JP2006313726A - 発光デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】プロセス制御が容易であって生産性に優れ、高輝度、高効率かつ高精細化と大画面化の可能性を持つ発光デバイスを提供する。
【解決手段】本発明の発光デバイスは、蛍光体粒子を含む発光体２と、相対する第１絶縁体４と、第１絶縁体の基台となる第２絶縁体５と、少なくとも一部が第１絶縁体に接し、かつ少なくとも一部が第１絶縁体を介して第２絶縁体と対向する第１電極６及び第２電極７と、一部において少なくとも第１絶縁体を介し、かつ他の一部において少なくとも前記発光体を介して第２絶縁体と対向する透光性基板８とを備え、第１電極が、少なくとも一部が第１絶縁体及び気体に接触するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は発光デバイスに関するものである。特に構成が簡単で製造が容易であり、かつ高効率である薄型ディスプレイの単位画素を構成する発光デバイスに関するものである。

発光デバイス、その中でもディスプレイ用途としても利用されているエレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＥＬＤ）、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）などは種々の面での研究開発が進んでおり、さらに高画質、高効率であるディスプレイが追求されている。ＥＬＤとＦＥＤを例に取ると、非特許文献1にはＥＬＤについて、概ね次のように記載されている。１つの例は、発光層である蛍光体に絶縁層を介して電界を加える構造を基本とするものであり、有機分散型と薄膜型が知られている。有機分散型は不純物のＣｕなど添加したＺｎＳの粒子を有機物中に分散させ、この上に絶縁層を形成し、上下の電極で挟持する構造を有する。不純物は蛍光体粒子中にｐｎ接合を形成し、電界が印加されると接合面に発生する高電界により放出された電子が加速されたのち、正孔と再結合して発光する。他の１つの例は、発光層であるＭｎドープＺｎＳなどの蛍光体薄膜を絶縁体層を介して電極間に配置する構造を有している。絶縁体層が存在することにより発光層には高電界を印加することが可能となり、電界で加速された放出電子が発光中心を励起し発光する。一方、ＦＥＤは真空容器中に電子放出デバイスとこれに対向させた蛍光体よりなる構造を有し、電子放出デバイスより真空中に放出された電子を加速して蛍光体層に照射し発光させるものである。

いずれのデバイスも電子放出が発光のきっかけとなるため、低電圧、高効率で電子を放出する技術が重要である。このような技術として強誘電体の分極反転による電子放出が着目されている。例えば、非特許文献２には、図１０で示すように、一方の面に設置された平面電極１０２と他方の面に設置された格子状電極１０３を有するＰＺＴセラミック１０１を真空容器１０６中でグリッド電極１０５を介して白金電極１０４に対向させ、電極間にパルス電圧を印加することにより、電子が放出されることを提案している。１０７は排気口である。同提案によれば、容器内の圧力は１．３３Ｐａ（１０^−２Ｔｏｒｒ）であり、大気圧では放電しないと記載されている。

強誘電体の分極反転により放出される電子を真空容器中で加速し、蛍光体層を発光させること、あるいはこの発光を用いたディスプレイは、特許文献１や特許文献２にも記載されているが、基本的な構成は非特許文献２の白金電極に代えて、蛍光体層を有する電極とする構成により、蛍光体層を発光させるものである。

一方、強誘電体の分極反転による放出電子を非真空中で用いた発光デバイスは例えば、特許文献３に電気発光面光源デバイスとして開示されている。このデバイスは、図１１に示すように、基板１１５上に下部電極１１２、強誘電体薄膜１１１、上部電極１１３、キャリア増倍層１１８、発光層１１４、透明電極１１６の順で形成されており、上部電極は開口部１１７を有している。下部電極と上部電極間の印加電圧パルスを反転させることにより電子が上部電極開口部よりキャリア増倍層に放出され、さらに透明電極に印加された正の電圧により加速され、電子を増倍しつつ発光層に達して発光する。キャリア増倍層は誘電率が比較的低く、かつ発光層で放出される発光波長を吸収しないバンドギャップを有する半導体で構成されていることが記載されている。このデバイスは、一種のＥＬＤと考えることができる。また、特許文献４には、スパッタにより形成された蛍光体からなる発光層を表裏の絶縁層で挟持してパルス電界を印加する構成において、一方の絶縁層が強誘電体薄膜からなる構成が開示されている。

また、本願と同一出願人により、特許文献５に示すような簡単な構成で安価な平面デバイスも提案されている。この発光デバイスは、多孔質発光体の表面に接触するように配置した２つの電極に電圧を印加して放電させ、この放電により発生する紫外線を利用して多孔質発光体内の蛍光体粒子を励起して発光させるものである。また、本願と同一出願人により、誤放電を抑制し、輝度の向上を可能とするプラズマディスプレイとして、特許文献６に示すような、放電空間を形成する隔壁の行方向と列方向とで高さが異なる井桁状であることを特徴とするディスプレイパネルが開示されている。
特開平０７−０６４４９０号公報 米国特許第５４５３６６１号明細書 特開平０６−２８３２６９号公報 特開平０８−０８３６８６号公報 特開２００４−２００１４３号公報 特開２００５−０１１７４３号公報 松本正一編著、「電子ディスプレイ」、オーム社、平成７年７月７日、ｐ．１１３−１２５ Jun-ichi Asano 他,'Field-Exited Electron Emission from Ferroelectric Ceramic in Vacuum' Japanese Journal of Applied Physics Vol.31 Part 1 p.3098-3101,Sep/1992

ところで、発光デバイスにおいてその優位性を示す重要な要素としては、輝度の高さ、輝度の安定性、高効率化、高精細化、耐久性、更に、薄型化や大画面化の可能性等が挙げられる。上記の既存デバイスを参考に挙げると、高効率化と高精細化という観点では、ＰＤＰは現状において対応性に乏しく、また、大画面化や耐久性、あるいは製造プロセスの簡便化という観点では、ＥＬＤは依然として技術的課題を多く残している。

特に、最近商品開発が進んでいるＰＤＰについていえば、蛍光体を発光させるまでに多くのプロセスを経る必要があり、発光効率が悪いという問題がある。これは、発光原理に起因するものである。具体的には、まず、発光デバイス中のキセノンガスやネオンガス等に電圧を印加してプラズマ放電を起こさせることが必要となる。そして、このプラズマ放電によって発生する紫外線が発光デバイスの内壁に塗布された蛍光体を励起させて赤、緑、青の光を発光させるのである。従って、ＰＤＰでは、蛍光体が発光するまでの過程が多いという発光原理に起因した本質的な問題を抱えているため、高い発光効率を得ることが困難であり、大型ディスプレイとしたときに消費電力が大きいという問題がある。

更に、ＰＤＰにおける発光を実現するためには、セル構造は自ずと種々の制約を受けることになる。例えば、キセノン等のガスを放電するための十分な空間が必要となる。また、発光体の厚みについても、紫外線を可視光に変換する発光中心を十分に含み、更に可視光を前面側に取り出すために十分な厚さが必要であるが、放電空間を十分確保するために厚すぎてもいけないという観点から、余りに厚い膜でも、逆に薄い膜でも良いわけではなく、適切な範囲の厚さ制御が必要となり、プロセス設計上の自由度が決して大きいとはいえない。他方、発光デバイスを真空にした後にキセノン等のガスを封入する必要があり、製造設備が大がかりなものになるためコスト高となる問題がある。また、上記の理由から衝撃に対して弱い傾向にある。

一方で、ディスプレイとして用いる発光デバイスの構成という視点で考えると、セルを形成する隔壁の物性の選択、その隔壁と電極との適切な相対位置関係、発光体の位置と厚みの影響など、ＰＤＰ等に替わる新しいディスプレイの提案を実現化するためには、解決すべき種々の技術課題が存在すると考えられる。特に、ＰＤＰのような、電極から放出される電子が気体に衝突して発生する紫外線による紫外線励起発光のみの利用とは異なり、主として電極より放出される電子が発光体への直接の励起要因となる本願発明に係る発光デバイスでは、この電子の放出を容易にかつ確実に達成することが一つの重要な要素であるといえる。従って、先の同一出願人による開示技術は、仮に、それが将来的にディスプレイに適用できる可能性について示唆するものであっても、具体的な発光デバイス、特にセル構造の構成に関しては何ら示唆するものではない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、特に、ディスプレイ用の発光デバイス構造を形成するにあたって、発光体を励起させるための電子の放出、特に電極から最初に放出される電子（以下、トリガー（trigger）電子という）を容易にかつ確実に得るためのデバイス構成を提案し、もって、ＰＤＰや各種ＥＬＤ等と同程度かそれ以上の高輝度を実現し、更に、高効率で高精細化と大画面化の可能性を有する発光デバイスを提供することを目的とする。

発明者らは、従来のＰＤＰで採用されているデバイス構成上の種々の制約を取り除いた上で、高輝度で高精細化が可能であり、かつ高効率を実現できる発光デバイスを得ることを目的として鋭意研究を重ねた。発明者らは、キセノン等のガスのプラズマ放電によって発生する紫外線を利用して発光体を励起するＰＤＰの発光メカニズムは、その過程の長さから効率面に難がある点に着目し、プラズマ放電によらず、より短い過程で発光体を励起する発光デバイスを構築すべく、研究を進めた。その結果、所定の絶縁基板上に配置した選定された絶縁体間に蛍光体粒子を含む発光体を介在させ、所定位置に少なくとも２つの電極を配置して電圧を印加すると、大気雰囲気のもとであっても発光することが分かった。更に、電極が気体に接するか、又はその近傍に配置されていなければ、トリガー電子を発生させるために非常に高い電圧が必要となるため、たとえ発光体を励起させることがあったとしても、その時間は非常に短く、かつ電極自体及び該電極を配置する基板が高電圧に起因してしばしば破壊されてしまうという問題が生じることが明らかとなった。発明者らは更に研究を重ねたところ、２つの電極の位置や絶縁体の誘電率等によっても発光体の発光状態が異なることを踏まえ、最終的にディスプレイ用途として活用でき、かつ商業生産に耐えうると考えられる適切な範囲を見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明の発光デバイスは、蛍光体粒子を含む発光体と、相対する第１絶縁体と、第１絶縁体の基台となる第２絶縁体と、少なくとも一部が第１絶縁体に接し、かつ少なくとも一部が第１絶縁体を介して第２絶縁体と対向する第１電極及び第２電極と、一部において少なくとも第１絶縁体を介し、かつ他の一部において少なくとも該発光体を介して第２絶縁体と対向する透光性基板とを備え、第1電極又は第２電極のいずれか一方の電極は、少なくとも一部が気体に接触している構成を有している。

この構成を採用することにより、ＰＤＰのような所定の放電空間を要せず、また、気体の種類によらずに発光体を励起させて発光させることができる。これは、電極が気体に接していることから、電極への所定電圧の印加によって電極からのトリガー電子が確実かつ安定的に供給されるのである。トリガー電子は、一方では、気体に衝突して紫外線を発生させることで蛍光体粒子に含まれる発光中心を励起させ、他方では、発光体表面で雪崩的に電子の増加を促すことにより、該電子の発光体表面への衝突による蛍光体粒子に含まれる発光中心の励起を生じさせる役割を果たす。換言すれば、本発明は、電極から放出される電子が気体分子又は気体原子に衝突して発生する紫外線による紫外線励起発光のみならず、電極から放出される電子が蛍光体粒子に衝突して該蛍光体粒子に含まれる発光中心が電子励起されて発光するという複合的なメカニズムを提案するものである。また、本発明の構成を採用すれば、ＰＤＰのような希ガスによる置換封入を特に要しない点でも生産上有利である。また、本発明における透光性基板とは、代表的にはガラス基板が挙げられるがこれに限定されることはない。例えば、アクリルなど、フレキシブルな樹脂基板も本発明の効果を実質的に損なうことなく適用されうる。

また、本発明の発光デバイスは、蛍光体粒子を含む発光体と、相対する第１絶縁体と、第１絶縁体の基台となる第２絶縁体と、少なくとも一部が第１絶縁体に対向するとともに第１絶縁体を介して第２絶縁体と対向する第１電極及び第２電極と、一部において少なくとも第１絶縁体を介し、かつ他の一部において少なくとも該発光体を介して第２絶縁体と対向する透光性基板とを備え、少なくとも第1電極又は第２電極のいずれか一方の電極は少なくとも一部が絶縁層を介して気体に接触している構成を有している。

この構成を採用することにより、ＰＤＰのような所定の放電空間を要せず、また、気体の種類によらずに発光体を励起させて発光させることができる。これは、電極が絶縁体を介して気体に接していることから、電極への所定電圧の印加によって電極からのトリガー電子が確実かつ安定的に供給されるのである。トリガー電子は、一方では、気体に衝突して紫外線を発生させることで蛍光体粒子に含まれる発光中心を励起させ、他方では、発光体表面で雪崩的に電子の増加を促すことにより、該電子の発光体表面への衝突による蛍光体粒子に含まれる発光中心の励起を生じさせる役割を果たす。換言すれば、本発明は、電極から放出される電子が気体分子又は気体原子に衝突して発生する紫外線による紫外線励起発光のみならず、電極から放出される電子が蛍光体粒子に衝突して該蛍光体粒子に含まれる発光中心が電子励起されて発光するという複合的なメカニズムを提案するものである。また、本発明の構成を採用すれば、ＰＤＰのような希ガスによる置換封入を特に要しない点でも生産上有利である。また、本発明における透光性基板とは、代表的にはガラス基板が挙げられるがこれに限定されることはない。例えば、アクリルなど、フレキシブルな樹脂基板も本発明の効果を実質的に損なうことなく適用されうる。

上述のいずれの発光デバイスであっても、第１絶縁体と第２絶縁体が同一材料であることを妨げない。むしろ、サンドブラスト加工等を用いて一体物としての成形も可能であるから、プロセス上あるいは強度上好都合である。また、第１絶縁体及び第２絶縁体の誘電率が５以上であれば、本発明の効果が現れる。誘電率に関しては、より好ましくは第１絶縁体及び第２絶縁体の誘電率の一方が３０以上であり、他方が５以上を要求する。更に好ましくは、第１絶縁体及び第２絶縁体の一方が１００以上であり他方が３０以上である。また、上述のいずれの発光デバイスにも該当するが、相対する位置に配置される第１絶縁体の具体例としては、一対の第１絶縁体が直方体形状である場合はもとより、本実施の各形態のように一対の第１絶縁体が断面台形状の柱状構造である場合も含まれる。また、上述のいずれの発光デバイスにおいても、該透光性基板は、発光デバイスにおける最も外側に位置する基板を指すものであり、例えば、該電極を覆うように設けられた透光性の膜や層を意味するものではない。また、特許請求の範囲に記載の「少なくとも一部が第１絶縁体に接し」又は「少なくとも一部が第１絶縁体に対向する」とは、該電極が該透光性基板上に配置され、第1絶縁体に一部が接するか又は対向している場合だけでなく、該電極が第1絶縁体上に設けられており、透光性基板に一部が接するか又は対向する位置に配置されている場合も含まれる。

また、第１絶縁体と第２絶縁体として適用される絶縁性金属酸化物は、ガラス材、又はガラス材と金属酸化物との混合材で構成されていることが好ましい。これは、ガラス材と混合して成形することにより、大型ディスプレイを製造するプロセスの点で有利だからである。具体的な材料としては、ガラス材のほか、Ｙ₂Ｏ₃，Ｌｉ₂Ｏ，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＭｇＴｉＯ₃，ＣａＴｉＯ₃，ＢａＴｉＯ₃，ＳｒＴｉＯ₃，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃，Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ₃，ＰｂＴｉＯ₃のうちの少なくとも１種類を用いたものである。上述のいずれの絶縁体であっても、誘電率が前述の値以上となるように混合比を選択すれば、本発明の効果が顕著に現れることとなる。また、前述のガラス材としては、ホウ珪酸ガラスなど、ガラス転移温度が６００℃以下のいわゆる低融点ガラスであることが製造的に容易である点で好ましい。

また、第1電極及び第２電極が絶縁層で覆われていることが好ましい。これは、電極の耐久性という点で有利だからである。更に、該絶縁層はアルカリ土類金属酸化物を含む層であることが好ましい。この層によって電極が電子やイオンによる衝撃から保護され、デバイス全体としての耐久性が向上する。より具体的には、該絶縁層は、Ｙ₂Ｏ₃，Ｌｉ₂Ｏ，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，ＳｉＯ₂，ＭｇＴｉＯ₃，ＣａＴｉＯ₃，ＢａＴｉＯ₃，ＳｒＴｉＯ₃，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，Ｂ₂Ｏ₃，Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ₃，ＰｂＴｉＯ₃のうち、１つ又は複数の材料を含む層である。

また、上述のいずれの発光デバイスであっても、発光体の表面層が多孔質であることが好ましい。これは、発光体の一方の表面側に存在する２つの電極間において所定の電圧を印加した場合、発光体を電子が流れるいわゆる沿面放電が生じるが、表面層が多孔質であれば、そこで雪崩的に沿面放電が発生して放電が持続するため、輝度が安定するからである。更に、該発光体全体が多孔質であれば、沿面放電が多孔質発光体の表面だけでなく内部にも発生し、蛍光体粒子に含まれる発光中心を効率よく発光させることができるのでより好ましい。尚、この蛍光体粒子の形態としては、例えば、球状、針状、ウィスカー状、板状が挙げられる。いずれにしても、この発光体が粉体を固化して形成されるものであれば、最終形態として多孔質状態を形成しやすいという利点がある。

また、上述のいずれの発光デバイスであっても、発光体と第1電極又は第２電極のいずれか一方の電極との間に気体を介在させるとともに、前記気体が、少なくとも酸素又は窒素を含む気体で構成されることが好ましい。酸素又は窒素を含んでも発光に支障がないため、実質的にガス置換が必要ではなく、ディスプレイの製造が容易でかつ製造時間を短くできる利点がある。また、該気体は、少なくとも酸素又は窒素を含む気体であって、酸素及び窒素の全体に占める体積比率が１％以上であることが好ましい。酸素及び窒素を１％以上含む気体であっても、本発明の発光デバイスは輝度を損なうことなく発光する。さらに、該気体は、少なくとも酸素又は窒素を含み、かつキセノンガスの全体に占める体積比率が２％以下の混合気体であることが好ましい。キセノンが２％以下の気体であっても本発明の効果を損なうことなく発光しうる。このように、本発明の発光デバイスは、ガス置換を行う上でＰＤＰのような密封装置によるガス置換が必要ではなく、ディスプレイの製造において、気体の厳密な管理を要せず、かつ製造時間を短くできる利点がある。尚、上記気体の一部に希ガスを用いることを妨げない。放電電圧を低減することが出来る点では希ガスを利用することも可能である。また、上記気体の圧力については、５×１０^３Ｐａ以上９×１０⁴Ｐａ以下が好ましい。

本発明の発光デバイスでは、発光体を励起させるための電子の放出、特に電極から最初に放出されるトリガー電子を容易にかつ確実に得ることができるため、ＰＤＰや各種ＥＬＤ等と同程度かそれ以上の高輝度を高効率で実現することができ、さらに、薄型化、大画面化及び高精細化が可能であるという特徴をもつ発光デバイスを提供することができる。また、主として沿面放電を利用した発光であるため、薄膜形成プロセスや真空系やキャリア倍増層を必要としないものであり、他方、プロセス制御を極めて容易にして加工性を高めるとともに生産性に優れた発光デバイスを提供することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態を、添付する図面に基づいて説明する。まず、図１乃至図５を参照しながら、本実施の第１の形態における発光デバイス構造について説明する。

図１は本実施の第１形態における発光デバイスの斜視図であり、図２乃至図５は、本実施の第１形態における発光デバイスの製造工程の説明図である。これらの図において、１は発光デバイス、２は蛍光体粒子を含む発光体、４は第１絶縁体、５は第２絶縁体、６は第１電極、７は第２電極、８は透光性基板、９は気体層、そして２０は下層基板である。図８は、図１におけるＡ−Ａ断面図であり、特に透光性基板８上に配置された各電極６,７に対する第１絶縁体４及び気体層９の位置関係を明確にするための図面である。図９は、本実施の第１形態における発光デバイスの平面図である。尚、図１では、便宜上透光性基板８の一部のみを表示している。また、各電極６,７については、図面手前側から発光セルの２列分のみについて他のデバイス構成部材との関係が分かるように表示した（但し、切断面が第１電極６と第２電極７との間にあるため、最も図面手前側の列の第１電極６は見えていない。）。

図２及び図３に示すように、ガラス材、セラミック材またはガラス材とセラミック材の混合材で形成された下層基板２０の上に第２絶縁体５を形成する。具体的には、ＢａＴｉＯ_３粉末４０ｗｔ％に対してガラス粉末１５ｗｔ％を混合した粉体にα−テレピネオール４０ｗｔ％、エチルセルロース５ｗｔ％を混練したペーストを調製し、スクリーン印刷後、大気中において４００℃乃至６００℃で熱処理することにより、１０μｍ乃至１０００μｍの厚さの第２絶縁体５の層を形成した。

本実施の形態では第２絶縁体５としてＢａＴｉＯ₃を用いたが、ＳｒＴｉＯ₃，ＣａＴｉＯ₃，ＭｇＴｉＯ₃，Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ₃，ＰｂＴｉＯ₃などの絶縁体を用いても同様の効果が得られる。また、Ａｌ₂Ｏ₃，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂などの絶縁体を用いても同様の効果が得られるが、比誘電率が大きい絶縁体に比べ輝度が弱くなった。しかしながら、これは絶縁体の厚みを薄くすることで容量を上げ改善できるものである。また、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着、ゾル・ゲル等の薄膜形成プロセスで絶縁層を形成することもできる。

なお、第２絶縁体５として焼結体を用いる場合には、これを下層基板２０と兼用することができるため該下層基板２０を使用しなくても構わない。該絶縁体５の厚さは焼結体を使用した場合や厚膜プロセスで形成した場合で極端に変わる。実際には、必要な容量成分は比誘電率との関係で調整することが可能である。

次に、第２絶縁体５の上に、互いに相対するように第１絶縁体４を形成する。具体的には、セラミック（例えばＳｒＴｉＯ₃）とガラス（重量比で１：１）の混同粒子５０ｗｔ％に対してα−テレピネオール５０ｗｔ％を加えて混練したペーストを所定のパターンにスクリーン印刷し、４００℃乃至５８０℃で２時間乃至５時間に渡って熱処理して固化させることにより、図４に示すように約３μｍ乃至５００μｍの厚さの第１絶縁体４を形成した。尚、第１絶縁体４と第２絶縁体５を同一材料（例えば、ＢａＴｉＯ_３）で形成してもよい。同一材料であれば、所定の領域をマスクしてのち、サンドブラスト加工により、第１絶縁体４と第２絶縁体５が一度に形成されることから、製造工程が削減できる点で有利である。

次に、図５に示すように、第２絶縁体５の上に蛍光体粒子を含む発光体２を、スクリーン印刷法により層状に形成する。蛍光体粒子５０ｗｔ％に対してα−テレピネオール４５ｗｔ％、エチルセルロース５ｗｔ％を混練したペーストをそれぞれ発光体毎に調製し、これをスクリーン印刷してから乾燥する操作を複数回にわたって繰り返し行うことにより、図５に示すように厚さ３μｍ以上５００μｍ以下の発光体２となるように調整した。なお、蛍光体粒子としては、ＺｎＳ：Ａｇ（青）、ＺｎＳｉＯ_５：Ｃｅ^３＋（青）、ＺｎＳ：Ｃｕ，Ｃｌ（緑）、Ｙ_２Ｏ_２Ｓ：Ｅｕ^３＋（赤）等のＣＲＴ用の蛍光体や、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋（青）、（Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ，Ｍｇ）_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ^２＋（青）、Ｚｎ_２ＳｉＯ_４：Ｍｎ^２＋（緑）、Ｓｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕ^２＋（緑）、ＬａＰＯ_４：Ｃｅ^３＋，Ｔｂ^３＋（青緑）、ＣｅＭｇＡｌ_１０Ｏ_１９：Ｔｂ^３＋（緑）、３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ_２ＧｅＯ_２：Ｍｎ^４＋（赤）、ＹＢＯ_３：Ｅｕ^3＋（赤）等のランプ用の蛍光体の無機化合物を用いることが可能である。

ここで、前述の蛍光体粒子の表面をＭｇＯ等の金属酸化物からなる層で被覆していてもよい。これにより、沿面放電を効率よく発生させることができるという利点がある。例えば、蛍光体粒子の表面にＭｇＯの層を形成する方法は次のように行う。まず、金属アルコキシドであるＭｇ（ＯＣ₂Ｈ₅）₂粉末（１モル比）にＣＨ₃ＣＯＯＨ（１０モル比）、Ｈ₂Ｏ（５０モル比）及びＣ₂Ｈ₅ＯＨ（５０モル比）からなる溶液を室温で攪拌しながらよく混合し、ほぼ透明なゾル・ゲル溶液を調製する。これに該蛍光体粒子（２モル比）を該ゾル・ゲル溶液中に攪拌しながら少しずつ加えて混合する。この操作を一日継続して行ってから混合溶液を遠心分離し、粉体をセラミックス製のバットに取り、１５０℃で一昼夜乾燥させた。次に、乾燥後の粉体を大気中で４００℃乃至６００℃、２時間乃至５時間仮焼することにより、蛍光体粒子の表面にＭｇＯからなる均一な層を形成させることができた。

発光体２は赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のうちのいずれかの発光が得られるように作製する。実際の表示装置等においては発光色毎に層状の発光体２を順々に所定のパターン（例えば、ストライプ状）にそれぞれ印刷して、規則的に並べた発光体２を形成する。また、白色発光の得られる発光体２を形成し、のちにカラーフィルターで色の分離を行うことにより所望の発光色が得られるようにすることも可能である。

上記のようにして、発光体２を印刷した後、大気中で、４００℃乃至５８０℃で１０分乃至６０分間に渡って熱処理することにより、３μｍ以上５００μｍ以下の厚さの発光体２を形成した。尚、本実施の形態では、発光体２は第1絶縁体４を形成してからのちに行ったが、先に発光体２を形成してもよい。

また、前述のペーストは蛍光体粒子に有機バインダーや有機溶剤を加えて調製したが、蛍光体粒子にコロイダルシリカ水溶液を加えたペーストを用いても同様の効果が得られた。尚、コロイダルシリカ水溶液を加えた場合の方が、発光体を形成する工程において、熱処理を行う必要が無いため、蛍光体の酸化を抑えることができる。

上記のようにして、第１絶縁体４を形成してから、Ａｇからなる第１電極６及び第２電極７が第１絶縁体４に少なくとも一部が物理的に接触して配置される位置に予め形成されたガラス板等の透光性基板８で発光体２を覆うと、図１に示すような本実施の第１形態における発光デバイス１が得られる。その際、少なくとも発光体２と第１電極６又は発光体２と第２電極７の間に気体層９からなる間隙が生じるようにコロイダルシリカ、水ガラス又は樹脂等を用いて透光性基板８を第１絶縁体４の上に貼付する。

発光体２と第１電極６又は発光体２と第２電極７との間の気体層９の存在する距離は少なくとも気体分子の平均自由行程以上であれば差し支えない。従って、発光体２の厚みは、製造工程を考慮すると実際には２０μｍ以上５００μｍ以下の範囲が適当であり、特に３０μｍ超２５０μｍ以下の範囲が好ましい。本発光デバイスでの放電開始電圧は、各電極６,７と発光体の距離に影響されるため、上記の上限を超えると製造プロセス上、その距離の制御が困難となり、引いては、放電開始電圧のばらつきが大きくなる。

尚、第１電極６及び第２電極７としてのＡｇからなる透明電極を有する透光性基板８についてはＡｇの代替としてＩＴＯ配線が施された透光性基板を使用することも可能である。また、ＩＴＯはＡｇに比較して、かなり高抵抗であることから、発光電圧の上昇、発熱、断線等の発生に注意する必要がある。他の電極材料としては金、銅、チタン、アルミニウム等を使用することも可能である。

上述のようにして、本実施の第１形態における発光デバイス１が得られる。また、第１電極６又は第２電極７が形成された透光性基板８上に誘電体厚膜ペーストを塗布して大気中で熱処理し、誘電体層を形成する。さらに該誘電体層の上層にＭｇＯスパッタによりＭｇＯ層を形成して第１電極６又は第２電極７を被覆した絶縁層１１を設ければ、図６に示すような本実施の第２形態における発光デバイス１が得られる。尚、絶縁層１１の形成方法としては、該誘電体厚膜ペースト（９０ｗｔ比）にＭｇＯ粉末（１０ｗｔ比）を混合したものを塗布し、大気中において５００℃乃至６００℃で焼き付けても良い。また、該絶縁層１１の厚みは、０．１μｍ以上３０μｍ以下とした。該絶縁層１１は、各電極６,７の放電に対する保護膜として役立つものである。尚、該絶縁層１１が０．１μｍ未満では、各電極６,７が放電によって削られて劣化が進む危険性が高まり、３０μｍを超えると、放電電圧が高くなり発光効率の低下につながる。

ところで、本実施の各形態においては、発光体２の形成に際し、粉体たる蛍光体粒子をベースとして、必要に応じて有機バインダーや有機溶剤等を加えてペースト化したものを利用したが、それらの材質や熱処理条件を調整することにより、最終形態として多孔質状の発光体２を形成することが可能である。具体的には、熱処理条件について言えば、下層基板２０として耐熱性のセラミック板を用いる場合には４００℃乃至６００℃の比較的広い温度範囲で熱処理を施すことが可能になる。尚、前述の有機バインダーや有機溶剤等を加えペースト化した場合、大気中で高温の熱処理が必要となり、蛍光体粒子の酸化による輝度特性の変化等が起こりやすいという問題がある。具体的には、例えばＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋は発光中心となるＥｕ^２＋により青色に発光する。しかし、熱処理での酸化によりＥｕ^３＋になった場合、赤色に発光する。従って、発光体２として、有機バインダー系の代わりに、無機バインダーのコロイダルシリカ水溶液を加えたペーストを用いて、１２０℃乃至１５０℃で乾燥させることにより、輝度特性や経済性の観点から有利である。尚、本実施の各形態においては発光体２の気孔率は１０％以上である。最適値は３０％以上７０％以下である。気孔率が１０％未満の場合、すなわち、もはや多孔質とは言えないようになると、発光現象自体には大きな影響はないが、発光体２の内部での沿面放電の持続性が阻害される結果、発光効率は多孔質状態のそれと比較して低下してしまうという問題が挙げられる。

次に、この発光デバイス１の発光メカニズムについて図１を参照しながら説明する。図１に示すように発光デバイス１を駆動するために、第１電極６と第２電極７の間に交流電界を印加する。本実施の各形態における容量成分の大きさの関係は、第１絶縁体４又は第２絶縁体５＞発光体２＞気体層９である。従って、本発光デバイスに電界を印加した場合、各層に印加される電圧値は、ほぼ容量の逆数に比例するため、第１絶縁体４又は第２絶縁体５＜発光体２＜気体層９となる。従って、この発光デバイス１の発光メカニズムは次のように考えられる。まず、第１電極６と第２電極７の間に電界を印加する。その際、気体層９において絶縁破壊電圧以上の電界が印加されることで、絶縁破壊が生じ、放電する。ここで、放電はカソード側の電極、気体層９及び第１絶縁体４の接点で発生し、カソード側の電極より電子が多量に放出される。次に、放出された電子は気体層９で大気中の酸素原子や窒素原子等に衝突し、波長３００ｎｍ乃至４３０ｎｍの紫外線を発生させる。また、容量成分は誘電率に比例するため、インピーダンスの低い第１絶縁体４及び第２絶縁体５の表面に沿って移動する電子の割合が高まる。その結果、該発光体２の表面又は内部を移動する電子の割合も高まり、放出された電子は、発光体２にも衝突する。該電子は電界により加速され紫外線を発生させると同時に、一部が蛍光体粒子に衝突し、発光中心を励起させる。尚、該発光体２が多孔質の場合は、その空隙を利用して沿面放電を繰り返し、さらに加速され紫外線を発生させると同時に、一部が蛍光体粒子に衝突し、発光中心を励起させる。その後、電子はアノード側の電極に吸収される。上記のようにして、紫外線励起と電子励起が同時に起こり発光していると考えられる。

なお、印加する交流電界の波形を正弦波や鋸歯状波から矩形波に変えることにより、また周波数を数十Hzから数千Hz上げることで電子の放出が非常に激しくなり、輝度が向上する。

本実施の各形態においては、発光体２の厚さを変化させて発光状況を確認した。具体的には、前述の蛍光体粒子を含むペーストをスクリーン印刷法により、１つの発光デバイスにおいて最も厚くなる箇所（具体的には、図７Ａにおける最大厚みｄ_１）が３μｍ、５μｍ及び１０μｍとなるように固化したものと、逆に、最も薄くなる箇所（具体的には、図７Ｂにおける最小厚みｄ_２）が２０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、５５μｍ、６５μｍ、７５μｍ、８５μｍ及び９５μｍとなるように固化したものを用意し、それぞれについて次の条件による輝度を調べた。まず、第１絶縁体４を行方向と列方向とで高さが異なるように形成し、その際、第１絶縁体４の低い方の高さを１００μｍとした。発光体２において、最も厚くなる箇所が３μｍ、５μｍ及び１０μｍの場合、例えば、波長２００ｎｍ乃至４００ｎｍに大きな励起スペクトルをもつＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ^２＋（青）蛍光体粒子を使用し、気体層９は大気とする。大気の放電スペクトルが、波長３００ｎｍ乃至４３０ｎｍの紫外領域にあり、前述の蛍光体粒子は紫外線励起及び電子励起により青色に発光した。ここで、発光は主に紫外線励起に支配されると考えられる。尚、気体層９をアルゴンガスに置換すると極端に輝度が低下した。これは、アルゴンガスの放電スペクトルが、波長６９０ｎｍ乃至８５０ｎｍで発光するため、蛍光体粒子が紫外線励起されず、ほとんどが電子励起で発光する為に輝度が低下すると考えられる。また、発光体２の厚みを３μｍ未満にすると第２絶縁体５表面での放電等に影響され、色度がかわってくるので好ましくない。逆に、最も薄くなる箇所が２０μｍ、３５μｍｍ、４０μｍ、５５μｍ、６５μｍ及び７５μｍの場合、蛍光体粒子が紫外線励起と電子励起の両方に支配され輝度が向上するため明るくなる。また、発光体２が多孔質である場合、５０μｍ超８０μｍ未満の範囲である、５５μｍ、６５μｍ及び７５μｍでは輝度が更に向上した。これは、発光体２にある程度の厚みがあるため、発光体２内部においても沿面放電がより生じ易くなって電子と発光体２との衝突の割合が高くなったためと考えられる。尚、上記のように気体層９をアルゴンガスに置換すると若干輝度が低下するが電子励起により発光するため、最も厚くなる箇所が３μｍ、５μｍ及び１０μｍとなる場合に比べると２倍ほどの明るさを得ることができた。さらに、最も薄くなる箇所が８５μｍ及び９５μｍとした場合、気体層９付近の発光体２が、厚く積層した部分の発光の透過を妨げるため、発光は低下した。また、気体層９をアルゴンガスに置換えても、大気の場合とほとんど輝度に変化はなかった。これは放電空間が小さすぎるため、発光が主に電子励起に支配されたと考えられる。このように、本実施例の発光デバイスでは、発光が紫外線励起と電子励起の両方が起こるために発光体２の厚みの範囲を大きく取ることができるという利点がある。尚、容量成分は誘電率に比例するため、インピーダンスの低い第１絶縁体４及び第２絶縁体５の表面に沿って移動する電子の割合が高まる。その結果、該発光体２表面又は内部を移動する電子の割合も高まり、放出された電子は発光体２に衝突すると推定される。

本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素ガス単体、窒素ガス単体、又は酸素と窒素の混合比によらず、あるいは減圧された気体中で実施しても同様に発光することを確認した。また、前述の各種のガスに体積比率として２％以下のキセノンガスを加えた混合ガスを用いた場合も同様に発光することを確認した。

本実施の各形態の発光デバイスによれば、発光体を励起させるための電子の放出、特に電極から最初に放出されるトリガー電子を容易にかつ確実に得ることができるため、高輝度を実現することができる。また、厚膜プロセス等により発光体を形成しているため、従来のように発光デバイスの作製に際して層の厚みに対する要求が厳しくなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。さらに、多孔質構造を有する発光体においては、通常の蛍光体のようにその表面だけが発光するのではなく、照射された電子が多孔質構造を有する発光体の内部まで達するので発光体全体が満遍なく均一に発光することに特徴がある。また、プラズマディスプレイで行われている紫外線による蛍光体の発光と比較すると発光効率がきわめて良好である。さらに、大型ディスプレイで使用する際の消費電力が比較的小さく、構造上、高精細化が比較的容易に達成しうる発光デバイスを提供することができる。なお、発光体の四方を囲むように放電分離手段として隔壁として機能する第１絶縁体を設置することにより、発光のクロストークを容易に回避することが可能である。

本発明の発光デバイスは厚膜プロセス等により発光体を形成しているため、従来のように発光デバイスの作製に際して発光体の厚みに対する要求が厳しくなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。さらに、ＰＤＰに比べても発光効率に優れていることから、特にディスプレイ用の発光デバイスとして有用である。

本実施の第１形態における発光デバイスの斜視図 本実施の第１形態における発光デバイスの製造工程の説明図 本実施の第１形態における発光デバイスの製造工程の説明図 本実施の第１形態における発光デバイスの製造工程の説明図 本実施の第１形態における発光デバイスの製造工程の説明図 本実施の第２形態における発光デバイスの断面図 図１におけるＢ−Ｂ方向の断面図 図１におけるＢ−Ｂ方向の断面図 図１におけるＡ−Ａ方向の断面図 本実施の第１形態における発光デバイスの平面図 従来例の非特許文献２における発光素子の断面図 従来例の特許文献３における発光素子の断面図

符号の説明

１ 発光デバイス
２ 蛍光体粒子を含む発光体
４ 第１絶縁体
５ 第２絶縁体
６ 第１電極
７ 第２電極
８ 透光性基板
９ 気体層
１１ 絶縁層
２０ 下層基板
１０１ PZTセラミック
１０２ 平面電極
１０３ 格子状電極
１０４ 白金電極
１０５ グリッド電極
１０６ 真空容器
１０７ 排気口
１１１ 強誘電体薄膜
１１２ 下部電極
１１３ 上部電極
１１４ 発光層
１１５ 基板
１１６ 透明電極
１１７ 開口部

Claims (14)

1. 蛍光体粒子を含む発光体と、
   相対する第１絶縁体と、
   第１絶縁体の基台となる第２絶縁体と、
   少なくとも一部が第１絶縁体に接し、かつ少なくとも一部が第１絶縁体を介して第２絶縁体と対向する第１電極及び第２電極と、
   一部において少なくとも第１絶縁体を介し、かつ他の一部において少なくとも前記発光体を介して第２絶縁体と対向する透光性基板とを備え、
   第1電極又は第２電極のいずれか一方の電極は、少なくとも一部が気体に接触している
   発光デバイス。
2. 蛍光体粒子を含む発光体と、
   相対する第１絶縁体と、
   第１絶縁体の基台となる第２絶縁体と、
   少なくとも一部が第１絶縁体に対向するとともに第１絶縁体を介して第２絶縁体と対向する第１電極及び第２電極と、
   一部において少なくとも第１絶縁体を介し、かつ他の一部において少なくとも前記発光体を介して第２絶縁体と対向する透光性基板とを備え、
   第1電極又は第２電極のいずれか一方の電極は、少なくとも一部が絶縁層を介して気体に接触している
   発光デバイス。
3. 第１絶縁体と第２絶縁体が同一材料で構成されている
   請求項１又は２に記載の発光デバイス。
4. 第１絶縁体及び第２絶縁体の誘電率が５以上である
   請求項１又は２に記載の発光デバイス。
5. 第１絶縁体及び第２絶縁体の誘電率の一方が３０以上であり、他方が５以上である
   請求項１又は２に記載の発光デバイス。
6. 第１絶縁体と第２絶縁体が、ガラス材、又はガラス材と金属酸化物との混合材で構成されている
   請求項１又は２に記載の発光デバイス。
7. 第1電極及び第２電極が絶縁層で覆われている
   請求項１又は２に記載の発光デバイス。
8. 前記絶縁層は、アルカリ土類金属酸化物を含む層である
   請求項７に記載の発光デバイス。
9. 前記発光体の表面層が多孔質である
   請求項１又は２に記載の発光デバイス。
10. 前記発光体が多孔質である
    請求項１又は２に記載の発光デバイス。
11. 前記発光体と第1電極又は第２電極のいずれか一方の電極との間に気体を介在させるとともに、前記気体が、少なくとも酸素又は窒素を含む気体からなる
    請求項１又は２に記載の発光デバイス。
12. 前記発光体と第1電極又は第２電極のいずれか一方の電極との間に気体を介在させてなり、
    前記気体は、少なくとも酸素又は窒素を含む気体であって、酸素及び窒素の全体に占める体積比率が１％以上である
    請求項１又は２に記載の発光デバイス。
13. 前記気体は、少なくとも酸素又は窒素を含み、かつキセノンガスの全体に占める体積比率が２％以下の混合気体である
    請求項１又は２に記載の発光デバイス。
14. 前記気体の圧力は、５×１０^３Ｐａ以上９×１０^４Ｐａ以下である
    請求項１１に記載の発光デバイス。

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