(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバと、真空チャンバ内に配置される金属製の筒状体とを備え、上記筒状体にプラズマ発生用ガスを導入しかつプラズマ発生用電圧を印加して筒状体の内部空間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を用いて、筒状体に炭素からなるワイヤを配置する第１ステップと、筒状体内にスパッタ用プラズマを発生させて筒状体をスパッタリングしてワイヤ表面に金属膜を成膜する第２ステップと、ワイヤに通電加熱して金属膜を多数の金属微粒子にする第３ステップと、筒状体内にエッチング用プラズマを発生させ、金属微粒子をマスクにして、ワイヤ表面をエッチングして針状炭素膜を生成する第４ステップと、を含む、ことを特徴とする電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項２】
上記第２ステップにおいて、アルゴンプラズマを用いたスパッタリングである、ことを特徴とする請求項１に記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項３】
上記第４ステップにおいて、酸素プラズマを用いたエッチングである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項４】
上記第１ないし第３ステップにおいて、筒状体として鉄材からなる筒状体を用いる、ことを特徴とする請求項３に記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項５】
上記第４ステップにおいて、筒状体としてアルミ材からなる筒状体を用いる、ことを特徴とする請求項３に記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項６】
上記第４ステップの後、金属微粒子を酸により除去する第５ステップを含む、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項７】
真空チャンバと、真空チャンバ内に配置される金属製の筒状体とを備え、上記筒状体にプラズマ発生用ガスを導入しかつプラズマ発生用電圧を印加して筒状体の内部空間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を用いて、筒状体に金属からなるワイヤを配置する第１ステップと、筒状体内に炭素膜成膜用のプラズマを発生させてワイヤ表面に炭素膜を成膜する第２ステップと、筒状体内にスパッタ用のプラズマを発生させて筒状体をスパッタして炭素膜表面に金属膜を成膜する第３ステップと、ワイヤに通電加熱して金属膜を多数の金属微粒子にする第４ステップと、筒状体内にエッチング用プラズマを発生させ、金属微粒子をマスクにして、ワイヤ表面をエッチングして針状炭素膜を生成する第５ステップと、を含むことを特徴とする電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項８】
上記第３ステップにおいて、アルゴンプラズマを用いたスパッタリングである、ことを特徴とする請求項７に記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項９】
上記第５ステップにおいて、酸素プラズマを用いたエッチングである、ことを特徴とする請求項７または８に記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項１０】
上記第１ないし第４ステップにおいて、筒状体として鉄材からなる筒状体を用いる、ことを特徴とする請求項９に記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項１１】
上記第５ステップにおいて、筒状体としてアルミ材からなる筒状体を用いる、ことを特徴とする請求項９に記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項１２】
第５ステップの後、金属微粒子を酸により除去する第６ステップを含む、ことを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【請求項１３】
プラズマ発生用電圧が、高周波電圧である、ことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の電界放射型ランプ用陰極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界放射型ランプ用陰極の製造方法に関する。電界放射型ランプは、管タイプ、フラットタイプ、等の種々のタイプのランプが含まれるものであり、ランプの大小、形状を問わない。
【背景技術】
【０００２】
電界放射型ランプにおいて、ランプ管内面に蛍光体付きの陽極を形成し、この陽極に電界電子放出源として陰極を対向配置し、陽陰極間に電界を印加して陰極から電子を放出（電界放射）させ、放出した電子を蛍光体に電子衝突させて蛍光体を励起発光させるようになっている。そして、このワイヤ状陰極には導体ワイヤの表面に電子放出用の炭素膜が成膜されており、この炭素膜への電界集中により電子放出が行われるようになっている。
【０００３】
以下、電界放射は、真空に放出される電流密度を記述するファウラノルドハイム（Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）の式で表すことができることが知られている。この式は、
Ｉ＝ｓＡＦ2／φｅｘｐ（−Ｂ3/2／Ｆ）
Ｆ＝βＶ
で与えられる。
【０００４】
ただし、Ｉは電界放射電流、ｓは電界放射面積、Ａは定数、Ｆは電界強度、φは仕事関数、Ｂは定数、βは電界集中係数、Ｖは印加電圧である。
【０００５】
電界集中係数βは、印加電圧Ｖを、先端部分の形状や素子の幾何学的形状により電界強度Ｆ（Ｖ／ｃｍ）を変換する係数である。電界放射電流Ｉは、仕事関数φが小さい材料ほど、また、電界集中係数βが大きいほど、強くなり、電界放射電流Ｉが増大する。電子は仕事関数φであるポテンシャル障壁により固体中に閉じ込められている。この固体表面に電界が強く集中し、ポテンシャル障壁が１ｎｍ以下程度にまで薄くなると、電子はその波動性によるトンネリング現象により固体から真空に放射される確率が急激に増大する。このように、電界集中により電子が真空に放射される現象を電界放射（電界電子放出）という。電界放射電流Ｉは、ポテンシャル障壁に衝突する電子の入射密度と、ポテンシャル障壁をトンネリングする確率との積を全エネルギー領域で積分することにより求めることができ、ファウラノルドハイムの式は、そのことを上記式で表したものである。このような電界放射を行う炭素膜として例えば、特許文献１ないし３等で、高アスペクト比のカーボンナノチューブが多数開発されてきている。
【０００６】
このカーボンナノチューブは、針状に炭素膜を化学的気相蒸着（ＣＶＤ）等により成膜したものであり、極めて細長く、その先端部分の曲率半径ｒが小さくなって電界集中係数βが大きくなり、電界放射特性に優れたものとなる。
【０００７】
しかしながら、カーボンナノチューブの場合、印加電圧を増大させて電界放射電流Ｉを増大させていくに際しては、或る印加電圧を超えると、それ以上は、電界放射電流Ｉが増大しなくなって飽和してしまう、という大きな課題がある。そのため、カーボンナノチューブを電子放出源として、各種のデバイス、装置等に用いる場合、例えば、電界放射型ランプに用いる場合、印加電圧の調整でその発光輝度を調整する場合、その調整範囲が極めて制約されたものとなる。また、カーボンナノチューブでは上記課題以外にも、先端高さが揃いにくくばらつきやすい、先端がゆらぎやすい、基板上に機械的に支持しにくいから安定性にかける、カーボンナノチューブに電流を流し込むための基板との電気的コンタクトがとりにくい、カーボンナノチューブが多数密集すると、電界集中が起こりにくく、電子放出特性が容易に損なわれてしまうこと、等の多数の課題がある。
【０００８】
そこで、本出願人は、特願２００５−２４４４０９（平成１７年８月２５日出願）で上記課題を解決した発明について出願（発明の名称「炭素膜、電子放出源および電界放射型照明ランプ」）（先行出願）したのである。この先行出願においては、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表され、かつ、その半径が任意の位置から先端に向かうにつれて小さくなる形状を備えた針状炭素膜である。
【０００９】
ところで、電界放射型ランプには、陽極に対して陰極をワイヤ状に対向配置し、このワイヤ状に延びた陰極表面の全体から電子を放出させるものがある。このようなワイヤの表面に上記針状炭素膜を成膜して陰極を製造するに際して、本出願人は、安価に製造できること、高い生産性で量産することができること、に加えて、電界放射型ランプの大型大面積化に対応してより長尺なワイヤ状の陰極を製造することができる製造技術について検討した。
【特許文献１】特開２００５−３１４２０６
【特許文献２】特開２００５−３１４２０４
【特許文献３】特開２００５−２７２２７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、電界放射型ランプ用陰極にワイヤ表面に針状炭素膜を安価で高歩留まりで成膜可能として、当該陰極を低いコストで量産することができ、そのうえ、長尺ないしは超長尺なワイヤ状陰極をも容易に製造できる新規な製造方法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】
【００１１】
（１）本発明第１に係る電界放射型ランプ用陰極の製造方法は、真空チャンバと、真空チャンバ内に配置される金属製の筒状体とを備え、上記筒状体にプラズマ発生用ガスを導入しかつプラズマ発生用電圧を印加して筒状体の内部空間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を用いて、筒状体に炭素からなるワイヤを配置する第１ステップと、筒状体内にスパッタ用のプラズマを発生させて筒状体をスパッタリングしてワイヤ表面に金属膜を成膜する第２ステップと、ワイヤに通電加熱して金属膜を多数の金属微粒子にする第３ステップと、筒状体内に高周波のエッチング用プラズマを発生させて金属微粒子をマスクにしてワイヤ表面をエッチングして針状炭素膜を生成する第４ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１２】
上記金属微粒子は、好ましくは直径１〜１００ｎｍ程度である。金属微粒子の生成間隔は、針状炭素膜の電界集中作用を確保することができる程度であることが好ましい。
【００１３】
針状炭素膜は、好ましくは直径がｎｍオーダーで、高さがμｍオーダーである。
【００１４】
針状炭素膜は、先端に向かうほど細くなることが好ましい。
【００１５】
針状炭素膜は、ファウラノルドハイムの式における電界集中係数βが、任意の位置での先端までの高さをｈ、半径をｒとして、ｈ／ｒの式で表される形状であることが好ましい。
【００１６】
プラズマ発生用電圧は、高周波であることが好ましい。
【００１７】
本発明第１の製造方法においては、針状炭素膜を製造するために、第１ステップでプラズマスパッタ、第２ステップで熱処理、第３ステップでプラズマエッチングという３ステップを備えるが、この３ステップを同一のプラズマ発生装置で実施することができるものであり、安価で量産性に優れかつ長尺なワイヤ状陰極を製造することができる。
【００１８】
すなわち、従来の製造方法により、針状炭素膜を備えた電界放射型ランプ用陰極を製造する場合、プラズマスパッタ装置と、熱処理装置と、プラズマエッチング装置とが必要であり、極めて高価となる上に、量産性も落ちるとともに、長尺なワイヤ状陰極を製造することが困難である。
【００１９】
これに対して、本発明第１では、１台のプラズマ発生装置により、上記第１ないし第３ステップを実施することができるので、安価に済むとともに、量産性も向上する。また、筒状体を用いるので、長尺なワイヤ状陰極を製造する場合では、その長尺寸法に合わせて筒状体を延長して長尺なワイヤ状陰極を製造することができる。
【００２０】
（２）本発明第２に係る電界放射型ランプ用陰極の製造方法は、真空チャンバと、真空チャンバ内に配置される金属製の筒状体とを備え、上記筒状体にプラズマ発生用ガスを導入しかつプラズマ発生用電圧を印加して筒状体の内部空間にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を用いて、筒状体に金属からなるワイヤを配置する第１ステップと、筒状体内に炭素膜成膜用のプラズマを発生させてワイヤ表面に炭素膜を成膜する第２ステップと、筒状体内にスパッタ用のプラズマを発生させて筒状体をスパッタして炭素膜表面に金属膜を成膜する第３ステップと、ワイヤに通電加熱して金属膜を多数の金属微粒子にする第４ステップと、筒状体内にエッチング用プラズマを発生させて金属微粒子をマスクにしてワイヤ表面をエッチングして針状炭素膜を生成する第５ステップと、を含むことを特徴とする。
【００２１】
この製造方法では上記（１）の作用効果に加えてワイヤが金属であるので機械的な強度が高い、針状炭素膜を備えたワイヤ状陰極を製造することができる。
【００２２】
筒状体の形状は何等限定されないが、例えばコイル状、円筒状、柵状、籠状、あるいは対向した２つ一対の筒体等を例示することができる。
【００２３】
筒状体の周壁をコイル状や網目状とした場合、その螺旋径、螺旋ピッチを調整して筒状体の形状を調整することにより、所望密度のプラズマを発生させることができる。また、筒状体の周壁をコイル状や網目状とした場合、弾性を持たせて、プラズマ発生時に筒状体が熱膨張した場合等においては、そのコイル状や網目状の形状により熱膨張を吸収することができ、熱膨張による応力を緩和することができ、筒状体の寿命を伸ばすことができるようになる。筒状体の周壁を複数の電線により筒状体の筒軸方向に平行に円周方向等間隔に配置した柵状や籠状にした場合、筒状体と基板との間にプラズマを高効率で発生させることができるようになる。
【００２４】
本発明により製造した針状炭素膜を備えたワイヤは電界放射型ランプのワイヤ状陰極（冷陰極電子源）とし、このワイヤ状陰極と対向する陽極との間の電界印加により電子放出させ、この電子を蛍光体に衝突させて該蛍光体を励起発光する電界放射型ランプに適用することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、表面に針状炭素膜を備えたワイヤ状陰極を安価にかつ高い量産性で製造することができることに加えて長尺なワイヤ状陰極をも製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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電界放射型ランプ用陰極の製造方法を説明する。
【００２７】
図１は同製造方法の実施に用いるプラズマ発生装置の構成を模式的に示す図である。このプラズマ発生装置１０は、真空チャンバ１２を備える。真空チャンバ１２はガス導入口１２ａとガス排出口１２ｂとを備える。真空チャンバ１２の内部には金属材例えばＳＵＳ等の鉄材からなる断面円形の筒状体１４が配置されている。筒状体１４は、コイル構造になっている。筒状体１４の内部空間には炭素からなるワイヤ１６が配置されている。筒状体１４は一方向にストレートに延びており、筒状体１４の内部空間は一方向に長く延びる円筒形のプラズマ発生用の空間をなしている。ワイヤ１６はこの内部空間に配置されて細長に延びた構造になっている。筒状体１６の内周面とワイヤ１６の外周面とはその延設方向に所要の空間を隔てて相対向している。筒状体１４の両端はプラズマ発生用電圧源としての高周波電源１８に接続されている。ワイヤ１６の両端は通電加熱用電源としての交流電源２０が接続され、かつ、その一端側には直流電源２２の負極に接続されて直流負バイアスが印加されている。
【００２８】
以上の構成を備えたプラズマ発生装置１０を用いた実施の形態１の針状炭素膜の製造方法を図２を参照して説明する。
【００２９】
まず、真空チャンバ１２のガス導入口１２ａからスパッタ用ガスの一例としてアルゴンガスを導入する。筒状体１４の両端にプラズマ発生用電圧源である高周波電源１８から高周波電圧を印加する。図２（ａ）の断面を有するワイヤ１６に直流電源２２の直流負バイアスを印加する。
【００３０】
また、ワイヤ１６の両端に交流電源の交流電圧を印加する。これによって、スパッタ用のアルゴンプラズマが発生し、このアルゴンプラズマ中に存在するアルゴンイオンにより筒状体１４がターゲット材としてスパッタされ、ワイヤ１６表面に金属膜（鉄膜）２４が成膜される。このときのワイヤ１６の一部断面を図２（ｂ）に示す。なお、金属膜２４はμｍオーダー厚の薄膜であり、ワイヤ１６は数ｍｍ径であるが、図２（ａ）ないし図２（ｅ）は理解のため、寸法関係を無視し誇張して示している。
【００３１】
次に、ワイヤ１６は交流電圧の印加で加熱されていて高温であるので、成膜された金属膜２４はこの加熱により多数の金属微粒子２６になる。図２（ｃ）にその様子を示す。ワイヤ１６表面の金属膜２４が微粒子化することにより、ワイヤ１６の表面において、金属微粒子２６が存在しない表面が露出する。
【００３２】
次に、真空チャンバ１２中にアルミ材からなる筒状体１４を配置し、その筒状体１４内に図２（ｃ）に示すワイヤ１６を配置する。そして、真空チャンバ１２にエッチング用のガスの一例である酸素ガスを導入するとともに、筒状体１４の両端に高周波電源１８の高周波電圧を印加し、ワイヤ１６に直流電源２２の直流負バイアスを印加し、ワイヤ１６の両端に交流電源の交流電圧を印加する。これによって、筒状体１４内にエッチング用のプラズマである酸素プラズマが発生する。このとき、筒状体１４表面は薄く酸化されている。ワイヤ１６は、その表面に金属微粒子２６が付着している部分はエッチングされず、金属微粒子２６が付着せずワイヤ１６の表面が露出している部分は図２（ｄ）で示すようにエッチングされて、金属微粒子２６の下方に針状炭素膜２８が生成される。金属微粒子２６は針状炭素膜２８上に存在してもよいが、適宜、酸処理により図２（ｅ）で示すように除去してワイヤ１６表面に針状炭素膜のみを作製することができる。
【００３３】
次に、図３を参照して実施の形態２の製造方法を説明する。
【００３４】
実施の形態２においては、筒状体１４内に金属材例えば鉄材からなるワイヤ１６を配置する。図３（ａ）にこのワイヤ１６の一部断面を示す。この配置の完了後に、筒状体１４の両端に高周波電源１８の高周波電圧を印加し、ワイヤ１６の両端に交流電源２０の交流電圧を印加し、ワイヤ１６に直流電源２２の直流負バイアスを印加するとともに、真空チャンバ１２のガス導入口１２ａから炭素膜成膜用のガスの一例である炭化水素ガスと水素ガスとを導入する。これによって、筒状体１４内に水素プラズマが発生し、ワイヤ１６表面に炭素膜３０が成膜される。この炭素膜３０の成膜状態を図３（ｂ）に示す。なお、炭素膜３０はμｍオーダー厚の薄膜であり、ワイヤ１６は数ｍｍ径であるが、図３（ａ）ないし図３（ｆ）は理解のため寸法関係を無視して誇張して示している。
【００３５】
次に、炭素膜３０表面にプラズマスパッタリングにより金属膜３２を成膜する。これには、真空チャンバ１２のガス導入口１２ａからアルゴンガスを導入する。筒状体１４の両端に高周波電源１８の高周波電圧を印加する。ワイヤ１６に直流電源２２の直流負バイアスを印加する。また、ワイヤ１６の両端に交流電源２０の交流電圧を印加する。これによって、スパッタ用のアルゴンプラズマが発生し、このアルゴンプラズマ中に存在するアルゴンイオンにより筒状体１４がターゲット材としてスパッタされ、炭素膜３０表面に金属膜（鉄膜）３２が成膜される。図３（ｃ）にそのときのワイヤ１６の一部断面を示す。
【００３６】
次に、ワイヤ１６は交流電圧の印加で加熱されていて高温であるので、成膜された金属膜３２はこの加熱により多数の金属微粒子３４になる。図３（ｄ）にその様子を示す。炭素膜３０表面の金属膜３２が微粒子化することにより、炭素膜３０表面のうち金属微粒子３４が存在しない表面が露出する。
【００３７】
次に、真空チャンバ１２中にアルミ材からなる筒状体１４を配置し、その筒状体１４内に図３（ｄ）のワイヤ１６を配置する。そして、真空チャンバ１２に酸素ガスを導入するとともに、筒状体１４の両端に高周波電源１８の高周波電圧を印加し、ワイヤ１６に直流電源２２の直流負バイアスを印加し、ワイヤ１６の両端に交流電源２０の交流電圧を印加する。これによって、筒状体１４内にエッチング用の酸素プラズマが発生する。このとき、筒状体１４表面は薄く酸化されている。炭素膜３０の表面に金属微粒子３２が付着している部分はエッチングされず、金属微粒子３２が付着せず表面が露出している炭素膜部分は図３（ｅ）で示すようにエッチングされて、針状炭素膜３６が生成される。金属微粒子３４は針状炭素膜３６上にそのまま存在してもよいが、適宜、酸処理により図３（ｆ）で示すように除去し、ワイヤ１６表面に針状炭素膜３６のみを作製することができる。
【００３８】
この針状炭素膜２８，３６について図４を参照して説明する。
【００３９】
実施の形態の針状炭素膜２８，３６では、図４（ａ）で示すように、電界集中係数βが、上記ｈ／ｒの式で表され、かつ、基部から先端部分Ｓ１に向けて半径ｒvが小さくなる形状を有するから、図４（ｂ）で示す（実線曲線は実施の形態の針状炭素膜により、二点鎖線曲線はカーボンナノチューブによる）ように、印加電圧Ｖが増大するにつれ先端部分から矢印Ａのように電界放射し、さらに印加電圧Ｖが増大すると、先端部分Ｓ１から遠くなる部分Ｓ２からも矢印Ｂのように電界放射が起こり、さらに印加電圧Ｖが増大すると、先端部分Ｓ１からさらに遠くなる部分Ｓ３からも矢印Ｃのように電界放射が起こる。
【００４０】
このようにして実施の形態の針状炭素膜２８，３６では、印加電圧Ｖの増大により、電界放射電流Ｉが従来のように印加電圧ＶがＶ0を超えても、電界放射電流Ｉがカーボンナノチューブのように電流Ｉ0で飽和せず、それ以上に増大することができる炭素膜である。
【００４１】
これによって、実施の形態の針状炭素膜２８，３６は、例えば、電界放射型の照明ランプにおいてその発光輝度を任意の輝度に容易に制御することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は本発明の実施の形態に係る電界放射型ランプ用陰極の製造方法の実施に用いるプラズマ発生装置の構成を示す図である。
【図２】図２は実施の形態１の電界放射型ランプ用陰極の製造方法における各工程でのワイヤの断面図である。
【図３】図３は実施の形態２の電界放射型ランプ用陰極の製造方法における各工程でのワイヤの断面図である。
【図４】図４は本発明の製造に係る電界放射型ランプ用陰極が備える針状炭素膜の特性の説明に供する図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  プラズマ発生装置
１２  真空チャンバ
１４  筒状体
１６  ワイヤ
１８  高周波電源
２０  交流電源
２２  直流電源
２４  金属膜
２６  金属微粒子
２８  針状炭素膜
【図１】
0004827515.tif 000002
【図２】
0004827515.tif 000003
【図３】
0004827515.tif 000004
【図４】
0004827515.tif 000005