JP2005174856A - シール材、およびシール材を用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い真空度を維持し信頼性の向上したシール材、およびこれを用いた画像表示装置を提供する。
【解決手段】隙間を置いて対向配置された２枚の基板１１、１２と、これらの基板を所定位置で互いに封着し２枚の基板間に密閉空間を規定した真空シール部３３と、を備えている。真空シール部３３は、所定位置に沿って充填されたシール材からなる封着層３２を有している。このシール材は、融点が４００℃以下で、凝固の際の収縮量が＋０．５％から−２．５％の範囲にある。
【選択図】 図２

Description

この発明は、像表示装置を構成する２枚の基板間に挟まれた高真空の空間を維持する真空シール部に用いるシール材、およびこれを用いた平板型の画像表示装置に関する。

近年、ディスプレイの主流となりつつある自発光型平面ディスプレイは基本的には２枚のガラス基板を備え、一方のガラス基板には画像を形成するための回路および電子放出あるいはプラズマ形成素子が組み込まれ、他方のガラス基板には該素子に対向する蛍光体が形成されている。２枚のガラス基板は、素子が有効に作用するように適正な空間を置いて対向配置されている。この空間は電子線励起型のディスプレイでは高い真空度が要求されている。従って、２枚のガラス基板は適正な空間を保つとともに、高い真空に耐える構造になっていなければならない。

従来、このような構造を形成するためには、ガラス基板と同じガラス材料からなる枠体を用意し、この枠体を一方のガラス基板の全周に沿ってガラス系の接着剤により接着し、他のガラス基板と枠体とは、インジウムあるいはインジウム合金のようなガラスとの濡れ性を有する低融点金属を用いて接着および真空シールを果たすようになっている。（例えば、特許文献１）。これらの低融点金属は、その融点以上に加熱されて溶融すると、ガラスに対して高い濡れ性を示すため、気密性の高い封着が可能となる。
特開２００２−３１９３４６号

しかし、シール材としてインジウムあるいはインジウム合金のような低融点金属を用いて真空シール構造を得る方法は、小さな面積の封着を対象としている。大型の画像表示装置では非常に大きく長い面積をシールすることが要求されるため、従来技術の単純な適用では信頼性の高い真空シール構造を得ることが困難となる。

その大きな要因のうちの一つに上述の低融点金属の凝固収縮による引け巣の発生がある。インジウムを主成分とする低融点金属は、凝固の際の収縮が２．５％を超える。小面積の真空シールにおいて、シール材は収縮量に比べて絶対量が多いために問題とならない。しかし、大型の平面画像表示装置ではシール部の長さが全周で３ｍ近くなり、液体状態のシール材では真空シールがなされていても、シール材が凝固する際に収縮すると、シール部の長さが７５ｍｍ分不足することになる。このようなシール材の収縮は一箇所で生じるわけではなく、また、幅方向の収縮によって補填されるが、真空維持に必須の連続性が欠落する確率が非常に高くなる。

従来、溶融金属を用いて成形する技術である鋳物技術では、溶融金属の凝固時の収縮を補う方法として「押し湯」と呼ばれる余剰の量が鋳型に流れる仕組みになっている。この仕組みを平面型表示装置の真空シールに適用することも可能ではあるが、真空中での連続成型となる製造プロセスを極めて複雑なものとせねばならず、工業的な量産技術として確立することは難しい。

「押し湯」を使用せず精度の高い鋳物を製造する技術として、アンチモンを使用した印刷用活字の例がある。これは、アンチモンが一般の金属とは異なり凝固の際、体積を膨張させる物性を持つこと、また比較的低融点であることを利用したものである。ところが、シール材として低融点であること、および、画像表示装置に適用できることに対しては問題がある。即ち、アンチモンの融点および凝固収縮量はそれぞれ６３０．７℃、−０．９％（マイナスの符号は凝固時に膨張することを意味している）である。シール材として望ましい融点である４００℃以下にするために、アンチモンに他の金属を混ぜると、凝固収縮量がプラスに転じてしまう。更に、４００℃でのアンチモンの蒸気圧は２．９×１０^-3Ｐａと非常に高く、高真空にすると揮散してしまうという問題もある。

このように、従来の技術では、シール材として低融点金属を用いて画像表示装置の真空シール構造を得ようとする際、低融点金属が溶融状態から凝固する際の収縮によりシール部の連続性が欠落し、高い真空シール性を維持できなくなる問題がある。その結果、高い真空度に維持された大型の画像表示装置を製造することが困難となる。

この発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、高い真空度を維持することができ、信頼性の向上したシール材、およびこれを用いた画像表示装置を提供することにある。

上記課題を達成するため、この発明の態様に係る画像表示装置の真空シール部に用いるシール材は、融点が４００℃以下で、凝固の際の収縮量が＋０．５％から−２．５％の範囲にあることを特徴としている。
また、この発明の他の形態に係る画像表示装置は、隙間を置いて対向配置された２枚の基板と、前記基板の所定位置を封着し２枚の基板間に密閉空間を規定した真空シール部と、を備え、前記真空シール部は、前記所定位置に沿って充填され、融点が４００℃以下で、凝固の際の収縮量が＋０．５％から−２．５％の範囲にあるシール材を有している。

この発明によれば、高真空を必要とする大型の基板の封着が可能となり、高い真空度を維持することができ、信頼性の向上したシール材およびこれを用い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、この発明に係る平面型の画像表示装置をＦＥＤに適用した実施形態について詳細に説明する。
図１および図２に示すように、ＦＥＤは、それぞれ矩形状のガラス基板からなる第１基板１１および第２基板１２を備え、これらの基板は約１．０〜２．０ｍｍの隙間をおいて対応配置されている。第１基板１１および第２基板１２は、ガラスからなる矩形枠状のスペーサ１３を介して周縁部同士が接合され、内部が真空に維持された偏平な真空外囲器１０を構成している。

接合部材として機能するスペーサ１３は、例えば、フリットガラス等の低融点ガラス３０により、第２基板１２の内面周縁部に封着されている。また、スペーサ１３は、後述するように、シール材としての低融点金属を含んだ真空シール部３３により、第１基板１１の内面周縁部に封着されている。これにより、スペーサ１３および真空シール部３３は、第１基板１１および第２基板１２の周縁部同士を気密に接合し、第１および第２基板間に密閉空間を規定している。

真空外囲器１０の内部には、第１基板１１および第２基板１２に加わる大気圧荷重を支えるため、例えば、ガラスからなる複数の板状の支持部材１４が設けられている。これらの支持部材１４は、真空外囲器１０の短辺と平行な方向に延在しているとともに、長辺と平行な方向に沿って所定の間隔を置いて配置されている。なお、支持部材１４の形状については特にこれに限定されるものではなく、柱状の支持部材を用いてもよい。

第１基板１１の内面には蛍光面として機能する蛍光体スクリーン１６が形成されている。この蛍光体スクリーン１６は、赤、緑、青に発光する複数の蛍光体層１５、および蛍光体層の間に形成された複数の遮光層１７を備えている。各蛍光体層１５は、ストライプ状、ドット状あるいは矩形状に形成されている。蛍光体スクリーン１６上には、アルミニウム等からなるメタルバック１８およびゲッタ膜１９が順に形成されている。

第２基板１２の内面上には、蛍光体スクリーン１６の蛍光体層１５を励起する電子源として、それぞれ電子ビームを放出する多数の電子放出素子２２が設けられている。詳細に述べると、第２基板１２の内面上には、導電性カソード層２４が形成され、この導電性カソード層上には多数のキャビティ２５を有した二酸化シリコン膜２６が形成されている。二酸化シリコン膜２６上には、モリブデン、ニオブ等からなるゲート電極２８が形成されている。そして、第２基板１２の内面上において各キャビティ２５内に、モリブデン等からなるコーン状の電子放出素子２２が設けられている。これらの電子放出素子２２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。その他、第２基板１２上には、電子放出素子２２に電位を供給する多数本の配線２１がマトリックス状に設けられ、その端部は真空外囲器１０の外部に引出されている。

上記のように構成されたＦＥＤにおいて、映像信号は、電子放出素子２２とゲート電極２８に入力される。電子放出素子２２を基準とした場合、最も輝度の高い状態の時、＋１００Ｖのゲート電圧が印加される。また、蛍光体スクリーン１６には＋１０ｋＶが印加される。そして、電子放出素子２２から放出される電子ビームの大きさは、ゲート電極２８の電圧によって変調され、この電子ビームが蛍光体スクリーン１６の蛍光体層を励起して発光させることにより画像を表示する。なお、蛍光体スクリーン１６には高電圧が印加されるため、第１基板１１、第２基板１２、スペーサ１３、および支持部材１４用の板ガラスには、高歪点ガラスが使用されている。

次に、第１基板１１とスペーサ１３との間を封着した真空シール部３３について詳細に説明する。
図２に示すように、真空シール部３３は、第１基板１１の所定位置、すなわち、第１基板の内面周縁部に沿って、矩形枠状に形成された金属層３１ａ、スペーサ１３の第１基板側の端面に沿って矩形枠状に形成された金属層３１ｂ、および、これらの金属層３１ａ、３１ｂ間に位置しシール材により形成された封着層３２を有している。金属層３１ａ、３１ｂの各々は、ガラスとの結合性および低融点金属との親和性を有している。

本願の発明者らは、真空シール部３３に用いるシール材として持つべき特性を設定し、その条件を満たす材料を発見すべく種々の実験を行った。その結果、融点が４００℃以下で、凝固の際の収縮量が＋０．５％から−２．５％の範囲にある材料を用いることにより、所望の条件を満たせることを見出した。また、このようなシール材として、ビスマス（Ｂｉ）を主成分とする金属が適していることを見出した。ビスマスは融点が２７１．４℃、凝固収縮が−３．３２％、４００℃における蒸気圧は８×１０^-5Ｐａである。ビスマスは、負の凝固収縮が大きいため、凝固収縮が大きい他の材料と合金化しても、十分に凝固収縮を抑制できる利点がある。また、金属ａと金属ｂで作られる合金ａｂの凝固収縮は、概ね次式で表されることが分かった。

Sab = (Sb×ρa+(Sa×ρb-Sb×ρa)×Wa))/(ρa-(ρa-ρb)×Wa)
ここで、Ｓは凝固収縮量、ρは密度、Ｗは合金中の重量％をそれぞれ示している。

３成分以上の金属を含む場合も上記式に基づきそれらの比率で表すことができる。ただし、上記式は各金属成分が混合された状態であることが前提で、合金化により金属間化合物が生成されその材料独自の凝固収縮があると成り立たない。発明者等は本式によって材料の選定を行ない、実験によって作製した合金の有効性を評価した。

上述のようにビスマスは凝固収縮が−３．３２％と大きいために、凝固時のシール材の収縮による連続性の欠損問題は回避できる。しかし、ビスマスを単体あるいはそれに近い組成で用いた場合、凝固時の膨張が大きいために、特に大型の画像表示装置に適用した場合には基板等の変形を誘引する可能性がある。そのため、ビスマスを合金化することにより、適正な収縮（膨張）に押さえる必要があることが分かった。そこで、本実施形態によれば、シール材として、ビスマスを主成分とし、スズおよびインジウムの少なくとも一方を添加した合金を用いている。スズおよびインジウムの少なくとも一方の添加量は、１５〜５５重量％に設定されている。

以下、ＦＥＤの構成について実施例を用いて詳細に説明する。
（実施例１）
ＦＥＤを構成するため、それぞれ縦６５ｃｍ、横１１０ｃｍのガラス板からなる第１および第２基板を用意し、その内の１枚、例えば、第２基板の内面周縁部に、ガラスからなる矩形枠状のスペーサ１３をフリットガラスにより接合した。次いで、スペーサ１３の上面、および、第１基板１１の内面周縁部、つまり、スペーサ１３と対向する所定の位置に、真空蒸着装置により、第１金属層としてＣｒを０．４μｍの厚さで成膜し、引き続き第２金属層としてＦｅを０．４μｍ厚さに形成した。更に、真空を破ることなく、金属保護層としてＡｇを０．３μｍの厚さで第２金属層に重ねて連続的に成膜した。その後、スペーサ１３に形成したＡｇの金属保護層上に、シール材として５５重量％Ｂｉ、４５重量％Ｓｎ組成の合金を窒素雰囲気のもとで溶融させ加熱用コテを用いて塗り付けた。

これら第１および第２基板の間を１００ｍｍ開け、５ｘ１０^-6Ｐａの真空中で加熱処理した。その後、冷却の過程で金属層とシール材との位置が合うように第１および第２基板を密着させ、Ｂｉ−Ｓｎ合金が両方の面に連続となるようにした。この状態で冷却して合金を凝固させることにより、真空シール部３３を形成しスペーサ１３と第１基板とを気密に封着した。

その後、予め設けておいた測定用の孔を介して真空シール特性を評価したところ、１ｘ１０^-9ａｔｍ・ｃｃ/ｓｅｃ以下のリーク量を示し、十分なシール効果を発揮していることが分かった。また、この結果と外見のいずれからも、金属の封着に起因するガラス基板内の亀裂が発生していないことが明らかとなった。

（実施例２）
ＦＥＤを構成するため、それぞれ縦６５ｃｍ、横１１０ｃｍのガラス板からなる第１および第２基板を用意した。続いて、ガラス基板の対向する所定の場所、ここでは、ガラス基板の内面周縁部に、蒸着装置によりオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を蒸発源としてＣｒの金属層を０．６μｍの厚さで成膜し、引き続き金属層上に金属保護層としてＣｕを０．４μｍの厚さで成膜した。各金属保護層上に、シール材として分解揮発性のバインダーを含む６０重量％Ｂｉ、４０重量％Ｓｎ組成の合金ペーストを０．３ｍｍ厚さで塗布した。次に、一方のガラス基板のシール材上に、スペーサとして、Ａｇメッキの施されたＦｅ−３７重量％Ｎｉ合金のワイヤ（直径１．５ｍｍ）を枠状に設置した。

第１および第２基板間を１００ｍｍ開け、これらの基板を１０^-3Ｐａ程度の真空中で１３０℃、３０分仮焼成し、その後、５ｘ１０^-6Ｐａの真空中で加熱脱気処理を行なった。次いで、冷却過程で２００℃に至った際、第１および第２基板をシール材を介して所定の位置で貼り合わせた。すると、溶融しているＢｉ−Ｓｎ合金がＦｅ−Ｎｉ合金ワイヤを介して相互に親和性が良いために濡れ広がり隙間のない状態になった。この状態で凝固させて真空シール部３３を形成し、第１および第２基板を封着した。このＦＥＤについて、実施例１と同様の真空リーク試験を実施したところ同様の結果を得た。

（実施例３）
それぞれ縦６５ｃｍ、横１１０ｃｍのガラス板からなる第１および第２基板を用意した。続いて、ガラス基板の対向する所定の場所、ここでは、ガラス基板の内面周縁部に、蒸着装置により１３Ｃｒ鋼を蒸発源として、Ｃｒの金属層を０．６μｍの厚さで成膜し、引き続き、金属保護層としてＡｇを０．４μｍの厚さで成膜した。一方のガラス基板の金属保護層上に、シール材としての厚さ０．２ｍｍの７０重量％Ｂｉ、３０重量％Ｉｎ合金で被覆された直径１．５ｍｍのＴｉワイヤをスペーサとして設置した。

第１および第２基板を水平に保つとともに、両者の間を１００ｍｍ開けて５ｘ１０^-6Ｐａの真空中で加熱脱気処理を行なった。冷却過程で２００℃に至った際、これら２枚の基板をスペーサを介して所定の位置で合わせた。この操作より、溶融しているＢｉ−Ｉｎ合金がＴｉワイヤを介して相互に親和性が良いために濡れ広がり隙間のない状態になった。この状態で凝固させて真空シール部を形成し、第１および第２基板を封着した。このＦＥＤについて、実施例１と同様の真空リーク試験を実施したところ同様の結果を得た。

（実施例４）
それぞれ縦６５ｃｍ、横１１０ｃｍのガラス板からなる第１および第２基板を用意した。続いて、ガラス基板の対向する所定の場所、ここでは、ガラス基板の内面周縁部に、蒸着装置によりＣｅを蒸発源として、Ｃｅの金属層を０．４μｍの厚さで成膜し、引き続き、金属保護層としてＣｕを０．４μｍの厚さで成膜した。各金属保護層上に、低融点金属として分解揮発性のバインダーを含む５０重量％Ｂｉ、４０重量％Ｓｎ組成の合金ペーストを０．３ｍｍ厚さで塗布した。次に、一方のガラス基板の低融点金属層上に、スペーサとして、Ａｇメッキの施されたフェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４１０）のワイヤ（直径１．５ｍｍ）を設置した。

第１および第２基板の間を１００ｍｍ開け、これらの基板を１０^-3Ｐａ程度の真空中で１３０℃で３０分仮焼成し、その後、５ｘ１０^-6Ｐａの真空中で加熱脱気処理を行なった。次いで、冷却過程で２００℃に至った際、スペーサを介して第１および第２基板を所定の位置で貼り合わせた。溶融しているＢｉ−Ｓｎ合金がＳＵＳ４１０ワイヤを介して相互に親和性が良いために濡れ広がり隙間のない状態になった。この状態で凝固させて真空シール部を形成し、第１および第２基板を封着した。このＦＥＤについて、実施例１と同様の真空リーク試験を実施したところ同様の結果を得た。

以上のように、本実施形態および各実施例によれば、高真空を必要とする大型のガラス製容器の封着が可能となり、高い真空度を維持でき、信頼性の向上したシール材およびこれを用いた平面型の画像表示装置を得ることができる。

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。更に、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。

本発明において、スペーサ、その他の構成要素の寸法、材質等は上述した実施形態に限定されることなく、必要に応じて適宜選択可能である。この発明は、電子源として電界放出型電子放出素子を用いたものに限らず、表面伝導型、カーボンナノチューブ等の他の電子源を用いた画像表示装置、および内部が真空に維持された他の平面型の画像表示装置にも適用可能である。

この発明の第１の実施形態に係るＦＥＤを示す斜視図。 図１の線Ａ−Ａに沿って破断した前記ＦＥＤの斜視図。

符号の説明

１０…真空外囲器、 １１…第１基板、 １２…第２基板、 １３…スペーサ、
１６…蛍光体スクリーン、 ２２…電子放出素子、 ３３…真空シール部、
３１ａ、３１ｂ…金属層、 ３２…封着層、 ３４ａ…第１金属層、
３４ｂ…第２金属層、 ３６…金属保護層。

Claims (4)

1. 画像表示装置の真空シール部に用いるシール材において、
   融点が４００℃以下で、凝固の際の収縮量が＋０．５％から−２．５％の範囲にあることを特徴とするシール材。
2. ビスマスを主成分とし、スズおよびインジウムの少なくとも一方が添加され、添加量が１５〜５５重量％であることを特徴とする請求項１に記載のシール材。
3. 隙間を置いて対向配置された２枚の基板と、前記基板の所定位置を封着し２枚の基板間に密閉空間を規定した真空シール部と、を備え、
   前記真空シール部は、前記所定位置に沿って充填された請求項１又は２に記載のシール材を有している平面型の画像表示装置。
4. 一方の前記基板の内面に設けられた蛍光体層と、他方の基板の内面上に設けられ前記蛍光体層を励起する複数の電子源と、を備えている請求項１に記載の平面型の画像表示装置。

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