JP2005531898A - カソード発光型気体放電ディスプレイ - Google Patents

Abstract

本発明は反転されたプラズマ方向を有するカソード発光型気体放電ディスプレイに関する。プラズマイオン（I⁺）のカソード（5）への衝突によって生じる二次電子（e^-）は発光物質（6）の励起に利用される。本発明の利点は、イオンの逆方向流束が抑制されることである。これはより高い加速電圧を印加することが可能となることを意味し、結果としてより高い発光効率が得られる。

Description

本発明はカソード発光型気体放電ディスプレイに関する。

表示装置の分野では、近年テレビジョン（TV）およびコンピュータ画面のような高画質大画面の需要が高まっている。ブラウン管（CRT）はTVディスプレイとして広く用いられており、通常これらは現在でも、市場に出ている表示装置の種類の中では最高画質の画像を形成する。しかしながら、画面サイズの増大とともにCRTの奥行および重量は増加するため、大きな筐体を有するCRTは40インチを超えるような大画面サイズには適さない。従ってそのような大型画面の構成には、液晶ディスプレイ（LCD）、プラズマディスプレイパネル（PDP）および電界放射型ディスプレイ（FED）のようなフラットパネルディスプレイが適している。

PDPは2つのサブグループに区分でき、1つは直流（DC）PDPで他方は交流（AC）PDPである。

元来、PDPはフロントパネルおよびその反対側のリアパネルにより定められた気体充填空間を有する。リアパネルにはバリアリブが設けられ、バリアリブは内部の真空状態を保持する。リアパネルおよびバリアリブの気体充填空間に面する側には蛍光面が設けられる。カソード、アノードおよびアドレス電極はフロントパネルまたはリアパネルのいずれかに配置される。気体充填空間は放電ガスの雰囲気を有し、この放電ガスは希ガス、例えばヘリウム（He）、キセノン（Xe）若しくはネオン（Ne）、一般的な気体、例えば窒素（N）、水素（H）、水銀（Hg）蒸気、または希ガスおよび一般的な気体のうちのいずれかの混合ガスである。いずれかの電極間に十分な電圧が印加されると、気体放電が起こってプラズマが発生する。すなわち電子はエネルギーを得て、中性気体原子を電離し励起させる。プラズマは電子、イオンおよび準安定粒子を有する。これらの粒子は継続的に再結合し、再形成し、衝突する。励起電子と気体原子との衝突によって、気体原子の電子殻内に高エネルギー状態が形成され、この状態は励起放射線を放出してより低いエネルギー状態に戻る。気体および印加電圧のような作動パラメータは、放射線が紫外（UV）スペクトルの範囲となるように選定される。次にこのUV線は蛍光面の蛍光物質の励起に用いられる。次にこれらの励起された物質によって赤、緑および青のような可視光が放射される。

UV線がプラズマ電子の運動エネルギーの代わりに用いられるのは、プラズマ電子による蛍光物質の直接的な励起では、プラズマ内に存在する電子エネルギーの低さ故、十分な光が発生しないからである。

しかしながらUV線への放電エネルギーの変換およびUV線の可視光への変換は、あまり効率的ではない。He-XeまたはNe-Xeを利用するPDPにおいてはUV線には約2％の電子エネルギーしか用いられず、約0.2％が可視光に利用されるに過ぎない（Applied Physics、51巻、3号、1982年、344-347ページ；Optical Techniques Contact、34巻、1号、1996年、25ページ；フラットパネルディスプレイ96、パート5-3、NHK技術研究、31-1、1979年、18ページ）。従ってPDPの発光効率を向上することが好ましい。これにより輝度のような輝度特性も向上される。

より高い発光効率を得るため、プラズマ内で生じた電子をアノードの開口部を介して抽出し、その後抽出した電子をより高いエネルギーに加速することが提案されている。そのような気体放電ディスプレイは米国特許第3938135号明細書に示されている。

電子衝突により直接励起される発光体を含むディスプレイはカソード発光型ディスプレイという概括的な用語で知られている。

従来のカソード発光型気体放電ディスプレイにおいては、カソードは装置の後側に設置され、装置の前側に配置されるアノードグリッドと比べて負の電圧が印加される。アノードとカソードを横断する電圧は電子およびイオンを有するプラズマを生じさせ、このプラズマ内では電子流束はアノードに導かれ、イオン流束はカソードに導かれる。

プラズマ内では、上述のように励起電子による中性気体原子の電離によって新たな電子およびイオンが発生し、この励起電子は印加電圧からその励起エネルギーを得る。さらにプラズマの持続にはカソードでの新たな電子の発生が必要である。カソードに衝突するプラズマイオンはこの二次電子を発生する。

プラズマ内で生じた電子はアノードに到達するが、その中の一部はアノードグリッド内の開口部を通過し、その後蛍光体のような発光物質を有する画面に向かって加速される。

基本的にカソード発光型気体放電ディスプレイは3つの領域で構成され、これらは（1）プラズマ領域、（2）選択領域、および（3）加速領域である。

プラズマ領域ではプラズマは上述のように発生される。

選択領域では選択グリッドへの電圧の印加によって表示内容を制御することができ、この選択グリッドは蛍光面への電子の到達を回避する。

加速領域では印加加速電圧によって電子は加速され、より高い運動エネルギーを得る。

現実の態様では、気体圧力は3領域全てにおいて等しくされる。

いわゆるパッシェン曲線は、図1に示すように、気体圧力と電極間距離（pd）の積の関数としてのプラズマの放電開始電圧（V）の依存性を示したものである。

放電開始電圧はプラズマの発生に必要な電圧、すなわちカソードからアノードに移動を開始する電子によって十分なイオンを形成するために必要な電圧である。形成されたイオンはカソードに移動し、イオンのカソード衝突の際に生じる二次電子放射により、始動時と同量の電子を発生させる必要がある。

持続電圧はプラズマ状態を持続させるために必要な電圧である。この電圧は通常、放電開始電圧よりも低いが、これは一旦プラズマが生じると空間電荷が存在するからである。この空間電荷は不均一な電場を形成し、この電場によって気体原子の電離に必要な電圧は低下する。

プラズマ領域は図1の曲線の最小部分にあることが好ましい。すなわち電子装置の駆動にはプラズマは低い電圧で放電を開始することが好ましい。従って低い圧力を用いる場合、気体圧力と電極間距離の積の望ましい値を得るにはプラズマ領域は比較的長くする。

加速領域は曲線の左側にあることが好ましい。すなわちできる限り少ない電離を生じさせる。これは、電子が電離に利用されるとエネルギーを消失してしまうからであり、新たに形成される電子は、形成される位置に応じてエネルギーの一部しか得ることができない。従って新たな電子の発生は、平均電子エネルギーが減少することを意味する。そこで加速領域は比較的短くして、気体圧力と電極間距離の積を小さくする。

加速領域においてあまりにも過度の電離が生じると、自己持続性の二次プラズマが本領域に形成されるが、これは表示内容を制御することができないことを意味する。さらに加速領域において電離が生じると、発生したイオンはアノードの開口部を通過してプラズマ領域に侵入する。印加電圧に依存するこの進行方向はプラズマ領域への逆方向化につながり、結果的にプラズマの狭小化という問題を引き起こす。プラズマの狭小化はより多くの電流が一点に局部的に流れ出すことを意味する。なぜなら加速領域からの余剰イオンはアノード近傍の空間電荷を変化させ、電離および二次放射によってより多くの電子を形成させることになるからである。結果的に印加することのできる加速電圧は低い値に制限され、米国特許3938135号に引用されているような発光効率の低い表示装置となってしまう。
米国特許第3938135号明細書 「Applied Physics」、1982年、51巻、3号、p.344-347 「Optical Techniques Contact」、34巻、1号、1996年、p.25 「フラットパネルディスプレイ96、パート5-3」、NHK技術研究、1979年、31-1、p.18

本発明の課題は、発光効率の向上したカソード発光型気体放電ディスプレイを提供することである。

本発明の第1の態様においては、上記の課題は以下のカソード発光型気体放電ディスプレイによって実現される。すなわちこのカソード発光型気体放電ディスプレイは、定められた気体充填空間、電圧の印加用に適合されたアノードおよびカソード手段、並びに発光物質を有する発光画面を有する。アノードおよびカソードを横断する電圧が印加されると、気体充填空間における気体放電によってイオンと電子を有するプラズマが生じ、前記プラズマイオンはカソードに衝突し、前記衝突によって二次電子が発生する。アノードはディスプレイの後部に設けられ、カソードおよび発光画面はディスプレイの前部に設けられ、前記二次電子は発光物質の励起に利用される。

従ってプラズマ内で生じた電子はディスプレイの後部にあるアノードに流れ、これらの電子は結果的に発光物質の励起には利用されない。プラズマ内で生じたイオンはカソードに流れ、これらのプラズマイオンのカソードへの衝突によって二次電子が発生する。これらの二次電子のある部分は画面の発光物質の励起に利用される。残りの二次電子はプラズマの維持に用いられる。

本発明の利点は、上述のような従来のカソード発光型気体放電ディスプレイに比べてより大きな加速電圧を印加することで上述の逆方向化の問題が抑制されることである。より大きな加速電圧を用いることで高エネルギー電子が形成され、発光効率を向上することができる。結果的に、全体的な電力消費は低減される。

本発明の他の特徴および利点は以降の記載および特許請求の範囲から明らかとなろう。

本発明の実施例によるカソード発光型気体放電ディスプレイの一部は図2に示されている。フロントガラスパネル1、リアガラスパネル2および側壁（図2には示されていない）は気体充填空間3を定める。

さらに内部または外部の真空状態保持部（図2には示されていない）が設けられる。

アノード4はディスプレイの後部に配置される。この実施例ではアノード4はリアパネル2の気体充填空間3と面する側に設置される。

カソードグリッド5および発光面6はディスプレイの前部に配置される。この実施例ではカソードグリッド5および蛍光素子6はフロントパネルの気体充填空間3と面する側に配置される。

発光面6は蛍光面であることが好ましい。

本発明のこの実施例ではアノード4はアルミニウム（Al）のような金属で構成されるが、例えばインジウムスズ酸化物（ITO）のような他のいかなる導電性材料で構成しても良い。

カソードグリッド5は導電性材料で構成される。導電性材料は高二次電子放射材料のコーティング、または高二次電子放射材料自身であることが好ましい。

高二次電子係数を有する材料（高二次電子放射材料）は、正イオンの衝突の際に多量の二次電子を放射する。

導電性材料としてはアルミニウムが適しており、これは大気暴露によって表面にアルミニウム酸化物層を形成する。この酸化物は比較的高い二次電子係数を有する。

カソード材料に適する別の例はアルミニウムおよびマグネシウムの合金である。大気暴露によってそのような合金はマグネシウムの表面層を形成し、この層は比較的高い二次電子係数を有する。

高い二次電子係数を有する別の材料はランタンヘキサボライト（LaB₆）である。

カソードグリッド5はガラスで構成されたスペーサ素子7上に付与され、このガラスはフロントガラスパネル1上に付与される。

スペーサ素子は絶縁性の真空耐性材料で構成され、例えばガラス、Al₂O₃またはセラミック材料である。この材料はCrO₃またはSi₃N₄のような低二次電子放射材料のコーティングであることが好ましく、帯電およびそれにより電界放出を生じさせる恐れのある電場の増大を防止する。

スペーサ素子間の距離は各々1サブ画素であることが好ましい。

蛍光体6はフロントガラスパネル1上のスペーサ素子7の間に設けられる。

放電気体であるネオン（Ne）の圧力は0.97mbarであり、これは前記気体充填空間3を形成してプラズマ領域を構成するパネルの中央部分に提供される。気体圧力は0.1から10mbarの範囲であることが好ましく、0.5から5mbarの範囲であることがより好ましい。

本実施例におけるプラズマ領域は約20mmであるが、プラズマ領域の全長は所望の作動パラメータとの関係で調整することができる。

アノード4とカソード5を横断する電圧が印加されると、電子（e^-）およびイオン（I⁺）を有するプラズマが発生する。プラズマ電子（e^-）はカソードグリッド5から後ろの部分にあるアノードに進み、イオン（I⁺）は反対の方向、すなわち電離の場所からカソードグリッド5に進行する。従ってプラズマ内で生じた電子（e^-）は蛍光面6には到達しない。しかしながらプラズマイオン（I⁺）のカソードグリッド5への衝突によって生じた二次電子（e^-）の一部は、電場によって捕獲され、カソードグリッド5の開口部を通って侵入する。これらの二次電子（e^-）はカソードグリッド5の開口部を通過して、加速領域を構成する加速電極8により加速される。前記電場によって捕獲されなかった二次電子（e^-）はプラズマの持続に利用される。

本実施例では加速電極8は、ガラスパネル1上に塗布されたインジウムスズ酸化物（ITO）の層8で構成される。

本実施例では加速領域は約1mmであるが、加速領域の全長は所望の作動パラメータとの関係で調整することができる。

印加される加速電圧は少なくとも1kVであって、少なくとも5kVであることが好ましく、例えば5乃至15kVの範囲である。

背景説明で示したように、必要な電流量を抑制するため加速電圧はできるだけ大きくすることが好ましい。さらに加速電圧を大きくすることは加速領域における電離を抑制することを意味し、結果的に装置内での材料、例えばカソード材料のスパッタリングを低減することができる。さらに蛍光体はより長寿命となる。

正のプラズマイオンの一部はさらに、カソードグリッド5の開口部を通過し、グリッド5の反対側で二次電子を発生するようにしても良い。これらの電子も蛍光面6に向かって加速される。

前記正のプラズマイオンを活性領域に侵入させる場合の別の利点は、壁の帯電効果が抑制できることである。従って異なる空間電荷分布が提供される。これにより活性領域の放電開始電圧は改善される。

加速領域で発生したイオンがカソードグリッド5の開口部を通過する場合でも、これらのイオンはプラズマにそれ程影響を及ぼさない。これらのイオンはカソードグリッド5に導かれるからである。従って前記逆方向化およびプラズマの狭小化の問題は有意に低減される。

カソードグリッド5の厚さは100nmから100μmの範囲である。グリッドの形状は例えば図3a乃至cに示すように変更しても良い。カソードグリッド5の厚さおよび形状は、画面6に向かう二次電子とアノード4に向かう二次電子の比を調節するように選択しても良い。アノード4に向かう二次電子の一部はプラズマの持続に利用される。

より厚い、例えば約100μmのカソードグリッド5を使用することは、より薄いカソードグリッド5を使用した場合に比べて、二次電子がより高い割合で画面6に到達することを意味する。

図3cに示すような円錐状のカソードグリッド5の使用は、蛍光面6に到達する電子量を増大させる。

ここに示された本発明の実施例では1つのグリッドのみが用いられているが、これは、カソード5およびアノード4を行と列の方向に構成する必要があることを意味する。しかしながら2または3以上のグリッドを用いても良く、これは、プラズマが同時に全行または複数の行に存在することを意味する。全プラズマ領域がプラズマで満たされても良い。

特定構造を有さないアノードおよび特定構造を有さないカソードを、少なくとも1つの選択グリッドと組み合わせて用いても良い。

本発明を以下の限定されない実施例でさらに説明する。
（比較例）
後部にカソードを有し、前部にアノードグリッドと蛍光面を有するカソード発光型気体放電ディスプレイを比較例として用いた。0.97mbarのNeを放電気体として用いた。

カソード（-400V）とアノード（0V）を横断する電圧を印加した。用いた画面電流は0.2mAであり、プラズマ電流は0.2mAである。表示画像に明るいオレンジスポットが形成されるまで、加速領域に印加することのできた電圧は200Vであった。
（実施例）
この実施例では図2に示すカソード発光型気体放電ディスプレイを使用した。

アノード4（+400V）とカソード5（0V）を横断する電圧を印加した。最初に用いた画面電流は0.2mAであり、プラズマ電流は0.2mAである。しかしながら同じ画面電流の0.2mAを維持するためには、プラズマ電流は2mAまで増大させる必要があった。プラズマ電流のある割合のみが発光面6に到達して画面電流に寄与する。この割合はカソード5の材料、またはカソード5を被覆する（上述の）材料の二次電子放射係数の関数である。単位イオン当たりにより多くの電子が形成される場合は、プラズマ領域に必要な電離さらには電流はより少なくて済む。従って高二次電子放射材料で構成したカソード5、または高二次電子放射材料でコーティングしたカソード5を用いると、画面電流とプラズマ電流の間の比は増大する。

加速領域に印加されたのは約2kVであった。従って二次電子は極めて高い運動エネルギーに加速され、改善された蛍光効率が得られた。すなわち改善された輝度特性が得られ、前述の従来のカソード発光型気体放電ディスプレイと同じ輝度を得るために必要な電流はより少なくて済むことがわかった。

上述の結果から、本発明のカソード発光型気体放電ディスプレイは、適用範囲が広いと言える。本発明のカソード発光型気体放電ディスプレイの製作は容易かつ低コストであって、高い発光効率を有し高画質画像を提供する。

周知のパッシェン曲線である。 本発明の実施例によるカソード発光型気体放電ディスプレイの概略図である。 図2のカソード発光型気体放電ディスプレイに用いることのできるカソードグリッドのある構成例を示す図である。 図2のカソード発光型気体放電ディスプレイに用いることのできるカソードグリッドのある構成例を示す図である。 図2のカソード発光型気体放電ディスプレイに用いることのできるカソードグリッドのある構成例を示す図である。

Claims (7)

1. 定められた気体充填空間、電圧を印加するように適合されたアノードおよびカソード、並びに発光物質を有する発光面、を有するカソード発光型気体放電ディスプレイであって、前記アノードおよび前記カソードを横断する電圧が印加された際、前記気体充填空間における気体放電によってイオンおよび電子を有するプラズマが生じ、前記プラズマのイオンは前記カソードに衝突し、前記衝突によって二次電子が発生し、前記アノードは当該カソード発光型気体放電ディスプレイの後部に設けられ、前記カソードおよび前記発光面は当該カソード発光型気体放電ディスプレイの前部に設けられ、前記二次電子は前記発光物質の励起に利用されることを特徴とするカソード発光型気体放電ディスプレイ。
2. 前記二次電子は、加速電圧の印加によって前記カソードから前記発光面に向かって加速されることを特徴とする請求項1に記載のカソード発光型気体放電ディスプレイ。
3. 前記加速電圧は少なくとも1kVであることを特徴とする請求項2に記載のカソード発光型気体放電ディスプレイ。
4. 発光物質を有する前記発光面は蛍光面であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のカソード発光型気体放電ディスプレイ。
5. 前記カソードは高二次電子放射材料または高二次電子放射材料のコーティングで構成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のカソード発光型気体放電ディスプレイ。
6. 前記カソードの厚さは100nmから100μmの範囲にあることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のカソード発光型気体放電ディスプレイ。
7. 前記カソードは円錐状であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のカソード発光型気体放電ディスプレイ。

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