(57)【要約】【課題】外部への光取り出し効率が高められた電界放出表示素子（ＦＥＤ）を提供すること。【解決手段】背面基板、背面電極、エミッタ、真空空間、薄膜発光層、光透過性前面電極、および光透過性前面基板が、この順に設けられた基本構成を有する電界放出表示素子であって、前面電極と前面基板との間に薄膜発光層の屈折率の８０％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする高屈折率光散乱層が付設され、そして薄膜発光層から前面側に向けて発せられる光の４０％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射するように、薄膜発光層と高屈折率光散乱層との間に介在する層の屈折率が調整されている電界放出表示素子。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
背面基板、背面電極、エミッタ、真空空間、薄膜発光層、光透過性前面電極、および光透過性前面基板が、この順に設けられた基本構成を有する電界放出表示素子であって、前面電極と前面基板との間に薄膜発光層の屈折率の８０％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする高屈折率光散乱層が付設され、そして薄膜発光層から前面側に向けて発せられる光の４０％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射するように、薄膜発光層と高屈折率光散乱層との間に介在する層の屈折率が調整されていることを特徴とする電界放出表示素子。
【請求項２】
高屈折率光散乱層が、薄膜発光層の屈折率の９５％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする層であって、薄膜発光層から前面側に向けて発せられる光の７０％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射するように、薄膜発光層と高屈折率光散乱層との間に介在する層の屈折率が調整されている請求項１に記載の電界放出表示素子。
【請求項３】
高屈折率光散乱層が、薄膜発光層の屈折率の９９％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする層であって、薄膜発光層から前面側に向けて発せられる光の８５％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射するように、薄膜発光層と高屈折率光散乱層との間に介在する層の屈折率が調整されている請求項２に記載の電界放出表示素子。
【請求項４】
光透過性前面電極が高屈折率の光透過性電極である請求項１乃至３のいずれかの項に記載の電界放出表示素子。
【請求項５】
薄膜発光層が光透過性前面電極の表面の一部にのみ設けられ、該表面のその外の部分には光散乱反射層が設けられている請求項１乃至４のいずれかの項に記載の電界放出表示素子。
【請求項６】
薄膜発光層の真空空間側の一部に光散乱反射層が付設されている請求項１乃至４のいずれかの項に記載の電界放出表示素子。
【請求項７】
薄膜発光層が可視光を発する蛍光体から形成されている請求項１乃至６のいずれかの項に記載の電界放出表示素子。
【請求項８】
薄膜発光層が、互いに分離区画された領域に形成された、発光色の色相が互いに異なる二種以上の蛍光体層からなる請求項１乃至７のいずれかの項に記載の電界放出表示素子。
【請求項９】
背面基板、背面電極、エミッタ、真空空間、薄膜発光層、光透過性前面電極、および光透過性前面基板が、この順に設けられた基本構成を有する電界放出表示素子であって、薄膜発光層の真空空間側の一部に、薄膜発光層の屈折率の８０％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする高屈折率光散乱層が設けられていて、薄膜発光層から背面側に向けて発せられる光の４０％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射することを特徴とする電界放出表示素子。
【請求項１０】
高屈折率光散乱層が、薄膜発光層の屈折率の９５％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする層であって、薄膜発光層から背面側に向けて発せられる光の７０％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射する請求項９に記載の電界放出表示素子。
【請求項１１】
高屈折率光散乱層が、薄膜発光層の屈折率の９９％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする層であって、薄膜発光層から背面側に向けて発せられる光の８５％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射する請求項１０に記載の電界放出表示素子。
【請求項１２】
さらに、光透過性前面電極と光透過性前面基板との間に、薄膜発光層の屈折率の８０％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする高屈折率光散乱層が付設され、そして薄膜発光層から前面側に向けて発せられる光の４０％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射するように、薄膜発光層と高屈折率光散乱層との間に介在する層の屈折率が調整されている請求項９乃至１１のいずれかの項に記載の電界放出表示素子。
【請求項１３】
光透過性前面電極が高屈折率の光透過性電極である請求項１２に記載の電界放出表示素子。
【請求項１４】
薄膜発光層が可視光を発する蛍光体から形成されている請求項９乃至１３のいずれかの項に記載の電界放出表示素子。
【請求項１５】
薄膜発光層が、互いに分離区画された領域に形成された、発光色の色相が互いに異なる二種以上の蛍光体層からなる請求項９乃至１４のいずれかの項に記載の電界放出表示素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電界放出電子源からの電子線により発光を示す電界放出表示素子（ＦＥＤ）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マルチメディアの発展に伴って、小型かつ軽量の表示素子であるフラットパネルディスプレイに対する需要が高まっている。そのうちでも液晶表示素子が広範囲に用いられてきたが、液晶自体は自己発光をしないため、液晶表示素子では、液晶層の背面側に光源（バックライト）を配置して、その光源から発せられる光の透過を液晶層で制御して、透過画像を得る構成が一般的である。カラー画像を得るためには、液晶層の表面にカラーフィルターを付設する。そして、そのカラーフィルターを透過する色光の組合せによりカラー画像が得られる。
【０００３】
液晶表示素子では、上記のように、別に光源を付設することが必要となり、消費する電気エネルギーも多いことから、電気エネルギーを付与するための小型電池が開発されている（例えば、リチウム電池）。しかしながら、そのような技術的発展にも拘らず、その小型化と軽量化には限界がある。液晶表示素子として、バックライトを用いない反射型のタイプの開発も進んでいるが、特にカラー画像を表示すると、その表示コントラストが低く、また表示画像の質が外光の条件によって大きく左右されるため、利用可能な範囲には限界がある。
【０００４】
電界放出表示素子（ＦＥＤ、Ｆｉｅｌｄ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｄｉｓｐｌａｙ）は、ＣＲＴと原理が同じで、蛍光体の電子線励起発光であることから、従来のＣＲＴの欠点を克服し、その完成度を引き継ぐフラットパネルディスプレイとして注目されている。すなわち、ＦＥＤは、厚さが約数ｍｍであり、画面歪み無しでＣＲＴ並みの自己発光の表示品位、上下左右約１６０度以上の広視野角、μｓｅｃの高速応答、および受信管並みの耐環境性を有し、また液晶表示素子より低い消費電力とすることができる。ＦＥＤは、電界放出電子源を有するカソード基板と、発光層が形成されたアノード基板とを、真空気密容器中に対向させて、電子線励起発光させる表示素子である。添付図面の図１に、現在実用化されている電界放出表示素子の代表的な構成例を示す。
【０００５】
図１に示すＦＥＤは、アノード積層体１とカソード積層体２とが真空空間３を介して対向してなる密閉気密構造体である。前面側のアノード積層体１は、アノード基板（前面ガラス基板）１１ａの上に、透明電極（ＩＴＯ電極）１２ａ、および蛍光体薄膜からなる発光層（厚さは通常１μｍ以下）１３が形成された構成を有する。背面側のカソード積層体２は、カソード基板（背面ガラス基板）１１ｂの上に、カソード電極（アルミニウム電極）１２ｂおよび抵抗層１４が形成され、抵抗層１４の上に、エミッタ１５および絶縁層１６とゲート１７とからなる層が互いに分離区画されて交互に形成された構成を有する。そして、アノード積層体１とカソード積層体２は、発光層１３とエミッタ１５が真空空間３を介して対向するように配置されている。前面側のアノード電極１２ａと背面側のカソード電極１２ｂとの間に交流電圧（アノード電圧）を印加し、またカソード電極１２ｂとゲート１６との間に交流電圧（ゲート電圧）を印加することによって、エミッタ１５から電子が放出され、この電子線により発光層１３の蛍光体が励起されて電子線励起発光を示す。この発光は、透明電極１２ａと透明基板１１ａを通して前面側から取り出される。
【０００６】
通常発光層に用いられる蛍光体は、低速電子線の励起により発光を示す蛍光体であり、その例としては、導電性を示すＺｎＯ：Ｚｎや、導電性のＩｎ２Ｏ３粒子とＹ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ等の粒子とを混合したものがある。さらに、より安定した発光層とするために、薄膜の発光層を用いることが提案されている。この場合には導電性の物質を含ませる必要がない。しかし、屈折率の関係から、発光した光の多くは層内に閉じ込められてしまい、効率を高くできなかった。蛍光体薄膜からなる発光層は、各種の蒸着法や塗布法（ゾルゲル法などを利用）などにより形成される。エミッタには、通常Ｓｐｉｎｄｔ型Ｍｏエミッタが用いられる。なお、蛍光体層と電極との間には絶縁体層やバッファ層などの補助層が付設されることがある。また、各層の間には任意に各種の補助層が設けられることがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電界放出表示素子（ＦＥＤ）は、前述したように高い表示品位を有し、僅かな電気エネルギーで自己発光を示すため、優れた表示材料と考えられているが、これまでに開発された薄膜発光層を用いたＦＥＤでは、発光量が充分とは言えない点が指摘されており、更なる改良が望まれている。
【０００８】
従って、本発明は、従来と同程度の消費電力で、外部に充分な発光を取り出すことのできる電界放出表示素子を提供することを主な目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、電界放出表示素子の問題点について研究した結果、薄膜発光層の前面側（光を取り出す側）もしくは背面側に、あるいは両面に、薄膜発光層の屈折率と同程度、もしくはそれ以上の屈折率を示す高屈折率光散乱層を配置し、かつ薄膜発光層と高屈折率光散乱層との間に存在する材料の屈折率を、薄膜発光層の屈折率と同程度もしくはそれ以上高いレベルに維持することによって、薄膜発光層から発せられた光が外部に効率良く取り出されることを見い出し、本発明に到達した。
【００１０】
本発明は、背面基板、背面電極、エミッタ、真空空間、薄膜発光層、光透過性前面電極、および光透過性前面基板が、この順に設けられた基本構成を有する電界放出表示素子であって、前面電極と前面基板との間に薄膜発光層の屈折率の８０％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする高屈折率光散乱層が付設され、そして薄膜発光層から前面側に向けて発せられる光の４０％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射するように、薄膜発光層と高屈折率光散乱層との間に介在する層の屈折率が調整されていることを特徴とする電界放出表示素子にある。
【００１１】
また、本発明は、背面基板、背面電極、エミッタ、真空空間、薄膜発光層、光透過性前面電極、および光透過性前面基板が、この順に設けられた基本構成を有する電界放出表示素子であって、薄膜発光層の真空空間側の一部に、薄膜発光層の屈折率の８０％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする高屈折率光散乱層が設けられていて、薄膜発光層から背面側に向けて発せられる光の４０％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射することを特徴とする電界放出表示素子にもある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の電界放出表示素子の好ましい態様は下記に示す通りである。
（１）高屈折率光散乱層が、薄膜発光層の屈折率の９５％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする層であって、薄膜発光層から前面側に向けて発せられる光の７０％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射するように、薄膜発光層と高屈折率光散乱層との間に介在する層の屈折率が調整されている。
（２）高屈折率光散乱層が、薄膜発光層の屈折率の９９％以上の屈折率を有する材料を主構成成分とする層であって、薄膜発光層から前面側に向けて発せられる光の８５％以上の光が該高屈折率光散乱層に入射するように、薄膜発光層と高屈折率光散乱層との間に介在する層の屈折率が調整されている。
（３）光透過性前面電極が高屈折率の光透過性電極である。
（４）薄膜発光層が光透過性前面電極の表面の一部にのみ設けられ、該表面のその外の部分には光散乱反射層が設けられている。
（５）薄膜発光層の真空空間側の一部に光散乱反射層が付設されている。
（６）薄膜発光層が可視光を発する蛍光体から形成されている。
（７）薄膜発光層が、互いに分離区画された領域に形成された、発光色の色相が互いに異なる二種以上の蛍光体層からなる。
【００１３】
以下に、本発明の電界放出表示素子の構成について、その代表的な構成例を示す添付図面を参照しながら詳しく説明する。なお、本明細書の説明において、高屈折率とは、屈折率が薄膜発光層の屈折率を基準として、その８０％以上（好ましくは９５％以上、更に好ましくは９９％以上）であることを意味し、高屈折率が付された層もしくは材料は、そのような高い屈折率を示す層もしくは当該の層にそのような高い屈折率を与える材料である。
【００１４】
図２は、本発明の電界放出表示素子の代表的な構成を示す。図２においてＦＥＤは、アノード積層体２１とカソード積層体２２とが真空空間２３を介して対向してなる密閉気密構造体である。前面側のアノード積層体２１は、アノード基板（ガラス等からなる透明な前面基板）３１ａの上に、高屈折率光散乱層（厚さ：１〜５０μｍ）３８、および高屈折率の光透過性アノード電極（前面ＩＴＯ電極、厚さ：０．０１〜２０μｍ）３２ａが形成され、そしてアノード電極３２ａの上には、中央部分に蛍光体薄膜からなる薄膜発光層（厚さ：０．１〜３μｍ、層の平面方向にＲ、Ｇ、Ｂなどの色相の発光を示す各種の蛍光体がそれぞれ区画され配置されている）３３が形成され、その周囲を囲むように白色の光散乱反射層３９が形成された構成を有する。背面側のカソード積層体２２は、カソード基板（ガラスまたは金属等からなる透明もしくは不透明な背面基板）３１ｂの上に、カソード電極（背面金属電極）３２ｂおよび抵抗層３４が形成され、抵抗層３４の上に、エミッタ３５および絶縁層３６とゲート３７とからなる層が互いに分離区画されて交互に形成された構成を有する。そして、アノード積層体２１とカソード積層体２２は、薄膜発光層３３とエミッタ３５が真空空間２３を介して対向するように配置されている。
【００１５】
前面側（図における上側）に配置されたアノード電極３２ａと背面側のカソード電極３２ｂとの間にアノード電圧（数百Ｖ乃至数千Ｖ、周波数３０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの交流電圧、波形は任意であるが正弦波が好ましい）を印加し、またカソード電極３２ｂとゲート３７との間にゲート電圧（数十Ｖ、周波数３０Ｈｚ〜１０ｋＨｚの交流電圧、波形は任意であるが正弦波が好ましい）を印加することにより、エミッタ３５から電子が放出され、薄膜発光層３３は電子線励起発光を示す。
【００１６】
この発光光は、蛍光体層３３と同等かそれ以上の屈折率を有するアノード電極３２ａにより高効率で高屈折率光散乱層３８に導かれ、そして高屈折率光散乱層３８にて全反射することなく散乱して、高効率で前面側のアノード基板３１ａに達する。また、これらの層中または層間で散乱、反射されて背面側に向かった光もその大部分が、光散乱反射層３９により反射されてアノード基板３１ａに達する。よって、アノード基板３１ａから外部に効率良く発光光を取り出すことができる。
【００１７】
薄膜発光層３３は、アノード電極３２ａの全面に設けられていてもよい。その場合に、薄膜発光層の真空空間側（背面側）には部分的に光散乱反射層が設けられていることが好ましい。
また、ＦＥＤの各層の間には各種の補助層が設けられることがある。これらの変形は、以下に述べる構成のＦＥＤについても同様である。
【００１８】
図３には、本発明の電界放出表示素子のアノード積層体部分の別の構成例を示す。図３においてＦＥＤの前面側のアノード積層体は、アノード基板（ガラス等からなる透明な前面基板）４１ａの上に順に、光透過性アノード電極（前面ＩＴＯ電極、厚さ：０．０１〜２０μｍ）４２ａ、蛍光体薄膜からなる薄膜発光層（厚さ：０．１〜３μｍ、層の平面方向にＲ、Ｇ、Ｂなどの色相の発光を示す各種の蛍光体がそれぞれ区画され配置されている）４３、および高屈折率光散乱層（厚さ：１〜５０μｍ）４８が形成された構成を有する。蛍光体層４３の背面側に部分的に設けられた高屈折率光散乱層４８は、光反射層を兼ねている。
【００１９】
この場合に、電圧の印加により薄膜発光層４３から電子線励起発光した光のうち、背面側に向かった光は、光反射層を兼ねる高屈折率光散乱層４８により反射されて前面側に向かう。よって、前面側のアノード基板４１ａから効率良く発光光を取り出すことができる。
【００２０】
図４に、本発明の電界放出表示素子の発光効率の向上を説明するための、平行平面からの光取り出し効率を表わすグラフを示す。すなわち、屈折率ｎ１の層から屈折率ｎ２の層に光を取り出す場合において、その屈折率比（ｎ１／ｎ２）と光取り出し効率ηとの関係は、図４のグラフで表される。光取り出し効率ηは、屈折率差が５％で３０％、１０％で４２％、そして２０％で５５％低下する。なお、このグラフは薄膜発光層の片面のみを考慮した場合であり、薄膜発光層の両面に向かった光を片面から取り出した場合には、反対側で光反射がない限り取り出し効率はその１／２になる。
【００２１】
次に、本発明の電界放出表示素子の構成要素となる基板および各層の材料やサイズなどの例を説明する。
【００２２】
［基板］
基板には、素子内部を真空気密状態に維持するために、気密性の高い材料が用いられる。一般に、光透過性の前面基板（アノード基板）にはガラス基板が用いられ、その代表例としてはノンアルカリガラス（バリウムボロシリケートガラス、アルミノシリケートガラス）を挙げることができる。一方、背面基板（カソード基板）には、ガラス基板や金属基板が用いられる。
【００２３】
［光透過性前面電極］
ＩＴＯ、ＺｎＯ：Ａｌ、特開平１０−１９００２８号公報に記載されている複合酸化物、特開平６−１５０７２３号公報に記載されているＧａＮ系材料、特開平８−２６２２２５号公報や特開平８−２６４０２２号公報、同８−２６４０２３号公報に示されているＺｎ２Ｉｎ２Ｏ５、（Ｚｎ，Ｃｄ，Ｍｇ）Ｏ−（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｙ）２Ｏ３−（Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ２、あるいは（Ｚｎ，Ｃｄ，Ｍｇ）Ｏ−（Ｂ，Ａｌ，Ｂａ，Ｉｎ，Ｙ）２Ｏ３−（Ｓｉ，Ｓｎ，Ｐｂ）Ｏ、ＭｇＯ−Ｉｎ２Ｏ３などを主成分とするもの、ＳｎＯ２系材料を挙げることができる。
【００２４】
［高屈折率光透過性電極］
光透過性電極材料として上記したもののうち、薄膜発光層の屈折率と略同等もしくはそれ以上の屈折率を示す材料を用いることができる。
【００２５】
［高屈折率光散乱層］
構成材料として、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＢａＴａ２Ｏ６、ＢａＴｉＯ３、ＴｉＯ２、Ｓｒ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＳｒＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ３Ｎ４、ＺｎＳ、ＺｒＯ２、ＰｂＮｂＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３などを挙げることができる。また、これら材料の超微粒子を樹脂中に分散させることによって、樹脂の屈折率を実質的に高くすることも可能である。また、蛍光体の母体と同様な材料（ただし、使用波長領域に実質的な光吸収の存在しないもの）を用いることができる。層の内部に屈折率の異なる領域（サブミクロンレベルから数十ミクロンレベルのサイズの空隙や微粒子）を設けることによって、光散乱性が得られる。具体的には、上記材料の微粒子を樹脂中に分散させて層形成したものや、上記材料の焼結体など光散乱性のものである。ただし、光散乱層を構成する主材料の屈折率は、薄膜発光層の屈折率と略同等もしくはそれ以上の屈折率でなければならない。
【００２６】
［薄膜発光層］
蛍光体としては、電子線により励起されて可視乃至紫外領域に発光を示す蛍光体が用いられる。薄膜蛍光体を用いれば、低電圧の印加時にも発光が得られる。そのような蛍光体としては、ＺｎＯ：Ｚｎ、Ｙ２Ｏ３：Ｅｕ、Ｙ２Ｏ３：Ｔｂ、ＺｎＳ：Ａｇ，Ａｌ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｅｕ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｐｒ、ＳｒＧａ２Ｓ４：Ｃｅ、（Ｚｎ，Ｍｇ）Ｏ：Ｚｎ、ＺｎＧａ２Ｏ４：Ｍｎ、ＣａＴｉＯ３：Ｐｒ、Ｙ２Ｏ２Ｓ：Ｅｕを挙げることができる。
蛍光体の薄膜は、各種の蒸着法や塗布法（ゾルゲル法等）などを利用して形成することができる。
【００２７】
［光散乱反射層］
前記高屈折率光散乱層と同様な材料を用いることができる。
【００２８】
［背面電極］
アルミニウム電極などの金属電極が用いられる。
【００２９】
［抵抗層］
シリコン、インジウム−スズ酸化物などの材料を挙げることができる。
【００３０】
［エミッタ］
一般に、Ｓｐｉｎｄｔ型のＭｏまたはＳｉエミッタ、カーボンナノチューブなどが用いられる。
【００３１】
［絶縁層］
通常は、材料としてＳｉＯ２が用いられる。
【００３２】
［ゲート］
Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｉなど、種々の導電性または半導電性の材料を挙げることができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の電界放出表示素子によれば、従来と同程度のサイズで、かつ従来と同程度の消費電力で、薄膜発光層で発光した光を高い取り出し効率で外部に取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の電界放出表示素子の構成の例を示す概略部分断面図である。
【図２】本発明の電界放出表示素子の構成の例を示す概略部分断面図である。
【図３】本発明の電界放出表示素子のアノード積層体の構成の別例を示す概略部分断面図である。
【図４】平行平面からの光取り出し効率を表すグラフである。
【符号の説明】
２１　アノード積層体
２２　カソード積層体
２３　真空空間
３１ａ、４１ａ　アノード基板
３１ｂ　カソード基板
３２ａ　高屈折率の光透過性アノード電極
３２ｂ　カソード電極
３３、４３　薄膜発光層
３４　抵抗層
３５　エミッタ
３６　絶縁層
３７　ゲート
３８、４８　高屈折率光散乱層
３９　光散乱反射層
４２ａ　光透過性アノード電極
【図１】
2004014386.tif 000003
【図２】
2004014386.tif 000004
【図３】
2004014386.tif 000005
【図４】
2004014386.tif 000006