JP2008191316A - 平面型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カソード基板とアノード基板の温度差を低減して、スペーサ近傍の表示の乱れを抑制するようにした平面型表示装置を提供する。
【解決手段】電子放出素子よりなる電子源が形成されたカソード基板と、電子源から放出された電子を受けて発光する蛍光体が形成されたアノード基板とが、スペーサを間隔保持材として対向配置されている平面型表示装置において、カソード基板とアノード基板の温度を計測する温度計測部と、カソード基板のスペーサが設置されている位置の背面に設けた熱電素子と、熱電素子の出力を調整する電源部と、温度計測部で計測された２つの基板の温度をもとに電源部の出力を決定する制御部とを具備するカソード基板温度制御装置を備えた。カソード基板とアノード基板の温度差を低減できるので、これに起因する表示の乱れを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子放出素子よりなる電子源を有する画像表示装置に係り、特に電子源が形成されたカソード基板と蛍光体が形成されたアノード基板とが間隔をあけて配置され、基板間の間隔がスペーサによって保持されている平面型表示装置に関する。

近年、情報処理装置或いはテレビジョン放送の高画質化に伴い、高輝度、高精細の特性を有すると共に軽量、省スペース化が図れることから、平面型表示装置（ＦＰＤ：Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）への関心が高まっている。この平面型表示装置の代表的なものが液晶表示装置やプラズマ表示装置であり、また、最近注目されているフィールドエミッションディスプレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ、以下、ＦＥＤと称する）である。

ＦＥＤは冷陰極素子の電子放出素子をマトリクス状に配置した電子源を有する自発光型の表示装置である。電子放出素子としては、表面伝導型放出素子（ＳＥＤ型）、電界放出型素子（ＦＥ型）、金属／絶縁膜／金属型放出素子（ＭＩＭ型）などが知られている。

ＦＥＤでは、電子源が形成されたカソード基板と、電子源から放出された電子によって励起されて発光する蛍光体が形成されたアノード基板との間に空間を設けて、この空間を真空雰囲気に保つ必要がある。真空に保たれた空間部が大気圧に耐えられるようにするために、通常、２つの基板間には複数のスペーサが配置される。

ＦＥＤでは、画像表示の際に電子放出素子に電圧を印加して電流を流すことから、ジュール熱が発生する。また、蛍光体でも、電子源から放出された電子が衝突した際に熱が発生する。これらの発熱によりカソード基板やアノード基板の温度が上昇し、基板間の温度差あるいは基板の温度分布が生じる。この影響で、画像の輝度の均一性が低下し、また、スペーサの影が画像に映る等、表示の乱れが生じる。この対策として、スペーサを介した熱伝導による基板の温度分布を補償するための温度分布制御手段を備えることが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、２つの基板の温度差を検知し、温度差に応じて走査線信号を可変することが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−２５１７９０号公報（要約） 特開２００６−１０６１４４号公報（要約）

カソード基板には、電子源の駆動回路等が集中しており、アノード基板に比して高温となるので、両基板に接触するスペーサの温度がアノード側、カソード側で不均一となる。スペーサの抵抗は温度により変化するため、スペーサの抵抗値にばらつきが生じ、スペーサ周辺の電界が変化して電子線の軌道が湾曲することとなる。その結果、スペーサ近傍の画像が乱れるという問題があった。

特許文献１は、カソード基板の温度分布を均一にすることで画像の輝度の均一性を向上するものであり、特許文献２は基板の温度差に応じて走査線信号が可変することでスペーサ近傍の表示の乱れを低減するものである。しかしながら、これらの方法では上記の電界の変化を本質的に修正することは困難である。

本発明の目的は、カソード基板とアノード基板の温度差を低減して、スペーサ近傍の表示の乱れを抑制するようにした平面型表示装置を提供することにある。

本発明は、電子源を備えたカソード基板と、前記電子源から放出された電子を受けて発光する蛍光体を備えたアノード基板と、それらの基板間に配置され両基板の間隔を保持するスペーサを具備する平面型表示装置において、前記カソード基板と前記アノード基板の温度を計測する温度計測部と、前記カソード基板の前記スペーサが設置されている位置の背面に設けた熱電素子と、前記熱電素子の出力を調整する電源部と、前記温度計測部で計測された２つの基板の温度をもとに前記電源部の出力を決定する制御部とを具備するカソード基板温度制御装置を備えたことを特徴とする。

基板間の温度差を低減することができ、これに起因するスペーサ近傍の表示の乱れを抑制することができる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施例による平面型表示装置を示したものである。図２は、平面型表示装置の全体構成を示したものである。ただし、カソード基板温度制御装置に関係する部分は除いた。図２の（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における概略断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面の一部を拡大して示したものである。

平面型表示装置はカソード基板２１０とアノード基板２２０を有し、それらの基板の間隔が多数のスペーサ１００によって保持されている。カソード基板の内面側には信号線（データ線、カソード電極線）２１２と走査線（ゲート電極線）２１３が設けられており、この信号線と走査線の交差部近傍に、電子放出素子をマトリクス状に配置した電子源２１４が形成されている。

アノード基板２２０の内面側には、遮光膜（ブラックマトリクス）２２２と、アノード（メタルバック）２２３及び蛍光体層２２４等が設けられている。蛍光体層は電子の衝突で赤、青、緑に発光する画素を有し、それらの画素が遮光膜を介して配置されている。

カソード基板２１０とアノード基板２２０の内周縁部には封止枠（枠ガラス）２４０が設けられ、封着剤により接着され、封止接着層２４５が形成されている。これによって、カソード基板２１０とアノード基板２２０との間に空間部分が形成される。この空間部分は通常、１０^−５〜１０^−７Ｔｏｒｒの圧力の真空雰囲気に保持され、表示領域２５０となる。

カソード基板２１０に形成された走査線２１３とアノード基板２２０に形成された遮光膜（ブラックマトリクス）２２２との間には、ガラス材料で作られた多数のスペーサ１００が配置されており、これらのスペーサはフリットガラス等の導電性接着層１１５を介して基板に接着されている。カソード基板１０とアノード基板２２０の間隔は通常、３〜５ｍｍ程度に保たれる。

このように構成された平面型表示装置において、カソード基板２１０に形成された電子源２１４を構成する電子放出素子に電圧を印加して電流を流すと、電子源から放出された電子が電子源と蛍光体の間に印加された電圧により加速され、蛍光体層２２４に衝突する。この電子の衝突により蛍光体が励起されて発光し、画像が表示される。

本発明の表示装置には、図１に示すように、カソード基板とアノード基板の温度を計測する温度計測部１２０と、カソード基板の前記スペーサが設置されている位置の背面に設けた熱電素子１５０の出力を調整する電源部１３０と、前記温度計測部で計測された基板の温度をもとに前記電源部の印荷電圧など、出力を決定する制御部１４０を有するカソード基板温度制御装置が備えられている。

カソード基板には電子源が形成されており、このため、アノード基板に比べて温度が上昇し易い。また、基板の温度上昇は基板面内での発熱と、主にスペーサを経由して伝わる外部からの熱の流入によって生ずる。このことから、本発明では、カソード基板のスペーサ設置位置の背面側に熱電素子１５０を備える。

カソード基板とアノード基板の温度差はゼロであることが理想であるが、４℃以内であれば、表示の乱れは実質生じない。したがって、基板間の温度差が４℃以内になるように制御することが望ましく、また、４℃以内を実現するために、基板間の温度差を４℃以下に制御するシステムを内蔵する制御部を備えておくことが望ましい。

カソード基板とアノード基板の温度差を低減し、画像にスペーサの影が映る等のスペーサ近傍での表示の乱れを抑制するためには、熱電素子の構成と配置が極めて重要である。以下に、熱電素子の好適な構成と配線接続例に関して説明する。

図４はＰＮ接合型熱電素子の構成の一例である。Ｐ型素子１５１とＮ型素子１５２の材料には、ＢｉＴｅ系やＢｉＳｅ系の材料を用いることができる。これらの材料よりなる単結晶又は焼結体を作製し、半田を用いて電極１５３に接合する。焼結体は、粉末を融点以下の温度または部分溶融する程度の温度に加熱して作製した結合体である。また、単結晶は、粉末を融点以上に加熱して作製した、結晶軸のどの部分においても、その向きが同一である結晶質固体である。これらの焼結体又は単結晶には、半田ののりを良くするために、Ｎｉをベースとしたメッキを施すことが望ましい。電極１５３は放熱板又は吸熱板を兼ねる。図１のように電圧を印加し、電流を流すと、電極側が放熱面となり、その反対側が吸熱面となる。電圧の印加方向を逆にすれば、電極側を吸熱面にすることができる。カソード基板に素子をセットする場合、電極面を貼り付けても、その反対側の素子側の面を貼り付けても、どちらでもかまわない。

図５は、ＰＮ接合型熱電素子の他の構成例を示している。ＰＮ一体型の焼結体を作製し、ＰＮ接合部にダイサー等で切れ込みを入れ、端面にＮｉをベースとしたメッキを施し、半田を用いて電極１５３に接合することによって、図５に示す構造の熱電素子が得られる。

図６は、Ｐ型又はＮ型の厚膜熱電素子の一例を示したものである。カソード基板２１０にスパッタ、スクリーン印刷、メッキ等によって電極１５３ａ，１５３ｂを形成し、その上にＰ型又はＮ型材料をスクリーン印刷法で形成する。スクリーン印刷は、熱電材料粉末入りのスラリー又はペーストを印刷することによって行われる。カソード基板ごと電気炉に入れて、Ｐ型又はＮ型材料を焼成し、焼き固めてＰ型又はＮ型素子を作製する。その後、素子の上面に電極１５３を形成する。

図７〜１１は、熱電素子の配線接続の例を示している。

図７は、カソード基板に素子側の面を接続した場合である。（ａ）はカソード基板のスペーサ１１０が設置されている位置の背面に複数の熱電素子１５０を配置し、配線１６０で直列に接続したものを示している。（ｂ）はカソード基板２１０と熱電素子の断面図である。なお、配線１６０は熱拡散板の役目を担うので、材質は熱伝導率の良いＣｕが望ましい。

配線１６０をカソード基板２１０に直接形成することにより、熱抵抗を低減でき、素子による加熱または冷却のレスポンスを向上できる。配線形成方法にはスパッタ、スクリーン印刷或いはメッキを用いることができる。電極材料及び配線材料は電気を通すものならば何でも良い。カソード面の熱を均一化するために、カソード基板の表面またはスペーサ位置の部分のみに熱伝導率の良いものを形成した後に配線を形成しても良い。

図８は、カソード基板に熱電素子を、素子側の面がカソード基板側になるように接続した別の例を示している。図８の構造は、熱拡散経路を広げる場合に有効である。

図９は、カソード基板に熱電素子の電極面を接続した場合である。（ａ）はカソード基板のスペーサが設置されている位置の背面に配線１６０を形成して、その上に熱電素子を設けた例を示している。この構造の場合、カソード基板と熱電素子は、（ｂ）に示す構造或いは（ｃ）に示す構造のどちらでも良い。（ｂ）はカソード基板に配線を形成後、配線にＰ型またはＮ型素子を直接接合したものである。（ｃ）は放熱性を向上させるために、カソード基板２１０に電気絶縁性で熱伝導性のよい良熱伝導性膜１７０を形成し、その膜の上に配線１６０を形成し、配線の上に素子を配置し、さらに素子の上面に放熱板１８０を設けたものである。熱電導膜を形成することにより、素子ごとに吸熱させることができる領域が広くなり好ましい。良熱伝導性膜としてはフィラーを混合した樹脂（エポキシ樹脂、イミド樹脂等）の膜や、アルミナ、窒化アルミニウムまたはケイ素の酸化物、炭化物等の膜が挙げられる。また、カソード基板側に素子をはさんで配線を有する放熱板を設けるようにしても良く、放熱性が良くなる。このとき、カソード基板と放熱板の間で、素子を断熱材で被うと素子の側面から放熱されることがなくなり、一層、基板を冷却する効果が向上する。カソード基板と放熱板の間に断熱材を充填してもよい。断熱材は、ポリウレタンなどの発泡材が好ましい。また、素子の周りを真空条件とすることによっても同様の効果を得ることが可能である。

図１０は、Ｐ型又はＮ型圧膜素子を用いた場合の配線接続の例を示している。複数の素子は電極または配線で導通されている。（ａ）に示すようにカソード基板に配線１６０をスパッタ、スクリーン印刷、メッキ等で形成する。（ｂ）に示すようにＰ型又はＮ型素子の両面（吸熱側及び放熱側）に電極１５３ａ，１５３ｂを設ける。Ｎ型素子の場合には電極１５３ａがプラス、電極１５３ｂがマイナスとなるように電圧を印加する。Ｐ型素子の場合には電極１５３ａがマイナス、電極１５３ｂがプラスとなるように電圧を印加する。これにより、電極１５３ａ側を放熱面とし、電極１５３ｂ側を吸熱面とすることができる。

配線は直列接続又は並列接続のいずれでも良い。直列接続の例を図１１（ａ）に示し、並列接続の例を図１１（ｂ）に示す。

熱電素子の配置に関して検討を行った結果について説明する。

素子断面積を３００ｍｍ^２とし、電流３．５〜４．５Ａで使用するペルチェモジュールを６０％ぐらいの出力で使うものとして吸熱量と成績係数を概算すると、表１のとおりとなる。成績係数は、吸熱量／素子の消費電力である。

表１において、ΔＴは吸熱面と放熱面の温度差であり、例えば、ΔＴが２０℃の場合、所定温度から２０℃冷却することができることを表す。

表１のモジュール特性から、一例として３２インチサイズのパネルからの発熱量を吸熱するために必要な素子断面積を計算すると表２のとおりになる。

一番厳しい条件下での３２インチサイズの発熱量を試算すると約１７Ｗ、温度差は２７℃であり、表２の吸熱量が２０Ｗ、ΔＴが３０℃を実現する素子断面積が６３０ｍｍ^２あれば、パネルとして成立する。

この素子断面積６３０ｍｍ^２の素子をスペーサが配置されている箇所に振り分けて設置する。３２インチの場合、７５０ｍｍサイズのスペーサを２０本使用すると仮定すると、１本当たり３１．５ｍｍ^２づつ配置する。なお、一般に市販されている素子の最小サイズは１ｍｍ^２なので、スペーサ１本当たり３１〜３２個の素子を一様な間隔で配置することになる。

アノードからの輻射がスペーサに大きな影響を及ぼさないのであれば、スペーサからのジュール発熱だけを考慮すればよく、その場合の発熱量は上記の吸熱量の約半分となる。上記と同様の計算をすることにより、他のサイズのパネルにも対応可能となる。

次に、最適な熱電素子の量・配置について検討した。

図１２に発熱部であるスペーサ断面積と素子の断面積の総和との割合と、吸熱量の関係をシミュレーションした結果を示す。熱電素子の放熱能力は原則として素子断面積に比例する。しかしながら、素子を増加させることによりコストが増加する結果となる。接触部熱抵抗はカソード基板と素子の接触面から、素子と電極の接触面に熱流が通過する際に、スペーサからカソード板、配線（電極）、接着層（半田や接着剤等）、Ｐ／Ｎ型素子等で生じる熱抵抗の総和である。投入電力は１５Ｗとした。

素子の断面積を１／２０、１／１０、１／６、１／５として検討した。その結果、素子の断面積の割合が１／２０〜１／１０の間で吸熱量が特に増加し、１／６で最大となった。

素子の割合が１／５では、１／６よりも吸熱量が低下した。その理由は、素子面積を増やした結果、熱流速の増大により素子能力ほどは放熱をできなくなることが考えられる。したがって、面積割合が２０％以上の素子を使用する必要がある場合には、放熱フィンを使用する必要がある。

接触部熱抵抗の値が大きくなると吸熱量のピークは平坦になった。

従って、素子の断面積の総和は、コストの増加を抑えるためにはスペーサの断面積の総和の２０％以下とすることがよい。さらに、冷却効率を上げるためには、１０〜２０％とすることが好ましい。

図１３は、素子の断面積の総和をスペーサ接触面積の１／６とし、素子を分散配置した場合の素子の分割数と吸熱量との関係のシミュレーション結果を示す図である。例えば素子の分割数を１００とした場合は、１個の熱電素子の断面積を総断面積の１００分の１とし、それをスペーサの接触面を１００分割した各領域に配置して検討した。素子の配置する数が多くなると、固定に手間取ったり、配線が複雑となるものの、分散させることで温度が調整しやすく、素子の使用量を低減できる。

スペーサの接触面積を７５０ｍｍ×０．２ｍｍの１５０ｍｍ^２、素子の総断面積を２５ｍｍ^２とした場合であって、図１３（ａ）は投入電力を２Ｗとした場合を示し、図１３（ｂ）は１０Ｗとした場合を示す。

図１３より明らかな通り、素子を分割するほど吸熱量は増加する。素子を集中配置するよりも分散配置する方が性能的に有利であって、５０以上に分散させることによりほぼ吸熱量は飽和した。スペーサの断面積寸法を３０００ｍｍ×３０ｍｍまで変化させ、素子の総断面積の割合を２０％まで変化させて計算しても、５０個以下の分割数で性能が飽和した。

従って、熱電素子は、各スペーサに対応するカソード基板面に対し、５０以上の領域のそれぞれに配置されることが好ましい。

本発明の一実施例による表示装置の概略図である。 平面型表示装置の全体構造を示したものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。 平面型表示装置の一部分を詳細に示した断面図である。 スペーサの温度分布を示した図である。 ＰＮ接合型熱電素子の一例を示した概略図である。 ＰＮ接合型熱電素子の他の例を示した概略図である。 熱電素子をカソード基板に設置する場合の配線接続を示したものであり、（ａ）はカソード基板の背面における構成図、（ｂ）は断面図である。 熱電素子を設置する場合の他の配線接続例を示した図である。 熱電素子を設置する場合の別の配線接続例を示したものであり、（ａ）はカソード基板の背面から見た図、（ｂ）と（ｃ）は断面図である。 圧膜熱電素子をカソード基板に形成した例を示したものであり、（ａ）はカソード基板の背面から見た図、（ｂ）は断面図である。 熱電素子の接続例を示したものであり、（ａ）は直列接続の図、（ｂ）は並列接続の図である。 熱電素子の断面積とスペーサ接触面積の比と、熱電素子の吸熱量の関係を示す図である。 熱電素子を分散させて配置した場合の、分散数と熱電素子の吸熱量の関係を示す図である。

符号の説明

１００…スペーサ、１１５…導電性接着層、１２０…温度計測部、１３０…電源部、１４０…制御部、１５０…熱電素子、１５１…Ｐ型素子、１５２…Ｎ型素子、１５３…電極、１６０…配線パターン、１７０…良熱伝導性膜、１８０…放熱板、２１０…カソード基板、２１２…信号線、２１３…走査線、２１４…電子源、２２０…アノード基板、２２２…遮光膜（ブラックマトリクス）、２２３…アノード、２２４…蛍光体層、２４０…封止枠、２４５…封止接着層、２５０…表示領域。

Claims (10)

1. 電子源を備えたカソード基板と、前記電子源から放出された電子を受けて発光する蛍光体を備えたアノード基板と、それらの基板間に配置され両基板の間隔を保持するスペーサを具備する平面型表示装置において、前記カソード基板と前記アノード基板の温度を計測する温度計測部と、前記カソード基板の前記スペーサが設置されている位置の背面に設けた熱電素子と、前記熱電素子の出力を調整する電源部と、前記温度計測部で計測された２つの基板の温度をもとに前記電源部の出力を決定する制御部とを有するカソード基板温度制御装置を備えたことを特徴とする平面型表示装置。
2. 前記熱電素子がＰ型、Ｎ型、またはＰＮ接合型の熱電素子であることを特徴とする請求項１記載の平面型表示装置。
3. 前記熱電素子と前記カソード基板との間に前記熱電素子の配線パターンを有し、その配線パターンが前記カソード基板に形成されていることを特徴とする請求項１記載の平面型表示装置。
4. 前記配線パターンと前記カソード基板との間に更に良熱伝導性膜を有することを特徴とする請求項３記載の平面型表示装置。
5. 前記制御部に、前記アノード基板と前記カソード基板の温度差を４℃以下に制御するシステムが内蔵されていることを特徴とする請求項１記載の平面型表示装置。
6. 前記熱電素子が、Ｐ型の焼結体または単結晶と、Ｎ型の焼結体または単結晶を電極に接合してなるＰＮ接合型熱電素子よりなることを特徴とする請求項１記載の平面型表示装置。
7. 前記熱電素子が、Ｐ型またはＮ型の材料の両側に電極を形成したものであることを特徴とする請求項１記載の平面型表示装置。
8. 前記熱電素子が、前記カソード基板に電極を形成し、その上にＰ型又はＮ型材料をスクリーン印刷法で形成し、その上に電極を形成したものであることを特徴とする請求項７記載の平面型表示装置。
9. 前記カソード基板の前記スペーサが設置されている位置の背面に複数個の前記熱電素子を有し、それらが直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の平面型表示装置。
10. 請求項１に記載された平面型表示装置であって、
    前記熱電素子とカソ―ド基板との接触面積の総和は、前記スペーサと前記カソード基板の接触面積の総和の１０％以上２０％以下であり、一本のスペーサに対し、配置されている熱電素子が５０個以上であることを特徴とする平面型表示装置。

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