JP2008239430A - ガラスの接合方法、画像表示装置、および画像表示装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 クラックを発生させることなくガラスを良好に接合し得るガラスの接合方法を提供する。
【解決手段】 第１のガラス基材の表面に、アルミニウムおよびチタンの少なくとも一方からなるエネルギー吸収材により金属層を形成する工程と、前記金属層を介して前記第１のガラス基材の上に、第２のガラス基材を配置する工程と、前記金属層にレーザー光を照射して、前記第１ガラス基材と前記第２のガラス基材とを接合する工程とを具備することを特徴とする
【選択図】 なし

Description

本発明は、ガラスの接合方法、画像表示装置、および画像表示装置の製造方法に関する。

近年、次世代の軽量、薄型の平面型表示装置として、電子放出素子を多数配置し、蛍光面と対向配置させてなる表示装置の開発が進められている。電界放出型電子放出素子を用いた表示装置は、フィールドエミッションディスプレイ（以下、ＦＥＤと称する）、また、電子放出素子として表面伝導型電子放出素子を用いた表示装置は、表面伝導型電子放出ディスプレイ（以下、ＳＥＤと称する）と呼ばれている。

ＦＥＤは、所定の隙間を隔てて対向配置されたガラス製の前面基板および背面基板を有し、矩形枠状のガラス側壁を介して、これらの基板の周縁部同士を互いに接合することにより真空外囲器が構成される。こうした画像表示装置は、通常、背面基板と前面基板との間の接合面にレーザー光を照射して接合材を溶融させ、背面基板と前面基板とを接合面で接合することによって製造される。

ＹＡＧレーザー光を照射して２枚のガラス基板を接合するにあたって、金属からなるレーザー光吸収材を２枚のガラス基板の間に配置することにより、接着性を高める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで対象とされているのは、光通信用のマイクロガラス部品や半導体ラインで使用されるガラス部品の精密マイクロ接合である。通常の環境での使用が意図されており、常温常圧といった条件から外れることは考慮されていない。

ＦＥＤの基板としては高歪点ガラスが使用され、この高歪点ガラスでは、接合終了時の冷却過程において、ガラスの熱収縮の影響が顕著に現われる。このとき、接合界面においてクラックが発生することが知られている。しかも、ＦＥＤは、真空を保持することが要求されるため、従来の方法でガラスを接合したところで、十分な強度は得られない。

ＦＥＤの製造プロセスに適用できるガラスの接合方法が求められているものの、未だ得られていないのが現状である。
特開２００３−１７０２９０号公報

本発明は、クラックを発生させることなくガラスを良好に接合し得るガラスの接合方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかるガラスの接合方法は、第１のガラス基材の表面に、アルミニウムおよびチタンの少なくとも一方からなるエネルギー吸収材により金属層を形成する工程と、前記金属層を介して前記第１のガラス基材の上に、第２のガラス基材を配置する工程と、前記金属層にレーザー光を照射して加熱し、前記第１ガラス基材と前記第２のガラス基材とを接合する工程とを具備することを特徴とする。

本発明の一態様にかかる画像表示装置は、ガラス側壁を介して離間対向された背面ガラス基板および前面ガラス基板を含む外囲器と、前記外囲器内に設けられマトリックス状に形成された配線と、前記配線に接続された複数の表示素子と、前記ガラス側壁と前記背面ガラス基板との間に形成され、アルミニウムおよびチタンの少なくとも一方と、珪素及び３０原子％以上７０原子％以下の酸素とを含む金属酸化物接合層とを具備することを特徴とする。

本発明の一態様にかかる画像表示装置の製造方法は、ガラス側壁を介して離間対向された背面ガラス基板および前面ガラス基板を含む外囲器と、前記外囲器内に設けられマトリックス状に形成された配線と、前記配線に接続された複数の表示素子とを具備する画像表示装置の製造方法であって、前記ガラス側壁の表面に、アルミニウムおよびチタンの少なくとも一方からなるエネルギー吸収材により金属層を形成する工程と、前記金属層を介して前記ガラス側壁の上に、前記背面ガラス基板を配置する工程と、前記金属層にレーザー光を照射して加熱し、前記ガラス側壁と前記背面ガラス基板とを接合する工程ととを具備することを特徴とする。

本発明によれば、クラックを発生させることなくガラスを良好に接合し得るガラスの接合方法が提供される。

以下、本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施形態にかかるガラスの接合方法は、画像表示装置、特にＦＥＤの製造に好適に用いられる。まず、このＦＥＤの構造を、図面を参照して説明する。

図１は、ＦＥＤの一例の斜視図である。図示するように、矩形状のガラスからなる前面基板１１と背面基板１２とが、矩形枠状の側壁１３を介して配置されることによって、真空外囲器１０が構成される。前面基板１１と背面基板１２との間の間隙は、１．５〜３．０ｍｍ程度であり、２つの基板の周縁部同士が側壁１３により接合され、内部が真空状態に維持された偏平な矩形状の真空外囲器１０が構成される。背面基板１２上には、マトリックス状の配線２１が形成され、この配線は、電子放出素子（図示せず）に接続されている。

前面基板１１を取り除いた真空外囲器１０の内部の状態を、図２に示す。図示するように、背面基板１２および前面基板１１に加わる大気圧荷重を支えるため、複数の支持部材１４が設けられている。支持部材１４は、真空外囲器１０の長辺と平行な方向に延出し、短辺と平行な方向に沿って所定の間隔で配置されている。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ることもできる。

図２中、参照符号３３は接合層であり、これについては後述する。

図３には、図１に示したＦＥＤの断面図を示す。図示するように、前面基板１１の内面には、蛍光体スクリーン１６が形成され、さらにその上にアルミニウム層からなるメタルバック１７が設けられている。蛍光体スクリーン１６は、図４に示されるように、赤、緑、青の３色に発光する蛍光体層Ｒ、Ｇ、Ｂとマトリックス上の黒色吸収部２０とで形成されている。上述した支持部１４は、蛍光体層Ｒ，Ｇ，Ｂを覆うことなく黒色吸収部２０の上に配置される。

背面基板１２の内面には、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からなる絶縁膜２６が設けられる。絶縁膜２６の上には、モリブデンまたはニオブ等からなるゲート電極２８が形成されている。背面基板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。

電子放出素子２２は、マトリックス状の配線２１に接続されることにより、各画素毎に対応して複数列および複数行に配列され、表示素子として機能する。すなわち、電子放出素子２２は、電子ビームを放出して蛍光体スクリーン１６の蛍光体層Ｒ，Ｇ，Ｂを励起する。配線２１の端部は、背面基板１２の周縁部に引き出され、背面基板１２の周縁部においては配線２１上に絶縁層２３が形成される。さらに、絶縁層２３の上には、接合部４０が設けられている。

前面基板１１と側壁１３との間には、接合層３３が形成される。接合層３３は、側壁１３上に設けられた金属層３１、およびこの金属層と基板構成物質のガラスとの反応生成物からなる金属反応層３２を含む。背面基板１２と側壁１３との間にも、同様の接合層３３が形成される。こうした接合層３３と側壁１３とによって、前述の接合部４０が構成される。

このように構成されたＦＥＤにおいて、映像信号は、単純マトリックス方式に形成された電子放出素子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。

蛍光体スクリーン１６には高電圧が印加されるため、前面基板１１、背面基板１２、側壁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。なお、高歪点ガラスとは、線膨張係数（α）が５０〜１００（×１０^-7／Ｋ）の範囲内にあるガラス材料である。

上述したＦＥＤは、以下のような方法により製造することができる。

まず、前面基板１１となる板ガラスに、蛍光体スクリーン１６を形成する。具体的には、前面基板１１と同等の大きさの板ガラスを準備し、この板ガラスにプロッターマシンで蛍光体層のストライプパターンを形成する。蛍光体ストライプパターンが形成された板ガラスと、前面基板用の板ガラスとを位置決め治具に載置して露光台にセットし、露光、現像を行なって蛍光体スクリーン１６を形成する。

続いて、背面基板１２用の板ガラスに配線２１を形成する。例えば、平面基板面をＸ−Ｙ平面とした時、Ａｇペースト等により、Ｘ方向に延びた複数本の配線２１を板ガラスの有効表示領域および周縁部に形成する。さらに、Ｙ方向に延びた複数本の配線２１を、板ガラスの周縁部のみに形成する。配線２１が設けられた板ガラスの全面には、絶縁層２３を形成する。有効表示領域において、絶縁層２３上にそれぞれＹ方向に延びた残りの配線２１を形成し、先に板ガラス周縁部のみに形成した配線と接続する。

絶縁膜２３が設けられた背面基板用の板ガラスには、電子放出素子２２を形成する。板ガラス上にマトリックス状の導電性カソード層２４を形成し、先に板ガラス周縁部のみに形成した配線２１と接続する。導電性カソード層上には、例えば熱酸化法、ＣＶＤ法、あるいはスパッタリング法により二酸化シリコン膜からなる絶縁膜２６を形成する。

絶縁膜２６上には、例えばスパッタリング法や電子ビーム蒸着法によりモリブデンやニオブなどのゲート電極形成用の金属膜を形成する。この金属膜上に、形成すべきゲート電極に対応した形状のレジストパターンをリソグラフィーにより形成する。このレジストパターンをマスクとして、金属膜をウェットエッチング法またはドライエッチング法によりエッチングすることにより、ゲート電極２８を形成する。

次に、レジストパターンおよびゲート電極をマスクとして、絶縁膜をウェットエッチングまたはドライエッチング法によりエッチングして、キャビティ２５を形成する。レジストパターンを除去した後、背面基板１２表面に対して所定角度傾斜した方向から電子ビーム蒸着を行なうことにより、ゲート電極２８上に、例えばアルミニウムやニッケルからなる剥離層を形成する。

背面基板１２表面に対して垂直な方向から、カソード形成用の材料として、例えばモリブデンを電子ビーム蒸着法により蒸着する。これによって、各キャビティ２５の内部に電子放出素子２２を形成する。続いて、剥離層をその上に形成された金属膜とともにリフトオフ法により除去する。さらに、大気中で、背面基板１２上に複数の支持部材１４を低融点ガラスにより固定し、背面基板１２と前面基板１１とを側壁１３を介して互いに接合する。

接合は、レーザー光を照射することにより行なわれる。例えば、図５に示すように、接合材Ａにより側壁１３を前面基板１１に固定し、側壁１３と背面基板１２との間には金属層３１を配置する。接合材Ａとしては、例えば、フリットガラスなどのガラス材料、コバール合金などの金属材料、Ａｇペースト、および接着剤等を用いることができる。

金属層３１は、レーザー光を吸収するために配置され、ＡｌおよびＴｉから選択されるエネルギー吸収材を含む。金属層３１の膜厚が小さすぎる場合には、レーザー光を十分に吸収することができない。一方、金属層３１が厚すぎる場合には、両基板へのエネルギー伝達が不十分となるといった不都合を生じるおそれがある。金属層３１は、０．１〜１．０μｍ程度の厚さで形成されれば、何等不都合を伴わずにレーザー光を十分に吸収することができる。

こうした膜厚が確保できれば、金属層３１の形成方法は特に限定されず、任意の方法で形成することができる。例えば、電気めっき法、無電解めっき法、スピンコート法、スプレー法、ディッピング法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法、真空蒸着法、スパッタリング法、熱化学帰気相成長法、およびプラズマ化学気相成長法といった方法が挙げられる。

金属層３１は、図６に示すように、前面基板１１と側壁１３との間、および背面基板１２と側壁１３との間の両方に配置してもよい。

金属層３１が設けられた状態でレーザー光を照射することによって、側壁１３と背面基板１２とが接合される。金属層３１は、レーザー光を吸収して発熱し、それによって、レーザー光照射部周辺のガラス材料は溶融する。具体的には、金属層３１は溶融ガラスと反応し、冷却後には、図７に示されるようにガラス接合部Ｂと金属酸化物接合層Ｃとが形成される。この際の接合は、１００〜４００℃程度という温度で行なわれるので、背面基板１２に設けられた電子放出素子になどに熱的な損傷を与えることはない。これによって、良好な接合部が形成されるのに加え、金属層が飛散するおそれも回避される。したがって、得られるＦＥＤにおいては、配線部分のショートを確実に防止できることが予測される。

なお、図６に示したように、側壁１３と背面基板１２および前面基板１１との間の両方に金属層３１を配置した場合には、側壁１３と背面基板１２および前面基板１１とを接合することができる。

金属酸化物接合層Ｃには、エネルギー吸収材とガラスの成分、すなわち、珪素および酸素が含有される。金属層３１の少なくとも一部は、金属酸化物接合層Ｃとなる。金属層３１は、その２０％程度が金属酸化物接合層Ｃに変化すれば効果が得られるが、全てが金属酸化物接合層Ｃとなることが最も好ましい。

金属酸化物接合層Ｃは、ガラス接合時に生じるガラスの熱膨張および熱収縮による熱応力を緩和する。この金属酸化物接合層Ｃが存在することによって、高歪点ガラスを用いたガラス接合であっても、クラックの発生を抑制することができる。金属酸化物接合層Ｃの厚みは、最低１μｍ程度であれば、その効果を発揮する。好ましくは１０μｍ程度である。金属酸化物接合層Ｃの膜厚が大きすぎる場合には、接合強度が劣化するおそれがあるので、その上限は５０μｍ程度にとどめることが望まれる。なお、金属酸化物接合層Ｃの厚みとは、エネルギー吸収材とガラスの成分、すなわち、珪素および酸素を含有する組成領域の寸法をさし、ＥＤＳ組成分析による元素マッピング等により測定することができる。また、金属酸化物接合層Ｃの厚みは、例えば、レーザー照射エネルギー、スポット径、および基板温度といった条件により制御することができる。

レーザー光を照射する際の基板温度は、２００〜５００℃程度が好ましく、３００〜４００℃が好ましい。レーザー照射後に、徐々に室温まで冷却することが望ましい。ただし、基板温度を室温から２００℃に保持した場合でも、本実施形態にかかる方法を適用することができる。

レーザー光の種類は、レーザー波長１．０６μｍのＹＡＧレーザーを用いることが望ましいが、他のレーザー光を用いることもできる。例えば、ＣＯ₂レーザーなどが挙げられる。また、電子ビームのような高密度エネルギービームを用いて、接合することも可能である。前述のＹＡＧレーザーを用いる場合には、その照射条件は、次のとおりとすることができる。

レーザー出力：０．０５〜４．０Ｊ／ｐｕｌｓｅ
スポット径：０．５〜１０ｍｍ
パルス幅：２．０〜１０．０ｍｓ
これらの条件は、相互に関連しているので、適切に組み合わせればよい。例えば、膜厚１μｍ程度のＡｌ層を金属層として形成し、スポット径０．５ｍｍのレーザー光を照射する場合には、レーザー出力は０．０５〜１．０Ｊ／ｐｕｌｓｅ程度とし、パルス幅は６〜８ｍｓ程度とすることが好ましい。また、例えばスポット径を大きくする場合には、レーザー出力を低くすることにより溶込み深さを低減させ、ガラス溶融体積を一定にすることによって、適切な条件を確保することができる。

以下に具体例を示して、本発明をさらに詳細に説明する。

第１および第２のガラス基材としてディスプレイ用基板ガラス（ＰＤ２００：旭硝子製）を用意した。第１のガラス基材の上には、エネルギー吸収材を含む金属層をスパッタリング法により、１μｍ程度の膜厚で形成した。

２枚のガラス基材をホットプレート上に載置して４００℃に加熱しつつ、ガラス基材を介して金属層にレーザー光を照射した。こうして第１および第２のガラス基材を接合し、図８に示すようなサンプルを作製した。図示するように、得られたサンプルにおいては、第１のガラス基材４１と第２のガラス基材４３とが、接合層４２を介して接合されている。接合層４２は、エネルギー吸収材を含む金属層の少なくとも一部が変化して形成されたものである。

エネルギー吸収材の種類とレーザーエネルギー出力とを、下記表１にまとめる。

得られたサンプルについて、剪断試験を行なって接合強度を評価した。用いた試験装置の概略を、図９に示す。図９に示されるように、接合層４２を介して第１のガラス基材４１と第２のガラス基材４３とが接合されたサンプルに対し、加圧片４４を用いて矢印方向に力を印加した。破断時の強度を測定し、得られた結果を下記表２にまとめる。

上記表２に示されるように、エネルギー吸収材としてＮｉを用いた場合（比較例１〜３）には、接合強度は最大でも０．１７ＭＰａであり、Ｃｕを用いた場合（比較例４〜６）には、接合強度は０．１５ＭＰａにとどまっている。これらの比較例のサンプルでは、いずれもクラックが発生した。

また、エネルギー吸収材としてＡｇを用いた場合（比較例７，８）には、レーザー光を照射しても２枚のガラス基材を接合することができない。

これに対して、エネルギー吸収材としてＡｌを用いた場合（実施例１〜３）には、接合強度は最大１３．６ＭＰａまで高められる。また、Ｔｉを用いた場合（実施例４〜６）では、接合強度は１４．３ＭＰａにも達することがわかる。真空保持に十分な接合強度が得られるためには、接合強度は５ＭＰａ以上であることが求められる。実施例１〜６は十分な接合強度を有することから、クラックは発生せず、耐加重性を有することが確認された。

ＡｌおよびＴｉは、Ｎｉ，ＣｕおよびＡｇと比較して、エネルギーの吸収率が大きい。しかも、これらの金属は、ガラスと反応し難いといった性質も有する。同等の出力でレーザー光を照射しても、ＡｌおよびＴｉのみが良好の接合強度を得ることができたのは、こうした性質に起因するものと推測される。

次に、実施例１および実施例３のサンプルについて、ＥＤＳ分析により接合層４２の元素分析を行なった。その結果を、下記表３にまとめる。

上記表３の結果から、接合層４２には、エネルギー吸収材としてのＡｌと、ガラスの成分であるＳｉに加え、３０〜７０原子％のＯが含有されていれば、接合強度が十分に高められクラックの発生を抑制できることがわかる。０．０５〜１．０Ｊ／ｐｕｌｓのエネルギー出力で金属層にレーザー光を照射することによって、こうした組成の接合層を形成することができる。

本発明の一実施形態にかかるＦＥＤの構成を示す斜視図。 ＦＥＤの内部構造を表わす概略図。 ＦＥＤの断面図。 前面基板の平面図。 一実施形態にかかるＦＥＤの製造方法の一工程を表わす断面図。 他の実施形態にかかるＦＥＤの製造方法の一工程を表わす断面図。 接合部を表わす模式図。 サンプルの概略図。 接合強度の試験装置の概略図。

符号の説明

１０…真空外囲器； １１…前面基板； １２…背面基板； １３…側壁
１４…支持部材； １６…蛍光体スクリーン； １７…メタルバック
２０…黒色吸収部； ２１…配線； ２２…電子放出素子； ２３…絶縁層
２４…導電性カソード層； ２５…キャビティ； ２６…絶縁膜
２８…ゲート電極 ３０…低融点ガラス； ３１…金属層； ３２…金属反応層
３３…接合層； ４０…接合部； Ｒ，Ｇ，Ｂ…蛍光体層； Ａ…接合材
Ｂ…ガラス接合部； Ｃ…金属酸化物接合層； ４１…第１のガラス基材
４２…接合層； ４３…第２のガラス基材； ４４…加圧片。

Claims (7)

1. 第１のガラス基材の表面に、アルミニウムおよびチタンの少なくとも一方からなるエネルギー吸収材により金属層を形成する工程と、
   前記金属層を介して前記第１のガラス基材の上に、第２のガラス基材を配置する工程と、
   前記金属層にレーザー光を照射して加熱し、前記第１ガラス基材と前記第２のガラス基材とを接合する工程と
   を具備することを特徴とするガラスの接合方法。
2. 前記金属層は、０．１μｍ以上１．０μｍ以下の膜厚で、前記第１のガラス基材の表面に形成されることを特徴とする請求項１に記載のガラスの接合方法。
3. 前記レーザー光は、１．０Ｊ／ｐｕｌｓ以下の出力で前記金属層に照射されることを特徴とする請求項１または２に記載のガラスの接合方法。
4. 前記第１のガラス基材および前記第２のガラス基材は、高歪点ガラスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガラスの接合方法。
5. ガラス側壁を介して離間対向された背面ガラス基板および前面ガラス基板を含む外囲器と、
   前記外囲器内に設けられマトリックス状に形成された配線と、
   前記配線に接続された複数の表示素子と、
   前記ガラス側壁と前記背面ガラス基板との間に形成され、アルミニウムおよびチタンの少なくとも一方と、珪素及び３０原子％以上７０原子％以下の酸素とを含む金属酸化物接合層と
   を具備することを特徴とする画像表示装置。
6. 前記金属酸化物接合層の厚みは、１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の画像表示装置。
7. ガラス側壁を介して離間対向された背面ガラス基板および前面ガラス基板を含む外囲器と、前記外囲器内に設けられマトリックス状に形成された配線と、前記配線に接続された複数の表示素子とを具備する画像表示装置の製造方法であって、
   前記ガラス側壁の表面に、アルミニウムおよびチタンの少なくとも一方からなるエネルギー吸収材により金属層を形成する工程と、
   前記金属層を介して前記ガラス側壁の上に、前記背面ガラス基板を配置する工程と、
   前記金属層にレーザー光を照射して加熱し、前記ガラス側壁と前記背面ガラス基板とを接合する工程と
   を具備することを特徴とする製造方法。

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