JP5123675B2

JP5123675B2 - 表示装置

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Publication number: JP5123675B2
Application number: JP2008013921A
Authority: JP
Inventors: 俊克堺
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-01-24
Also published as: JP2009176568A

Description

本発明は、真空封止された容器を含む表示装置に関する。

従来より、封止した真空容器を用いるデバイスの一つに、ＣＲＴ(Cathode Ray Tube)がある。特に近年は、ＣＲＴと同じく電子線を用いた自発光ディスプレイでＣＲＴよりも薄型化、軽量化、大画面化が可能なディスプレイとして、フィールドエミッションディスプレイ(Field-Emission Display: ＦＥＤ)の研究・開発が進んでおり、多数の報告がなされている（例えば、非特許文献１、２参照）。

図４は、薄板状のＦＥＤの一部分を示す斜視透視図である。このようにＦＥＤは、蛍光体などの発光層１を形成したガラス製の陽極基板２と、電子放出源３を形成したガラス製の陰極基板４とを対面させて配置した基本構造を有しており、電子放出源３から放出された電子を陽極基板２の発光層１に射突させて発光表示を得る表示装置である。

発光層１は、陽極基板２の対向面に形成された陽極電極２Ａに積層されている。図４には、発光表示領域毎に配設された４つの発光層１を示す。

電子放出源３は、陰極基板４の対向面側にマトリクス状に配設されており、各電子放出源３は、発光層１の各々と対向している。ＦＥＤの電子放出源３としては、電圧を印加することによって電子を放出させる冷陰極電子放出源が用いられる。

冷陰極電子放出源アレイは、複数のストライプ状のカソード電極３Ａと、複数のストライプ状のゲート電極３Ｂとを含む。カソード電極３Ａとゲート電極３Ｂは、陰極基板４の表面上にストライプが直交するように形成されており、ゲート電極３Ｂは、絶縁層３Ｃを介してカソード電極３Ａの上に形成されている。

カソード電極３Ａとゲート電極３Ｂとが直交する領域には、ゲート電極３Ｂ及び絶縁層３Ｃを貫通してカソード電極３Ａに達する貫通孔３Ｄが形成されており、この貫通孔３Ｄ内には、カソード電極３Ａの表面上に電子放出部３Ｅが配設される。

通常、陽極基板２と陰極基板４は、１ｃｍ以下の短い距離を隔てて対向するように配置されており、外周側部はフリットシール５によって封止されて薄板状の真空容器を構成している。図４には、ＦＥＤの一部分を示すため、フリットシール５は直方体状に表されているが、実際には、相対向する矩形板状の陽極基板２と陰極基板４の外周端を封止する矩形環状の部材である。

この真空容器内では、陽極基板と陰極基板との間はスペーサ６と呼ばれる支持体によって支持されている。このスペーサ６は、図４に示すように、発光表示領域以外の場所に配置されており、スペーサ６の形状は例えば円柱状である。

このようなＦＥＤの特徴である、大面積、薄型、軽量を実現するためには、陽極基板２と陰極基板４を厚くすることなく真空容器を形成しなければならず、そのためにはスペーサ６を真空容器内に配置する必要がある。
S. Ito et al. Proc. IDW ’04, p.1189 (2004) T. Oguchi et al. SID ’05 Digest of Technical Papers Volume XXXVI, p.1929

図４に示すようなＦＥＤに用いられるスペーサ６に必要な性能としては、（１）大気圧下で陽極基板２と陰極基板４を支持できるだけの強度を持っていること、（２）スペーサ６（支持体）の支持面が発光表示の妨げにならないよう、相隣接する発光表示領域同士の空隙に配置できるように陽極基板２及び陰極基板４との接触部の面積が充分に小さいこと（すなわち非常に大きなアスペクト比を持つこと）、（３）化学的に安定でありガスなどの不純物を発生せず真空空間を汚染しないこと、（４）帯電して、電子ビームの軌道に影響を与えないように適度な導電性を持っていること、（５）スペーサ６を複数用いる場合、その高さが均一であること、などが挙げられる。

現在報告されているスペーサ６としては、例えば、非特許文献１に挙げられているように、ガラス製のものが一般的である。しかしながら、非特許文献１のようなスペーサ６を用いた場合は、アスペクト比が数十以上の非常に細長い形状のガラスを多数形成し、さらに形成した多数のスペーサ６を陽極基板２及び陰極基板４上の所望の位置に画素程度のピッチで精度良く固定しなければならず、例えば特開平０９−３０９０２８号公報に記載されているようにスペーサ６の配置精度を高めるために治具を用いると製造工程が複雑化するという課題があった。

また、スペーサ６の材質がガラスである場合、製作工程中に生じた歪みや擦り傷などにより強度が低下するため、スペーサ６を複数用いる場合には、各スペーサ６の強度にばらつきが発生し、信頼性が低下する可能性があるという課題があった。

また、ＦＥＤの構造によっては、スペーサ６への帯電を避けるために、スペーサ６に導電性を持たせる必要があるという課題が生じていた。

そこで、本発明は、製造が容易で信頼性の高いスペーサを用いた大面積、薄型、軽量である表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面の表示装置は、相対向する第１基板及び第２基板と、前記第１基板の一方の面側に形成される陽極電極及び発光層と、前記第２基板の対向面側に配設される電子放出源と、前記第１基板と前記第２基板との間の空間を真空封止する封止手段とを含み、前記電子放出源から前記発光層に電子が射突されることにより発光表示を得る表示装置であって、前記第１基板と前記第２基板との間を真空空間内で支持する支持体がカーボンナノチューブで構成される。

また、前記第１基板の前記第２基板と対向する面側にはカーボンナノチューブを成長させるための触媒部材を備え、前記カーボンナノチューブで構成される前記支持体は、化学気相成長法により前記触媒部材の上に形成されてもよい。

前記触媒部材は、前記陽極電極との間が絶縁層によって絶縁されている、又は、前記陽極電極がパターニングされることによって当該陽極電極とは絶縁されていてもよい。

また、前記カーボンナノチューブで構成される前記支持体は、前記第１基板又は前記第２基板の平面視において、ドット状又はストライプ状に発光表示領域以外の領域内に配列されてもよい。

本発明によれば、製造が容易で信頼性の高いスペーサを用いた大面積、薄型、軽量である表示装置を提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の表示装置を適用した実施の形態について説明する。本実施の形態では、図４を援用する。

本実施の形態のＦＥＤは、図４に示すスペーサ６の代わりに、カーボンナノチューブ（Carbon Nano Tube:ＣＮＴ）製のＣＮＴスペーサ１１を支持体として用いる。カーボンナノチューブは、アスペクト比が高く優れた機械的強度を持っている材料であり、スペーサの材料に好適である。

カーボンナノチューブの機械的特性は、例えば長軸方向のヤング率はガラスのそれ（７０Ｇｐａ程度）に比べて遙かに高く、ダイヤモンドのそれ（１Ｔｐａ）にほぼ匹敵する。また、非常に大きな曲げや歪みに対して、ほとんど欠陥を生じることなしに元の構造に復元する性質を有する。

非特許文献M. Nishio et al. Jpn. J. Appl. Phys. 44, L1097-L1099 (2005)によれば、直径約１０ｎｍのカーボンナノチューブ１本が座屈する臨界の圧縮力は、２４ｎＮであることが確認されている。

カーボンナノチューブは、直径が数ｎｍ〜１００ｎｍ程度の非常に細い繊維である。カーボンナノチューブの成長法には、ＣＶＤ法、印刷法、アーク放電法等があるが、例えば非特許文献K. Hata et al. SCIENCE, 36, 1362 (2004)に記載のように、長さ数ｍｍという非常にアスペクト比の高いカーボンナノチューブを基板の所望の位置に垂直配向させて均一に形成するＣＶＤ技術が近年開発されている。

なお、カーボンナノチューブは導電性を有することから、帯電は生じないと考えられる。

以上のようなことから、カーボンナノチューブは、ＦＥＤ等の表示装置の真空容器の支持体に適した優れた特性を有すると言える。

このような理由から本実施の形態では、ＦＥＤのスペーサとしてＣＮＴスペーサ１１を用いる。化学気相成長法を用いることにより、比較的容易に精度よく一括に、ＣＮＴスペーサ１１を陽極基板２または陰極基板４の表面上の任意の位置に、基板表面に対して垂直に形成する。

次に、本実施の形態のＣＮＴスペーサ１１を用いたＦＥＤの構造及び製造方法について説明する。

図１は、本実施の形態のＦＥＤの構造及び製造方法を説明するための図であり、（ａ）は製造過程における陽極基板２の側を示す断面図、（ｂ）は製造過程におけるカソード電極３Ａの側を示す断面図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）に示す断面構造を組み合わせた状態を示す断面図である。なお、図１（ｂ）は、図４における矢視Ａ−Ａ断面に対応する断面図である。説明の便宜上、図１（ｂ）には３つの電子放出源３が並んだ状態を示す。

まず、図１（ａ）に示すように、ガラス製の陽極基板２の上に、酸化インジウム錫（ＩＴＯ（Ｉｎ_２Ｏ_３／ＳｎＯ_２））、酸化錫（ＳｎＯ）、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の透明電極で構成される陽極電極２Ａを形成する。

次に、陽極基板２上の発光表示領域以外の所望の位置にカーボンナノチューブを形成するための触媒１０を形成する。この触媒１０としては、例えば、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、又はコバルト（Ｃｏ）を用いることができる。なお、発光表示領域は、発光層１と電子放出源３とが対向する領域であり、ＦＥＤの画素となる領域である。すなわち、ＣＮＴスペーサ１１は、画素同士の間などの画素以外の領域に形成される。

ここで、陽極電極２Ａと触媒金属１０の間は、陽極基板２と陰極基板４がＣＮＴスペーサ１１によって導通することを防ぐために、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、正珪酸四エチル（ＴＥＯＳ）、四窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化マンガン（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などの絶縁層を成膜することによって絶縁されていることが望ましい。なお、これらの絶縁層を形成する代わりに、陽極電極２Ａのパターニングすることにより、触媒１０が形成される領域内に陽極電極２Ａが存在しないように除去してもよい。

次に、陽極電極２Ａの上の発光表示領域に蛍光体で構成される発光層１を形成する。その後、化学気相成長法により、触媒１０を形成した位置にＣＮＴスペーサ１１を陽極基板２の表面に垂直な方向に成長させる。このＣＮＴスペーサ１１の長さは、例えば１μｍ〜１０ｍｍの所望の長さだけ成長させればよい。なお、ＣＮＴスペーサ１１の抵抗を調整するために、成長させたＣＮＴスペーサ１１に、蒸着法やスパッタ法等で絶縁物を付着又は混合させて抵抗値を所望の値に調整してもよい。

次に、図１（ｂ）に示すように、陰極基板４の表面上に電子放出源３として冷陰極電子放出源アレイを形成する。冷陰極電子放出源アレイは、複数のストライプ状のカソード電極３Ａと、複数のストライプ状のゲート電極３Ｂとを含む。カソード電極３Ａとゲート電極３Ｂは、陰極基板４の表面上にストライプが直交するように形成されており、ゲート電極３Ｂは、絶縁層３Ｃを介してカソード電極３Ａの上に形成されている。

カソード電極３Ａとゲート電極３Ｂとが直交する領域には、ゲート電極３Ｂ及び絶縁層３Ｃを貫通してカソード電極３Ａに達する貫通孔３Ｄが形成されている。この貫通孔３Ｄの深さ（すなわち、ゲート電極３Ｂ及び絶縁層３Ｃの厚さ）は、例えば１０ｎｍ〜１０μｍであり、貫通孔３Ｄ内には、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）などの金属をティップ型に形成した電子放出部３Ｅがカソード電極３Ａの表面上に形成されている。なお、電子放出部３Ｅには、上述した材料の代わりに、カーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバ等を用いてもよい。

電子放出部３Ｅから放出される電子がカソード電極３Ａとゲート電極３Ｂとの電位差によって加速され、貫通孔３Ｄから発射されるように構成されている。

カソード電極３Ａとゲート電極３Ｂの材料としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ジルコン（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、プラチナ（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等の金属材料を用いることができる。

また、カソード電極３Ａとゲート電極３Ｂの作製方法としては、印刷法により作製する方法と、スパッタリング法又は蒸着法によって金属薄膜を形成した後に、フォトリソグラフィーとエッチングを行うことにより、カソード電極３Ａとゲート電極３Ｂの形状にパターニングする方法とがある。

絶縁層３Ｃとしては、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、正珪酸四エチル（ＴＥＯＳ）、四窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化マンガン（ＭｇＯ）、又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることができる。

また、絶縁層３Ｃの作製方法としては、印刷法により作製する方法と、スパッタリング法又は蒸着法によって金属薄膜を形成した後に、フォトリソグラフィーとエッチングを行うことにより、ゲート電極３Ｂと同一の形状にパターニングする方法とがある。

カソード電極３Ａとゲート電極３Ｂの厚さは、例えば１０ｎｍ〜１μｍであり、絶縁層３Ｃの厚さは、例えば１００ｎｍ〜５μｍである。貫通孔３Ｄ内に配設される電子放出部３Ｅは、回転蒸着法や化学気相成長法、印刷法などにより形成される。

なお、陽極基板２と陰極基板４がＣＮＴスペーサ１１によって導通することを防ぐために、陽極電極２Ａと触媒１０との間は絶縁する必要がある。この絶縁は、陽極電極２Ａのパターニングや、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）、正珪酸四エチル（ＴＥＯＳ）、四窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化マンガン（ＭｇＯ）、又は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁層の成膜等によって実現されることが望ましい。

このようにして、図１（ｃ）に示すようにＣＮＴスペーサ１１を形成した陽極基板２と陰極基板４とを組み合わせる。図１には、ＣＮＴスペーサ１１がゲート電極３Ｂと接触している状態を示すが、ＣＮＴスペーサ１１の位置の選択によっては、ＣＮＴスペーサ１１がカソード電極３Ａや陰極基板４と接触していてもよい。また、ＣＮＴスペーサ１１と接触する面との接着は不要である。そして、ガラス製のフリットシール５（図４参照）によって陽極基板２と陰極基板４を封着し、内部空間を真空引きした後に封止することによりＦＥＤが完成する。

ここで、ＣＮＴスペーサ１１が酸素と反応して焼失するのを防ぐために、封着及び封止を行う作業は、酸素を含まない窒素やアルゴンの不活性ガス雰囲気下、又は真空雰囲気下で行うことが望ましい。

なお、以上では、陽極基板２Ａの表面上に支持体としてのＣＮＴスペーサ１１を形成する形態について説明したが、陰極基板４に支持体としてのＣＮＴスペーサ１１を形成してもよい。この場合、ゲート電極３Ｂ又はカソード電極３Ａ上に触媒を形成するときは、陽極基板２Ａと同様に絶縁する必要がある。

このようにして作製した、支持体としてのＣＮＴスペーサ１１の配置構成について計算を行った結果は次の通りである。例えば、縦横比９：１６の対角５０インチガラスを組み合わせた容器を支える場合、ガラス基板の面積は、前面板と背面板の面積を合わせて約１．４ｍ^２である。

また、真空容器外からの大気圧は、約１×１０^５Ｎ／ｍ^２である。よって、真空容器外からの全圧縮力は１．４×１０^５Ｎである。直径１０ｎｍの１本のＣＮＴスペーサ１１で２４ｎＮの圧縮力まで変形を起こさず支持できるとすると、大気圧を支えるために必要なＣＮＴスペーサ１１の本数は、約５．８×１０^１２本である。

以上より、対角５０インチの真空容器を支持するために必要な、直径１０ｎｍのＣＮＴスペーサ１１の基板上での総面積は約４．６×１０^−４ｍ^２である。

図２は、ＣＮＴスペーサ１１の配列の一例を示す平面図である。また、図３は、ＣＮＴスペーサ１１の配列の他の例を示す平面図である。なお、図２及び図３は平面図であるため、触媒１０はＣＮＴスペーサ１１の陰となっている。また、説明の便宜上、陽極基板２とＣＮＴスペーサ１１の配列の関係のみを示す。発光層１及び陽極電極２Ａは、ＣＮＴスペーサ１１が配列されない発光表示領域に形成される。

例えば、図２に示すように、直径１０ｎｍのＣＮＴスペーサ１１を直径１０μｍのドット状の領域にＣＮＴスペーサ１１の束を配置する場合、０．３ｍｍピッチでＣＮＴスペーサ１１の束を配置すれば、ＣＮＴスペーサ１１の総面積は、６．０×１０^−４ｍ^２となり、容器外から加わる大気圧に耐えることができる。図２のような配置は画素ピッチの狭い高精細ＦＥＤに適している配置である。

また、図３に示すように、ＣＮＴスペーサ１１をストライプ状の束として配置する場合は、例えば幅５．３μｍ×１１１０ｍｍのストライプを８ｍｍピッチで配置すれば、ＣＮＴスペーサ１１の総面積は４．６×１０^−４ｍ^２となり、容器外から加わる大気圧に耐えることができる。

以上、本実施の形態によれば、ＣＮＴスペーサ１１を用いることによって、大気圧に耐えられる充分な強度を確保しつつ、ＣＮＴスペーサ１１を基板上の任意の位置に高精度かつ容易に形成することにより、大面積、薄型、軽量で信頼性の高い表示装置を提供することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の表示装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本実施の形態のＦＥＤの構造及び製造方法を説明するための図であり、（ａ）は製造過程における陽極基板２の側を示す断面図、（ｂ）は製造過程におけるカソード電極３Ａの側を示す断面図、（ｃ）は（ａ）（ｂ）に示す断面構造を組み合わせた状態を示す断面図である。ＣＮＴスペーサ１１の配列の一例を示す平面図である。ＣＮＴスペーサ１１の配列の他の例を示す平面図である。薄板状のＦＥＤの一部分を示す斜視透視図である。

符号の説明

１発光層
２陽極基板
３電子放出源
３Ａカソード電極
３Ｂゲート電極
３Ｃ絶縁層
３Ｄ貫通孔
３Ｅ電子放出部
４陰極基板
５フリットシール
１０触媒
１１ＣＮＴスペーサ

Claims

相対向する第１基板及び第２基板と、
前記第１基板の一方の面側に形成される陽極電極及び発光層と、
前記第２基板の対向面側に配設される電子放出源と、
前記第１基板と前記第２基板との間の空間を真空封止する封止手段と
を含み、前記電子放出源から前記発光層に電子が射突されることにより発光表示を得る表示装置であって、
前記第１基板と前記第２基板との間を真空空間内で支持する支持体がカーボンナノチューブで構成される、表示装置。
前記第１基板の前記第２基板と対向する面側にはカーボンナノチューブを成長させるための触媒部材を備え、前記カーボンナノチューブで構成される前記支持体は、化学気相成長法により前記触媒部材の上に形成される、請求項１に記載の表示装置。
前記触媒部材は、前記陽極電極との間が絶縁層によって絶縁されている、又は、前記陽極電極がパターニングされることによって当該陽極電極とは絶縁されている、請求項２に記載の表示装置。
前記カーボンナノチューブで構成される前記支持体は、前記第１基板又は前記第２基板の平面視において、ドット状又はストライプ状に発光表示領域以外の領域内に配列される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の表示装置。