(57)【要約】【課題】低消費電力でより効率的に電子を多量に放出できる電子放出源を備えて半導体材料から紫外線をより高輝度で発光可能なＵＶ光源を提供する。【解決手段】本ＵＶ光源１０は、真空容器１２内に、電界印加により電子放出する陰極部１４と、陰極部１４に対向配置され高電圧印加で陰極部１４との対向空間に電界を形成するもので電子が透過しかつ紫外線を反射する材料からなる陽極部１６と、陽極部１６の背面に形成されて陽極部１６を通過する電子の照射により紫外線を発光する紫外線発光部１８とを配置し、真空容器１２の外壁に紫外線発光部１８が発光した紫外線が透過する紫外線透過窓２０を設けてなり、陰極部１４は、導線１４ａとこの導線１４ａの外表面に形成され多数のナノチューブ状ないしはナノウォール状の微細突起を備えたカーボン膜１４ｂとを含む。【選択図】図１
2006190541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に、電界印加により電子放出するワイヤ状陰極部と、ワイヤ状陰極部に対向配置された面状陽極部と、面状陽極部に一体形成されて電子の照射により紫外線を発光する紫外線発光部とを配置し、真空容器に紫外線発光部が発光した紫外線が透過する紫外線透過窓を設けてなり、ワイヤ状陰極部は、ワイヤ状に長く延びる導線と、この導線の外表面に電子放出源として形成された多数の微細突起を備えたカーボン膜とを含む、ことを特徴とするＵＶ光源。
【請求項２】
紫外線発光部がワイドバンドギャップ半導体材料で構成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のＵＶ光源。
【請求項３】
紫外線発光部に、ヒートシンクが設けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のＵＶ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたＵＶ光源（紫外線光源）に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線は、一般的には、約１００−４００ｎｍ程度の波長を有する電磁波であり、その波長によってＵＶ−Ａ（３２５−４００ｎｍ）、ＵＶ−Ｂ（２８０−３２５ｎｍ）、ＵＶ−Ｃ（１００−２８０ｎｍ）、に大別される。ＵＶ−Ｃの内、１００−２００ｎｍの波長は真空紫外線と呼ばれる。これらの内、２５４ｎｍ線は、ウィルス、細菌等に対して殺菌作用を持ち、１８０−２５４ｎｍ線は下水浄化等、３３３−３６４ｎｍ線は光造形用、２００−４００ｎｍ線は紫外線硬化樹脂の硬化用、に広く用いられる。このような短波長である紫外線を発光する材料として、ワイドバンドギャップ半導体材料が用いられている。このワイドバンドギャップ半導体材料に関する技術は多数提案されている（特許文献１等参照る）。この半導体材料には、種々あるが、かかる半導体材料を用いて紫外線をより高輝度で低消費電力で発光させるためには、より効率的に電子を多量に放出できる電子放出源が要求される。
【特許文献１】特開２００３−３０３９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明により解決すべき課題は、低消費電力でより効率的に電子を多量に放出できる電子放出源を備えて半導体材料から紫外線をより高輝度で発光可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によるＵＶ光源は、真空容器内に、電界印加により電子放出するワイヤ状陰極部と、ワイヤ状陰極部に対向配置された面状陽極部と、面状陽極部に一体形成されて電子の照射により紫外線を発光する紫外線発光部とを配置し、真空容器に紫外線発光部が発光した紫外線が透過する紫外線透過窓を設けてなり、ワイヤ状陰極部は、ワイヤ状に長く延びる導線と、この導線の外表面に電子放出源として形成された多数の微細突起を備えたカーボン膜とを含むことを特徴とするものである。
【０００５】
本発明によると、ワイヤ状陰極部は、ワイヤ状に長く延びる導線の外表面に多数のナノチューブ状、ナノウォール状等の微細突起を備えたカーボン膜が形成されて構成されているので、面状陽極部とワイヤ状陰極部との間に電界を印加すると、カーボン膜の微細突起に電界が強く集中し容易に該微細突起から電子放出が起こり、したがって、電子放出源であるカーボン膜から低消費電力でより効率的に電子を多量に放出し、この電子で励起された紫外線発光部から紫外線透過窓を介して外部に紫外線をより高輝度で発光させることができる。
【０００６】
紫外線発光部にはワイドバンドギャップ半導体材料が好ましい。ワイドバンドギャップ半導体材料は、エレクトロルミネッセンス、カソードルミネッセンス、フォトルミネッセンスにより波長４００ｎｍ以下（約３．１ｅＶ以上）の紫外線を発光することができるのが、有機物、細菌、ウィルス、その他の有害物質を捕集して殺菌、分解することができて好ましい。
【０００７】
ワイドバンドギャップ半導体材料を用いた紫外線発光部は該半導体材料と熱膨張係数の整合性が良いヒートシンクで冷却することが好ましい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、低消費電力でより効率的に電子を多量に放出して紫外線発光部を構成する窒化物半導体から紫外線をより高輝度で発光することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係るＵＶ光源を説明すると、図１は、実施の形態１のＵＶ光源の断面図、図２は同ＵＶ光源の部分破断斜視図である。これらの図を参照して、ＵＶ光源１０は、１０Ｅ−５ｔｏｒｒ以下の真空環境とされた真空容器１２を有する。真空容器１２の形状は特に限定されない。真空容器１２内の一方側には、１つないしは複数のワイヤ状陰極部１４が一方向に並べて配置されている。ワイヤ状陰極部１４は電界の印加により電子放出するものであり、ワイヤ状（線状）に長く延びる導線１４ａとこの導線１４ａの外表面に形成され多数のナノチューブ状ないしはナノウォール状の微細突起を備えたカーボン膜１４ｂとを含む。ワイヤ状陰極部１４の外表面には微視的な微細凹凸部が形成されている。この微細凹凸部は金属表面の表面粗さの設定等で形成することができ、カーボン膜１４ｂの微細突起先端での電界集中をより起こり易くするものであり、補助電界集中部として作用することができる。そのため、ワイヤ状陰極部１４から電子引き出しのためのゲートを用いることなく、直接、後述する面状陽極部１６で電子を引き出して加速させることができる。導線１４ａの配置パターンは適宜に設定することができる。１本の導線１４ａを蛇行させて配置してもよく、多数の導線１４ａをメッシュ状に交差配置してもよい。基板上に多数のナノチューブ状ないしはナノウォール状の微細突起を備えたカーボン膜１４ｂの形成方法は公知であるので特に詳述しない。実施の形態では、長く延びた導線１４ａの外表面にこうしたカーボン膜１４ｂを形成しているので、導線１４ａの全外表面から電子放出することができ、電子放出量は大きい。
【００１０】
真空容器１２内の他方側には、面状陽極部１６が各ワイヤ状陰極部１４に間隔を隔てて対向して配置されている。面状陽極部１６は電子通過性に優れた金属材でかつ導電性に優れかつＵＶ光反射性（輝度向上に好ましい）に優れた金属で構成することができる。面状陽極部１６は例えば金あるいはアルミニウムで構成することができる。面状陽極部１６は複数の金属材を積層し、この積層する金属材は共に電子透過性でありそのうちワイヤ状陰極部１４とは反対側の金属材に光反射性に優れた金属材を用いることができる。面状陽極部１６には５−２０ｋＶ程度の電圧が印加され、面状陽極部１６とワイヤ状陰極部１４との間の空間には高電界が形成されるとともに、ワイヤ状陰極部１４のカーボン膜１４ｂの微細突起の先端には極めて高い電界集中が起こり、これによって微細突起の先端から面状陽極部１６に向けて電子放出が発生する。
【００１１】
面状陽極部１６の背面には面状陽極部１６を通過する電子の照射により紫外線を発光する紫外線発光部１８が配置されている。この紫外線発光部１８には、膜厚１μｍから数μｍオーダー程度のワイドバンドギャップ半導体材料、例えばＡｌＮ，ＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＡｌＧａＩｎＮ等の窒化物半導体、ＺｎＯ、ダイヤモンドがある。これらの材料のバンドギャップとそれら対応する発光波長は、ＧａＮが３．３９ｅＶ、３６６ｎｍ、ＡｌＮが６．２ｅＶ、２００ｎｍ、ＺｎＯが３．３５ｅＶ、３７０ｎｍ、ダイヤモンドが５．７４ｅＶ、２２７ｎｍである。Ａｌ−Ｇａ−Ｎ三元系半導体では３．３ｅＶ−６．２ｅＶ、２００−３６６ｎｍまで可変の値を取る。Ａｌ−Ｇａ−Ｎ三元系半導体は、高効率で紫外線を発光することができるので、紫外線を赤色、緑色、青色に変換できる蛍光材と組み合わせて白色を発光することができる。
【００１２】
紫外線発光部１８の背面側である真空容器１２の外壁には、紫外線発光部１８が発光した紫外線が透過する紫外線透過窓２０が設けられている。この紫外線透過窓２０はガラス基板、石英、サファイア等により構成されている。この場合、高輝度発光のためには半導体を流れる電流密度を高くする必要があるが、その場合、大容量の熱が発生し、紫外線発光部２０の温度上昇を招き、結果として、発光効率の低下、発光輝度の低下につながるため、大電流密度での駆動にはその熱を可及的速やかに放熱することができるヒートシンク材を配置することが好ましい。
【００１３】
紫外線発光部１８は、紫外線透過窓２０を構成するサファイア基板上にＧａＮ層（低温成長バッファ層）を介してＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて構成することができる。
【００１４】
以上の構成を備えた実施の形態１のＵＶ光源１０においては、ワイヤ状陰極部１４が、導線１４ａの外表面に多数のナノチューブ状ないしはナノウォール状の微細突起を備えたカーボン膜１４ｂが形成されて構成されているので、面状陽極部１６とワイヤ状陰極部１４との間には電界を印加すると、カーボン膜１４ｂの微細突起に強電界が集中し容易に該微細突起から電子放出が起こり、したがって、電子放出源である陰極部１４から低消費電力でより効率的に電子を多量に放出し紫外線発光部２０からの紫外線をより高輝度で発光させることができる。
【００１５】
図３および図４を参照して本発明の実施の形態２に係るＵＶ光源を説明する。これらの図において、図１および図２と対応する部分には同一の符号を付している。実施の形態２のＵＶ光源１０においては、真空容器１２内の一方側には、１つないしは複数のワイヤ状陰極部１４が一方向に並べて配置されている。ワイヤ状陰極部１４は電界の印加により電子放出するものであり、導線１４ａとこの導線１４ａの外表面に形成され多数のナノチューブ状ないしはナノウォール状の微細突起を備えたカーボン膜１４ｂとを含む。ワイヤ状陰極部の外表面には微細な凹凸部が形成されている。この微細な凹凸部はカーボン膜１４ｂの微細突起先端での電界集中をより起こり易くするものであり、補助電界集中部として作用する。なお、図解の都合でワイヤ状陰極部１４の線径は誇張して図示している。
【００１６】
真空容器１２内の他方側には、面状陽極部１６が各ワイヤ状陰極部１４に間隔を隔てて対向して配置されている。面状陽極部１６は電子通過性に優れた金属材でかつ導電性に優れかつ光反射性に優れた金属で構成することができる。面状陽極部１６は例えば金あるいはアルミニウムで構成することができる。面状陽極部１６は複数の金属材を積層し、この積層する金属材は共に電子透過性でありそのうちワイヤ状陰極部１４とは反対側の金属材に光反射性に優れた金属材を用いることができる。面状陽極部１６には５−２０ｋＶ程度の電圧が印加され、面状陽極部１６とワイヤ状陰極部１４との間の空間には高電界が形成されるとともに、ワイヤ状陰極部１４のカーボン膜１４ｂの微細突起の先端には極めて高い電界集中が起こり、これによって微細突起の先端から面状陽極部１６に向けて電子放出が発生する。なお、図解の都合で面状陽極部１６の膜厚は誇張して図示している。
【００１７】
面状陽極部１６の背面には面状陽極部１６を通過する電子の照射により紫外線を発光する紫外線発光部１８が配置されている。なお、図解の都合で紫外線発光部１８の膜厚は誇張して図示している。また、面状陽極部１６との膜厚比は図解の都合であり特に図示していない。
【００１８】
以上の構成において、実施の形態２においては、紫外線発光部１８の背面に銅等の例えば平パイプ材からなり内部に冷却水が流されるヒートシンク２２が設置されて、高輝度発光のために紫外線発光部１８に流れる電流密度を高くしても、紫外線発光部１８での発生熱を速やかに放熱することができるようになり、結果として、発光効率の向上、発光輝度の向上を図ることができる。ヒートシンク２２は、金属系であり、半導体材料と熱膨張係数の整合性が良いヒートシンクが好ましい。ヒートシンク２２の材料には、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｌ，Ｍｇ等、あるいはこれらを基とする合金がある。ヒートシンク２２には、ダイヤモンドを用いることができる。ダイヤモンド−金属系のヒートシンク２２とすることもできる。
【００１９】
紫外線発光部１８からの発光は、ワイヤ状陰極部１４の背面に設けた紫外線透過窓２０から出射させることができるようになっている。この紫外線透過窓２０も、ガラス基板、石英、サファイア等により構成することができる。
【００２０】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１に係るＵＶ光源の断面図である。
【図２】図１のＵＶ光源の部分破断斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係るＵＶ光源の断面図である。
【図４】図３のＵＶ光源の部分破断斜視図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  ＵＶ光源
１２  真空容器
１４  ワイヤ状陰極部
１４ａ  導線
１４ｂ  カーボン膜（電子放出源）
１６  面状陽極部
１８  紫外線発光部
２０  紫外線透過窓
【図１】
2006190541.tif 000003
【図２】
2006190541.tif 000004
【図３】
2006190541.tif 000005
【図４】
2006190541.tif 000006