの比が、2.2/1とZnがリッチで粉体の帯電は+であるが、Znが化学量論比より多いため蛍光体が結晶性が悪化し、緑色の輝度が低いパネルになっている。また、表2に示すように比較サンプル12は、従来の製造法(通常のAl23製坩堝を使用し、ZnO粉体で坩堝を覆わない)で作製した緑色蛍光体を使用したパネルで、坩堝をZnOで遮蔽していないため、ZnOが選択的に表面から昇華しておりZn/Siの比が1.92/1とSiがリッチになっており、負に帯電し、加速寿命における緑色の輝度劣化率が大きく、アドレスミスやノズルの目づまりも起こる。
比較サンプル13は、坩堝の周りをZnO粉体で覆うが、本焼成温度が900℃と低いため、Zn2SiO4:Mnの結晶化が不十分で、輝度が低く緑色の輝度劣化も大きいパネルとなっている。これに対して、Zn/Siの比を2.0/1〜2.1/1の元素比で配合し、仮焼後、坩堝に入れてその周りをZnOで覆い、1000℃〜1350℃で作製したサンプル1〜9の緑色蛍光体は、正あるいは0の帯電を有するため、パネルの緑色や青色の輝度の低下が比較例10〜13と比べて低く、しかもアドレスミスや蛍光体塗布時のノズルの目づまりもない。これは、負に帯電している緑色蛍光体である〔(Zn1-xMnx2SiO4〕を正または0の帯電にすることにより、パネル放電空間中に存在するネオンイオン(Ne+)やCHx系のイオン(CHx +)等の正イオンの衝撃を受けにくくなったため、輝度劣化が少なくなったと考えられ、また青色も若干イオンの衝撃を受けるのが緩和されている。
またアドレスミスがなくなったのは、緑色の帯電が、赤色、青色と同じ正の帯電になり、アドレス放電が均一化したためである。またノズルの目づまりがなくなった理由は、バインダー中のエチルセルロースが正帯電の緑色蛍光体には吸着しやすいため蛍光体インキの分散性が向上したためと考えられる。
以上述べてきたように、蛍光体層を構成する緑色蛍光体〔(Zn1-xMnx2SiO4〕の帯電状態を正(+)または0にすることによって、蛍光体層の塗布状態の均一化及び劣化防止を図り、あわせてパネルの輝度及び寿命、信頼性の向上を実現することができ、プラズマディスプレイ装置の性能向上に有用となる。
本発明の一実施の形態によるプラズマディスプレイパネルの前面ガラス基板を除いた平面図 同パネルの画像表示領域の構造を部分断面で示す斜視図 プラズマディスプレイ装置のブロック図 パネルの画像表示領域の構造を示す部分断面図 蛍光体層を形成する際に用いるインキ塗布装置の概略構成図 緑色蛍光体を本焼成する際に用いる焼成炉の概略断面図
符号の説明
100 PDP
101 前面ガラス基板
103 表示電極
104 表示スキャン電極
105 誘電体ガラス層
106 MgO保護層
107 アドレス電極
108 誘電体ガラス層
109 隔壁
110R 蛍光体層(赤)
110G 蛍光体層(緑)
110B 蛍光体層(青)
122 放電空間

Claims (5)

  1. 放電セルが複数配列されるとともに、各放電セルに対応する色の蛍光体層が配設され、前記蛍光体層が紫外線により励起されて発光するプラズマディスプレイパネルを備えたプラズマディスプレイ装置であって、前記蛍光体層はZn2SiO4:Mnを有する緑色蛍光体層を有し、前記Zn2SiO4:Mnよりなる緑色蛍光体は、少なくとも表面近傍の亜鉛(Zn)と珪素(Si)の元素比が2/1以上で付活剤をMnとするものであることを特徴とするプラズマディスプレイ装置。
  2. 放電セルが複数配列されるとともに、各放電セルに対応する色の蛍光体層が配設され、前記蛍光体層が紫外線により励起されて発光するプラズマディスプレイパネルを備えたプラズマディスプレイ装置であって、前記蛍光体層はZn2SiO4:Mnを有する緑色蛍光体層を有し、前記Zn2SiO4:Mnよりなる緑色蛍光体は、少なくとも表面近傍の亜鉛(Zn)と珪素(Si)の元素比が2/1〜2.09/1で+または0に帯電していることを特徴とするプラズマディスプレイ装置。
  3. 緑色蛍光体を構成する元素〔Zn、Si、Mn〕を含む硝酸塩あるいは有機金属塩を水に溶解後、加水分解して共沈物を作製する工程と、前記共沈物を空気中600℃〜900℃で焼成する仮焼工程と、前記仮焼物をZnO粉体で遮蔽された状態で、1000℃〜1350℃で焼成する工程とを有することを特徴とするプラズマディスプレイ装置用蛍光体の製造方法。
  4. 緑色蛍光体を構成する元素〔Zn、Si、Mn〕を含むこれらの酸化物や炭酸化物原料を混合する蛍光体原料混合工程と、前記混合原料を空気中600℃〜900℃で焼成する仮焼工程と、前記仮焼物をZnO粉体で遮蔽された状態で、1000℃〜1350℃で焼成する工程とを有することを特徴とするプラズマディスプレイ装置用蛍光体の製造方法。
  5. 仮焼体が配置される場所の温度が、ZnO粉体の配置される場所の温度よりも低いことを特徴とする請求項3または4記載のプラズマディスプレイ装置用蛍光体の製造方法。
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