JP3185353B2 - プラズマアドレス電気光学装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液晶セル等の電気光学セ
ルとプラズマセルの２層構造からなるプラズマアドレス
電気光学装置に関する。より詳しくはプラズマセル内に
設けられる放電用電極の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気光学セルとして液晶セルを用
いたマトリクスタイプの電気光学装置例えば液晶表示装
置を高解像度化、高コントラスト化する為の手段として
は、各画素毎に薄膜トランジスタ等のスイッチング素子
を設け、これを線順次で駆動するアクティブマトリクス
アドレス方式が一般に知られている。しかしながら、こ
の場合薄膜トランジスタの様な半導体素子を基板上に多
数設ける必要があり、特に大面積化した時に製造歩留り
が悪くなるという短所がある。

【０００３】そこでこの短所を解決する手段として、ブ
ザク等は特開平１−２１７３９６号公報において、薄膜
トランジスタ等からなるスイッチング素子に代えてプラ
ズマスイッチを利用する方式を提案している。以下、プ
ラズマ放電に基くスイッチを利用して液晶セルを駆動す
るプラズマアドレス表示装置の構成を簡単に説明する。
図３に示す様に、この装置は液晶セル１０１とプラズマ
セル１０２と両者の間に介在する共通の中間板１０３と
からなる積層フラットパネル構造を有している。プラズ
マセル１０２はガラス基板１０４を用いて形成されてお
り、その表面に複数の平行な溝１０５が設けられてい
る。この溝１０５は例えば行列マトリクスの行方向に伸
びている。各溝１０５は中間板１０３によって密封され
ており個々に分離したプラズマ室１０６を構成してい
る。この密閉されたプラズマ室１０６にはイオン化可能
なガスが封入されている。隣接する溝１０５を隔てる凸
状部１０７は個々のプラズマ室１０６を区分けする隔壁
の役割を果すとともに各プラズマ室１０６のギャップス
ペーサとしての役割も果している。各溝１０５の湾曲し
た底部には互いに平行な一対のプラズマ電極が設けられ
ておりアノードＡ及びカソードＫとして機能しプラズマ
室１０６内のガスをイオン化して放電プラズマを発生す
る。かかる放電領域は行走査単位となる。

【０００４】一方液晶セル１０１は透明基板１０８を用
いて構成されている。この基板１０８は中間板１０３に
所定の間隙を介して対向配置されており間隙内には液晶
層１０９が充填されている。基板１０８の内表面には透
明導電材料からなる信号電極１１０が形成されている。
この信号電極１１０はプラズマ室１０６と直交しており
列駆動単位となる。列駆動単位と行走査単位の交差部分
にマトリクス状の画素が規定される。

【０００５】かかる構成を有する表示装置においては、
プラズマ放電が行なわれるプラズマ室１０６を線順次で
切り換え走査するとともに、この走査に同期して液晶セ
ル側の信号電極１１０にアナログ駆動電圧を印加する事
により表示駆動が行なわれる。プラズマ室１０６内にプ
ラズマ放電が発生すると内部は略一様にアノード電位に
なり１行毎の画素選択が行なわれる。即ちプラズマ室１
０６はサンプリングスイッチとして機能する。プラズマ
サンプリングスイッチが導通した状態で各画素に駆動電
圧が印加されると、サンプリングホールドが行なわれ画
素の点灯もしくは消灯が制御できる。プラズマサンプリ
ングスイッチが非導通状態になった後にもアナログ駆動
電圧はそのまま画素内に保持される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の構造において
は、プラズマ電極が溝１０５の凹状に湾曲した底部に形
成されており、一対のアノードＡとカソードＫは傾斜し
た状態で対面配置している。以下かかる配置を斜面電極
構造と呼ぶ。かかる構造においては、プラズマ放電経路
がアノードＡの電極表面と対向するカソードＫの電極表
面との間に形成されるので安定且つ効率的なプラズマ放
電が得られる。

【０００７】しかしながら上述した斜面電極構造を実現
する為に基板１０４表面にストライプ状の溝１０５を形
成する必要があるが、製造上かなりの困難を伴ない特に
高密度のストライプパタンを設ける事は著しく困難であ
る。又、個々の溝１０５内にエッチングプロセスを用い
てプラズマ電極を形成する事も実際上繁雑且つ困難であ
る。

【０００８】かかる従来の技術の問題点あるいは課題に
鑑み、出願人は先に出願された特許願平成３年第４７７
８４号に、製造が簡単でしかも大画面化及び高精細化に
適したプラズマアドレス電気光学装置を提案している。
図４を参照して、本発明の理解に供する為に、先に提案
された装置の構造を簡潔に説明する。この装置も液晶セ
ル２０１とプラズマセル２０２とを中間板２０３を介し
て積層したフラットパネル構造を有する。液晶セル２０
１は図３に示す液晶セル１０１と基本的に同一の構造を
有する。中間板２０３と下側の基板２０４との間にはイ
オン化可能なガスが封入されておりプラズマ室２０５を
構成する。基板２０４の内表面には所定の間隔を介して
ストライプ状のプラズマ電極２０６が形成されている。
プラズマ電極はスクリーン印刷法等により平坦な基板上
に形成できるので生産性や作業性に優れているとともに
微細化が可能である。各プラズマ電極２０６の上には隔
壁２０７が形成されておりプラズマ室２０５を放電領域
毎に分割し行走査単位を構成する。この隔壁２０７もス
クリーン印刷等により形成できる。

【０００９】プラズマ電極２０６は基板平面に沿って形
成されており、放電面は同一レベルにある為前述の斜面
電極構造と異なり対向していない。以下図４に示す電極
配置を平面電極構造と呼ぶ事にする。明らかにこの平面
電極構造は斜面電極構造に比べて製造上多大の利点を有
する。又隔壁２０７は全てのプラズマ電極２０６の上に
形成されており、アノードＡとカソードＫは全く同一の
構成を有する。従って図４に示す装置を駆動する際には
アノードＡとカソードＫの役割を交互に切り換える事に
よりプラズマ電極２０６をアノード／カソード兼用とし
実効的な走査ライン数を図３に示す構造に比べて２倍に
する事ができるという利点もある。

【００１０】しかしながら上述した平面電極構造には幾
つかの解決すべき課題あるいは問題点が残されている。
第１に安定なプラズマ放電を発生させる為には、プラズ
マセル２０２のスペース間隔即ちプラズマ室２０５の高
さをアノード／カソード電極間距離の約７５％以上に設
定する必要があり、セル構造上の制約が存在する。即ち
平面電極構造ではアノード／カソードの電極面が対向し
ておらず、プラズマ放電経路が略放物線を描く。プラズ
マ室２０５の高さが低いと天井部を構成する中間板２０
３により放電経路が遮断され安定なプラズマ放電を維持
する事ができない。アノード／カソード間距離を拡大す
るに従ってプラズマ室の高さを大きくせざるを得ず製造
上の困難が生じる。

【００１１】第２の問題点としてプラズマ電極２０６と
隔壁２０７のピッチずれがある。両部材ともにスクリー
ン印刷法等により形成されるがストライプパタンが微細
化するにつれてアライメント誤差が顕著になりプラズマ
電極２０６の上に隔壁２０７が整合しなくなる。この為
隔壁の両側においてプラズマ電極２０６の露出表面積に
不均衡が生じる。露出面積が減少した側においては電極
端近傍しかプラズマ放電に寄与できなくなり電界集中の
為ブレークダウンが多発し放電不良の原因となる。

【００１２】第３の問題点としてアノード上に位置する
隔壁によりプラズマ放電が不安定になる。この原因は誘
電体からなる隔壁がカソードからアノードへの電子の流
入を妨げる作用をする為であると考えられる。図５はプ
ラズマセル内の電子軌道をシュミレーションしたもので
あり、実線が完全な真空中の軌道を表わし、破線が予想
される電気力線を示す。ここで前者は電子の速度成分が
最大の場合に相当し、後者はプラズマとの衝突により速
度成分が完全に失われゼロの場合に相当する。実際には
これらの中間の軌道を描く事になる。いずれにしろ速度
成分がゼロにまでは下がらないので、カソードを飛び出
した電子はアノード上でかなりオーバランする。但し安
定したプラズマ放電が維持されている時には電子軌道は
電極内側の放電経路をとる。従ってアノード上では電子
は電極端からかなり内側へ飛来すると考えられる。これ
によりアノード電極中央部に存在する誘電体の隔壁２０
７が電極露出面積を極端に小さくしていると、電子の流
入が妨げられる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述した従来の斜面電極
構造や先に開発された平面電極構造の問題点に鑑み、本
発明は製造が容易で且つ安定したプラズマ放電を得る事
のできる改良された電極構造を提供する事を目的とす
る。かかる目的を達成する為に次の手段を講じた。即
ち、所定の主面に沿って互いに平行に配置された複数の
第１電極あるいは信号電極を有する第１の基板あるいは
電気光学セル基板と、前記信号電極と直交し且つ互いに
平行に配列された複数の第２電極あるいはプラズマ電極
を有するとともにこのプラズマ電極が前記信号電極と対
向する様に配置された第２の基板あるいはプラズマセル
基板と、両基板の間に挿入された電気光学材料層と、こ
の電気光学材料層とプラズマセル基板の間に形成された
イオン化可能なガスを封入する為のプラズマ室を備えた
プラズマアドレス電気光学装置において、隣接するプラ
ズマ電極即ちアノード及びカソードの対向壁面間の放電
により前記ガスを選択的にイオン化し、このイオン化ガ
スの局在した放電領域を走査単位として信号電極と放電
領域の交差部に位置する電気光学材料層を駆動する様に
した。ここで、各第２電極は該プラズマ室を個々の放電
領域に分割する隔壁となり、且つ各隔壁の頂部には誘電
体からなる隔壁層が重ねられている。好ましくはプラズ
マ電極の壁面高さは互いに対面するプラズマ電極間の距
離の２６％以上に設定されている。

【００１４】

【作用】本発明によれば、プラズマ放電経路が互いに対
向するアノード壁面とカソード壁面との間に形成され
る。以下かかる電極構成を壁面電極構造と呼ぶ事にす
る。この壁面電極構造は略完全な平行平板電極構造と等
価である。従って放電経路は平等電界中において略直線
的に形成され極めて安定なプラズマ放電が得られる。対
向壁面間には隔壁の様な障害物が何ら存在しない。壁面
電極構造においてはプラズマ電極自体が隔壁として機能
する。プラズマ電極をアノード／カソード兼用として駆
動する事により実効的な走査ライン数を斜面電極構造に
比べて２倍にする事ができる。壁面電極構造を形成する
為にはプラズマ電極の厚みを大きくする必要がある。こ
の点に関し、例えば積層スクリーン印刷技術が適用でき
基本的に平面電極構造と同一の製造プロセスとなる。

【００１５】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかるプラズマアドレ
ス電気光学装置の基本的な構造を示す模式的な部分断面
図であり、列方向即ち信号電極方向に沿って切断した形
状を表わしている。本装置は液晶セル１とプラズマセル
２と両者の間に介在する誘電体シートからなる共通の中
間板３とを積層したフラットパネル構造を有する。液晶
セル１はガラス基板４を用いて構成されており、その内
側主面には透明導電膜からなる複数本の信号電極５が互
いに平行に形成されている。基板４は所定の間隙を介し
て中間板３に対向配置されており、間隙内には電気光学
材料層である液晶層６が充填されている。本実施例にお
いては流体の電気光学材料が用いられているが必ずしも
これに限られるものではない。例えば電気光学結晶板を
用いる事もできる。この場合には中間板３を取り除く事
も可能である。又、本実施例はプラズマアドレス表示装
置に関するものであるが、本発明はこれに限られるもの
ではなく光学変調装置等広くプラズマアドレス電気光学
装置に適用可能である。

【００１６】一方プラズマセル２は下側のガラス基板７
を用いて構成されている。基板７の内側主面上には信号
電極５に直交する複数のプラズマ電極が所定の間隙を介
してストライプパタン状に形成されている。プラズマ電
極は交互にカソードＫとアノードＡの機能を奏する。こ
の実施例ではプラズマ電極幅は０．３９mmに設定され電
極間距離も０．３９mmに設定されている。図示する様に
プラズマ電極は所定の厚みを有し中間板３とガラス基板
７との間に介在して隔壁としての機能も奏する。プラズ
マ電極の隔壁高さＨは１００μｍ（０．１mm）以上に設
定されている。プラズマ電極は例えば厚膜スクリーン印
刷を繰り返す事により形成できる。一般に１回の厚膜印
刷焼成により形成される電極の膜厚は１５μｍ程度であ
る。図４に示す構造の様に電極と隔壁のアライメントを
とる必要はない。即ち、同一のスクリーンマスクを用い
て印刷を繰り返す事により極めて精度良く隔壁電極を形
成できる。なおこの実施例ではプラズマ電極を積層印刷
により作成したが、本発明はこれに限られるものではな
い。基本的にプラズマセル内に隔壁電極を形成可能な手
段であれば良い。例えば全面印刷とパウダービームエッ
チングを組み合わせた手段を採用する事も可能である。
又この実施例ではプラズマ電極の頂部が直接中間板３に
接触している。しかしながら場合によっては電極頂部と
中間板３の間に誘電体隔壁層を設けても良い。この場合
には液晶セル１側の信号電極５とのクロストークを避け
る上で有利となる。

【００１７】ガラス基板７は中間板３に対して所定の間
隙を介し封着されており、両者の間には気密封止された
プラズマ室８が形成される。このプラズマ室８は隔壁の
機能を有するプラズマ電極によって分割されており個々
に行走査単位となる放電領域を形成する。この気密なプ
ラズマ室８の内部にはイオン化可能なガスが封入されて
いる。ガス種は例えばヘリウム、ネオン、アルゴンある
いはこれらの混合気体から選ぶ事ができる。図示する様
にカソードＫの壁面とアノードＡの壁面はプラズマ室８
を介して対向配置されており前述した壁面電極構造を有
する。平行平板電極構造と等価であり、矢印で示す放電
経路は一方の電極壁面から他方の電極壁面に対して直進
する。両壁面電極間に何ら障害物が介在しないので極め
て安定したプラズマ放電あるいはグロー放電を得る事が
できる。

【００１８】プラズマ電極厚みの最適範囲を求める為、
厚み寸法を２０μｍないし１３０μｍの範囲で変化させ
たプラズマセルサンプルを作成しプラズマ放電状態を観
察した。サンプルは対角寸法が５．５インチのフラット
セルであり、プラズマ電極ピッチを０．７８mmに設定
し、プラズマ電極幅を０．３９mmに設定した。観察結果
を以下の表１に示す。

【表１】

【００１９】電極厚みが比較的小さいと電極端への電界
の集中によるブレークダウンが生じ正常に放電しない。
しかしながら電極厚みがある程度大きくなると安定に放
電する様になる。安定放電の為には電極厚みは約１００
μｍ以上必要である。これは電極間距離０．３９mmの２
６％に相当し、平面電極構造におけるプラズマ室の最少
限高さを規制する７５％の値に対し有意な差が認められ
る。なお安定放電に必要なガス圧力は４５Torrであり放
電開始電圧は３９０Ｖであった。平面電極構造と比較し
ガス圧力が２倍程度必要であり、放電開始電圧も数１０
Ｖ程度高くなっている。平面電極構造の放電経路が放物
線であるのに対して壁面電極構造の放電経路は直線であ
り短縮されている。従ってパッシェンの法則に基き高め
のガス圧力が必要になる。放電開始電圧については壁面
電極の表面状態等の諸因子の影響を受け若干高くなった
ものと考えられる。

【００２０】図２に比較の為平面電極構造における放電
経路を示す。プラズマ電極の幅及び電極間距離は図１に
示す実施例と同様に設定されている。平面プラズマ電極
の厚みは１５μｍ（０．０１５mm）である。図示する様
に放電経路はカソードＫからアノードＡに向って放物線
を描く。この放物線経路を遮断しない為にはプラズマ室
の高さを電極間距離０．３９mmの約７５％以上即ち０．
２９mm以上に設定する必要がある。これよりプラズマ室
の天井が低い場合例えば破線で示すレベルにある場合に
は安定したプラズマ放電の持続が困難になる。これに対
して、本発明にかかる壁面電極構造においてはブレーク
ダウンを防止する意味合いで少なくとも０．１０mm以上
に電極壁面高さを設定すれば安定したプラズマ放電が得
られる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、プ
ラズマアドレス電気光学装置においてプラズマ電極を厚
くし対向する電極壁面間に放電経路を形成する壁面電極
構造とする事により、プラズマセル設計における構造上
の制約をなくし自由度を増すとともに安定で均一な放電
を得る事ができるという効果がある。本発明にかかる壁
面電極構造は従来の斜面電極構造と同様にアノード／カ
ソードが互いに対面しているので安定したプラズマ放電
が得られる一方、斜面電極構造と異なり基板に溝を形成
する必要がないので製造上有利である。又先行開発にか
かる平面電極構造においては放電経路が放物線軌跡を描
くのに対して、本発明にかかる壁面電極構造は放電経路
が直線的であり何らセル構造上の制約がない。又壁面電
極間に誘電体隔壁の様な障害物が存在しないのでプラズ
マ放電が効率的に行なえる。さらに、プラズマ電極自体
が隔壁の機能を有する為、平面電極構造では問題となっ
ていた誘電体隔壁と電極とのアライメント誤差を回避す
る事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるプラズマアドレス電気光学装置
の壁面電極構造を示す模式的な部分断面図である。

【図２】先に開発された平面電極構造における放電経路
を示す模式図である。

【図３】従来のプラズマアドレス電気光学装置における
斜面電極構造を示す模式図である。

【図４】先行開発されたプラズマアドレス電気光学装置
の平面電極構造を示す模式的な断面図である。

【図５】平面電極構造における電子軌跡を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１ 液晶セル ２ プラズマセル ３ 中間板 ４ ガラス基板 ５ 信号電極 ６ 液晶層 ７ ガラス基板 ８ プラズマ室 Ａ アノード Ｋ カソード Ｈ 電極壁面高さ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の主面に沿って互いに略平行に配置
   された複数の第１電極を有する第１の基板と、前記第１
   電極と直交し且つ互いに略平行に配列された複数の第２
   電極を有する第２の基板と、前記第１及び第２の基板間
   に間挿された電気光学材料層と、この電気光学材料層と
   前記第２の基板間に形成されたイオン化可能なガスを封
   入する為のプラズマ室とを備えたプラズマアドレス電気
   光学装置において、 隣接する第２電極の対向壁面間の放電により前記ガスを
   選択的にイオン化し、このイオン化ガスの局在した放電
   領域を走査単位として前記第１電極と前記放電領域の交
   差部に位置する電気光学材料層を駆動し、 各第２電極は該プラズマ室を個々の放電領域に分割する
   隔壁となり、 各隔壁の頂部には誘電体からなる隔壁層が重ねられてい
   る 事を特徴とするプラズマアドレス電気光学装置。
2. 【請求項２】 前記第２電極の壁面高さが互いに対面す
   る第２電極間の距離の２６％以上である事を特徴とする
   請求項１記載のプラズマアドレス電気光学装置。