(57)【要約】  【課題】蛍光体層の全面で発光する光を妨げることなく外部に放射させ、発光効率を向上して高輝度の外部放射光を得る。  【解決手段】投光窓となるガラス基板２と基底面となるガラス基板３とを所定間隔で対向配置して真空容器を形成し、ガラス基板３上の中央の領域にアノード電極５を設け、アノード電極５の両側の領域にカソード電極６を設ける。アノード電極５上に蛍光体層７を成膜し、カソード電極６上に電子放出源８を成膜し、電子放出源８の上方にゲート電極９を配設する。そして、電子放出源８に電界を印加して電子線を放出させ、放物線状に蛍光体層７に均一に落下させて蛍光体層７を励起・発光させる。蛍光体層７とガラス２との間には真空空間のみが介在するため、蛍光体層７の励起面で発光する強い光は妨げられることなくガラス基板２から外部に放射され、消費電力を抑制しつつ大幅に光量を増加させることができる。【選択図】図１
2008091279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に配設された電子放出源から放出された電子線によって蛍光体を励起し、該蛍光体の励起光を外部に放射する発光装置において、
上記真空容器の投光窓を形成する透明基材に対向して配設されたアノード電極と、
上記アノード電極の上記透明基材に対向する面上に配設された蛍光体層と、
上記蛍光体層で発光する光の上記投光窓への光路外に配設されたカソード電極と、
上記カソード電極上に配設された電子放出源と、
上記電子放出源から放出される電子線を偏向・制御し、上記蛍光体層の上記透明基材に対向する面に照射させるゲート電極と
を備えたことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
上記アノード電極の上記蛍光体層に接する面を、鏡面加工した光反射面とすることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
上記カソード電極を、上記蛍光体層と上記透明基材との間の上記投光窓への光路外の位置に配設したことを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
【請求項４】
上記カソード電極を、電極面の法線方向が上記蛍光体層と交差しない位置に配設したことを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
【請求項５】
上記アノード電極と上記カソード電極とを、上記透明基材に対向する同一平面をなす絶縁基材上に設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
【請求項６】
上記電子放出源を、電界の印加によって電子線を放出する冷陰極型電子放出源として形成し、
上記ゲート電極に上記冷陰極型電子放出源からの電子線を通過させる開口部を設けると共に、上記冷陰極型電子放出源を上記ゲート電極の上記開口部と略同一の開口部を有するカソードマスクで覆ったことを特徴とする請求項１〜５の何れか一に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出源から放出された電子によって蛍光体を励起発光させる発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、白熱電球や蛍光灯といった従来の発光装置に対し、真空容器中で電子放出源から放出させた電子を高速で蛍光体に衝突させることにより、蛍光体を励起発光させて照明や画像表示に用いる電子線励起型の発光装置が開発されている。
【０００３】
この種の発光装置としては、例えば、特許文献１に開示されているように、蛍光体層の表面の発光を蛍光体層の裏側のガラス基板を透過して外部に放射する構造が一般的であるが、この構造では、電子線が照射される蛍光体面が最も強い発光をしているにも拘らず、その発光は無駄な発光として真空容器内部に放出されてしまい、装置の発光効率が必ずしも良いとは言えない。
【０００４】
このため、電子線励起型の表示装置では、蛍光体層の電子線が照射される面にアルミニウムを蒸着する等してメタルバック層を形成することで、輝度を向上させる技術が知られている。メタルバックは、蛍光体からの装置内部側への光を装置外部側（表示面側或いは照明面側）に鏡面反射させて輝度を向上させることの他、蛍光面に所定の電位を与えることにより、蛍光面に帯電した電子によるダメージや、装置内で発生した負イオンの衝突によるダメージから蛍光体を保護すること等を目的としており、例えば、特許文献２に開示されている。
【０００５】
特許文献２の技術は、蛍光膜を発光させて画像を表示させる画像形成装置において、蛍光膜の内面側に設けられたメタルバックを複数の部分に分割し、分割の複数の間隙を導電性材料で被覆することにより、真空中で発生する異常放電による間隙部分表面の沿面放電を防止し、表示品位の安定化を図っている。
【０００６】
しかしながら、メタルバックを用いて装置の発光効率を向上させる技術では、電子線がメタルバック層に侵入する際、加速エネルギーが損失し、蛍光体の励起効率の低下を招いてしまう。特に、照明装置としての用途においては、加速エネルギーの損失に伴う蛍光体の励起効率の低下を無視できず、根本的な発光効率の改善には繋がらない。
【０００７】
このため、特許文献３には、画素を構成する領域にエミッタティップを備えたエミッタ電極ラインと、画素を構成する領域でエミッタ電極ラインと交差するように配置されたゲートとを設けた陰極板と、蛍光体層を有する陽極板とを一定間隔を置いて対向配置した薄型表示装置に関して、エミッタ電極ラインとゲート電極ラインの少なくとも画素を構成する領域を共に透明導電膜で形成し、蛍光体層の発光をこの透明導電膜を通して観察する、すなわち蛍光体表面側から蛍光体の発光を見るようにする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２０７０６６号公報
【特許文献２】特開２０００−２５１７９７号公報
【特許文献３】特開２０００−２５１７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献３に開示の技術は、蛍光体表面側から蛍光体の発光を見ることで、表示装置として用いた場合には、高輝度の表示を得ることができるが、照明としての用途を考慮した場合、蛍光体層に対向する陰極板を通して照明光を得ることになる。すなわち、陰極板上のエミッタティップ、エミッタ電極ラインやゲート電極ラインの下層金属導電膜の間の隙間から外部に放出される光を照明光として用いることになり、蛍光体から放射される光に減衰や散乱を生じ、蛍光体層全面の発光を有効に利用することができない。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、蛍光体層の全面で発光する光を妨げることなく外部に放射させ、発光効率を向上して高輝度の外部放射光を得ることのできる発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明による発光装置は、真空容器内に配設された電子放出源から放出された電子線によって蛍光体を励起し、該蛍光体の励起光を外部に放射する発光装置において、上記真空容器の投光窓を形成する透明基材に対向して配設されたアノード電極と、上記アノード電極の上記透明基材に対向する面上に配設された蛍光体層と、上記蛍光体層で発光する光の上記投光窓への光路外に配設されたカソード電極と、上記カソード電極上に配設された電子放出源と、上記電子放出源から放出される電子線を偏向・制御し、上記蛍光体層の上記透明基材に対向する面に照射させるゲート電極とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による発光装置は、蛍光体層の全面で発光する光を妨げることなく外部に放射させ、発光効率を向上して高輝度の外部放射光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図５は本発明の実施の一形態に係り、図１は発光装置の基本構成図、図２は図１のＡ−Ａ線断面から見た電子放出源及び蛍光体層の配置を示す平面図、図３はゲート電極とカソードマスクとの関係を示す説明図、図４は電子放出源及び蛍光体層の第２の配置例を示す平面図、図５は電子放出源及び蛍光体層の第３の配置例を示す平面図である。
【００１３】
図１において、符号１は発光装置であり、例えば平面状に照明光を放射するフラットパネル型照明ランプとして用いられる。この発光装置１は、外部へ光を投光する投光窓を形成する透明基材としてのガラス基板２と、基底面側の絶縁基材としてのガラス基板３とを、枠部材４を介して所定間隔で対向配置した薄型の箱状の容器として形成され、容器内部が排気されて真空状態とされ、フリットガラス等からなる枠部材４で封止されている。
【００１４】
真空容器の基底面側となるガラス基板３上には、導電性パターンが所定形状に分離されて成膜されている。この導電性パターンは、例えば、ＩＴＯ、アルミニウム、ニッケル等を蒸着やスパッタ法等によって堆積したり、銀ペースト材を塗布して乾燥・焼成する等して成膜され、この分離された導電性パターンにより、アノード電極５とカソード電極６とが形成されている。本形態においては、図２に示すように、アノード電極５は、ガラス基板３の略中央の矩形状の領域に形成され、カソード電極６は、アノード電極５の両側に配置される矩形状の領域として形成されている。
【００１５】
アノード電極５上には、アノード電極５と同じかやや広い領域で、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、フォトグラフィ法、沈殿法、電着法等により、電子線の照射によって励起・発光する蛍光体層７が成膜されている。蛍光体層７は、真空空間のみを介して投光窓を形成するガラス基板２に対向・配置され、このガラス基板２に対向する面が電子線の照射によって励起発光する励起面となる。本形態においては、発光装置１は、平面発光の照明用ランプとして形成されており、蛍光体層７の励起面をガラス基板２に投影した領域が外に光を放射する実質的な投光窓となる。
【００１６】
また、アノード電極５の蛍光体層７が成膜される面には、蛍光体層７の励起面（電子入射面）の裏面側から漏れる光を励起面側に反射させるために反射面（光反射面）５ａが設けられている。この反射面５ａは、例えば、アノード電極５上にアルミニウム蒸着膜を成膜したり、アノード電極５の電極面を鏡面加工する等して形成される。
【００１７】
これにより、蛍光体層７の励起面から放射される強い光が妨げられることなくガラス基板２側に放出され、ガラス基板２を通過して外部に直接放出されると共に、蛍光体層７の励起面とは反対側に漏れる光もアノード電極５の反射面５ａで反射されてガラス基板２から放出される。その結果、従来の発光装置に比較して極めて効率の良い全反射型の発光装置を実現することができる。
【００１８】
すなわち、従来の平面状の発光面を有する発光装置においては、投光窓を形成するガラス基板の内面側に蛍光体層が成膜されており、真空容器内で電子線を蛍光体層に照射したとき、励起光が蛍光膜の裏側（電子線の照射面と反対側）からガラス基板を透過して外部へ放射される構造となっている。
【００１９】
従って、従来の発光装置では、電子線が照射される蛍光体の励起面（電子照射面）が最も強い発光をしているにも拘らず、励起面からの光は、外部へ放出されることなく真空容器の内部に放出され、無駄な発光として、例えばカーボンを主成分とする黒色カソード成膜面に吸収される構造となっている。
【００２０】
これに対し、本発明による発光装置１は、電子線が照射されて最も強く発光する蛍光体層７の励起面からの発光と、励起面の背面側で反射面５ａによって反射された反射光とを、全て投光窓（ガラス基板２）から外部に放出させる構造を有しており、外部に放射される光の光量を従来に比較して大幅に増加させることができる。
【００２１】
蛍光体層７へ照射される電子線は、具体的には、蛍光体層７で発光する光の投光窓への光路外に配設されたカソード電極６と、このカソード電極６上に形成された電子放出源８と、電子放出源８の上方（ガラス基板２側）に配置されたゲート電極９とによって制御される。電子放出源８は、本形態においては、電界の印加によって固体表面から真空中に電子を放出する冷陰極型電子放出源であり、例えば、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、ＣＮＷ（カーボンナノウォール）、スピント型マイクロコーン、金属酸化物ウィスカー等のエミッタ材料をカソード電極６上に膜状に塗布して形成されている。
【００２２】
尚、冷陰極型の電子放出源８に代えて、酸化バリウム等の熱電子を放出するエミッタ材料とヒータとを組み合わせた熱電子放出源を用いることも可能である。
【００２３】
また、ゲート電極９は、カソード電極６との間の電位差を制御し、電子放出源８から上方に放出される電子線を偏向・制御して略放物線の軌跡で蛍光体層７に落下させる。このゲート電極９は、電子放出源８から放出された電子を通過させる開口部１０を有する平板状の電極であり、例えば、ニッケル材、ステンレス材、アンバー材等の導電性金属材料を用い、単純な機械加工、エッチング、スクリーン印刷等によって形成されている。
【００２４】
ゲート電極９の開口部１０は、図２においては、矩形状領域の長手方向に沿って２列に配列された複数の円孔として形成されているが、電子放出源８に印加される電界強度や電子放出源８と蛍光体層７との間隔等を考慮し、電子放出源８から放出された電子線が蛍光体層７全面に均一に照射されるような形状に適宜設定される。更に、電子放出源８上には、ゲート電極９の開口部１０を形成する複数の円孔に対応した開口部を有するカソードマスク１１が配設されている。カソードマスク１１は、導電性の部材から形成され、通常、カソード電極６と同電位に保持されている。
【００２５】
ここで、電子放出源８から真空中に電界放出された電子のうち、ゲート電極９の開口部１０を通過した電子のみが蛍光体層７に衝突して光を放つ有効電子となるが、一部の電子はゲート電極９の非開口面に吸収されて無効電子となり、電力損失が生じる。カソードマスク１１は、この無効電子によるゲート電極９の電力損失を低減するものであり、ゲート電極９と略同じ形状の部材として形成され、図３に示すように、カソードマスク１１の開口部１２とゲート電極９の開口部１０とを略同等の形状（相似形状）として電子放出源８を覆うようにしている。
【００２６】
すなわち、電子放出源８をゲート電極９の開口領域と略同等の開口領域を有するカソードマスク１１で覆うことにより、電子放出源８から電子が放出される領域を、ゲート電極９の開口領域と略同等として、この領域から放出される略全ての電子をゲート電極９の開口部１０を通過させて発光に寄与する有効電子とすることができる。これにより、ゲート電極９での電力損失を低減し、無損失ゲートの実現を可能とすることができる。
【００２７】
この無損失ゲートを有効に実現するには、ゲート電極９とカソードマスク１１との対向距離及び開口径の関係を適切に設定する必要がある。先ず、ゲート電極９とカソードマスク１１との対向距離Ｓは、規定の下限値以上に設定される。この下限値は、ゲート電極９からカソード電極６への有害な金属スパッタの発生を防止可能な距離であると同時に、ゲート電極９とカソードマスク１１との距離が近すぎて電界が有効に発生せず電子放出源８から放出される電子が極端に少なくなることを避けるための距離であり、例えば、Ｓ≧０．５ｍｍに設定される。
【００２８】
更に、ゲート電極９の開口部１０とカソードマスク１１の開口部１２との関係においては、それぞれの開口寸法をＡＧ，ＡＭとすると、ゲート電極９の開口部１０の開口寸法ＡＧは、カソードマスク１１の開口部１２の開口寸法ＡＭに対して、蛍光体層７の発光に要する電界強度やゲート電極９とカソードマスク１１とのアライメント誤差等を考慮して設定された範囲内にあることが望ましい。
【００２９】
尚、ここでの開口寸法とは、互いに相似となる開口部１０，１２の対応する位置での寸法を意味し、円形の孔である場合には、それぞれの直径（或は半径）、矩形状の開口である場合には、それぞれの矩形形状における長辺間の距離、或は短辺間の距離である。その他の形状でも同様である。
【００３０】
例えば、発光装置１のパネル全体の厚さを５ｍｍ以下、カソードマスク１１の開口部１２の開口寸法ＡＭをＡＭ＝０．５ｍｍ〜５ｍｍとした場合、ゲート電極９とカソードマスク１１との対向距離Ｓは、以下の（１）式に示す条件を満足することが望ましく、また、ゲート電極９の開口部１０の開口寸法ＡＧは、カソードマスク１１の開口部１２の開口寸法ＡＭに対して、以下の（２）の条件を満足することが望ましい。 
０．５ｍｍ≦Ｓ＜５ｍｍ  …（１）
ＡＭ≦ＡＧ≦ＡＭ＋０．５ｍｍ  …（２）
【００３１】
尚、開口部１０（１２）の配列ピッチＰは、基本的に製造上の工程能力に依存し、例えば、Ｐ≧ＡＧ＋ｄ（ｄ：被加工材の板厚）である。
【００３２】
これにより、電子放出源８の周縁への電界の集中を防止し、電子放出源８から放出された電子のゲート電極９への突入を防止して金属スパッタの発生を確実に防止することができると共に、電子放出源８から放出される略全ての電子をゲート電極９の開口部１０を通過させてアノード電極５の蛍光体層７に到達させ、発光に寄与する有効電子としてゲート電極９での電力損失を効果的に低減することができる。
【００３３】
尚、ゲート電極９の開口部１０に対応させてカソード電極６を電子放出源８と共にパターン化して電極面を露呈させないように形成することにより、カソードマスク１１を省略することも可能である。
【００３４】
次に、本実施の形態における発光装置１の動作について説明する。発光装置１を動作させる場合、カソード電極６及びゲート電極９に対してアノード電極５を高電位に維持し、カソード電極６に対して高電位となるゲート電圧をゲート電極９に印加する。すなわち、電子放出源８に電界が印加され、電子放出源８を形成する固体の表面に電界が集中すると、固体表面から電子が真空中に放出され、この電界放出された電子がゲート電極９に向かって加速され、略全ての電子が開口部１０を通過して上方（ガラス基板２側）に放出される。
【００３５】
ゲート電極９によるゲート電圧は、開口部１０を通過した電子線が上方に向かう方向から偏向して放物線状に蛍光体層７に均一に落下するような電圧に制御されており、この電子線の蛍光体層７への照射により蛍光体層７が励起されて発光する。蛍光体層７の励起面（電子線の照射面）と投光窓となるガラス基板２との間には真空空間のみが介在し、何ら妨げるものがないため、蛍光体層７の励起面で発光する強い光は妨げられることなくガラス基板２の投光窓を透過し、外部に放射される。
【００３６】
また、このとき、蛍光体層７の粒状層を通過して下面側に向かう光や粒状層の下面側で励起・発光する光もアノード電極５上に形成された反射面５ａで反射され、投光窓（ガラス基板２）に向かって放射される。従って、蛍光体層７で励起・発光する光の略全てがガラス基板２を透過して外部に放射され、従来の発光装置に比較して、消費電力を抑制しつつ大幅に光量を増加させることができる。
【００３７】
このように、本実施の形態においては、蛍光体層７の電子線が照射されて発光する励起面を、投光窓となるガラス基板２に直接対向させて配置すると共に、カソード電極６と電子放出源８とゲート電極９とを蛍光体層７で発光する光の投光窓への光路外に配置しているため、蛍光体層７とガラス基板２との間には真空空間のみが介在し、蛍光体層７で発光する略全ての光が妨げられることなくガラス基板２の投光窓を透過して外部へ放射される。これにより、蛍光体からの励起光が装置内部で無駄に放射されることがなくなり、装置の発光効率を向上することができ、従来に比較して投光窓全体から外部に放射される光の光量を大幅に増加させることができる。
【００３８】
この場合、アノード電極５上の蛍光体層７に対するカソード電極６（及び、電子放出源８、ゲート電極９）の配置は、以上の図１，図２に示す配置に限定されることなく、例えば図４，図５に例示するように、蛍光体層７とガラス基板２との間の投光窓への光路外の適切な位置に設定される。
【００３９】
図４は、発光装置１を形成する真空容器の基底面となるガラス基板３の略中央の細長の矩形状の領域にカソード電極６と電子放出源８とゲート電極９とを配置し、この中央の電子放出源８の両側の矩形状の領域に、アノード電極５及び蛍光体層７を配置する第２の配置例を示している。図４においては、電子放出源８から放出される電子線が両側の蛍光体層７に均等に照射されるよう、電子放出源８の領域の大きさ、ゲート電極９の開口部１０の形状及び数、ゲート電圧等が適切に設定される。尚、図４に示す配置や図２に示す配置は、これらを単位として複数の組合せが可能である。
【００４０】
また、図５は、アノード電極５とカソード電極６とを同一平面上に配置することなく、カソード電極６上の電子放出源８を蛍光体層７よりも若干上方（ガラス基板２側）に配置した第３の配置例を示している。図５においては、カソード電極６上の電子放出源８及びゲート電極９を斜め上方に傾斜させて配置しているが、カソード電極６（及び、電子放出源８、ゲート電極９）を、カソード電極６の電極面の法線方向が蛍光体層７と交差しない位置、すなわち真空容器の側壁を形成する枠部材４側までの位置に止めることが望ましい。これは、電子放出源８と蛍光体層７との距離、電子放出源８に印加する電界分布にもよるが、蛍光体層７を均一に発光させるためには、電子放出源８からの電子線が蛍光体層７の端部に集中させないようにする必要があるためである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】発光装置の基本構成図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面から見た電子放出源及び蛍光体層の配置を示す平面図
【図３】ゲート電極とカソードマスクとの関係を示す説明図
【図４】電子放出源及び蛍光体層の第２の配置例を示す平面図
【図５】電子放出源及び蛍光体層の第３の配置例を示す平面図
【符号の説明】
【００４２】
１  発光装置
２  ガラス基材（透明基材）
３  ガラス基材（絶縁基材）
４  枠部材
５  アノード電極
５ａ  反射面
６  カソード電極
７  蛍光体層
８  電子放出源
９  ゲート電極
１０  ゲート電極の開口部
１１  カソードマスク
１２  カソードマスクの開口部
【図１】
2008091279.tif 000003
【図２】
2008091279.tif 000004
【図３】
2008091279.tif 000005
【図４】
2008091279.tif 000006
【図５】
2008091279.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月10日(2007.9.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
このため、特許文献３には、画素を構成する領域にエミッタティップを備えたエミッタ電極ラインと、画素を構成する領域でエミッタ電極ラインと交差するように配置されたゲートとを設けた陰極板と、蛍光体層を有する陽極板とを一定間隔を置いて対向配置した薄型表示装置に関して、エミッタ電極ラインとゲート電極ラインの少なくとも画素を構成する領域を共に透明導電膜で形成し、蛍光体層の発光をこの透明導電膜を通して観察する、すなわち蛍光体表面側から蛍光体の発光を見るようにする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２０７０６６号公報
【特許文献２】特開２０００−２５１７９７号公報
【特許文献３】特開平１０−１２１６４号公報