(57)【要約】【課題】より低電圧で電子放出が可能であり、駆動コストの低減と長寿命化を図ることができるフィールドエミッションランプを提供する。【解決手段】カソード電極と、ゲート電極と、アノード電極とが真空容器中に配置されたフィールドエミッションランプにおいて、前記カソード電極は、突起部または溝部が形成された基板と、前記基板の突起部または溝部の表面に形成されたナノ炭素材料とを含むナノ炭素材料複合基板で形成されていることを特徴とするフィールドエミッションランプ。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード電極と、ゲート電極と、アノード電極とが真空容器中に配置されたフィールドエミッションランプにおいて、前記カソード電極は、突起部または溝部が形成された基板と、前記基板の突起部または溝部の表面に形成されたナノ炭素材料とを含むナノ炭素材料複合基板で形成されていることを特徴とするフィールドエミッションランプ。
【請求項２】
前記突起部の高さが１０μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のフィールドエミッションランプ。
【請求項３】
前記ナノ炭素材料が、前記突起部または溝部の表面に対して垂直配向したカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、またはカーボンナノコイルであることを特徴とする請求項１または２に記載のフィールドエミッションランプ。
【請求項４】
前記突起部の形状が、円柱もしくは円錐台または多角柱もしくは多角錐台であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフィールドエミッションランプ。
【請求項５】
前記突起部の形状が、円錐または多角錐であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフィールドエミッションランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷陰極電子放出源から電界放出された電子によって蛍光体を励起発光させるフィールドエミッションランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低消費電力で高輝度のランプとして、真空中で冷陰極電子放出源から電界放出させた電子を蛍光体に衝突させることにより、蛍光体を励起発光させる電界電子放出（フィールドエミッション）型の発光装置が開発されている。これらは、電界電子放出型照明ランプ（Field Emission Lamp: FEL）や電界電子放出型表示装置（Field Emission Display: FED）としての用途が見込まれている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、カーボンナノチューブをカソード電極として用いた電界電子放出型の画像管が開示されている。この画像管は、円筒状のガラスバルブ（外囲器）内にそれぞれリードピンを介して電圧が供給される、カソード電極、メッシュ部（電子引き出し電極）を備えたハウジング、アノード電極が底部から順に配置されている。カソード電極はセラミック基板の上に導電板を設け、導電板の表面にエミッタとしてカーボンナノチューブを成長させた構造を有する。アノード電極はリング部と円筒部を有する。ガラスバルブの先端には前面に凸レンズ状の球面部が形成されたフェースガラスが固定される。フェースガラスの内面には蛍光面が形成され、蛍光面の表面にＡｌメタルバック膜が形成されている。Ａｌメタルバック膜は接触片を介してアノード電極の円筒部と導通している。
【０００４】
この画像管は以下のようにして発光する。カソード電極とハウジングとの間に電界を印加してカーボンナノチューブ先端に高電界を集中させ、電子を引き出してメッシュ部から放出させる。また、アノード電極およびＡｌメタルバック膜に高電圧を印加し、放出された電子を円筒部で加速し、Ａｌメタルバック膜を貫通させて蛍光面に衝撃させる。この結果、蛍光面を構成している蛍光体は電子衝撃により励起され、その蛍光体に応じた色の発光を生じ、フェースガラスを透過して前面に表示できる。
【０００５】
上記のようにカソード電極にカーボンナノチューブを用いることにより、長期に安定して信頼性の高いフィールドエミッションランプを得ることができる。
【０００６】
従来のフィールドエミッションランプでは、平面基板（導電板）上にカーボンナノチューブからなるエミッタが形成されている。カーボンナノチューブは、個々には非常に高いアスペクト比を有する。しかし、一般的に知られている、たとえばスクリーン印刷法や化学的気相成長法などの方法を用いた場合、基板上にカーボンナノチューブが密集して形成される。そのため、たとえカーボンナノチューブが基板に垂直配向している場合でも、電界を集中させることが困難で、電子放出のために大きな電圧を印加する必要があり、動作電圧の上昇を招いていた。
【特許文献１】特開平１１−１６７８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、より低電圧で電子放出が可能であり、駆動コストの低減と長寿命化を図ることができるフィールドエミッションランプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、カソード電極と、ゲート電極と、アノード電極とが真空容器中に配置されたフィールドエミッションランプにおいて、前記カソード電極は、突起部または溝部が形成された基板と、前記基板の突起部または溝部の表面に形成されたナノ炭素材料とを含むナノ炭素材料複合基板で形成されていることを特徴とするフィールドエミッションランプが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のフィールドエミッションランプは、カソード電極を構成する基板に高いアスペクト比の凹凸形状を有するため、電界集中がし易くなり、より低電圧での電子放出が可能となり、駆動コストの低減と長寿命化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
図１に本発明のフィールドエミッションランプの断面図を示す。本発明のフィールドエミッションランプ１は、真空容器２中に、カソード電極３、ゲート電極４およびアノード電極５が互いに平行に配置されて構成されている。カソード電極３は、突起部または溝部が形成された基板と、基板の突起部または溝部の表面に形成されたナノ炭素材料（エミッタ）とを含むナノ炭素材料複合基板で構成されている。カソード電極３については、後により詳細に説明する。ゲート電極４は、カソード電極３のエミッタに対応して所定の径を有する開口部を設けた金属板で構成されている。アノード電極５は、ガラス基板５１上に形成された電極用の透明導電膜５２と電子線励起蛍光体５３とで構成されている。約１０ｋＶ以上の高速電子線を用いる場合、ガラス基板上５１に直接蛍光体を設け、その表面にＡｌメタルバックを設ける。
【００１２】
図２（ａ）および（ｂ）に示す断面図を参照して、カソード電極３を構成するナノ炭素材料複合基板の例を説明する。図２（ａ）に示すカソード電極３は、基板３１の表面に突起部３２が形成され、突起部３２の上面および側面を含む基板３１の表面にナノ炭素材料３５が成長している。図２（ａ）においては、ナノ炭素材料３５はランダムに配向している。図２（ｂ）に示すカソード電極３では、突起部３２の上面および側面を含む基板３１の表面に対して垂直に配向してナノ炭素材料３５が成長している。
【００１３】
基板３１としては、単結晶シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム、炭化珪素などの半導体基板や、ガラス、セラミックス、石英などを用いることができる。基板３１の厚さは特に限定されないが、１００〜１５００μｍが好ましい。
【００１４】
突起部３２の高さは１０μｍ以上であることが好ましい。突起部３２のアスペクト比が高いほど、電界集中が容易になる傾向があるが、突起部３２のアスペクト比を適切に設計することが好ましい。
【００１５】
ナノ炭素材料３５は、ナノサイズの径を持つ結晶性のカーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、カーボンナノフィラメント、カーボンナノウォール、またはカーボンナノコイルである。ナノサイズの径を持つ結晶性のナノ炭素材料は、電気伝導性および熱伝導性が良好でデバイス特性向上の観点から望ましい。
【００１６】
図３（ａ）〜（ｇ）に示すように、突起部３２または溝部３３は種々の形状に形成することができる。図３（ａ）〜（ｆ）に示す突起部３２の形状は、円柱（ａ）、円錐台（ｂ）、四角柱（ｃ）、四角錐台（ｄ）、円錐（ｅ）、四角錐（ｆ）である。図３（ｇ）に示す溝部３３の形状はＶ字状である。図示しないが、溝部３３の形状はＵ字状など他の形状でもよい。
【００１７】
図３（ａ）ないし（ｄ）に示すように、突起部の形状を円柱もしくは円錐台または多角柱もしくは多角錐台という定形にすれば、より効率的にデバイス特性の制御が容易となる。
【００１８】
図３（ｅ）または（ｆ）に示すように、突起部の形状を鋭い頂点をもつ円錐または多角錐にした場合にも、より効率的にデバイス特性の向上が容易となる。
【００１９】
図３（ｇ）に示すように、Ｖ字状の溝部３３を形成した場合にも、電界集中がし易くなり、低電圧駆動が可能になる。
【００２０】
以上のように、本発明のフィールドエミッションランプでは、カソード電極として、基板に突起部または溝部が形成され、基板の突起部または溝部の表面に高密度にナノ炭素材料が形成されたナノ炭素材料複合基板を用いるため、物理形状の効果により電界集中がし易くなり、低電圧駆動が可能になる。
【００２１】
本発明に係るカソード電極を構成するナノ炭素材料複合基板は、固液界面接触分解法により製造することが好ましい。この方法は、基板に突起部または溝部を形成する工程と、前記突起部または溝部の表面に触媒を担持させる工程と、前記突起部または溝部に触媒を担持させた基板を、有機液体中に浸漬して加熱し、固液界面接触分解法により、前記突起部または溝部の表面にナノ炭素材料を成長させる工程とを有する。
【００２２】
上述した固液界面接触分解法を用いると、原料が有機液体であるため、突起部（または溝部）の細部に原料が浸透し、均一な化学合成反応が起こる。このため、突起部（または溝部）を有する基板の表面に、高純度で高結晶性のナノ炭素材料を均一に形成することができる。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明の実施例を説明する。  
低抵抗のｎ型単結晶シリコン（１００）基板の表面に、機械的な切削加工を施し、四角柱または四角錐の突起部を形成した。突起部の高さは１００または２００μｍとした。
【００２４】
次に、加工を施したシリコン基板に、マグネトロンスパッタリング法を用いて触媒としてコバルトを形成した。基板上に形成されたコバルトは、重量を膜厚に換算した値で６ｎｍであった。
【００２５】
この基板を、メタノール中に浸漬して電極を通して通電し、初期に６００℃、３分、続いて９００℃、６分の条件で基板を加熱し、基板近傍で固液界面接触分解反応を起こし、メタノール中の炭素原子を原料としてカーボンナノチューブを生成させた。この結果、突起部の上面および側面を含む基板の表面にカーボンナノチューブが垂直配向して成長した。
【００２６】
図４（ａ）および（ｂ）に、基板の突起部の表面に成長したカーボンナノチューブを含むナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像を示す。図４（ａ）は突起部が四角柱の例、図４（ｂ）は突起部が四角錐の例である。いずれの例でも、突起部の表面に垂直に配向してカーボンナノチューブが高密度で成長していることがわかる。カーボンナノチューブの長さは約２．５μｍであった。
【００２７】
製造したナノ炭素材料複合基板をカソード電極３として用い、ゲート電極４を介して、カソード基板３に対向するようにアノード電極５を配置した。カソード電極３とゲート電極４との間隙およびゲート電極とアノード電極との間隙をそれぞれ１ｍｍ、１０ｍｍとした。真空容器２中で電界電子放出特性を測定した結果、アノード電圧５ｋＶにおいて、ゲート電圧２．０ｋＶ以下の低い電圧から電子放出を確認した。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明のフィールドエミッションランプは、低エネルギー、高輝度、長寿命で、さらに発熱が非常に少ないため、一般照明のほか、植物栽培、手術灯、車載用途など、現行の照明にかわって広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明のフィールドエミッションランプの断面図。
【図２】本発明に係るカソード電極を構成するナノ炭素材料複合基板を示す断面図。
【図３】本発明に係るカソード電極を構成するナノ炭素材料複合基板の突起部または溝部を示す斜視図または断面図。
【図４】実施例で製造されたナノ炭素材料複合基板の走査型電子顕微鏡像を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１…フィールドエミッションランプ、２…真空容器、３…カソード電極、４…ゲート電極、５…アノード電極、３１…基板、３２…突起部、３３…溝部、３５…ナノ炭素材料、５１…ガラス基板、５２…透明電極、５３…蛍光体。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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