(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、カソード電極、グリッド電極、蛍光板電極が真空中に配置された発光装置において、
グリッド電極がカソード電極表面と略平行な略平板に孔を設けた構造であり、この孔端が前記カソード電極側に突き出すとともに、前記カソード電極表面の直上で且つ前記孔の直上で且つ前記蛍光板電極の下方にイオン捕集電極を設けていることを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記カソード電極にカーボンナノチューブ含有ペーストが塗布されていることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
【請求項３】
前記カーボンナノチューブが起毛していることを特徴とする請求項２記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも、カソード電極、グリッド電極、蛍光板電極が真空中に配置された発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光装置としては、白熱電球や蛍光灯といったものが一般的に普及されている。白熱電球は不活性ガスを封入したガラス管の中で金属フィラメントを通電加熱して、このフィラメントからプランク放射させて発光装置として使用するものであり、蛍光灯はガスを封入したガラス容器内部で継続放電させて発生した紫外線を蛍光体で可視化して発光装置として使用するものである。
【０００３】
一方、電子放出源を用いた発光装置も提案されている。特許文献１（特開２００１−２２９８０６）には、「電子放出源及びその製造方法」として、カーボンナノチューブを電子源に用いた発光装置に関する技術が開示されている。この技術は、多数の貫通孔を有する基板上に化学気相成長法でカーボンナノチューブを成長させることを中心とした技術である。
【０００４】
特許文献２（特開２００１−４３７９１）では、「電極固定方法、電極接続方法、電界放射冷陰極および表示装置」として、表示装置等におけるグリッド電極の高精度固定方法に関する技術を開示している。
【０００５】
特許文献３（特開２００１−３５３４７）では、「電界放射冷陰極およびその製造方法ならびに表示装置」として、発光装置におけるゲート電極と電子放出層との間隙を正確に維持し、ゲート電極の短絡を防ぐための技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２２９８０６号公報
【特許文献２】特開２００１−４３７９１号公報
【特許文献３】特開２００１−３５３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の発光装置のうち、白熱灯は金属を高温に加熱することで可視光発光をさせているが、電気の良導体である金属を発熱させるには細線形状のフィラメントにしなければならないので、物理的衝撃で破損してしまう可能性がある。細くくびれた部分で抵抗が増してその部分が過熱してフィラメントが蒸発して破損することもしばしば起き、白熱灯は頻繁に交換しなければならない。発光効率も劣っているので消費電力の負担も大きい。
【０００７】
蛍光灯は白熱電球よりも発光効率が良い発光装置として使用されているが、この発光効率を得るために水銀蒸気を封入しなければならない。環境意識が高まる中で水銀レスの蛍光灯の研究もなされているがなかなか成果がでてこないのが現状である。蛍光灯が破損して水銀蒸気が拡散することを考えるとスーパーなどの食品展示ボックスや手術室に限らず、児童の勉強机や家庭、学校、駅などの公共の場で蛍光灯を使用していることの危険ポテンシャルは低いとは言えない。
【０００８】
このような発光装置の状況を考えると蛍光体を高速加速電子で励起する発光装置、電界放射照明(Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌａｍｐ：  ＦＥＬ)の早期開発が望まれる。しかしながら、従来の技術で示したＦＥＬでは放電破壊という課題を抱えていて実用化が進んでいないのが現状である。
【０００９】
特許文献１（特開２００１−２２９８０６）を含めて特許文献２（特開２００１−４３７９１）、特許文献３（特開２００１−３５３４７）といった従来の構造ではカソード電極に対して正の電位を与えたグリッド電極によって電子を引き出して、さらに正の高電圧を与えた蛍光板電極に前記電子を衝突させて蛍光発光させているのだが、電子が蛍光板電極に突入したことで叩き出された正イオンが電界で加速されてグリッド電極やカソード電極に衝突すると、このイオンの衝突衝撃によってグリッド電極やカソード電極から電子やガスが放出されて局部的に真空度が劣化して放電破壊の危険が増大する。
【００１０】
従来のＦＥＬの典型的な構造を図２に示す。カソード電極２、グリッド電極６、蛍光板電極８が順に配置されており、カソード電極とグリッド電極の間の電界によって引き出された電子１００の一部が蛍光板電極に到達して、他はグリッド電極に飛び込む。放電破壊として特に危険で避けなければならない現象は２つある。
【００１１】
１つは、カソード電極から放出された電子が直接グリッド電極に飛び込む現象である。グリッド電極に直接飛び込むとグリッド電極から叩き出された正イオンが電子を放出しているカソード電極に飛び込んで電子放出を暴走させて放電に至らしめることがある。
【００１２】
２つめは、蛍光板電極から放出されて加速した正イオン２００が電子を放出しているカソード電極に飛び込む現象である。蛍光板発光輝度を高く得るために蛍光板電極は正の高電圧が印加されているので、この電極から放出されたイオンは大きな運動エネルギーを有している。このイオンが電子を放出しているカソード電極に飛び込むと電子放出を暴走させて放電に至らしめることがある。上記３件を含めた従来技術ではこの２つの課題の両方もしくは片方を抱えていた。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、グリッド電極へ飛び込む電流を抑制するともに、蛍光板からのイオン照射によるカソード電極近傍の放電を抑制し、故障しにくい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】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明の発光装置は、少なくとも、カソード電極、グリッド電極、蛍光板電極が真空中に配置された発光装置において、グリッド電極がカソード電極表面と略平行な略平板に孔を設けた構造であり、この孔端が前記カソード電極側に突き出すとともに、前記カソード電極表面の直上で且つ前記孔の直上で且つ前記蛍光板電極の下方にイオン捕集電極を設けていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の発光装置を用いるとグリッド電極へ飛び込む電流が抑制でき、また、蛍光板からのイオン照射によるカソード電極近傍の放電を抑制でき、故障しにくい発光装置を作ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の発光装置は、
第１に、少なくとも、カソード電極、グリッド電極、蛍光板電極が真空中に配置された発光装置において、グリッド電極がカソード電極表面と略平行な略平板に孔を設けた構造であるとともに、この孔端が前記カソード電極側に突き出している特徴を備える場合には、前記孔端が存在しない前記略平板領域におけるカソード電極とグリッド電極との距離をｄｐ、孔端におけるカソード電極とグリッド電極との距離をｄｅとし、カソード電極とグリッド電極とにそれぞれＶｋ、Ｖｇ電圧を印加した場合（Ｖｋ＜Ｖｇ）の略平板領域と孔端での電界はそれぞれ（Ｖｇ−Ｖｋ）／ｄｐ、（Ｖｇ−Ｖｋ）／ｄｅである。
【００１７】
孔端が前記カソード電極側に突き出しているのでｄｐ＞ｄｅの関係にあり、この結果、（Ｖｇ−Ｖｋ）／ｄｐ＜（Ｖｇ−Ｖｋ）／ｄｅ、すなわち、略平板領域における電界よりも孔端における電界の方が高く、略平板領域よりも孔端における電子放出が多い。略平板領域で放出された電子はグリッド電極に飛び込み蛍光板電極に届かないので蛍光板を光らせる作用がなく、発光装置としては無効電子であり、孔端および孔領域からの放出電子は蛍光板電極に届き得るので発光に関して有効電子になり得る。
【００１８】
本発明の発光装置では孔端がカソード電極側に突き出すことで無効電子を減らして有効電子を増やすことができる。また、前記孔の直上にイオン捕集電極を設けていることを特徴とする場合には、孔直上に前記グリッド電極よりも負電位を与えたイオン捕集電極を設けて蛍光板電極などから放出された正イオンをカソード電極に到達させずに捕集することで、正イオンによるカソード電極破壊を抑制できる。
【００１９】
第２に、第１の特徴に加えて、前記カソード電極にカーボンナノチューブ含有ペーストが塗布されていることを特徴とする場合には、径がナノオーダーで径と長さとの比率が１：１００以上の炭素元素の微細円筒構造を含むペーストをカソード電極に塗布することで、上記のように各電極に電圧を印加した際に、前記微細円筒構造の周辺が電界集中効果で他の領域よりも電界が高まる。この結果、カソード電極表面からの電界電子放出の効率が高まる。
【００２０】
第３に、第２の特徴に加えて、前記カーボンナノチューブが起毛していることを特徴とする場合には、電界集中がより強く生じる起毛姿勢によって電界放出の効率がより促進される。
【００２１】
以下に図を用いてこの発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の発光装置の構造を示したものである。レストラン厨房の天井照明用発光装置の例である。発光面は１００ｍｍｘ３００ｍｍである。構造を断面図で示す。この構造について製造方法の手順によって説明する。
【００２２】
ガラス基板１の上にまずスパッター法でアルミニウムを１ミクロン全面堆積させる。このアルミ表面上にカソード電極２がストライプ状に配設されている。カソード電極は紙面奥行き方向に延びた直方体である。銀ペーストをスクリーン印刷で選択塗布し、乾燥、焼成して形成する。焼成後の厚みは２８ミクロンで幅は３００ミクロン、紙面方向には３２０ｍｍの長さを有している。このカソード配線は複数配列している。そのスペースは２００ミクロンである。すなわち、カソード配線は５００ミクロンピッチで配列している。カソード配線は２００本並べてある。
【００２３】
カソード電極表面にはカーボンナノチューブ含有ペースト３を堆積する。カーボンナノチューブ含有ペーストの成分について述べる。
【００２４】
金属触媒を含んだ炭素棒電極を用いたアーク放電法で生成したカーボンナノチューブ含有ススをメッシュフィルタに通して直径５０ミクロン以上の異物を取り除いた後、このスス１００ｍｇを１リットルのエタノールに懸濁させる。この懸濁液に１０ミリリットルのアクリル液を滴下してよく撹拌する。この溶液をハンドスプレーを用いて前記カソード配線を施したガラス基板に塗布する。
【００２５】
塗布後、乾燥してエタノールを蒸発させた後、燐酸液中に浸す。この工程ではカソード電極間のスペース部分のアルミニウムが選択的に溶解除去される。銀ペーストで覆われた領域の下地アルミニウム４はそのまま1ミクロン厚みで残存する。アルミニウムが選択的に溶解除去される際にその上に堆積されたカーボンナノチューブ含有ペーストもリフトオフの作用で除去される。
【００２６】
水洗後、大気中で３００℃３０分の低温焼成を行うことで前記アクリルが炭化する。この工程後のカーボンナノチューブ含有ペーストの厚みは１ミクロンである。
【００２７】
この工程後に、図に示すように互いに隣接するカソード電極とカソード電極との隙間のガラス基板上にスペーサ５を配置する。このスペーサは図では円状に描いているが紙面奥行き方向に延びた円筒形状のガラスファイバーである。ガラスファイバーの直径は８０ミクロン、長さは３１０ｍｍである。
【００２８】
このスペーサを橋げたとしてグリッド電極６を設置する。グリッド電極６は金属製の厚み４０ミクロン、幅１１０ｍｍ、長さ３１０ｍｍのシートで、このシートに幅方向には５００ミクロンピッチ、長さ方向には２００ミクロンピッチにエミッタ孔７を設けている。
【００２９】
このエミッタ孔について詳細に述べる。エミッタ孔は孔径を底面とした円錐台形状をしている。円錐台の形を作るのに４０ミクロン厚の金属製板を下方向に向けて曲げ加工する。孔近傍の曲げはじめである上淵は板の上面で測定して直径が１００ミクロン、底面である開口部は孔の内面の直径すなわち内径で測定して５０ミクロンである。高さは金属製板の曲げはじめ位置と前記開口部の下端との差分が６５ミクロンである。
【００３０】
この円錐台の詳細形状は図１に描くように、その垂れ下がった孔端において孔内面に面した淵が外面よりも下方になるように整形されている。さらに詳細な形状として述べると、最下方端は放電を誘発しないように面を平滑化してある。以上述べたカソード電極、グリッド電極等の上方には蛍光板電極が配置されている。蛍光板電極とグリッド電極上面との距離は５ｍｍである。
【００３１】
更に、紙面に垂直方向に並んでいるグリッド孔７の中心の上を通り、グリッド電極６の表面から１００μｍ上方の位置に、直径３０μｍのタングステン金属線を張る。尚、上記位置はタングステン金属線の中心の位置である。このタングステン金属線はイオン捕獲電極９として使用する。
【００３２】
ここで、電子放出特性として重要なカーボンナノチューブ含有ペースト上面とグリッド電極との距離について再確認の説明を行う。
【００３３】
ガラス表面から測定したカーボンナノチューブ含有ペースト上面の高さは３０ミクロンである。アルミグリッド電極が平坦な領域でのカーボンナノチューブ含有ペーストとグリッド電極下面との距離はスペーサ高さ８０ミクロンと上記３０ミクロンとの差分である５０ミクロンである。
【００３４】
一方、孔の領域では４０ミクロン厚のグリッド電極上面と孔下端との差分が６５ミクロンであるのでカーボンナノチューブ含有ペーストとグリッド電極下面との距離は２５ミクロンとなる。この結果、平坦領域では５０ミクロン、孔位置では半分の２５ミクロンとなる。グリッド電極とカーボンナノチューブ含有ペーストとの間の平均電界は平坦領域よりも孔位置で２倍となる。
【００３５】
電界電子放出はカーボンナノチューブ含有ペーストへの印加電界を低い方から高くしていくとシキイ値電界Ｅｔ以上で電子を放出するようになり、このＥｔ以上では電界を高くするほど多くの電子が放出されるので、孔位置においてＥｔの電界以上２ｘＥｔの電界未満になるように各電極に電圧を印加すると孔位置からは電子が放出して平坦領域からは電子が放出しないという状況を作りだせる。
【００３６】
平坦領域で放出した電子はグリッド電極に飛び込む無効電子として無駄であるだけではなく、放電を誘発する原因の１つであるのでこのようにＥｔから２ｘＥｔの駆動条件によって平坦領域で電子放出をさせない使い方を採用する場合もある。円錐台の傾斜領域においてはＥｔから２ｘＥｔの駆動条件の中でも特に高電界印加において若干電子放出が起きる場合がある。この電子放出を抑制するために、例えばＥｔから１．５ｘＥｔのように低めの駆動条件を採用する場合もある。
【００３７】
次に、実際の駆動条件を示す。カソード電極には最小値−１００Ｖ、最大値０Ｖ、周波数１３０Ｈｚの正弦波を加える。グリッド電極６は０Ｖ、イオン捕獲電極９には−３０Ｖを印加しておく。蛍光板電極８には５ＫＶを印加してある。
【００３８】
この状態においては電子１００によって叩き出された正イオン２００はイオン捕獲電極に吸収されてカソード電極への突入を防ぐことができる。電子１００は−３０Ｖのイオン捕獲電極周辺の電界の影響で図のように軌道が曲げられる。
【００３９】
このため、エミッタ孔７の真上を外して蛍光板に飛び込むことになる。電子軌道が曲げられることでもエミッタ孔への正イオン突入の確率を下げることができる。この構造では電子軌道を曲げることと、イオンは捕獲するための電位と電極とを与える事で正イオンによるカソード電極の破壊を抑制する。
【００４０】
以上においては、正弦波の例を示したが、正弦波以外にも、矩形高周波で駆動する実施例もあれば、直流駆動する場合もある。矩形波高周波の一例として１ＫＨｚでｄｕｔｙが４０％、６０％（ここで正方向に高い電圧期間が４０％）の場合もある。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の発光装置の構造を示す構成図
【図２】従来例の構成図
【符号の説明】
【００４２】
１  ガラス基板
２  カソード電極
３  カーボンナノチューブ含有ペースト
４  下地アルミニウム
５  スペーサ
６  グリッド電極
７  エミッタ孔
８  蛍光板電極
９  イオン捕獲電極
１００  電子
２００  正イオン
【図１】
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【図２】
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