JP5126166B2

JP5126166B2 - プラズマディスプレイパネルの製造方法

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Publication number: JP5126166B2
Application number: JP2009144896A
Authority: JP
Inventors: 和之長谷川; 良尚大江; 博行加道; 要溝上; 裕一中上
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: JP2009206107A; EP1505624A4; KR20050004918A; US20050253519A1; US7196472B2; WO2004079769A1; EP1505624B1; EP1505624A1; KR100649847B1

Description

本発明は、画像表示デバイス等に用いるプラズマディスプレイパネル（以下、ＰＤＰと示す）と製造方法およびその保護層用材料に関する。

交流面放電型のＰＤＰは、走査電極および維持電極からなる複数の表示電極を形成した前面基板と、その表示電極に直交するように複数のアドレス電極を形成した背面基板とを、基板間に放電空間を形成するように対向配置して周囲を封着し、放電空間にネオンおよびキセノン等の放電ガスを封入して構成している。表示電極は誘電体層で覆われ、誘電体層上には保護層が形成されている。保護層は、一般的に、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のような耐スパッタ性の高い物質を用いて形成され、放電で生じるイオン衝撃から誘電体層を保護している。また、各表示電極は１つのラインを構成し、表示電極とアドレス電極とが交差する部分に放電セルが形成される。

このようなＰＤＰでは、映像信号の１フィールド（１／６０秒）を、輝度の重みづけを有する複数のサブフィールドによって構成し、各サブフィールドは、１ラインずつ順番に走査しながら点灯させるべき放電セルにおいて書き込み放電を発生させてデータの書き込みを行うアドレス期間と、アドレス期間でデータが書き込まれた放電セルにおいて輝度の重みづけに対応した回数だけ放電を起こして放電セルを点灯させるサステイン期間を有している。

テレビ映像を表示する場合には、１フィールド内で各サブフィールドの全ての動作を終了させる必要があるので、放電セルの高精細化に伴ってラインの数（走査線数）が増加すると、各ラインでの書き込み放電をより短時間で行わなければならなくなる。すなわち、アドレス期間において、書き込み放電を発生させるために走査電極およびアドレス電極に印加するパルスの幅を狭くして高速駆動を行わなければならない。しかし、パルスの立ち上がりから或る時間だけ遅れて放電が発生するという「放電遅れ」が存在するために、上記のような高速駆動を行おうとすると、パルスが印加されている間に放電が終了する確率が低くなり、本来点灯すべき放電セルにデータの書き込みができずに点灯不良が生じて表示品質が悪くなる場合があった。

上記の放電遅れが生じる主要な要因としては、放電が開始される際にトリガーとなる初期電子が、保護層から放電空間中に放出されにくくなっていることが考えられる。そこで、保護層について検討することにより、表示品質を改善できることが期待される。

このような、保護層からの電子放出の改善として、ＭｇＯからなる保護層に珪素（Ｓｉ）を含ませることにより、２次電子の放出量が増大し表示品質を高めることができることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−３３４８０９号公報

ところが、ＭｇＯからなる保護層にＳｉを含ませた場合には、保護層の温度によって電子放出能力が大きく変動するため放電遅れ時間が大きく変動し、実際にＰＤＰを使用するときの環境温度によって画像表示品位が変化するという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、放電遅れ時間を短くして電圧印加に対する放電発生の優れた応答性を実現するとともに、その放電遅れ時間の温度に対する変化を抑制することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のＰＤＰの製造方法は、基板上に形成した走査電極および維持電極を覆うように誘電体層を形成し、誘電体層上に保護層を形成したＰＤＰの製造方法であって、前記保護層を形成する工程が炭化珪素を含む酸化マグネシウムを用いた工程であり、前記炭化珪素の濃度範囲が４０重量ｐｐｍ〜１２０００重量ｐｐｍであることを特徴とする。

このような製造方法によれば、高速応答性に優れ、放電遅れ時間に対しての温度依存性を抑制したＰＤＰの保護層を形成することができる。

本発明によれば、放電遅れ時間が短く電圧印加に対する放電発生の優れた応答性を有するとともに、その放電遅れ時間の温度に対する変化を抑制することができ、良好な画像を表示できるＰＤＰを得ることができる。

本発明の第１の実施の形態におけるＰＤＰの一部を示す斜視図同ＰＤＰを用いた画像表示装置の一例を示すブロック図同ＰＤＰの駆動波形を示すタイムチャート本発明の第２の実施の形態におけるＰＤＰの放電遅れ時間の活性化エネルギーを示す特性図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態における交流面放電型のＰＤＰの一部を切り欠いて示す斜視図である。このＰＤＰは、前面パネル１と背面パネル２とを対向配置してそれらの間に放電空間３を形成し、放電空間３にネオンおよびキセノン等からなる放電ガスを封入して構成されている。

前面パネル１は次のような構成である。すなわち、ガラス製の基板である前面基板４上に、ストライプ状の走査電極５とストライプ状の維持電極６とからなる表示電極７を複数形成し、隣接する表示電極７の間に遮光層８を形成している。そして、表示電極７および遮光層８を覆うように誘電体層９を形成し、誘電体層９上にはその表面を覆うように、炭素（Ｃ）および珪素（Ｓｉ）を含む酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる保護層１０を形成している。

また、背面パネル２は次のような構成である。すなわち、ガラス製の基板である背面基板１１上に、走査電極５および維持電極６と直交するようにストライプ状のアドレス電極１２を複数形成し、アドレス電極１２を覆うように電極保護層１３を形成している。そして、この電極保護層１３上であってアドレス電極１２の間に位置するように、アドレス電極１２と平行な隔壁１４を設け、隔壁１４の間に蛍光体層１５を形成している。電極保護層１３は、アドレス電極１２を保護し、蛍光体層１５が発生する可視光を前面パネル１側に反射する作用を有している。

各表示電極７は１つのラインを構成し、表示電極７とアドレス電極１２とが交差する部分に放電セルが形成される。各放電セルの放電空間３内で放電を発生させ、放電に伴って蛍光体層１５から発生する赤、緑、青の３色の可視光が、前面パネル１を透過することにより、表示が行われる。

図２は、図１に示すＰＤＰを用いた画像表示装置の一例を示すブロック図である。図２に示すように、ＰＤＰ１６のアドレス電極１２にアドレス電極駆動部１７が接続され、ＰＤＰ１６の走査電極５に走査電極駆動部１８が接続され、ＰＤＰ１６の維持電極６に維持電極駆動部１９が接続されている。

図３は、ＰＤＰの駆動波形を示すタイムチャートである。一般に交流面放電型のＰＤＰでは、１フィールドの映像を複数のサブフィールドに分割することによって階調表現を行う方式が用いられている。そして、この方式では、各放電セルでの放電を制御するために、１サブフィールドをセットアップ期間、アドレス期間、サステイン期間およびイレース期間からなる４つの期間によって構成する。図３は、１サブフィールド中の駆動波形を示すタイムチャートである。

図３において、セットアップ期間では、放電を生じやすくするために、ＰＤＰ内の全放電セルに均一に壁電荷を蓄積させる。アドレス期間では、点灯させる放電セルの書き込み放電を行う。サステイン期間では、アドレス期間で書き込まれた放電セルを点灯させ、その点灯を維持させる。イレース期間では、壁電荷を消去させることによって放電セルの点灯を停止させる。

セットアップ期間では、走査電極５に初期化パルスを印加することにより、走査電極５に、アドレス電極１２および維持電極６よりも高い電圧を印加し、放電セル内で放電を発生させる。その放電によって発生した電荷は、アドレス電極１２、走査電極５および維持電極６間の電位差を打ち消すように放電セルの壁面に蓄積される。その結果、走査電極５付近の保護層１０表面には負の電荷が壁電荷として蓄積され、また、アドレス電極１２付近の蛍光体層１５表面および維持電極６付近の保護層１０表面には、正の電荷が壁電荷として蓄積される。この壁電荷により、走査電極５−アドレス電極１２間、走査電極５−維持電極６間には所定の値の壁電位が生じる。

アドレス期間では、放電セルを点灯させる場合、走査電極５に走査パルスを印加し、アドレス電極１２にデータパルスを印加するが、走査電極５にアドレス電極１２および維持電極６に比べて低い電圧を印加する。すなわち、走査電極５−アドレス電極１２間に、壁電位と同方向に電圧を印加するとともに、走査電極５−維持電極６間にも壁電位と同方向に電圧を印加することにより、書き込み放電を発生させる。その結果、蛍光体層１５表面と維持電極６付近の保護層１０表面には負の電荷が蓄積され、走査電極５付近の保護層１０表面には正の電荷が壁電荷として蓄積される。これにより維持電極６−走査電極５間には、所定の値の壁電位が生じる。

サステイン期間では、まず走査電極５に維持パルスを印加することにより、維持電極６に比べて高い電圧を走査電極５に印加する。すなわち、維持電極６−走査電極５間に、壁電位と同方向に電圧を印加することにより維持放電を生じさせる。その結果、放電セルの点灯を開始させることができる。続いて、維持電極６−走査電極５間の極性が交互に入れ替わるように維持パルスを印加することで、断続的にパルス発光させることができる。

イレース期間では、幅の狭い消去パルスを維持電極６に印加することで不完全な放電が発生し、壁電荷が消滅するため、消去が行われる。

ここで、アドレス期間では、走査電極５−アドレス電極１２間に書き込み放電を行うための電圧を印加してから、書き込み放電が生じるまでが放電遅れとなる。この放電遅れによって、走査電極５−アドレス電極１２間に書き込み放電を行うための電圧を印加している時間（アドレス時間）内に書き込み放電が起こらなかった場合には書き込みミスとなって、維持放電が生じず、表示のちらつきとなって画像に現れてくる。また、さらなる高精細化が進んだ場合、各走査電極５に割り当てられるアドレス時間は短くなり、書き込みミスが生じる確率が高くなる。

本発明の第１の実施の形態におけるＰＤＰは、保護層１０の構成材料に特徴がある。次にその内容について、真空蒸着法を用いて保護層を形成する場合について説明する。

上述したような保護層１０を形成する際の真空蒸着法に用いる装置は、一般に仕込み室、加熱室、蒸着室、冷却室から構成され、基板をこの順に搬送して、ＭｇＯからなる保護層１０を蒸着により形成している。このとき、本発明の実施の形態では、蒸着源となるＣおよびＳｉを含むＭｇＯの蒸着材料を、酸素雰囲気中でピアス式電子ビームガンを用いて加熱して蒸発させ、基板上に堆積させる成膜工程により保護層１０を形成する。ここで、成膜工程における電子ビーム電流量、酸素分圧量、基板温度等を任意に設定する。以下に成膜の設定条件の一例を示す。

到達真空度：５．０×１０^-4Ｐａ以下
蒸着時基板温度：２００℃以上
蒸着時圧力：３．０×１０^-2Ｐａ〜８．０×１０^-2Ｐａ
ここで、保護層用材料としては、ＭｇＯの焼結体とＳｉの粉末およびＣの粉末とを混合した蒸着材料を用意した。このとき、添加するＳｉの粉末およびＣの粉末の濃度をそれぞれ変化させた複数種類の蒸着材料を用意した。そして、この複数種類の蒸着材料をそれぞれ用いて保護層１０を蒸着した複数種類の基板を作製し、これら各基板を用いてそれぞれＰＤＰを作製した。

また、各ＰＤＰの保護層１０を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）にて分析することにより、保護層１０中に含まれるＣおよびＳｉの濃度を求めた。このときイオン注入によってＳｉあるいはＣを注入したＭｇＯ膜を標準試料として用いることによって、ＳＩＭＳ分析によって得られた保護層１０中に含まれるＣおよびＳｉの濃度を単位体積あたりの原子数に換算している。

そして雰囲気温度が−５℃〜８０℃の環境下において、各ＰＤＰの放電遅れ時間を計測し、この計測結果から温度に対する放電遅れ時間のアレニウスプロットを作成して、その近似した直線から保護層１０中のＳｉ濃度、Ｃ濃度に対する放電遅れ時間の活性化エネルギーを求めた。

ここでいう放電遅れ時間とは、アドレス期間において走査電極５−アドレス電極１２間に電圧を印加してから放電（書き込み放電）が起きるまでの時間である。各ＰＤＰにおいて書き込み放電を発生させながら観察し、書き込み放電による発光の強度がピークを示した時間を放電が起きた時間とし、その書き込み放電による発光の１００回分を平均化することにより放電遅れ時間を計測した。

また、活性化エネルギーは温度に対する特性（本実施の形態では放電遅れ時間）の変化を示す数値であり、活性化エネルギーの値が低くなるほど温度に対して特性が変化しないということになる。

以上のようにして得られた結果として、保護層１０中に含まれるＳｉ濃度、Ｃ濃度に対する活性化エネルギーの値を表１に示す。

ここで、従来の例は、ＭｇＯの焼結体にＳｉのみを３００重量ｐｐｍ添加した蒸着材料を用いて蒸着した保護層を有するＰＤＰである。この従来の例のＰＤＰの保護層をＳＩＭＳにて分析したところ、保護層中にＳｉの原子数が１×１０^２０個／ｃｍ^３程度含まれていた。表１においては、この従来の例のＰＤＰでの放電遅れ時間の活性化エネルギーの値を１とし、各ＰＤＰでの放電遅れ時間の活性化エネルギーを相対値で示している。なお、ＭｇＯの焼結体にＳｉのみを添加した蒸着材料を用いた場合の活性化エネルギーの値は、Ｓｉの添加濃度によらずほぼ一定であった。

表１において、Ｓｉ濃度が７×１０^２１個／ｃｍ^３および１．２×１０^２２個／ｃｍ^３のＰＤＰでは放電遅れ時間が大きくなるか、あるいは放電に必要な電圧値が異常に高くなり、従来の設定電圧値では画像表示ができなくなった。このため、保護層１０中のＳｉ濃度は５×１０^１８個／ｃｍ^３〜２×１０^２１個／ｃｍ^３の範囲が好ましい。また、保護層１０中のＣ濃度が大きくなると活性化エネルギーの値が小さくなる傾向にあることがわかる。Ｓｉ濃度が小さい場合にはＣ濃度が小さくても活性化エネルギーがかなり小さくなるが、Ｓｉ濃度が大きい場合において活性化エネルギーをかなり小さくするためには、Ｃ濃度をある程度大きくする必要があることがわかる。このように、活性化エネルギーをかなり小さくするためには、保護層１０中のＳｉ濃度が大きいとそれに応じてＣ濃度を大きくするのが好ましい。特に、表１中の下線をつけたデータに示すように、Ｃ濃度／Ｓｉ濃度≧１の範囲、すなわち保護層１０中のＣの原子数がＳｉの原子数以上となる場合、活性化エネルギーがかなり小さくなっていることがわかる。

したがって、ＰＤＰの保護層１０中にＳｉおよびＣを含ませることによって、放電遅れ時間を短くできるとともに放電遅れ時間の温度に対する変化を抑制することができる。以上の結果より、好ましい濃度範囲はＳｉ濃度が５×１０^１８個／ｃｍ^３〜２×１０^２１個／ｃｍ^３、Ｃ濃度が１×１０^１８個／ｃｍ^３〜２×１０^２１個／ｃｍ^３である。またさらに、Ｃ濃度／Ｓｉ濃度≧１の条件を満たす保護層１０を有するＰＤＰでは、活性化エネルギーをかなり小さくすることができ、放電遅れ時間の温度に対する変化を効果的に抑制することができる。

また、保護層１０の最表面から膜厚方向に２００ｎｍの深さまでの間の一部において上記濃度範囲の箇所が存在すれば、上記の効果を得ることができることを確認している。

さて、上記に示したＳｉ、Ｃの濃度範囲を有する保護層１０を作製するためには蒸着材料中にＳｉ、Ｃそれぞれの粉末を添加する必要があるが、これはＳｉ単体、Ｃ単体の粉末でも可能であり、あるいはそれぞれの化合物でもよい。化合物の例として、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_４Ｃ_３、Ｂ_４Ｃを挙げることができる。また、蒸着源となる蒸着材料への添加量は蒸着条件によって異なるため、成膜後にＳＩＭＳを用いて分析することによって確認する必要がある。表２には本実施の形態で用いた蒸着源に対するＳｉの添加濃度と保護層１０中のＳｉ原子数を示し、表３には本実施の形態で用いた蒸着源に対するＣの添加濃度と保護層１０中のＣ原子数を示す。

表２に示すように本実施の形態においては、蒸着源に添加する濃度を、Ｓｉ粉末の場合には７重量ｐｐｍ〜８０００重量ｐｐｍ、ＳｉＯ_２粉末の場合には１４重量ｐｐｍ〜１７２００重量ｐｐｍとすることで、保護層１０中のＳｉ濃度をほぼ５×１０^１８個／ｃｍ^３〜２×１０^２１個／ｃｍ^３とすることができる。また、表３に示すように、蒸着源に添加する濃度を、Ｃ粉末の場合には５重量ｐｐｍ〜１５００重量ｐｐｍ、Ａｌ_４Ｃ_３粉末の場合には１９重量ｐｐｍ〜６０００重量ｐｐｍ、Ｂ_４Ｃ粉末の場合には２２重量ｐｐｍ〜７０００重量ｐｐｍとすることで、保護層１０中のＣ濃度をほぼ１×１０^１８個／ｃｍ^３〜２×１０^２１個／ｃｍ^３とすることができる。ここで、ＳｉＯ_２粉末を１４重量ｐｐｍ〜１７２００重量ｐｐｍ添加した蒸着源には、ほぼ７重量ｐｐｍ〜８０００重量ｐｐｍのＳｉが含まれている。また、Ａｌ_４Ｃ_３粉末を１９重量ｐｐｍ〜６０００重量ｐｐｍ添加した蒸着源には、ほぼ５重量ｐｐｍ〜１５００重量ｐｐｍのＣが含まれており、Ｂ_４Ｃ粉末を２２重量ｐｐｍ〜７０００重量ｐｐｍ添加した蒸着源には、ほぼ５重量ｐｐｍ〜１５００重量ｐｐｍのＣが含まれている。

（第２の実施の形態）
蒸着源である蒸着材料の作成方法としては、ＭｇＯの結晶体あるいは焼結体に上記粉末を混合する方法や、あるいは母剤となるＭｇＯ粉末に、表２あるいは表３に記載した粉末を混合した後に焼結体とする方法がある。

第１の実施の形態では、蒸着源にＳｉ、Ｃそれぞれの粉末を添加した場合について説明したが、炭化珪素（ＳｉＣ）を添加した蒸着源を用いてもよい。ＳｉＣを添加する場合、第１の実施の形態のように保護層１０中のＳｉ濃度およびＣ濃度を独立して制御することはできないが、ＳｉおよびＣを含む保護層１０を得ることができる。

ここで、本実施の形態では、保護層用材料として、ＭｇＯの焼結体とＳｉＣの粉末とを混合した蒸着源を用いて保護層１０を形成し、この保護層１０を有するＰＤＰを作製した。そして、各ＰＤＰの放電遅れ時間の活性化エネルギーを第１の実施の形態と同様に求めた。この結果を図４に示す。図４においても、第１の実施の形態と同じく、ＭｇＯにＳｉのみを３００重量ｐｐｍ添加した場合を従来の例とし、この活性化エネルギーの値を１として示している。

図４に示すように、蒸着源へのＳｉＣの添加濃度を４０重量ｐｐｍ以上とすると、Ｓｉのみを添加した従来の例に比べ活性化エネルギーの値が低下する。しかしながら、添加濃度を１５０００重量ｐｐｍ以上では放電遅れ時間が大きくなるか、あるいは放電に必要な電圧値が異常に高くなり、従来の設定電圧値では画像表示ができなくなった。すなわち、ＳｉＣの濃度を４０重量ｐｐｍ〜１２０００重量ｐｐｍとしたＭｇＯ蒸着源を用いて形成された保護層１０を有するＰＤＰでは、従来の設定電圧値を変更することなく画像表示を行うことができ、優れた電子放出能力が得られ、放電遅れ時間の温度に対する依存性を抑制することができる。なお、ＳｉＣの濃度を４０重量ｐｐｍ〜１２０００重量ｐｐｍとしたＭｇＯ蒸着源を用いて形成された保護層１０中では、Ｓｉ濃度がほぼ５×１０^１８個／ｃｍ^３〜２×１０^２１個／ｃｍ^３であり、Ｃ濃度がほぼ１×１０^１８個／ｃｍ^３〜１×１０^２１個／ｃｍ^３であった。

以上の説明からわかるように、ＰＤＰの保護層１０中にＳｉおよびＣを含ませることによって、放電遅れ時間を短くできるとともに放電遅れ時間の温度に対する依存性を抑制することができる。また、ＭｇＯからなる保護層１０中に含まれるＳｉの原子数が５×１０^１８個／ｃｍ^３〜２×１０^２１個／ｃｍ^３であり、Ｃの原子数が１×１０^１８個／ｃｍ^３〜２×１０^２１個／ｃｍ^３であるＰＤＰでは、従来の設定電圧値を変更することなく画像表示を行うことができ、放電遅れ時間の温度に対する依存性を抑制することができる。さらに、Ｃの原子数がＳｉの原子数以上である保護層１０を有するＰＤＰでは、活性化エネルギーを小さくして放電遅れ時間の温度に対する依存性を効果的に抑制することができる。

これらの現象は明確ではないが、ＳｉだけでなくＳｉおよびＣをＭｇＯに添加することによって、温度特性を強くしていた要因を排除できたためであると考えられる。また、本発明の実施の形態による保護層は、価電子帯と伝導帯との間に不純物準位を形成し、優れた電子放出能力を有して、放電遅れ時間が短くなり電圧印加に対する放電発生の応答性に優れる。そのため、ちらつきの視認されない良好な画像を表示できる。

なお、上記の保護層の製造方法では蒸着法について説明したが、この蒸着法に限らず、スパッタ法やイオンプレーティング法等を用いることが可能であり、この場合にもターゲット材料、および原材料の成分制御を行い、上記の材料を用いて成膜すればよい。

また、あらかじめ成分制御を行った保護層用材料を用いる方法ではなく、保護層の成膜中に元素を添加するようにしてもよい。例えば、蒸着法によって保護層を成膜する際に、雰囲気ガスとしてＳｉ、Ｃを含むガスを用いるようにしてもよい。

さらに、保護層を成膜して形成した後、その保護層にＣ元素およびＳｉ元素を添加するようにしてもよく、その方法としてイオン注入法が挙げられる。この場合、まず高純度のＭｇＯを成膜し、その後、Ｃ元素およびＳｉ元素のイオン注入を行う。イオン注入法を用いることにより、的確に濃度規定されたＣ元素およびＳｉ元素を含む保護層を形成することができる。イオン注入を行うときの設定条件の一例を示す。

ドーズ量：１０^１１／ｃｍ²〜１０^１６／ｃｍ^２
加速電圧：１０ｋｅＶ〜１５０ｋｅＶ
また、保護層の成膜後に元素を添加する他の方法として、Ｃ、Ｓｉを含むガス雰囲気中でのプラズマドープによる方法や、高純度のＭｇＯを成膜した後にＳｉ、Ｃを成膜し、熱拡散を行う方法を採用することが考えられる。

以上のように本発明によれば、放電遅れ時間が短く電圧印加に対する放電発生の優れた応答性を有するとともに、その放電遅れ時間の温度に対する変化を抑制することができ、良好な画像を表示できるＰＤＰを得るのに有用である。

１前面パネル
２背面パネル
４前面基板
５走査電極
６維持電極
９誘電体層
１０保護層

Claims

基板上に形成した走査電極および維持電極を覆うように誘電体層を形成し、前記誘電体層上に保護層を形成したプラズマディスプレイパネルの製造方法において、前記保護層を形成する工程が炭化珪素を含む酸化マグネシウムを用いた工程であり、前記炭化珪素の濃度範囲が４０重量ｐｐｍ〜１２０００重量ｐｐｍであることを特徴とするプラズマディスプレイパネルの製造方法。