画像表示装置
【課題】電子放出素子を用いた画像表示装置の輝度を向上させる。
【解決手段】電子放出素子と、透明基板と、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造と、フォトニック結晶構造上に設けられたアノード電極と、アノード電極上に設けられ、蛍光体粒子を含有する蛍光体層と、を有する画像表示装置であって、蛍光体層は、蛍光体層の表面と、蛍光体層の内部と、で含有する蛍光体粒子の平均粒径が異なっており、蛍光体層の内部には、平均粒径が５００ｎｍ以下の第１の蛍光体粒子が含有され、蛍光体層の表面には、平均粒径が第１の蛍光体粒子より小さく、かつ２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の第２の蛍光体粒子が含有されていることを特徴とする画像表示装置。
【解決手段】電子放出素子と、透明基板と、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造と、フォトニック結晶構造上に設けられたアノード電極と、アノード電極上に設けられ、蛍光体粒子を含有する蛍光体層と、を有する画像表示装置であって、蛍光体層は、蛍光体層の表面と、蛍光体層の内部と、で含有する蛍光体粒子の平均粒径が異なっており、蛍光体層の内部には、平均粒径が５００ｎｍ以下の第１の蛍光体粒子が含有され、蛍光体層の表面には、平均粒径が第１の蛍光体粒子より小さく、かつ２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の第２の蛍光体粒子が含有されていることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像表示装置に関し、特に、電子放出素子を用いた平面型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子線を用いたディスプレイとして、これまでカソードレイチューブ（ＣＲＴ）が用いられてきた。ＣＲＴでは、電子銃から放出された電子線をアノード電極で加速しながら蛍光体に照射し、蛍光体を発光させることにより画像表示を行う。一般に、ＣＲＴに用いられる蛍光体としては、粒径が数μｍ程度の蛍光体粒子が用いられている。また、蛍光体層の電子銃側にはアルミニウムの反射膜（メタルバック）を設けて、蛍光体層から電子銃側に漏出する発光を反射して戻すように構成されている。より明るい輝度を得るために、蛍光体層の層構成も工夫されている（特許文献１、２、３参照）。
【０００３】
一方、電子放出素子を用いた平面型画像表示装置として、電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ）の開発が進められている。ＦＥＤでは、電子放出素子から放出された電子をアノード電極で加速しながら蛍光体に照射し、蛍光体を発光させることにより画像表示を行う。ＦＥＤの蛍光体としては、ナノ粒子の蛍光体を用いる構成が提案されている（特許文献４参照）。
【０００４】
また、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイでは、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列した構造であるフォトニック結晶構造を用いて輝度を上げることが提案されている（特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１００３４５号公報
【特許文献２】特開平０８−０９２５５３号公報
【特許文献３】特開平０６−１３１９８８号公報
【特許文献４】特開２００７−１７７１５６号公報
【特許文献５】特開平１１−２８３７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１乃至３の構成では、アノード電極に十分高いアノード電圧を得られるＣＲＴを前提としているため、粒径が数μｍ程度の蛍光体粒子を前提として考えられている。そのため、アノード電極に高いアノード電圧を印加することが難しいＦＥＤにそのまま用いても、十分な発光輝度を得ることが難しいという問題があった。また、蛍光体層の電子銃側にはアルミニウムの反射膜を設けて、蛍光体層から電子銃側に漏出する光束を反射して戻す構成をとっているために、蛍光体層の表面粗さが、粒径が数μｍの蛍光体粒子が形成する程度の粗さの表面性であっても問題にならなかった。しかし、表面粗さが大きい蛍光体層を、そのままＦＥＤの蛍光体層として採用してもアノード電圧を十分低減することは出来ないという問題があった。
【０００７】
特許文献４の構成では、蛍光体粒子と蛍光体粒子の間の空間や、蛍光体粒子と基板との間の空間のサイズが波長サイズを越えて小さくなるため、蛍光体層が、蛍光体粒子の屈折率と空気（或いは真空）の屈折率との平均的な屈折率を持った連続媒質のように振る舞う。蛍光体層から基板中に侵入した発光光束が、蛍光体層とは反対側の基板／空気界面から空気中に射出することが出来ず、全反射して閉じ込められてしまう現象が顕著に生じる。この現象のため、蛍光体層とは反対側の空気中から蛍光体の発光を観察したとき、非常に暗くなってしまうという問題があった。この問題は透明な有機薄膜発光体を発光層として用いる有機エレクトロルミネッセンスディスプレイでは早くから知られており、この問題を回避するため、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列した構造であるフォトニック結晶構造を用いることが提案されている。しかし、発光層として蛍光体粒子により構成された蛍光体層を用いるＦＥＤの場合、特許文献５のようなフォトニック結晶構造とそのまま組合わせても十分輝度を高くすることが出来ないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、電子放出素子を用いた画像表示装置にフォトニック結晶構造を設けた場合において、高輝度が得られる画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、電子放出素子と、透明基板と、前記透明基板上又は前記透明基板中に設けられ、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造と、前記フォトニック結晶構造上に設けられたアノード電極と、前記アノード電極上に設けられ、蛍光体粒子を含有し、前記電子放出素子から放出された電子が照射されることにより発光する蛍光体層と、を有する画像表示装置であって、前記蛍光体層は、該蛍光体層の表面と、該蛍光体層の内部と、で含有する蛍光体粒子の平均粒径が異なっており、前記蛍光体層の内部には、平均粒径が５００ｎｍ以下の第１の蛍光体粒子が含有され、前記蛍光体層の表面には、平均粒径が前記第１の蛍光体粒子より小さく、かつ２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の第２の蛍光体粒子が含有されていることを特徴とする画像表示装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、蛍光体層の表面に平均粒径の小さい蛍光体粒子を含有させることで蛍光体層の表面の凹凸を小さくし、その一方で、蛍光体層の内部に平均粒径の大きい蛍光体粒子を含有させることで大きな輝度を得ることができる。更に、透明基板上又は透明基板中にフォトニック結晶構造を設けることで、蛍光体から発する光の、蛍光体層の表面での内面反射を有効に発生させることができる。このため、電子放出素子を用いた画像表示装置にフォトニック結晶構造を設けた場合において、高輝度が得られる画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の基本的な構造を示す断面図である。
【図２】画像表示装置の構造の一例を示す斜視図である。
【図３】フェースプレートの構造の一例を示す断面図である。
【図４】フォトニック結晶構造の一例を示す平面図である。
【図５】蛍光体粒子の粒径と輝度の関係を示す図である。
【図６】蛍光体層表面での蛍光体粒子の平均粒径と表面粗さの関係を示す図である。
【図７】蛍光体層から発光した光束が進む様子を示す図である。
【図８】フォトニック結晶構造の効果を説明する図である。
【図９】内面反射と蛍光体層表面の凹凸の関係を説明する図である。
【図１０】蛍光体層の表面粗さとフォトニック結晶構造効果の関係の実測値である。
【図１１】蛍光体層表面での蛍光体粒子の平均粒径と輝度の関係の推定値である。
【図１２】ナノ粒子添加による蛍光体層の散乱性の低下を説明する図である。
【図１３】実施例１及び２の構造を示す図である。
【図１４】実施例１での蛍光体粒子の粒度分布の実測値である。
【図１５】蛍光体層における表面平滑層の厚さを考察した図である。
【図１６】比較例１乃至３の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（画像表示装置の構造）
図２は、本発明に係る、電子放出素子を有する画像表示装置の構造の一例を示す斜視図であり、その内部構造を示すために一部を切り欠いて示している。図中、１は基板、３２は走査配線、３３は変調配線、３４は電子放出素子である。４１は基板１を固定したリアプレート、４６は透明基板４３の内面にアノード電極４４と蛍光体層４５が形成されたフェースプレートである。４２は支持枠であり、支持枠４２にリアプレート４１、フェースプレート４６がフリットガラス等を介して取り付けられ、外囲器４７を構成している。ここで、リアプレート４１は主に基板１の強度を補強する目的で設けられるため、基板１自体で十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート４１は不要である。また、フェースプレート４６とリアプレート４１との間に、スペーサとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度を持たせた構成とすることもできる。
【００１３】
ｍ本の走査配線３２は、端子Ｄｘ１，Ｄｘ２，…Ｄｘｍと接続され、ｎ本の変調配線３３は、端子Ｄｙ１，Ｄｙ２，…Ｄｙｎと接続されている（ｍ，ｎは、共に正の整数）。これらｍ本の走査配線３２とｎ本の変調配線３３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に絶縁している。
【００１４】
高圧端子はアノード電極４４に接続され、例えば数ｋＶの直流電圧が供給される。これは電子放出素子から放出される電子に蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する為の加速電圧である。
【００１５】
（フェースプレートの構造）
図３は、本発明に係るフェースプレートの構造の一例を示す図である。本発明では、透明基板４３上に、互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列した結晶構造であるフォトニック結晶構造５０が設けられている。フォトニック結晶構造５０は蛍光体層４５が発光した光を透明基板４３側に取り出す。図３では透明基板４３上にフォトニック結晶構造５０を設けているが、透明基板４３中にフォトニック結晶構造５０を設けても良い。透明基板４３上（フォトニック結晶構造上）にはＩＴＯ膜やＺｎＯ膜、ＳｎＯ膜等の透明導電膜を堆積したアノード電極４４が設けられている。アノード電極上には多数の蛍光体粒子を含有している蛍光体層４５が設けられ、隣り合う蛍光体層４５の間にはブラックマトリクス４８が設けられている。
【００１６】
（フォトニック結晶構造）
上述のようにフォトニック結晶構造５０は、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列した結晶構造である。典型的には、低屈折率材料中に高屈折率微細ドットが散在する、或いは高屈折率材料中に低屈折率微細ドットが散在するパターンである。図４は、フォトニック結晶構造の一例を示す平面略図である。図中のｐは微細ドットのピッチであり、ｗは微細ドットの径である。ｐは３００ｎｍから３μｍの間、ｗはｐの０．２倍から１倍の間にある。微細ドットパターンは必ずしも正確にピッチｐの周期パターンでなくても良い。周期パターンでない場合は、ｐは隣接するドットの中心間の距離である。
【００１７】
（蛍光体粒子）
本発明に係る蛍光体粒子は、その平均粒径が２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のものである。蛍光体層の内部を形成する蛍光体粒子の平均粒径は１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。本発明では、蛍光体粒子の平均粒径は、動的光散乱法によりナノ粒子のストークス径を見積もることによって測定した。具体的には、ゼータサイザーナノＺＳ（シスメックス株式会社製）を用いて測定した。
【００１８】
蛍光体粒子の製造には、固相法、液相法、噴霧熱分解法、気相法等の方法を用いることができる。固相法は、原料粉末を混合し、高温条件で加熱して焼成したものをボールミル等で微粉砕して蛍光体粒子を形成する。液相法は、共沈法、ゾルゲル法等の液相反応を利用して蛍光体粒子を形成するものである。噴霧熱分解法は、原料溶液を噴霧して液滴化した後、キャリアガス中でヒーターによって加熱し、溶媒の蒸発及び原料の熱分解により蛍光体粒子を形成するものである。気相法は、気相反応を利用して蛍光体粒子を形成するものであり、キャリアガスに浮遊させた蛍光体原料をプラズマ等の熱源による加熱域を通過させて急速に加熱、冷却することで、蛍光体粒子を形成する方法である。これらの製造方法を適宜、用いることができる。
【００１９】
（蛍光体層）
蛍光体層４５を形成するには、先ず、溶媒中に上述の蛍光体粒子を分散し、分散液を調整する。その際、分散を補助するために適切な分散剤を添加することが普通である。さらに、焼成されて形成された蛍光体層の密着性を確保するための結着剤を添加しておくことも出来る。
【００２０】
一般に、蛍光体のナノ粒子は、粒径が小さくなるほど発光効率が下がる。図５に、Ｅｕを発光中心としてドープしたＹ2Ｏ2Ｓ結晶よりなる蛍光体粒子の、発光効率の粒径依存性の一例を示す。横軸は蛍光体粒子の粒径、縦軸は蛍光体粒子の粉体の状態で加速電圧１０ｋＶ、電流密度４ｍＡ／ｃｍ2、パルス幅２０μｓｅｃ、周波数６０Ｈｚで真空中電子線励起したときの輝度を示す。通常用いられる粒径５μｍ程度の蛍光体粒子（通常粒子）の輝度を１として規格化されている。粒径が小さくなるほど、蛍光体粒子の発光効率が低下し輝度が低下しているのがわかる。粒径２００ｎｍ程度では、粒径５μｍ程度の蛍光体粒子に対する輝度の低下は２０％以内に収まっているが、粒径１００ｎｍ以下になると輝度の低下が顕著になることが予想される。従って、蛍光体層の発光効率を確保するためには、粒径が１００ｎｍ以上、望ましくは２００ｎｍ以上の蛍光体粒子で蛍光体層を構成することが良い。
【００２１】
一方、蛍光体層を構成する蛍光体粒子の粒径が大きくなると、蛍光体層の表面（アノード電極４４と接触する側とは反対側の面）の凹凸（表面粗さ）が大きくなる。図６に、粒径の異なる蛍光体粒子を用いてバーコート法で成膜した蛍光体層の表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した結果を示す。横軸は蛍光体粒子の粒径、縦軸はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した表面粗さＲｚである。Ｒｚが粒径に比例して大きくなっているのがわかる。この蛍光体層の表面の凹凸は、フォトニック結晶構造５０により、蛍光体層４５で発光した光を、より多く透明基板４３側に取り出そうとする際に、その効果を左右する要因となる。
【００２２】
ここで、フォトニック結晶構造の効果について簡単に説明する。
【００２３】
図７は、蛍光体層から発光した光束の進み方について通常用いられる粒径５μｍ程度の蛍光体粒子で蛍光体層を構成した場合（図７（Ａ））と、本発明に係る、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子で蛍光体層を構成した場合（図７（Ｂ））との違いを説明する図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、Ｌは蛍光体層から発した光束、θは蛍光体層から発した光束が透明基板中を進行するときの、透明基板の表面の垂線と為す角を示す。図７（Ａ）及び（Ｂ）ともに、上下２つの図があるが、下図は上図の丸で囲んだ部分を拡大した図である。
【００２４】
粒径５μｍ程度の蛍光体粒子で構成された蛍光体層では、蛍光体粒子と蛍光体粒子との間の空間距離や、蛍光体粒子と基板（アノード電極）との間の空間距離が、蛍光体の発光波長に比して長い。蛍光体層から発した光束は一旦、これらの空間中の伝播光となり、その後、基板（アノード電極）中に入射すると考えられる。このため、入射した光束の、基板中での角度θは、基板表面に対して、基板／空気の屈折率差で決まる臨界角以下の大きさを持つものに限定される。その結果、その光束が基板の反対面から空気中に射出する際、界面での角度も臨界角以下となるので、全反射を起こすことなく空気中に射出する。
【００２５】
一方、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子で構成された蛍光体層では、蛍光体粒子と蛍光体粒子との間の空間距離や、蛍光体粒子と基板（アノード電極）との間の空間距離が、蛍光体の発光波長に比して短い。蛍光体層から発した光束は、蛍光体粒子とその間の空間が作る平均的屈折率を持つ媒質中を伝播する光束とする近似が妥当となり、平均的屈折率を持つ媒質中から、基板（アノード電極）中に入射すると考えられる。このため、入射した光束には、基板中での角度θが、基板表面に対して基板／空気の屈折率差で決まる臨界角以上の大きさを持つものが含まれるようになる。その結果、その光束が基板の反対面から空気中に射出する際、界面での角度も臨界角以上となるので、全反射を起こし空気中に射出することができない。
【００２６】
このため、例え粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子の発光効率が粒径５μｍ程度の蛍光体粒子の発光効率と同じであったとしても、フェースプレートとしての輝度は低くなってしまう。しかし、フォトニック結晶構造が設けられていれば、この全反射による輝度の低下を防ぐことができる。
【００２７】
図８は、フォトニック結晶構造の効果を説明する図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、５０は互いに異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、Ｌは蛍光体層から発した光束を示す。図８には左右２つの図があるが、右図は左図の丸で囲んだ部分を拡大した図である。フォトニック結晶構造５０が設けられていると、その作用により、基板中に入射した光束の角度が変わる。即ち、図８の点線の矢印で示す角度から、実線の矢印で示す角度に変わる。このため、基板／空気の屈折率差で決まる臨界角以上の大きさを持つ光束の角度が、臨界角以下になり、基板の反対面から空気中に射出する際、全反射を起こすことなく空気中に射出するようになる。この結果、輝度の低下を防ぐことができる。このとき更に蛍光体層の表面（アノード電極４４と接触する側とは反対側の面）で内面反射した光束の角度も、臨界角以下になり、基板の反対面から空気中に射出する際、全反射を起こすことなく空気中に射出し、フェースプレートとしての輝度に寄与するようになる。このため、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子とフォトニック結晶構造５０を組み合わせると、５μｍ程度の蛍光体粒子を用いるよりもかえってフェースプレートとしての輝度を高くすることが可能になる。このとき重要なのが、蛍光体層の表面（アノード電極４４と接触する側とは反対側の面）での内面反射である。蛍光体層の表面の凹凸が大きいと、この内面反射が有効に起こらない。
【００２８】
上記内面反射があるため、５μｍ程度の蛍光体粒子を用いるよりもかえってフェースプレートとしての輝度を高くすることが可能となる。通常粒子蛍光体を用いた場合には、蛍光体粒子が大きく、蛍光体層の表面の凹凸は可視光波長程度をはるかに越えるため、上記内面反射は期待できない。従って、蛍光体粒子の発光のうち、半分は失われる。一方、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子を用いた場合（特に表面に粒径１４０ｎｍ以下の細かい蛍光体粒子を敷き詰めて内面反射を高めた場合）には、その失われる光束を有効に利用できるため、蛍光体粒子の発光効率が多少低くとも、輝度を高めることができる。通常粒子蛍光体を用いた場合でも、蛍光体層の表面にアルミ等で作られた反射層を設ければ、この漏れ光を有効利用することが出来るが、その場合アルミ反射層が蛍光体層に入射する電子線を阻害しマイナス要因になる。特に加速電圧１０ｋＶ以下の場合には、このマイナス要因が大きくなる。実施例１及び２のように加速電圧が７ｋＶの場合には、アルミ反射層による阻害のため、蛍光体層に入射する電子線エネルギーは約３分の２に減少すると考えられる。
【００２９】
図９は、蛍光体層の表面凹凸が無い場合（図９（Ａ））と、蛍光体層の表面凹凸が大きい場合（図９（Ｂ））のそれぞれおける、蛍光体層の表面での内面反射を説明する図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、Ｌは蛍光体層から発した光束を示す。蛍光体層の表面の凹凸は反射光に位相ズレを生じさせ、反射光が弱まり、その分、光が漏れるようになる。図９（Ａ）の丸で囲んだ部分では、位相のズレはないが、図９（Ｂ）の丸で囲んだ部分では位相のずれが生じる。目安として、蛍光体の発光波長をλとした場合、蛍光体層の表面の凹凸（Ｒｚ）がλ／４以上あると、反射光にλ／２以上の位相ズレが生じ、反射光が顕著に弱まり、その分、光が多く漏れるようになる。内面反射を有効に起こし、フォトニック結晶構造の効果を高め、フェースプレートとしての輝度を高くするためには、蛍光体層の表面（アノード電極４４と接触する側とは反対側の面）の凹凸（Ｒｚ）を、λ／４以下に抑える必要がある。
【００３０】
図１０は、蛍光体層の表面の凹凸と、フォトニック結晶構造による輝度増加効果との関係を実測した結果である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、５０は互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造を示す。同一基板上に、フォトニック結晶構造を形成した部分と形成しない部分とを設け、蛍光体層を電子線で同時に励起したときの輝度の比をフォトニック結晶構造効果と称して、フォトニック結晶構造による輝度増加効果の目安としている。グラフは蛍光体層の表面の凹凸（Ｒｚ）とフォトニック結晶構造効果の関係を示す。横軸が蛍光体層の表面の凹凸（Ｒｚ）、縦軸がフォトニック結晶構造効果（フォトニック結晶構造を形成した部分の輝度／フォトニック結晶構造を形成していない部分の輝度）である。フォトニック結晶構造効果は、蛍光体層の表面の凹凸（Ｒｚ）が大きくなるとともに直線的に低下していくのがわかる。
【００３１】
以上のことから、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子とフォトニック結晶構造を組み合わせたフェースプレートの輝度は、二つの要因で決まっていることが分かる。その二つの要因とは、蛍光体粒子の粒径が大きいほど発光効率が上がり輝度が上がる要因と、蛍光体粒子の粒径が大きいほどフォトニック結晶構造の効果が下がり輝度が下がる要因である。この点に鑑み考案された本発明の基本的な構造が、以下に示す本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態である。
【００３２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の画像表示装置に用いられる基本的な構造の第１の実施形態である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、を示す。４５−３は第１の蛍光体粒子、４５−４は第２の蛍光体粒子、５０は互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造、を示す。この構造の特徴は、粒径５００ｎｍ以下の異なる平均粒径を有する２種類の蛍光体粒子とフォトニック結晶構造を組み合わせたことである。更に、蛍光体層の内部４５−１は、発光効率の高く取れる第１の蛍光体粒子４５−３により形成し、蛍光体層の表面４５−２は、表面の凹凸（Ｒｚ）を小さく抑えられる第２の蛍光体粒子４５−４により形成したことである。第１の蛍光体粒子は第２の蛍光体粒子と比べて相対的に粒径の大きな蛍光体粒子である。蛍光体層の内部の蛍光体粒子（第１の蛍光体粒子）は、粒径が大きければ発光効率が高く取れるが、あまり大きすぎると蛍光体層の表面の平均粒径を小さくして表面の凹凸を小さくすることが難しくなるので、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度が望ましい。蛍光体層の表面の蛍光体粒子（第２の蛍光体粒子）は、表面の凹凸（Ｒｚ）が蛍光体の発光波長λの４分の１以下にできるように、蛍光体の発光波長λの２分の１以下の粒径である必要がある。なぜならば、蛍光体層の表面部分の蛍光体粒子が綺麗に段差なく並んだとしても、隣接する蛍光体粒子の接触部と蛍光体粒子の頂部とでできる凹凸は、粒径の１／２の高さになるからである。例えば、赤色蛍光体であるＥｕドープのＹ2Ｏ2Ｓ蛍光体の場合、発光の主波長は６２０ｎｍで、蛍光体の屈折率は２．２であるから、λ／２は１４０ｎｍとなる。よって、蛍光体層の表面の蛍光体粒子の粒径は１４０ｎｍ以下である必要がある。
【００３３】
図１１は、全厚さ１μｍの蛍光体層において、蛍光体層の表面近傍を、蛍光体層の内部とは粒径の異なる蛍光体粒子により形成し、加速電圧７ｋＶの電子線で励起した場合の輝度の推定値を相対的に示したものである。蛍光体層の内部（以下、「主要部分」ということもある）の厚さ８００ｎｍを平均粒径２００ｎｍの蛍光体粒子で作製し、蛍光体層の表面近傍の厚さ２００ｎｍの部分を、蛍光体層の内部とは粒径の異なる蛍光体粒子により形成し、加速電圧７ｋＶの電子線で励起した。図５に示した発光効率の粒径依存性と、図６に示した粒径と表面粗さの関係と、図１０に示した蛍光体層の表面の凹凸とフォトニック結晶構造による輝度増加効果との関係とを勘案している。図１１の横軸は蛍光体層の表面の蛍光体粒子の平均粒径（平滑層粒径）を、縦軸は輝度（相対値）の推定値を示す。縦軸の輝度の推定値は、フォトニック結晶構造を設けず、蛍光体層の表面近傍の粒径を蛍光体層の内部の粒径と同じ２００ｎｍとした場合の輝度（図中、Ｒｅｆ．で示す。）を１として規格化している。
【００３４】
蛍光体層の表面の粒径を蛍光体層の内部の粒径と同じ２００ｎｍとした場合、フォトニック結晶構造を設けることにより輝度は１．３倍に増加するが、蛍光体層の表面の粒径を小さくしていくことで輝度は更に増加する。上述の、λ／２に相当する粒径１４０ｎｍを越えて１００ｎｍまで小さくすると、輝度の増加は１．５倍になる。それ以上に小さくすると、フォトニック結晶構造の効果が上がる効果と蛍光体層の表面近傍の蛍光体粒子の発光効率が下がる効果とが拮抗し、輝度の増加は頭打ちになる。蛍光体層の表面の粒径を５０ｎｍより小さくしようとすると、輝度の増加率はかえって減少し、２０ｎｍより小さくすると、蛍光体層の表面近傍の粒径を蛍光体層の内部の粒径と同じ２００ｎｍとした場合より低くなってしまう。従って、蛍光体層の表面の蛍光体粒子（第２の蛍光体粒子）の粒径は、λ／２に相当する粒径である１４０ｎｍ以下、２０ｎｍ以上が望ましい。
【００３５】
＜第２の実施形態＞
本実施形態では、第１の実施形態で示した、本発明の画像表示装置に用いられる基本的な構造において、蛍光体層の内部に、平均粒径５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の第１の蛍光体粒子と、平均粒径５０ｎｍ以下のナノ粒子を混入した。
【００３６】
上記において、図８で、蛍光体層の表面の凹凸が大きいと、蛍光体層からの光の漏れが大きくなり、フェースプレートとしての輝度が低下することを説明したが、蛍光体層の散乱性によっても、光の漏れが生ずる。特に、蛍光体層の内部（主要部分）は蛍光体粒子の粒径が大きいために散乱性が高くなりやすい。蛍光体層に、粒径５０ｎｍ以下のナノ粒子を混入し、蛍光体粒子間に存在させ、蛍光体粒子間の空間の実効屈折率を高くし、蛍光体粒子の屈折率に近づければ、光束が蛍光体粒子を透過しやすくなり、蛍光体層の散乱性が低下する。このために光の漏れが減少し、フォトニック結晶構造の効果が高まる。
【００３７】
図１２に、ナノ粒子により、蛍光体層の散乱性が低下する様子を示す。図１２（Ａ）はナノ粒子を混入しない場合、図１２（Ｂ）はナノ粒子を混入した場合、を示す。図１２（Ｂ）では実効屈折率が１．５となり、蛍光体粒子間の空間の実効屈折率が図１２（Ａ）よりも高くなっていることが分かる。混入するナノ粒子は、それ自身では散乱性の低い、粒径５０ｎｍ以下の粒子が望ましい。粒径５０ｎｍ以下のナノ粒子は、可視光に対する散乱がいわゆるレイリー散乱となり、粒径が小さくなればなるほど散乱性が減少して透明になるからである。但し、発光性は期待できないので、混入量が多すぎれば、電子線を阻害して輝度低下を起こす。特に、蛍光体層から溢れ出すほど多量に用いた場合には、著しい輝度低下を起こすので、蛍光体粒子間に存在するのみに留めるのが望ましい。
【００３８】
ＺｒＯ2以外に用いることができる材料としては、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3等があります。溢れ出さない程度の量の目安は、体積比率で蛍光体粒子が２に対しナノ粒子は１以下である。これは、次のように考えることで導かれる。通常、蛍光体粒子やナノ粒子を、塗布法によって成膜した場合、充填率５０％前後の膜になる。蛍光体粒子を成膜すると、その充填率は５０％で、その後からナノ粒子の分散液を塗布した場合、ナノ粒子は蛍光体粒子の間に残された５０％の空隙に入って、その空隙を充填率５０％で充填する。つまり、蛍光体膜全体の体積の５０％が蛍光体粒子で、２５％がナノ粒子になる。この量を超えてナノ粒子が多いと溢れ出すことになる。よって、溢れ出さない程度の量は上記のとおりとなる。これを重量比率に直すには、蛍光体粒子とナノ粒子の密度の比をかける。実施例２のように、蛍光体粒子がＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕの場合には、密度は５．０である。ナノ粒子がＺｒＯ2の場合には、密度は６．０である。よって、重量比率で蛍光体粒子が２に対しナノ粒子は１．２以下となる。ナノ粒子がＳｉＯ2の場合には、密度は２．１〜２．６５である（アモルファスで２．１、結晶で２．６５）。よって、重量比率で蛍光体粒子が２に対しナノ粒子は０．４２〜０．５３以下となる。ナノ粒子がＡｌ2Ｏ3の場合には、密度は４．０である。よって、重量比率で蛍光体粒子が２に対しナノ粒子は０．８以下となる。
【００３９】
以上のように、本発明では、蛍光体層４５は、二つの部分、平均粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子よりなる主要部分と、前記主要部分より小さい平均粒径、かつ平均粒径２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の蛍光体粒子よりなる表面平滑層とで構成されている。フォトニック結晶構造５０が設けられた透明基板４３に近い側から主要部分、表面平滑層、の順に積層されている。蛍光体層４５の平均粒径の上限値を５００ｎｍとするのは、以下の理由からである。５００ｎｍを超えると、蛍光体粒子から発した光束のうち、全反射を起こし空気中に射出することができないような光束の割合が小さくなるためである。また、５００ｎｍを超えると、蛍光体層の散乱性が大きくなることに加え、フォトニック結晶構造の効果が少なくなるためである。
【００４０】
また、ＦＰＤに、蛍光体層とフォトニック結晶構造を適用した場合における好ましい加速電圧の範囲は、１ｋＶ以上１０ｋＶ以下であると考えられる。但し、この範囲に限定されるわけではない。
【００４１】
加速電圧の上限値を１０ｋＶとするのは以下の理由からである。一般的にＦＰＤはＣＲＴと異なって、画素毎に微小な電子源を形成して対応する画素の蛍光体膜だけを励起するため、電子源とフェースプレート上の蛍光体との距離を短く（ＣＲＴの１／数十〜１／百程度）できる利点があり、薄型ディスプレイとして適している。反面、加速電圧を高くすると電子源とフェースプレートの間の空間の電界強度が高くなり、放電等の問題が発生しやすい。そのため、なるべく低い加速電圧で効率よく発光する蛍光体、フェースプレート構成が望ましいと考えられます。特に蛍光体層とフォトニック結晶構造を適用した場合に、上限値を１０ｋＶとするのは、上記理由に加え、蛍光体層の厚さによる理由があるためである。加速電圧が高くなるほど、蛍光体層の中に電子線が深く侵入するため、蛍光体層の厚さを厚くしなければならない。蛍光体粒子の種類や、蛍光体層の充填率にもよるが、実施例１及び２のように蛍光体をＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕとし、充填率を５０％とした場合には、加速電圧１０ｋＶでは、この厚さは２μｍ以上となる。一方、粒径１００ｎｍ〜３００ｎｍのナノ粒子蛍光体で蛍光体層を作成する場合、この厚さでは蛍光体層の散乱性が高くなりすぎ、蛍光体層からの光の漏れが大きくなり、望ましくない。従って、加速電圧はの上限値は１０ｋＶが望ましいと考えられる。
【００４２】
加速電圧の下限値を１ｋＶとするのは以下の理由からである。加速電圧を低圧とするほど、蛍光体層の中に電子線が侵入する深さが浅くなる。蛍光体粒子の表面には、結晶性の低下や化学量論比からのずれのため、発光効率の低い不活性層があるのが一般的で、ナノ粒子蛍光体も、通常の蛍光体より少ないとはいえ、薄い不活性領域は存在すると考えられる。加速電圧が１ｋＶの場合には、電子線侵入長は数ｎｍ程度になると思われ、加速電圧がこれ以下になると、不活性層を抜けて、ナノ粒子蛍光体内部の発光効率の高い部分に到達する電子線が少なくなり発光効率が落ちると思われる。従って、加速電圧の下限値は１ｋＶが望ましいと考えられる。
【実施例】
【００４３】
［実施例１］
図１３（Ａ）は本実施例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、４５−３は第１の蛍光体粒子、４５−４は第２の蛍光体粒子、を示す。５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造を示す。第１の蛍光体粒子は第２の蛍光体粒子と比べて相対的に粒径の大きな蛍光体粒子である。
【００４４】
（蛍光体粒子）
本実施例では液相法のうち、ゾルゲル法を用いて蛍光体粒子を形成した。
【００４５】
赤色に発光する蛍光体粒子は、例えばＹ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3等の酸化物、或いはＹ2Ｏ2Ｓ等の硫化物を母体とし、この母体にＥｕ、Ｚｎ等の付活剤金属を添加してなるものである。Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3を母体とする場合には、Ｙの無機塩又はＧｄの無機塩と、Ｅｕの無機塩及びＺｎの無機塩と、有機酸とを溶媒に溶解又は分散させた後、得られた溶液又は分散液を加熱してゲル化させる（ゾルゲル法）。その後、例えば大気中で焼成する。Ｙ2Ｏ2Ｓを母体とする場合には、Ｙ2Ｏ3を硫化水素雰囲気中で加熱して得たＹ2Ｏ2Ｓを母体とすることができる。Ｙの無機塩、Ｇｄの無機塩としては、焼成の際に分解して酸化物となり得る化合物であれば良く、例えば硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、酢酸塩、水酸化物、ハロゲン化物（例えば塩化物や臭化物等）等を挙げることができる。Ｅｕ及びＺｎの無機塩としては、例えば硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、酢酸塩、水酸化物、ハロゲン化物（例えば塩化物や臭化物等）等を挙げることができる。
【００４６】
本実施例ではゾルゲル法を用いて赤色に発光するＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕの蛍光体粒子を２種類の粒径に作製した。図１４は、本実施例の蛍光体粒子の粒度分布を測定した結果である。平均粒径１９４ｎｍの蛍光体粒子、及び平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子であった。蛍光体粒子の粒度分布及び平均粒径は、ゼータサイザーナノＺＳ（シスメックス株式会社製）を用いて測定した。平均粒径は体積分布でみたメジアン径（Ｄ５０）の値をとった。次に、ゾルゲル法により得られた蛍光体粒子をボールミルに入れ、溶媒分散処理を行った。溶媒としてＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を用い、分散剤としてアクリル系分散剤を用いた。その後、バーコート法に適した粘度と表面張力を付与するため、ＢＣＡ（ブチルカルビトールアセテート）にて溶媒置換を行い、蛍光体のナノ粒子を含有したバーコート法用インクを調製した。
【００４７】
（フォトニック結晶構造）
まず、透明基板上にスパッタ法によりＴｉＯ2膜を堆積した。本実施例では透明基板として屈折率１．５５のガラス基板を用いた。ＴｉＯ2膜の屈折率は２．２、ＴｉＯ2膜の膜厚は１．３μｍであった。次に、ＴｉＯ2膜上にレジスト膜を塗布した。その後、露光装置を用いて露光、現像し、図４のように微細ドットパターンを形成した。微細ドットのピッチｐは１７００ｎｍ、微細ドットの径ｗは１２００ｎｍとした。このレジストをマスクとして、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）により、ＴｉＯ2微細柱を形成した。次に、レジスト剥離液にてレジスト膜を剥離した。その後、ポリシラザン系塗布液をスピンコート法にて塗布し、焼成してアモルファスＳｉＯ2に変え、ＴｉＯ2微細柱がＳｉＯ2にて埋め込まれたフォトニック結晶構造５０を形成した。このようにして、フォトニック結晶構造５０が設けられた透明基板４３を形成した。
【００４８】
（フェースプレート）
先に形成したフォトニック結晶構造５０を有する透明基板４３の上に、スパッタ法を用いてＩＴＯ膜を１００ｎｍ堆積した。ＩＴＯ膜の屈折率は１．９であった。次に、ＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて、先に作製した平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布した。その後、５５０℃にて１時間、焼成を行った。焼成後の蛍光体層４５の厚さは８００ｎｍであった。その上に、先に作製した平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布した。その後、５５０℃にて１時間、焼成を行った。焼成後の蛍光体層４５の厚さは累積で１０００ｎｍであった。
【００４９】
このように形成したフェースプレートの表面と断面を走査電子顕微鏡にて観察した。その結果、蛍光体層４５中の、フォトニック結晶構造に近い側８００ｎｍでは主として平均粒径２００ｎｍ前後の蛍光体粒子が凝集しており、フォトニック結晶構造から遠い側の表面２００ｎｍでは主として平均粒径１００ｎｍ前後の蛍光体粒子が凝集していた。この結果、蛍光体層の表面の蛍光体粒子の平均粒径が、蛍光体層の内部の蛍光体粒子の平均粒径より小さく、２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることが確認された。
【００５０】
表面平滑層の厚さは、薄すぎては表面が十分平滑化せず、厚すぎれば無駄に発光効率の低い層を増やすことになる。
【００５１】
図１５は、蛍光体層の内部を平均粒径１９４ｎｍの蛍光体粒子で作製し、蛍光体層の表面近傍を平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子で作製した場合の、平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の部分の厚さを考察した図である。図１５（Ａ）は平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の層がない場合、同図（Ｂ）は平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の層が１層の場合、同図（Ｃ）は平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の層が２層の場合、同図（Ｄ）は平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の層が３層の場合を示す。平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の部分が、粒子層１層分の厚さでは十分平滑化できず、粒子層２層分で平滑化し、粒子層３層分以上では無駄な層数が増えることを示している。蛍光体層の表面近傍の蛍光体粒子の平均粒径が、蛍光体層の内部の蛍光体粒子の平均粒径の１／２程度の場合、表面近傍の小さい平均粒径の蛍光体の層の厚さは、その平均粒径の２〜３倍が適当である。本実施例は、この考えにより、平均粒径８７ｎｍの蛍光体の層の厚さを２００ｎｍとした。
【００５２】
（画像表示装置）
上記方法で形成したフェースプレート４６と、電子放出素子を有するリアプレート４１、支持枠４２を用いて、画像表示装置を形成した。電子放出素子としては、表面伝導型電子放出素子を用いた。
【００５３】
（輝度測定）
上記方法で形成したフェースプレートの発光輝度を、輝度評価真空装置で測定した。具体的には、フェースプレートの小片を真空装置内に納め、真空中で電子銃により放出した電子を、フェースプレートのアノードとの間に印加した加速電圧で加速し蛍光体層を照射、励起、発光せしめ、ガラス窓を通して輝度計にて発光輝度を測定することで測定した。
【００５４】
輝度評価真空装置内の真空度は１×１０-6Ｐａであり、アノード電極４４には７ｋＶのアノード電圧を印加した。電子銃からは４０μＡの電子ビームが放射され、評価面上でビーム径１ｍｍに収束し、３ｃｍ×３ｃｍの領域を６０Ｈｚで走査する。このとき、評価スポットの電流密度は４ｍＡ／ｃｍ2であり、水平帰線時間も考慮した実効パルス幅は１５μｓｅｃであった。このようにして蛍光体層を赤色に発光させた発光輝度の測定結果は４１７ｃｄ／ｍ2であった。
【００５５】
また、上記方法で形成した画像表示装置の発光輝度を、フェースプレートの発光輝度の測定と同様に輝度評価真空装置で測定した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度は３４．４ｃｄ／ｍ2であった。
【００５６】
以上より、本実施例における発光強度は、後述する比較例１における発光強度の最大値の１．５倍となった。
【００５７】
［比較例１］
図１６（Ａ）は本比較例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、４５−３は第１の蛍光体粒子、を示す。
【００５８】
本比較例は、フォトニック結晶構造を形成しなかった点と、粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクのみで蛍光体層を１０００ｎｍ形成した点と、を除いて実施例１と同じである。即ちフェースプレート４６は、透明基板にフォトニック結晶構造５０を形成することなく、透明基板の上にＩＴＯ膜を形成した。また、ＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布、焼成し、蛍光体層４５の厚さを１０００ｎｍとして、その後、平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクでの塗布、焼成は行わなかった。その他の構成については、実施例１と同じである。このように形成したフェースプレートの発光輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２７８ｃｄ／ｍ2であった。
【００５９】
また、このフェースプレートと、電子放出素子を有するリアプレート、支持枠を用いて、実施例１と同じ方法により画像表示装置を形成した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２３．０ｃｄ／ｍ2であった。
【００６０】
本比較例では、フォトニック結晶構造を設けず、また平均粒径１９４ｎｍの蛍光体のみで蛍光体層を形成したため、発光輝度が実施例１の場合を大きく下回った。
【００６１】
［比較例２］
図１６（Ｂ）は本比較例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、４５−３は第１の蛍光体粒子、５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、を示す。
【００６２】
本比較例は、平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクのみで蛍光体層を１０００ｎｍ形成した点、を除いて実施例１と同じである。即ちフェースプレート４６は、ＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布、焼成し、蛍光体層４５の厚さを１０００ｎｍとして、その後、平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクでの塗布、焼成は行わなかった。その他の構成については、実施例１と同じである。このように形成したフェースプレートの発光輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は３６１ｃｄ／ｍ2であった。
【００６３】
また、このフェースプレートと、電子放出素子を有するリアプレート、支持枠を用いて、実施例１と同じ方法により画像表示装置を形成した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２９．８ｃｄ／ｍ2であった。
【００６４】
本比較例では、平均粒径１９４ｎｍの蛍光体のみで蛍光体層を形成したため、発光輝度が実施例１の場合を下回った。
【００６５】
［実施例２］
図１３（Ｂ）は本実施例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、４５−３は第１の蛍光体粒子、４５−４は第２の蛍光体粒子、４５−５は蛍光体粒子とは異なる材質よりなるナノ粒子、を示す。５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、を示す。第１の蛍光体粒子は第２の蛍光体粒子と比べて相対的に平均粒径の大きな蛍光体粒子である。
【００６６】
（蛍光体粒子）
実施例１と同様に、ゾルゲル法を用いて、赤色に発光するＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕの蛍光体粒子を２種類の平均粒径に作製した。平均粒径は１９４ｎｍと８７ｎｍであった。また、蛍光体粒子を含有した２種類のバーコート法用インクを調製した。平均粒径は体積分布でみたメジアン径（Ｄ５０）の値をとった。
【００６７】
（フォトニック結晶構造）
実施例１と同様に、フォトニック結晶構造５０が設けられた透明基板４３を形成した。
【００６８】
（フェースプレート）
先に形成したフォトニック結晶構造５０を有する基板４３の上に、スパッタ法を用いてＩＴＯ膜を１００ｎｍ堆積した。ＩＴＯ膜の屈折率は１．９であった。次に、ＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて、先に作製した平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布した。その後、５５０℃にて１時間、焼成を行った。焼成後の蛍光体層４５の厚さは８００ｎｍであった。その後、平均粒径７ｎｍのＺｒＯ2ナノ粒子を分散させた分散液をスピンコートにて塗布して乾燥させ、上述した平均粒径１９４ｎｍの蛍光体の粒子間にＺｒＯ2ナノ粒子を配置した。ＺｒＯ2ナノ粒子の量は、厚さは８００ｎｍの蛍光体層上に溢れ出さない程度であった。その上に、先に作製した平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布した。その後、５５０℃にて１時間、焼成を行った。焼成後の蛍光体層４５の厚さは累積で１０００ｎｍであった。
【００６９】
このように形成したフェースプレートの表面と断面を走査電子顕微鏡にて観察した。その結果、蛍光体層４５中の、フォトニック結晶構造に近い側８００ｎｍでは主として平均粒径２００ｎｍ前後の蛍光体粒子が凝集していることが確認された。更にフォトニック結晶構造に近い側８００ｎｍでは蛍光体粒子間には平均粒径が著しく小さい平均粒径７ｎｍのＺｒＯ2ナノ粒子と考えられる粒子が配置していることが確認された。フォトニック結晶構造から遠い側の表面２００ｎｍでは主として平均粒径１００ｎｍ前後の蛍光体粒子が凝集しており、蛍光体層表面の蛍光体粒子の平均粒径が、蛍光体層内部の蛍光体粒子の平均粒径より小さく、２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることが確認された。
【００７０】
（画像表示装置）
上記方法で形成したフェースプレートと、電子放出素子を有するリアプレート、支持枠を用いて、画像表示装置を形成した。電子放出素子としては、表面伝導型電子放出素子を用いた。
【００７１】
（輝度測定）
上記方法で形成したフェースプレートの発光輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は３７５ｃｄ／ｍ2であった。
【００７２】
また、上記方法で形成した画像表示装置の発光輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度は３１．０ｃｄ／ｍ2であった。
【００７３】
［比較例３］
図１６（Ｃ）は本比較例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、を示す。蛍光体層４５には、第１の蛍光体粒子と、第１の蛍光体粒子とは異なる材質よりなるナノ粒子が存在する。第１の蛍光体粒子とは異なる材質よりなるナノ粒子は蛍光体層の表面上に溢れ出している。
【００７４】
本比較例は、ＺｒＯ2ナノ粒子の量を、蛍光体層上に溢れ出す程度まで増やした点と、平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクでの塗布、焼成は行わなかった点と、を除いて実施例２と同じである。即ちＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布、焼成し、蛍光体層４５の厚さを８００ｎｍとした。その後、平均粒径７ｎｍのＺｒＯ2ナノ粒子を分散させた分散液をスピンコートにて塗布して乾燥させ、厚さは８００ｎｍの蛍光体層上にＺｒＯ2ナノ粒子が２００ｎｍ溢れ出す程度に作製した。また、その後、平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクでの塗布、焼成を行わなかった。その他の構成については、実施例２と同じである。このように形成したフェースプレートの発光輝度を、実施例２と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２６０ｃｄ／ｍ2であった。
【００７５】
また、このフェースプレートと、電子放出素子を有するリアプレートと、支持枠を用いて画像表示装置を形成した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度を、実施例２と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２１．５ｃｄ／ｍ2であった。
【００７６】
本比較例では、ＺｒＯ2ナノ粒子が蛍光体層から２００ｎｍ溢れ出す程度に作製したため、発光輝度が実施例１の場合を大きく下回った。
【符号の説明】
【００７７】
３４：電子放出素子、４３：透明基板、４４：アノード電極、４５：蛍光体層、４５−１：蛍光体層の内部、４５−２：蛍光体層の表面、４５−３：第１の蛍光体粒子、４５−４：第２の蛍光体粒子、４５−５：ナノ粒子、５０：フォトニック結晶構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像表示装置に関し、特に、電子放出素子を用いた平面型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子線を用いたディスプレイとして、これまでカソードレイチューブ（ＣＲＴ）が用いられてきた。ＣＲＴでは、電子銃から放出された電子線をアノード電極で加速しながら蛍光体に照射し、蛍光体を発光させることにより画像表示を行う。一般に、ＣＲＴに用いられる蛍光体としては、粒径が数μｍ程度の蛍光体粒子が用いられている。また、蛍光体層の電子銃側にはアルミニウムの反射膜（メタルバック）を設けて、蛍光体層から電子銃側に漏出する発光を反射して戻すように構成されている。より明るい輝度を得るために、蛍光体層の層構成も工夫されている（特許文献１、２、３参照）。
【０００３】
一方、電子放出素子を用いた平面型画像表示装置として、電界放出型ディスプレイ（ＦＥＤ）の開発が進められている。ＦＥＤでは、電子放出素子から放出された電子をアノード電極で加速しながら蛍光体に照射し、蛍光体を発光させることにより画像表示を行う。ＦＥＤの蛍光体としては、ナノ粒子の蛍光体を用いる構成が提案されている（特許文献４参照）。
【０００４】
また、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイでは、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列した構造であるフォトニック結晶構造を用いて輝度を上げることが提案されている（特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１００３４５号公報
【特許文献２】特開平０８−０９２５５３号公報
【特許文献３】特開平０６−１３１９８８号公報
【特許文献４】特開２００７−１７７１５６号公報
【特許文献５】特開平１１−２８３７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１乃至３の構成では、アノード電極に十分高いアノード電圧を得られるＣＲＴを前提としているため、粒径が数μｍ程度の蛍光体粒子を前提として考えられている。そのため、アノード電極に高いアノード電圧を印加することが難しいＦＥＤにそのまま用いても、十分な発光輝度を得ることが難しいという問題があった。また、蛍光体層の電子銃側にはアルミニウムの反射膜を設けて、蛍光体層から電子銃側に漏出する光束を反射して戻す構成をとっているために、蛍光体層の表面粗さが、粒径が数μｍの蛍光体粒子が形成する程度の粗さの表面性であっても問題にならなかった。しかし、表面粗さが大きい蛍光体層を、そのままＦＥＤの蛍光体層として採用してもアノード電圧を十分低減することは出来ないという問題があった。
【０００７】
特許文献４の構成では、蛍光体粒子と蛍光体粒子の間の空間や、蛍光体粒子と基板との間の空間のサイズが波長サイズを越えて小さくなるため、蛍光体層が、蛍光体粒子の屈折率と空気（或いは真空）の屈折率との平均的な屈折率を持った連続媒質のように振る舞う。蛍光体層から基板中に侵入した発光光束が、蛍光体層とは反対側の基板／空気界面から空気中に射出することが出来ず、全反射して閉じ込められてしまう現象が顕著に生じる。この現象のため、蛍光体層とは反対側の空気中から蛍光体の発光を観察したとき、非常に暗くなってしまうという問題があった。この問題は透明な有機薄膜発光体を発光層として用いる有機エレクトロルミネッセンスディスプレイでは早くから知られており、この問題を回避するため、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列した構造であるフォトニック結晶構造を用いることが提案されている。しかし、発光層として蛍光体粒子により構成された蛍光体層を用いるＦＥＤの場合、特許文献５のようなフォトニック結晶構造とそのまま組合わせても十分輝度を高くすることが出来ないという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、電子放出素子を用いた画像表示装置にフォトニック結晶構造を設けた場合において、高輝度が得られる画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、電子放出素子と、透明基板と、前記透明基板上又は前記透明基板中に設けられ、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造と、前記フォトニック結晶構造上に設けられたアノード電極と、前記アノード電極上に設けられ、蛍光体粒子を含有し、前記電子放出素子から放出された電子が照射されることにより発光する蛍光体層と、を有する画像表示装置であって、前記蛍光体層は、該蛍光体層の表面と、該蛍光体層の内部と、で含有する蛍光体粒子の平均粒径が異なっており、前記蛍光体層の内部には、平均粒径が５００ｎｍ以下の第１の蛍光体粒子が含有され、前記蛍光体層の表面には、平均粒径が前記第１の蛍光体粒子より小さく、かつ２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の第２の蛍光体粒子が含有されていることを特徴とする画像表示装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、蛍光体層の表面に平均粒径の小さい蛍光体粒子を含有させることで蛍光体層の表面の凹凸を小さくし、その一方で、蛍光体層の内部に平均粒径の大きい蛍光体粒子を含有させることで大きな輝度を得ることができる。更に、透明基板上又は透明基板中にフォトニック結晶構造を設けることで、蛍光体から発する光の、蛍光体層の表面での内面反射を有効に発生させることができる。このため、電子放出素子を用いた画像表示装置にフォトニック結晶構造を設けた場合において、高輝度が得られる画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の基本的な構造を示す断面図である。
【図２】画像表示装置の構造の一例を示す斜視図である。
【図３】フェースプレートの構造の一例を示す断面図である。
【図４】フォトニック結晶構造の一例を示す平面図である。
【図５】蛍光体粒子の粒径と輝度の関係を示す図である。
【図６】蛍光体層表面での蛍光体粒子の平均粒径と表面粗さの関係を示す図である。
【図７】蛍光体層から発光した光束が進む様子を示す図である。
【図８】フォトニック結晶構造の効果を説明する図である。
【図９】内面反射と蛍光体層表面の凹凸の関係を説明する図である。
【図１０】蛍光体層の表面粗さとフォトニック結晶構造効果の関係の実測値である。
【図１１】蛍光体層表面での蛍光体粒子の平均粒径と輝度の関係の推定値である。
【図１２】ナノ粒子添加による蛍光体層の散乱性の低下を説明する図である。
【図１３】実施例１及び２の構造を示す図である。
【図１４】実施例１での蛍光体粒子の粒度分布の実測値である。
【図１５】蛍光体層における表面平滑層の厚さを考察した図である。
【図１６】比較例１乃至３の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（画像表示装置の構造）
図２は、本発明に係る、電子放出素子を有する画像表示装置の構造の一例を示す斜視図であり、その内部構造を示すために一部を切り欠いて示している。図中、１は基板、３２は走査配線、３３は変調配線、３４は電子放出素子である。４１は基板１を固定したリアプレート、４６は透明基板４３の内面にアノード電極４４と蛍光体層４５が形成されたフェースプレートである。４２は支持枠であり、支持枠４２にリアプレート４１、フェースプレート４６がフリットガラス等を介して取り付けられ、外囲器４７を構成している。ここで、リアプレート４１は主に基板１の強度を補強する目的で設けられるため、基板１自体で十分な強度を持つ場合には、別体のリアプレート４１は不要である。また、フェースプレート４６とリアプレート４１との間に、スペーサとよばれる不図示の支持体を設置することにより、大気圧に対して十分な強度を持たせた構成とすることもできる。
【００１３】
ｍ本の走査配線３２は、端子Ｄｘ１，Ｄｘ２，…Ｄｘｍと接続され、ｎ本の変調配線３３は、端子Ｄｙ１，Ｄｙ２，…Ｄｙｎと接続されている（ｍ，ｎは、共に正の整数）。これらｍ本の走査配線３２とｎ本の変調配線３３との間には、不図示の層間絶縁層が設けられており、両者を電気的に絶縁している。
【００１４】
高圧端子はアノード電極４４に接続され、例えば数ｋＶの直流電圧が供給される。これは電子放出素子から放出される電子に蛍光体を励起するのに十分なエネルギーを付与する為の加速電圧である。
【００１５】
（フェースプレートの構造）
図３は、本発明に係るフェースプレートの構造の一例を示す図である。本発明では、透明基板４３上に、互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列した結晶構造であるフォトニック結晶構造５０が設けられている。フォトニック結晶構造５０は蛍光体層４５が発光した光を透明基板４３側に取り出す。図３では透明基板４３上にフォトニック結晶構造５０を設けているが、透明基板４３中にフォトニック結晶構造５０を設けても良い。透明基板４３上（フォトニック結晶構造上）にはＩＴＯ膜やＺｎＯ膜、ＳｎＯ膜等の透明導電膜を堆積したアノード電極４４が設けられている。アノード電極上には多数の蛍光体粒子を含有している蛍光体層４５が設けられ、隣り合う蛍光体層４５の間にはブラックマトリクス４８が設けられている。
【００１６】
（フォトニック結晶構造）
上述のようにフォトニック結晶構造５０は、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列した結晶構造である。典型的には、低屈折率材料中に高屈折率微細ドットが散在する、或いは高屈折率材料中に低屈折率微細ドットが散在するパターンである。図４は、フォトニック結晶構造の一例を示す平面略図である。図中のｐは微細ドットのピッチであり、ｗは微細ドットの径である。ｐは３００ｎｍから３μｍの間、ｗはｐの０．２倍から１倍の間にある。微細ドットパターンは必ずしも正確にピッチｐの周期パターンでなくても良い。周期パターンでない場合は、ｐは隣接するドットの中心間の距離である。
【００１７】
（蛍光体粒子）
本発明に係る蛍光体粒子は、その平均粒径が２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下のものである。蛍光体層の内部を形成する蛍光体粒子の平均粒径は１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。本発明では、蛍光体粒子の平均粒径は、動的光散乱法によりナノ粒子のストークス径を見積もることによって測定した。具体的には、ゼータサイザーナノＺＳ（シスメックス株式会社製）を用いて測定した。
【００１８】
蛍光体粒子の製造には、固相法、液相法、噴霧熱分解法、気相法等の方法を用いることができる。固相法は、原料粉末を混合し、高温条件で加熱して焼成したものをボールミル等で微粉砕して蛍光体粒子を形成する。液相法は、共沈法、ゾルゲル法等の液相反応を利用して蛍光体粒子を形成するものである。噴霧熱分解法は、原料溶液を噴霧して液滴化した後、キャリアガス中でヒーターによって加熱し、溶媒の蒸発及び原料の熱分解により蛍光体粒子を形成するものである。気相法は、気相反応を利用して蛍光体粒子を形成するものであり、キャリアガスに浮遊させた蛍光体原料をプラズマ等の熱源による加熱域を通過させて急速に加熱、冷却することで、蛍光体粒子を形成する方法である。これらの製造方法を適宜、用いることができる。
【００１９】
（蛍光体層）
蛍光体層４５を形成するには、先ず、溶媒中に上述の蛍光体粒子を分散し、分散液を調整する。その際、分散を補助するために適切な分散剤を添加することが普通である。さらに、焼成されて形成された蛍光体層の密着性を確保するための結着剤を添加しておくことも出来る。
【００２０】
一般に、蛍光体のナノ粒子は、粒径が小さくなるほど発光効率が下がる。図５に、Ｅｕを発光中心としてドープしたＹ2Ｏ2Ｓ結晶よりなる蛍光体粒子の、発光効率の粒径依存性の一例を示す。横軸は蛍光体粒子の粒径、縦軸は蛍光体粒子の粉体の状態で加速電圧１０ｋＶ、電流密度４ｍＡ／ｃｍ2、パルス幅２０μｓｅｃ、周波数６０Ｈｚで真空中電子線励起したときの輝度を示す。通常用いられる粒径５μｍ程度の蛍光体粒子（通常粒子）の輝度を１として規格化されている。粒径が小さくなるほど、蛍光体粒子の発光効率が低下し輝度が低下しているのがわかる。粒径２００ｎｍ程度では、粒径５μｍ程度の蛍光体粒子に対する輝度の低下は２０％以内に収まっているが、粒径１００ｎｍ以下になると輝度の低下が顕著になることが予想される。従って、蛍光体層の発光効率を確保するためには、粒径が１００ｎｍ以上、望ましくは２００ｎｍ以上の蛍光体粒子で蛍光体層を構成することが良い。
【００２１】
一方、蛍光体層を構成する蛍光体粒子の粒径が大きくなると、蛍光体層の表面（アノード電極４４と接触する側とは反対側の面）の凹凸（表面粗さ）が大きくなる。図６に、粒径の異なる蛍光体粒子を用いてバーコート法で成膜した蛍光体層の表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した結果を示す。横軸は蛍光体粒子の粒径、縦軸はＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定した表面粗さＲｚである。Ｒｚが粒径に比例して大きくなっているのがわかる。この蛍光体層の表面の凹凸は、フォトニック結晶構造５０により、蛍光体層４５で発光した光を、より多く透明基板４３側に取り出そうとする際に、その効果を左右する要因となる。
【００２２】
ここで、フォトニック結晶構造の効果について簡単に説明する。
【００２３】
図７は、蛍光体層から発光した光束の進み方について通常用いられる粒径５μｍ程度の蛍光体粒子で蛍光体層を構成した場合（図７（Ａ））と、本発明に係る、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子で蛍光体層を構成した場合（図７（Ｂ））との違いを説明する図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、Ｌは蛍光体層から発した光束、θは蛍光体層から発した光束が透明基板中を進行するときの、透明基板の表面の垂線と為す角を示す。図７（Ａ）及び（Ｂ）ともに、上下２つの図があるが、下図は上図の丸で囲んだ部分を拡大した図である。
【００２４】
粒径５μｍ程度の蛍光体粒子で構成された蛍光体層では、蛍光体粒子と蛍光体粒子との間の空間距離や、蛍光体粒子と基板（アノード電極）との間の空間距離が、蛍光体の発光波長に比して長い。蛍光体層から発した光束は一旦、これらの空間中の伝播光となり、その後、基板（アノード電極）中に入射すると考えられる。このため、入射した光束の、基板中での角度θは、基板表面に対して、基板／空気の屈折率差で決まる臨界角以下の大きさを持つものに限定される。その結果、その光束が基板の反対面から空気中に射出する際、界面での角度も臨界角以下となるので、全反射を起こすことなく空気中に射出する。
【００２５】
一方、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子で構成された蛍光体層では、蛍光体粒子と蛍光体粒子との間の空間距離や、蛍光体粒子と基板（アノード電極）との間の空間距離が、蛍光体の発光波長に比して短い。蛍光体層から発した光束は、蛍光体粒子とその間の空間が作る平均的屈折率を持つ媒質中を伝播する光束とする近似が妥当となり、平均的屈折率を持つ媒質中から、基板（アノード電極）中に入射すると考えられる。このため、入射した光束には、基板中での角度θが、基板表面に対して基板／空気の屈折率差で決まる臨界角以上の大きさを持つものが含まれるようになる。その結果、その光束が基板の反対面から空気中に射出する際、界面での角度も臨界角以上となるので、全反射を起こし空気中に射出することができない。
【００２６】
このため、例え粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子の発光効率が粒径５μｍ程度の蛍光体粒子の発光効率と同じであったとしても、フェースプレートとしての輝度は低くなってしまう。しかし、フォトニック結晶構造が設けられていれば、この全反射による輝度の低下を防ぐことができる。
【００２７】
図８は、フォトニック結晶構造の効果を説明する図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、５０は互いに異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、Ｌは蛍光体層から発した光束を示す。図８には左右２つの図があるが、右図は左図の丸で囲んだ部分を拡大した図である。フォトニック結晶構造５０が設けられていると、その作用により、基板中に入射した光束の角度が変わる。即ち、図８の点線の矢印で示す角度から、実線の矢印で示す角度に変わる。このため、基板／空気の屈折率差で決まる臨界角以上の大きさを持つ光束の角度が、臨界角以下になり、基板の反対面から空気中に射出する際、全反射を起こすことなく空気中に射出するようになる。この結果、輝度の低下を防ぐことができる。このとき更に蛍光体層の表面（アノード電極４４と接触する側とは反対側の面）で内面反射した光束の角度も、臨界角以下になり、基板の反対面から空気中に射出する際、全反射を起こすことなく空気中に射出し、フェースプレートとしての輝度に寄与するようになる。このため、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子とフォトニック結晶構造５０を組み合わせると、５μｍ程度の蛍光体粒子を用いるよりもかえってフェースプレートとしての輝度を高くすることが可能になる。このとき重要なのが、蛍光体層の表面（アノード電極４４と接触する側とは反対側の面）での内面反射である。蛍光体層の表面の凹凸が大きいと、この内面反射が有効に起こらない。
【００２８】
上記内面反射があるため、５μｍ程度の蛍光体粒子を用いるよりもかえってフェースプレートとしての輝度を高くすることが可能となる。通常粒子蛍光体を用いた場合には、蛍光体粒子が大きく、蛍光体層の表面の凹凸は可視光波長程度をはるかに越えるため、上記内面反射は期待できない。従って、蛍光体粒子の発光のうち、半分は失われる。一方、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子を用いた場合（特に表面に粒径１４０ｎｍ以下の細かい蛍光体粒子を敷き詰めて内面反射を高めた場合）には、その失われる光束を有効に利用できるため、蛍光体粒子の発光効率が多少低くとも、輝度を高めることができる。通常粒子蛍光体を用いた場合でも、蛍光体層の表面にアルミ等で作られた反射層を設ければ、この漏れ光を有効利用することが出来るが、その場合アルミ反射層が蛍光体層に入射する電子線を阻害しマイナス要因になる。特に加速電圧１０ｋＶ以下の場合には、このマイナス要因が大きくなる。実施例１及び２のように加速電圧が７ｋＶの場合には、アルミ反射層による阻害のため、蛍光体層に入射する電子線エネルギーは約３分の２に減少すると考えられる。
【００２９】
図９は、蛍光体層の表面凹凸が無い場合（図９（Ａ））と、蛍光体層の表面凹凸が大きい場合（図９（Ｂ））のそれぞれおける、蛍光体層の表面での内面反射を説明する図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、Ｌは蛍光体層から発した光束を示す。蛍光体層の表面の凹凸は反射光に位相ズレを生じさせ、反射光が弱まり、その分、光が漏れるようになる。図９（Ａ）の丸で囲んだ部分では、位相のズレはないが、図９（Ｂ）の丸で囲んだ部分では位相のずれが生じる。目安として、蛍光体の発光波長をλとした場合、蛍光体層の表面の凹凸（Ｒｚ）がλ／４以上あると、反射光にλ／２以上の位相ズレが生じ、反射光が顕著に弱まり、その分、光が多く漏れるようになる。内面反射を有効に起こし、フォトニック結晶構造の効果を高め、フェースプレートとしての輝度を高くするためには、蛍光体層の表面（アノード電極４４と接触する側とは反対側の面）の凹凸（Ｒｚ）を、λ／４以下に抑える必要がある。
【００３０】
図１０は、蛍光体層の表面の凹凸と、フォトニック結晶構造による輝度増加効果との関係を実測した結果である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、５０は互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造を示す。同一基板上に、フォトニック結晶構造を形成した部分と形成しない部分とを設け、蛍光体層を電子線で同時に励起したときの輝度の比をフォトニック結晶構造効果と称して、フォトニック結晶構造による輝度増加効果の目安としている。グラフは蛍光体層の表面の凹凸（Ｒｚ）とフォトニック結晶構造効果の関係を示す。横軸が蛍光体層の表面の凹凸（Ｒｚ）、縦軸がフォトニック結晶構造効果（フォトニック結晶構造を形成した部分の輝度／フォトニック結晶構造を形成していない部分の輝度）である。フォトニック結晶構造効果は、蛍光体層の表面の凹凸（Ｒｚ）が大きくなるとともに直線的に低下していくのがわかる。
【００３１】
以上のことから、粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子とフォトニック結晶構造を組み合わせたフェースプレートの輝度は、二つの要因で決まっていることが分かる。その二つの要因とは、蛍光体粒子の粒径が大きいほど発光効率が上がり輝度が上がる要因と、蛍光体粒子の粒径が大きいほどフォトニック結晶構造の効果が下がり輝度が下がる要因である。この点に鑑み考案された本発明の基本的な構造が、以下に示す本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態である。
【００３２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の画像表示装置に用いられる基本的な構造の第１の実施形態である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、を示す。４５−３は第１の蛍光体粒子、４５−４は第２の蛍光体粒子、５０は互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造、を示す。この構造の特徴は、粒径５００ｎｍ以下の異なる平均粒径を有する２種類の蛍光体粒子とフォトニック結晶構造を組み合わせたことである。更に、蛍光体層の内部４５−１は、発光効率の高く取れる第１の蛍光体粒子４５−３により形成し、蛍光体層の表面４５−２は、表面の凹凸（Ｒｚ）を小さく抑えられる第２の蛍光体粒子４５−４により形成したことである。第１の蛍光体粒子は第２の蛍光体粒子と比べて相対的に粒径の大きな蛍光体粒子である。蛍光体層の内部の蛍光体粒子（第１の蛍光体粒子）は、粒径が大きければ発光効率が高く取れるが、あまり大きすぎると蛍光体層の表面の平均粒径を小さくして表面の凹凸を小さくすることが難しくなるので、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度が望ましい。蛍光体層の表面の蛍光体粒子（第２の蛍光体粒子）は、表面の凹凸（Ｒｚ）が蛍光体の発光波長λの４分の１以下にできるように、蛍光体の発光波長λの２分の１以下の粒径である必要がある。なぜならば、蛍光体層の表面部分の蛍光体粒子が綺麗に段差なく並んだとしても、隣接する蛍光体粒子の接触部と蛍光体粒子の頂部とでできる凹凸は、粒径の１／２の高さになるからである。例えば、赤色蛍光体であるＥｕドープのＹ2Ｏ2Ｓ蛍光体の場合、発光の主波長は６２０ｎｍで、蛍光体の屈折率は２．２であるから、λ／２は１４０ｎｍとなる。よって、蛍光体層の表面の蛍光体粒子の粒径は１４０ｎｍ以下である必要がある。
【００３３】
図１１は、全厚さ１μｍの蛍光体層において、蛍光体層の表面近傍を、蛍光体層の内部とは粒径の異なる蛍光体粒子により形成し、加速電圧７ｋＶの電子線で励起した場合の輝度の推定値を相対的に示したものである。蛍光体層の内部（以下、「主要部分」ということもある）の厚さ８００ｎｍを平均粒径２００ｎｍの蛍光体粒子で作製し、蛍光体層の表面近傍の厚さ２００ｎｍの部分を、蛍光体層の内部とは粒径の異なる蛍光体粒子により形成し、加速電圧７ｋＶの電子線で励起した。図５に示した発光効率の粒径依存性と、図６に示した粒径と表面粗さの関係と、図１０に示した蛍光体層の表面の凹凸とフォトニック結晶構造による輝度増加効果との関係とを勘案している。図１１の横軸は蛍光体層の表面の蛍光体粒子の平均粒径（平滑層粒径）を、縦軸は輝度（相対値）の推定値を示す。縦軸の輝度の推定値は、フォトニック結晶構造を設けず、蛍光体層の表面近傍の粒径を蛍光体層の内部の粒径と同じ２００ｎｍとした場合の輝度（図中、Ｒｅｆ．で示す。）を１として規格化している。
【００３４】
蛍光体層の表面の粒径を蛍光体層の内部の粒径と同じ２００ｎｍとした場合、フォトニック結晶構造を設けることにより輝度は１．３倍に増加するが、蛍光体層の表面の粒径を小さくしていくことで輝度は更に増加する。上述の、λ／２に相当する粒径１４０ｎｍを越えて１００ｎｍまで小さくすると、輝度の増加は１．５倍になる。それ以上に小さくすると、フォトニック結晶構造の効果が上がる効果と蛍光体層の表面近傍の蛍光体粒子の発光効率が下がる効果とが拮抗し、輝度の増加は頭打ちになる。蛍光体層の表面の粒径を５０ｎｍより小さくしようとすると、輝度の増加率はかえって減少し、２０ｎｍより小さくすると、蛍光体層の表面近傍の粒径を蛍光体層の内部の粒径と同じ２００ｎｍとした場合より低くなってしまう。従って、蛍光体層の表面の蛍光体粒子（第２の蛍光体粒子）の粒径は、λ／２に相当する粒径である１４０ｎｍ以下、２０ｎｍ以上が望ましい。
【００３５】
＜第２の実施形態＞
本実施形態では、第１の実施形態で示した、本発明の画像表示装置に用いられる基本的な構造において、蛍光体層の内部に、平均粒径５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の第１の蛍光体粒子と、平均粒径５０ｎｍ以下のナノ粒子を混入した。
【００３６】
上記において、図８で、蛍光体層の表面の凹凸が大きいと、蛍光体層からの光の漏れが大きくなり、フェースプレートとしての輝度が低下することを説明したが、蛍光体層の散乱性によっても、光の漏れが生ずる。特に、蛍光体層の内部（主要部分）は蛍光体粒子の粒径が大きいために散乱性が高くなりやすい。蛍光体層に、粒径５０ｎｍ以下のナノ粒子を混入し、蛍光体粒子間に存在させ、蛍光体粒子間の空間の実効屈折率を高くし、蛍光体粒子の屈折率に近づければ、光束が蛍光体粒子を透過しやすくなり、蛍光体層の散乱性が低下する。このために光の漏れが減少し、フォトニック結晶構造の効果が高まる。
【００３７】
図１２に、ナノ粒子により、蛍光体層の散乱性が低下する様子を示す。図１２（Ａ）はナノ粒子を混入しない場合、図１２（Ｂ）はナノ粒子を混入した場合、を示す。図１２（Ｂ）では実効屈折率が１．５となり、蛍光体粒子間の空間の実効屈折率が図１２（Ａ）よりも高くなっていることが分かる。混入するナノ粒子は、それ自身では散乱性の低い、粒径５０ｎｍ以下の粒子が望ましい。粒径５０ｎｍ以下のナノ粒子は、可視光に対する散乱がいわゆるレイリー散乱となり、粒径が小さくなればなるほど散乱性が減少して透明になるからである。但し、発光性は期待できないので、混入量が多すぎれば、電子線を阻害して輝度低下を起こす。特に、蛍光体層から溢れ出すほど多量に用いた場合には、著しい輝度低下を起こすので、蛍光体粒子間に存在するのみに留めるのが望ましい。
【００３８】
ＺｒＯ2以外に用いることができる材料としては、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3等があります。溢れ出さない程度の量の目安は、体積比率で蛍光体粒子が２に対しナノ粒子は１以下である。これは、次のように考えることで導かれる。通常、蛍光体粒子やナノ粒子を、塗布法によって成膜した場合、充填率５０％前後の膜になる。蛍光体粒子を成膜すると、その充填率は５０％で、その後からナノ粒子の分散液を塗布した場合、ナノ粒子は蛍光体粒子の間に残された５０％の空隙に入って、その空隙を充填率５０％で充填する。つまり、蛍光体膜全体の体積の５０％が蛍光体粒子で、２５％がナノ粒子になる。この量を超えてナノ粒子が多いと溢れ出すことになる。よって、溢れ出さない程度の量は上記のとおりとなる。これを重量比率に直すには、蛍光体粒子とナノ粒子の密度の比をかける。実施例２のように、蛍光体粒子がＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕの場合には、密度は５．０である。ナノ粒子がＺｒＯ2の場合には、密度は６．０である。よって、重量比率で蛍光体粒子が２に対しナノ粒子は１．２以下となる。ナノ粒子がＳｉＯ2の場合には、密度は２．１〜２．６５である（アモルファスで２．１、結晶で２．６５）。よって、重量比率で蛍光体粒子が２に対しナノ粒子は０．４２〜０．５３以下となる。ナノ粒子がＡｌ2Ｏ3の場合には、密度は４．０である。よって、重量比率で蛍光体粒子が２に対しナノ粒子は０．８以下となる。
【００３９】
以上のように、本発明では、蛍光体層４５は、二つの部分、平均粒径５００ｎｍ以下の蛍光体粒子よりなる主要部分と、前記主要部分より小さい平均粒径、かつ平均粒径２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の蛍光体粒子よりなる表面平滑層とで構成されている。フォトニック結晶構造５０が設けられた透明基板４３に近い側から主要部分、表面平滑層、の順に積層されている。蛍光体層４５の平均粒径の上限値を５００ｎｍとするのは、以下の理由からである。５００ｎｍを超えると、蛍光体粒子から発した光束のうち、全反射を起こし空気中に射出することができないような光束の割合が小さくなるためである。また、５００ｎｍを超えると、蛍光体層の散乱性が大きくなることに加え、フォトニック結晶構造の効果が少なくなるためである。
【００４０】
また、ＦＰＤに、蛍光体層とフォトニック結晶構造を適用した場合における好ましい加速電圧の範囲は、１ｋＶ以上１０ｋＶ以下であると考えられる。但し、この範囲に限定されるわけではない。
【００４１】
加速電圧の上限値を１０ｋＶとするのは以下の理由からである。一般的にＦＰＤはＣＲＴと異なって、画素毎に微小な電子源を形成して対応する画素の蛍光体膜だけを励起するため、電子源とフェースプレート上の蛍光体との距離を短く（ＣＲＴの１／数十〜１／百程度）できる利点があり、薄型ディスプレイとして適している。反面、加速電圧を高くすると電子源とフェースプレートの間の空間の電界強度が高くなり、放電等の問題が発生しやすい。そのため、なるべく低い加速電圧で効率よく発光する蛍光体、フェースプレート構成が望ましいと考えられます。特に蛍光体層とフォトニック結晶構造を適用した場合に、上限値を１０ｋＶとするのは、上記理由に加え、蛍光体層の厚さによる理由があるためである。加速電圧が高くなるほど、蛍光体層の中に電子線が深く侵入するため、蛍光体層の厚さを厚くしなければならない。蛍光体粒子の種類や、蛍光体層の充填率にもよるが、実施例１及び２のように蛍光体をＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕとし、充填率を５０％とした場合には、加速電圧１０ｋＶでは、この厚さは２μｍ以上となる。一方、粒径１００ｎｍ〜３００ｎｍのナノ粒子蛍光体で蛍光体層を作成する場合、この厚さでは蛍光体層の散乱性が高くなりすぎ、蛍光体層からの光の漏れが大きくなり、望ましくない。従って、加速電圧はの上限値は１０ｋＶが望ましいと考えられる。
【００４２】
加速電圧の下限値を１ｋＶとするのは以下の理由からである。加速電圧を低圧とするほど、蛍光体層の中に電子線が侵入する深さが浅くなる。蛍光体粒子の表面には、結晶性の低下や化学量論比からのずれのため、発光効率の低い不活性層があるのが一般的で、ナノ粒子蛍光体も、通常の蛍光体より少ないとはいえ、薄い不活性領域は存在すると考えられる。加速電圧が１ｋＶの場合には、電子線侵入長は数ｎｍ程度になると思われ、加速電圧がこれ以下になると、不活性層を抜けて、ナノ粒子蛍光体内部の発光効率の高い部分に到達する電子線が少なくなり発光効率が落ちると思われる。従って、加速電圧の下限値は１ｋＶが望ましいと考えられる。
【実施例】
【００４３】
［実施例１］
図１３（Ａ）は本実施例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、４５−３は第１の蛍光体粒子、４５−４は第２の蛍光体粒子、を示す。５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造を示す。第１の蛍光体粒子は第２の蛍光体粒子と比べて相対的に粒径の大きな蛍光体粒子である。
【００４４】
（蛍光体粒子）
本実施例では液相法のうち、ゾルゲル法を用いて蛍光体粒子を形成した。
【００４５】
赤色に発光する蛍光体粒子は、例えばＹ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3等の酸化物、或いはＹ2Ｏ2Ｓ等の硫化物を母体とし、この母体にＥｕ、Ｚｎ等の付活剤金属を添加してなるものである。Ｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3を母体とする場合には、Ｙの無機塩又はＧｄの無機塩と、Ｅｕの無機塩及びＺｎの無機塩と、有機酸とを溶媒に溶解又は分散させた後、得られた溶液又は分散液を加熱してゲル化させる（ゾルゲル法）。その後、例えば大気中で焼成する。Ｙ2Ｏ2Ｓを母体とする場合には、Ｙ2Ｏ3を硫化水素雰囲気中で加熱して得たＹ2Ｏ2Ｓを母体とすることができる。Ｙの無機塩、Ｇｄの無機塩としては、焼成の際に分解して酸化物となり得る化合物であれば良く、例えば硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、酢酸塩、水酸化物、ハロゲン化物（例えば塩化物や臭化物等）等を挙げることができる。Ｅｕ及びＺｎの無機塩としては、例えば硝酸塩、炭酸塩、シュウ酸塩、硫酸塩、酢酸塩、水酸化物、ハロゲン化物（例えば塩化物や臭化物等）等を挙げることができる。
【００４６】
本実施例ではゾルゲル法を用いて赤色に発光するＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕの蛍光体粒子を２種類の粒径に作製した。図１４は、本実施例の蛍光体粒子の粒度分布を測定した結果である。平均粒径１９４ｎｍの蛍光体粒子、及び平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子であった。蛍光体粒子の粒度分布及び平均粒径は、ゼータサイザーナノＺＳ（シスメックス株式会社製）を用いて測定した。平均粒径は体積分布でみたメジアン径（Ｄ５０）の値をとった。次に、ゾルゲル法により得られた蛍光体粒子をボールミルに入れ、溶媒分散処理を行った。溶媒としてＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を用い、分散剤としてアクリル系分散剤を用いた。その後、バーコート法に適した粘度と表面張力を付与するため、ＢＣＡ（ブチルカルビトールアセテート）にて溶媒置換を行い、蛍光体のナノ粒子を含有したバーコート法用インクを調製した。
【００４７】
（フォトニック結晶構造）
まず、透明基板上にスパッタ法によりＴｉＯ2膜を堆積した。本実施例では透明基板として屈折率１．５５のガラス基板を用いた。ＴｉＯ2膜の屈折率は２．２、ＴｉＯ2膜の膜厚は１．３μｍであった。次に、ＴｉＯ2膜上にレジスト膜を塗布した。その後、露光装置を用いて露光、現像し、図４のように微細ドットパターンを形成した。微細ドットのピッチｐは１７００ｎｍ、微細ドットの径ｗは１２００ｎｍとした。このレジストをマスクとして、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）により、ＴｉＯ2微細柱を形成した。次に、レジスト剥離液にてレジスト膜を剥離した。その後、ポリシラザン系塗布液をスピンコート法にて塗布し、焼成してアモルファスＳｉＯ2に変え、ＴｉＯ2微細柱がＳｉＯ2にて埋め込まれたフォトニック結晶構造５０を形成した。このようにして、フォトニック結晶構造５０が設けられた透明基板４３を形成した。
【００４８】
（フェースプレート）
先に形成したフォトニック結晶構造５０を有する透明基板４３の上に、スパッタ法を用いてＩＴＯ膜を１００ｎｍ堆積した。ＩＴＯ膜の屈折率は１．９であった。次に、ＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて、先に作製した平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布した。その後、５５０℃にて１時間、焼成を行った。焼成後の蛍光体層４５の厚さは８００ｎｍであった。その上に、先に作製した平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布した。その後、５５０℃にて１時間、焼成を行った。焼成後の蛍光体層４５の厚さは累積で１０００ｎｍであった。
【００４９】
このように形成したフェースプレートの表面と断面を走査電子顕微鏡にて観察した。その結果、蛍光体層４５中の、フォトニック結晶構造に近い側８００ｎｍでは主として平均粒径２００ｎｍ前後の蛍光体粒子が凝集しており、フォトニック結晶構造から遠い側の表面２００ｎｍでは主として平均粒径１００ｎｍ前後の蛍光体粒子が凝集していた。この結果、蛍光体層の表面の蛍光体粒子の平均粒径が、蛍光体層の内部の蛍光体粒子の平均粒径より小さく、２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることが確認された。
【００５０】
表面平滑層の厚さは、薄すぎては表面が十分平滑化せず、厚すぎれば無駄に発光効率の低い層を増やすことになる。
【００５１】
図１５は、蛍光体層の内部を平均粒径１９４ｎｍの蛍光体粒子で作製し、蛍光体層の表面近傍を平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子で作製した場合の、平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の部分の厚さを考察した図である。図１５（Ａ）は平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の層がない場合、同図（Ｂ）は平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の層が１層の場合、同図（Ｃ）は平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の層が２層の場合、同図（Ｄ）は平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の層が３層の場合を示す。平均粒径８７ｎｍの蛍光体粒子の部分が、粒子層１層分の厚さでは十分平滑化できず、粒子層２層分で平滑化し、粒子層３層分以上では無駄な層数が増えることを示している。蛍光体層の表面近傍の蛍光体粒子の平均粒径が、蛍光体層の内部の蛍光体粒子の平均粒径の１／２程度の場合、表面近傍の小さい平均粒径の蛍光体の層の厚さは、その平均粒径の２〜３倍が適当である。本実施例は、この考えにより、平均粒径８７ｎｍの蛍光体の層の厚さを２００ｎｍとした。
【００５２】
（画像表示装置）
上記方法で形成したフェースプレート４６と、電子放出素子を有するリアプレート４１、支持枠４２を用いて、画像表示装置を形成した。電子放出素子としては、表面伝導型電子放出素子を用いた。
【００５３】
（輝度測定）
上記方法で形成したフェースプレートの発光輝度を、輝度評価真空装置で測定した。具体的には、フェースプレートの小片を真空装置内に納め、真空中で電子銃により放出した電子を、フェースプレートのアノードとの間に印加した加速電圧で加速し蛍光体層を照射、励起、発光せしめ、ガラス窓を通して輝度計にて発光輝度を測定することで測定した。
【００５４】
輝度評価真空装置内の真空度は１×１０-6Ｐａであり、アノード電極４４には７ｋＶのアノード電圧を印加した。電子銃からは４０μＡの電子ビームが放射され、評価面上でビーム径１ｍｍに収束し、３ｃｍ×３ｃｍの領域を６０Ｈｚで走査する。このとき、評価スポットの電流密度は４ｍＡ／ｃｍ2であり、水平帰線時間も考慮した実効パルス幅は１５μｓｅｃであった。このようにして蛍光体層を赤色に発光させた発光輝度の測定結果は４１７ｃｄ／ｍ2であった。
【００５５】
また、上記方法で形成した画像表示装置の発光輝度を、フェースプレートの発光輝度の測定と同様に輝度評価真空装置で測定した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度は３４．４ｃｄ／ｍ2であった。
【００５６】
以上より、本実施例における発光強度は、後述する比較例１における発光強度の最大値の１．５倍となった。
【００５７】
［比較例１］
図１６（Ａ）は本比較例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、４５−３は第１の蛍光体粒子、を示す。
【００５８】
本比較例は、フォトニック結晶構造を形成しなかった点と、粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクのみで蛍光体層を１０００ｎｍ形成した点と、を除いて実施例１と同じである。即ちフェースプレート４６は、透明基板にフォトニック結晶構造５０を形成することなく、透明基板の上にＩＴＯ膜を形成した。また、ＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布、焼成し、蛍光体層４５の厚さを１０００ｎｍとして、その後、平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクでの塗布、焼成は行わなかった。その他の構成については、実施例１と同じである。このように形成したフェースプレートの発光輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２７８ｃｄ／ｍ2であった。
【００５９】
また、このフェースプレートと、電子放出素子を有するリアプレート、支持枠を用いて、実施例１と同じ方法により画像表示装置を形成した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２３．０ｃｄ／ｍ2であった。
【００６０】
本比較例では、フォトニック結晶構造を設けず、また平均粒径１９４ｎｍの蛍光体のみで蛍光体層を形成したため、発光輝度が実施例１の場合を大きく下回った。
【００６１】
［比較例２］
図１６（Ｂ）は本比較例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、４５−３は第１の蛍光体粒子、５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、を示す。
【００６２】
本比較例は、平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクのみで蛍光体層を１０００ｎｍ形成した点、を除いて実施例１と同じである。即ちフェースプレート４６は、ＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布、焼成し、蛍光体層４５の厚さを１０００ｎｍとして、その後、平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクでの塗布、焼成は行わなかった。その他の構成については、実施例１と同じである。このように形成したフェースプレートの発光輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は３６１ｃｄ／ｍ2であった。
【００６３】
また、このフェースプレートと、電子放出素子を有するリアプレート、支持枠を用いて、実施例１と同じ方法により画像表示装置を形成した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２９．８ｃｄ／ｍ2であった。
【００６４】
本比較例では、平均粒径１９４ｎｍの蛍光体のみで蛍光体層を形成したため、発光輝度が実施例１の場合を下回った。
【００６５】
［実施例２］
図１３（Ｂ）は本実施例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、４５−１は蛍光体層の内部、４５−２は蛍光体層の表面、４５−３は第１の蛍光体粒子、４５−４は第２の蛍光体粒子、４５−５は蛍光体粒子とは異なる材質よりなるナノ粒子、を示す。５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、を示す。第１の蛍光体粒子は第２の蛍光体粒子と比べて相対的に平均粒径の大きな蛍光体粒子である。
【００６６】
（蛍光体粒子）
実施例１と同様に、ゾルゲル法を用いて、赤色に発光するＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕの蛍光体粒子を２種類の平均粒径に作製した。平均粒径は１９４ｎｍと８７ｎｍであった。また、蛍光体粒子を含有した２種類のバーコート法用インクを調製した。平均粒径は体積分布でみたメジアン径（Ｄ５０）の値をとった。
【００６７】
（フォトニック結晶構造）
実施例１と同様に、フォトニック結晶構造５０が設けられた透明基板４３を形成した。
【００６８】
（フェースプレート）
先に形成したフォトニック結晶構造５０を有する基板４３の上に、スパッタ法を用いてＩＴＯ膜を１００ｎｍ堆積した。ＩＴＯ膜の屈折率は１．９であった。次に、ＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて、先に作製した平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布した。その後、５５０℃にて１時間、焼成を行った。焼成後の蛍光体層４５の厚さは８００ｎｍであった。その後、平均粒径７ｎｍのＺｒＯ2ナノ粒子を分散させた分散液をスピンコートにて塗布して乾燥させ、上述した平均粒径１９４ｎｍの蛍光体の粒子間にＺｒＯ2ナノ粒子を配置した。ＺｒＯ2ナノ粒子の量は、厚さは８００ｎｍの蛍光体層上に溢れ出さない程度であった。その上に、先に作製した平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布した。その後、５５０℃にて１時間、焼成を行った。焼成後の蛍光体層４５の厚さは累積で１０００ｎｍであった。
【００６９】
このように形成したフェースプレートの表面と断面を走査電子顕微鏡にて観察した。その結果、蛍光体層４５中の、フォトニック結晶構造に近い側８００ｎｍでは主として平均粒径２００ｎｍ前後の蛍光体粒子が凝集していることが確認された。更にフォトニック結晶構造に近い側８００ｎｍでは蛍光体粒子間には平均粒径が著しく小さい平均粒径７ｎｍのＺｒＯ2ナノ粒子と考えられる粒子が配置していることが確認された。フォトニック結晶構造から遠い側の表面２００ｎｍでは主として平均粒径１００ｎｍ前後の蛍光体粒子が凝集しており、蛍光体層表面の蛍光体粒子の平均粒径が、蛍光体層内部の蛍光体粒子の平均粒径より小さく、２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下であることが確認された。
【００７０】
（画像表示装置）
上記方法で形成したフェースプレートと、電子放出素子を有するリアプレート、支持枠を用いて、画像表示装置を形成した。電子放出素子としては、表面伝導型電子放出素子を用いた。
【００７１】
（輝度測定）
上記方法で形成したフェースプレートの発光輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は３７５ｃｄ／ｍ2であった。
【００７２】
また、上記方法で形成した画像表示装置の発光輝度を、実施例１と同様に輝度評価真空装置で測定した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度は３１．０ｃｄ／ｍ2であった。
【００７３】
［比較例３］
図１６（Ｃ）は本比較例の構造を示す図である。図中、４３は透明基板、４４はアノード電極、４５は蛍光体層、５０は互いに屈折率の異なる材料５１、５２を交互に配列したフォトニック結晶構造、を示す。蛍光体層４５には、第１の蛍光体粒子と、第１の蛍光体粒子とは異なる材質よりなるナノ粒子が存在する。第１の蛍光体粒子とは異なる材質よりなるナノ粒子は蛍光体層の表面上に溢れ出している。
【００７４】
本比較例は、ＺｒＯ2ナノ粒子の量を、蛍光体層上に溢れ出す程度まで増やした点と、平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクでの塗布、焼成は行わなかった点と、を除いて実施例２と同じである。即ちＩＴＯ膜の表面に、バーコート法を用いて平均粒径１９４ｎｍの蛍光体を含有したインクを塗布、焼成し、蛍光体層４５の厚さを８００ｎｍとした。その後、平均粒径７ｎｍのＺｒＯ2ナノ粒子を分散させた分散液をスピンコートにて塗布して乾燥させ、厚さは８００ｎｍの蛍光体層上にＺｒＯ2ナノ粒子が２００ｎｍ溢れ出す程度に作製した。また、その後、平均粒径８７ｎｍの蛍光体を含有したインクでの塗布、焼成を行わなかった。その他の構成については、実施例２と同じである。このように形成したフェースプレートの発光輝度を、実施例２と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２６０ｃｄ／ｍ2であった。
【００７５】
また、このフェースプレートと、電子放出素子を有するリアプレートと、支持枠を用いて画像表示装置を形成した。赤色画素のみを点灯した時の画像表示装置の輝度を、実施例２と同様に輝度評価真空装置で測定した結果は２１．５ｃｄ／ｍ2であった。
【００７６】
本比較例では、ＺｒＯ2ナノ粒子が蛍光体層から２００ｎｍ溢れ出す程度に作製したため、発光輝度が実施例１の場合を大きく下回った。
【符号の説明】
【００７７】
３４：電子放出素子、４３：透明基板、４４：アノード電極、４５：蛍光体層、４５−１：蛍光体層の内部、４５−２：蛍光体層の表面、４５−３：第１の蛍光体粒子、４５−４：第２の蛍光体粒子、４５−５：ナノ粒子、５０：フォトニック結晶構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子放出素子と、
透明基板と、
前記透明基板上又は前記透明基板中に設けられ、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造と、
前記フォトニック結晶構造上に設けられたアノード電極と、
前記アノード電極上に設けられ、蛍光体粒子を含有し、前記電子放出素子から放出された電子が照射されることにより発光する蛍光体層と、を有する画像表示装置であって、
前記蛍光体層は、該蛍光体層の表面と、該蛍光体層の内部と、で含有する蛍光体粒子の平均粒径が異なっており、
前記蛍光体層の内部には、平均粒径が５００ｎｍ以下の第１の蛍光体粒子が含有され、
前記蛍光体層の表面には、平均粒径が前記第１の蛍光体粒子より小さく、かつ２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の第２の蛍光体粒子が含有されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記蛍光体層の内部には更に、前記第１の蛍光体粒子とは材質の異なる平均粒径が５０ｎｍ以下のナノ粒子が含有されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項１】
電子放出素子と、
透明基板と、
前記透明基板上又は前記透明基板中に設けられ、互いに屈折率の異なる材料を交互に配列したフォトニック結晶構造と、
前記フォトニック結晶構造上に設けられたアノード電極と、
前記アノード電極上に設けられ、蛍光体粒子を含有し、前記電子放出素子から放出された電子が照射されることにより発光する蛍光体層と、を有する画像表示装置であって、
前記蛍光体層は、該蛍光体層の表面と、該蛍光体層の内部と、で含有する蛍光体粒子の平均粒径が異なっており、
前記蛍光体層の内部には、平均粒径が５００ｎｍ以下の第１の蛍光体粒子が含有され、
前記蛍光体層の表面には、平均粒径が前記第１の蛍光体粒子より小さく、かつ２０ｎｍ以上１４０ｎｍ以下の第２の蛍光体粒子が含有されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記蛍光体層の内部には更に、前記第１の蛍光体粒子とは材質の異なる平均粒径が５０ｎｍ以下のナノ粒子が含有されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２３８５４２（Ｐ２０１１−２３８５４２Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１０７９２（Ｐ２０１０−１１０７９２）
【出願日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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