JP3898120B2 - 発光基板および該発光基板を用いた発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光基板および該発光基板を用いた発光素子、並びに該発光素子を用いた表示装置に関するものである。より詳しくは、蛍光体を用いた発光基板および該発光基板を光源として用いた発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディア社会の到来により、様々な新しいディスプレイが開発されている。その中でも、従来からある電子線励起蛍光体を用いたＣＲＴ（Cathode Ray Tube）は、自発光による視野角の広さ、ピーク輝度の高さ、低価格という点から、現在もディスプレイの主流として用いられている。また、電界放出型電子源を用いたフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）は、ＣＲＴと同様に電子線励起蛍光体を用いた自発光型フラットパネルディスプレイとして研究、開発が盛んに行われている。
【０００３】
従来の電子線励起蛍光体を用いた発光素子として、図５に示す発光素子５０がある。図５に示す発光素子５０は、透明体５１と、酸化亜鉛からなるウイスカを有する電子線励起蛍光体からなる蛍光層５２とを有している。
【０００４】
ウイスカとは、針状（ひげ状）を呈した単結晶のことであり、一般的にその単結晶の大きさは直径が約０．１μｍから数十μｍ程度である。ウイスカのうち、酸化亜鉛からなるウイスカは、正四面体の中心から各頂点方向へ成長したいわゆる針状の結晶が４本一組となっている。すなわち、形状的には、針状の結晶が正四面体の体心から４頂点に伸びた形状を形成している。また、酸化亜鉛は、ＺｎＯ：Ｚｎとして電子線励起蛍光体に用いられる材料であり、この酸化亜鉛ウイスカと絶縁性蛍光体とを用いた電子線励起蛍光体が従来より提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００５】
電子線励起蛍光体とは、カソードルミネッセンスとも呼ばれ、電子線の照射により励起されて発光する蛍光体のことである。最も代表的な電子線励起蛍光体として、カラーテレビ用ＣＲＴに用いられているＰ２２がある。Ｐ２２とは、１９４５年から使用されているアメリカＥＩＡ（Electronics Industries Association）により定められた蛍光面の表示記号である。Ｐ２２は、青・緑・赤の三色の発光色を有する蛍光体からなり、青にはＺｎＳ：Ａｇ、緑にはＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、赤にはＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+等が用いられている。青・緑に用いられている蛍光体は、ドナー−アクセプター対発光を用いた蛍光体であり、比較的広範な発光ピークを持つ。一方、赤に用いられる蛍光体は、Ｅｕ3+イオンの４ｆ6内殻電子の遷移により生じる発光であり、結晶場の影響を受けにくいため、輝線スペクトルとなる。
【０００６】
また、電子線励起蛍光体における発光輝度Ｂは、近似式として、
Ｂ＝Ｋｆ（ｉ）［Ｖ−Ｖ0］n
で表される。ここで、Ｋは定数、ｎは１〜３の整数、Ｖは加速電圧である。また、Ｖ0はｄｅａｄ ｖｏｌｔａｇｅと呼ばれ、これ以上の電圧にならないと電子線励起蛍光体が発光を行わない値である。ｆ（ｉ）は発光輝度の電流依存性を表しており、電流密度が１０-2〜１０-3Ａ／ｃｍ2程度まで、発光輝度は電流値にほぼ比例する。また、低い加速電圧では、飽和特性はより低い電流密度で生じる傾向がある。このため、加速電圧をより上げることにより、より効率よく高輝度を得ることができる。
【０００７】
図５に示すように、従来の発光素子５０は、図示しない電子源から放出された電子線５３が蛍光体と衝突することにより、蛍光体が励起状態となり発光する。蛍光体から放出された光は、軌跡５４のように透明体５１を透過して外部へ放出されるようになっている。
【０００８】
しかしながら、従来の電子線励起蛍光体による発光素子５０では、光が透明体５１から外部、すなわち空気中に入射する際に全反射という現象が生じる。全反射とは、密媒体ｂ（屈折率ｎb）から疎媒体ａ（屈折率ｎa）に光が入射する場合（ｎb＞ｎa）に、臨界角と呼ばれる角度以上で入射する光が、密媒体ｂと疎媒体ａとの界面でもとの密媒体ｂに全て反射される現象をいう。臨界角ｉ0の正弦は、以下の式で表される。
【０００９】
ｓｉｎｉ0＝ｎa／ｎb
このため、電子線５３により励起された蛍光体の発光の中で、界面に臨界角より小さい角度で入射した光は透明体５１を通過するものの、界面に臨界角以上で入射した光は、図５に示す軌跡５５のように、全反射され空気中には放射されず、透明体５１中を導波する。このように、全反射した光は、透明体５１を導波し透明体５１側面から外部に放射されるか、あるいは透明体５１へ吸収されることにより熱へ変換される等によって発光に寄与することなく損失となってしまう。
【００１０】
これを解決するために、図６および図７に示す発光素子５６では、透明体５７と蛍光体層５８との間に透明体５７の屈折率よりも小さい屈折率を有する低屈折率材料層５９を形成することにより全反射を防止している（例えば、特許文献３）。特許文献３によれば、低屈折率材料層５９を形成することにより、図６および図７に示す軌跡６０のように、蛍光体から放出された光が低屈折率材料層５９から透明体５７へ入射する際に、全反射を防止して光の損失を生じることなく空気中へ放出することができるようになっている。
【００１１】
また、蛍光体層５８での発光は、蛍光体層５８の透明体５７側と電子源（図示せず）側との両側で行われるため、電子源側での発光は例えばＣＲＴとしての輝度には加わらず無駄となってしまう。そのため、蛍光体層５８の電子源側にメタルバックと呼ばれるアルミニウム膜（図示せず）を蒸着し、電子源側に発光した光をメタルバックにより反射させ、輝度を２倍程度高める方法がある。この方法の他の利点としては、導電性を有しない蛍光体のチャージアップ防止およびイオンによる焼損の防止がある。
【００１２】
【特許文献１】
特公平５−７７７１７号公報（公告日：平成５年１０月２７日）
【００１３】
【特許文献２】
特許第２５０６９８０号公報（登録日：平成８年４月２日）
【００１４】
【特許文献３】
特開２００１−２０２８２７号公報（公開日：平成１３年７月２７日）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献３の場合では、蛍光体から放出された光の一部が、低屈折率材料層５９から透明体５７へ入射する際に、図７に示す軌跡６１のように、光が低屈折率材料層５９と透明体５７との界面にて表面反射され、蛍光体層５８へ戻ってしまう。表面反射は、媒質間の屈折率差が大きいほど、また入射角が大きいほど起こりやすくなるため、ある角度以上の角度で透明体５７に入射する光は全て表面反射される。そして、表面反射され蛍光体層５８に戻った光は、蛍光体に吸収される。すなわち、空気中に放出されずに表面反射され蛍光体に吸収されることによる損失が生じてしまう。
【００１６】
また、上記特許文献１および２の場合では、ウイスカとして酸化亜鉛からなるウイスカを用いることにより、蛍光体層５２へ導電性付与することができること、および酸化亜鉛ウイスカが無色透明であるため透光性が高いことを挙げている。しかしながら、上記蛍光体層５２を用いたとしても全反射による光の損失を低減することができないとともに、蛍光体層５２は低速電子線励起蛍光体を使用しているため、発光素子を形成する際に蛍光体層５２とメタルバックとを組み合わせることができず、電子源側に発光した光の損失を低減することができない。
【００１７】
従って、従来の電子線励起蛍光体を用いた発光素子では、発光した光の全反射、蛍光体による吸収等により、光の外部取り出し効率が低下し、発光素子としての発光効率を低下させてしまうという問題点を有している。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであり、透明体とメタルバックとの間に、蛍光体と透明ウイスカとからなる蛍光体層を形成することで、透明体中での全反射を防止するとともに、透明体表面での表面反射により蛍光体層に戻る光も発光に寄与させることを可能とし、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板および該発光基板を用いた発光素子を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる発光基板は、上記課題を解決するために、蛍光体と針状結晶部を有する単結晶体とを含む発光層と、上記蛍光体から放出された光を透過する透明体と、上記蛍光体から放出された光を反射する反射膜とを備え、上記発光層は、上記透明体と反射膜との間に備えられていることを特徴としている。
【００２０】
上記構成によれば、蛍光体と単結晶体とを含む発光層は、一方の面に蛍光体から放出された光を透過する透明体を有し、他方の面に蛍光体から放出された光を反射する反射膜を有している。
【００２１】
蛍光体から放出された光のうち、透明体側に放出された光の多くは、透明体を透過した後に発光基板の外部へと放出される。一方で、反射膜側に放出された光は、反射膜にて反射されることによって透明体側へ進む。そして、透明体側へ進んだ光の多くは、透明体を透過して発光基板の外部へと放出される。また、透明体側に放出された光の一部、または反射されて透明体側へ進んだ光の一部は、透明体表面での表面反射により反射膜側へ進む。しかし、これらの光についても反射膜により反射されて再び透明体側へ進む。
【００２２】
すなわち、発光層を透明体と反射膜との間に備えることにより、蛍光体から透明体側へ放出された光をそのまま外部へと放出するのみならず、蛍光体から反射膜側へ放出された光や、透明体表面での表面反射により反射膜側へ進んだ光についても反射膜にて反射して透明体から外部へと放出することができる。
【００２３】
また、発光層には針状結晶部を有する単結晶体を含んでおり、蛍光体から放出された光は、単結晶体内にて反射を繰り返した後に透明体へ入射する。これにより、蛍光体から放出された光を効率的に透明体へ入射させることができる。また、蛍光体から放出された光は単結晶体を透過した後に透明体に入射するため、光が透明体に入射する角度を調節することが可能となり、透明体表面での光の表面反射を低減することができる。
【００２４】
さらに、反射膜を備えていない発光基板では、透明体側の反対側へ放出された光は外部へと放出されることなく損失していたのに対して、反射膜を備えることにより、反射膜にて反射して再び透明体側へ進ませることが可能となり、蛍光体から放出された光を損失することなく外部へ放出することができる。
【００２５】
従って、透明体と反射膜との間に、蛍光体と単結晶体とからなる発光層を形成することにより、透明体での全反射を防止することができるとともに、透明体表面での表面反射により発光層に戻る光をも発光に寄与させることを可能とする。その結果、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を容易かつ安価に提供することができる。
【００２６】
本発明にかかる発光基板は、上記構成に加え、発光層の単結晶体が透明体の次に形成され、該単結晶体の層の次に蛍光体の層が形成され、該単結晶体の針状結晶部が蛍光体の層に侵入し、反射膜の付近まで達していることを特徴としている。
【００２７】
上記構成によれば、単結晶体の最大長が、発光層の層厚と等しいため、単結晶体の針状結晶部が反射膜を突き抜けることを防止することができ、蛍光体から放出された光が反射されることなく漏洩してしまうことを防止することができる。また、単結晶体を透過した光が直ぐに透明体へ入射するようになっているため、蛍光体から放出された光をさらに効率的に透明体へ入射させることができる。
【００２８】
これにより、蛍光体から放出された光の損失をさらに低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を得ることができる。
【００２９】
本発明にかかる発光基板は、上記構成に加え、上記単結晶体は、正四面体の体心からその４頂点に向かってそれぞれ伸びる針状結晶部を有する形状であることを特徴としている。
【００３０】
上記構成によれば、例えば、単結晶体を透明体上に形成する際に、単結晶体の配向制御を行うことなしに、同一方向へ配向した単結晶体の層を形成することができる。これにより、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を容易に得ることができる。
【００３１】
本発明にかかる発光基板は、上記構成に加え、上記単結晶体は、酸化亜鉛からなることを特徴としている。
【００３２】
上記構成によれば、酸化亜鉛からなる単結晶体を用いることにより、発光層に導電性を付与することが可能となり、例えば蛍光体として絶縁性蛍光体を使用した場合に、反射膜が配置されていることと合わせて、蛍光層のチャージアップを防止することができる。また、発光層の熱伝導性能を向上させることが可能となるため、発光層が高輝度の発光を行っている時においても発光層の熱的劣化を防止することができる。
【００３３】
これにより、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができるとともに、熱的耐性および電気的耐性を有する発光基板を得ることができる。
【００３４】
本発明にかかる発光素子は、上記課題を解決するために、上記のいずれかに記載の発光基板と、上記発光層に向かって電子線を放出する電子源とを備えていることを特徴としている。
【００３５】
上記構成によれば、電子源から発光層に向かって放出された電子線が発光層の蛍光体と衝突することにより、蛍光体が励起状態となり発光する。上記いずれかに記載の発光基板を用いることにより、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光素子を得ることができる。
【００３６】
本発明にかかる表示装置は、上記課題を解決するために、上記記載の発光素子を用いてなることを特徴としている。
【００３７】
上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる表示装置を得ることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図４に基づいて以下に説明する。
【００３９】
図４に示すように、本発明にかかる面発光素子（発光素子）１は、フェースプレート（発光基板）２、バックプレート３、スペーサ４、取り出し配線５ａ・５ｂ、リング状ゲッタ６、チップオフ管７を有している。
【００４０】
フェースプレート２は、第１ガラス基板（透明体）８、蛍光体膜（発光層）９およびメタルバック（反射膜）１０から構成されている。第１ガラス基板８上には蛍光体膜９が形成され、蛍光体膜９上にはメタルバック１０が形成されている。蛍光体膜９は、酸化亜鉛からなるウイスカ（単結晶体）１１と電子線が照射されることにより励起状態となり発光する蛍光体（以下、電子線励起蛍光体ともいう）１２とからなる膜である。また、蛍光体膜９は、第１ガラス基板８の次にウイスカ１１の層が形成され、ウイスカ１１の層の次に蛍光体１２の層が形成された構成となっている。すなわち、ウイスカ１１を第１ガラス基板８と蛍光体１２の層との間に設け、かつ、ウイスカ１１の突起が蛍光体１２の層に侵入し、メタルバック１０付近まで達している構成となっている。メタルバック１０は、アルミニウムからなっており、蛍光体１２から放出された光を反射するようになっている。また、蛍光体膜９およびメタルバック１０が形成された面の第１ガラス基板８上には、取り出し配線５ａが形成されている。
【００４１】
バックプレート３は、電子源１３および第２ガラス基板１４から構成されており、第２ガラス基板１４上に電子源１３が形成されている。電子源１３は、蛍光体１２を発光させるために、蛍光体膜９に向かって電子線を放出するようになっている。また、電子源１３が形成された面の第２ガラス基板１４上には、取り出し配線５ｂが形成されている。
【００４２】
フェースプレート２およびバックプレート３は、第１ガラス基板８の蛍光体膜９およびメタルバック１０が形成された面と、第２ガラス基板１４の電子源１３が形成された面とが対向するように、スペーサ４を介して配置されている。スペーサ４は、額縁形状をしており、蛍光体膜９およびメタルバック１０が形成された面の第１ガラス基板８上に、蛍光体膜９およびメタルバック１０を取り囲むようにして、また電子源１３が形成された面の第２ガラス基板１４上に、電子源１３を取り囲むようにして配置されている。また、スペーサ４はリング状ゲッタ６を内包しているチップオフ管７を備えており、チップオフ管７を用いてフェースプレート２、バックプレート３およびスペーサ４によって囲まれた内部の空気を抜くことにより真空状態にし、リング状ゲッタ６を用いて内部の真空度を高めるようになっている。
【００４３】
上記ウイスカ１１とは、針状（ひげ状）を呈した単結晶のことであり、本実施の形態におけるウイスカ１１は、正四面体の体心からその４頂点に向かってそれぞれ伸びる針状結晶部を有する形状、いわゆるテトラポット（登録商標）形状をしており、その全長は蛍光体膜９の膜厚と等しい。なお、ウイスカ１１の全長が蛍光体膜９の膜厚と等しいとは、ウイスカ１１の全長と蛍光体膜９の膜厚とが互いに全く等しい場合の他に、各々がほぼ等しい場合（例えば、ウイスカ１１の全長が蛍光体膜９の膜厚の９０％以上である場合）も含むことを意味している。本実施の形態では、針状結晶部の針状短繊維長が１０μｍ、針状短繊維径が１μｍのウイスカ１１を使用している。
【００４４】
上記構成を有する面発光素子１を製造する方法の一例について説明する。
【００４５】
まず、大きさが３０ｍｍ×４５ｍｍ×２．３ｍｍｔである第１ガラス基板８上にディスペンサを用いて銀ペーストを塗布し、取り出し配線５ａを形成する。そして、第１ガラス基板８表面を、ＨＦ，ＮＨ4ＨＦ，ＮａＯＨ等によって軽くエッチングし、中和およびすすぎを行った後に、第１ガラス基板８表面にシラノール基を形成する。次に、シラノール基が形成された第１ガラス基板８表面を温水で濡らし、０．５ｗｔ％ＰＶＡ（Poly Vinyl Alcohol）希釈溶液を塗布する。そして、第１ガラス基板８表面を乾燥させることによりＰＶＡ下地層を形成する。
【００４６】
そして、上記第１ガラス基板８に形成されたシラノール基およびＰＶＡ下地層の上に、酸化亜鉛からなるウイスカ１１を分散させたスラリーをスピンコートにより塗布し、乾燥させる。上記ウイスカ１１を塗布する方法は、液中での電気泳動を用いる方法や、静電塗装または静電植毛等の空気中で静電的に付着させる方法を用いてもよい。また、ウイスカ１１を上記形状とすることにより、ウイスカ１１塗布時に配向制御を行うことなく同一方向へ配向した塗布が可能となる。
【００４７】
さらに、青・緑・赤の蛍光体を重量比１：１：１で混合して分散させた蛍光体１２のスラリーを、ウイスカ１１が塗布された第１ガラス基板８上にスピンコートにより塗布し、乾燥させる。これにより、第１ガラス基板８の次にウイスカ１１の層が形成され、ウイスカ１１の層の次に蛍光体１２の層が形成された、ウイスカ１１と蛍光体１２とからなる蛍光体膜９を形成する。
【００４８】
次に、メタルバックを平坦な状態で形成させるために、蛍光体膜９表面にイソブチルメタクリレート系樹脂ラッカー液を塗布し、有機樹脂塗膜を製膜する。そして、真空蒸着により有機樹脂塗膜上に膜厚２００ｎｍのアルミニウム薄膜を製膜する。その後、熱処理を行い、有機樹脂塗膜を熱分解除去することによって、メタルバック１０を形成する。これにより、図１ないし図３に示すように、本発明にかかる、第１ガラス基板８とメタルバック１０との間に蛍光体膜９が配置されたフェースプレート２が形成される。
【００４９】
次に、大きさが３０ｍｍ×４５ｍｍ×２．３ｍｍｔである第２ガラス基板１４上にディスペンサを用いて銀ペーストを塗布し、取り出し配線５ｂを形成する。そして、電界電子放出特性に優れたカーボンナノチューブを分散させたガラスペーストを、第２ガラス基板１４上にスクリーン印刷により塗布する。その後、ガラスペーストが塗布された第２ガラス基板１４を１４０℃で１５分間乾燥させ、４５０℃で１０分間保持して焼成することによって電子源１３を形成する。これにより、第２ガラス基板１４上に電子源１３が形成されたバックプレート３が形成される。
【００５０】
次に、第１ガラス基板８の蛍光体膜９が形成された面上の、蛍光体膜９が形成されていない部分にフリットガラスペーストを塗布する。また、第２ガラス基板１４の電子源１３が形成された面上の、電子源１３が形成されていない部分にフリットガラスペーストを塗布する。そして、第１ガラス基板８のフリットガラスペーストが塗布された部分と第２ガラス基板１４のフリットガラスペーストが塗布された部分とに、厚さ２ｍｍの額縁形状を有するスペーサ４を配置することによりフェースプレート２とバックプレート３とを接合する。フェースプレート２およびバックプレート３の接合は、スペーサ４を介して、第１ガラス基板８の蛍光体膜９が形成されている面と第２ガラス基板１４の電子源１３が形成されている面とが互いに向き合うようにして行われる。また上記接合は、窒素ガス雰囲気中、４００℃の条件で行われる。
【００５１】
そして、スペーサ４に備えられているチップオフ管７を用いてフェースプレート２、バックプレート３およびスペーサ４に囲まれた内部の空気を抜き、真空排気を行った後に、チップオフ管７によって封じ切り、内部を真空状態にする。その後、誘導過熱することによりリング状ゲッタ６を加熱、活性化させ内部の真空度を高める。
【００５２】
以上により、本発明にかかる電子線励起蛍光体を用いた面発光素子１が製造される。
【００５３】
次に、本発明にかかる電子線励起蛍光体を用いた面発光素子１が発光する機構について図３に基づいて説明する。
【００５４】
バックプレート３の電子源１３から放出された電子線１５が、フェースプレート２のメタルバック１０を透過して蛍光体１２と衝突することにより、蛍光体１２は励起状態となり発光し、光を放出する。蛍光体１２から放出された光は、第１ガラス基板８側に進む光とメタルバック１０側に進む光とに分かれる。また、第１ガラス基板８に到達した光の一部は、軌跡１７のように、第１ガラス基板８表面で表面反射され、蛍光体膜９をメタルバック１０側へ進む。
【００５５】
なお、上述のように蛍光体膜９は、第１ガラス基板８の次にウイスカ１１の層が形成され、ウイスカ１１の層の次に蛍光体１２の層が形成された構成となっている。これにより、メタルバック１０を透過し蛍光体膜９に入射された電子線が、蛍光体１２ではなく、先にウイスカ１１に入射してしまうことを最小限に抑えることができる。したがって、蛍光体膜９は、ウイスカ１１の層がガラス基板８と蛍光体１２の層との間に形成され、かつ、ウイスカ１１の針状結晶部が蛍光体１２の層に侵入し、メタルバック１０付近まで達している構成であることが最も望ましい。
【００５６】
第１ガラス基板８側に放出された光には、そのまま第１ガラス基板８に到達する光と、ウイスカ１１を透過した後に第１ガラス基板８に到達する光とがある。蛍光体１２から放出されそのまま第１ガラス基板８へ入射光は、軌跡１６ａのように第１ガラス基板８を透過してフェースプレート２の外部、すなわち面発光素子１の外部に放出される。蛍光体１２から放出されウイスカ１１に入った光は、軌跡１６ｂのように、ウイスカ１１内部の表面にて反射を繰り返し、第１ガラス基板８へ入射した後に、第１ガラス基板８を透過して面発光素子１の外部に放出される。
【００５７】
なお、蛍光体１２から放出された光の多くがウイスカ１１を透過するため、光を効率よく面発光素子１の外部に放出することができる。また、ウイスカ１１を透過する光は、ウイスカ１１内で反射を繰り返し第１ガラス基板８に入射するため、第１ガラス基板８へ入射する光の入射角を調節することができ、第１ガラス基板８表面での表面反射を低減することができる。また、蛍光体膜９のウイスカ１１と蛍光体１２とのすき間は真空となっており、蛍光体１２から放出された光は、真空中を経由して第１ガラス基板８に入射し面発光素子１の外部に放出されるようになっている。真空の屈折率は第１ガラス基板８の屈折率よりも小さいため第１ガラス基板８中での全反射は起こらなくなり、全反射による光の損失を低減することができる。
【００５８】
一方、メタルバック１０側に放出された光には、そのままメタルバック１０に到達する光と、ウイスカ１１を透過した後にメタルバック１０に到達する光とがある。ウイスカ１１を透過する光は、ウイスカ１１内部の表面にて反射を繰り返し、メタルバック１０に到達する。蛍光体１２からメタルバック１０側に放出された光は、そのままメタルバック１０に到達する光およびウイスカ１１を透過した後にメタルバック１０に到達する光の双方共に、メタルバック１０によって第１ガラス基板８側へ反射される。また、上記の第１ガラス基板８表面にて表面反射され、蛍光体膜９をメタルバック１０側へ進む光についても、メタルバック１０によって第１ガラス基板８側へ反射される。
【００５９】
メタルバック１０により第１ガラス基板８側へ反射された光には、蛍光体１２から第１ガラス基板８側へ放出された光と同様に、そのまま第１ガラス基板８を透過して面発光素子１の外部に放出される光と、ウイスカ１１を透過した後に第１ガラス基板８を透過して面発光素子１の外部に放出される光とがある。メタルバック１０によって反射された光においても、その多くがウイスカ１１を透過するため、第１ガラス基板８表面での表面反射を低減することができるとともに、光を効率よく面発光素子１の外部に放出することができる。
【００６０】
すなわち、蛍光体膜９の第１ガラス基板８と隣接している面と反対側の面に、蛍光体膜９と隣接するようにメタルバック１０を配置することにより、電子源１３側に発光された光をメタルバック１０によって反射することが可能となるとともに、第１ガラス基板８側に発光された光であって第１ガラス基板８表面にて表面反射された光をメタルバック１０によって第１ガラス基板８側へ再び反射することが可能となる。このため、第１ガラス基板８の表面にて蛍光体膜９へ反射された光の損失および電子源１３側に発光した光の損失を低減することができる。すなわち、蛍光体１２から放出された光の損失を低減するとともに、効率よく面発光素子１の外部に光を放出することが可能となる。
【００６１】
なお、ウイスカ１１の最大長を例えば蛍光体膜９の厚さと等しくなるような長さとすれば、ウイスカ１１の針状結晶部の先端がメタルバック１０を突き抜け、電子源１３側に露出することを回避することができ、電子源１３側への光の漏洩を防止することができる。すなわち、第１ガラス基板８表面での表面反射により発光層である蛍光体膜９に戻った光や、蛍光体１２からメタルバック１０側に放出された光の損失をさらに低減することが可能となる。
【００６２】
さらに、酸化亜鉛からなるウイスカ１１を用いることにより、蛍光体膜９に導電性を付与することができ、メタルバック１０が配置されていることと合わせて、例えばＰ２２のような絶縁性蛍光体を用いた場合の蛍光体膜のチャージアップを防止することができるとともに、熱伝導性能が向上するため、高輝度の発光を行っている時の蛍光体膜の熱的劣化を防止することが可能となる。
【００６３】
以上により、本発明にかかる面発光素子１による、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率での発光が行われる。
【００６４】
ここで、第１ガラス基板８と同様のガラス基板上にウイスカを塗布せずに蛍光体のみが塗布された従来の面発光素子と、本発明の面発光素子１との発光効率を比較する。
【００６５】
輝度測定と、輝度測定の際の投入電力とから発光効率を求めた結果、従来の構成を有する面発光素子では１７（ｌｍ／Ｗ）であったのに対し、本発明にかかる面発光素子１では２４（ｌｍ／Ｗ）となり、発光効率が約１．４倍向上した。すなわち、本発明の面発光素子１のように、蛍光体１２とウイスカ１１とからなる蛍光体膜９を、第１ガラス基板８とメタルバック１０との間に形成することによって、蛍光体１２から放出された光の損失を低減することが可能となり、発光効率を向上させることができることがわかる。
【００６６】
以上により、蛍光体１２から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができるフェースプレート２と、フェースプレート２を用いた面発光素子１とを容易に得ることができる。また、本発明の面発光素子１を用いた表示装置とすることにより、発光効率のよい表示装置を製造することができる。
【００６７】
なお、本実施の形態におけるフェースプレート２および面発光素子１の製造条件は、一例を示したにすぎず、本発明はこの数値に限定されるものではない。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかる発光基板は、蛍光体と針状結晶部を有する単結晶体とを含む発光層と、上記蛍光体から放出された光を透過する透明体と、上記蛍光体から放出された光を反射する反射膜とを備え、上記発光層は、上記透明体と反射膜との間に備えられている構成である。
【００６９】
上記構成によれば、発光層を透明体と反射膜との間に備えることにより、蛍光体から透明体側へ放出された光をそのまま外部へと放出するのみならず、蛍光体から反射膜側へ放出された光や、透明体表面での表面反射により反射膜側へ進んだ光についても反射膜にて反射して透明体から外部へと放出することができる。
【００７０】
従って、透明体と反射膜との間に、蛍光体と単結晶体とからなる発光層を形成することにより、透明体での全反射を防止することができるとともに、透明体表面での表面反射により発光層に戻る光をも発光に寄与させることを可能とする。その結果、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を容易かつ安価に提供することができるという効果を奏する。
【００７１】
本発明にかかる発光基板は、上記構成に加え、発光層の単結晶体が透明体の次に形成され、該単結晶体の層の次に蛍光体の層が形成され、該単結晶体の針状結晶部が蛍光体の層に侵入し、反射膜の付近まで達している構成である。上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失をさらに低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を得ることができるという効果を奏する。
【００７２】
上記の発光基板において、上記単結晶体は、正四面体の体心からその４頂点に向かってそれぞれ伸びる針状結晶部を有する形状である構成としてもよい。上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を容易に得ることができるという効果を奏する。
【００７３】
上記の発光基板において、上記単結晶体は、酸化亜鉛からなる構成としてもよい。上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができるとともに、熱的耐性および電気的耐性を有する発光基板を得ることができるという効果を奏する。
【００７４】
以上のように、本発明にかかる発光素子は、上記のいずれかに記載の発光基板と、上記発光層に向かって電子線を放出する電子源とを備えている構成である。
【００７５】
上記構成によれば、電子源から発光層に向かって放出された電子線が発光層の蛍光体と衝突することにより、蛍光体が励起状態となり発光する。上記いずれかに記載の発光基板を用いることにより、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光素子を得ることができるという効果を奏する。
【００７６】
以上のように、本発明にかかる表示装置は、上記記載の発光素子を用いてなる構成である。上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる表示装置を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における電子線励起蛍光体を用いた面発光素子の、蛍光体膜を示す断面図である。
【図２】図１に示す蛍光体膜の要部の断面図である。
【図３】蛍光体膜における光の軌跡を示すものであり、図２に示す蛍光体膜の要部の断面図である。
【図４】上記面発光素子を示す断面図である。
【図５】従来の構成からなる発光素子の蛍光体層を示す断面図である。
【図６】従来の他の構成からなる発光素子の蛍光体層を示す断面図である。
【図７】図６に示す蛍光面における光の軌跡を示す蛍光体層の断面図である。
【符号の説明】
１ 面発光素子（発光素子）
２ フェースプレート（発光基板）
３ バックプレート
８ 第１ガラス基板（透明体）
９ 蛍光体膜（発光層）
１０ メタルバック
１１ ウイスカ（単結晶体）
１２ 蛍光体
１３ 電子源
１４ 第２ガラス基板
１５ 電子線
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光基板および該発光基板を用いた発光素子、並びに該発光素子を用いた表示装置に関するものである。より詳しくは、蛍光体を用いた発光基板および該発光基板を光源として用いた発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディア社会の到来により、様々な新しいディスプレイが開発されている。その中でも、従来からある電子線励起蛍光体を用いたＣＲＴ（Cathode Ray Tube）は、自発光による視野角の広さ、ピーク輝度の高さ、低価格という点から、現在もディスプレイの主流として用いられている。また、電界放出型電子源を用いたフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）は、ＣＲＴと同様に電子線励起蛍光体を用いた自発光型フラットパネルディスプレイとして研究、開発が盛んに行われている。
【０００３】
従来の電子線励起蛍光体を用いた発光素子として、図５に示す発光素子５０がある。図５に示す発光素子５０は、透明体５１と、酸化亜鉛からなるウイスカを有する電子線励起蛍光体からなる蛍光層５２とを有している。
【０００４】
ウイスカとは、針状（ひげ状）を呈した単結晶のことであり、一般的にその単結晶の大きさは直径が約０．１μｍから数十μｍ程度である。ウイスカのうち、酸化亜鉛からなるウイスカは、正四面体の中心から各頂点方向へ成長したいわゆる針状の結晶が４本一組となっている。すなわち、形状的には、針状の結晶が正四面体の体心から４頂点に伸びた形状を形成している。また、酸化亜鉛は、ＺｎＯ：Ｚｎとして電子線励起蛍光体に用いられる材料であり、この酸化亜鉛ウイスカと絶縁性蛍光体とを用いた電子線励起蛍光体が従来より提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００５】
電子線励起蛍光体とは、カソードルミネッセンスとも呼ばれ、電子線の照射により励起されて発光する蛍光体のことである。最も代表的な電子線励起蛍光体として、カラーテレビ用ＣＲＴに用いられているＰ２２がある。Ｐ２２とは、１９４５年から使用されているアメリカＥＩＡ（Electronics Industries Association）により定められた蛍光面の表示記号である。Ｐ２２は、青・緑・赤の三色の発光色を有する蛍光体からなり、青にはＺｎＳ：Ａｇ、緑にはＺｎＳ：Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ、赤にはＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+等が用いられている。青・緑に用いられている蛍光体は、ドナー−アクセプター対発光を用いた蛍光体であり、比較的広範な発光ピークを持つ。一方、赤に用いられる蛍光体は、Ｅｕ3+イオンの４ｆ6内殻電子の遷移により生じる発光であり、結晶場の影響を受けにくいため、輝線スペクトルとなる。
【０００６】
また、電子線励起蛍光体における発光輝度Ｂは、近似式として、
Ｂ＝Ｋｆ（ｉ）［Ｖ−Ｖ0］n
で表される。ここで、Ｋは定数、ｎは１〜３の整数、Ｖは加速電圧である。また、Ｖ0はｄｅａｄ ｖｏｌｔａｇｅと呼ばれ、これ以上の電圧にならないと電子線励起蛍光体が発光を行わない値である。ｆ（ｉ）は発光輝度の電流依存性を表しており、電流密度が１０-2〜１０-3Ａ／ｃｍ2程度まで、発光輝度は電流値にほぼ比例する。また、低い加速電圧では、飽和特性はより低い電流密度で生じる傾向がある。このため、加速電圧をより上げることにより、より効率よく高輝度を得ることができる。
【０００７】
図５に示すように、従来の発光素子５０は、図示しない電子源から放出された電子線５３が蛍光体と衝突することにより、蛍光体が励起状態となり発光する。蛍光体から放出された光は、軌跡５４のように透明体５１を透過して外部へ放出されるようになっている。
【０００８】
しかしながら、従来の電子線励起蛍光体による発光素子５０では、光が透明体５１から外部、すなわち空気中に入射する際に全反射という現象が生じる。全反射とは、密媒体ｂ（屈折率ｎb）から疎媒体ａ（屈折率ｎa）に光が入射する場合（ｎb＞ｎa）に、臨界角と呼ばれる角度以上で入射する光が、密媒体ｂと疎媒体ａとの界面でもとの密媒体ｂに全て反射される現象をいう。臨界角ｉ0の正弦は、以下の式で表される。
【０００９】
ｓｉｎｉ0＝ｎa／ｎb
このため、電子線５３により励起された蛍光体の発光の中で、界面に臨界角より小さい角度で入射した光は透明体５１を通過するものの、界面に臨界角以上で入射した光は、図５に示す軌跡５５のように、全反射され空気中には放射されず、透明体５１中を導波する。このように、全反射した光は、透明体５１を導波し透明体５１側面から外部に放射されるか、あるいは透明体５１へ吸収されることにより熱へ変換される等によって発光に寄与することなく損失となってしまう。
【００１０】
これを解決するために、図６および図７に示す発光素子５６では、透明体５７と蛍光体層５８との間に透明体５７の屈折率よりも小さい屈折率を有する低屈折率材料層５９を形成することにより全反射を防止している（例えば、特許文献３）。特許文献３によれば、低屈折率材料層５９を形成することにより、図６および図７に示す軌跡６０のように、蛍光体から放出された光が低屈折率材料層５９から透明体５７へ入射する際に、全反射を防止して光の損失を生じることなく空気中へ放出することができるようになっている。
【００１１】
また、蛍光体層５８での発光は、蛍光体層５８の透明体５７側と電子源（図示せず）側との両側で行われるため、電子源側での発光は例えばＣＲＴとしての輝度には加わらず無駄となってしまう。そのため、蛍光体層５８の電子源側にメタルバックと呼ばれるアルミニウム膜（図示せず）を蒸着し、電子源側に発光した光をメタルバックにより反射させ、輝度を２倍程度高める方法がある。この方法の他の利点としては、導電性を有しない蛍光体のチャージアップ防止およびイオンによる焼損の防止がある。
【００１２】
【特許文献１】
特公平５−７７７１７号公報（公告日：平成５年１０月２７日）
【００１３】
【特許文献２】
特許第２５０６９８０号公報（登録日：平成８年４月２日）
【００１４】
【特許文献３】
特開２００１−２０２８２７号公報（公開日：平成１３年７月２７日）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献３の場合では、蛍光体から放出された光の一部が、低屈折率材料層５９から透明体５７へ入射する際に、図７に示す軌跡６１のように、光が低屈折率材料層５９と透明体５７との界面にて表面反射され、蛍光体層５８へ戻ってしまう。表面反射は、媒質間の屈折率差が大きいほど、また入射角が大きいほど起こりやすくなるため、ある角度以上の角度で透明体５７に入射する光は全て表面反射される。そして、表面反射され蛍光体層５８に戻った光は、蛍光体に吸収される。すなわち、空気中に放出されずに表面反射され蛍光体に吸収されることによる損失が生じてしまう。
【００１６】
また、上記特許文献１および２の場合では、ウイスカとして酸化亜鉛からなるウイスカを用いることにより、蛍光体層５２へ導電性付与することができること、および酸化亜鉛ウイスカが無色透明であるため透光性が高いことを挙げている。しかしながら、上記蛍光体層５２を用いたとしても全反射による光の損失を低減することができないとともに、蛍光体層５２は低速電子線励起蛍光体を使用しているため、発光素子を形成する際に蛍光体層５２とメタルバックとを組み合わせることができず、電子源側に発光した光の損失を低減することができない。
【００１７】
従って、従来の電子線励起蛍光体を用いた発光素子では、発光した光の全反射、蛍光体による吸収等により、光の外部取り出し効率が低下し、発光素子としての発光効率を低下させてしまうという問題点を有している。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するために提案されたものであり、透明体とメタルバックとの間に、蛍光体と透明ウイスカとからなる蛍光体層を形成することで、透明体中での全反射を防止するとともに、透明体表面での表面反射により蛍光体層に戻る光も発光に寄与させることを可能とし、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板および該発光基板を用いた発光素子を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる発光基板は、上記課題を解決するために、蛍光体と針状結晶部を有する単結晶体とを含む発光層と、上記蛍光体から放出された光を透過する透明体と、上記蛍光体から放出された光を反射する反射膜とを備え、上記発光層は、上記透明体と反射膜との間に備えられていることを特徴としている。
【００２０】
上記構成によれば、蛍光体と単結晶体とを含む発光層は、一方の面に蛍光体から放出された光を透過する透明体を有し、他方の面に蛍光体から放出された光を反射する反射膜を有している。
【００２１】
蛍光体から放出された光のうち、透明体側に放出された光の多くは、透明体を透過した後に発光基板の外部へと放出される。一方で、反射膜側に放出された光は、反射膜にて反射されることによって透明体側へ進む。そして、透明体側へ進んだ光の多くは、透明体を透過して発光基板の外部へと放出される。また、透明体側に放出された光の一部、または反射されて透明体側へ進んだ光の一部は、透明体表面での表面反射により反射膜側へ進む。しかし、これらの光についても反射膜により反射されて再び透明体側へ進む。
【００２２】
すなわち、発光層を透明体と反射膜との間に備えることにより、蛍光体から透明体側へ放出された光をそのまま外部へと放出するのみならず、蛍光体から反射膜側へ放出された光や、透明体表面での表面反射により反射膜側へ進んだ光についても反射膜にて反射して透明体から外部へと放出することができる。
【００２３】
また、発光層には針状結晶部を有する単結晶体を含んでおり、蛍光体から放出された光は、単結晶体内にて反射を繰り返した後に透明体へ入射する。これにより、蛍光体から放出された光を効率的に透明体へ入射させることができる。また、蛍光体から放出された光は単結晶体を透過した後に透明体に入射するため、光が透明体に入射する角度を調節することが可能となり、透明体表面での光の表面反射を低減することができる。
【００２４】
さらに、反射膜を備えていない発光基板では、透明体側の反対側へ放出された光は外部へと放出されることなく損失していたのに対して、反射膜を備えることにより、反射膜にて反射して再び透明体側へ進ませることが可能となり、蛍光体から放出された光を損失することなく外部へ放出することができる。
【００２５】
従って、透明体と反射膜との間に、蛍光体と単結晶体とからなる発光層を形成することにより、透明体での全反射を防止することができるとともに、透明体表面での表面反射により発光層に戻る光をも発光に寄与させることを可能とする。その結果、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を容易かつ安価に提供することができる。
【００２６】
本発明にかかる発光基板は、上記構成に加え、発光層の単結晶体が透明体の次に形成され、該単結晶体の層の次に蛍光体の層が形成され、該単結晶体の針状結晶部が蛍光体の層に侵入し、反射膜の付近まで達していることを特徴としている。
【００２７】
上記構成によれば、単結晶体の最大長が、発光層の層厚と等しいため、単結晶体の針状結晶部が反射膜を突き抜けることを防止することができ、蛍光体から放出された光が反射されることなく漏洩してしまうことを防止することができる。また、単結晶体を透過した光が直ぐに透明体へ入射するようになっているため、蛍光体から放出された光をさらに効率的に透明体へ入射させることができる。
【００２８】
これにより、蛍光体から放出された光の損失をさらに低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を得ることができる。
【００２９】
本発明にかかる発光基板は、上記構成に加え、上記単結晶体は、正四面体の体心からその４頂点に向かってそれぞれ伸びる針状結晶部を有する形状であることを特徴としている。
【００３０】
上記構成によれば、例えば、単結晶体を透明体上に形成する際に、単結晶体の配向制御を行うことなしに、同一方向へ配向した単結晶体の層を形成することができる。これにより、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を容易に得ることができる。
【００３１】
本発明にかかる発光基板は、上記構成に加え、上記単結晶体は、酸化亜鉛からなることを特徴としている。
【００３２】
上記構成によれば、酸化亜鉛からなる単結晶体を用いることにより、発光層に導電性を付与することが可能となり、例えば蛍光体として絶縁性蛍光体を使用した場合に、反射膜が配置されていることと合わせて、蛍光層のチャージアップを防止することができる。また、発光層の熱伝導性能を向上させることが可能となるため、発光層が高輝度の発光を行っている時においても発光層の熱的劣化を防止することができる。
【００３３】
これにより、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができるとともに、熱的耐性および電気的耐性を有する発光基板を得ることができる。
【００３４】
本発明にかかる発光素子は、上記課題を解決するために、上記のいずれかに記載の発光基板と、上記発光層に向かって電子線を放出する電子源とを備えていることを特徴としている。
【００３５】
上記構成によれば、電子源から発光層に向かって放出された電子線が発光層の蛍光体と衝突することにより、蛍光体が励起状態となり発光する。上記いずれかに記載の発光基板を用いることにより、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光素子を得ることができる。
【００３６】
本発明にかかる表示装置は、上記課題を解決するために、上記記載の発光素子を用いてなることを特徴としている。
【００３７】
上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる表示装置を得ることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図４に基づいて以下に説明する。
【００３９】
図４に示すように、本発明にかかる面発光素子（発光素子）１は、フェースプレート（発光基板）２、バックプレート３、スペーサ４、取り出し配線５ａ・５ｂ、リング状ゲッタ６、チップオフ管７を有している。
【００４０】
フェースプレート２は、第１ガラス基板（透明体）８、蛍光体膜（発光層）９およびメタルバック（反射膜）１０から構成されている。第１ガラス基板８上には蛍光体膜９が形成され、蛍光体膜９上にはメタルバック１０が形成されている。蛍光体膜９は、酸化亜鉛からなるウイスカ（単結晶体）１１と電子線が照射されることにより励起状態となり発光する蛍光体（以下、電子線励起蛍光体ともいう）１２とからなる膜である。また、蛍光体膜９は、第１ガラス基板８の次にウイスカ１１の層が形成され、ウイスカ１１の層の次に蛍光体１２の層が形成された構成となっている。すなわち、ウイスカ１１を第１ガラス基板８と蛍光体１２の層との間に設け、かつ、ウイスカ１１の突起が蛍光体１２の層に侵入し、メタルバック１０付近まで達している構成となっている。メタルバック１０は、アルミニウムからなっており、蛍光体１２から放出された光を反射するようになっている。また、蛍光体膜９およびメタルバック１０が形成された面の第１ガラス基板８上には、取り出し配線５ａが形成されている。
【００４１】
バックプレート３は、電子源１３および第２ガラス基板１４から構成されており、第２ガラス基板１４上に電子源１３が形成されている。電子源１３は、蛍光体１２を発光させるために、蛍光体膜９に向かって電子線を放出するようになっている。また、電子源１３が形成された面の第２ガラス基板１４上には、取り出し配線５ｂが形成されている。
【００４２】
フェースプレート２およびバックプレート３は、第１ガラス基板８の蛍光体膜９およびメタルバック１０が形成された面と、第２ガラス基板１４の電子源１３が形成された面とが対向するように、スペーサ４を介して配置されている。スペーサ４は、額縁形状をしており、蛍光体膜９およびメタルバック１０が形成された面の第１ガラス基板８上に、蛍光体膜９およびメタルバック１０を取り囲むようにして、また電子源１３が形成された面の第２ガラス基板１４上に、電子源１３を取り囲むようにして配置されている。また、スペーサ４はリング状ゲッタ６を内包しているチップオフ管７を備えており、チップオフ管７を用いてフェースプレート２、バックプレート３およびスペーサ４によって囲まれた内部の空気を抜くことにより真空状態にし、リング状ゲッタ６を用いて内部の真空度を高めるようになっている。
【００４３】
上記ウイスカ１１とは、針状（ひげ状）を呈した単結晶のことであり、本実施の形態におけるウイスカ１１は、正四面体の体心からその４頂点に向かってそれぞれ伸びる針状結晶部を有する形状、いわゆるテトラポット（登録商標）形状をしており、その全長は蛍光体膜９の膜厚と等しい。なお、ウイスカ１１の全長が蛍光体膜９の膜厚と等しいとは、ウイスカ１１の全長と蛍光体膜９の膜厚とが互いに全く等しい場合の他に、各々がほぼ等しい場合（例えば、ウイスカ１１の全長が蛍光体膜９の膜厚の９０％以上である場合）も含むことを意味している。本実施の形態では、針状結晶部の針状短繊維長が１０μｍ、針状短繊維径が１μｍのウイスカ１１を使用している。
【００４４】
上記構成を有する面発光素子１を製造する方法の一例について説明する。
【００４５】
まず、大きさが３０ｍｍ×４５ｍｍ×２．３ｍｍｔである第１ガラス基板８上にディスペンサを用いて銀ペーストを塗布し、取り出し配線５ａを形成する。そして、第１ガラス基板８表面を、ＨＦ，ＮＨ4ＨＦ，ＮａＯＨ等によって軽くエッチングし、中和およびすすぎを行った後に、第１ガラス基板８表面にシラノール基を形成する。次に、シラノール基が形成された第１ガラス基板８表面を温水で濡らし、０．５ｗｔ％ＰＶＡ（Poly Vinyl Alcohol）希釈溶液を塗布する。そして、第１ガラス基板８表面を乾燥させることによりＰＶＡ下地層を形成する。
【００４６】
そして、上記第１ガラス基板８に形成されたシラノール基およびＰＶＡ下地層の上に、酸化亜鉛からなるウイスカ１１を分散させたスラリーをスピンコートにより塗布し、乾燥させる。上記ウイスカ１１を塗布する方法は、液中での電気泳動を用いる方法や、静電塗装または静電植毛等の空気中で静電的に付着させる方法を用いてもよい。また、ウイスカ１１を上記形状とすることにより、ウイスカ１１塗布時に配向制御を行うことなく同一方向へ配向した塗布が可能となる。
【００４７】
さらに、青・緑・赤の蛍光体を重量比１：１：１で混合して分散させた蛍光体１２のスラリーを、ウイスカ１１が塗布された第１ガラス基板８上にスピンコートにより塗布し、乾燥させる。これにより、第１ガラス基板８の次にウイスカ１１の層が形成され、ウイスカ１１の層の次に蛍光体１２の層が形成された、ウイスカ１１と蛍光体１２とからなる蛍光体膜９を形成する。
【００４８】
次に、メタルバックを平坦な状態で形成させるために、蛍光体膜９表面にイソブチルメタクリレート系樹脂ラッカー液を塗布し、有機樹脂塗膜を製膜する。そして、真空蒸着により有機樹脂塗膜上に膜厚２００ｎｍのアルミニウム薄膜を製膜する。その後、熱処理を行い、有機樹脂塗膜を熱分解除去することによって、メタルバック１０を形成する。これにより、図１ないし図３に示すように、本発明にかかる、第１ガラス基板８とメタルバック１０との間に蛍光体膜９が配置されたフェースプレート２が形成される。
【００４９】
次に、大きさが３０ｍｍ×４５ｍｍ×２．３ｍｍｔである第２ガラス基板１４上にディスペンサを用いて銀ペーストを塗布し、取り出し配線５ｂを形成する。そして、電界電子放出特性に優れたカーボンナノチューブを分散させたガラスペーストを、第２ガラス基板１４上にスクリーン印刷により塗布する。その後、ガラスペーストが塗布された第２ガラス基板１４を１４０℃で１５分間乾燥させ、４５０℃で１０分間保持して焼成することによって電子源１３を形成する。これにより、第２ガラス基板１４上に電子源１３が形成されたバックプレート３が形成される。
【００５０】
次に、第１ガラス基板８の蛍光体膜９が形成された面上の、蛍光体膜９が形成されていない部分にフリットガラスペーストを塗布する。また、第２ガラス基板１４の電子源１３が形成された面上の、電子源１３が形成されていない部分にフリットガラスペーストを塗布する。そして、第１ガラス基板８のフリットガラスペーストが塗布された部分と第２ガラス基板１４のフリットガラスペーストが塗布された部分とに、厚さ２ｍｍの額縁形状を有するスペーサ４を配置することによりフェースプレート２とバックプレート３とを接合する。フェースプレート２およびバックプレート３の接合は、スペーサ４を介して、第１ガラス基板８の蛍光体膜９が形成されている面と第２ガラス基板１４の電子源１３が形成されている面とが互いに向き合うようにして行われる。また上記接合は、窒素ガス雰囲気中、４００℃の条件で行われる。
【００５１】
そして、スペーサ４に備えられているチップオフ管７を用いてフェースプレート２、バックプレート３およびスペーサ４に囲まれた内部の空気を抜き、真空排気を行った後に、チップオフ管７によって封じ切り、内部を真空状態にする。その後、誘導過熱することによりリング状ゲッタ６を加熱、活性化させ内部の真空度を高める。
【００５２】
以上により、本発明にかかる電子線励起蛍光体を用いた面発光素子１が製造される。
【００５３】
次に、本発明にかかる電子線励起蛍光体を用いた面発光素子１が発光する機構について図３に基づいて説明する。
【００５４】
バックプレート３の電子源１３から放出された電子線１５が、フェースプレート２のメタルバック１０を透過して蛍光体１２と衝突することにより、蛍光体１２は励起状態となり発光し、光を放出する。蛍光体１２から放出された光は、第１ガラス基板８側に進む光とメタルバック１０側に進む光とに分かれる。また、第１ガラス基板８に到達した光の一部は、軌跡１７のように、第１ガラス基板８表面で表面反射され、蛍光体膜９をメタルバック１０側へ進む。
【００５５】
なお、上述のように蛍光体膜９は、第１ガラス基板８の次にウイスカ１１の層が形成され、ウイスカ１１の層の次に蛍光体１２の層が形成された構成となっている。これにより、メタルバック１０を透過し蛍光体膜９に入射された電子線が、蛍光体１２ではなく、先にウイスカ１１に入射してしまうことを最小限に抑えることができる。したがって、蛍光体膜９は、ウイスカ１１の層がガラス基板８と蛍光体１２の層との間に形成され、かつ、ウイスカ１１の針状結晶部が蛍光体１２の層に侵入し、メタルバック１０付近まで達している構成であることが最も望ましい。
【００５６】
第１ガラス基板８側に放出された光には、そのまま第１ガラス基板８に到達する光と、ウイスカ１１を透過した後に第１ガラス基板８に到達する光とがある。蛍光体１２から放出されそのまま第１ガラス基板８へ入射光は、軌跡１６ａのように第１ガラス基板８を透過してフェースプレート２の外部、すなわち面発光素子１の外部に放出される。蛍光体１２から放出されウイスカ１１に入った光は、軌跡１６ｂのように、ウイスカ１１内部の表面にて反射を繰り返し、第１ガラス基板８へ入射した後に、第１ガラス基板８を透過して面発光素子１の外部に放出される。
【００５７】
なお、蛍光体１２から放出された光の多くがウイスカ１１を透過するため、光を効率よく面発光素子１の外部に放出することができる。また、ウイスカ１１を透過する光は、ウイスカ１１内で反射を繰り返し第１ガラス基板８に入射するため、第１ガラス基板８へ入射する光の入射角を調節することができ、第１ガラス基板８表面での表面反射を低減することができる。また、蛍光体膜９のウイスカ１１と蛍光体１２とのすき間は真空となっており、蛍光体１２から放出された光は、真空中を経由して第１ガラス基板８に入射し面発光素子１の外部に放出されるようになっている。真空の屈折率は第１ガラス基板８の屈折率よりも小さいため第１ガラス基板８中での全反射は起こらなくなり、全反射による光の損失を低減することができる。
【００５８】
一方、メタルバック１０側に放出された光には、そのままメタルバック１０に到達する光と、ウイスカ１１を透過した後にメタルバック１０に到達する光とがある。ウイスカ１１を透過する光は、ウイスカ１１内部の表面にて反射を繰り返し、メタルバック１０に到達する。蛍光体１２からメタルバック１０側に放出された光は、そのままメタルバック１０に到達する光およびウイスカ１１を透過した後にメタルバック１０に到達する光の双方共に、メタルバック１０によって第１ガラス基板８側へ反射される。また、上記の第１ガラス基板８表面にて表面反射され、蛍光体膜９をメタルバック１０側へ進む光についても、メタルバック１０によって第１ガラス基板８側へ反射される。
【００５９】
メタルバック１０により第１ガラス基板８側へ反射された光には、蛍光体１２から第１ガラス基板８側へ放出された光と同様に、そのまま第１ガラス基板８を透過して面発光素子１の外部に放出される光と、ウイスカ１１を透過した後に第１ガラス基板８を透過して面発光素子１の外部に放出される光とがある。メタルバック１０によって反射された光においても、その多くがウイスカ１１を透過するため、第１ガラス基板８表面での表面反射を低減することができるとともに、光を効率よく面発光素子１の外部に放出することができる。
【００６０】
すなわち、蛍光体膜９の第１ガラス基板８と隣接している面と反対側の面に、蛍光体膜９と隣接するようにメタルバック１０を配置することにより、電子源１３側に発光された光をメタルバック１０によって反射することが可能となるとともに、第１ガラス基板８側に発光された光であって第１ガラス基板８表面にて表面反射された光をメタルバック１０によって第１ガラス基板８側へ再び反射することが可能となる。このため、第１ガラス基板８の表面にて蛍光体膜９へ反射された光の損失および電子源１３側に発光した光の損失を低減することができる。すなわち、蛍光体１２から放出された光の損失を低減するとともに、効率よく面発光素子１の外部に光を放出することが可能となる。
【００６１】
なお、ウイスカ１１の最大長を例えば蛍光体膜９の厚さと等しくなるような長さとすれば、ウイスカ１１の針状結晶部の先端がメタルバック１０を突き抜け、電子源１３側に露出することを回避することができ、電子源１３側への光の漏洩を防止することができる。すなわち、第１ガラス基板８表面での表面反射により発光層である蛍光体膜９に戻った光や、蛍光体１２からメタルバック１０側に放出された光の損失をさらに低減することが可能となる。
【００６２】
さらに、酸化亜鉛からなるウイスカ１１を用いることにより、蛍光体膜９に導電性を付与することができ、メタルバック１０が配置されていることと合わせて、例えばＰ２２のような絶縁性蛍光体を用いた場合の蛍光体膜のチャージアップを防止することができるとともに、熱伝導性能が向上するため、高輝度の発光を行っている時の蛍光体膜の熱的劣化を防止することが可能となる。
【００６３】
以上により、本発明にかかる面発光素子１による、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率での発光が行われる。
【００６４】
ここで、第１ガラス基板８と同様のガラス基板上にウイスカを塗布せずに蛍光体のみが塗布された従来の面発光素子と、本発明の面発光素子１との発光効率を比較する。
【００６５】
輝度測定と、輝度測定の際の投入電力とから発光効率を求めた結果、従来の構成を有する面発光素子では１７（ｌｍ／Ｗ）であったのに対し、本発明にかかる面発光素子１では２４（ｌｍ／Ｗ）となり、発光効率が約１．４倍向上した。すなわち、本発明の面発光素子１のように、蛍光体１２とウイスカ１１とからなる蛍光体膜９を、第１ガラス基板８とメタルバック１０との間に形成することによって、蛍光体１２から放出された光の損失を低減することが可能となり、発光効率を向上させることができることがわかる。
【００６６】
以上により、蛍光体１２から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができるフェースプレート２と、フェースプレート２を用いた面発光素子１とを容易に得ることができる。また、本発明の面発光素子１を用いた表示装置とすることにより、発光効率のよい表示装置を製造することができる。
【００６７】
なお、本実施の形態におけるフェースプレート２および面発光素子１の製造条件は、一例を示したにすぎず、本発明はこの数値に限定されるものではない。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかる発光基板は、蛍光体と針状結晶部を有する単結晶体とを含む発光層と、上記蛍光体から放出された光を透過する透明体と、上記蛍光体から放出された光を反射する反射膜とを備え、上記発光層は、上記透明体と反射膜との間に備えられている構成である。
【００６９】
上記構成によれば、発光層を透明体と反射膜との間に備えることにより、蛍光体から透明体側へ放出された光をそのまま外部へと放出するのみならず、蛍光体から反射膜側へ放出された光や、透明体表面での表面反射により反射膜側へ進んだ光についても反射膜にて反射して透明体から外部へと放出することができる。
【００７０】
従って、透明体と反射膜との間に、蛍光体と単結晶体とからなる発光層を形成することにより、透明体での全反射を防止することができるとともに、透明体表面での表面反射により発光層に戻る光をも発光に寄与させることを可能とする。その結果、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を容易かつ安価に提供することができるという効果を奏する。
【００７１】
本発明にかかる発光基板は、上記構成に加え、発光層の単結晶体が透明体の次に形成され、該単結晶体の層の次に蛍光体の層が形成され、該単結晶体の針状結晶部が蛍光体の層に侵入し、反射膜の付近まで達している構成である。上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失をさらに低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を得ることができるという効果を奏する。
【００７２】
上記の発光基板において、上記単結晶体は、正四面体の体心からその４頂点に向かってそれぞれ伸びる針状結晶部を有する形状である構成としてもよい。上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光基板を容易に得ることができるという効果を奏する。
【００７３】
上記の発光基板において、上記単結晶体は、酸化亜鉛からなる構成としてもよい。上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができるとともに、熱的耐性および電気的耐性を有する発光基板を得ることができるという効果を奏する。
【００７４】
以上のように、本発明にかかる発光素子は、上記のいずれかに記載の発光基板と、上記発光層に向かって電子線を放出する電子源とを備えている構成である。
【００７５】
上記構成によれば、電子源から発光層に向かって放出された電子線が発光層の蛍光体と衝突することにより、蛍光体が励起状態となり発光する。上記いずれかに記載の発光基板を用いることにより、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる発光素子を得ることができるという効果を奏する。
【００７６】
以上のように、本発明にかかる表示装置は、上記記載の発光素子を用いてなる構成である。上記構成によれば、蛍光体から放出された光の損失を低減させ、高い輝度効率で発光することができる表示装置を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における電子線励起蛍光体を用いた面発光素子の、蛍光体膜を示す断面図である。
【図２】図１に示す蛍光体膜の要部の断面図である。
【図３】蛍光体膜における光の軌跡を示すものであり、図２に示す蛍光体膜の要部の断面図である。
【図４】上記面発光素子を示す断面図である。
【図５】従来の構成からなる発光素子の蛍光体層を示す断面図である。
【図６】従来の他の構成からなる発光素子の蛍光体層を示す断面図である。
【図７】図６に示す蛍光面における光の軌跡を示す蛍光体層の断面図である。
【符号の説明】
１ 面発光素子（発光素子）
２ フェースプレート（発光基板）
３ バックプレート
８ 第１ガラス基板（透明体）
９ 蛍光体膜（発光層）
１０ メタルバック
１１ ウイスカ（単結晶体）
１２ 蛍光体
１３ 電子源
１４ 第２ガラス基板
１５ 電子線
Claims (5)
- 蛍光体と針状結晶部を有する単結晶体とを含む発光層と、
上記蛍光体から放出された光を透過する透明体と、
上記蛍光体から放出された光を反射する反射膜とを備え、
上記発光層が上記透明体と反射膜との間に備えられ、
上記発光層の単結晶体は上記透明体の次に形成され、該単結晶体の層の次に上記蛍光体の層が形成され、
単結晶体の針状結晶部が蛍光体の層に侵入し、反射膜まで達していることを特徴とする発光基板。 - 上記単結晶体は、正四面体の体心からその４頂点に向かってそれぞれ伸びる針状結晶部を有する形状であることを特徴とする請求項１に記載の発光基板。
- 上記単結晶体は、酸化亜鉛からなることを特徴とする請求項１または２に記載の発光基板。
- 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発光基板と、
上記発光層に向かって電子線を放出する電子源とを備えていることを特徴とする発光素子。 - 請求項４に記載の発光素子を用いてなることを特徴とする表示装置。
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