(57)【要約】【課題】ワイヤ状の陰極ベース表面にほぼ均一な高さで電界放射することが可能な電子放出層を備えた冷陰極電子源を提供する。【解決手段】陰極ベースが亜鉛と該亜鉛よりも融点が高い金属との合金材料からワイヤ状に作られており、このワイヤ状の陰極ベースは熱処理されて、その表面から多数の直径数ｎｍないし１００ｎｍのナノウイスカが電界放射を行うのに適した鋭利な針状に突出している。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極ベースが亜鉛と該亜鉛よりも融点が高い金属との合金材料からワイヤ状に作られており、このワイヤ状の陰極ベースに対する熱処理によりその表面から多数のナノウイスカが電界放射を行うのに適した鋭利な針状に突出している、ことを特徴とする冷陰極電子源。
【請求項２】
陰極ベースが亜鉛よりも高融点の金属材料の周囲に亜鉛膜を備えた金属材料からワイヤ状に作られており、このワイヤ状の陰極ベースに対する熱処理によりその表面から多数のナノウイスカが電界放射を行うのに適した鋭利な針状に突出している、ことを特徴とする冷陰極電子源。
【請求項３】
上記ナノウイスカは、直径が数ｎｍないし１００ｎｍである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷陰極電子源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放射により電子放出する新規な構造を備えた冷陰極電子源に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子放出源として使用されていた熱陰極に代わって、低消費電力の小型の電子放出源としての冷陰極が用いられるようになっている。この冷陰極電子源には、陰極ベースの表面にカーボンナノチューブ等の炭素膜を成膜したものがある（特許文献１）。このカーボンナノチューブ等の炭素膜は、先端が電界放射（フィールドエミッション）を行うのに適した鋭利な形状を有している。
【０００３】
このようなカーボンナノチューブ等の電子放出用材料は、断面ほぼ円形であるワイヤ状ベース表面にＣＶＤ法等により均一な高さでかつ高密度に成長させることは困難であり、また、そのようなワイヤ状ベース表面にカーボンナノチューブ等の電子放出用材料を均一な厚さに印刷することも困難である。そのための成膜や印刷のための設備は高価でありコストが相当に嵩むものとなっている。
【０００４】
本出願人は、上記ワイヤ状の陰極ベース表面に電子放出用材料を安価に形成でき量産可能な構造の冷陰極電子源用ワイヤの研究開発を鋭意重ねていた。
【特許文献１】特開２００４−２８１３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明により解決すべき課題は、ワイヤ状の陰極ベース表面にほぼ均一な高さで電界放射することが可能な電子放出層を備えた冷陰極電子源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による冷陰極電子源は、陰極ベースが亜鉛と該亜鉛よりも融点が高い金属との合金材料からワイヤ状に作られており、このワイヤ状の陰極ベースに対する熱処理により該陰極ベース表面から多数のナノウイスカが電界放射を行うのに適した鋭利な針状に突出していることを特徴とするものである。
【０００７】
また、本発明による冷陰極電子源は、陰極ベースが亜鉛よりも高融点の金属材料の周囲に亜鉛膜を備えた金属材料からワイヤ状に作られており、このワイヤ状の陰極ベースに対する熱処理により該陰極ベースの表面から多数のナノウイスカが電界放射を行うのに適した鋭利な針状に突出していることを特徴とするものである。
【０００８】
上記した「電界放射を行うのに適した鋭利な針状」とは、直径が数ｎｍから１００ｎｍで、長さが１μｍから数１０μｍのものを言う。
【０００９】
上記本発明の合金材料や金属材料の場合、常圧下で簡易な電気炉、通電加熱だけでナノウイスカを成長させることができるので従来のようなカーボンナノチューブ等の電子放出材料とは異なって、設備コストが格段に安く済む一方で、このワイヤを陰極とし、陽極に高電圧を印加することによりワイヤ表面のナノウイスカから発生した電子を電子線照射型蛍光体に衝突させて高輝度で励起発光させることができる。
【００１０】
なお、本発明のナノウイスカとは異なるが、酸化亜鉛ウイスカの技術に関しては、例えば特開２００４−２９９９２０に、硫化亜鉛粉末と活性炭粉末とをアルゴン気流中、１１００〜１２００℃に、２〜４時間加熱して、一旦亜鉛を生成させた後、引き続き、アルゴンを酸素に切り替えて、１１００〜１２００℃で、１〜３時間加熱することにより、酸化反応を行わせて単結晶のチューブ状に製造する技術、特開２００４−２１０８３９に、表面に酸化膜が形成された金属亜鉛粉末を酸素を含む雰囲気下で加熱処理することによって製造する技術が開示されている。また、特公昭６０−５５２９号公報、特公平３−５１６５７号公報等にも酸化亜鉛ウイスカの製造技術が開示されている。  酸化亜鉛ウイスカは三次元構造、つまり、核部と、その核部から複数軸方向に延びた針状結晶部と、を備えたテトラポット形状が一般的であり、また、上記特開２００４−２９９９２０のようにナノチューブ状のものもある。また、多長脚状粒子として四脚状粒子である酸化亜鉛ウイスカとして松下アムテック（株）製で平均長さ１０μｍのものもある。また、特開平０９−００９５６７に記載されているように酸化亜鉛ウイスカはテトラポット形状であるため、成形物の異方性緩和・振動吸収材としても知られている。
【００１１】
また、特開平２−１９２４９９号公報、特開平４−１３２７００号公報、特開平４−１４４９９５号公報、特開平４−１７０３９９号公報、特開平５−９７５９７号公報および特開平６−９２７９７号公報も、同様に、亜鉛蒸気を供給した気相中において、亜鉛蒸気を酸化させ、酸化亜鉛ウイスカを得る製造方法が開示されている。
【００１２】
以上のように酸化亜鉛ウイスカそれ自体およびその製造技術は周知であるが、そのほとんどが、テトラポット形状であり、また、上記特開２００４−２９９９２０のようにナノチューブ状のものでは青色や紫外領域の発光ダイオードやダイオードレーザのような光学デバイスへの応用や複合材料の強化材として有用な単結晶のチューブ状酸化亜鉛ウィスカであり、電界電子放出用のものはない。
【００１３】
本発明のナノウイスカは、電界電子放出させて、照明ランプに必要な高輝度で蛍光体を励起発光させることができる上に、その構造は極めて簡易な熱処理装置で製造することができる。
【００１４】
上記熱処理は亜鉛の融点以上の温度での熱処理であることが好ましい。
【００１５】
特開昭５０−６５９７号公報は、亜鉛とこれより沸点の高い金属からなる合金または混合物を、酸素を含有する雰囲気下において加熱し、下地物質上に酸化亜鉛のウイスカを成長せしめる方法を開示する。しかしながら、同公報は、Ｚｎ−Ｃｕ合金を加熱する方法において、直径３０〜８０μｍ、長さ１０〜３０ｍｍのウイスカが得られることが開示されたものであり、酸化亜鉛ウイスカの直径が太すぎることにより、電界電子放出することができるナノウイスカではない。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ワイヤ状の陰極ベース表面にほぼ均一な高さで電界放射することが可能な形状でナノウイスカを備えた冷陰極電子源を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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冷陰極電子源とその製造方法を説明する。
【００１８】
実施の形態の冷陰極電子源は、陰極ベースとその表面の電子放出層とから構成されている。図１（ａ）に冷陰極電子源の陰極ベースの断面構成を示し、図１（ｂ）に図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面構成を示す。冷陰極電子源２を構成する陰極ベース４は、亜鉛と該亜鉛よりも融点が高い金属との合金材料からワイヤ状に作ったものである。図２に図１の陰極ベース４を用いた冷陰極電子源２の断面構成を示す。この冷陰極電子源２は、陰極ベース４と、この陰極ベース４の表面の電子放出層６とから構成されている。冷陰極電子源２と電子放出層６とを実際のサイズ比率関係で図示することができないが、理解のため、図２でその表面層の一部を引き出した円で囲む部分に電子放出層６を拡大して示している。
【００１９】
陰極ベース４を構成する金属材料は例えば真鍮である。真鍮を構成する亜鉛は空気中で酸化すると容易に燃焼し、融点は約４２０℃であり、銅は、融点が約１０８４℃である。そして、この銅合金である真鍮は、その融点が約９００℃である。この真鍮の性質は銅と亜鉛との割合で変化する。銅に対して亜鉛の含有率が３５％のものが一般的で、その他には、銅６０％、亜鉛４０％のものを 六・四真鍮、銅７０％、亜鉛３０％のものを七・三真鍮である。実施の形態ではいずれも含み、その割合に限定されない。
【００２０】
電子放出層６は、多数のナノウイスカから構成されており、陰極ベース４を亜鉛の融点以上の温度で所要時間加熱することにより当該陰極ベース４表面に形成されている。ナノウイスカは、電界放射を行うのに適した鋭利な針状に突出している。実施の形態のナノウイスカでは陰極ベース４の表面全体に比較的均等な分布密度で存在している。このナノウイスカは亜鉛の融点以上の温度に加熱することにより生成することができるものであり、亜鉛単独では、その温度に加熱することができず、電界電子放出に適した形状に生成することができない。実施の形態では、真鍮を用いたものであり、亜鉛が銅と合金しているので、亜鉛の融点以上の温度に加熱することができることにより、ナノウイスカを生成したものである。
【００２１】
図３に上記冷陰極電子源２を用いた電界放射型ランプ８を示す。この電界放射型ランプ８においては、ワイヤ状の冷陰極電子源２が内部に空中架設されている。ガラス管１０は真空に封止されており、このガラス管１０の内面に電子線照射型の蛍光体１２付きの陽極１４が形成されている。冷陰極電子源２はこの陽極１４とガラス管１０内部で管軸方向に平行に対向配置している。陽極１４に高電圧を印加することにより冷陰極電子源２の電子放出層６を構成するナノウイスカの先端から電界放射により電子放出が起こり、この放出した電子が蛍光体１２に衝突し、蛍光体１２が励起発光する。
【００２２】
本出願人は、上記冷陰極電子源２を用いて十分な発光輝度で発光することができる電界放射型ランプを製作することができた。この電界放射型ランプに用いた冷陰極電子源のＳＥＭ写真を以下に示して説明する。この冷陰極電子源では陰極ベース４の金属材料に真鍮を代表的に用いた。
【００２３】
図４はその冷陰極電子源２における電子放出層６のＳＥＭ写真である。このＳＥＭ写真で示す電子放出層６は、電気炉内に真鍮製のワイヤを陰極ベース４として配置し、その陰極ベース４を５００℃で１時間連続加熱して得られたものである。この電子放出層６では陰極ベース４表面から長さ数μｍから数μｍで、直径が数ｎｍで、その先端が電界放射を行うのに適した鋭利な針状になったナノウイスカ６ａが多数形成されている。
【００２４】
図５はさらに別の冷陰極電子源２における電子放出層６のＳＥＭ写真を示す。このＳＥＭ写真で示す電子放出層６は、電気炉内で真鍮製のワイヤを陰極ベース４として配置し、その陰極ベース４を６００℃で１時間連続加熱した場合の電子放出層６を示す。この電子放出層６では陰極ベース４表面から長さ１０数μｍで、直径が数ｎｍで、その先端が電界放射を行うのに適した鋭利な針状になったナノウイスカ６ａが多数形成されている。
【００２５】
図６は、さらに別の冷陰極電子源２における電子放出層６のＳＥＭ写真を示す。このＳＥＭ写真で示す電子放出層６は、電気炉内で真鍮製のワイヤを陰極ベース４として配置し、その陰極ベース４を７００℃で１時間連続加熱した場合の電子放出層６を示す。この電子放出層６では陰極ベース４表面からはナノウイスカ６ａが短くなりその結晶構造が崩されて粒子化して電子放出層として機能することができにくくなっている。
【００２６】
図７は図６の電子放出層６の表面を示すＳＥＭ写真である。ナノウイスカ６ａが崩れ粒子化している様子を確認することができる。
【００２７】
以上から実施の形態の冷陰極電子源２は、陰極ベース４を亜鉛の融点である約４００℃以上、約７００℃以下で約１０分から数時間程度連続加熱した場合に、陰極ベース４表面に電界電子放出に適したナノウイスカからなる電子放出層６が形成される。
【００２８】
以上説明した冷陰極電子源２では陰極ベース４を電気炉内で加熱したが、実施の形態の製造方法は、この加熱に限定されるものではなく、陰極ベース４を通電加熱することによっても陰極ベース４表面に電子放出層６であるナノウイスカを形成することができる。
【００２９】
上記通電加熱は２５Ａないし３０Ａ程度、数十秒から数十分である。
【００３０】
図８は陰極ベース４に対して２５Ａの電流を２０秒間陰極ベース４に流すことにより当該陰極ベース４を通電加熱した場合の電子放出層６のＳＥＭ写真を示す。この図８のＳＥＭ写真で示すように、陰極ベース４表面からは長さ数μｍで、先端が電界放射を行うのに適した鋭利な針状になったナノウイスカ６ａが多数形成されて電子放出層６が構成されている。
【００３１】
図９はさらに別の陰極ベースに２５Ａ、３分間通電加熱した場合の電子放出層６のＳＥＭ写真を示す。このＳＥＭ写真で示すように、陰極ベース表面からは長さ数μｍで、先端が電界放射を行うのに適した鋭利な針状になったナノウイスカが多数形成されて電子放出層６が構成されている。
【００３２】
なお、他の実施の形態として図１０（ａ）（ｂ）で示すように、亜鉛よりも高融点の金属材料、例えば、銅材料４ａの周囲に亜鉛膜４ｂを備えた金属材料をワイヤ状に作ったものを陰極ベース４として用いることができる。図１０（ａ）は陰極ベース４の縦断断面構成を示し、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面構成を示す。図１０で示す陰極ベース４を用いて上記と同様に電気炉内で加熱したり、通電加熱することにより、その陰極ベース４表面にナノウイスカからなる電子放出層６を形成することができる。なお、陰極ベース４において亜鉛膜４ｂの膜厚等は適宜に設定することができる。加熱すると、亜鉛膜４ｂの亜鉛は、内部に拡散して真鍮フェーズになり、その表面にナノウイスカを生成することができる。
【００３３】
以上の実施の形態では亜鉛と合金を作ったり、あるいは、陰極ベース４の内部に設ける金属としては銅で説明したが、実施の形態では、この金属としては銅に限定されず、ＮｉＣｒ、Ｎｉ、Ｗ、ＳＵＳ等の亜鉛よりも高融点の金属材料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１（ａ）は陰極ベースの側面断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図２】図２は実施の形態の冷陰極電子源の断面構成を示す図である。
【図３】図３は図２の冷陰極電子源を用いた電界放射型ランプの構成を示す図である。
【図４】図４は電気炉で真鍮からなる陰極ベースを５００℃、１時間加熱した場合の電子放出層のＳＥＭ写真である。
【図５】図５は電気炉陰で真鍮からなる陰極ベースを６００℃、１時間加熱した場合の電子放出層のＳＥＭ写真である。
【図６】図６は電気炉で陰極ベースを７００℃、１時間加熱した場合の陰極ベース４上のＳＥＭ写真である。
【図７】図７は図６で示す陰極ベースの平面のＳＥＭ写真である。
【図８】図７は通電により陰極ベースを２５Ａ、２０秒間通電加熱した場合の電子放出層のＳＥＭ写真である。
【図９】図９は冷陰極電子源用の陰極ベースに２５Ａ、３分間通電加熱した場合の電子放出層のＳＥＭ写真である。
【図１０】図１０（ａ）は他の実施の形態の冷陰極電子源における陰極ベースの側面断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
２  冷陰極電子源
４  陰極ベース
６  電子放出層
６ａ  ナノウイスカ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図１０】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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