J. Plasma Fusion Res. Vol.89, No.3 (2013)１８０‐１８３

研究技術ノート

蛍光体を ITO 膜付ガラス盤上へ塗布する簡易な方法
中 瀬 貴 文，比 村 治 彦，塩 野 剛 司１），竹 内 信 行１）
京都工芸繊維大学大学院電子システム工学専攻，１）京都工芸繊維大学大学院物質工学専攻（論文受付：２０１
２年１２月２５日／論文受理：２０１
３年１月２４日）

プラズマ受動的測定法の一つに，蛍光面を用いたプラズマ粒子束測定法がある．この蛍光面は，導電性をもつ固体表面へと蛍光体を塗布することで作成される．本論文では，蛍光体を ITO 膜付ガラス盤へ塗布する簡易な方法を説明する．
Keywords:
fluorescence, fluorescent screen, phosphor, plasma particle flux, passive measurement, ITO glass

１．はじめに（Sn）を添加した透明な酸化インジウム（Indium Tin Ox-

荷電粒子，特に速い電子を蛍光面に衝突させた際に放出ide）膜の付いたガラス盤の上に蛍光面を製作する方法がされる光は，古くからブラウン管やオシロスコープ，パソある．

コン用ディスプレイなどの工業製品で利用されてきた［１］．

前者は阻止能［６］の短い電子が測定対象の場合は有用で我々の日常生活の身近にあるこの光は，学術研究においてあり，後者は阻止能の長いイオンに対しても用いることがもよく利用されている．プラズマ計測では受動的計測法できる．また，別の特徴として，アルミニウム薄膜をコー［２，３］に分類されており，例えば高温プラズマでは，磁気面ティングする方法では，カメラで蛍光面を撮影する際，蛍の閉じ具合や磁束管の形状を調べるときに用いられている光面のバックグラウンド光を遮断することができる．この［４］．これは，多くの実験室プラズマにおいて，磁場 !に巻ため，コントラストの高い画像を撮影することができる

きつく電子のラーマー半径 %（!$#!）が長くならない!
#&"!

上，蛍光面がプラズマに露出しないので，蛍光体の剥離が事実に因っている．実際，簡単な計算からわかるように，起こりにくい．この一方，ITO 膜付ガラス盤（ITO ガラス）

熱電子放出により金属表面から飛び出してくる熱電子の代では，蛍光面がプラズマ対向面となりプラズマに露出する

表 的 な 温 度（〜0.2 eV）か ら 核 融 合 プ ラ ズ マ 温 度（〜ため，蛍光体が剥離しやすい欠点があるものの，ITO 膜自2 keV）まで，"!が４桁のダイナミックレンジで変化した体は無色透明であるので発光量を減らすことがない．

としても，!〜1 kG 前後以上の強さであれば，%!はたかだ

このように，プラズマ計測においても蛍光体が塗布されかサブミリメートルオーダーにすぎない．つまり，! の中た蛍光面が使用されているが，その製作方法について詳しを飛行する電子の軌道や到達位置さえ蛍光面の発光から明く書かれた手順書として公開されているものは，文献［７］

らかにすれば，我々が知りたい !はそこからサブミリメーなどが挙げられるが，その数は少ない．実際，特許としてトル以内に存在している．

公開されている手法［８‐１０］があるものの，それらは特定の一方，プラズマ基礎の分野では，例えば直線型装置に閉装置を必要としていたり，独自のノウハウや経験等，非公じ込められた非中性プラズマの２次元断面形状や，さらに開事項が含まれているため，プラズマ研究者が手軽に同じは自己組織化へと系が進む巨視的なダイナミクスまでもが性能の蛍光面を製作することは決して容易ではない．その視覚的に明らかにされているが［５］，これは荷電粒子群がため，筆者達の研究グループが本学会の年会において尋ね磁力線に沿ってそのまま引き出されることをうまく利用しられる質問にも，この蛍光面に関するものが後を絶たなたものである．また，蛍光面の発光の様子をカメラ撮影しい．そこで，本論文の紙面を借りて，蛍光体を ITO ガラスて，発光の強弱を画像処理することにより，プラズマの密上へ塗布する我々の製作方法を公開する．本手法は容易に度分布のような局所的かつ微視的情報までもが得られてい入手できる器具のみを用いているだけでなく，蛍光面の製る．さらには，この蛍光面に導電性を持たすことで，蛍光作開始から完成までわずか２日間必要とするだけである．

面に流れ込む荷電粒子の総量を電流として測定することができる．導電性を持たせる方法としては，蛍光面の上から２．蛍光面の作成手順

アルミニウム薄膜をコーティングする方法（アルミバッ

２．
１ 蛍光体の決定
日亜化学工業［１１］やニラコ［１２］のホームページを閲覧すク）や，酸化インジウムに良好な電気伝導性をもつすず

Simple Method of Coating Phosphor on ITO GlassNAKASE Takafumi, HIMURA Haruhiko, SHIONO Takeshi and TAKEUCHI Nobuyuki

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corresponding author’s e-mail: nakase10@nuclear.es.kit.ac.jp!2013 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchResearch and Technology Note

Simple Method of Coating Phosphor on ITO Glass

T. Nakase et al.

るとわかるように，様々な種類の蛍光体が販売されていとして，蛍光体に導電性物質を混合する方法がよく用いらる．表１には代表的な蛍光体の特性［１３‐１６］がまとめられれている［１７］．我々は，P４５に酸化インジウム（In2O3）を混ているが，蛍光体によって発光色や残光時間が大きく異ぜ合わせている．このIn2O3 の導電性によって，荷電粒子はなっていることがわかる．そのため，対象とするプラズマ蛍光面に溜まることなく ITO 膜へと到達し，ITO ガラス外現象の時間変化スケールや，バックグラウンド光の有無に部へと流れ出ることができるので，残留荷電粒子による応じて，適当な蛍光体を選定する必要がある．例えば，高チャージアップは起こらない．

速度カメラを用いて２次元蛍光面に飛来するプラズマの連

２．
３ ITO ガラスへの蛍光体の塗布

続的な空間・時間変化を観測したい場合，残光時間の短い以下では，ITO ガラスの上に P４５蛍光体を塗布する２つ蛍光体を使用する必要がある．これとは反対に，ある撮影の方法の手順を紹介する．ここで，P４５を選んでいる理由

時間におけるプラズマの空間分布のみをみたい場合は，カは以下の２つに因る．第一に，現在我々が進めようとしてメラの露光時間を長くしておいて発光の時間積分値を測定

いる２流体プラズマ研究［１８］では，プラズマの２次元空間すればよい．この目的に対しては，残光時間ができるだけ分布を知りたいので，蛍光面からの発光の時間積分値を測

長い蛍光体を使えば，それだけ輝度の高いカメラ撮影画像定すればよい．第二に，我々の実験装置 BX-U は直線型のを得ることができるので，測定に対して有利となる．

ため［１９］，バックグラウンド光として電子銃用フィラメン

その他，蛍光体の選定の際に注意すべき事項として，使トの加熱による赤色の発光が入る．これらのために，残光用するカメラの種類によっては，撮影感度の高い波長領域時間が 1 ms 程度と比較的長く，緑色を発光色としてもつ Pが必ずしも可視光領域にあるのではなく，赤外領域や紫外４５を塗布している．蛍光体として P４５以外のものを選んだ領域へとずらしてある．このようなカメラを用いる場合に場合でも，以下の塗布法はそのまま有効と思われる．

は，その波長領域内にピーク波長をもつ蛍光体を選定すれ

２．
３．
１ 蛍光体溶液を滴下して ITO ガラスを傾斜回転する方法

ばよい．また，ITO ガラス上に塗布された蛍光体の発光を撮影する場合，バックグラウンド光が入らないような視線

これは非常に単純な方法である．当初は電子デバイス分角度で蛍光体の発光を撮影できればよいが，どうしても野の薄膜生成で用いられているスピンコート法を採用してバックグラウンド光を避けられない撮影角度の場合には，いたが，P４５蛍光体溶液の粘度に応じてターンテーブルのそのバックグラウンド光の波長と異なる発光色をもつ蛍光回転速度を調整することが難しく，P４５蛍光体溶液が不均体を選ぶようにするとよい．

一に広がりやすい．その際に見出したのが，以下の手順の２．
２ 絶縁性蛍光体への導電性付与

ように，手で ITO ガラスを傾斜回転させながら，P４５蛍光体溶液を ITO ガラス上で広げていく方法である．

次節で紹介する蛍光面の製作方法で使用した蛍光体は P４５と呼ばれるものであり，導電性をもたない．つまり，絶縁物である．このような絶縁性の蛍光体をそのまま塗布す［手順］

ると，そ の 日 の 最 初 の プ ラ ズ マ シ ョ ッ ト（フ ァ ー ス ト

１．表２に示しているものを準備する．

ショット）では蛍光面が発光するものの，その際に測定対２．P４５蛍光体と In2O3 をよく混ぜる．経験的に求めた結果象としている荷電粒子群の少なくとも一部が蛍光面の中にとして，In2O3 の最低必要量は，P４５の質量の２０％である．

捕捉されてしまい，蛍光面が電気的にチャージアップしは３．P４５蛍光体と In2O3 の混合粉末をニトロセルロース溶じめる．例えば，電子束を測定している場合，蛍光面が負液に入れて溶かす．

電位にバイアスされる．この負バイアスは電子束を跳ね返すための抑制電位（retarding voltage）として働くので，セ４．ITO ガラスより大きい平板を用意して，ITO 膜がコーカンドショット以降，ショットを重ねるにつれ，蛍光面はティングされている面を上にして，ITO ガラスを平板の上に貼り付ける．

ますますチャージアップし，蛍光面に衝突できずに跳ね返

５．図１のように，３で作った溶液を ITO ガラスの中心へされてしまう電子束が増え始めて，最終的にはすべての電と滴下する．

子束が跳ね返される高電位に蛍光面がバイアスされること

６．図２のように，ITO ガラスが乗っている平板を両手でになり，発光しなくなる．

持ち，その平板を傾けながら回すことで，溶液を ITO

このようなチャージアップを回避するためには，蛍光面ガラス全体に延ばしていく．

自身に導電性を付与しなければならない．そのための方法
表１

代表的な蛍光体とその特性．蛍光体の違いにより，発光色と残光時間は大きく異なる．

名称P1
P15P31P45P47

組成
Zn2SiO4:Mn
ZnO:ZnZnS:CuY2O2S:Tb+3
Y2SiO5:Ce+3

ピーク波長525 nm
504 nm
520 nm545 nm
400 nm

発光色
緑
緑
緑
緑
紫青

表２残光時間
11 ms
2.8 μs40 μs
1.8 ms
80 ns

直径 12 cm の ITO ガラスへの蛍光体塗布に用いる P４５蛍光体溶液のための準備物．対象とする ITO ガラスの面積に応じて，各分量を比例変化させればよい．
名称
P４５蛍光体
酸化インジウム（In2O3）
ニトロセルロース溶液（＊）

分量
2.0 g
0.4 g
5.0 mL（＊）
酢酸ブチル９９％，ニトロセルロース１％の混合溶液．

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Journal of Plasma and Fusion Research Vol.89, No.3 March 2013２．
３．
２ 蛍光体を ITO ガラス上に沈殿堆積させる方法

７．ITO ガラスが乗っている平板を水平な机の上に置いて，自然乾燥させる．乾燥するにつれて，P４５蛍光体がこの方法は化学系研究室でよく行われている沈殿を利用塗布されている面は白くなっていく．

している．傾斜回転法に比して，約１日分余計に時間を必

８．塗布面が一様に白くなったら，ITO ガラスのみを電気要とするが，蛍光体の塗布の仕上がり具合いが製作者の腕炉の中に入れる．炉内温度を１４０℃にして１０分加熱す

前によらない上，ITO ガラス上での蛍光面の一様性も良好ることで，蛍光面中の有機成分を飛ばす．

なので，初心者にはこちらの方法をお奨めする．

９．電気炉の炉内温度を室温まで自然冷却させた後，炉内から ITO ガラスを取り出す．

［手順］

１０．配線用電線を接触させる部分の蛍光面をITO膜が露出

１．あらかじめ，ITO ガラスの縁を金属製薄板でマスキンするまで削る．これで完成である．

グする．なお，マスキングをせずに，傾斜回転法と同様，蛍光体を ITO ガラス全域に塗布した後で縁の蛍光面を削り取ってもよい．
２．図３のように，ドレンコックが付いたポリ容器の中に土台を設置して，その上に ITO ガラスを乗せる．このとき，土台の上面がドレンコックより高くなるように注意する．
３．表３に示している分量で P４５蛍光体を含んだ沈殿堆積法用の蛍光体溶液を作る．この際，スターラー等を用いて，溶液内でP４５蛍光体とIn2O3 の粉末粒径が十分に小さくなるまで撹拌する．

図１

図２溶液を滴下している様子．

平板を傾斜回転させながら溶液を延ばしている様子．
図４

図３

ドレンコック付ポリ容器内で ITO ガラスが設置された様子．

P４５蛍光体溶液をドレンコック付ポリ容器内へと流し込んでいる様子．

図５

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沈殿堆積法で作られた蛍光面付 ITO ガラスの写真．

Research and Technology Note

表３

Simple Method of Coating Phosphor on ITO Glass

T. Nakase et al.

沈殿堆積法に用いる溶液の成分．純水の分量のみを増やすと ITO ガラスより上部に存在する蛍光体の量が増え，蛍光体が沈殿してできる蛍光面が厚くなる．逆に純水の分量のみを減らすと蛍光面は薄くなる．こうして蛍光面の厚みを調整できる．
名称
P４５蛍光体
酸化インジウム（In2O3）
水ガラス（固形分２８％）
純水

分量
2.4 g
0.5 g
58 g
2.0 L

４．蛍光体溶液を十分に撹拌した後，図４のように，蛍光体溶液を直ちにポリ容器内へと流し込み，そのまま２４
図６

時間放置する．
５．ドレンコックを徐々に開いて，蛍光体が堆積した ITO沈殿堆積法で製作した蛍光面が電子プラズマで発光している様子．

ガラスが空気中に出てくるまで，溶液をゆっくり排水参考文献していく．
６．そのまま ITO ガラスを自然乾燥させて，端部のマスキ［１］日本学術振興会第１３２委員会編：電子・イオンビームハ
ンドブック第３版（日刊工業新聞社，１９９８）p.329.
［２］濱本 誠：照明学会誌 91, 574 (2007).
［３］プラズマ・核融合学会編：プラズマ診断の基礎（名古屋大学出版会，１９９０）．
［４］M. Shoji et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 30, 82 (2002).
［５］K. Ito et al., Jpn. J. Appl. Phys. 40, 2558 (2001).
［６］C.J. Tung et al., Surf. Sci. 81, 427 (1979).
［７］蛍 光 体 同 学 会 編：蛍 光 体 ハ ン ド ブ ッ ク（オ ー ム 社，
１９８７）p.181.
［８］小沢隆二：電子照射用蛍光膜，特開平 9-97572, 1997-0408.
［９］内村勝典 他：陰極線管の蛍光膜，特開平 6-49444, 199402-22.
［１０］木村恒夫 他：蛍光体の表面処理方法及び蛍光膜，特開2001-181620, 2001-07-03.
［１１］http://www.nichia.co.jp/jp/product/phosphor.html/［１２］http://nilaco.jp/jp/［１３］蛍 光 体 同 学 会 編：蛍 光 体 ハ ン ド ブ ッ ク（オ ー ム 社，
１９８７）p.279.
［１４］D. Jimenez-Rey et al., J. Appl. Phys. 104, 064911 (2008).
［１５］T. Hase et al., Advanc. Electron. Electron Phys. 79, 271(1990).
［１６］http://bitsavers.informatik.uni-stuttgart.de/pdf/rca/crt/TPM-1508A̲RCA̲Phosphors̲Oct61.pdf［１７］小南裕子 他：電子情報通信学会技術研究報告．EID，
電子ディスプレイ 95, 25 (1996).
［１８］比村治彦：電気学会論文誌 A 130, 977 (2010).
［１９］H. Himura et al., Plasma Fusion Res. 8, 2401017 (2013).
(2012).
［２０］H. Shimomura et al., Plasma Fusion Res. 8, 1201003 (2013).
［２１］中瀬貴文他：第２９回プラズマ・核融合学会年会（２０１２年），28pC03.

ングを取り除くと，図５のように蛍光面が付けられた
ITO ガラスができあがる．

３．発光試験
完成した蛍光面からの発光の様子と，蛍光面へと入射した荷電粒子群が蛍光面を通過して ITO 膜を経由して ITOガラスから流れ出るかを確かめる．我々の研究室では，拡張 MHD プラズマ状態の実験的検証のために直線型実験装
置 BX-U を作り，正負２つの非中性プラズマの同時閉じ込め実験から開始している［２０］．図６は，沈殿堆積法で製作した蛍光面付 ITO ガラスを用いて，４本の電子ビーム束が自己組織化を介して一つの電子プラズマを形成した直後の様子を調べたものである．この写真撮影時の条件は，蛍光面に入射する直前の電子加速電圧が 5 kV，エンドオンに設置した高速度カメラの露光時間（シャッタースピード）は１ms である．蛍光面が発光している様子から，電子プラズマがほぼ装置軸上で形成されている事実が鮮明にとらえられている［２１］．また，このとき，ITO 膜から流れ出る電流の計測より，この電子プラズマの粒子数が 1.2×109 であることも同時にわかる．

謝辞

本製作試験を進めるにあたり，毛利明博京都大学名誉教授から多くの助言をいただきました．また，本製作に関する先駆的な試行実験は，研究室の卒業生である和田篤始氏（現 JAXA）と和田朋希氏（現富士電機）の二人により行われま し た．最 後 に，本 製 作 試 験 の 一 部 は，JSPS 科 研 費
２２５４０５０４の助成を受けたものです．

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