(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる誘電率を有する少なくとも２種の電気的絶縁体層と、少なくとも２つの電極を含む発光素子であって、
前記電気的絶縁体層の１つは、多孔質発光体層であり、
前記電気的絶縁体層の別の１つは、気体層、強誘電体層又は比誘電率が１００以上の誘電体層であり、
前記多孔質発光体層は、蛍光体粒子又は絶縁層で被覆された蛍光体粒子で形成されており、
前記多孔質発光体層の上側及び／又は下側に前記絶縁体層の別の層が配置され、
前記２つの電極は、前記２種の電気的絶縁体層の少なくとも一方の層を挟むか、又は前記２種の電気的絶縁体層のうちいずれか一方の層に接するか若しくは層内に離れて配置され、
前記少なくとも２つの電極に直流又は交流電界を印加し、下記ａ〜ｃのいずれか一つの手段
ａ．前記少なくとも２つの電極間で前記気体層に絶縁破壊を起こさせる
ｂ．前記強誘電体層又は比誘電率が１００以上の誘電体層で分極反転させる
ｃ．トンネル効果により電子放出体から電子を発生させ前記気体層を介して前記多孔質発光体層に衝突させる
により、一次電子（ｅ−）を発生させ、前記一次電子（ｅ−）は多孔質発光体層の蛍光体を含む蛍光体粒子に衝突し雪崩的に多数の二次電子（ｅ−）を発生させ、同時に紫外線が発生させ、発生した前記二次電子及び紫外線が蛍光体を含む蛍光体粒子を励起発光させることを特徴とする発光素子。
【請求項２】
前記多孔質発光体層は、隣り合う画素同士の発光が互いに影響して発光効率を落とすクロストーク現象を回避するための放電分離手段により画素ごとに複数に分割されており、
前記放電分離手段は、隔壁によって形成されており、
前記画素の集合体が発光素子である請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記強誘電体層又は誘電体層は、焼結体層、強誘電体材料又は誘電体材料を含む粒子と結合剤の混合層、及び、強誘電体材料又は誘電体材料を含む分子堆積薄膜から選ばれる少なくとも一つの層で形成されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記強誘電体層又は誘電体層の背面には、さらに背面電極が配置されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記多孔質発光体層には、空気、窒素及び不活性ガスから選ばれた少なくとも１つの気体が存在している請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項６】
前記多孔質発光体層は、前記多孔質発光体層表面につながる連続する細孔と、前記細孔に充填されている気体と、蛍光体粒子により構成されている請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項７】
前記多孔質発光体層の見かけ気孔率が１０％以上〜１００％未満の範囲にある請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項８】
前記多孔質発光体層は、蛍光体粒子及び絶縁層で被覆された蛍光体粒子から選ばれる少なくとも一つの粒子と、絶縁性繊維で形成されている請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項９】
前記発光素子全体が、加圧、常圧又は減圧雰囲気になるようにシールされている請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記電気的絶縁体層の１つが気体層であり、前記気体層は、厚みが１μｍ以上３００μｍ以下の範囲で設けられている請求項１に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記隔壁は、無機材料で形成されている請求項２に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記放電分離手段は、空隙によって形成されている請求項２に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記電気的絶縁体層の１つが気体層であり、前記気体層は、リブによって厚み方向に仕切られている請求項１に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記多孔質発光体層は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の三色を発光するアレイが形成されており、アドレス電極を駆動させるか、マトリックス駆動若しくはアクティブ駆動させることにより、少なくとも赤（Ｒ）、緑（Ｇ）又は青（Ｂ）を別個に発光する請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記多孔質発光体層は、カラーフィルターで色の分離をすることにより、少なくとも赤（Ｒ）、緑（Ｇ）又は青（Ｂ）を別個に発光する請求項１又は２に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記少なくとも２つの電極は前記少なくとも１つの誘電体層と多孔質発光体層を挟んで配置され、交流電界を印加することにより、前記多孔質発光体層を発光させる請求項１に記載の発光素子。
【請求項１７】
前記少なくとも２つの電極は、アドレス電極又は表示電極である請求項１に記載の発光素子。
【請求項１８】
前記少なくとも２つの電極のうち、１つの電極は透明電極であり、観察面側に配置されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項１９】
前記電気的絶縁体層の１つが気体層であり、前記気体層は、前記多孔質発光体層と前記観察面側の透明電極との間、及び前記多孔質発光体層と背面電極との間から選ばれる少なくとも一方に形成されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項２０】
前記電気的絶縁体層の別の１つは強誘電体層であり、前記多孔質発光体層は前記強誘電体層に接して配置されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項２１】
前記少なくとも２つの電極に印加される電流が交流電界であり、前記交流電界が前記多孔質発光体層の一部にも印加されるよう前記電極の少なくとも一つが多孔質発光体層に隣接して配置されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項２２】
前記電気的絶縁体層の１つが強誘電体層であり、前記少なくとも２つの電極が強誘電体層と多孔質発光体層を挟んで形成されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項２３】
前記電気的絶縁体層の１つが強誘電体層であり、前記少なくとも２つの電極が共に強誘電体層に隣接して配置されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項２４】
前記電気的絶縁体層の１つが強誘電体層であり、前記少なくとも２つの電極がともに強誘電体層と多孔質発光体層の境界に形成されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項２５】
前記電気的絶縁体層の１つが強誘電体層であり、前記少なくとも２つの電極のうち一方の電極が強誘電体層と多孔質発光体層の境界に形成され、他方の電極が強誘電体層に隣接して配置されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項２６】
前記電気的絶縁層の１つが強誘電体層であり、
前記少なくとも２つの電極は、一対の電極と、他の電極を含み、
前記一対の電極は前記強誘電体層の少なくとも一部に電界が印加されるように配置され、
前記他の電極は、前記一対の電極のいずれか一方との間に存在する前記多孔質発光体層の少なくとも一部に電界が印加されるように配置されている請求項１に記載の発光素子。
【請求項２７】
前記電子放出体がカソード電極、ゲート電極、及び前記２つの電極の間に介在させたスピント型エミッタを含み、前記カソード電極と前記ゲート電極の間にゲート電圧を印加することにより、前記スピント型エミッタから放出される電子を前記多孔質発光体層に照射して発光させる請求項１に記載の発光素子。
【請求項２８】
前記スピント型エミッタが円錐形状である請求項２７に記載の発光素子。
【請求項２９】
前記スピント型エミッタがモリブデン、ニオブ、ジルコニウム、ニッケル、及びモリブデン鋼から選ばれる少なくとも一種の金属で構成される請求項２７に記載の発光素子。
【請求項３０】
前記電子放出体がカソード電極、ゲート電極、及び前記２つの電極の間に介在させたカーボンナノチューブを含み、前記カソード電極と前記ゲート電極の間にゲート電圧を印加することにより、前記カーボンナノチューブから放出される電子を前記多孔質発光体層に照射して発光させる請求項１に記載の発光素子。
【請求項３１】
前記電子放出体が表面伝導型電子放出素子であって、金属酸化膜に間隙を設け、前記金属酸化膜に配備した電極に電界を印加することによって、前記間隙から発生した電子を前記多孔質発光体に照射して発光させる請求項１に記載の発光素子。
【請求項３２】
前記電子放出体が、酸化膜を有するポリシリコンで挟持された酸化膜を有するシリコン微結晶からなり、前記酸化膜を有するシリコン微結晶に電圧を印加することにより発生させた電子を前記多孔質発光体層に照射して発光させる請求項１に記載の発光素子。
【請求項３３】
前記電子放出体がカソード電極、ゲート電極、及び前記２つの電極の間に介在させたウィスカーエミッタを含み、前記カソード電極と前記ゲート電極の間にゲート電圧を印加することにより、前記ウィスカーエミッタから放出される電子を前記多孔質発光体層に照射して発光させる請求項１に記載の発光素子。
【請求項３４】
前記電子放出体がカソード電極、ゲート電極、及び前記２つの電極の間に介在させた炭化珪素又はダイアモンド薄膜を含み、前記カソード電極と前記ゲート電極の間にゲート電圧を印加することにより、前記電子放出体から放出される電子を前記多孔質発光体層に照射して発光させる請求項１に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発光素子に関するものである。特に構成が簡単で製造が容易であり、かつ低消費電力である大画面ディスプレイの単位画素を構成する発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、大型のフラットディスプレイとして液晶ディスプレイやプラズマディスプレイが広く使用されるようになってきているが、さらに高画質、高効率であるディスプレイを追求する開発が進められている。このようなディスプレイの候補として、エレクトロルミネッセンスディスプレイ（ＥＬＤ）や電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）がある。非特許文献１にはＥＬＤについて、概ね次のように記載されている。前者は発光層である蛍光体に絶縁層を介して電界を加える構造を基本とするものであり、分散型と薄膜型が知られている。分散型は不純物のＣｕなどを添加したＺｎＳの粒子を有機物バインダー中に分散させ、この上に絶縁層を形成し、上下の電極で挟持する構造を有する。不純物は蛍光体粒子中にｐｎ接合を形成し、電界が印加されると接合面に発生する高電界により放出された電子が加速されたのち、正孔と再結合して発光する。後者は発光層であるＭｎドープＺｎＳなどの蛍光体薄膜が絶縁体層を介して電極を配置する構造を有している。絶縁体層が存在することにより発光層には高電界を印加することが可能となり、電界で加速された放出電子が発光中心を励起し発光する。一方、ＦＥＤは真空容器中に電子放出素子とこれに対向させた蛍光体よりなる構造を有し、電子放出素子より真空中に放出された電子を加速して蛍光体層に照射し発光させるものである。
【０００３】
いずれのデバイスも電子放出が発光のきっかけとなるため、低電圧、高効率で電子を放出する技術が重要である。このような技術として強誘電体の分極反転による電子放出が着目されている。例えば、下記非特許文献２には、図２０で示すように、一方の面に設置された平面電極３２と他方の面に設置された格子状電極３３を有するＰＺＴセラミック３１を真空容器３６中でグリッド電極３５を介して白金電極３４に対向させ、電極間にパルス電圧を印加することにより、電子が放出されることを提案している。３７は排気口である。同提案によれば、容器内の圧力は1.33Ｐａ(10-2Torr)であり、大気圧では放電しないと記載されている。
【０００４】
強誘電体の分極反転により放出される電子を真空容器中で加速し、蛍光体層を発光させること、あるいはこの発光を用いたディスプレイは、下記特許文献１や下記特許文献２にも記載されているが、基本的な構成は非特許文献２の白金電極に代えて、蛍光体層を有する電極とする構成により、蛍光体層を発光させるものである。
【０００５】
一方、強誘電体の分極反転による放出電子を非真空中で用いた発光素子は例えば、下記特許文献３に電気発光面光源素子として開示されている。この素子は、図２１に示すように、基板４５上に下部電極４２、強誘電体薄膜４１、上部電極４３、キャリア増倍層４８、発光層４４、透明電極４６の順で形成されており、上部電極は開口部４７を有している。下部電極と上部電極間の印加電圧パルスを反転させることにより電子が上部電極開口部よりキャリア増倍層に放出され、さらに透明電極に印加された正の電圧により加速され、電子を増倍しつつ発光層に達して発光する。キヤリア増倍層は誘電率が比較的低く、かつ発光層で放出される発光波長を吸収しないバンドギャップを有する半導体で構成されていることが記載されている。この素子は、一種のＥＬＤと考えることができる。また、特許文献４には、スパッタにより形成された蛍光体からなる発光層を表裏の絶縁層で挟持してパルス電界を印加する構成において、一方の絶縁体が強誘電体薄膜からなる構成が開示されている。
【特許文献１】特開平０７−６４４９０号公報
【特許文献２】米国特許第５４５３６６１号明細書
【特許文献３】特開平０６−２８３２６９号公報
【特許文献４】特開平０８−０８３６８６号公報
【非特許文献１】松本正一編著、「電子ディスプレイ」、オーム社、平成７年７月７日、ｐ．１１３−１２５
【非特許文献２】Jun-ichi Asano 他,'Field-Exited ElectronEmissionfromFerroelectricCeramic in Vacuum' Japanese Journal of Applied PhysicsＶol.31Part1p.3098-3101,Sep/1992
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記従来技術において、真空状態を必要とするものは構造が複雑でかつ大画面化が極めて困難であるといった問題がある。例えば、電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）は高い発光効率を期待できるものの、電子線を放出するための真空度の高い空間を維持ずる真空容器が必要である。このため、ディスプレイの構造が複雑となり、大画面構造の実現は困難であると考えられている。ＦＥＤについては未だに製品化されているものは存在しない。
【０００７】
また、真空容器を必要としないものにプラズマディスプレイがある。プラズマディスプレイは放電エネルギーを一旦紫外光エネルギーに変換し、この紫外光が蛍光体を励起することにより発光する。蛍光体を励起する過程において、この紫外光は蛍光体以外の部材による吸収が多く、このため、発光効率を高くすることが困難であり、大画面ディスプレイとしたときの消費電力が大きいという問題がある。
【０００８】
また、同じく真空容器を必要としないディスプレイにはＥＬがあるが、無機ＥＬは発光効率やその色再現性などに問題があり、有機ＥＬは、液晶ディスプレイなどの製造に用いる薄膜形成プロセスを用いるため、設備が大型になるという問題がある。さらに大画面化が困難であり、未だ製品化されたものは知られていない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の発光素子は、異なる誘電率を有する少なくとも２種の電気的絶縁体層と、少なくとも２つの電極を含む発光素子であって、
前記電気的絶縁体層の１つは、多孔質発光体層であり、
前記電気的絶縁体層の別の１つは、気体層、強誘電体層又は比誘電率が１００以上の誘電体層であり、
前記多孔質発光体層は、蛍光体粒子又は絶縁層で被覆された蛍光体粒子で形成されており、
前記多孔質発光体層の上側及び／又は下側に前記絶縁体層の別の層が配置され、
前記２つの電極は、前記２種の電気的絶縁体層の少なくとも一方の層を挟むか、又は前記２種の電気的絶縁体層のうちいずれか一方の層に接するか若しくは層内に離れて配置され、
前記少なくとも２つの電極に直流又は交流電界を印加し、下記ａ〜ｃのいずれか一つの手段
ａ．前記少なくとも２つの電極間で前記気体層に絶縁破壊を起こさせる
ｂ．前記強誘電体層又は比誘電率が１００以上の誘電体層で分極反転させる
ｃ．トンネル効果により電子放出体から電子を発生させ前記気体層を介して前記多孔質発光体層に衝突させる
により、一次電子（ｅ−）を発生させ、前記一次電子（ｅ−）は多孔質発光体層の蛍光体を含む蛍光体粒子に衝突し雪崩的に多数の二次電子（ｅ−）を発生させ、同時に紫外線が発生させ、発生した前記二次電子及び紫外線が蛍光体を含む蛍光体粒子を励起発光させることを特徴とする。
【００１０】
本発明の発光原理は、前記少なくとも２つの電極に直流又は交流電界を印加し、下記ａ〜ｃのいずれか一つの手段
ａ．前記少なくとも２つの電極間で前記気体層に絶縁破壊を起こさせる
ｂ．前記強誘電体層又は比誘電率が１００以上の誘電体層で分極反転させる
ｃ．トンネル効果により電子放出体から電子を発生させ前記気体層を介して前記多孔質発光体層に衝突させる
により、一次電子（ｅ−）を発生させ、前記一次電子（ｅ−）は多孔質発光体層の蛍光体を含む蛍光体粒子に衝突し雪崩的に多数の二次電子（ｅ−）を発生させ、同時に紫外線が発生させ、発生した前記二次電子及び紫外線が蛍光体を含む蛍光体粒子を励起発光させる。
なお、本明細書において、多孔質発光体層は、単に多孔質発光体ともいう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発光素子は、多孔質発光層での沿面放電による発光であるために、従来のように発光素子の作製に際して薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。また、発光効率が良好であり、大型ディスプレイにしたときの消費電力が比較的少ない発光素子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】
【００１２】
本発明の発光素子は、背面側から第一の電極と、誘電体層と、多孔質発光層と、第二の電極を少なくとも含み、前記多孔質発光層と電極の間に間隙を設けている。これにより、第一の電極と第二の電極の間に交流電界を印加すると、前記間隙で気体の絶縁破壊が起こり、一次電子の発生が促進される。この一次電子により、電極間の多孔質発光層で沿面放電が発生し、二次電子や紫外線が放出される。放出された二次電子や紫外線が多孔質発光層の発光中心を励起することにより発光する。
【００１３】
前記間隙は任意のものとすることができるが、１μｍ以上３００μｍ以下の範囲で設けることが好ましい。１μｍ未満では間隙の制御が困難となる傾向になり、３００μｍを超えると絶縁破壊を起こすのが困難となる傾向にある。一般的に大気中での空気の絶縁破壊は３ｋＶ／ｍｍで、３００Ｖ以上（１００μmの間隙で）の電界を印加する必要がある。減圧すれば３００Ｖ以下で絶縁破壊が起こるが、高電圧をかけるとセル構造の色々な箇所にダメージを生ずる。したがって、ダメージを生じない程度の電圧をかけるために前記間隔の範囲が好ましい。前記間隔は１０μｍ以上１００μｍ以下がより好ましい。
【００１４】
本発明の発光素子は多孔質発光層での沿面放電による発光であり、多孔質発光層の形成には薄膜形成プロセス、真空系、キャリア増倍層等を必要としないので構造が簡単であり、製造が容易である。また、発光効率が良好であり、大型ディスプレイを作製した際の消費電力が比較的小さいものとなる。さらに、本発明の発光素子は多孔質発光層間に放電分離手段を設けても良く、これにより、発光の際のクロストークを回避できる。ここでクロストークとは、ある画素と隣り合う画素同士の発光が互いに影響して発光効率を落とす現象をいう。
【００１５】
本発明の放電分離手段は、特に隔壁及び／又は空間等を設けて構成することが好ましい。前記多孔質発光層を分離する隔壁は、厚さ８０〜３００μｍの電気的絶縁体とするのが好ましい。
【００１６】
隔壁にする場合は、無機材料で形成するのが好ましい。無機材料としては、ガラス、セラミック、誘電体等を使用することができる。誘電体としては、Y2O3,Li2O,MgO,CaO,BaO,SrO,Al2O3,SiO2,MgTiO3,CaTiO3,BaTiO3,SrTiO3,ZrO2,TiO2,B2O3,PbTiO3,PbZrO3,PbZrTiO3(PZT)等がある。
【００１７】
前記放電分離手段として空隙にする場合は、空隙距離を８０〜３００μｍとするのが好ましい。
【００１８】
前記多孔質発光層と第二の電極の間の間隙は、リブによって厚み方向に仕切っても良い。リブの壁面から、絶縁破壊による電子の発生が起こりやすいからである。リブの好ましい材質は、隔壁の材料と同じ材料から選択できる。リブ及び隔壁の表面はできるだけ平滑面であることが好ましい。平滑面であると、発生した電子がリブを伝ってホッピング(hopping)し易く、多孔質発光層の発光効率を上げることができる。
【００１９】
前記発光素子内の雰囲気は、大気、酸素、窒素及び希ガスから選ばれた少なくとも１つであることが好ましい。
【００２０】
前記発光素子の雰囲気は、減圧された前記気体から選ばれた少なくとも１つを含むことが好ましい。
【００２１】
前記多孔質発光層は、少なくとも赤(R)、緑(G)又は青(B)を発光することが好ましい。
【００２２】
前記多孔質発光層は、表面に絶縁層を有する蛍光体粒子で形成されていることが好ましい。
【００２３】
前記多孔質発光層は、蛍光体粒子と絶縁性繊維で形成されていることが好ましい。
【００２４】
前記多孔質発光層は、表面に絶縁層を有する蛍光体粒子と絶縁性繊維で形成されていることが好ましい。
【００２５】
前記多孔質発光層の見かけ気孔率は１０％以上〜１００％未満の範囲にあることが好ましい。多孔質発光層中（蛍光体粒子と空隙の集合体）で電子をホッピングさせるため、個々の蛍光体粒子間の空隙が電子の平均自由行程よりも短いことが必要であるが、前記範囲であれば、電子のホッピングは阻害されない。
【００２６】
前記第一又は第二の電極がアドレス電極又は表示電極であることが好ましい。
【００２７】
前記第二電極は透明電極であり、観察面側に配置されていることが好ましい。
【００２８】
本発明の発光素子は誘電体層と多孔質発光体層と一対の電極と、他の電極を含む発光素子であって、前記多孔質発光体層は無機蛍光体粒子を含み、前記一対の電極は前記誘電体層の少なくとも一部に電界が印加されるように配置され、かつ前記他の電極は前記他の電極と前記一対の電極の少なくとも一方との間において、前記多孔質発光体層の少なくとも一部に電界が印加されるように配置されている。すなわち、例えば３端子発光素子等の多端子発光素子である。上記のように構成することにより、一対の電極間に分極反転する電界を印加すると、まず誘電体層から分極反転により一次電子の放出が起こる。その後、他の電極と前記一対の電極の少なくとも一方の間に交番電界を印加することにより、放出された一次電子が多孔質発光体層で雪崩的に沿面放電し二次電子を発生させる。最後に多量に発生した二次電子が発光中心を励起して前記多孔質発光体層が発光する。
【００２９】
前記一対の電極は、誘電体層に配置されていてもよい。前記一対の電極のうち、一方は誘電体層と多孔質発光体層の境界に配置され、他方が誘電体層に配置されていてもよい。また、前記他の電極は多孔質発光体層に配置されていてもよい。また、前記一対の電極は、誘電体層と多孔質発光体層の境界を挟んで形成されていてもよい。また、前記一対の電極は、ともに誘電体層と多孔質発光体層の境界に形成されていてもよい。さらに、前記一対の電極のうち、一方の電極が誘電体層と多孔質発光体層の境界に形成され、他方の電極が誘電体層に形成されていてもよい。
【００３０】
前記多孔質発光体層は、前記多孔質発光体層表面につながる連続する細孔と、前記細孔に充填されている気体と、蛍光体粒子により構成されていてもよい。前記細孔に充填されている気体は、大気、酸素、窒素及び不活性ガスの少なくとも一種類及び減圧気体から選ばれる少なくとも一つの気体とすることができる。
【００３１】
前記誘電体層は、誘電体の焼結体で構成されていてもよい。また、前記誘電体層は、誘電体粒子と結合剤により構成されていてもよい。また、前記誘電体層は、薄膜で形成されていてもよい。また、前記多孔質発光体層は、蛍光体粒子と前記蛍光体粒子表面の絶縁層により構成されていてもよい。また、前記多孔質発光体層は、蛍光体粒子と絶縁性繊維により構成されていてもよい。また、前記多孔質発光体層は、蛍光体粒子と前記蛍光体粒子表面の絶縁層と絶縁性繊維により構成されていてもよい。
【００３２】
前記一対の電極への分極反転のための電界の印加により、誘電体層から一次電子が放出され、放出された一次電子が多孔質発光体層で雪崩的に沿面放電し二次電子を発生させて、前記沿面放電により発生した多量の二次電子が蛍光体粒子に衝突し前記多孔質発光体層が発光するのが好ましい。前記発光を大気、酸素、窒素及び不活性ガス雰囲気中及び減圧気体から選ばれる少なくとも一種類のガス雰囲気中で実施してもよい。また、前記一対の電極間に分極が反転する電界を印加した後、他の電極と前記一対の電極の少なくとも一方の電極との間に交番電界を印加するのも好ましい。
【００３３】
本発明の発光素子は多孔質発光体を含む発光素子であって、絶縁性蛍光体粒子を含む多孔質発光体からなり、前記多孔質発光体に所定以上の電界を印加して電荷移動させるように構成されている。
【００３４】
また、本発明の発光素子は電子放出体、多孔質発光体及び一対の電極を含む発光素子であって、多孔質発光体は無機蛍光体粒子を含み、かつ多孔質発光体は電子放出体から発生する電子によって照射されるように電子放出体に隣接して配置され、一対の電極は前記多孔質発光体の少なくとも一部に電界が印加されるように設置して構成されている。
【００３５】
上記のようにすれば、電子放出体による電子の放出を行わせ、前記一対の電極間に交番電界を印加することにより、放出された電子が多孔質発光体層で雪崩的に沿面放電を発生させる。その結果、放出された電子により発光中心を励起して前記多孔質発光体を発光させる。なお、前記の交番電界の代わりに直流電界でも差し支えない。
【００３６】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
図１乃至図６を参照しながら説明する。この例は、多孔質発光層の一方の面に誘電体層と第一の電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記第一の電極が形成されていない他の面に第二の電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備している。特に複数個のうちの一部の多孔質発光層が誘電体層を共有してなり、放電分離手段が隔壁で形成された発光素子である。
【００３８】
図１は本実施の形態における発光素子の断面図であり、図２乃至図６は本実施の形態における発光素子の製造工程を説明するための図である。これらの図において、１は発光素子、２は多孔質発光層、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、５は基板、６は第一の電極（背面電極），７は第二の電極（観察面電極）、８は透光性基板、９は間隙（気体層）、１０は誘電体層及び１１は隔壁である。
【００３９】
図２に示すように、厚みが０．３〜１．０ｍｍの誘電体１０の焼結体の片面にＡｇペーストを３０μｍの厚さに焼き付けて、第一の電極６を所定の形状に形成する。次に、図３に示すようにガラス又はセラミック製の基板５上に図２で示した電極が形成された誘電体層を接着させた。
【００４０】
本実施の形態では誘電体としてBaTiO3を用いたが、SrTiO3,CaTiO3,MgTiO3,PZT(PbZrTiO3),PbTiO3などの誘電体を用いても同様の効果が得られる。またAl2O3,MgO,ZrO2などの誘電体を用いても同様の効果が得られるが比誘電率が大きい前記誘電体に比べ発光度が弱くなった。これは誘電体層の厚みを薄くすることで改善できる。
【００４１】
また、誘電体層にはスパッタ、ＣＶＤ、蒸着等の分子堆積法又はゾル・ゲル等の薄膜形成プロセスで誘電体層を形成することもできる。誘電体層として焼結体を用いる場合には、これを基板５と兼用することができる。誘電体層の厚みは焼結体を使用した場合や，厚膜プロセスで形成した場合で極端に変わる。しかし実際には容量成分が必要であり誘電率との関係で調整する。
【００４２】
次に、誘電体層１０の上に図４に示すように、所定の形状に複数個の多孔質発光層２をスクリーン印刷で形成する。
【００４３】
多孔質発光層２は、図６に示すように、ＭｇＯ等の金属酸化物からなる絶縁層４で表面を被覆した蛍光体粒子３を下記の要領で準備する。
【００４４】
蛍光体粒子３として、平均粒径が２〜３μｍのBaMgAl10O17:Eu2+(青),Zn2SiO4:Mn2+(緑),YBO3:Eu3+(赤)等の無機化合物を用いることが可能である。その表面にＭｇＯからなる絶縁層４を形成する方法はいずれの蛍光体粒子についても共通であり、具体的にはＭｇプレカーサー錯体溶液に蛍光体粒子３を加えて長時間にわたって攪拌してから蛍光体粒子を取り出して乾燥後、大気中において４００〜６００℃で熱処理することにより、ＭｇＯの均一なコーティング層、すなわち絶縁層４を蛍光体粒子３の表面に形成させた。
【００４５】
本実施の形態においては上記の絶縁層４を有する蛍光体粒子５０質量％に対してテルピネオール（α−テルピネオール）４５質量％、エチルセルロース５質量％を混練したペーストをそれぞれの蛍光体毎に調製し、これを用いて図４に示すように、所定の形状にスクリーン印刷してから乾燥する操作を複数回にわたって繰り返し行うことにより、印刷された多孔質発光層の厚さが８０〜１００μｍになるように調整した。
【００４６】
なお、多孔質発光層から発光については図４に示すように、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の発光が得られるように、それぞれの発光色毎に多孔質発光層を順々に所定のパターン（例えば、ストライプ状）にそれぞれ印刷して、規則的に並べた多孔質発光層を形成する方法が一般的であるが、白色発光の得られる発光層を形成し、のちにカラーフィルターで色の分離を行うことにより所望の発光色が得られるようにしても差し支えない。
【００４７】
上記のようにして、多孔質発光層を印刷した基板５を最終的にＮ2雰囲気中において、４００〜６００℃で２〜５時間にわたって熱処理することにより、約５０〜８０μｍの厚さの多孔質発光層２の集合体を形成した。
【００４８】
また、前記ペーストは蛍光体粒子に有機バンダーや有機溶剤を加えて実施したが、蛍光体粒子にコロイダルシリカ水溶液を加えたペーストを用いても同様の効果が得られた。
【００４９】
図６は本実施の形態における多孔質発光層２の断面を拡大した模式図であり、ＭｇＯからなる絶縁層４で均一に被覆された蛍光体粒子３が熱処理を施された結果、それぞれの粒子が互いに接触した状態で多孔質発光層を形成しているようすを示している。
【００５０】
本実施の形態においては熱処理温度が比較的低く設定されているため、多孔質発光層の気孔率は大きくなり、その見かけ気孔率は１０％以上〜１００％未満の範囲である。気孔率が非常に大きくなり１００％のスカスカの状態になると発光効率が低下することや多孔質発光層の内部で空気放電を発生させる原因になり好ましくない。逆に、気孔率が１０％未満になると沿面放電の発生を阻害する。沿面放電は気体（この場合空隙）と絶縁体固体（蛍光体粒子）の界面で発生する。見かけ気孔率が小さくなると空隙が存在しなくなり沿面放電が発生しにくくなる。逆に、見かけ気孔率が大きくなると前記したように電子の平均自由行程よりも大きくなるので沿面放電が発生しにくくなる。因みに、見かけ気孔率が１０％以上〜１００％未満の範囲では蛍光体粒子が三次元的に隣り合うように点接触している状態に近いものと推定される。
【００５１】
次に、多孔質発光層２からなる集合体において、多孔質発光層の境界にガラスペーストをスクリーン印刷して乾燥させる操作を複数回繰り返して、しかるのちに６００℃で熱処理すると図５に示すように約８０〜３００μｍの隔壁１１が形成される。本実施の形態では隔壁１１は多孔質発光層を形成してからのちに行ったが、先に隔壁を形成しても差し支えない。また、隔壁１１はセラミック粒子を含有するガラスペーストや樹脂を用いて形成することも可能である。具体的には、前者ではセラミックとガラス（重量比で１：１）の混合粒子５０質量％に対してα−テルピネオール５０質量％を加えて混練したペーストを所定のパターンにスクリーン印刷してから乾燥することを繰り返し、印刷された厚さが約１００〜３５０μｍになるように調整し、Ｎ2雰囲気中において、４００〜６００℃で２〜５時間にわたって熱処理することにより、約８０〜３００μｍの厚さの隔壁１１を形成することができる。後者においては熱硬化性樹脂を用いて隔壁を形成するものであり、主たるものとしてエポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂の使用が可能であり、これらのうちの１つを多孔質発光層の空隙にスクリーン印刷することにより行うことができる。
【００５２】
上記のようにして、隔壁１１を形成してからＩＴＯ（インジウムー錫酸化物合金）からなる第二の電極７が多孔質発光層に対向して位置するようにあらかじめ形成されたガラス板等の透光性基板８で多孔質発光層の集合体の全体を覆うと、図１に示すような本実施の形態における発光素子１が得られる。その際、多孔質発光層２と第二の電極７の間にはわずかな間隙が生じるようにコロイダルシリカ、水ガラス又は樹脂等を用いて透光性基板８を隔壁１１の上に貼付する。多孔質発光層２と第二の電極７の間隙９の垂直方向の幅は３０〜２５０μｍの範囲が好適であり、特に４０〜２２０μｍの範囲が好ましい。上記の範囲を超えると、気体の絶縁破壊による一次電子の発生に高電圧を印加する必要があり、経済性や信頼性の理由から好ましくない。また、上記の範囲より間隔は狭くても差し支えないが、多孔質発光層を均一に満遍なく発光させるためには、多孔質発光層が第二の電極と接触しない程度の間隔が望ましい。
【００５３】
なお、第二の電極としてＩＴＯからなる透光性基板８の代替として、銅の配線が施された透光性基板を使用することも可能である。銅の配線は微細なメッシュ状に形成されていて、開口率（配線が施されていない部分の全体に対する割合）は９０％であり、光の透過はＩＴＯ膜を有する透光性基板に比較してほとんど遜色がない。また、銅はＩＴＯに比較して、かなり低抵抗であることから発光効率の向上に大きく寄与するので好都合である。なお、微細なメッシュ状の配線を施す金属としては銅以外に金、銀、白金やアルミニウムを使用することも可能である。ただし、銅やアルミニウムの場合には酸化の可能性が有るので耐酸化の処理が必要である。
【００５４】
上述のようにして、本実施の形態では多孔質発光層の一方の面に誘電体層と第一の電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記第一の電極が形成されていない他の面に第二の電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備してなる発光素子であって、特に前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段として隔壁が形成され、複数個のうちの一部の多孔質発光層が誘電体層を共有するように前記誘電体層が前記複数個のうちの一部の多孔質発光層に形成されてなる発光素子を作製することができる。
【００５５】
本実施の形態においては蛍光体粒子３の表面をMgOからなる絶縁層４で被覆した。これにより、MgOは抵抗率が高く(109Ω・cm以上)、沿面放電を効率よく発生させることができる。絶縁層の抵抗率が低い場合には沿面放電が発生し難く、ときには短絡する恐れがあるため好ましくない。このような理由から抵抗率が高い絶縁性金属酸化物で被覆することが望ましい。もちろん使用する蛍光体粒子自体の抵抗率が高い場合には絶縁性金属酸化物で被覆しなくても沿面放電が容易に発生する。絶縁層としては、上記のMgO以外に、Y2O3,Li2O,CaO,BaO,SrO,Al2O3,SiO2,ZrO2から選択された少なくとも１つを用いることができる。これらの酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧf0は非常に小さく(例えば、室温で-100kcal/mol以下)、安定な物質である。また、これらの絶縁層は抵抗率が高く放電が発生し易く、還元され難い物質であるため、放電に際して蛍光体粒子の還元、さらには紫外線劣化を抑制する保護膜としても優れていて、その結果蛍光体の耐久性も高くなり好都合である。
【００５６】
また、絶縁層の形成には上記のゾル・ゲル法以外に化学吸着法や、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法、レーザ法、剪断応力法などを用いる物理吸着法によって行うことも可能である。絶縁層は均質、均一であって剥離しないことが望ましく、絶縁層を形成する際には蛍光体の粒子を酢酸、シュウ酸、クエン酸などの弱酸溶液に浸漬し、表面に付着している不純物を洗浄することが肝要である。
【００５７】
さらに、絶縁層を形成する前に蛍光体の粒子を窒素雰囲気中で２００〜５００℃、１〜５時間程度前処理することが望ましい。通常の蛍光体粒子は吸着水や結晶水を多量に含んでおり、このような状態で絶縁層を形成すると輝度低下や発光スペクトルのシフト等の寿命特性に好ましくない影響を及ぼすことになるからである。蛍光体の粒子を弱酸性溶液で洗浄する場合にはその後によく水洗してから上記の前処理を行う。
【００５８】
また、多孔質発光層を形成する熱処理工程で留意すべきことは、熱処理温度と雰囲気である。本実施の形態では窒素雰囲気中で４５０〜１２００℃の温度範囲で熱処理を施したために、蛍光体にドープされた希土類原子の価数に変化がなかった。しかし、この温度範囲より高温で処理するときには希土類原子の価数が変化することや絶縁層と蛍光体からなる固溶体が発生する可能性があり注意が必要である。
【００５９】
また、熱処理温度の上昇と共に多孔質発光層の見かけ気孔率が小さくなることにも注意が必要であり、これらのことから判断すると最適の熱処理温度としては４５０〜１２００℃の範囲が好ましい。熱処理雰囲気については、上述のように蛍光体粒子にドープされている希土類原子の価数に影響を及ぼさないようにするために窒素雰囲気が好ましい。
【００６０】
絶縁層の厚さは本実施の形態では０．１〜２．０μｍ程度としたが、蛍光体粒子の平均粒径や沿面放電を効率よく発生させることを考慮して決定される。また、蛍光体の平均粒径がサブミクロンオーダーになると、比較的薄く被覆する方がよい。絶縁層が厚くなると発光スペクトルのシフト、輝度低下等が発生するため好ましくない。逆に、絶縁層が薄くなると沿面放電がやや発生し難くなることが推定される。従って、蛍光体粒子の平均粒径と絶縁層の厚さの関係は前者１に対して後者が１／１０〜１／５００の範囲にあることが望ましい。
【００６１】
次に、この発光素子１の発光作用について図１及び図１７を参照しながら説明する。
【００６２】
図１に示すように発光素子１を駆動するために、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。電極間６，７に誘電体層１０、多孔質発光層２、間隙（気体層）９が厚さ方向に直列状に存在する。従って印加された電界は、それぞれの容量の逆数に比例し間隙９に集中する。従って間隙９で気体の絶縁破壊が起こり、図１７に示す一次電子
（ｅ-）２４が発生する。一次電子（ｅ-）は多孔質発光層２の蛍光体粒子３や絶縁層４に衝突し、沿面放電となり、さらに二次電子（ｅ-）２５が多数発生する。これにより、雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。加えて、交流電界の印加により、誘電体層において分極の反転が繰り返される。それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【００６３】
なお、印加する交流電界の波形を正弦波や鋸歯状波から矩形波に変えることにより、また周波数を数十Ｈｚから数千Ｈｚ上げることで一次電子や二次電子さらに紫外線の放出が非常に激しくなり、発光輝度が向上する。また、交流電界の電圧が上昇するにつれてバースト波が発生する。バースト波の発生周波数は正弦波ではピークの直前、鋸歯状波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。いったん沿面放電が開始されると、紫外線や可視光線も発生するので、これらの光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【００６４】
本実施の形態においては多孔質発光層の厚さ方向に、約０．７２〜１．５ｋＶ／ｍｍの電界（周波数：１ｋＨｚ）を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後約０．５〜１．０ｋＶ／ｍｍの交番電界（周波数：１ｋＨｚ）を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させた。印加する電界は大きくなると電子や紫外線の発生を促進するが、小さいとそれらの発生は不十分になる。
【００６５】
また、放電時の電流値は０．１ｍＡ以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％程度に低下させても発光が継続し、三色いずれの発光においても高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。
【００６６】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や減圧された気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【００６７】
本実施の形態の発光素子によれば、多孔質発光層での沿面放電による発光であるために、従来のように発光素子の作製に際して薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。また、発光効率が良好であり、大型ディスプレイにしたときの消費電力が比較的小さい発光素子を提供することができる。本実施の形態においては多孔質発光層の境界に放電分離手段として隔壁を設置することにより、比較的簡便な方法で発光の際のクロストークを回避することができる。
【００６８】
（実施の形態２）
図７を参照しながら説明する。この例は、多孔質発光層の一方の面に誘電体層と第一の電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記第一の電極が形成されていない他の面に第二の電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備してなり、特に放電分離手段が隔壁である発光素子である。図７は本実施の形態における発光素子の断面図であり、１は発光素子、２は多孔質発光層、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、５は基板、６は第一の電極（背面電極）、７は第二の電極（観察面側電極）、８は透光性基板、９は間隙（気体層）、１０は誘電体層及び１１は隔壁である。
【００６９】
前記実施の形態１においては図１に示すように、多孔質発光層の下に形成されている誘電体層１０と第一の電極６は複数個の多孔質発光層によって共有されているが、誘電体層と第一の電極は複数個の多孔質発光層にそれぞれ個別に形成することも可能である。本実施の形態おける発光素子はそのように構成され、その断面の構造を図７に示す。
【００７０】
本実施の形態における発光素子は実施の形態１と同様の製造方法により作製することができる。実際には、多孔質発光層が所定のパターン状に形成されて配置される箇所に合わせて、まずＡｇペーストを焼き付けて第一の電極６を形成し、その上に厚膜プロセスなどにより誘電体層を形成してから、多孔質発光層をスクリーン印刷により形成すればよい。しかるのちに、実施の形態１と同様に隔壁を形成してから最終的に第二の電極を有する透光性の基板８を配置すれば、図７に示すような本実施の形態の発光素子が作製できる。
【００７１】
次に、この発光素子１の発光作用について図７を参照しながら説明する。図７に示すように発光素子１を駆動するために、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。交流電界の印加により、間隙９で気体の絶縁破壊が起こり、それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【００７２】
なお、印加する交流電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることにより、また周波数を数十Ｈｚから数千Ｈｚ上げることで沿面放電による電子や紫外線の放出が非常に激しくなり、発光輝度が向上する。また、交流電界の電圧を上げるに従いバースト波が発生する。バースト波の発生周波数は正弦波ではピークの直前、ノコギリ波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧の上昇にとともに発光輝度が向上した。いったん沿面放電が開始されると、紫外線や可視光線も発生するので、これらの光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【００７３】
本実施の形態においては多孔質発光層の厚さに対して、約０．７２〜１．５ｋＶ／ｍｍの電界を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後約０．５〜１．０ｋＶ／ｍｍの交番電界を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させた。印加する電界は大きくなると電子や紫外線の発生を促進するが、小さいとそれらの発生は不十分になる。
【００７４】
また、放電時の電流値は０．１ｍＡ以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％程度に低下させても発光が継続し、三色いずれの発光においても高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。
【００７５】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や減圧された気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【００７６】
本実施の形態の発光素子によれば、多孔質発光層での沿面放電による発光であるために、従来のように発光素子の作製に際して薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。また、発光効率が良好であり、大型ディスプレイにしたときの消費電力が比較的小さい発光素子を提供することができる。本実施の形態においては多孔質発光層の境界に放電分離手段として隔壁を設置することにより、比較的簡便な方法で発光の際のクロストークを回避することができる。
【００７７】
（実施の形態３）
図８を参照しながら、多孔質発光層の一方の面に誘電体層と第一の電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記第一の電極が形成されていない他の面に第二の電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備してなり、放電分離手段が導電性を有する隔壁である発光素子について説明する。
【００７８】
図８は本実施の形態における発光素子の断面図であり、図において１は発光素子、２は多孔質発光層、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、５は基板、６は第一の電極（背面電極）、７は第二の電極（観察面側電極）、８は透光性基板、９は間隙（気体層）、１０は誘電体層及び１１は隔壁である。
【００７９】
上述のように、本実施の形態では放電分離手段として静電遮蔽や沿面放電の伸長に効果的な導電性の隔壁１１を用いるものである。このような導電性の隔壁は各種の金属の析出物や堆積物により形成することが可能である。その一例として、無電解ニッケルめっきを用いて形成する方法について説明する。
【００８０】
具体的な発光素子の製造方法は以下のようにして行う。まず、セラミック製の基板５の表面において隔壁を形成する箇所を除いて、それ以外の箇所にレジスト膜をスクリーン印刷により形成する。しかるのちに、基板５を塩化錫と塩化パラジウムからなる溶液に浸漬する。このような処理はキャタライジング／センシタイジング処理といわれ、前後処理を含めて市販の処理剤で容易に行うことが可能である。
【００８１】
処理後にレジスト膜を剥離すると、隔壁を形成する箇所にのみパラジウムの微粒子が付着する。このようにして処理されたセラミック製の基板５を硫酸ニッケルと次亜燐酸ナトリウムを主成分とする溶液（ｐＨ４〜６）に浸漬し、９０℃程度の温度で８０〜３００μｍの厚さに金属ニッケルを析出させることにより、基板５の表面に所定の形状の隔壁１１を形成することができる。上述のようにして、導電性の隔壁１１を形成したセラミック製の基板５が得られる。
【００８２】
しかるのちに、上記の基板５にＡｇペーストを焼き付けることにより第一の電極６を形成する。その際、第一の電極６が導電性隔壁１１に接触しないようにわずかに間隙を設けて形成する。第一の電極６を形成してから、厚膜プロセスなどにより誘電体層１０を第一の電極６の上に形成する。次に、表面が絶縁層４で均一に被覆された蛍光体粒子３を含有するペーストをスクリーン印刷し、焼成して多孔質発光体層２を所定のパターン状に形成する。最終的に第二の電極７としてのＩＴＯ皮膜を表面に有するガラス製の透光性基板８で多孔質発光層の集合体の全体を覆うと図８に示すような発光素子１が得られる。なお、その際ＩＴＯからなる第二の電極と導電性の隔壁が接触しないようにわずかに間隙が設け、発光素子の駆動に際して電圧の印加の妨げにならないようにする。
【００８３】
上記のようにして、本実施の形態においては多孔質発光層の一方の面に誘電体層と第一の電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記第一の電極が形成されていない他の面に第二の電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備してなり、特に放電分離手段が導電性を有する隔壁である発光素子が得られる。
【００８４】
次に、この発光素子１の発光作用について図８を参照しながら説明する。図８の発光素子１を駆動するために、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。交流電界の印加により、間隙９で気体の絶縁破壊が起こり、それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【００８５】
なお、印加する交流電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることにより、また周波数を数十Ｈｚから数千Ｈｚ上げることで沿面放電による電子や紫外線の放出が非常に激しくなり、発光輝度が向上する。また、交流電界の電圧値を上げるに従いバースト波が発生する。バースト波の発生周波数は正弦波ではピークの直前、ノコギリ波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。いったん沿面放電が開始されると、紫外線や可視光線も発生するので、これらの光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【００８６】
特に本実施の形態におけるように導電性の隔壁を形成した場合には、沿面放電が発生し易くなり駆動電圧の低減に寄与することができる。すなわち、多孔質発光層の厚さに対して、約０．５８〜１．２ｋＶ／ｍｍの電界を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後約０．４〜０．８ｋＶ／ｍｍの交番電界を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させた。印加する電界は大きくなると電子や紫外線の発生を促進するが、小さいとそれらの発生は不十分になる。
【００８７】
また、放電時の電流値は０．１ｍＡ以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％程度に低下させても発光が継続し、三色いずれの発光においても高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。
【００８８】
本実施の形態の発光素子によれば、多孔質発光層での沿面放電による発光であるために、従来のように発光素子の作製に際して薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。また、発光効率が良好であり、大型ディスプレイにしたときの消費電力が比較的小さい発光素子を提供することができる。本実施の形態においては多孔質発光層の境界に放電分離手段として隔壁を設置することにより、比較的簡便な方法で発光の際のクロストークを回避することができる。
【００８９】
（実施の形態４）
図９乃至図１３を参照しながら、多孔質発光層の一方の面に誘電体層と第一の電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記第一の電極が形成されていない他の面に第二の電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備してなる発光素子について、特に複数個の多孔質発光層が第二の電極を共有するように配置されていて、放電分離手段が空隙である発光素子について説明する。
【００９０】
図９は本実施の形態における発光素子の断面図であり、図１０乃至図１３は本実施の形態における発光素子の製造工程を説明するための図である。これらの図において１は発光素子、２は多孔質発光層、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、５は基板、６は第一の電極（背面電極），７は第二の電極（観察面側電極）、８は透光性基板、９は間隙（気体層）、１０は誘電体層、１２は多孔質発光層を分離する空隙、１５は側壁である。
【００９１】
図１０に示すように、ガラス又はセラミック製の基板５の片面にＡｇペーストを焼き付けて、第一の電極６を所定の形状に形成する。次に、図１１に示すように第一の電極６の上に、厚膜プロセスなどにより誘電体層１０を形成する。
【００９２】
次に、誘電体層１０の上に所定の形状に多孔質発光層２を形成する。その際、実施の形態１と同様にＭｇＯ等の金属酸化物からなる絶縁層４で表面を被覆した蛍光体粒子３を使用した。蛍光体粒子３として、平均粒径が２〜３μｍのＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+（青）、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ2+（緑）、ＹＢＯ3：Ｅｕ3+（赤）等の無機化合物を用いることが可能である。
【００９３】
本実施の形態においては上記の絶縁層４を有する蛍光体粒子５０質量％に対してα−テルピネオール４５質量％、エチルセルロース５質量％を混練したペーストをそれぞれの蛍光体毎に調製し、これを誘電体層１０の上にスクリーン印刷してから乾燥する操作を複数回にわたって繰り返し行うことにより、印刷された箇所の厚さが８０〜１００μｍになるように調整した。
【００９４】
上記のようにして、多孔質発光層を印刷した基板５をＮ2雰囲気中において、４００〜６００℃で２〜５時間にわたって熱処理することにより、図１２に示すように基板上に約５０〜８０μｍの厚さの多孔質発光層２の集合体を形成した。
【００９５】
次に、多孔質発光層２からなる集合体の境界には隔壁を設置せずに約８０〜３００μｍの空隙１２を残したままの状態にし、このような空隙を隔壁の代替として機能させることに本実施の形態の特徴がある。なお、本実施の形態においては多孔質発光層２からなる集合体の全体を囲繞するように側壁１５を形成し、このように前記の集合体の周囲に巡らせた側壁で後述するように透光性基板８を支える。側壁１５の形成はガラスペーストをスクリーン印刷し、乾燥させる操作を複数回繰り返し、しかるのちに６００℃で焼成することにより、図１３に示すように約８０〜３００μｍの側壁１５を形成する。
【００９６】
また、側壁１５はセラミック粒子を含有するガラスペーストや樹脂を用いて形成することも可能である。具体的には、前者ではセラミックとガラス（重量比で１：１）の混合粒子５０質量％に対してα−テルピネオール５０質量％を加えて混練したペーストをスクリーン印刷してから乾燥することを繰り返し、印刷された厚さが約１００〜３５０μｍになるように調整し、Ｎ2雰囲気中において、４００〜６００℃で２〜５時間にわたって熱処理することにより、約８０〜３００μｍの厚さの側壁１５を形成することができる。後者においては熱硬化性樹脂を用いて隔壁を形成するものであり、主たるものとしてエポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂の使用が可能であり、これらのうちの１つを選択して多孔質発光層の集合体の全体を囲繞するように印刷することにより行うことができる。
【００９７】
上記のようにして、側壁１５を形成してのちに、ＩＴＯ（インジウムー錫酸化物合金）からなる第二の電極７が形成されたガラス板等の透光性基板８を側壁１５に貼付して多孔質発光層の集合体の全部を覆うと、図９に示すような本実施の形態における発光素子１が得られる。その際、図のように第二の電極７は例えばストライプ状に多孔質発光層に対向して形成されていて、複数個の多孔質発光層によって共有されている。また、多孔質発光層２と第二の電極７の間にはわずかな間隙が設けてあり、両者の間隔は３０〜２５０μｍの範囲が好適であり、特に４０〜２２０μｍの範囲が好ましい。
【００９８】
なお、第二の電極としてＩＴＯからなる透光性基板８の代替として、銅、金、銀、白金及びアルミニウム等からなるメッシュ状の微細な配線がパターンニングされた基板を使用することも可能である。
【００９９】
上述のようにして、多孔質発光層の一方の面に誘電体層と第一の電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記第一の電極が形成されていない他の面に第二の電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備してなる発光素子であって、特に第二の電極が複数個の多孔質発光層によって共有されるように配置され、放電分離手段が空隙である発光素子を作製することができる。
【０１００】
次に、この発光素子１の発光作用について図９を参照しながら説明する。図９に示すように発光素子１を駆動するために、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。交流電界の印加により、間隙９で気体の絶縁破壊が起こり、誘それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【０１０１】
なお、印加する交流電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることにより、また周波数を数十Ｈｚから数千Ｈｚ上げることで沿面放電による電子や紫外線の放出が非常に激しくなり、発光輝度が向上する。また、交流電界の電圧値を上げるに従いバースト波が発生する。バースト波の発生周波数は正弦波ではピークの直前、ノコギリ波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。いったん沿面放電が開始されると、紫外線や可視光線も発生するので、これらの光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０１０２】
本実施の形態においては多孔質発光層の厚さに対して、約０．８５〜１．８ｋＶ／ｍｍの電界を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後約０．６〜１．２ｋＶ／ｍｍの交番電界を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させた。印加する電界は大きくなると電子や紫外線の発生を促進するが、小さいとそれらの発生は不十分になる。
【０１０３】
また、放電時の電流値は０．１ｍＡ以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％程度に低下させても発光が継続し、三色いずれの発光においても高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。
【０１０４】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や減圧された気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０１０５】
本実施の形態の発光素子によれば、多孔質発光層での沿面放電による発光であるために、従来のように発光素子の作製に際して薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。また、発光効率が良好であり、大型ディスプレイにしたときの消費電力が比較的小さい発光素子を提供することができる。本実施の形態においては多孔質発光層の境界に放電分離手段として空隙を設置することにより、比較的簡便な方法で発光の際のクロストークを回避することができる。
【０１０６】
（実施の形態５）
図１４と図１５を参照しながら、多孔質発光層の一方の面に誘電体層と第一の電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記第一の電極が形成されていない他の面に第二の電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備してなる発光素子であって、特に多孔質発光層について説明する。
【０１０７】
図１４と図１５は本実施の形態における多孔質発光層の断面を拡大した模式図である。これらの図において、２は多孔質発光層、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、及び１８は絶縁性繊維である。
【０１０８】
本実施の形態においては蛍光体粒子表面の絶縁層の有無によらず、蛍光体粒子とセラミックやガラス等の絶縁性繊維１８からなる多孔質発光層２を形成した。
【０１０９】
絶縁性繊維１８の一例として、ＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ系の繊維を使用し、その直径は０．１〜５μｍ、長さは０．５〜２０μｍであることが好ましく、この範囲のサイズの繊維を蛍光体粒子２重量部、繊維１重量部の割合で混合して用いることにより気孔率が比較的大きくなり、その結果沿面放電が多孔質発光層内部で容易に発生するようになり好ましいものとなる。本実施の形態においては多孔質発光層を形成する際に、蛍光体粒子と絶縁性繊維の混合物５０質量％に対してα−テルピネオール４５質量％、エチルセルロース５質量％を混練したペーストを調製し、実施の形態１と同様にペーストをパターン状にスクリーン印刷して多孔質発光層を形成した。このようにして得られた絶縁性繊維１８を含有する多孔質発光層の断面を拡大した模式図を図１４と図１５に示す。図１５は蛍光体粒子３と絶縁性繊維１８からなる多孔質発光層２であり、図１４は表面が絶縁層４で被覆された蛍光体粒子３と絶縁性繊維からなる多孔質発光層である。また、第一の電極、誘電体層、第二の電極及び隔壁の形成は実施の形態１と同様の方法で実施することにより、最終的に実施の形態１と同様の発光素子を作製した（図示せず）。
【０１１０】
絶縁性繊維としてＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ系の繊維を選定した理由は、熱的、化学的に安定で抵抗率が１０9Ω・ｃｍ以上であること、多孔質発光層において１０％以上〜１００％未満の大きな見かけ気孔率が容易に得られること、及び繊維の表面で放電が発生し易く結果的に多孔質発光層全体で沿面放電の発生が可能になることからである。なお、上記の絶縁性繊維以外にSiC,ZnO,TiO2,MgO,BN,Si3N4系のものを含有する絶縁性繊維を用いてもほぼ同様の結果が得られる。
【０１１１】
次に、この発光素子の発光作用は実施の形態１のものと同様である。発光素子を駆動するために、第一の電極と第二の電極の間に交流電界を印加する。交流電界の印加により、間隙９で気体の絶縁破壊が起こり、それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【０１１２】
本実施の形態においては多孔質発光層の厚さに対して、約０．６５〜１．４ｋＶ／ｍｍの電界を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後約０．４５〜０．９０ｋＶ／ｍｍの交番電界を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させた。印加する電界は大きくなると電子や紫外線の発生を促進するが、小さいとそれらの発生は不十分になる。
【０１１３】
また、放電時の電流値は０．１ｍＡ以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％程度に低下させても発光が継続し、三色いずれの発光においても高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。
【０１１４】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や減圧された気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０１１５】
本実施の形態の発光素子によれば、多孔質発光層での沿面放電による発光であるために、従来のように発光素子の作製に際して薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。また、発光効率が良好であり、大型ディスプレイにしたときの消費電力が比較的小さい発光素子を提供することができる。本実施の形態においては多孔質発光層の境界に放電分離手段として隔壁を設置することにより、比較的簡便な方法で発光の際のクロストークを回避することができる。
【０１１６】
（実施の形態６）
図１６を参照しながら、多孔質発光層の一方の面に誘電体層とアドレス電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記アドレス電極が形成されていない他の面にデータ電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備してなる発光素子について動作を説明する。
【０１１７】
図１６は本実施の形態における発光素子の分解斜視図であり、わかり易いために放電分離手段が空隙である場合の発光素子を図示したものである。図において１は発光素子、２は多孔質発光層、５は基板、８は透光性基板、１０は誘電体層、１２は空隙、２１はアドレス電極、２２は表示電極である。
【０１１８】
図１６に示すように、本実施の形態の発光素子１においては基板５の上にアドレス電極２１が形成され、その上に誘電体層１０を有する複数個の多孔質発光層２が規則的に配置されていて、Ｒ、Ｇ及びＢの三色を発光する多孔質発光層のアレイが形成されている。多孔質発光層の間には空隙１２が存在していて多孔質発光層２のアレイ全体を囲繞するように側壁が通常設けられる（図示せず）。透光性基板８には、表示電極２２がアドレス電極２１と交差するように多孔質発光層２に対向して形成されていて、このような透光性基板８を多孔質発光層のアレイ上に配置することにより、最終的に図１６に示すような発光素子１が構成される。本実施の形態におけるアドレス電極と表示電極は既述した実施の形態１乃至５における第一の電極と第二の電極にそれぞれ対応させることも可能であるが、場合によっては別に設置するようにしてもよい。
【０１１９】
上述のように、多孔質発光層の一方の面に誘電体層とアドレス電極がそれぞれ形成され、前記多孔質発光層の前記誘電体層と前記アドレス電極が形成されていない他の面にデータ電極が配置された複数個の前記多孔質発光層の集合体からなり、前記複数個の多孔質発光層間に放電分離手段を具備してなる発光素子であって、特に放電分離手段が空隙である発光素子が得られる。
【０１２０】
このように構成された本実施の形態における発光素子１においては多孔質発光層に２次元の映像を表示することができる。すなわち、本実施の形態の発光素子１では所謂単純マトリックス駆動が可能であり、Ｘ電極に順次パルス信号を送り、そのタイミングに合わせてＹ電極にＯＮ／ＯＦＦ情報を入れることによりアドレス電極と表示電極の交差する箇所の画素をＯＮ／ＯＦＦに応じて発光させて１ラインを表示する。走査パルスを順次切り替えることにより、２次元の像が表示できる。また、マトリックス状に配置された画素の１つ１つにトランジスタを置き、それぞれの画素をＯＮ／ＯＦＦすることによりアクティブ駆動も可能になる。本実施の形態においては多孔質発光層に空隙１２を設けてあるため、発光のクロストークはほとんどないが、実施の形態１で既述したように、単位発光素子間に隔壁を設ければ、発光のクロストークをほぼ完全に回避させることができる。
【０１２１】
（実施の形態７）
本実施形態の表示装置の断面を図１８に示す。本実施形態は隔壁１１の間にリブ２３ａ，２３ｂを設けた以外は図１に示す実施形態１と同様とした。隔壁１１の水平方向の厚さ：１５０μｍ、高さ２７０μｍ、リブ２３ａ，２３ｂの厚さ：５０μｍ、高さ２５０μｍ、１画素の幅は１００μｍ、多孔質発光層の厚さは２３０μｍ、間隙（気体層）９の間隔は２０μｍ、ＢａＴｉＯ3からなる誘電体層１０の厚さは２５０μｍ、第１の電極６と第２の電極７の距離は５００μｍとした。
【０１２２】
本実施の形態においては多孔質発光層の厚さ方向に、約０．７２〜１．５ｋＶ／ｍｍの電界（周波数：１ｋＨｚ）を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後約０．４ｋＶ／ｍｍの交番電界（周波数：１ｋＨｚ）を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させた。印加する電界は大きくなると電子や紫外線の発生を促進するが、小さいとそれらの発生は不十分になる。
【０１２３】
また、放電時の電流値は０．１ｍＡ以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％程度に低下させても発光が継続し、三色いずれの発光においても高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。
【０１２４】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や減圧された気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０１２５】
（実施の形態８）
本実施形態の表示装置の断面を図１９に示す。本実施形態は隔壁１１をＢａＴｉＯ3からなる誘電体層１０を切削して作成した以外は図１に示す実施形態１と同様とした。隔壁１１の水平方向の厚さ：１５０μｍ、高さ２７０μｍ、１画素の幅は２５０μｍ、多孔質発光層の厚さは２３０μｍ、間隙９の間隔は２０μｍ、ＢａＴｉＯ3からなる誘電体層の厚さは５２０μｍ、第１と第２の電極間距離は５００μｍとした。
【０１２６】
本実施の形態においては多孔質発光層の厚さ方向に、約０．７２〜１．５ｋＶ／ｍｍの電界（周波数：１ｋＨｚ）を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後約０．４ｋＶ／ｍｍの交番電界（周波数：１ｋＨｚ）を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させた。印加する電界は大きくなると電子や紫外線の発生を促進するが、小さいとそれらの発生は不十分になる。
【０１２７】
また、放電時の電流値は０．１ｍＡ以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％程度に低下させても発光が継続し、三色いずれの発光においても高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。
【０１２８】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や減圧された気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０１２９】
（比較例１）
比較例１として積層チップコンデンサの絶縁破壊試験で使用するシリコーンオイル含漬を実施した。すなわち積層チップコンデンサでは絶縁破壊電圧を測定する場合、沿面放電が頻繁に発生し真の絶縁破壊電圧値が測定できない。そこで、素子の細孔部にシリコーンオイルを含漬させ沿面放電が発生しない状態で真の絶縁破壊電圧値を求めた。この方法を利用して図１の発光素子１の多孔質発光体層２の細孔の気体をシリコーンオイルで置換した。数分間浸漬した後に発光素子表面のシリコーンオイルを拭き取り、前記実施の形態１と同様の交番電界を印加した。
【０１３０】
まず、印加電圧を上げるとバースト波が発生し間隙から一次電子が放出されていることが確認できた。しかし多孔質発光体層２では沿面放電が全く発生せず。または、沿面放電が発生しても発光体層２の内部ではなく極表面部分に発生するために発光を確認できなかった。さらに印加電圧を上げ続けると多孔質発光体層２が一瞬のうちに絶縁破壊が起こり発光素子１にクラックが発生し破壊した。
【０１３１】
もちろん、シリコーンオイルを浸漬した発光素子１をアセトン等の有機溶剤で洗浄し、細孔部を再度気体で充填させた場合には容易に発光し回復することを確認した。もちろん細孔部を真空にしても発光した。
【０１３２】
また、細孔部に導電性の溶液、例えば酢酸水溶液を含漬させると、短絡が起こり全く発光しなかった。
【０１３３】
以上のことから本発明の構成で発光素子になる最大の特徴は発光体層２が、表面に連続した細孔を持ち、かつその細孔に気体が充填もしくは真空であるという点である。外部から放出されてきた電子が発光体層４内部に突入すると電子が細孔部分を沿って雪崩的に沿面放電を繰り返し加速される。そして加速させた電子が蛍光体粒子の発光中心に衝突し励起発光する。細孔部分にシリコーンオイルや導電性溶液が充填された状態では電子の移動が困難または短絡が発生し沿面放電が発生せず結果として発光しない。
【０１３４】
本実施の形態では細孔部の大きさが数百μm以下であるが、数mm以上の大きさになると空気放電に至り素子が破壊する場合が有るので注意が必要となる。経験的には蛍光体粒子３が点接触するようなパッキングである。理想的には見かけ気孔率が１０％以上〜１００％未満の多孔質が望ましい。
【０１３５】
また、前記実施の形態のように絶縁層４を設ける理由は、
ａ．蛍光体粒子３の表面抵抗を上げ沿面放電が発生しやすいようにするため、
ｂ．蛍光体粒子を絶縁破壊や紫外線から保護するため、
ｃ．ＭｇＯの様な二次電子放出作用により電子をより多く放出させ結果として沿面放電をより発生しやすいようにするためである。
【０１３６】
また、多孔質発光体層２の厚みは特に限定されるものではないが１０μm〜３mmの範囲で発光することを確認した。もちろん短絡が発生しなければ数μmから発光するものである。
【０１３７】
（実施の形態９）
実施の形態９では、第一の電極６、第二の電極７が誘電体層１０と多孔質発光体層２を挟んで形成される場合について、図２２を参照しながら説明する。図２２は本実施の形態における発光素子１の断面図である。６は第一の電極、７は第二の電極、３は蛍光体粒子、４は電気的絶縁体層、２は多孔質発光体層、１０は誘電体層である。多孔質発光体層２は図６に示したように蛍光体粒子３を主成分として構成され、蛍光体粒子３の表面を絶縁体層４で被覆したものを使用した。
【０１３８】
蛍光体粒子３は平均粒径が２〜３μｍのＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+（青）、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ2+（緑）、ＹＢＯ3：Ｅｕ3+（赤）の３種類の無機化合物を所望の発光を得るために、それぞれ単独またはそれらを混合したものを用いることが可能である。
【０１３９】
本実施の形態においては前記青色の蛍光体粒子３を使用し、その表面にＭｇＯからなる絶縁性無機物の絶縁層４を形成したものを使用した。Ｍｇプレカーサー錯体溶液に蛍光体粒子を加えて攪拌し、取り出して乾燥した後、大気中で４００〜６００℃で熱処理することで、前記図６に示したＭｇＯの均一なコーティング層を蛍光体の表面に形成させた。
【０１４０】
まず、本実施の形態おける発光素子の図２２の製造方法について説明する。絶縁層４がコーティングされた蛍光体粒子粉末３を５０質量％とコロイダルシリカ水溶液を５０質量％混合しスラリー化する。次に、第二の電極７が形成された直径１５mmφで厚み１mmの誘電体層１０（ＢａＴｉＯ3を主成分とする板状の焼結体、この背面にＡｇ電極ペーストを厚み約５０μｍに焼付けて第一の電極６を形成した）の他の面に前記スラリーを塗布し、乾燥機で１００〜１５０℃で１０〜３０分間乾燥することで、誘電体層１０に厚みが約１００μｍの多孔質発光体層２を積層させた。さらに多孔質発光体層２の上面に透明の第二の電極（インジウム−錫酸化物合金（ＩＴＯ）、厚み：約０．１μｍ）７が塗布された透光性基板（ガラス板）８を積層した。これにより、一対の電極６，７が誘電体層１０と多孔質発光体層２を挟んで形成された発光素子１を得た。
【０１４１】
次に、この発光素子１の発光作用について図２２及び図１７を参照しながら説明する。図２２に示すように発光素子１を駆動するために、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。電圧の印加により、誘電体層１０で分極反転により一次電子（ｅ-）２４が放出される。この際、紫外線や可視光線が発生する。一次電子（ｅ-）は多孔質発光層２の蛍光体粒子３や絶縁層４に衝突し、沿面放電となり、さらに二次電子（ｅ-）２５が多数発生する。これにより、雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。加えて、交流電界の印加により、誘電体層において分極の反転が繰り返される。それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【０１４２】
なお、印加する交流電界の波形を正弦波や鋸歯状波から矩形波に変えることにより、また周波数を数十Ｈｚから数千Ｈｚ上げることで沿面放電による電子や紫外線の放出が非常に激しくなり、発光輝度が向上する。また、交流電界の電圧が上昇するにつれてバースト波が発生する。バースト波の発生周波数は正弦波ではピークの直前、鋸歯状波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。いったん沿面放電が開始されると、紫外線や可視光線も発生するので、これらの光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０１４３】
本実施の形態においては交流電源を用いて誘電体層１０の厚みに対して約０．５〜１．０ｋV／mmの電圧を印加すると分極反転による一次電子放出（ｅ-）２４と沿面放電による二次電子（ｅ-）２５が発生し、続いて発光が開始された。また放電時の電流値は０．１ｍA以下であった。また、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光が継続し、高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。また、２〜５ ｌｍ/ｗ程度の発光効率を持った発光デバイスを作製できることが可能となった。
【０１４４】
また、本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や、減圧気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０１４５】
本実施の形態における発光素子１は、構造的に無機ＥＬ（ＥＬＤ）に近い構造であるが、構成やメカニズムが全く異なるものである。まず構成に関して前記背景技術で記載したように無機ＥＬに使用される蛍光体はＺｎＳ：Ｍｎ2+、ＧａＰ：Ｎなどに代表されるように半導体からなる発光体であるが、本実施の形態９における蛍光体粒子は絶縁体または半導体のいずれでもよい。すなわち、極端に抵抗値の低い半導体の蛍光体粒子を用いる際においても、絶縁性無機物である絶縁層４で均一に被覆されているために短絡することなく沿面放電が継続して発光させることができる。また、蛍光体層に関して無機ＥＬではサブミクロン〜数μmの厚みに対して本実施の形態９では数μm〜数百μmの多孔質体である。また、本実施の形態９では発光体層が多孔質である点である。
【０１４６】
多孔質の形態については、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した結果から蛍光体粒子が点接触した程度のパッキングである。
【０１４７】
また、蛍光体粒子として現行のプラズマディスプレイ(PDP)で使用されている紫外線発光の粉体を用いたが、陰極線管(CRT)で使用されているＺｎＳ：Ａｇ（青）やＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｕ，Ａｌ（緑）、Ｙ2Ｏ3：Ｅｕ（赤）でも同様の発光を確認した。CRT用の蛍光体では抵抗値が低いために沿面放電が発生しにくいが，絶縁層４でコーティングすると沿面放電が起こりやすくなり発光しやすくなった。
【０１４８】
また、本発明は誘電体の分極反転で放出される電子を基点として雪崩的に沿面放電が発生し発光に至る発光素子である。従って分極反転以外に電子を衝突させる新たな機能を有するシステムを多孔質発光体層２に付加すれば容易に発光するものと予想される。
【０１４９】
なお、本実施の形態においては蛍光体粒子３のスラリーを作製するに当たり、コロイダルシリカ水溶液を使用したが、有機溶剤を使用しても同様の結果が得られることを確認した。蛍光体粒子５０質量％に対してα−テレピネオール４５質量％、エチルセルロース５質量％を混練したスラリーを使用し、誘電体層１０の表面にスクリーン印刷を行い、大気中で４００〜６００℃、１０〜６０分熱処理することで数μｍ〜数十μｍの厚みの多孔質発光体層２３を作製することができる。この場合、熱処理温度を上げすぎると蛍光体の変質が起こりやすいので温度管理と熱処理雰囲気管理が重要となる。なお、この有機系スラリーに無機繊維１８を含有させても同様の結果が得られる。
【０１５０】
また、本実施の形態では誘電体としてBaTiO3を用いたが、SrTiO3,CaTiO3,MgTiO3,PZT(PbZrTiO3),PbTiO3などの誘電体を用いても同様の効果が得られることを確認した。また誘電体層には焼結体を使用してもよいし、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着、ゾル・ゲル等の薄膜形成プロセスで得られた誘電体層を利用してもよい。
【０１５１】
本実施の形態においては誘電体層として焼結体を使用したが、誘電体の粉体と結合剤からなる構成を採用しても発光が可能である。すなわち、Ａｌ金属基板上に、BaTiO3粉末４０質量％に対してガラス粉末１５質量％を混合した粉体にα−テレピネオール４０質量％、エチルセルロース５質量％を混練したスラリーを塗布し、乾燥後大気中において４００〜６００℃で熱処理することにより、誘電体粒子と結合剤から構成される誘電体層を用いることも可能である。
【０１５２】
また、本実施の形態では青色の蛍光体粒子を用いたが、赤または緑を用いても同様の効果が有ることが分かった。なお青、赤、緑の混合粒子でも同様の効果があった。
【０１５３】
本実施の形態の発光素子によれば、沿面放電による発光であるために、従来のような蛍光体層形成に薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア倍増層を必要としないので構造が簡単であり、加工も容易である。
【０１５４】
また，電極７にＩＴＯを使用したが，ＩＴＯの代替として、銅の配線が施された透光性基板を使用することも可能である。銅の配線は微細なメッシュ状に形成されていて、開口率（配線が施されていない部分の全体に対する割合）は９０％であり、光の透過はＩＴＯ膜を有する透光性基板に比較してほとんど遜色がない。また、銅はＩＴＯに比較して、かなり低抵抗であることから発光効率の向上に大きく寄与するので好都合である。なお、微細なメッシュ状の配線を施す金属としては銅以外に金、銀、白金やアルミニウムを使用することも可能である。
【０１５５】
（実施の形態１０）
次に実施の形態１０について、図２３を用いて製造方法と発光作用について説明する。図２２と同一の符号の説明は省略することがある。前記図２２で使用した第一の電極６が形成されている誘電体１０の他の面にメッシュ状（約５〜１０メッシュ）のＡｇペーストを印刷、焼き付けて、第二の電極７を形成した。その後、第二の電極７の上面に前記同様に蛍光体粒子粉末３とコロイダルシリカ水溶液のスラリーを塗布し、乾燥機で１００〜１５０℃で１０〜３０分間乾燥することで、誘電体層１０の表面に厚みが約１００μｍの多孔質発光体層２を積層させた。これにより、第二の電極７が誘電体層１０と多孔質発光体層２の間に形成され、第一の電極６が誘電体層１０を挟んで外側に形成された発光素子１を得た。発光方法は図２２の場合と同様に、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。電圧の印加により、誘電体層１０で分極反転により一次電子（ｅ-）２４が放出される。この際、紫外線や可視光線が発生する。一次電子（ｅ-）は多孔質発光層２の蛍光体粒子３や絶縁層４に衝突し、沿面放電となり、さらに二次電子（ｅ-）２５が多数発生する。これにより、雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。加えて、交流電界の印加により、誘電体層において分極の反転が繰り返される。それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【０１５６】
もちろん図２２の時同様に印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えたり、周波数を数十Hzから数千Hz上げることで分極反転時の電子放出や沿面放電がより激しく起こり発光輝度が向上する。また、交番電界の電圧値を上げるに従いバースト波が発生する。バースト波は誘電体層１０の分極反転時に発生するもので、発生周波数は正弦波ではピークの直前、ノコギリ波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波のピーク電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。
【０１５７】
いったん沿面放電が開始されると上述したように連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子２の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０１５８】
図２３の場合では、誘電体層１０の厚みに対して約０．７〜１．２ｋV／mmの電圧を印加すると、分極反転による図１７に示す一次電子放出（ｅ-）２４と沿面放電による二次電子（ｅ-）２５が発生し、続いて発光が開始された。
【０１５９】
図２２と図２３の発光の違いは前者では多孔質発光体層２で沿面放電が激しく発生しやすいが、後者では沿面放電の発生が若干弱り輝度も若干弱った。
【０１６０】
また、図２３でメッシュ状の第二の電極７にした理由は、分極反転で発生した図１７に示す一次電子（ｅ-）２４が多孔質発光体層２に放出されやすいようにするためであり、均一厚さの電極７を形成してしまうと図１７に示す一次電子（ｅ-）２４が多孔質発光体層２に放出されにくくなるためである。
【０１６１】
また、図２３の場合では絶縁層４として予め、ＭｇＯなどのコーティングを実施しなかったが、バインダーとして使用したコロイダルシリカが絶縁層４として機能した。
【０１６２】
（実施の形態１１）
次に、一対の電極６，７が共に誘電体層１０と多孔質発光体層２の境界に形成される場合について図２４を用いて説明する。図２４は本実施の形態１１における発光素子１の断面図である。６は第一の電極、７は第二の電極、３は蛍光体粒子、２は多孔質発光体層、１０は誘電体層である。多孔質発光体層２は蛍光体粒子３、セラミック繊維１８を主成分とするものから構成されている。蛍光体粒子３は平均粒径が２〜３μｍのＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+（青）、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ2+（緑）、ＹＢＯ3：Ｅｕ3+（赤）の３種類の無機化合物を所望の発光を得るために、それぞれ単独またはそれらを混合したものを用いる。
【０１６３】
次に図２４の製造方法と発光作用について説明する。まず、前記図２２で使用した誘電体焼結体１０の一方の面にＡｇペーストを塗布焼き付けて一対の電極６，７を形成する。次に蛍光体粒子４５質量％と無機繊維粉１０質量％とα−テレピネオール４０質量％、エチルセルロース５質量％を混練したスラリーを塗布し、乾燥後、大気中で４００〜６００℃で熱処理して、誘電体層１０に厚みが約５０μｍの多孔質発光体層２を積層させる。これにより一対の電極６，７が共に誘電体層１０と多孔質発光体層２の境界に形成された発光素子１を得る。
【０１６４】
発光方法は図２２の場合と同様に、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。電圧の印加により、誘電体層１０で分極反転により一次電子（ｅ-）２４が放出される。この際、紫外線や可視光線が発生する。一次電子（ｅ-）は多孔質発光層２の蛍光体粒子３やセラミック繊維１８に衝突し、沿面放電となり、さらに二次電子（ｅ-）２５が多数発生する。これにより、雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。加えて、交流電界の印加により、誘電体層において分極の反転が繰り返される。それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【０１６５】
もちろん印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えたり、周波数を数十Hzから数千Hz上げることで分極反転時の電子放出や沿面放電がより激しく起り発光輝度が向上する。また、交番電界の電圧値を上げるに従いバースト波が発生する。バースト波は誘電体層１０の分極反転時に発生するもので、発生周波数は正弦波ではピークの直前、ノコギリ波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波のピーク電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。
【０１６６】
いったん沿面放電が開始されると上述したように連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０１６７】
本実施の形態においては交流電源を用いて誘電体の厚みに対して約０．７〜１．２ｋV／mmの電圧を印加すると分極反転による電子放出と沿面放電が発生し、続いて発光が開始された。また、図２４は一対の電極が共に誘電体層と多孔質発光体層の境界に形成されている場合でもある。
【０１６８】
（実施の形態１２）
図２５を参照しながら本発明における実施の形態１２、すなわち一対の電極６と７が誘電体層の上面に配置されていて、この一対の電極を介して多孔質発光体層２が積層され、この多孔質発光体層２の上面に他の電極７０が配置されている場合について説明する。
【０１６９】
図２５は本実施の形態における発光素子１の断面図である。６と７は一対の電極であり、６は第一の電極、７は第二の電極、３は蛍光体粒子、４は電気的絶縁体層、２は多孔質発光体層、１０は誘電体層および７０は第三の電極である。多孔質発光体層は図６に示したように蛍光体粒子３またはこれを主成分とするものから構成されていて、本実施の形態においては蛍光体粒子３の表面を絶縁体層４で被覆したものを使用した。
【０１７０】
蛍光体粒子３は平均粒径が２〜３μｍのＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+（青）、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ2+（緑）、ＹＢＯ3：Ｅｕ3+（赤）の３種類の無機化合物を所望の発光を得るために、それぞれ単独またはそれらを混合したものを用いる。
【０１７１】
本実施の形態においては前記青色の蛍光体粒子３を使用し、その表面にＭｇＯからなる絶縁性無機物の絶縁体層４を形成したものを使用した。Ｍｇプレカーサー錯体溶液に蛍光体粒子１１を加えて長時間にわたって攪拌し、取り出して乾燥後、大気中において４００〜６００℃で熱処理することにより、ＭｇＯの均一なコーティング層、すなわち絶縁体層４を蛍光体粒子３の表面に形成させた。
【０１７２】
まず、図２５に示す本実施の形態１２おける発光素子の製造方法について説明する。絶縁体層４がコーティングされた蛍光体粒子３を５０質量％とコロイダルシリカ水溶液を５０質量％混合してスラリー化する。次に、第一の電極６と第二の電極７が形成された直径１５ｍｍφで厚み１ｍｍの誘電体層１０（ＢａＴｉＯ3を主成分とする板状の焼結体で、その上面にＡｇ電極ペーストを厚さ３０μｍに焼き付けて第一の電極６と第二の電極７を形成したもの）に一対の電極、すなわち第一の電極６と第二の電極７を介して前記スラリーを塗布し、乾燥機で１００〜１５０℃の温度で１０〜３０分間乾燥することにより、誘電体層１０に厚さが約１００μｍの多孔質発光体層２を積層させた。さらに、多孔質発光体層２の上面に透明電極（インジウム−錫酸化物合金（ＩＴＯ）、厚さ０．１μｍ）７０が塗布されたガラス（図示せず）を積層した。これにより一対の電極６，７が誘電体層１０と多孔質発光体層２の境界に形成され、第三の電極７０が多孔質発光体の上面に形成された図２５に示すような発光素子１を得た。その際、後述するように、多孔質発光体層として蛍光体粒子粉末を担持させた無機繊維板を利用してもよい。
【０１７３】
次に、この発光素子１の発光作用について説明する。第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。電圧の印加により、誘電体層１０で分極反転により図１７に示す一次電子（ｅ-）２４が放出される。この際、紫外線や可視光線が発生する。その後、他の電極、すなわち電極７０と前記一対の電極の少なくとも一方の間に交番電界を印加することにより，図１７に示す一次電子（ｅ-）２４は多孔質発光層２の蛍光体粒子３や絶縁層４に衝突し、沿面放電となり、さらに図１７に示す二次電子（ｅ-）２５が多数発生する。これにより、雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。加えて、交流電界の印加により、誘電体層において分極の反転が繰り返される。それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【０１７４】
このとき印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることにより、また周波数を数十Hzから数千Hz上げることで分極反転時の電子放出や沿面放電がより激しく生じ、発光輝度が向上する。
【０１７５】
また、交番電界の電圧値を上げるに従いバースト波が発生する。バースト波は誘電体層１０の分極反転時に発生するもので、発生周波数は正弦波ではピークの直前、ノコギリ波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。いったん沿面放電が開始されると上述したように連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０１７６】
本実施の形態においては分極反転に際して、誘電体層１０の厚みに対して約０．６５〜１．３ｋV／ｍｍの電界を印加する。その後、交流電源を用いて発光素子１の厚さに対して約０．５〜１．０ｋV／ｍｍの交番電界を印加させることにより、一次電子放出と沿面放電が発生し、続いて発光が開始された。なお、分極反転の際に印加する電界は大きい方が電子の発生を促進するが、小さすぎると電子の放出は不十分になる。
【０１７７】
また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であった。また、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光が継続し、高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。青色換算で、２〜５ ｌｍ／Ｗの発光効率を持った発光デバイスを作製することが可能となった。
【０１７８】
本実施の形態１２においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や、減圧気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０１７９】
本実施の形態１２における発光素子１は、構造的に無機ＥＬ（ＥＬＤ）に近い構造であるが、構成やメカニズムが全く異なる。まず、構成に関しては既に背景技術で記載したように無機ＥＬに使用される蛍光体はＺｎＳ：Ｍｎ2+、ＧａＰ：Ｎなどに代表されるように半導体からなる発光体であるが、本実施の形態１における蛍光体粒子は絶縁体または半導体のいずれでもよい。すなわち、極端に抵抗値の低い半導体の蛍光体粒子を用いる際においても、既述したように蛍光体粒子３が絶縁性無機物である絶縁体層４で均一に被覆されているために短絡することなく沿面放電により継続して発光させることができる。また、蛍光体層に関して無機ＥＬではサブミクロン〜数μｍの厚みであるのに対して、本実施の形態では数μｍ〜数百μｍの多孔質体である。さらに、本実施の形態では発光体層が多孔質である点である。
【０１８０】
多孔質の形態については、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した結果から蛍光体粒子が点接触した程度のパッキングである。
【０１８１】
また、蛍光体粒子として現行のプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）で使用されている紫外線発光の粉体を用いたが、陰極線管（ＣＲＴ）で使用されているＺｎＳ：Ａｇ（青）やＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｕ，Ａｌ（緑）、Ｙ2Ｏ3：Ｅｕ（赤）でも同様の発光を確認した。ＣＲＴ用の蛍光体では抵抗値が低いために沿面放電が発生しにくい、従って蛍光体の表面を絶縁層４でコーティングすることで沿面放電の発生を容易にさせ発光させることが望ましい。
【０１８２】
本発明は誘電体の分極反転で放出される一次電子を基点として雪崩的に沿面放電し二次電子が多量に発生し発光に至る発光素子である。従って、分極反転以外に電子を衝突させる新たな機能を有するシステムを多孔質発光体層２に付加すれば容易に発光するものと予想される。
【０１８３】
なお、本実施の形態においては蛍光体粒子３のスラリーを作製するに当たり、コロイダルシリカ水溶液を使用したが、有機溶剤を使用しても同様の結果が得られることを確認した。蛍光体粒子５０質量％に対してα−テレピネオール４５質量％、エチルセルロース５質量％を混練したスラリーを使用し、誘電体層１０の表面にスクリーン印刷を行い、大気中で４００〜６００℃、１０〜６０分熱処理することで数μｍ〜数十μｍの厚みの多孔質発光体層２３を作製することができる。この場合、熱処理温度を上げすぎると蛍光体の変質が起こりやすいので温度管理と熱処理雰囲気管理が重要となる。なお、この有機系スラリーに無機繊維１８を含有させても同様の結果が得られる。
【０１８４】
また、本実施の形態では誘電体としてBaTiO3を用いたが、SrTiO3,CaTiO3,MgTiO3,PZT(PbZrTiO3),PbTiO3などの誘電体を用いても同様の効果が得られることを確認した。また誘電体層には焼結体を使用してもよいし、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着、ゾル・ゲル等の薄膜形成プロセスで得られた誘電体層を利用してもよい。
【０１８５】
本実施の形態においては誘電体層として焼結体を使用したが、誘電体の粉体と結合剤からなる構成を採用しても発光が可能である。すなわち、Ａｌ金属基板上に、ＢａＴｉＯ3粉末４０質量％に対してガラス粉末１５質量％を混合した粉体にα−テレピネオール４０質量％、エチルセルロース５質量％を混練したスラリーを塗布し、乾燥後大気中において４００〜６００℃で熱処理することにより、誘電体粒子と結合剤から構成される誘電体層を用いることも可能である。
【０１８６】
また、本実施の形態では青色の蛍光体粒子を用いたが、赤または緑を用いても同様の効果が有ることが分かった。なお青、赤、緑の混合粒子でも同様の効果があった。本実施の形態の発光素子によれば、沿面放電による発光であるために、従来のような蛍光体層形成に薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア倍増層を必要としないので構造が簡単であり、加工も容易である。
【０１８７】
電極７０にＩＴＯを使用したが，ＩＴＯの代替として、銅の配線が施された透光性基板を使用することも可能である。銅の配線は微細なメッシュ状に形成されていて、開口率（配線が施されていない部分の全体に対する割合）は９０％であり、光の透過はＩＴＯ膜を有する透光性基板に比較してほとんど遜色がない。また、銅はＩＴＯに比較して、かなり低抵抗であることから発光効率の向上に大きく寄与するので好都合である。なお、微細なメッシュ状の配線を施す金属としては銅以外に金、銀、白金やアルミニウムを使用することも可能である。
【０１８８】
（実施の形態１３）
次に、実施の形態１３について、図２６を参照しながら製造方法と発光作用について説明する。本実施の形態においては誘電体層１０を挟んで下面に第一の電極６と、上面に第二の電極７をそれぞれ形成した。図１と同一の符号の説明は省略することがある。実施の形態１２において使用したものと同様の誘電体１０を用いて、その上面の中央部に第二の電極７、下面の全面に第一の電極６をＡｇペーストの印刷と焼付けにより、実施の形態１２と同様にしてそれぞれ形成した。その後、第二の電極７の表面に実施の形態１２で用いた蛍光体粒子３を含有するスラリーを塗布し、乾燥機で１００〜１５０℃の温度において１０〜３０分間乾燥することで、誘電体層１０に厚さが約１００μｍの多孔質発光体層２を積層させた。その後、実施の形態１２と同様に多孔質発光体層２の上面に透明電極７０（インジウム−錫酸化物合金（ＩＴＯ）、厚さ０．１μｍ）が塗布されたガラス板（図示せず）を積層した。その結果、一対の電極６，７が誘電体層１０の両面に形成され、この誘電体１０の上面に第二の電極７を介して多孔質発光体層２が積層され、さらにその多孔質発光体の上面に第三の電極７０が形成されている図２６に示すような断面の構造を有する発光素子１を得た。
【０１８９】
発光素子１を駆動するために、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。電圧の印加により、誘電体層１０で分極反転により一次電子（ｅ-）２４が放出される。この際、紫外線や可視光線が発生する。その後、第三の電極７０と前記一対の電極の少なくとも一方の間に交番電界を印加することにより，一次電子（ｅ-）は多孔質発光層２の蛍光体粒子３や絶縁層４に衝突し、沿面放電となり、さらに二次電子（ｅ-）２５が多数発生する。これにより、雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。加えて、交流電界の印加により、誘電体層において分極の反転が繰り返される。それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【０１９０】
本実施の形態１３においては、上述したように実施の形態１２の場合と同様に印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることや周波数を数十Hzから数千Hz上げることで分極反転時の電子放出や沿面放電がより激しく発生し、発光輝度が向上する。また、交番電界の電圧値を上げるに従いバースト波が発生する。バースト波は誘電体層１０の分極反転時に発生するもので、発生周波数は正弦波ではピークの直前、ノコギリ波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波のピーク電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。
【０１９１】
いったん沿面放電が開始されると連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０１９２】
本実施の形態１３においては誘電体層１０の厚さに対して約０．８４〜１．４ｋV／ｍｍの電圧を第一の電極６と第二の電極７に印加することにより分極反転により一次電子の放出が行われ、しかる後に、第一の電極６または第二の電極７のいずれか一方と電極７０に発光素子１の厚さに対して約０．７〜１．２ｋV／ｍｍの交番電界を印加することにより沿面放電し二次電子が多量に発生し、続いて発光が開始された。
【０１９３】
また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光が継続し、高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。青色換算で、２〜５ ｌｍ／Ｗの発光効率を持った発光デバイスを作製することが可能となった。
【０１９４】
本実施の形態１３の発光素子おいては図２６に示すように、誘電体層１０の上面に形成する第二の電極７は全面に形成するのではなく部分的に形成する。これは分極反転により放出される一次電子が電極自体によって遮蔽されることを抑制し、多孔質発光体層２に効率よく導入させるためである。なお、上述のように部分的に電極を形成する代わりに、メッシュ状の電極にしてもよく、分極反転で発生した電子が円滑に多孔質発光体層２に放出される形状のものであればよい。
【０１９５】
なお、図２６において交番電圧を印加する際、第一の電極６と第三の電極７０の間に印加する場合と、第二の電極７と第三の電極７０の間に印加する場合では輝度はほとんど変わらなかった。
【０１９６】
（実施の形態１４）
次に、図２７を参照しながら実施の形態１４、すなわち一対の電極６，７が誘電体層１０の下面に配置されていて、上面に多孔質発光体層２が積層され、この多孔質発光体層２の上面に第三の電極７０が配置されている場合について説明する。
【０１９７】
本実施の形態においては既述した実施の形態１２と同様に蛍光体粒子の表面を絶縁層４で被覆したものを使用した。すなわち、蛍光体粒子はＭｇＯの均一なコーティング層をその表面に形成させた。
【０１９８】
本実施の形態おける発光素子の製造方法について図２７を参照しながら説明する。絶縁体層４で均一に被覆された蛍光体粒子１１を５０質量％とコロイダルシリカ水溶液を５０質量％混合しスラリー化する。次に第一の電極６と第二の電極７が形成された直径１５ｍｍφで厚み１ｍｍの誘電体層１０（ＢａＴｉＯ3を主成分とする板状の焼結体で、その下面にＡｇ電極ペーストを３０μｍの厚さになるように焼付けて第一の電極６と第二の電極７を形成したもの）の上面に前記スラリーを塗布し、乾燥機を用いて１００〜１５０℃の温度で１０〜３０分間乾燥することで、誘電体層１０に厚さが約１００μｍの多孔質発光体層２を積層させた。その後、多孔質発光体層２の上面に透明電極（インジウム−錫酸化物合金（ＩＴＯ）、厚さ０．１μｍ）７０が塗布されたガラス(図示せず)を積層した。その結果、一対の電極６，７が誘電体層１０の下面に形成され、誘電体層１０の上面には多孔質発光体層２が積層され、さらに、多孔質発光体層２の上面には第三の電極７０が形成された図２７に示すような発光素子１を得た。
【０１９９】
次に、この発光素子１の発光作用について説明する。第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。電圧の印加により、誘電体層１０で分極反転により一次電子（ｅ-）２４が放出される。この際、紫外線や可視光線が発生する。その後、第三の電極７０と前記一対の電極６，７の少なくとも一方の間に交番電界を印加することにより，一次電子（ｅ-）は多孔質発光層２の蛍光体粒子３や絶縁層４に衝突し、沿面放電となり、さらに二次電子（ｅ-）２５が多数発生する。これにより、雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。加えて、交流電界の印加により、誘電体層において分極の反転が繰り返される。それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【０２００】
このとき印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えること、または周波数を数十Hzから数千Hz上げることにより分極反転時の電子放出や沿面放電が一層激しく生じ、発光輝度が向上した。
【０２０１】
また、交番電界の電圧値を上げるに従いバースト波が発生する。バースト波は誘電体層１０の分極反転時に発生するもので、発生周波数は正弦波ではピークの直前、ノコギリ波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。
【０２０２】
いったん沿面放電が開始されると上述したように連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０２０３】
本実施の形態１４においては分極反転に際し、誘電体層１０の厚みに対して約０．４〜０．８ｋV／ｍｍの電界を印加し、その後、交流電源を用いて発光素子１の厚さに対して約０．５〜１．０ｋV／ｍｍの交番電界を印加させることにより、一次電子放出と沿面放電が発生し、続いて発光が開始された。なお、分極反転において印加する電界は大きい方が電子の発生を促進するが、小さすぎると電子の放出は不十分になる。
【０２０４】
また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であった。また、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光が継続し、高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。青色換算で、２〜５ ｌｍ／Ｗの発光効率を持った発光デバイスを作製することが可能となった。
【０２０５】
（実施の形態１５）
図２８を参照しながら本発明の実施の形態１５について説明する。本実施の形態は第一の電極６が誘電体層１０の下面に配置され、この誘電体層１０の上面に多孔質発光体層２が積層され、この多孔質発光体層２の上面に第二の電極７と第三の電極７０が配置されている。
【０２０６】
本実施の形態１５においては既述した実施の形態１２と同様に蛍光体粒子の表面を絶縁層４で被覆したものを使用した。すなわち、ＭｇＯの均一なコーティング層を青色蛍光体粒子の表面に実施の形態１２と同様の方法で形成させた。
【０２０７】
本実施の形態１５おける発光素子の製造方法については、まず上述の絶縁層４で均一に被覆された蛍光体粒子３を５０質量％とコロイダルシリカ水溶液を５０質量％混合しスラリーを作製する。次に第一の電極６が形成された直径１５ｍｍφで厚さ１ｍｍの誘電体層１０(BaTiO3を主成分とする板状の焼結体で、その下面にＡｇ電極ペーストを３０μｍの厚さに焼付けて第一の電極６を形成したもの)の上面に前記スラリーを塗布し、乾燥機で１００〜１５０℃、１０〜３０分間乾燥することで、誘電体層１０に厚さが約１００μｍの多孔質発光体層２を積層させた。さらに、多孔質発光体層２の上面にＡｇ電極ペーストを厚さ３０μｍになるように焼付けて、第二の電極７を多孔質発光体層２の表面の一部に形成し、その後、透明電極（インジウム−錫酸化物合金（ＩＴＯ）、厚さ０．１μｍ）７０が部分的に塗布されたガラス板（図示せず）を積層した。その結果、一対の電極のうちの第一の電極７が誘電体層１０の下面に形成され、誘電体層１０の上面には多孔質発光体層２が積層され、その上面には第二の電極７と、さらに第三の電極７０が形成され、図２８の断面構造を有する発光素子１を得た。
【０２０８】
次に、この発光素子１の発光作用について説明する。第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。電圧の印加により、誘電体層１０で分極反転により一次電子（ｅ-）２４が放出される。この際、紫外線や可視光線が発生する。その後、他の電極、すなわち電極７０と前記一対の電極の少なくとも一方の間に交番電界を印加することにより，一次電子（ｅ-）は多孔質発光層２の蛍光体粒子３や絶縁層４に衝突し、沿面放電となり、さらに二次電子（ｅ-）２５が多数発生する。これにより、雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。加えて、交流電界の印加により、誘電体層において分極の反転が繰り返される。それに伴って電子が発生し、多孔質発光層に電荷が注入される結果、沿面放電が発生する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子や紫外線が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。
【０２０９】
このとき印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えること、または周波数を数十Hzから数千Hz上げることにより分極反転時の電子放出や沿面放電が一層激しく起り発光輝度が向上する。
【０２１０】
また、交番電界の電圧値を上げるに従いバースト波が発生する。バースト波は誘電体層１０の分極反転時に発生するもので、発生周波数は正弦波ではピークの直前、ノコギリ波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。いったん沿面放電が開始されると上述したように連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０２１１】
本実施の形態においては分極反転に際し、誘電体層１０の厚みに対して約０．５〜１．０ｋV／ｍｍの電界を印加し、その後、交流電源を用いて発光素子１の厚さに対して約０．５〜１．０ｋV／ｍｍの交番電界を印加させることにより、一次電子放出と沿面放電し二次電子が多量に発生し、続いて発光が開始された。なお、分極反転において印加する電界は大きい方が電子の発生を促進するが、小さすぎると電子の放出は不十分になる。
【０２１２】
また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であった。また、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光が継続し、高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。青色換算で、２〜５ ｌｍ／Ｗの発光効率を持った発光デバイスを作製することが可能となった。
【０２１３】
（実施の形態１６）
図２９と図３０を参照しながら、本実施の形態における電子放出体、多孔質発光体及び一対の電極を含む発光素子について説明する。本実施の形態の発光素子は多孔質発光体が無機蛍光体粒子を含み、かつ多孔質発光体が電子放出体から発生する電子によって照射されるように電子放出体に隣接して配置され、一対の電極が前記多孔質発光体の少なくとも一部に電界が印加されるように設置されている。特に、電子放出体がカソード電極、ゲート電極、及び前記２つの電極の間に介在させたスピント型エミッタを含んでなり、カソード電極とゲート電極の間にゲート電圧を印加することにより、前記スピント型エミッタから放出される電子を多孔質発光体に照射して前記多孔質発光体を発光させる発光素子について説明する。
【０２１４】
図２９は本実施の形態における発光素子の断面図であり、１は全体の厚みが約２ｍｍの発光素子、２は厚みが約３０μｍの多孔質発光体層、３は平均粒径が２μｍの蛍光体粒子、４は蛍光体粒子表面の厚みが０．５μｍの絶縁層、１００は底面が１μｍ、高さが１μｍの三角錐方のスピント型エミッタ、６は厚みが２００ｎｍの第一の電極、７は厚みが２００ｎｍの第二の電極、１１１は厚みが１５０ｎｍのアノード電極、１１２は厚みが１５０ｎｍのカソード電極、１１３は厚みが２００ｎｍのゲート電極、１１６は厚みが１μｍの絶縁層、１１７は厚みが１．１ｍｍの基板、１１９は厚みが１．１ｍｍの電子放出体である。
【０２１５】
まず、本実施の形態における発光素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。図３０Ａ−Ｆは図２９に示した発光素子の製造方法を説明するための図であり、図３０Ａに示すように、ガラスの基板１１７の表面にＡｕを蒸着してカソード電極１１２を形成する。カソード電極１１２にはＡｕの代りに、Ａｇ、Ａｌ又はＮｉを蒸着させてもよい。また、基板１１７はガラス以外にセラミックであってもよい。
【０２１６】
次に、図３０Ｂに示すように絶縁層１１６を形成するために、カソード電極１１２の上にスクリーン印刷法により、ガラスペーストを印刷し、乾燥させて５８０℃で焼成する。なお、絶縁層１１６の形成はガラスペーストをスクリーン印刷する代わりに、ＳｉＯ2をカソード電極上にスパッタリングにより被覆してから、フォトレジストとフォトマスクを用いて、ＵＶ露光してから現像し、エッチングすることによりＳｉＯ2の絶縁層１１６を選択的に形成させる所謂フォトリソグラフィの技法を用いて行うことも可能である。
【０２１７】
次に、図３０Ｃに示すようにＡｌをスパッタリング成膜してからフォトリソグラフィの技法を用いて、絶縁層１１６の上にＡｌからなるゲート電極１１３を形成する。なお、ゲート電極用金属はＡｌの代わりに、Ｎｉを用いることも可能である。
【０２１８】
その後、図３０Ｅに示すようにスピント型エミッタをゲート電極１１３の間の窪みに２段階蒸着方式により形成する。具体的には、図３０Ｃに示す基板を約２０°の角度に傾斜させて蒸着装置にセットし、前記の基板を回転させながら犠牲材料としてのＡｌ2Ｏ3を蒸着する。これにより、Ａｌ2Ｏ3は図３０Ｄに示すようにゲート電極１１３を被覆するように蒸着され、厚み２００ｎｍのＡｌ2Ｏ3層１１８が形成され、カソード電極１１２上には蒸着されない。続いて、エミッタとしてＭｏを垂直蒸着すると、ゲート電極１１３の間の窪みに自己整合的に入り込むように蒸着され、三角錐状のＭｏのスピント型エミッタが形成される。その後、ゲート電極１１３上の犠牲層やＭｏをリフトオフし、またＭｏエミッタは蒸着の際に酸化されるので、５５０℃の温度で焼成することにより、最終的に図３０Ｅに示すように、Ｍｏスピント型エミッタ１００がゲート電極１１３の間の窪みに形成されたガラス基板が得られる。なお、エミッタ材料としてはＭｏの以外にＮｂ、Ｚｒ、Ｎｉ、モリブデン鋼などの金属も使用に供することができ、またこれらのエミッタの作製は上述のＭｏエミッタを作製した方法に準じて行うことができる。
【０２１９】
本実施の形態における多孔質発光体２は蛍光体粒子３又はこれを主成分とするものから構成されていて、本実施の形態においては蛍光体粒子３の表面を絶縁層４で被覆したものを使用した。
【０２２０】
蛍光体粒子３は、例えば平均粒径が２〜３μｍのＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+（青）、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ2+（緑）、ＹＢＯ3：Ｅｕ3+（赤）の３種類の無機化合物を所望の発光を得るために、それぞれ単独又はそれらを混合したものを用いることが可能である。
【０２２１】
本実施の形態においては前記青色の蛍光体粒子３を使用し、その表面にＭｇＯからなる絶縁性無機物の絶縁層４を形成した。具体的には、Ｍｇプレカーサー錯体溶液に蛍光体粒子３を加えて長時間にわたって攪拌し、取り出して乾燥後、大気中において４００〜６００℃で熱処理することにより、ＭｇＯの均一なコーティング層、すなわち絶縁層４を蛍光体粒子３の表面に形成した。上述の絶縁体層４がコーティングされた蛍光体粒子３を５０質量％とコロイダルシリカ水溶液を５０質量％混合してスラリー化する。
【０２２２】
次に、無機繊維からなるセラミック板（厚さが約１ｍｍ、Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ−ＳｉＯ2系で空隙率が約４５％のセラミック繊維板）を前記スラリーに浸漬して１００〜１５０℃の温度で１０〜３０分間乾燥することにより、セラミック板に蛍光体粒子の粉末を担持させる。その後、その両面にＡｇ電極ペーストを厚さ３０μｍに焼き付けて第一の電極６と第二の電極７を形成した。このようにして得られたセラミック繊維板を図３０Ｆに示すように、電子放出体１１９にコロイダルシリカ、水ガラス又はエポキシ樹脂を用いて貼付する。次に、多孔質発光体２の上面に透明なアノード電極（インジウム−錫酸化物合金（ＩＴＯ）、厚さ１５μｍ）１１１が塗布されたガラス（図示せず）を積層することにより、図２９に示すように電子放出体１１９の上に多孔質発光体２が形成され、かつ所定の位置に電極が配置されてなる発光素子１が得られる。なお、発光素子１の電極について、第一の電極６及び第二の電極７は、アノード電極１１１として用いる透明電極ＩＴＯの抵抗値が高いために補助電極として挿入している。このため、アノード電極１１１と第二の電極７を共通にすることやゲート電極１１３と第一の電極６を共通にすることも可能である。
【０２２３】
また、エミッタから放出される電子の軌道が大きくずれるのを防ぐために、ゲート電極上にＡｇペーストをスクリーン印刷し、集束電極を設置してもよい。
【０２２４】
次に、本実施の形態における発光素子１の発光作用について説明する。
【０２２５】
発光素子１を駆動するために、まず図２９のアノード電極１１１とカソード電極１１２の間及びゲート電極１１３とカソード電極１１２の間にそれぞれ８００Ｖ、８０Ｖの直流電界を印加することにより、スピント型エミッタ１００から図の矢印の方向に一次電子を放出させる。印加する電界は大きい方が電子の発生を促進するが、小さすぎると電子の放出は不十分になる。
【０２２６】
上述のようにして一次電子を放出させるとともに、第一の電極６と第二の電極７の間に交番電界を印加する。電荷の移動に伴い放出された一次電子は雪崩的に増倍されて多孔質発光体２の内部で沿面放電が発生するようになる。沿面放電は連鎖的に継続して生じ、蛍光体粒子の周りで電荷移動が発生し、さらに加速された電子が発光中心に衝突し多孔質発光体２が励起されて発光する。その際、紫外線や可視光線も発生し、紫外線によっても励起発光する。
【０２２７】
また、印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることにより、さらに周波数を数十Hzから数千Hz上げることで、電子放出や沿面放電がより激しく生じ、その結果、発光輝度が向上する。
【０２２８】
いったん沿面放電が開始されると連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０２２９】
具体的には、交流電源を用いて多孔質発光体１の厚さに対して約０．５〜１．０kV/mmの交番電界を印加することにより、電荷の移動とともに沿面放電が発生し、続いて発光が開始された。なお、その際印加する電界は大きい方が電子の発生を促進するが、小さすぎると電子の放出は不十分になる。
【０２３０】
また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光が継続し、高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。このようにして、青色換算で、２．０ ｌｍ／Ｗの発光効率、輝度２００ｃｄ／ｍ2、コントラスト５００：１の特性を持った発光デバイスを作製できた。
【０２３１】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や、減圧気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０２３２】
本実施の形態における発光素子１は、構造的に無機ＥＬ（ＥＬＤ）に近い構造であるが、構成やメカニズムが全く異なるものである。まず、構成に関しては既に背景技術で記載したように無機ＥＬに使用される蛍光体はＺｎＳ：Ｍｎ2+、ＧａＰ：Ｎなどに代表されるように半導体からなる発光体であるが、実施の形態における蛍光体粒子は絶縁体又は半導体のいずれでもよいが絶縁性蛍光体粒子の方が好ましい。すなわち、極端に抵抗値の低い半導体の蛍光体粒子を用いる際においても、既述したように蛍光体粒子が絶縁性無機物である絶縁層で均一に被覆することによって短絡することなく沿面放電により継続して発光させることができるからである。また、蛍光体層に関して無機ＥＬではサブミクロン〜数μｍの厚みであるのに対して、本実施の形態では数μｍ〜数百μｍの多孔質体である。さらに、本実施の形態における特徴は発光体が多孔質である点である。
【０２３３】
多孔質の形態については、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察した結果から蛍光体粒子が点接触した程度のパッキングである。
【０２３４】
また、蛍光体粒子として現行のプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）で使用されている紫外線発光の粉体を用いたが、陰極線管（ＣＲＴ）で使用されているＺｎＳ：Ａｇ（青）やＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｕ，Ａｌ（緑）、Ｙ2Ｏ3：Ｅｕ（赤）でも同様の発光を確認できた。
【０２３５】
本発明は電子放出体１１９で放出される電子に基づいて、雪崩的に沿面放電が発生し発光に至る発光素子であり、電子を照射させる新規な電子放出体を本発明の多孔質発光体２と組み合わせれば容易に発光させることができるものと推定される。
【０２３６】
なお、本実施の形態においては蛍光体粒子３のスラリーを作製するに当たり、コロイダルシリカ水溶液を使用したが、有機溶剤を使用しても同様の結果が得られることを確認した。蛍光体粒子５０質量％に対してα−テレピネオール４５質量％、エチルセルロース５質量％を混練したスラリーを作製し、上述のセラミック繊維板に浸漬させ、熱処理によって脱脂してもよい。
【０２３７】
また、本実施の形態では青色の蛍光体粒子を用いたが、赤又は緑を用いても同様の結果が得られることが判明した。なお青、赤、緑の混合粒子においても同様の結果が得られた。なお、本実施の形態においては第一の電極６と第二の電極７の間に交番電界を印加したが直流電界でも差し支えない。
【０２３８】
本実施の形態の発光素子によれば、沿面放電による発光であるために、従来のような蛍光体層形成に薄膜形成プロセスをほとんど用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり加工も容易である。
【０２３９】
（実施の形態１７）
図３１と図３２Ａ−Ｇを参照しながら、本実施の形態における電子放出体、多孔質発光体及び一対の電極を含む発光素子について説明する。本実施の形態の発光素子は多孔質発光体が無機蛍光体粒子を含み、かつ多孔質発光体が電子放出体から発生する電子によって照射されるように電子放出体に隣接して配置され、一対の電極が多孔質発光体の少なくとも一部に電界が印加されるように設置されてなるものである。特に、電子放出体がカソード電極、ゲート電極、前記２つの電極の間に介在させたカーボンナノチューブを含んでなり、カソード電極と前記ゲート電極の間にゲート電圧を印加することにより、カーボンナノチューブから放出される電子を多孔質発光体に照射して前記多孔質発光体を発光させる発光素子について説明する。
【０２４０】
図３１は本実施の形態における発光素子の断面図であり、１は発光素子、２は多孔質発光体、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、６は第一の電極、７は第二の電極、１１１はアノード電極、１１２はカソード電極、１１３はゲート電極、１１６は絶縁層、１１７は基板及び１２７はカーボンナノチューブである。
【０２４１】
まず、本実施の形態における発光素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。図３２Ａ−Ｇは図３１に示した発光素子の製造方法を説明するための図であり、図３２Ａに示すように、ガラスの基板１１７の表面にＡｕを蒸着してカソード電極１１２を形成する方法は既述の実施の形態１６と同様にして行う。なお、本実施の形態における基板はガラス以外にセラミックであってもよい。次に、図３２Ｂに示すように絶縁層１１６をカソード電極１１２の上に形成させる方法及び図３２Ｃに示すように、絶縁層１１６の上にＡｌからなるゲート電極１１３を形成する方法についても既述した実施の形態１６と同様にして行う。
【０２４２】
次に、カーボンナノチューブ５０質量％に対してα−テレピネオール４５質量％、エチルセルロース５質量％を混練したペースト１２５をスクリーン印刷により図３２Ｄに示すように、ゲート電極１１３の間の窪みに落とし込む。乾燥後、Ｎ2雰囲気中において４００℃で熱処理することにより、図３２Ｅに示すようにカーボンナノチューブ１２７が上記の窪みに堆積する。しかるのちに、粘着フィルムをカーボンナノチューブの表面に接着させてから剥離する方法により、カーボンナノチューブの配向処理を行うと、図３２Ｆに示すような電子放出体として好ましい形態である垂直配向されたカーボンナノチューブが形成される。
【０２４３】
なお、上述のゲート電極を形成した基板に感光性カーボンナノチューブペーストをコーティングし、フォトマスクを用いて露光し現像することによりカーボンナノチューブをパターンニングすることも可能である。また、カーボンナノチューブの垂直配向のためのプロセスとしてレーザー照射法を用いることもできる。具体的には、上記のカーボンナノチューブを含有するペーストを用いてカーボンナノチューブ膜を形成した後に、レーザーを照射してカーボンナノチューブ膜に含まれる有機樹脂をバーンアウトすることにより、膜表面にカーボンナノチューブを露出させるとともに起毛させる方法である。
【０２４４】
次に、既述の実施の形態１６と同様に、無機繊維からなるセラミック板（厚さが約１ｍｍ、Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ−ＳｉＯ2系で空隙率が約４５％のセラミック繊維板）に蛍光体粒子粉末を担持させたものを作製し、その両面にＡｇ電極ペーストを厚さ３０μｍに焼き付けて第一の電極６と第二の電極７を形成した。このようにして得られたセラミック繊維板を図３２Ｇに示すように、電子放出体１１９にコロイダルシリカ、水ガラス又はエポキシ樹脂を用いて貼付する。しかるのちに、多孔質発光体２の上面に透明なアノード電極（インジウム−錫酸化物合金（ＩＴＯ）、厚さ１５μｍ）１１１が塗布されたガラス（図示せず）を積層することにより、電子放出体１１９の上に多孔質発光体２が形成され、かつ所定の位置に電極が配置されてなる図３１に示すような本実施の形態における発光素子１が得られる。
【０２４５】
次に、発光素子１の発光作用について説明する。発光素子１を駆動するために、まず図３１のアノード電極１１１とカソード電極１１２の間及びゲート電極１１３とカソード電極１１２の間にそれぞれ７５０、８０Ｖの直流電界を印加することにより、カーボンナノチューブから図の矢印の方向に電子を放出させる。
【０２４６】
上述のようにして電子を放出させるとともに、第一の電極６と第二の電極７の間に交番電界を印加する。電荷の移動に伴い放出された電子は雪崩的に増倍されて多孔質発光体２の内部で沿面放電が発生するようになる。沿面放電は連鎖的に継続して生じ、蛍光体粒子の周りで電荷移動が発生し、さらに加速された電子が発光中心に衝突し多孔質発光体２が励起されて発光する。その際、紫外線や可視光線も発生し、紫外線によっても励起発光する。
【０２４７】
また、印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることにより、さらに周波数を数十Hzから数千Hz上げることで電子放出や沿面放電がより激しく生じ、その結果発光輝度が向上する。
【０２４８】
いったん沿面放電が開始されると、上述したように連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０２４９】
具体的には、交流電源を用いて多孔質発光体１の厚さに対して約０．５〜１．０ｋV／ｍｍの交番電界を印加することにより、電荷の移動とともに沿面放電が発生し、続いて発光が開始された。なお、その際印加する電界は大きい方が電子の発生を促進するが、小さすぎると電子の放出は不十分になる。
【０２５０】
また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光の継続が確認された。
【０２５１】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や、減圧気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０２５２】
また、本実施の形態では青色の蛍光体粒子を用いたが、赤又は緑を用いても同様の結果が得られることが判明した。なお青、赤、緑の混合粒子においても同様の結果が得られた。
【０２５３】
本実施の形態の発光素子によれば、沿面放電による発光であるために、従来のような蛍光体層形成に薄膜形成プロセスをほとんど用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり加工も容易である。
【０２５４】
（実施の形態１８）
図３３と図３４A-Cを参照しながら、本実施の形態における電子放出体、多孔質発光体及び一対の電極を含む発光素子について説明する。本実施の形態の発光素子は多孔質発光体が無機蛍光体粒子を含み、かつ多孔質発光体が電子放出体から発生する電子によって照射されるように電子放出体に隣接して配置され、一対の電極が前記多孔質発光体の少なくとも一部に電界が印加されるように設置されてなるものである。特に、電子放出体が表面伝導型電子放出素子であって、金属酸化膜に微細な間隙を設け、金属酸化膜に予め配備した電極に電圧を印加することによって、前記の間隙に電界を印加し、間隙から発生した電子を多孔質発光体に照射させてなる発光素子について説明する。
【０２５５】
図３３は本実施の形態における発光素子の断面図であり、１は発光素子、２は多孔質発光体、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、６は第一の電極、７は第二の電極、１１７は基板、１３０は間隙、１３１はＰｄＯ超微粒子膜、及び１３２はＰｔ電極である。
【０２５６】
まず、本実施の形態における発光素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。図３４Ａ−Ｃは図３３に示した本実施の形態における発光素子の製造方法を説明するための図である。図３４Ａに示すように、セラミック基板１７の表面にＰｔペーストをスクリーン印刷によるパターンニングでＰｔ電極１３２を小さな間隙を設けた状態で基板上に形成する。次に、図３４Ｂに示すように、インクジェットプリンティングによりＰｄＯインクでＰｔ電極１３２をブリッジするように被覆し、焼成してＰｄＯ超微粒子膜１３１をＰｔ電極１３２上に形成する。続いて、電気的処理を施すことにより、図３４Ｃに示すようにＰｄＯ超微粒子膜３１に亀裂を発生させ１０ｎｍ程度の微細な間隙３０を形成する。このようにして本実施の形態の電子放出体が構成されていることから、フォトリソグラフィのプロセスを使わず、工程数も比較的少なくなり経済性やディスプレイの大型化の点できわめて優れている。
【０２５７】
次に、既述した実施の形態１６と同様に、無機繊維からなるセラミック板（厚さが約１ｍｍ、Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ−ＳｉＯ2系で空隙率が約４５％のセラミック繊維板）に蛍光体粒子粉末を担持させたものを作製し、その両面にＡｇ電極ペーストを３０μｍの厚さに焼き付けて第一の電極６と第二の電極７をそれぞれ形成する。得られたセラミック繊維板を図３３に示すように、電子放出体１１９にコロイダルシリカ、水ガラス又はエポキシ樹脂を用いて貼付する。
【０２５８】
このようにして、電子放出体１１９の上に多孔質発光体２が配置され、かつ所定の位置に電極が配備された図３３に示すような本実施の形態における発光素子１が得られる。
【０２５９】
次に、この発光素子１の発光作用について説明する。発光素子１を駆動するために、まず図３３に示す２つのｐｔ電極１３２間に１２〜１６Ｖの直流電圧を印加すると、一方の電極から１０ｎｍのスリットを介してトンネル効果によって図の矢印の方向に電子が放出され、多孔質発光体２へ照射される。
【０２６０】
上述のようにして電子を放出させるとともに、第一の電極６と第二の電極７の間に交番電界を印加する。電荷の移動に伴い放出された電子は雪崩的に増倍されて多孔質発光体２の内部で沿面放電が発生するようになる。沿面放電は連鎖的に継続して生じ、蛍光体粒子の周りで電荷移動が発生し、さらに加速された電子が発光中心に衝突し多孔質発光体２が励起されて発光する。その際、紫外線や可視光線も発生し、紫外線によっても励起発光する。
【０２６１】
また、印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることにより、さらに周波数を数十Hzから数千Hz上げることで電子放出や沿面放電がより激しく生じ、その結果発光輝度が向上する。
【０２６２】
いったん沿面放電が開始されると、上述したように連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０２６３】
具体的には、交流電源を用いて多孔質発光体２の厚さに対して約０．５〜１．０ｋV／ｍｍの交番電界を印加させることにより、電荷の移動と沿面放電が発生し、続いて発光が開始された。なお、その際印加する電界は大きい方が電子の発生を促進するが、小さすぎると電子の放出は不十分になる。
【０２６４】
また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光の継続が確認された。
【０２６５】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や、減圧気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０２６６】
また、蛍光体粒子として現行のプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）で使用されている紫外線発光の粉体を用いたが、陰極線管（ＣＲＴ）で使用されているＺｎＳ：Ａｇ（青）やＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｕ，Ａｌ（緑）、Ｙ2Ｏ3：Ｅｕ（赤）でも同様の発光を確認できた。
【０２６７】
本発明は電子放出体１１９で放出される電子を基点として雪崩的に沿面放電が発生し発光に至る発光素子であり、電子を照射させる新規な機能を有するデバイスを多孔質発光体２に付加すれば容易に発光するものと予想される。
【０２６８】
また、本実施の形態では青色の蛍光体粒子を用いたが、赤又は緑を用いても同様の結果が得られることが判明した。なお青、赤、緑の混合粒子においても同様の結果が得られた。
【０２６９】
本実施の形態の発光素子によれば、沿面放電による発光であるために、従来のような蛍光体層形成に薄膜形成プロセスをほとんど用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり加工も容易である。
【０２７０】
なお、本実施の形態で記述した電子放出体を用いる代わりに、類似の電子放出体として絶縁層を２つの電極で挟持し、両電極に電界を印加することにより、電子を放出させることもできる。具体的には、上部電極としてＩｒ−Ｐｔ−Ａｕ合金、カソード電極としてＡｌ、絶縁層としてＡｌ2Ｏ3をそれぞれ使用し、絶縁層を２つの電極で挟持して電極間に電界を印加すると上部電極から電子が放出されるので、このような電子放出体を用いて多孔質発光体に照射させる仕組みにすることにより発光素子を作製することも可能である。
【０２７１】
（実施の形態１９）
図３５と図３６Ａ−Ｄを参照しながら、本実施の形態における電子放出体、多孔質発光体及び一対の電極を含む発光素子について説明する。本実施の形態の発光素子は多孔質発光体が無機蛍光体粒子を含み、かつ多孔質発光体が電子放出体から発生する電子によって照射されるように電子放出体に隣接して配置され、一対の電極が前記多孔質発光体の少なくとも一部に電界が印加されるように設置されている。特に、電子放出体がポリシリコン薄膜、シリコン微結晶、シリコン微結晶の表面に形成された酸化膜を含んでなり、電子放出体への電圧の印加により放出される電子を多孔質発光体に照射して多孔質発光体を発光させる発光素子について説明する。
【０２７２】
図３５は本実施の形態における発光素子の断面図であり、１は発光素子、２は多孔質発光体、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、６は第一の電極、７は第二の電極、１１２はカソード電極、１１９は電子放出体、１４１は金属薄膜電極、１４５はポリシリコン及び１４７はシリコン微結晶である。図３６Ａ−Ｄは図３５に示した発光素子の製造方法を説明するための図であり、図３６Ａに示すように、ガラスの基板１４３の表面にＡｕを蒸着してフォトリソグラフィの技法により、カソード電極１１２をパターンニングして形成する。続いて、図３６Ｂに示すように、柱状ポリシリコンをプラズマＣＶＤ法で形成する。
【０２７３】
次に、図３６Ｃに示すようにカソード電極１１２上のポリシリコン１４５をポーラス化し、ナノシリコン微結晶１４７を形成する。具体的にはフッ酸とエチルアルコールの混合溶液に基板を浸漬して、基板を正極にして対極としてのＰｔを負極にして、その間に電圧を印加するとカソード電極１１２上にシリコン微結晶が形成される。
【０２７４】
次に、基板１４３を洗浄してから硫酸溶液に浸漬し、やはり基板を正極、Ｐｔを負極にして電圧を印加するとポリシリコン１４５とシリコン微結晶の表面がともに酸化される。最終的に、図３６Ｄに示すようにＡｕ合金、Ａｇ合金などの金属薄膜電極１４１をスパッタリングして設け、フォトエッチングでパターンニングすることにより電子放出体１１９が得られる。このように本実施の形態における電子放出体の製造方法は比較的工程数が少なく、ウエットプロセスを用いて作製できることから経済性にも優れたものである。
【０２７５】
次に、既述した実施の形態１１と同様に、無機繊維からなるセラミック板（厚さが約１ｍｍ、Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ−ＳｉＯ2系で空隙率が約４５％のセラミック繊維板）に蛍光体粒子粉末を担持させたものを作製し、その両面にＡｇ電極ペーストを厚さ３０μｍに焼き付けて第一の電極６と第二の電極７を形成した。このようにして得られたセラミック繊維板を図３５に示すように、電子放出体１１９にコロイダルシリカ、水ガラス又はエポキシ樹脂を用いて貼付する。
【０２７６】
上述の工程によって、電子放出体１１９の上に多孔質発光体２が配置され、かつ所定の位置に電極が配備されてなる本実施の形態における図３５の発光素子１が得られる。
【０２７７】
次に、この発光素子１の発光作用について説明する。発光素子１を駆動するために、まず図３５の金属薄膜電極１４１とカソード電極１１２の間に１５〜２０Ｖの直流電界を印加することにより、カソード電極から電子がシリコン微結晶をトンネリングし、表面の酸化膜によって加速されて多孔質発光体中に放出される。
【０２７８】
上述のようにして電子を放出させるとともに、第一の電極６と第二の電極７の間に交番電界を印加する。電荷の移動に伴い放出された電子は雪崩的に増倍されて多孔質発光体２の内部で沿面放電が発生するようになる。沿面放電は連鎖的に継続して生じ、蛍光体粒子の周りで電荷移動が発生し、さらに加速された電子が発光中心に衝突し多孔質発光体２が励起されて発光する。その際、紫外線や可視光線も発生し、紫外線によっても励起発光する。
【０２７９】
また、印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることにより、さらに周波数を数十Hzから数千Hz上げることで電子放出や沿面放電がより激しく生じ、その結果、発光輝度が向上する。
【０２８０】
いったん沿面放電が開始されると、上述したように連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０２８１】
本実施の形態においては、交流電源を用いて多孔質発光体２の厚さに対して約０．５〜１．０ｋV／ｍｍの交番電界を印加させることにより、電荷の移動と沿面放電が発生し、続いて発光が開始された。なお、その際印加する電界は大きい方が電子の発生を促進するが、小さすぎると電子の発生は不十分になる。
【０２８２】
また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光の継続が確認された。
【０２８３】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や、減圧気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０２８４】
また、本実施の形態では青色の蛍光体粒子を用いたが、赤又は緑を用いても同様の結果が得られることが判明した。なお青、赤、緑の混合粒子においても同様の結果が得られた。
【０２８５】
本実施の形態の発光素子によれば、沿面放電による発光であるために、従来のような蛍光体層形成に薄膜形成プロセスをほとんど用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり加工も容易である。
【０２８６】
（実施の形態２０）
図３７Ａ−Ｃを参照しながら、本実施の形態における発光素子の一部を構成している電子放出体について説明する。本実施の形態における電子放出体は既述したカーボンナノチューブの代りに、ウィスカーエミッタを用いてなるものである。
【０２８７】
図３７Ａ−Ｃは本実施の形態における電子放出体の製造方法を説明するための図であり、１１２はカソード電極、１１３はゲート電極、１１６は絶縁層、１１７は基板、１５５は有機金属錯体ガス、１５７はウィスカーエミッタである。図３７Ａに示すように、ガラスの基板１１７の表面にＡｕを蒸着してカソード電極１１２を形成し、その上に絶縁層１１６、さらに絶縁層１１６の上にゲート電極１１３を形成する方法については既述の実施の形態１９と同様にして行う。次に、図３７Ｂに示すようにＣＶＤ法でウィスカーエミッタを形成する。具体的にはＡｌ：Ｚｎ有機金属錯体ガス１５５を大量にカソード電極に向かってシャワーする。その際、一定のガス量以上になると熱酸化したＡｌ：ＺｎＯ膜が垂直方向成長するようになる。さらに、原料ガスを増やすと膜の先端が鋭利になって数ｎｍレベルまで先鋭化する。このため、Ａｌ：ＺｎＯウィスカーが自己整合的にパターンニングと垂直配向が行われる。原料ガスの投入量、成膜温度、成膜時間に注意しながら、成膜することにより、図３７Ｃに示すようにＡｌ：ＺｎＯウィスカーエミッタ１５７を有する電子放出体が得られる。
【０２８８】
次に、既述した実施の形態１１と同様の方法で無機繊維からなるセラミック板（厚さが約１ｍｍ、Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ−ＳｉＯ2系で空隙率が約４５％のセラミック繊維板）に蛍光体粒子粉末を担持させた多孔質発光体を作製し、所定の電極を配備して上述の電子放出体の上に積層することにより、発光素子（図示せず）が得られる。
【０２８９】
次に、この発光素子１の発光作用について説明する。発光素子を駆動するために、まずアノード電極とカソード電極の間及びゲート電極とカソード電極の間にそれぞれ８５０、８０Ｖの直流電界を印加することにより、ウィスカーエミッタから電子を放出させる。
【０２９０】
上述のようにして電子を放出させるとともに、第一の電極と第二の電極の間に交番電界を印加する。電荷の移動に伴い放出された電子は雪崩的に増倍されて多孔質発光体の内部で沿面放電が発生するようになる。沿面放電は連鎖的に継続して生じ、蛍光体粒子の周りで電荷移動が発生し、さらに加速された電子が発光中心に衝突し多孔質発光体が励起されて発光する。その際、紫外線や可視光線も発生し、紫外線によっても励起発光する。
【０２９１】
また、印加する交番電界の波形を正弦波やノコギリ波から矩形波に変えることにより、さらに周波数を数十Hzから数千Hz上げることで、電子放出や沿面放電がより激しく生じ、その結果発光輝度が向上する。
【０２９２】
いったん沿面放電が開始されると、上述したように連鎖的に放電が繰り返され、絶えず紫外線や可視光線を発生するので、光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０２９３】
具体的には、交流電源を用いて多孔質発光体の厚さに対して約０．５〜１．０ｋV／ｍｍの交番電界を印加させることにより、電荷の移動と沿面放電が発生し、続いて発光が開始された。なお、その際印加する電界は大きい方が電子の発生を促進するが、小さすぎると電子の放出は不十分になる。また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％に低下させても発光の継続が確認された。
【０２９４】
本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、酸素、窒素及び不活性ガス中や、減圧気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０２９５】
また、本実施の形態では青色の蛍光体粒子を用いたが、赤又は緑を用いても同様の結果が得られることが判明した。なお青、赤、緑の混合粒子においても同様の結果が得られた。
【０２９６】
本実施の形態の発光素子によれば、沿面放電による発光であるために、従来のような蛍光体層形成に薄膜形成プロセスをほとんど用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり加工も容易である。
【０２９７】
なお、上述の電子放出体において、ウィスカーエミッタの代わりに、炭化珪素又はダイアモンド薄膜などを用いることも可能であり、これらの材料においても上述のカソード電極とゲート電極の間にゲート電圧を印加することにより、そこから電子を放出させて多孔質発光体に照射させることもできる。
【０２９８】
（実施の形態２１）
本実施の形態においては図３８乃至図４０を参照しながら、電子放出体、多孔質発光体及び一対の電極を含む発光素子において、特に多孔質発光体に電界を印加するために設置される一対の電極について説明する。
【０２９９】
図３８乃至図４０は発光素子の一部分を構成する多孔質発光体の断面図であり、２は多孔質発光体、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、６は第一の電極、及び７は第二の電極である。図３８に示す多孔質発光体は既述の実施の形態１６と同様に、青色の蛍光体粒子３を使用し、その表面にＭｇＯからなる絶縁性無機物の絶縁層４を形成したものを使用した。具体的には、Ｍｇプレカーサー錯体溶液に蛍光体粒子を加えて長時間にわたって攪拌してから取り出して乾燥後、大気中において４００〜６００℃で熱処理することにより、ＭｇＯの均一なコーティング層、すなわち絶縁層を蛍光体粒子の表面に形成させたものである。上述の絶縁体層４がコーティングされた蛍光体粒子３を５０質量％とコロイダルシリカ水溶液を５０質量％混合してスラリー化する。
【０３００】
次に、無機繊維からなるセラミック板（厚さが約１ｍｍ、Ａｌ2Ｏ3−ＣａＯ−ＳｉＯ2系で空隙率が約４５％のセラミック繊維板）を前記スラリーに浸漬して１２０〜１５０℃の温度で１０〜３０分間乾燥することにより、セラミック板に蛍光体粒子粉末を担持させる。しかるのちに、図３８に示すように、上面にＡｇ電極ペーストを厚さ３０μｍに焼き付けて第一の電極６と第二の電極７を形成した。このようにして得られたセラミック繊維板を、電子放出体にコロイダルシリカ、水ガラス又はエポキシ樹脂を用いて貼付することにより、本発明の発光素子（図示せず）が得られる。
【０３０１】
また、既述した実施の形態１においては図３８に示すように、多孔質発光体の上面と下面に対向して第一の電極６と第二の電極７を形成したが、図３９に示すように、上下両面に襷がけに形成することも可能である。
【０３０２】
次に、図４０に示すように、第一の電極６と第二の電極７をともに多孔質発光体２に埋設させて形成する場合について説明する。ＭｇＯからなる絶縁層４で表面が被覆された蛍光体粒子３をポリビニルアルコール５質量％と混合し造粒した後、成型用金型を用いて約５０ＭＰａの圧力で板状に成形した。次に、窒素雰囲気中４５０〜１２００℃で２〜５時間熱処理を行い、板状の多孔質発光体２を作製した。多孔質発光体の見かけ気孔率が１０％未満になると、沿面放電が発光体の表面でしか発生しなくなり発光効率が低いものとなる。そのため、見かけ気孔率が１０％以上の多孔質構造を有する多孔質発光体が望ましい。また、発光体の気孔があまりにも大きく気孔率が過大になると、発光効率が低下することや沿面放電が発生しにくくなることが予想されるので、理想的には見かけ気孔率が１０％以上〜１００％未満が好適である。
【０３０３】
上記のようにして得られた板状の多孔質発光体２の表面にＡｇ電極ペーストを厚さ３０μｍに焼き付けて第一の電極６と第二の電極７を形成した。しかるのちに、上述の絶縁層４でコーティングされた蛍光体粒子３を５０質量％とコロイダルシリカ水溶液を５０質量％混合してスラリー化したものを電極が形成された上記の多孔質発光体の表面に塗布し、１２０〜１５０℃の温度で１０〜３０分間乾燥する。こうすることにより、図４０に示すように第一の電極６と第二の電極７がともに埋設された多孔質発光体が得られる。
【０３０４】
なお、蛍光体粒子の表面にＭｇＯの絶縁層を形成する方法は次のように行ってもよい。まず、金属アルコキシドであるＭｇ（ＯＣ2Ｈ5）2粉末（１モル比）にＣＨ3ＣＯＯＨ（１０モル比）、Ｈ2Ｏ（５０モル比）及びＣ2Ｈ5ＯＨ（５０モル比）からなる溶液を室温で攪拌しながらよく混合し、ほぼ透明なゾル・ゲル溶液を調製する。これに平均粒径が２〜３μｍのＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+（青）、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ2+（緑）、ＹＢＯ3：Ｅｕ3+（赤）のなどの蛍光体粒子（２モル比）を上述のゾル・ゲル溶液中に攪拌しながら少しずつ加えて混合する。この操作を一日継続して行ってから混合溶液を遠心分離し、粉体をセラミックス製のバットに取り、１５０℃で一昼夜乾燥させた。
【０３０５】
次に、乾燥後の粉体を大気中で４００〜６００℃、２〜５時間仮焼することにより、蛍光体粒子の表面にＭｇＯからなる均一な絶縁層を形成させることができた。
【０３０６】
絶縁層の厚さは、蛍光体粒子を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した結果、０．１〜２．０μmであった。上述のように絶縁層の被覆は、蛍光体粒子を金属アルコキシド溶液に浸漬して行うこと、既述したように金属錯体溶液を用いて行うこと、又は蒸着、スパッタ又はＣＶＤにより行うことなどがいずれも可能である。
【０３０７】
また、絶縁層として用いる金属酸化物は、Ｙ2Ｏ3，Ｌｉ2Ｏ，ＭｇＯ，ＣａＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，ＭｇＴｉＯ3，ＣａＴｉＯ3，ＢａＴｉＯ3，ＳｒＴｉＯ3，ＺｒＯ2，ＴｉＯ2，Ｂ2Ｏ3等が知られていて、これらのうちの少なくとも１種類を用いて絶縁層を形成することが望ましい。
【０３０８】
特に、気相法で絶縁層を形成する際には蛍光体粒子を窒素雰囲気中で２００〜５００℃、１〜５時間程度前処理することが望ましく、通常蛍光体粒子は吸着水や結晶水を多量に含んでおり、このような状態で絶縁層を形成すると、輝度低下や発光スペクトルのシフトなどの寿命特性に影響を及ぼすことになり好ましくない。
【０３０９】
なお、絶縁層の厚さは０．１〜２．０μm程度としたが、蛍光体粒子の平均粒径や沿面放電の発生状況を考慮して決定され、平均粒径がサブミクロンオーダーの場合には非常に薄いコーティング層を形成する必要があるものと考えられる。
【０３１０】
絶縁層の厚さが大きくなると発光スペクトルのシフト、輝度低下、電子の遮蔽の点から好ましくない。また、絶縁層が薄くなると沿面放電の継続的な発生がやや難しくなることが予想される。したがって、蛍光体粒子の平均粒径と絶縁層の厚さの関係は前者１に対して後者は１／１０〜１／５００の範囲にあることが好ましい。
【０３１１】
また、蛍光体粒子がそれぞれ金属酸化物からなる絶縁層で被覆されていることが好ましいが、実際には２，３の蛍光体粒子が凝集した状態で被覆されている。このように蛍光体粒子が多少凝集した状態でコーティングされていても発光のようすにほとんど影響は認められない。
【０３１２】
こうして得られた多孔質発光体を用いて、本発明の発光素子を作製したところ、高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光素子が得られることを確認した。
【０３１３】
なお、絶縁層４で表面を被覆された蛍光体粒子３を作製する際、沿面放電の発生を助長するために、絶縁性繊維１８を混合して、多孔質発光体２を作製することもできる。その際に用いる絶縁性繊維１８としては、SiO2-Al2O3-CaO系の電気的絶縁性繊維などが好適である。このようにして得られた多孔質発光体の断面の模式図を図４１に示す。また、絶縁層４で被覆された蛍光体粒子３を熱処理する代わりに簡便な方法として蛍光体粒子３と絶縁性繊維１８の混合物を用いることも可能である。図４２は蛍光体粒子３と絶縁性繊維１８の混合物から得られた多孔質発光体の断面の模式図である。
【０３１４】
（実施の形態２２）
本実施の形態においては既述した本発明の多孔質発光体とスピント型エミッタを含む電子放出体を組み合わせて作製した電界放出ディスプレイ（ＦＥＤ）の構造の概要について図面を用いて説明する。
【０３１５】
図４３は本実施の形態における電界放出ディスプレイの主要部の分解斜視図であり、図４４は本実施の形態におけるスピント型エミッタを用いた発光素子のアレイの断面図である。図４３において、２は多孔質発光体、１１９は電子放出体、１７０は電界放出ディスプレイ、１７１はゲートライン、１７２はカソードライン、１７３はアノード基板、１７４はカソード基板である。図４４において、１は発光素子、２は多孔質発光体、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、１００はスピント型エミッタ、１１１はアノード電極、１１２はカソード電極、１１３はゲート電極、１１６は絶縁体、１１７は基板、１７５はスペーサである。
【０３１６】
図４３に示すように、本実施の形態における電界放出ディスプレイ１７０においては電子放出体１１９を搭載するカソード基板１７４の上に多孔質発光体２を有するアノード基板１７３を対向させて積層してある。カソード基板１７４には互いに直交したゲートライン１７１とカソードライン１７２の２層の配線が形成されていて、その交点に電子放出体１１９が形成されている。こうすることにより、本実施の形態における電界放出ディスプレイ１７０においてはＣＲＴのように電子ビームを偏向することなく蛍光面に２次元の映像を表示することができる。
【０３１７】
実施の形態１６において説明したように、スピント型エミッタ１００を用いる電子放出体１１９では、円錐形状のスピント型エミッタ１００とそれを取り囲むようにして形成された電子の引き出し電圧を印加するためのゲート電極１１３から構成されている。
【０３１８】
電子をエミッタから放出させる際にはゲートに正電位、エミッタに負電位を印加する。円錐形状のエミッタの先端部分には強い電界の集中が生じ、そこから電子が多孔質発光体２の方向に放出される。Ｍｏスピント型エミッタでは１５〜８０Ｖの電圧で電子が放出される。また、実際のディスプレイパネルにおいては１画素あたり複数個のエミッタを対応させて形成し、エミッタの動作状況に高い冗長性を持たせることができる。こうすることにより、この種の素子に特有の電流変動も統計的に平均化されるために安定した画素発光が得られる。また、マトリックス駆動は所謂単純マトリックス駆動が可能であり、ゲートライン１７１に正の走査パルスを加えつつエミッタライン１７２に負のデータ電圧を与えて同時に１ラインを表示させる。走査パルスを順次切り替えることにより、２次元の像が表示できる。なお、マトリックス状に配置された画素の１つ１つにトランジスタを置き、それぞれの画素をＯＮ−ＯＦＦすることによりアクティブ駆動も可能である。
【０３１９】
一例として、複数個のスピント型エミッタ１００を形成し、それぞれのエミッタに対応するように多孔質発光体２を積層させた発光素子の断面を図４４に示す。その際、図示したように発光のクロストークを回避するために、多孔質発光体２にスペーサ１７５を形成する方が望ましい。なお、本実施の形態における電界放出ディスプレイでは電子放出体１１９としてスピント型エミッタ１００を用いたものについて記述したが、必ずしもこれに限るものではなく、電子を放出せる機能を有するものであれば本発明の多孔質発光体と組み合わせることにより、電界放出ディスプレイを作製することが可能である。
【０３２０】
（実施の形態２３）
図４５Ａ−Ｃは本実施の形態における発光素子の断面図であり、これらの図において１は発光素子、２は多孔質発光体層、３は蛍光体粒子、４は絶縁層、５は基板、６は第一の電極、７は第二の電極、８は透光性基板、９は気体層、１０は誘電体層及び１１は隔壁である。
【０３２１】
図４５Ａの発光素子の製造方法は以下の通りである。先ず、厚さが０．３〜１．０ｍｍの誘電体１０の焼結体の片面にＡｇペーストを３０μｍの厚さに焼き付けて、所定の形状の第一の電極６を形成する。次に、ガラス又はセラミック製の基板５上に前記の第一の電極が形成された側を接着させる。誘電体は実施の形態１で既述したものがいずれも使用に供することができる。
【０３２２】
次に、実施の形態１と同様にしてＭｇＯ等の金属酸化物からなる絶縁層４で表面を被覆した蛍光体粒子３を準備する。蛍光体粒子３として、平均粒径が２〜３μｍのＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+（青）、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ2+（緑）、ＹＢＯ3：Ｅｕ3+（赤）等の無機化合物を用いることが可能である。
【０３２３】
本実施の形態においてはＭｇＯからなる絶縁層４で表面が被覆された蛍光体粒子３をポリビニルアルコール５質量％と混合し造粒した後、成型用金型を用いて約５０ＭＰａの圧力で板状に成形した。こうして得られた成型体を窒素雰囲気中４５０〜１２００℃で２〜５時間熱処理を行い、板状の多孔質発光体２を作製した。
【０３２４】
多孔質発光体の見かけ気孔率が１０％未満になると、多孔質発光体層に電子が衝突した際、多孔質発光体層の表面では発光するが、電子が発光層の内部までは注入されないため層内ではほとんど発光しないので発光効率が低いものとなる。そのため放電により発生した電子が多孔質発光体層の内部へ円滑に注入されるように、本実施の形態における多孔質発光体の見かけ気孔率は１０％以上の多孔質構造を有するものであることが望ましい。また、多孔質発光体の見かけ気孔率がきわめて大きくなると、かえって発光効率が低下することや多孔質発光体層の内部において沿面放電が発生しにくくなるため見かけ気孔率は１０％以上〜１００％未満の範囲が好適である。特に、５０〜１００％未満の範囲が好ましい。
【０３２５】
上記のようにして得られた板状の多孔質発光体２を誘電体層１０にガラスペーストを用いて貼付する。その際、ガラスペーストは多孔質発光体層の両端の位置にスクリーン印刷し、ここへ多孔質発光体層を接着する。その後、５８０℃で熱処理すると多孔質発光層は気体層が介在する状態で誘電体層１０と接着させることができる。
【０３２６】
次に、ＩＴＯ（インジウム−錫酸化物合金）からなる第二の電極７が多孔質発光体層に対向して位置するようにあらかじめ形成されたガラス板等の透光性基板８で多孔質発光体層を覆うと、図４５Ａに示す発光素子１が得られる。その際、多孔質発光体層２と第二の電極７の間には気体の存するわずかな間隙が生じるように、ガラスペースト、コロイダルシリカ、水ガラス又は樹脂等を用いて透光性基板８を熱処理により貼付する。これにより、図４５Ａに示すように多孔質発光体層の上下に気体層が存する状態で、多孔質発光体層の両端部が隔壁１１として機能するガラスペースト等で接着される。
【０３２７】
本実施の形態における特徴である多孔質発光体層の上下の両側に存する気体層、すなわち多孔質発光体層２と誘電体層１０の間に介在する気体層と多孔質発光体層と第二の電極の間に介在する気体層の厚さは共に２０〜２５０μｍの範囲が好適であり、特に３０〜２２０μｍが最も好ましい範囲である。上記の範囲より大きくなると、放電の発生に高電圧を印加する必要があり、経済性の理由から好ましくない。また、上記の範囲より気体層の厚さは薄くても差し支えがなく、気体の平均自由行程以上であれば実質的に問題はないが、気体層が非常に薄くなると発光素子の作製の工程で厚さの制御がやや難しくなる。
【０３２８】
なお、本実施の形態における多孔質発光体層の上下に存する気体層の厚さは必ずしも同じである必要はない。しかし、発光体層の上下２箇所に気体層を設ける場合には、それぞれの気体層の厚さは図１のように発光体層の片側の１箇所だけに気体層がある場合に比較して、やや狭く設定する方が好ましい。気体層の厚さが大きくなると、放電に際して比較的高い電圧を印加する必要があり、経済性の点から好ましくない。
【０３２９】
上述したように本実施の形態においては多孔質発光体層の上下に気体層を設けることに特徴があり、一対の電極である第一の電極と第二の電極に交流電界を印加すると上下の気体層で同時に放電する結果、電子が多孔質発光体層の上下から放出されて発光体層へ効率よく注入される。すなわち、印加する交流電界を徐々に大きくし、気体層に絶縁破壊電圧以上の電圧が印加されると放電が起こるようになり、気体層で電子が増倍されて、多孔質発光体に電子が衝突し多孔質発光体層の発光中心が電子で励起されて発光する。このように気体層は電子供給源として作用していて、発生した電子は多孔質発光体層の上下から注入され、発光体層の全体で沿面放電を発生させながら層内部を雪崩のように通過する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。このように多孔質発光体層の上下から電子が効率的に注入される結果、実施の形態１で記述したように発光体層の片側から電子が注入される場合に比較して、本実施の形態における多孔質構造を有する発光体層においては層全体が満遍なく均一に効率よく発光し、その結果輝度は格段に高くなる。
【０３３０】
上述のようにして、本実施の形態においては気体層と前記気体層に接触する多孔質発光体層と前記気体層及び前記多孔質発光体層とに電界を印加するための少なくとも一対の電極とを有する発光素子で、特に多孔質発光体層の一方の面に気体層を介して、誘電体層と電界を印加するための一対の電極の内の第一の電極が配置され、前記多孔質発光体層の前記誘電体層と前記第一の電極が配置されていない他の面に前記一対の電極の内の第二の電極が気体層を介して配置された発光素子が作製できる。
【０３３１】
また、本実施の形態においては図４５Ｂに示すように、多孔質発光体層２，２と誘電体層１０の間には気体層９からなる間隙を設けずに、多孔質発光体層２，２と電極６，７の間にそれぞれ気体層９，９からなる間隙を設けても差し支えない。
【０３３２】
このようにすれば、気体層９，９とこれに接触する多孔質発光体層２，２とに一対の電極６，７から電界を印加することにより、多孔質発光体層２，２を発光できる。
【０３３３】
本実施の形態においては、多孔質発光体層を形成する熱処理工程で特に留意すべきことは、熱処理温度と雰囲気である。本実施の形態では窒素雰囲気中で４５０〜１２００℃の温度範囲で熱処理を施したために、蛍光体にド−プされた希土類原子の価数に変化がなかった。しかし、この温度範囲より高温で処理するときには希土類原子の価数が変化することや絶縁層と蛍光体からなる固溶体が発生する可能性があり注意が必要である。熱処理雰囲気については、上述のように蛍光体粒子にド−プされている希土類原子の価数に影響を及ぼさないようにするために窒素雰囲気が好ましい。
【０３３４】
絶縁層の厚さは本実施の形態では０．１〜２．０μm程度としたが、蛍光体粒子の平均粒径や沿面放電を効率よく発生させることを考慮して決定される。また、蛍光体の平均粒径がサブミクロンオーダーになると、比較的薄く被覆する方がよい。絶縁層が厚くなると発光スペクトルのシフト、輝度低下等が発生するため好ましくない。逆に、絶縁層が薄くなると沿面放電がやや発生し難くなることが推定される。従って、蛍光体粒子の平均粒径と絶縁層の厚さの関係は前者１に対して後者が１／１０〜１／５００の範囲にあることが望ましい。
【０３３５】
次に、この発光素子１の発光作用について説明する。
【０３３６】
図に示すように発光素子１を駆動するために、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。印加する交流電界を徐々に大きくし、気体層に絶縁破壊電圧以上の電圧が印加されると放電が起こるようになり、電子が気体層で増倍されて、それが多孔質発光体に衝突し発光体層の発光中心が電子で励起されて発光する。このように、気体層は電子供給源として作用していて、本実施の形態においては発生した電子は多孔質発光体層の上下から注入され、多孔質からなる発光体層の全体で沿面放電を発生させながら発光体層の内部を雪崩れるように通過する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。このように本実施の形態においては多孔質発光体層の上下から電子が注入される結果、実施の形態１で記述した発光素子のように発光体層の片側からしか電子が注入されない場合に比較して、多孔質発光体層は層全体が満遍なく均一に効率よく発光し、輝度は著しく大きくなる。
【０３３７】
また、本実施の形態においては見かけ気孔率が１０％以上〜１００％未満の多孔質発光体を使用しているため、多孔質構造を有していない通常の発光体層ではその表面では発光するが、層の内部ではほとんど発光しないのに対して、本実施の形態における多孔質からなる発光体層では層の表面のみならず発光体層の内部でも発光するために発光効率がきわめて良好なものになる。このように多孔質層の場合には、その多孔質構造のために放電により生じた電子が層の内部まで円滑に注入され、層全体で沿面放電が発生して発光し、その結果高輝度の発光が得られる。
【０３３８】
また、本実施の形態において使用する多孔質発光体はその見かけ気孔率が１０％以上の多孔質構造を有するものであることが望ましい。また、発光体の見かけ気孔率がきわめて大きくなると、かえって発光効率が低下することや多孔質発光体層の内部において沿面放電が発生しにくくなることなどの理由から、望ましい見かけ気孔率は１０以上〜１００％未満の範囲である。特に、５０〜１００％未満が最も好ましい。
【０３３９】
なお、印加する交流電界の波形を正弦波や鋸歯状波から矩形波に変えることにより、また周波数を数十Hzから数千Hz上げることで沿面放電による電子の放出が非常に激しくなり、発光輝度が向上する。また、交流電界の電圧が上昇するにつれてバースト波が発生する。バースト波の発生周波数は正弦波ではピークの直前、鋸歯状波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。いったん沿面放電が開始されると、紫外線や可視光線も発生するので、これらの光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０３４０】
本実施の形態における図４５Ａと図４５Ｂの発光素子では多孔質発光体層の厚さに対して、それぞれ約０．７９〜１．７、０．７５〜１．６ｋV／ｍｍの電界を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後はそれぞれ約０．５５〜１．１、０．５２〜１．０ｋV／ｍｍの交番電界を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させた。印加する電界は大きくなると電子の発生を促進するが、小さいとそれらの発生は抑制される。気体層に存在する気体が空気の場合、少なくともその絶縁破壊電圧である約０．３ｋV／ｍｍの電圧を印加する必要がある。
【０３４１】
また、放電時の電流値は０．１ｍＡ以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％程度に低下させても発光が継続し、三色いずれの蛍光体粒子の発光においても高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。本実施の形態においては駆動を大気中で行ったが、希ガスや加圧又は負圧の状態にされた気体中で実施しても同様に発光することを確認した。
【０３４２】
本実施の形態の発光素子によれば、厚膜プロセス等により多孔質発光体層を形成しているため、従来のように発光素子の作製に際して薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。また、放電で発生した電子が多孔質発光体層にその両面から発光層に衝突すること、発光体の構造が多孔質体であるため衝突した電子が発光体層の内部まで沿面放電を発生しながら円滑に注入されるので非常に高輝度の発光を得ることが可能になる。通常の多孔質でない発光体ではその表面だけで発光するのに対して、本実施の形態の多孔質発光体層では上述のように層全体が満遍なく発光するため、高輝度になることに特徴がある。また、プラズマディスプレイで行われている紫外線による蛍光体の発光と比較すると発光効率がきわめて良好である。さらに、大型ディスプレイで使用する際の消費電力が比較的小さい発光素子を提供することができる。多孔質発光体層の両端に放電分離手段として隔壁を設置することにより、発光のクロストークを容易に回避することが可能である。
【０３４３】
次に図４５Ｃは、図４５Ａ−Ｂの発光素子において多孔質発光体層２と第一の電極６の間に介在する誘電体層１０を設けなかったこと以外は同様のものである。
【０３４４】
図４５Ｃの発光素子の製造方法は以下のようである。先ず、ガラス又はセラミック製の基板５の片面にＡｇペーストを３０μｍの厚さに焼き付けて、第一の電極６を所定の形状に形成する。
【０３４５】
次に、実施の形態１と同様にしてＭｇＯ等の金属酸化物からなる絶縁層４で表面を被覆した蛍光体粒子３を準備する。蛍光体粒子３として、平均粒径が２〜３μｍのＢａＭｇＡｌ10Ｏ17：Ｅｕ2+（青）、Ｚｎ2ＳｉＯ4：Ｍｎ2+（緑）、ＹＢＯ3：Ｅｕ3+（赤）等の無機化合物を用いることが可能である。
【０３４６】
本実施の形態においては実施の形態３と同様に、ＭｇＯからなる絶縁層４で表面が被覆された蛍光体粒子３をポリビニルアルコール５質量％と混合し造粒した後、成型用金型を用いて約５０ＭＰａの圧力で板状に成形した。こうして得られた成型体を窒素雰囲気中４５０〜１２００℃で２〜５時間熱処理を行い、板状の多孔質発光体２を作製した。
【０３４７】
上記のようにして得られた板状の多孔質発光体２の両端を基板５の電極側にガラスペーストを用いて貼付する。具体的には、図４５Ｃに示すようにガラスペーストをスクリーン印刷し、多孔質発光体層を接着してから５８０℃で熱処理を施すと、多孔質発光体層２は第一の電極との間にわずかに気体層からなる間隙を設けた状態で固着される。多孔質発光体層２と第一の電極６の間に存する気体層の厚さは２０〜２５０μｍの範囲が好適であり、特に３０〜２２０μｍの範囲が好ましい。上記の範囲を超えると、放電の発生に高電圧を印加する必要があり、経済性の理由から好ましくない。また、上記の範囲より気体層は薄くても差し支えなく、気体の平均自由行程を越えていればよい。
【０３４８】
次に、ＩＴＯ（インジウムー錫酸化物合金）からなる第二の電極７が多孔質発光体層に対向して位置するようにあらかじめ形成されたガラス板等の透光性基板８で多孔質発光体層を覆うと、図４５Ｃに示すような本実施の形態における発光素子１が得られる。その際、多孔質発光体層２と第二の電極７の間には気体層からなるわずかな間隙が生じるようにコロイダルシリカ、水ガラス又は樹脂等を用いて透光性基板８を熱処理により貼付する。多孔質発光体層２と第二の電極７の隙間の厚さは上述の多孔質発光体層と第一の電極の間の隙間の厚さと必ずしも同じである必要はないが、ほぼ同様の厚さに設定すればよい。
【０３４９】
上述のように、本実施の形態においては多孔質発光体層の両面に設置されている第一の電極と第二の電極の間にそれぞれわずかな間隙を設けることに特徴があり、このようにして多孔質発光体層と一対の電極の間には希ガス、大気、酸素、窒素又はそれらの混合ガスからなる気体層をそれぞれ介在させる。このような発光素子の一対の電極に交流電界を印加すると、気体層に絶縁破壊電圧以上の電圧が印加されると放電が起こるようになり、その際気体層で電子が増倍されて、多孔質発光体に電子が衝突し発光体層の発光中心が電子で励起されて発光する。このように、気体層は電子供給源として作用し、発生した電子は発光体層に衝突し、層の内部まで注入され発光体層の全体で沿面放電を発生しながら雪崩れるように通過する。沿面放電は電界が印加されている間は継続して生じ、雪崩的に発生した電子が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。このように本実施の形態においては電子が多孔質発光体層の両側から供給され発光体層の内部まで円滑に満遍なく注入される結果、実施の形態１のように多孔質発光体の片側から電子が注入される場合に比較して、発光体層は層全体が均一に効率よく発光し、しかも発光の輝度は高くなる。
【０３５０】
なお、本実施の形態においては蛍光体粒子３の表面をＭｇＯからなる絶縁層４で被覆したものを使用したが、ＭｇＯは抵抗率が高く（１０9Ω・ｃｍ以上）、沿面放電を効率よく発生させることができるようになるからである。絶縁層の抵抗率が低い場合には沿面放電が発生し難く、ときには短絡するおそれがあるため好ましくない。このような理由から抵抗率が高い絶縁性金属酸化物で被覆することが望ましい。もちろん使用する蛍光体粒子自体の抵抗率が高い場合には絶縁性金属酸化物で被覆しなくても沿面放電が容易に発生する。絶縁層としては、上記のＭｇＯ以外に、Ｙ2Ｏ3，Ｌｉ2Ｏ，ＣａＯ，ＢａＯ，ＳｒＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，ＺｒＯ2から選択された少なくとも１つを用いることができる。これらの酸化物の標準生成自由エネルギーΔＧf0は非常に小さく（例えば、室温で−１００kcal/mol以下）、安定な物質である。また、これらの絶縁層は抵抗率が高く、還元され難い物質であるため、電子による蛍光体粒子の還元や劣化を抑制する保護膜としても優れていて、その結果蛍光体の耐久性も高くなり好都合である。
【０３５１】
また、絶縁層の形成には上記のゾル・ゲル法以外に化学吸着法や、ＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法、レーザ法、剪断応力法などを用いる物理吸着法によって行うことも可能である。絶縁層は均質、均一であって剥離しないことが望ましく、絶縁層を形成する際には蛍光体の粒子を酢酸、シュウ酸、クエン酸などの弱酸溶液に浸漬し、表面に付着している不純物を洗浄することが肝要である。
【０３５２】
さらに、絶縁層を形成する前に蛍光体の粒子を窒素雰囲気中で２００〜５００℃、１〜５時間程度前処理することが望ましい。通常の蛍光体粒子は吸着水や結晶水を多量に含んでおり、このような状態で絶縁層を形成すると輝度低下や発光スペクトルのシフト等の寿命特性に好ましくない影響を及ぼすことになるからである。蛍光体の粒子を弱酸性溶液で洗浄する場合にはその後によく水洗してから上記の前処理を行う。
【０３５３】
次に、この発光素子１の発光作用について図４５Ｃを参照しながら説明する。図に示すように発光素子１を駆動するために、第一の電極６と第二の電極７の間に交流電界を印加する。その際、発光素子は石英管中に挿入し、ＮｅとＸｅの混合ガスをわずかに加圧の状態で封入した。印加する交流電界を徐々に大きくし、気体層に絶縁破壊電圧以上の電圧が印加されると放電が発生するようになり、電子が気体層で増倍されて、それが多孔質発光体に衝突し多孔質発光体層の発光中心が電子で励起されて発光する。このように、気体層は電子供給源として作用していて、発生した電子は多孔質発光体層の両側から層の内部へ注入され、多孔質発光体層の全体で沿面放電を起こしながら発光体層を雪崩れるように通過する。沿面放電は電界が印加されている間、継続して生じ、その際雪崩的に発生した電子が蛍光体の発光中心に衝突し、蛍光体粒子３が励起されて発光する。本実施の形態においては多孔質発光体層の上部と下部の両側から電子が注入される結果、実施の形態１で記述したように一方から電子が注入される場合に比較して、多孔質発光体層は層全体が満遍なく均一に効率よく発光し、輝度は著しく高くなる。
【０３５４】
さらに、本実施の形態においては見かけ気孔率が１０％以上〜１００％未満の多孔質発光体を使用しているため、多孔質発光体でない通常の蛍光体層ではその表面では発光するが、層の内部ではほとんど発光しないのに対して多孔質発光体層においては層の表面に限らず層の内部でも発光するために発光効率がきわめて良好なものになる。これは多孔質発光体層の場合には放電により電子が層の内部へ進入し、その結果層全体で沿面放電が生じ、高輝度の発光が得られるからである。
【０３５５】
なお、印加する交流電界の波形を正弦波や鋸歯状波から矩形波に変えることにより、また周波数を数十Hzから数千Hz上げることで沿面放電による電子の放出が非常に激しくなり、発光輝度が向上する。また、交流電界の電圧が上昇するにつれてバースト波が発生する。バースト波の発生周波数は正弦波ではピークの直前、鋸歯状波や矩形波ではピ−ク時に発生し、バースト波の電圧を上げるに従い発光輝度が向上した。いったん沿面放電が開始されると、紫外線や可視光線も発生するので、これらの光線による蛍光体粒子３の劣化を抑制する必要があり、発光開始後には電圧を低減させる方が好ましい。
【０３５６】
本実施の形態においては多孔質発光体層の厚さに対して、実施の形態２の発光素子と同様に約０．５７〜１．２ｋV／ｍｍの電界を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後約０．３９〜０．７８ｋV／ｍｍの交番電界を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させた。発光は実施の形態２と同様に希ガスを封入していない場合に比べ電圧値で６０〜８０％程度に低減しても発光した。この理由は希ガスを封入することにより、放電がより発生し易い雰囲気になるためであり、また加圧にすることで輝度を著しく高くすることができた。
【０３５７】
また、放電時の電流値は０．１ｍA以下であり、発光がはじまると電圧を印加時の５０〜８０％程度に低下させても発光が継続し、三色いずれの蛍光体粒子の発光においても実施の形態２の発光素子と比較して高輝度、高コントラスト、高認識性、高信頼性の発光であることが確認された。
【０３５８】
因みに、本実施の形態における誘電体層を有していない発光素子を大気中で発光させる際には上記の希ガスを加圧の状態で封入した場合に比較すると、駆動に際して約０．８９〜１．９ｋV／ｍｍの比較的電界を印加して蛍光体粒子３を発光させて、その後約０．６２〜１．３ｋV／ｍｍの交番電界を印加することにより、沿面放電を継続して行わせて蛍光体粒子３の発光を持続させることが必要であった。
【０３５９】
本実施の形態の発光素子によれば、厚膜プロセス等により多孔質発光体層を形成しているため、従来のように発光素子の作製に際して薄膜形成プロセスを用いることがなく、真空系やキャリア増倍層を必要としないので構造が簡単であり、製造や加工も容易である。また、多孔質発光体層に注入される電子に基づく沿面放電による発光であることから高輝度の発光が得られ、通常の蛍光体のようにその表面だけが発光するのではなく、多孔質発光体層の全体が満遍なく発光することに特徴がある。また、プラズマディスプレイで行われている紫外線による蛍光体の発光と比較すると発光効率がきわめて良好である。さらに、大型ディスプレイで使用する際の消費電力が比較的小さい発光素子を提供することができる。多孔質発光体層の両端に放電分離手段として隔壁を設置することにより、発光のクロストークを容易に回避することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０３６０】
本発明にかかる発光素子は沿面放電による発光であるために、従来のような蛍光体層の形成に薄膜形成プロセス使用することがなく、また真空容器やキャリア増倍層も必要としないので製造が容易であるという特徴を有するものであり、このことから本発明の発光素子は大画面ディスプレイの単位画素を構成する発光体としても有用である。また、照明、光源などに適用される発光体としても有用である。
【図面の簡単な説明】
【０３６１】
【図１】図１は本発明の実施の形態１における発光素子の断面図。
【図２】図２は本発明の実施の形態１における発光素子の製造工程を説明するための図。
【図３】図３は本発明の実施の形態１における発光素子の製造工程を説明するための図。
【図４】図４は本発明の実施の形態１における発光素子の製造工程を説明するための図。
【図５】図５は本発明の実施の形態１における発光素子の製造工程を説明するための図。
【図６】図６は本発明の実施の形態１における多孔質発光層の断面を拡大した模式図。
【図７】図７は本発明の実施の形態２における発光素子の断面図。
【図８】図８は本発明の実施の形態３における発光素子の断面図。
【図９】図９は本発明の実施の形態４における発光素子の断面図。
【図１０】図１０は本発明の実施の形態４における発光素子の製造工程を説明するための図。
【図１１】図１１は本発明の実施の形態４における発光素子の製造工程を説明するための図。
【図１２】図１２は本発明の実施の形態４における発光素子の製造工程を説明するための図。
【図１３】図１３は本発明の実施の形態４における発光素子の製造工程を説明するための図。
【図１４】図１４は本発明の実施の形態５における多孔質発光層の断面を拡大した模式図。
【図１５】図１５は本発明の実施の形態５における多孔質発光層の断面を拡大した模式図。
【図１６】図１６は本発明の実施の形態６における発光素子の分解斜視図。
【図１７】図１７は本発明の実施の形態１における発光の作用機能を示す説明図。
【図１８】図１８は本発明の実施の形態７における発光素子の断面図。
【図１９】図１９は本発明の実施の形態８における発光素子の断面図。
【図２０】図２０は非特許文献２における従来例の発光素子の断面図。
【図２１】図２１は特許文献３における従来例の発光素子の断面図。
【図２２】図２２は本発明の実施の形態９における発光素子の断面図。
【図２３】図２３は本発明の実施の形態１０における発光素子の断面図。
【図２４】図２４は本発明の実施の形態１１における発光素子の断面図。
【図２５】図２５は本発明の実施の形態１２における発光素子の断面図。
【図２６】図２６は本発明の実施の形態１３における発光素子の断面図。
【図２７】図２７は本発明の実施の形態１４における発光素子の断面図。
【図２８】図２８は本発明の実施の形態１５における発光素子の断面図。
【図２９】図２９は本発明の実施の形態１６における発光素子の断面図。
【図３０】図３０Ａ−Ｆは図２９に示した発光素子の製造方法を説明するための工程断面図。
【図３１】図３１は本発明の実施の形態１７における発光素子の断面図。
【図３２】図３２Ａ−Ｇは図３１に示した発光素子の製造方法を説明するための工程断面図。
【図３３】図３３は本発明の実施の形態１８における発光素子の断面図。
【図３４】図３４Ａ−Ｃは図３３に示した発光素子の製造方法を説明するための工程断面図。
【図３５】図３５は本発明の実施の形態１９における発光素子の断面図。
【図３６】図３６Ａ−Ｄは図３５に示した発光素子の製造方法を説明するための工程断面図。
【図３７】図３７Ａ−Ｃは本発明の実施の形態２０における電子放出体の製造方法を説明するための工程断面図。
【図３８】図３８は本発明の実施の形態２１における発光素子を構成する多孔質発光体の断面図。
【図３９】図３９は本発明の実施の形態２１における発光素子を構成する多孔質発光体の断面図。
【図４０】図４０は本発明の実施の形態２１における発光素子を構成する多孔質発光体の断面図。
【図４１】図４１は本発明の実施の形態２１における発光素子を構成する多孔質発光体の断面の模式図。
【図４２】図４２は本発明の実施の形態２１における発光素子を構成する多孔質発光体の断面の模式図。
【図４３】図４３は本発明の実施の形態２２における電界放出ディスプレイの主要部の分解斜視図。
【図４４】図４４は本発明の実施の形態２２における発光素子アレイの断面図。
【図４５】図４５Ａ−Ｃは本発明の実施の形態２３における発光素子アレイの断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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