JP2007273270A - 電界放出型表示装置およびその製造方法 - Google Patents

電界放出型表示装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】この発明は、制御電極の開口部の加工安定性を確保して大面積化を実現できる電子放出型表示装置およびその製造方法を得る。
【解決手段】開口部161は、制御電極16の各ラインに、その延設方向(第2方向)に所定ピッチで多数形成され、サブピクセルを規定する。そして、開口部161は、制御電極16の延設方向を長軸とする略長方形の主開口がカソード電極11の延設方向(第1方向)に等ピッチで複数配置され、カソード電極11の延設方向を長軸とする略長方形の1つの従開口が複数の主開口の長手方向の中央を連結するように配置されて、形成されている。
【選択図】図3

Description

本発明は、表示面(蛍光面)の発光均一性を改善する電界放出型表示装置およびその製造方法に関するものである。
一般に、従来の電界放出型表示装置は、カソード電極が形成されたカソード基板と、カソード基板およびカソード電極上に形成された絶縁層と、絶縁層上に形成された制御電極と、制御電極および絶縁層を貫通して形成した開口部内に収容されて該開口部の底部に露出したカソード電極上に形成された電子放射物質層と、制御電極の前方に配置され、アノード電極および蛍光体が形成されたアノード基板と、を主に備えて構成されている(例えば、特許文献1,2参照)。この種の従来の電界放出型表示装置では、制御電極の開口部は円形に形成されている。
さらに、制御電極とアノード電極との間に配置され、電子放射物質層から蛍光体へ流れる電子ビームが通過する電子通過孔が形成された遮蔽電極を備えたものがある(例えば、特許文献3参照)。この種の従来の電界放出型表示装置では、制御電極の開口部は上述のものと同様に円形に形成されている。そして、遮蔽電極の各電子通過孔は、その孔の開口範囲内に制御電極の対応する開口部の開口範囲の全体が、ちょうど重なる程度の大きさ(大き過ぎず小さ過ぎない大きさ)の例えば円形に形成されている(例えば、特許文献3の図4参照)。この構成では、各電子放射物質層から制御電極の対応する開口部および遮蔽電極の対応する電子通過孔を通過して対応する蛍光体へ流れる電子ビームの総量は、制御電極の対応する開口部の開口範囲と遮蔽電極の対応する電子通過孔の開口範囲との重なる範囲の大きさに比例する。
また、遮蔽電極(集束電極)として板状の部材を用いて、カソード基板と独立に形成することで工程を簡略化する方法をとることがある(例えば、特許文献4参照)。
また、従来の電界放出型表示装置では、制御電極および絶縁層を貫通する開口部は写真製版プロセスにより形成される。即ち、低解像度手段によって、一連の第1導電層、電界放出層、第2導電層を絶縁基板上に付着させることによって製造され、少なくとも1つのカソード電極を形成する。つぎに、低解像度手段によって、カソード電極上に一連の絶縁層および第3導電層を蒸着し、少なくとも1つのゲート電極を形成する。こうして形成した構造をフォトレジスト層でコーティングする。ついで、フォトレジスト層を高解像度手段によって露光し、少なくとも1つの放出セル・グループを形成し、カソード電極とゲート電極の間のオーバーラップ領域に設置する。セルを完成するために導電層、絶縁層を順次エッチングし、セルにおける電界放出層を露光させ、フォトレジスト層の残留領域を除去することで低コストの技術を用いて電界放出材料、装置を製造することができるとするものである(例えば、特許文献5参照)。
米国特許第3500102号明細書(図1−図4参照) 米国特許第4857799号明細書(図2、図3参照) 特開2002−324501号公報 特開平9−274845号公報 特表2001−521267号公報
この種の電界放出型表示装置においては、制御電極部の開口径と、制御電極とカソード電極との間の絶縁層厚さとは、電子放射物質層に作用する電界の一様性と、制御電極とカソード電極との間の耐電圧特性とにより決定される。一般に、絶縁層厚さと制御電極の開口径との比(アスペクト比)が1に近い状態にあれば、制御電極部の開口部の中央の電界と制御電極の開口部の周囲の電界との比が1となり、制御電極の開口内の電界分布が一様になると考えられている。従来の技術では、サブピクセルに相当する制御電極の開口は微細な径の孔が複数集団で配置される形で構成されてきた。
ところで、制御電極および制御電極とカソード電極との間の絶縁層に貫通される開口部がウェットエッチングプロセスで円形に形成される場合、制御電極の開口部の開口径を20μm程度より小さくすると、制御電極とカソード電極との間の絶縁層厚にも依存するが、開口部の形成の際にエッチング液の流れが制御電極とカソード電極との間の絶縁層に貫通される開口部の底まで行き渡り難くなる。その結果、開口部の形状にバラツキが発生し、一様な開口部の形成が困難になる。そのため、制御電極および制御電極とカソード電極との間の絶縁層に貫通される開口部の開口径を大きくせざるを得ず、その結果、開口部を稠密に形成できなくなり、電子ビームの総量が減少するという問題がある。
制御電極の開口部の開口径を20μmとすれば、先の考え方から電界分布の一様性を確保するためには、20μmの絶縁層厚が必要になる。しかし、絶縁層厚が20μmを超えると、膜応力が増大することから、絶縁層を形成することが困難になることに加え、開口形成が困難になることは言うまでもない。一方で制御電極部の開口部の開口径を大きくすると、絶縁層の膜厚にも依存するが、不均一な電界分布が開口部面内で発生する。この電界分布は、開口周囲の電界が最も大きく、開口中央で最も小さくなり、電子源の発光状態が開口周囲のみに限定された状態になる。
また、遮蔽電極を金属板からなる部材で構成することは、カソード基板形成プロセスを簡略化することが出来る利点を有する。簡略化とは、遮蔽電極側の形成プロセスとカソード源付基板の形成工程を分離させることができるということに他ならない。しかし、多数の孔構造を有する金属板を、カソード基板に対して高精度に位置決めしながら固定し、同時にカソード基板上のエミッタ構造に対する絶縁を確保することは容易ではない。例えば、遮蔽電極板に用いる金属板の材料は厚さが50〜300μm程度であるので、遮蔽電極板構造のハンドリングに伴う変形が生じやすい。また、カソード基板と遮蔽電極板を接着する工程も熱工程を用いることが多い。そのため、ガラスからなる基板と、金属製の遮蔽電極との膨張収縮特性の違いによる位置ずれや応力による変形などにも対処する必要がある。
この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、制御電極の開口部の加工安定性を確保して大面積化を実現できる電子放出型表示装置を得ることを目的とする。
また、遮蔽電極板の位置決め精度を高め、遮蔽電極板の電子通過孔と電子放射物質との位置関係を高精度に確保できる電子放出型表示装置の製造方法を得ることを目的とする。
この発明の電界放出型表示装置は、複数のカソード電極が互いに離間して第1方向に延設されたカソード基板と、前記カソード基板に対向して配設され、アノード電極および蛍光体が形成されたアノード基板と、前記カソード電極と離間して、かつ互いに離間して前記第1方向と直交する第2方向に延設され、前記カソード電極との交差部にサブピクセルを規定する開口部が形成された複数の制御電極と、前記サブピクセルに対応する上記カソード電極上の各部位に形成された電子放射物質層と、前記カソード電極と前記制御電極との間に介装されて両電極間の電気的絶縁性を確保するとともに、前記電子放射物質層を露呈させる開口が形成された第1絶縁層と、前記制御電極のアノード基板側に配設され、前記電子放射物質層から前記制御電極の開口部を通過して前記蛍光体に向かう電子ビームを通過させる電子通過孔が形成された遮蔽電極板と、前記遮蔽電極板の制御電極側に配設されて該遮蔽電極と前記制御電極との間の電気的絶縁性を確保するとともに、前記制御電極の開口部を露呈させる開口が形成された第2絶縁層と、を備えている。そして、前記サブピクセルを規定する前記制御電極の開口部は、前記第1方向および第2方向と平行な断面形状が連続した直線および曲線から選択される線分からなる閉ループに形成された単一の孔であり、かつ、前記第1絶縁層の深さを前記制御電極の開口部の孔寸法で割った数値が1より小さい。
この発明によれば、制御電極の開口部が単一の孔で形成されているので、開口面積を大きくでき、電子放出領域が拡大される。また、第1絶縁層の深さを開口部の孔寸法で割った数値、即ちアスペクト比が1より小さいので、開口面積の大きな開口部を安定して形成することができる。
実施の形態1.
図1および図2はそれぞれこの発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置の構成を示す要部断面図であり、図1はカソード電極の延設方向に平行な断面を示し、図2は制御電極の延設方向に平行な断面を示している。図3はこの発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置におけるエミッタ構造を説明する図、図4はこの発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置における遮蔽電極の構成を説明する図、図5はこの発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極と制御電極との配置関係および開口部の形状を説明する上面図、図6はこの発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置における遮蔽電極と制御電極との関係を説明する上面図、図7はこの発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極構成を示す上面図、図8はこの発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置におけるエミッタガイド絶縁層を示す上面図、図9はこの発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置における制御電極形成後の状態をアノード基板側から見た上面図、図10はこの発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置における遮蔽基板固定後の状態をアノード基板側から見た上面図である。なお、図5、図7ではエミッタガイド絶縁層が省略されている。また、図4では遮蔽電極絶縁層17が省略されている。
図1および図2において、電界放出型表示装置は、カソード基板10上に構成されたエミッタ部と、アノード基板20上に構成された発光体部と、エミッタ部から放射される電子30(電子ビーム)を収束させる遮蔽電極部と、を備えている。そして、カソード基板10とアノード基板20とがエミッタ部と発光体部とを相対するように配置され、遮蔽電極部がエミッタ部と発光体部との間に配置されている。
エミッタ部は、カソード電極11、エミッタ層である電子放射物質層15、制御電極16などから構成されている。カソード基板10は、絶縁薄膜12をガラス基板1の一側表面の全面に被覆して形成されている。そして、複数の直線状のカソード電極11が、互いに離間して平行に所定ピッチでカソード基板10の一側表面に第1方向に延びるように形成されている。エミッタガイド絶縁層13は、図8に示されるように、サブピクセルに対応する略長方形の開口131が格子状に形成されている。そして、エミッタガイド絶縁層13が、開口131をカソード電極11上に位置させるように、カソード基板10上に配設されている。そして、電子放射物質層15がカソード電極11の各開口131からの露出面に形成されている。ここで、各カソード電極11の両端部は、図6に示されるように、電子放射物質層15が存在する表示(画素)領域301に超えて、カソード基板10の両端部の近傍まで引き回されている。
また、複数の直線状の制御電極16が、互いに離間して平行に所定ピッチで第1方向と直交する第2方向に延びるように、第1絶縁層としての絶縁体層14を介在させてカソード基板10上に形成されている。そして、図3に示されるように、制御電極16のカソード電極11との交差部にサブピクセルを規定する開口部161が形成されている。また、開口部161の下部の絶縁体層14を取り除いて開口が形成され、電子放射物質層15が露呈されている。
開口部161は、制御電極16の各ラインに、その延設方向(第2方向)に所定ピッチで多数形成されている。そして、開口部161は、図5に示されるように、制御電極16の延設方向を長辺とする略長方形の主開口がカソード電極11の延設方向(第1方向)に等ピッチで複数配置され、カソード電極11の延設方向を長辺とする1つの従開口が複数の主開口の長手方向の中央を連結するように配置されて、形成されている。
ここで、従来技術では、サブピクセルに相当する制御電極の開口部は、微細な円形又は長方形の開口の集団で構成されていた。そして、微細な円形の開口を複数形成することは、先述の通りの問題点があり、大面積で、加工性および形状の安定性を両立させるには、開口形状を長方形形状とすることが望ましい。しかし、開口部の開口寸法と制御電極の幅とから、長方形の開口を微細な円形の開口並に配置するには限界がある。このような状況を鑑み、本発明では、長方形の主開口を短辺方向に一定のピッチで配置し、主開口間のスペースに従開口を追加することで、全体の開口面積を増やすことをねらったものである。
なお、開口面積の拡大方法としては、従開口の数を増やすことが考えられるが、無造作に従開口の数を増やすことは、制御電極の開口部の形状破壊につながるため、適切ではない。このことから、主開口と従開口との配置は、具体的構成で後述するように、開口部の形状破壊が発生しない一定の規則を設けている。
遮蔽電極部は、カソード電極11上の制御電極16とアノード基板20上の発光体部との間に配置され、電子放射物質層15から開口部161を通過して発光体部へ放射される電子30が通過する電子通過孔181が穿設された遮蔽電極板18と、遮蔽電極板18と制御電極16との間の電気的絶縁を保つために形成された第2絶縁層としての遮蔽電極絶縁層17と、を備えている。電子通過孔181は、図4に示されるように、各サブピクセルに相当する位置に形成された開口部161をそれぞれ内包するように形成されている。また、遮蔽電極絶縁層17は、遮蔽電極板18の一面側に一体に形成されている。そして、遮蔽電極板18は、遮蔽電極絶縁層17を接着剤(図示せず)を介してカソード基板10に固定されている。また、遮蔽電極板18は、図6に示されるように、平面視上、画素領域301を含む制御電極16の形成領域を完全に内包するように配置されている。
ここで、図1では、遮蔽電極絶縁層17と制御電極16との間に隙間が形成されているが、遮蔽電極板18と制御電極16との間の電気的絶縁は遮蔽電極絶縁層17により確保されているので、遮蔽電極絶縁層17を制御電極16に接するようにしてもよい。
また、電子通過孔181の一面側(エミッタ部側)の開口角部は、面取りされてアールが付いた形状となっており、遮蔽電極板18の一面側が露出することなく遮蔽電極絶縁層17に覆われる。つまり、電子通過孔181の一面側の開口角部が直角に近い形状であると、遮蔽電極板18の電子通過孔181の一面側の開口角度の一部で、遮蔽電極絶縁層17の厚みが局所的に薄くなる。この遮蔽電極絶縁層17の局所的な薄厚部は制御電極16と遮蔽電極板18との間の絶縁破壊の起点になるため好ましくない。そこで、電子通過孔181の一面側の開口角部は、直角より緩やかな鈍角の形状に加工されていることが望ましい。
発光体部は、電子放射物質層15の前方に配置された透明性のアノード基板20と、アノード基板20の反表示面側の表面に形成されたブラックマトリクス21および蛍光体22と、ブラックマトリクス21および蛍光体22を覆うようにアノード基板20上に形成されたアルミニウムなどのアノード電極としての金属膜23と、を備える。なお、透明性のアノード電極を、アノード基板20の表示面上に配置してもよい。
そして、アノード基板20は、金属膜23を電子放射物質層15側にむけてカソード基板10に対向して配設され、気密に封止される。また、カソード基板10とアノード基板20との間は真空排気され、例えば圧力が1×10−4Paより低い真空に維持される。さらに、長時間の動作安定性を確保するために、ゲッターが内部に配設されてもよい。
つぎに、このように構成された電界放出型表示装置の動作について説明する。
まず、制御電極16を走査線として、選択時に電位を下げる。そして、カソード電極11をデータ線として、選択された制御電極16に対して正の電圧を印加すれば、電子30がトンネル効果により電子放射物質層15から引き出される。また、カソード電極11の電位を電子放出に必要な電位以下にすれば、電子放射物質層15からの電子30の放出はない。
引き出された電子30は、必ずしも、カソード電極11の表面に対して垂直な方向に直進するものだけではなく、放射方向の広がりがある。そこで、電子30は、遮蔽電極板18の電子通過孔181を通過することで、その軌道をやや修正され、アノード基板20の方向に直進する。この時、金属膜23には正の高電圧が印加されており、電子30は加速されて蛍光体22に衝突する。これにより、蛍光体22が励起発光する。そして、蛍光体22からカソード基板10側に向かう発光は金属膜23によりアノード基板20(表示面)側に反射される。
なお、遮蔽電極板18は、金属膜23にかかる高電圧によるプラスイオンの衝突や真空放電から電子放射物質層15などのエミッタ部を保護する機能も有する。また、制御電極16は、電子放射物質層15から電子30を引き出すための引出電極(ゲート電極)として機能する。
つぎに、電界放出型表示装置の構成について具体的に説明する。
まず、絶縁薄膜12は、例えばSiOなどの絶縁材料をガラス基板1の一側表面の全面に、例えばスパッタ成膜して形成される。そして、カソード電極11は、カソード電極材料を絶縁薄膜12上にスパッタ成膜し、写真製版工程およびエッチング工程を経て、所定の電極パターンに形成される。この電極パターンは、第1方向に延びる直線状の帯状パターンが所定ピッチで互いに離間して平行に配列されたものである。
ここで、ガラス基板1上に絶縁薄膜12を形成する目的は、カソード電極材料のガラス基板1との密着性向上、並びにカソード電極11のパターニング時の断線欠陥抑制のためである。カソード電極材料としては、Ag,Cr,Al,Al−Ndなどの金属膜やITO,ZnO,SnOなどの酸化物導電性膜が用いられ、密着性や焼成に対する耐久性を得るために、それらの材料を適宜組み合わせて多層化する。特に、電子放射物質層15にカーボンナノチューブ(CNT)やカーボンナノファイバー、カーボンナノウォール、グラファイトナノファイバー(GNF)など、微細繊維構造を有するカーボン材料を用いる場合は、電気抵抗や密着性、耐熱性の観点から低抵抗材料の金属膜の上に酸化物導電性膜を形成することが好ましい。さらに、カソード基板形成工程における耐熱プロセス構造の観点から、カーボン材料の直下のカソード電極材料は、酸化物導電性膜のみで構成されることがより好ましい。ここでは、カソード電極11は、金属膜を下層とし、酸化物導電性膜を上層とする2層積層構造に構成され、同一マスクでパターニングされている。つまり、カソード電極11を構成する下層の金属膜と上層の酸化物導電性膜とは、図7に示されるように、同一形状にパターニングされている。
このカソード電極構造は、電子放射物質層15の直下に酸化物導電性膜があるので、電子放射物質層15の耐熱性は電子放射物質層15が金属膜上に直接形成されている場合よりも改善される。これらの金属膜および酸化物導電性膜はスパッタで成膜された薄膜であることが一般的であるが、微粒子をペースト化してスクリーン印刷などの方法で形成したものでも良い。いずれも形成後、フォトレジストを用いて露光、現像後に不要部分を化学エッチングによって除去することで配線パターンが形成される。
具体的には、カソード電極11は、SiOをガラス基板1の全面に20〜100nmの厚さに成膜して絶縁薄膜12を形成し、ついで、Crを絶縁薄膜12上の全面に10〜100nmの厚さに成膜し、さらにITOをCr膜上の全面に100〜200nmの厚さに成膜し、その後同一マスクでCr膜とITO膜とをエッチングして形成される。
なお、カソード電極11の厚みは、カソード上の絶縁層の凹凸を考慮して、1〜2μmを上限とすべきである。このため、エミッタ部をカソード電極形成後かつ制御電極形成前の過程で形成する場合には、カソード電極形成後に、絶縁材料をウェットエッチングし、開口131が格子状に形成されたエミッタガイド絶縁層13を予め作製し、それらの開口131にエミッタ材料を充填する形成方法が好ましい。エミッタガイド絶縁層13を形成する材料は、フィルム状のガラスなどの絶縁材料をラミネート(貼付け)した後、焼成することで形成される絶縁層が好ましい。印刷・焼成を経て形成された絶縁層はスクリーン版のメッシュ痕が焼成後に、一定の振幅を持った膜の表面ウネリとして残存し、その上に構造体を形成する際に表面ウネリが密着性を損ねる要因となる。表面ウネリはゼロに近いことが理想であるが、許容範囲として0.1μmより小さい状態であれば密着性を損ねる結果は認められていない。つまり、表面うねりが0.1μmより小さいならば、印刷・焼成を経て形成された絶縁層でエミッタガイド絶縁層を構成してもよい。
エミッタ材料の充填方法は、スクリーン版を使った印刷法が好ましい。そして、エミッタ材料充填後にエミッタ材料をカソード電極11表面に固着させるために400℃から500℃の温度範囲での焼成工程を経るが、この工程でのエミッタ材料の膜減りを考慮して、エミッタガイド絶縁層13の深さは設定されている。エミッタガイド絶縁層13に形成される開口131は、図8に示すようにサブピクセルに相当する位置に略長方形で形成されている。
カソード電極11の幅は表示画素サイズに応じたものになるが、単板のディスプレイ装置として用いる場合、30〜300μmの範囲が実用上適当であり、隣接するカソード電極11間の距離も静電容量やマイグレーションの観点から、幅と同程度、好ましくは100μm以上が適当である。
制御電極16とカソード電極11間の絶縁体層14は、シリコンラダーポリマーと呼ばれる、(-Si-O-Si-)からなるシロキ酸結合を主骨格とした無機ポリマーを用いることが適当である。同無機ポリマーは、エミッタ材料をカソード電極11の表面に固着後に成膜形成される。さらに、導電性材料が無機ポリマー上に成膜される。そして、導電性材料と無機ポリマーとが同じパターンでエッチングされる。即ち、導電性材料膜が写真製版・エッチングされて帯状の電極パターンの制御電極16を得る。この時、開口部161も同時に形成される。ついで、開口部161を有する制御電極16をマスクとして、無機ポリマーからなる絶縁体層14がドライエッチングされる。そこで、開口部161の下部の絶縁体層14が除去され、電子放射物質層15が露出する。同時に、隣り合う制御電極16間の絶縁体層14は除去され、即ち絶縁体層14は制御電極16と同じパターンとなり、隣り合う制御電極16間には、図9に示すようにエミッタガイド絶縁層13の表面が露出した状態になる。
この工程の後、電子放射物質層15を起毛させる表面処理が行われる。電子放射物質層15を起毛させる表面処理として、粘着性テープを貼りつけて引き剥がす方法がある。この方法の場合、制御電極16の開口部161が大きい程、テープの剛性の観点から効果的に電子放射物質層15を起毛させることができる。この観点から、制御電極16の開口部161を単一の孔としてその開口寸法を比較的大きく形成することは利点を有する。
この工程の後、遮蔽電極絶縁層17の電子放射物質層15側の表面に接着層を形成してアライメント後、350〜450℃の温度で過熱することで接着固定し、図10に示されるように、カソード基板10と遮蔽電極板18とを一体化させる。
制御電極16とカソード電極11間の絶縁体層14の厚さは、電子放射物質層15の厚み(高さ)と開口部161の開口寸法によるが、電子放射物質層15より高い厚みで、5〜15μmの範囲が適当である。制御電極16の開口部161のスリット幅(長方形の短辺長さ)は、数μmから100μm程度が可能であるが、ここでは20μmとした。この構成は、0.25〜0.75のアスペクト比に相当する。また、主開口と従開口とからなる開口部161は、カソード電極11の幅方向中心に対して対称な形状に形成されることが望ましい。
開口部161の主開口と従開口の構成では、カソード電極11と制御電極16間の絶縁体層14の厚さにも依存するが、絶縁体層14のサイドエッチングによる開口崩れの無いパターンルールを考え、主開口スリット幅と従開口スリット幅は等しくとり、隣接する主開口のスペース部は、主開口幅1に対してスペース部2の比率で配置することが適当である。主開口の制御電極16のラインに平行な長さ(長方形の長辺長さ)は、制御電極材料の写真製版時の露光アライメント精度を考慮してカソード電極幅に対して5〜10μm程度小さい長さが好ましい。但し、カソード電極11の線幅が小さく配置される場合は、その寸法に応じて主開口の制御電極16のラインに平行な長さは、小さく設計されることは言うまでもない。変形例として、主開口の制御電極16のラインに平行な長さが、従開口の制御電極16のライン方向の寸法に等しくなる場合も、本構造の範疇に属する。制御電極材料としてはAl膜やAl−Si膜が適当であるが、その他の金属材料でも構わない。制御電極材料としてAl膜を用いる場合、膜厚は0.5〜1.0μmが適当である。
遮蔽電極板材料としては、低膨張ニッケル合金が適当であり、例えばNi48−Feを主成分とした金属板が望ましい。厚さは加工性と機械的強度を考慮して50〜300μmが適当であるが、実用的には100〜200μmが妥当である。
制御電極16と遮蔽電極板18との間の遮蔽電極絶縁層17は、前述の絶縁体層14に類似しており、シリコンラダーポリマーと呼ばれる無機ポリマーを用いることが適当である。その形成方法は、遮蔽電極板18のカソード基板側の面を、無機ポリマーを一定の深さ溜めた槽に接触させることで転写形成する。形成時の遮蔽電極板18の支持は、その外周部に限定される。これは、遮蔽電極板18のアノード基板20側の面は、遮蔽電極板18に形成された電子通過孔181が目詰まりしないように、ディッピング時にエアーが抜けるようなフリーな状態で形成される必要があるためである。形成方法上、遮蔽電極板18の周囲182に突起部があると、突起部の近傍の絶縁層厚さが変動する問題を生じるため、突起部を持たない周囲形状、例えば4隅をR面取りした長方形型が好ましい。
また、転写工程時に遮蔽電極板18の外周部が支持されるため、転写時に遮蔽電極絶縁層17が形成されない領域が遮蔽電極板18の外周部(支持部)に発生する。遮蔽電極板18の領域を開口部161の存在する制御電極16の存在範囲を超えて広くすることで、遮蔽電極板18の露出部は制御電極16から空間的に離れる。そこで、遮蔽電極板18の露出部の存在が表示時に問題になることはない。
遮蔽電極絶縁層17の形成方法としては、無機ポリマーを溜めた槽にディッピングする方法の他に、低融点ガラス粉末にセラミック微粒子のフィラーと溶剤、バインダー樹脂などを混合したガラスペーストを用いる方法や、薄膜形成法によって絶縁材料を成膜する方法もある。制御電極16と遮蔽電極絶縁層17の表面との接着についても、同様にガラスペーストを用いることが出来るが、ポリイミドや100〜120℃の温度範囲に融点をもつ無機ポリマーを用いても良い。
アノード基板20上のブラックマトリクス21は、表示装置のコントラストを改善し、サブピクセルの輪郭を明確にする機能と、導電性により電子ビームによるチャージアップを防止する機能を備えるものであり、通常グラファイトが用いられる。ブラックマトリクス21は、厚さ1〜2μmの一様なグラファイト層を露光、現像により形成される。蛍光体22は5〜15kVの電子30により三原色の赤、青、緑に発光するものが塗り分けられる。赤色蛍光体としてはYS:Eu、緑色蛍光体としてはZnS:Au,Cu,AlないしはZnS:Cu,Al、青色蛍光体としてはZnS:AgあるいはZnS:Ag,Clが適当であり、蛍光体22の厚さは粒径にも依存するがそれぞれ4〜8μmが適当である。さらに金属膜23はAlなどの膜を真空蒸着して形成される。金属膜23としてのAl膜の厚さは50〜150nmが適当である。
動作電圧は、走査線選択時の制御電極16の電圧を0Vとすると、カソード電極11には発光時に30〜150kV程度のデータパルスが印加される。この電圧値は、エミッタ材料の電子放出特性と、電子放射物質層15と制御電極16との距離に依存する。遮蔽電極板18は例えば−250V〜250Vの範囲で、電子30が集束される最適値を選択すれば良い。蛍光体22上の金属膜23には5〜15kVの高電圧が印加される。
この実施の形態1によれば、絶縁薄膜12がガラス基板1の全面に被覆されているので、ガラス基板1の表面のキズの凹凸が絶縁薄膜12により平滑化される。そこで、ガラス基板1の表面のキズの凹凸が原因で発生するカソード電極11の断線欠陥耐性が向上される。また、カソード電極11としてガラス基板1との密着性の劣る金属膜を用いても、絶縁薄膜12が密着改善層の役割を担うことができるので、カソード電極11を強固にガラス基板1上に形成できる。
また、カソード電極11が、酸化物導電性膜より低抵抗の導電性膜である金属膜を下層として、酸化物導電性膜を上層として積層して構成されているので、金属膜により配線の低抵抗化が図られるとともに、酸化物導電性膜によりカソード基板形成プロセスでの電子放射物質層15の受ける熱的な損傷が抑制される。
また、カソード電極11の始端部および終端部が、電子放射物質層15が存在する画素存在領域に止まらず、カソード基板10の両端部に略等しい位置まで引き回されているので、電極パターンのオープン・ショート検査に、一定の配線数の規則(ピッチ、配線幅)での検査針をインデックス送りする検査方式が適用可能となる。そこで、カソード電極11のオープン・ショート検査を簡易に行うことができる。
また、制御電極16の開口部161は、長軸を制御電極16のライン方向に平行な主開口と、長軸をカソード電極11のライン方向に平行な従開口との組合せで形成されている。このような構造にすることにより、主開口のみで開口寸法が大きくなった場合に発生する電界分布の存在で、発光状態が開口周囲のみに限定される場合に、従開口の追加によって、開口部161の線積(開口周囲長さ)が増加され、発光領域を増やす効果が期待できる。
また、サブピクセルに相当する開口部161が単一の孔で構成されているので、サブピクセルに相当する開口部を微細な孔の集団で構成する従来技術に場合に比べ、孔の面積を大きくできる。そして、アスペクト比が1より小さくので、大面積の開口部161の加工安定性を確保することができる。
また、遮蔽電極板18の電子通過孔181のカソード基板側の開口角部が面取りされてR形状に形成されているので、遮蔽電極絶縁層17は電子通過孔181の開口角部で薄くなることなく被覆形成される。そこで、遮蔽電極絶縁層17の厚さが電子通過孔181の近傍で薄くなることが回避され、遮蔽電極板18と制御電極16との間の電気的絶縁が確保される。
また、遮蔽電極板18が制御電極16を完全に内包する(覆う)ように配置されているので、異常放電時の制御電極16の破損を回避することが出来る。
ここで、開口部161を構成する主開口および従開口の配置について説明する。
カソード電極11の電極幅Wcと制御電極16の電極幅Wgとを比較した場合、複数の主開口は電極幅の広い電極の延設方向と直交する方向に配列される。即ち、Wg>Wcであれば、主開口は、制御電極11の延設方向に平行な長辺と、カソード電極11の延設方向に平行な短辺とからなる略長方形に形成され、制御電極11の幅方向に複数配列される。そして、カソード電極11の延設方向を長辺とする略長方形の従開口が、制御電極11の幅方向に複数配列された複数の主開口を連結するように形成され、サブピクセルに相当する1つの開口部161を構成している。
主開口の個数は、両電極の内の広い方の電極幅と、カソード電極11と制御電極16との間の絶縁層の厚さとによって決まる。具体的には、カソード電極11の電極幅を100μm、制御電極16の電極幅を500μm、カソード電極11と制御電極16との間の絶縁層の厚さを10μmとした場合、主開口部は、制御電極16の電極幅方向に、20〜30μmの開口幅(短辺長さ)で、15μmの間隔(=絶縁層の厚さ×1.5)をもって形成される。そして、これらの複数の主開口は、カソード電極11の延設方向を長辺とする細長の従開口により連結される。この時、従開口の短辺方向の中心線をカソード電極11の電極幅方向の中心線に合わせるように従開口を形成することが好ましい。
そして、遮蔽電極板18の電子通過孔181とのアライメント性(電子ビームのフォーカス)を考慮すれば、サブピクセルに相当する開口部161は、カソード電極11の電極幅の中心線に対して対称な開口形状であることが好ましい。従って、閉ループの開口形状であっても、くの字形やE形の開口形状は好ましくはない。
実施の形態2.
図11はこの発明の実施の形態2に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極と制御電極との配置関係および開口部の形状を説明する上面図、図12はこの発明の実施の形態2に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極構成を示す上面図である。
この実施の形態2では、図11に示されるように、開口部161aは、長軸をカソード電極11aの延設方向とし、短軸を制御電極16aの延設方向とする略長方形の開口形状を有し、カソード電極11aの幅方向中心に対して対称となるように、制御電極16aのサブピクセルに対応する位置に穿設されている。そして、カソード電極11aと制御電極16aとの間の絶縁体層14の厚みを10〜15μmとし、開口部161aの長軸寸法を300μmとし、短軸寸法を30μmとしている。この構成は、0.3〜0.5のアスペクト比に相当する。また、制御電極16aの電極幅は500μmとし、配列ピッチを600μmとしている。
また、図12に示されるように、カソード電極11aは、矩形状の低抵抗の金属膜25を、ガラス基板1上の絶縁薄膜12上の隣接する制御電極16a間のスペース部に相当する位置にタイル状に形成し、矩形状の高抵抗の酸化物導電性膜26を、隣り合う金属膜25を連結するように形成して、帯状パターンに構成されている。そして、酸化物導電性膜26がサブピクセルに相当する位置に配設されている。また、カソード電極11aの引出部分は上記実施の形態1と同構成となっている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
この実施の形態2においても、開口部161aを略長方形の単一の孔に形成しているので、開口部161aは、開口面積の等しい正方形の開口に比べて線積を増加することができ、発光領域を増すことができる。また、アスペクト比が0.3〜0.5であるので、開口部161aの加工安定性を確保することができる。
また、電子放射物質層15の真下のカソード電極11aは、酸化物導電性膜26のみであるので、カソード基板形成プロセスでの電子放射物質層15の受ける熱的な損傷が一層抑制される。
実施の形態3.
図13はこの発明の実施の形態3に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極と制御電極との配置関係および開口部の形状を説明する上面図、図14はこの発明の実施の形態3に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極構成を示す上面図である。
この実施の形態3では、図13に示されるように、開口部161bは、長軸をカソード電極11aの延設方向とし、短軸を制御電極16bの延設方向とする略楕円形の開口形状を有し、カソード電極11bの幅方向中心に対して対称となるように、制御電極16bのサブピクセルに対応する位置に穿設されている。そして、カソード電極11bと制御電極16bとの間の絶縁体層14の厚みを10〜15μmとし、開口部161bの長軸寸法を300μmとし、短軸寸法を30μmとしている。この構成は、0.3〜0.5のアスペクト比に相当する。また、制御電極16bの電極幅は500μmとし、配列ピッチを600μmとしている。
また、図14に示されるように、カソード電極11bは、高抵抗の酸化物導電性膜26をガラス基板1上の絶縁薄膜12上に幅広の帯状パターンに形成し、低抵抗の金属膜25を酸化物導電性膜26の幅方向の一辺縁部にのせるように酸化物導電性膜26の長さ方向に幅細の帯状パターンに形成して、構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
この実施の形態3においても、開口部161bを略楕円形の単一の孔に形成しているので、開口部161bは、開口面積を等しい円形の開口に比べて線積を増加することができ、発光領域を増すことができる。また、アスペクト比が0.3〜0.5であるので、開口部161bの加工安定性を確保することができる。
また、電子放射物質層15の真下のカソード電極11bは、酸化物導電性膜26のみであるので、上記実施の形態2と同様に、カソード基板形成プロセスでの電子放射物質層15の受ける熱的な損傷が一層抑制される。
実施の形態4.
図15はこの発明の実施の形態4に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極構成を示す上面図である。
この実施の形態4では、図15に示されるように、カソード電極11cは、矩形状の高低抵抗の酸化物導電性膜26を、ガラス基板1上の絶縁薄膜12上のサブピクセルに相当する位置にタイル状に形成し、低抵抗の金属膜25を各酸化物導電性膜26の電子放射物質層15の形成領域を避けて外周縁部にのせるように幅細の帯状パターンに形成して、構成されている。
なお、他の構成は、上記実施の形態2と同様に構成されている。
この実施の形態4においても、電子放射物質層15の真下のカソード電極11cは、酸化物導電性膜26のみであるので、上記実施の形態2と同様の効果を奏する。
実施の形態5.
図16および図17はそれぞれこの発明の実施の形態5に係る電界放出型表示装置の構成を示す要部断面図であり、図16はカソード電極の延設方向に平行な断面を示し、図17は制御電極の延設方向に平行な断面を示している。
図16および図17において、第2絶縁層としての薄膜絶縁層27が遮蔽電極板18のカソード基板側表面に形成されている。そして、遮蔽電極板固着用の台座28が、各隣り合う制御電極16間に、制御電極16の延設方向にライン状に形成されている。さらに、遮蔽電極板18が薄膜絶縁層27の表面を接着層29を介して台座28に接着固定されている。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
薄膜絶縁層27は、遮蔽電極板18のカソード基板側表面に、絶縁材料、例えばSiOをスパッタ成膜して形成される。
台座28は、絶縁材料を使ってディスペンス法によって、隣接する制御電極16ライン間を埋めるようにライン状に形成される。この場合、カソード電極11と制御電極16との間の絶縁体層14の厚さと制御電極16の厚さの和に加え、遮蔽電極板18と制御電極16との間の絶縁耐圧を満たす形で、台座28の高さが設定される。必要とされる絶縁耐圧は、使用される絶縁材料の耐電圧特性にも依存するが、シリコンラダーポリマーと呼ばれる、(−Si−O−Si−)からなるシロキ酸結合を主骨格とした無機ポリマーの場合、5〜10μmの厚さでkVオーダーの絶縁耐圧を確保できる。接着層29としては、ポリイミドや100〜120℃の温度範囲に融点をもつ無機ポリマーを用いても良い。
この実施の形態5では、遮蔽電極板18のカソード基板側の表面の薄膜絶縁層27の厚を1〜2μmとし、遮蔽電極板18自体の変形(反り)を少なくしている。そして、遮蔽電極板18を各隣り合う制御電極16間に制御電極16の延設方向にライン状に形成されている台座28に支持固定している。そこで、遮蔽電極板18と制御電極16との間の間隔を一様に確保することができる。
なお、薄膜絶縁層27は材料にも依るが、SiOを絶縁材料とした場合、遮蔽電極板18の厚さ50〜300μmに対してSiO膜厚が5μmを超えると膜応力の影響で遮蔽電極板18に反りが発生した。そこで、薄膜絶縁層27の膜厚は、膜応力による変形の無い状態の膜厚で形成可能な範囲として1〜2μmの範囲に設定している。
実施の形態6.
図18および図19はそれぞれこの発明の実施の形態6に係る電界放出型表示装置の構成を示す要部断面図であり、図18はカソード電極の延設方向に平行な断面を示し、図19は制御電極の延設方向に平行な断面を示している。
この実施の形態6では、遮蔽電極板18をカソード基板10と一体化して形成されている。この実施の形態6では、製造方法に特徴があるので、同方法に限定して以下に説明する。
まず、絶縁薄膜12がガラス基板1の一側表面の全面に被覆されてカソード基板10が形成される。ついで、複数の直線状(帯状パターン)のカソード電極11がカソード基板10上に形成される。そして、エミッタガイド絶縁層13がカソード基板10上に形成され、電子放射物質層15がエミッタガイド絶縁層13の開口131内に形成される。ついで、絶縁体層14がカソード基板10の全面に形成され、さらに制御電極材料が絶縁体層14上の全面に形成される。そして、制御電極材料をパターニングして、開口部161を有する帯状パターンの制御電極16が形成される。ここまでは、上記実施の形態1と同様である。
ついで、遮蔽電極板18と制御電極16との間を絶縁する絶縁材料、即ち第2絶縁層としての絶縁層32が、制御電極16および露出する絶縁体層14上の全面に成膜される。そして、接着層33がその上層の全面に形成された後、電子通過孔181が形成された遮蔽電極板18がアライメント設置され、接着層33が加熱硬化され、遮蔽電極板18がカソード基板10に一体化される。ついで、遮蔽電極板18をマスクとしてドライエッチングが行われる。これにより、まず、電子通過孔181の下部の接着層33および絶縁層32が除去される。そして、接着層33および絶縁層32が除去されると、制御電極16とカソード電極11との間の絶縁体層14は、制御電極16の開口部161をマスクとしてドライエッチングされ、電子放射物質層15が露出される。
ここで、絶縁体層14および絶縁層32には、シリコンラダーポリマーと呼ばれる、(−Si−O−Si−)からなるシロキ酸結合を主骨格とした無機ポリマーを使用するのが適当である。また、遮蔽電極板18の材料には、ドライエッチング時に絶縁体層14および絶縁層32のエッチング速度に比較して充分に遮蔽電極用金属部に対するエッチングが進行しない金属材料が選択可能であるが、低膨張ニッケル合金が適当であり、例えばNi48−Feを主成分とした板状電極が望ましい。遮蔽電極板18と制御電極16上の絶縁層32とを接着する接着層33には、ポリイミドや100〜120℃の温度範囲に融点をもつ無機ポリマーを用いるのが好ましい。
この実施の形態6では、熱履歴の無い状態の遮蔽電極板18を直接、略平坦な下地層に貼り付け固定しているので、厚みの薄い遮蔽電極板18を高精度にアライメントすることができる。また、遮蔽電極板18を下地層に貼り付け固定した後に、絶縁体層14および絶縁層32に穿孔を形成しているので、絶縁体層14および絶縁層32の穿孔工程後に、遮蔽電極板18の位置ずれや変形を伴う熱処理がない。そこで、遮蔽電極板18の電子通過孔181と絶縁体層14および絶縁層32の穿孔との位置関係が高精度に確保される。そして、上記工程の後、エミッタ層を起毛させる表面処理を行なうことでカソード基板形成が完了する。制御電極16の開口部161の形状、並びにカソード電極11と電子放射物質層15の配置に関しては、上記実施の形態1と同じであるので、同様の効果が期待できる。
この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置の構成を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置の構成を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置におけるエミッタ構造を説明する図である。 この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置における遮蔽電極の構成を説明する図である。 この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極と制御電極との配置関係および開口部の形状を説明する上面図である。 この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置における遮蔽電極と制御電極との関係を説明する上面図である。 この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極構成を示す上面図である。 この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置におけるエミッタガイド絶縁層を示す上面図である。 この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置における制御電極形成後の状態をアノード基板側から見た上面図である。 この発明の実施の形態1に係る電界放出型表示装置における遮蔽基板固定後の状態をアノード基板側から見た上面図である。 この発明の実施の形態2に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極と制御電極との配置関係および開口部の形状を説明する上面図である。 この発明の実施の形態2に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極構成を示す上面図である。 この発明の実施の形態3に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極と制御電極との配置関係および開口部の形状を説明する上面図である。 この発明の実施の形態3に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極構成を示す上面図である。 この発明の実施の形態4に係る電界放出型表示装置におけるカソード電極構成を示す上面図である。 この発明の実施の形態5に係る電界放出型表示装置の構成を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態5に係る電界放出型表示装置の構成を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態6に係る電界放出型表示装置の構成を示す要部断面図である。 この発明の実施の形態6に係る電界放出型表示装置の構成を示す要部断面図である。
符号の説明
10 カソード基板、11、11a、11b、11c カソード電極、14 絶縁体層(第1絶縁層)、15 電子放射物質層、16、16a、16b 制御電極、17 遮蔽電極絶縁層(第2絶縁層)、18 遮蔽電極板、20 アノード基板、22 蛍光体、23 金属膜(アノード電極)、25 金属膜(導電性膜)、26 酸化物導電性膜、30 電子(電子ビーム)、32 絶縁層(第2絶縁層)、161、161a、161b 開口部、181 電子通過孔。

Claims (8)

  1. 複数のカソード電極が互いに離間して第1方向に延設されたカソード基板と、
    前記カソード基板に対向して配設され、アノード電極および蛍光体が形成されたアノード基板と、
    前記カソード電極と離間して、かつ互いに離間して前記第1方向と直交する第2方向に延設され、前記カソード電極との交差部にサブピクセルを規定する開口部が形成された複数の制御電極と、
    前記サブピクセルに対応する上記カソード電極上の各部位に形成された電子放射物質層と、
    前記カソード電極と前記制御電極との間に介装されて両電極間の電気的絶縁性を確保するとともに、前記電子放射物質層を露呈させる開口が形成された第1絶縁層と、
    前記制御電極のアノード基板側に配設され、前記電子放射物質層から前記制御電極の開口部を通過して前記蛍光体に向かう電子ビームを通過させる電子通過孔が形成された遮蔽電極板と、
    前記遮蔽電極板の制御電極側に配設されて該遮蔽電極と前記制御電極との間の電気的絶縁性を確保するとともに、前記制御電極の開口部を露呈させる開口が形成された第2絶縁層と、を備え、
    前記サブピクセルを規定する前記制御電極の開口部は、前記第1方向および第2方向と平行な断面形状が連続した直線および曲線から選択される線分からなる閉ループに形成された単一の孔であり、かつ、前記第1絶縁層の深さを前記制御電極の開口部の孔寸法で割った数値が1より小さいことを特徴とする電界放出型表示装置。
  2. 前記制御電極の開口部は、前記第1方向および第2方向と平行な断面形状が楕円形に形成されていることを特徴とする請求項1記載の電界放出型表示装置。
  3. 前記制御電極の開口部は、前記第1方向および第2方向と平行な断面形状が略長方形に形成されていることを特徴とする請求項1記載の電界放出型表示装置。
  4. 前記制御電極の開口部は、前記第1方向および第2方向と平行な断面形状が長軸を前記第2方向とする略長方形の主開口と長軸を前記第1方向とする略長方形の従開口とで構成されていることを特徴とする請求項1記載の電界放出型表示装置。
  5. 前記カソード電極は、酸化物電導性膜と、前記酸化物導電性膜に電気的に接続して形成された該酸化物導電性膜より低抵抗の導電性膜とで構成されており、前記電子放射物質層が前記酸化物導電性膜上に密接して形成されていることを特徴とする請求項1記載の電界放出型表示装置。
  6. 前記遮蔽電極板は、突起のない外周形状を有する金属板からなり、平面視上、前記制御電極の開口部形成領域を内包するように前記制御電極のアノード基板側に配設されており、前記電子通過孔は、前記金属板をエッチングして形成されたものであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の電界放出型表示装置。
  7. 前記遮蔽電極板の電子通過孔の制御電極側の開口角部が面取り加工されていることを特徴とする請求項6記載の電界放出型表示装置。
  8. 前記請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の電界放出型表示装置の製造方法であって、
    前記カソード基板上に前記複数のカソード電極を形成し、前記電子放射物質を前記カソード電極上に形成する工程と、
    前記第1絶縁層を前記電子放射物質および前記カソード電極を覆うように前記カソード基板上に形成する工程と、
    導電性材料を前記第1絶縁層を覆うように形成し、その後パターニングして前記開口部を有する前記制御電極を形成する工程と、
    前記制御電極を覆うように前記第2絶縁層を形成する工程と、
    前記電子通過孔が形成された前記遮蔽電極板を第2絶縁層上に配設する工程と、
    前記遮蔽電極板をマスクとして前記第2絶縁層および前記第1絶縁層をエッチングして前記電子放射物質層を露呈させる工程と、
    を備えることを特徴とする電界放出型表示装置の製造方法。
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