CN100339938C - 发光构造体、发光方法和照明体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发光构造体，其构成包括：呈非导电性并且表面上具有微细的凹凸构造，当非接触性地给予该凹凸构造的能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的发光部分(3)。根据本发明能实现高亮度的图象管和阴极射线发光管等的照明体。

Description

发光构造体、发光方法和照明体

技术领域

本发明涉及从外部给予能量进行发光的发光构造体、发光方法和照明体。

背景技术

至今，已经对种种由电子束等从外部加入能量进行发光的发光构造体进行了开发，例如荧光元件就是这种发光构造体。荧光元件利用阴极射线管和投射管等广泛用于图象显示的用途中(请参照PhosphorHandbook，by S.Shionoya and W.M.Yen，CRC Press，Boca Raton，FL，1998)。

而且，至今已经对从荧光元件开始的发光构造体进行了种种实验。

在此，我们参照图11(A)，(B)说明一般的荧光元件，荧光元件是通过具备金属制的基材102和将荧光体层积在基材102上形成的荧光部分103构成的。

在这样的构成中，荧光元件通过从外部加入的电子束，电荷和电场等的电能，激励构成荧光部分103的荧光体母体进行发光。即，荧光元件是通过将输入的电能(激励能量)变换成荧光进行输出的元件。

一般来说，荧光元件的发光强度随着这种从外部输入的激励能量的增加而单调增加，但是当激励能量超过所定能量时，增加的程度减小，进一步增加激励能量时，出现发光强度饱和或减小的倾向(请参照Phosphor Handbook，by S.Shionoya and W.M.Yen，CRC Press，BocaRaton，FL，1998，P.489)。

此外，在此，当将作为激励能量的电子束电流(电流值)A和发光强度I的相互关系表示在双对数图上时，将表示这种相互关系的直线的倾角(以下称为输入输出微分变化率)θ[＝Δlog(I)/Δlog(A)]为正的情形称为单调增加。通常，在大多数情形中这个倾角为1度左右。

在已有的荧光元件中存在随着电子束等的激励(输入)能量增大，输入输出微分变化率θ恶化(减小)倾向。

发明内容

鉴于上述问题的存在，本发明目的是提供当从电子束、电荷和电场等给予的激励能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的发光构造体、发光方法和照明体。

为了实现上述目的，本发明的发光构造体，其构成包括：呈非导电性并且表面上具有微细的凹凸构造，当非接触性地给予该凹凸构造的能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的发光部分。

更好是，上述发光部分发射非相干光。

更好是，与上述能量相对应，上述发光部分的发光颜色以上述所定阈值为界线而发生变化。

更好是，上述能量是电子束、电荷和电场中任意一种形态的电能量。

更好是，通过使该发光部分的厚度不均匀而形成有该凹凸构造。

更好是，该发光部分的凸部和凹部的最大厚度为最小厚度的3倍以上。

更好是，该发光部分的凸部和凹部的最大厚度为最小厚度的10倍以上。

更好是，该发光部分的最小厚度在500μm以下。

更好是，该发光部分的最小厚度在50μm以下。

更好是，该凹凸构造的凹凸面的倾斜角α在30度到150度的范围内。

更好是，该凹凸构造的凹凸面的倾斜角α在50度到130度范围内。

更好是，该发光部分由无机物质构成。

更好是，该发光部分设置在基材上。

更好是，不使用水溶性粘合剂而将该发光部分设置在该基材上。

更好是，通过该发光部分容易带电的方法而将该发光部分设置在该基材上。

而且，为了实现上述目的，本发明的照明体使用所述发光构造体。

而且，为了实现上述目的，本发明的发光方法，对于包括呈非导电性并且表面上具有微细的凹凸构造，且当非接触性地给予该凹凸构造的能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的发光部分的发光构造体，给予该阈值以上的能量。

在本发明中，所谓“超线性”指的是当给予的激励能量超过所定阈值时输入输出微分变化率θ增加的现象。特别是在大多数情形中输入输出微分变化率θ在阈值以下小于1在阈值以上大于1。

因此，本发明的发光构造体的特征是它是通过具备当非接触地给予的激励能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的非相干光的发光部分构成的。

因为当这种非接触地给予的电能超过所定阈值时发光部分的发光强度超线性地增加，所以能够用于广泛的用途。例如，因为呈现高亮度的发光所以可以用于各种照明等。而且，通过发光部分的发光强度能够对电能大小进行监视，能够用作检测装置，警报装置等，这是它的优点。而且，因为以阈值为界线发光强度发生变化，所以通过提取这种以阈值为界线的发光强度变化作为接通断开信号，能够用作存储器和各种控制元件，这是它的优点。

这时，如果与该能量对应以上述所定阈值为界线该发光部分的发光颜色发生变化，则能够容易地在视觉上确认发光状态的变化，这是它的优点。

而且，如果该能量是电子束，电荷和电场中任意一种形态的电能，则能够原封不动地使用在荧光元件等那样的一般的发光构造体中采用的能量给予装置。

而且，如果该发光部分具有非导电性，则通过确保发光部分的带电性，能够使以阈值为界线的发光强度的急剧变化和发光颜色的变化非常显著，而且，能够通过低的给予能量发生这种发光状态(发光强度和发光颜色)的变化(能够使这种阈值降到相当低的值)。

而且，本发明的发光构造体的特征是它具有非导电性和表面上微细的凹凸构造，并由当非接触地给予该凹凸构造的能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的发光部分构成。

从而，因为当非接触地给予该凹凸构造的电能超过所定阈值时，发光部分的发光强度超线性地增加，而且发光部分的发光颜色也发生变化，所以能够得到与上述发光构造体相同的效果。

而且，因为能够得到比已有发光体构造高的发光强度，所以能够实现高输出的照明装置，这也是它的优点。

而且，因为只要使发光部分具有微细的凹凸构造就行，所以能够原封不动地应用关于已有发光体的已经积累起来的各种丰富的知识，这是它的优点。

这时，如果通过使发光部分的厚度不均匀形成该凹凸构造，则能够容易地形成微细的凹凸构造。

而且，如果使该发光部分的凹部和凸部处的最大厚度为最小厚度的3倍以上，则由于微细的凹凸构造变得非常显著，能够稳定上述发光构造体的效果。而且，如果使该发光部分的凹部和凸部处的最大厚度为最小厚度的10倍以上，则由于微细的凹凸构造非常显著，能够进一步稳定与上述发光构造体相同的效果。

而且，如果该发光部分的最小厚度在500μm以下，则由于微细的凹凸构造非常显著，能够稳定与上述发光构造体相同的效果。而且，如果该发光部分的最小厚度在50μm以下，则由于微细的凹凸构造非常显著，能够进一步稳定与上述发光构造体相同的效果。

而且，如果该凹凸构造的凹凸面的倾斜角在30度到150度范围内，则由于微细的凹凸构造非常显著，能够稳定与上述发光构造体相同的效果。而且，如果该凹凸构造的凹凸面的倾斜角在50度到130度范围内，则由于微细的凹凸构造非常显著，能够进一步稳定与上述发光构造体相同的效果。

而且，如果该发光部分是无机物质，则使给予能量时的恶化变小。

而且，如果将该发光部分设置在基材上，则能够形成使发光部分稳定的状态。

这时，如果不用水溶性粘合剂将该发光部分设置在基材上，则能够确保发光部分的带电性。

而且，如果用使该发光部分容易带电的方法将该发光部分设置在基材上，则能够进一步确保发光部分的带电性。

本发明的照明体是以用上述发光构造体为特征的。所以，与供给的能量比较能够得到高亮度的发光，这是它的优点。

本发明的发光方法的特征是对于具备当非接触地给予的电能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的非相干光的发光部分的发光构造体，能够给予该阈值以上的能量。

所以，能够得到与上述发光构造体相同的效果。

附图说明

图1是表示作为本发明的一个实施形态的发光元件(发光构造体)的构成的图，(A)是模式平面图，(B)是表示放大(A)的X1-X1截面的模式图。

图2是表示作为本发明的一个实施形态的发光元件(发光构造体)的其它构成的图，(A)是模式平面图，(B)是表示放大(A)的X3-X3截面的模式图。

图3是表示与本发明的第1实施例有关的实验装置构成的模式侧面图。

图4是表示在作为本发明的第1实施例的发光元件(发光构造体)和已有荧光元件中的发光强度的电流依赖性试验的测定结果的图。

图5是表示在作为本发明的第2实施例的发光元件(发光构造体)和已有荧光元件中的发光强度的电流依赖性试验的测定结果的图。

图6是表示在作为本发明的第2实施例的发光元件(发光构造体)中的发光光谱的测定结果的图。

图7是表示在作为本发明的第3实施例的发光元件(发光构造体)和已有荧光元件中的发光强度的电流依赖性试验的测定结果的图。

图8是表示在作为对于本发明的比较实施例的发光元件中的发光强度的电流依赖性试验的测定结果的图。

图9是表示利用作为本发明的第1用途例的发光元件(发光构造体)的图象管(照明体)构成的模式图。

图10是表示利用作为本发明的第2用途例的发光元件(发光构造体)的阴极射线管(照明体)构成的图，(A)是模式剖面图，(B)是表示(A)的截面和垂直截面的模式图。

图11表示已有荧光元件(发光构造体)构成的图，(A)是模式平面图，(B)是(A)的模式的X2-X2剖面图。

具体实施方式

下面，我们参照附图说明本发明的实施形态。图1和图2是表示作为本发明的一个实施形态的发光元件的图，图1是表示它的构成的图，(A)是模式平面图，(B)是表示放大(A)的X1-X1截面的模式图。图2是表示它的其它构成的图，(A)是模式平面图，(B)是表示放大(A)的X3-X3截面的模式图。

本发光元件(发光构造体)1，如图1(A)，(B)所示，是通过具备金属制(例如铜制)的基材2和设置在基材2上的非导电性发光部分3构成的，在发光部分3上形成格子状的沟4。

形成发光部分3的发光体，最好是非导电性的材料，如果该材料适用于已有荧光元件，则也可以适用于本发光体，例如，能够使用市场上出售的电视机用的红色荧光体(Y₂O₂S:Eu，Tb)和蓝色荧光体(SrHfO₃:Tm)等。

此外，在此，所谓非导电性指的是电阻率在10⁶Ω·cm以上。作为发光体的材料他特别最好用10⁸Ω·cm以上的材料。(当然也可以用绝缘性材料)

而且，形成发光部分3的发光体既可以是有机发光体又可以是无机发光体，但是从给予电能量时(特别是给予电子束时)的稳定性高(难以恶化)来看，最好用无机发光体。当然，也可以将无机发光体和有机发光体混合起来形成发光部分3，也可以将不同种类的无机发光体混合起来形成发光部分3，也可以将不同种类的有机发光体混合起来形成发光部分3。

在此，我们说明作为形成发光部分3的发光体的优先样态的非导电性无机发光体。此外，作为无机发光体，可以用作广泛用于图象显示管，荧光管，X射线·放射线用，其它荧光显示管用等的用途中的一般的发光体。

作为无机发光体的代表例是无机荧光体，但是无机荧光体一般生产成粉末状，使这种荧光体粉末附着在基材2上形成发光部分3是一般的方法。此外，可以在金属板(基材)2和粉末层(发光部分)3之间介入适宜的绝缘薄膜。

而且，作为本发光构造体的一个大特征是如上所述在发光部分3上形成格子状的沟4。这种沟4，例如，是用后述方法使荧光体粉末附着在基材2上形成发光部分3后，通过用例如镊子尖端那样的锐利工具进行切削很容易形成这个发光部分3。在此，沟4是在图1(A)上，由沿上下(纵)方向设置的多条纵沟4a和沿左右(横)方向设置的多条横沟4b构成的。

荧光部分3是通过从外部非接触地(不与能量源直接接触)给予电子束，电荷和电场那样的电能进行发光的，但是本发明者们发现，在对发光构造体进行种种试验的过程中，通过在荧光部分3上设置格子状的山，沟，孔，突起中任何一种或将它们中两个以上组合起来进行设置，在发光构造体3的表面上形成微细的凹凸构造，当给予经粗糙化的发光部分3的能量超过所定阈值时，在凹凸近旁产生新的发光光谱成分，使发光强度增加的倾向上升，对于给予的能量发光部分3的输出光强度(发光强度)超线性地增加，同时根据条件与给予发光部分3的能量(激励能量)对应发光颜色在这种阈值前后发生变化。这时，从发光部分产生的光，通常是非相干光。在此非相干性(非干涉性)指的是从发光体任意2点发出的光相互之间不发生干涉，非相干光可以与激光等那样的干涉光区别开来。

在此，所谓微细的凹凸构造是在该表面上具有突起(凸部)，微小细孔(凹部)，具有波形·矩形等的凹凸截面形状的那种构造，是通过规则或不规则地配置这些突起·细孔，波形·矩形等的凹凸截面形状构成的那种构造。

一般来说，凹凸构造最好是三角锥，四角锥和圆锥等那样的锥体，截头三角锥，截头四角锥和截头圆锥等那样的截头锥体，头部由成山型和半球状的准锥体构成的多个凸部，和与这些凸部相对的多个凹部形成的凹凸模样状的构造，特别是，由锥体，头部成山型和半球状的准锥体构成的多个凸部，和与这些凸部相对的凹部构成凹凸模样状的构造。既可以规则地配置也可以不规则地配置这些凹部和凸部。而且，也可以一面使上述凹部形成连续地连接起来的沟状，一面使上述凸部形成连续地连接起来的山脉状。

对表面实施粗糙化(凹凸化)前的发光部分的层厚没有特别的限定，只要具有能够对凹凸构造进行无障碍加工的厚度就行。上述层厚的优先范围为100μm～3000μm。因为在粗糙化表面上凹凸形状过小时(凹部和凸部的高低差过小时)很难得到发光，所以可以忽略20μm以内的局部变动。换句话说，最好设定凹部和凸部的高低差大于20μm。

虽然对当非接触地将能量给予这种凹凸形状的发光构造体时引起的发光状态变化的机理还没有明确的解析，但是特别地，对于当激励能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的情形已经推定了下述那样的机理。

即，当将电子束照射等的能量给予发光部分3时，激励形成发光部分3的发光体母体，在发光体中产生电子空穴对。然后，通过这种电子空穴对带着能量向发光体的发光中心移动产生发光就成为从通常的发光构造体(荧光元件)得到发光的机理。

而且，因为荧光体粉末层(发光部分)3是非导电性的，所以这个粉末层3带电。在此，通过如上所述地在发光部分3上设置沟4等，在发光部分3上形成厚度不均匀的微细的凹凸构造，发光部分3的电场变得不均匀，在凹凸构造近旁产生局部高电场。即，产生由于表面粗糙化引起电场集中的场所。在此，只要使发光部分3的微细的凹凸形状具有不能产生均匀电场的构造就行，这一点是非常重要的。

这样，在发光部分3极容易带电的情形中，随着从外部给予的能量增大，在发光部分3的表面近旁积累很多电子，与此相应地在发光部分3的表面近旁产生极强的电场。

当这个电场的强度增加到所定阈值以上时(即，给予的能量在所定阈值以上时)被深能级俘获的发光部分母体的电子和/或空穴通过Poole-Frenkel过程和/或Fowler-Nordheim过程跃迁到导带和/或价带，由于电场而加速，激励发光中心。进一步/或者，通过加上极强的电场，使封闭电子和/或空穴的势垒的厚度变薄，通过隧道过程产生载流子注入，这种载流子受到电场加速，激励发光中心。

而且，对于在发光部分3中的发光中心来说，不仅是有意掺杂的以纯金属·过渡金属为代表的杂质，而且在发光部分3的制造过程中产生的潜在的点缺陷，线缺陷，面缺陷，表面缺陷也都能成为发光中心。因此，除了由于给予电子束激励那样的能量产生载流子外，还通过在发光部分3上设置沟4等使发光部分3上形成厚度不均匀的微细的凹凸构造，产生上述那样的高电场，由于这个高电场的影响产生很多载流子。而且，我们可以考虑由于这些载流子，增强了有意掺杂的发光中心发出的发光强度，并而且，增强了以在制造过程中产生的潜在的缺陷·杂质为发光中心产生的发光强度。因此，我们可以考虑当电子束照射等给予的能量在所定阈值以上时，发光部分3的发光强度超线性地增加。

在此，我们说明使发光部分3的发光状态急剧变化的输入能量的所定阈值，这种所定阈值与发光部分3的各种条件有关，通过调整这些条件，可以将这种阈值设定在所要的值上。作为将这种阈值设定在所要的值上的发光部分3的各种条件，例如有材质，合成条件[熔解的种类和数量，烧结温度，烧结时间，温度下降所需时间，后处理(粉碎方法，水洗方法，干燥方法等)]，向基材2涂敷荧光体粉末的方法(附着在基材2上的方法)及其后处理，和在微细的凹凸构造中的凹凸程度(例如厚度的不均匀性，具体地，沟4的数目，形状，深度，或发光部分3的表面粗糙度等)。

而且，在图1所示的例子中，分别以所定的宽度Wa，Wb形成各纵沟4a和各横沟4b，而且，分别以所定的间隔Da，Db形成空的等间隔。而且，在此将这种宽度Wa，Wb和间隔Da，Db设定在1mm左右。而且，对于厚度t的发光部分3，最好使发光部分3的最大厚度(在此是没有设置沟4的部分的厚度)t为最小厚度(在此是设置了沟4的部分的厚度)t₁(＝t-d)的3倍以上[t≥3(t-d)]那样地设定沟4的深度d，更好使最大厚度t为最小厚度t₁的10倍以上[t≥10(t-d)]那样地设定沟4的深度d。特别是，在邻接的凹部和凸部最好将最大厚度t设定在最小厚度t₁的3倍以上，更好的是设定在10倍以上。此外，沟4的深度(凸部的高度)d最好在为了能够确保本发明的发光性能的20μm以上。

而且，从使发光部分3的表面的凹凸构造非常显著的观点出发，在图1所示的例子中，最好将最小厚度t₁设定在500μm以下，特别是最好设定在70μm以下，更好的是设定在50μm以下。而且，最好将最小厚度t₁设定在0.01μm以上，特别是最好设定在0.5μm以上，更好的是设定在1μm以上。

而且，在图1所示的例子中，最大厚度t最好在100μm以上，特别是最好在200μm以上。而且，最大厚度t最好在3mm以下，特别是最好在500μm以下。

同样地，从使发光部分3表面的凹凸构造非常显著的观点出发，在图1所示的例子中，凹凸形状的倾斜角α最好在30度到150度范围内，更好的是在50度到130度范围内，在50度到88度范围内尤其是最好的。在此所说的凹凸面倾斜角α指的是凹凸形状的侧面(顶面·底面以外的面)对与基片平行的面形成的角度。

发光部分3的层厚和凹凸形状的上述参数如果用非接触式的三维测定装置(例如激光显微镜)则可以很容易地测定。例如，如果用MITUTOYO公司制造的图象计测CNC三维测定装置和KEYENCE公司制造的超深度形状测定显微镜，则可以测定一个凹凸形状的最大厚度·最小厚度和凹凸面的倾斜角。

上述那样的沟4，如果是通过使发光部分3的厚度不均匀等使发光部分3形成微细的凹凸构造，则对其形状没有任何限定。

例如，各尺寸Wa，Wb，Da，Db不限定于上述尺寸值。而且，也可以将设置了凹凸的发光部分3设置在基材2的端部。而且，也可以等间隔地形成各纵沟4a，同样地，也可以等间隔地形成各横沟4b。而且，沟4形成纵沟4a和横沟4b大致正交的格子状，但是沿第1方向以等间隔或不规则间隔形成的多条沟和沿第2方向以等间隔或不规则间隔形成的多条沟也可以倾斜地相交。

而且，也可以只设置少量或大量的纵沟4a，同样地也可以只设置少量或大量的横沟4b，或者，也可以不规则间隔地和沿不规则方向形成的多条沟。

而且，也可以如图2(A)，(B)所示构成发光元件1′。发光元件1′通过具备基材2，在基材2上形成的发光部分3和在发光部分3上形成的沟4′构成。在图2(A)中，沟4′是由在上下方向等间隔地并列的多条横沟4b′构成的，而各横沟4b′是沿左右方向形成的。各横沟4b′是具有图2(B)所示的波形的截面形状，最深的地方差不多达到基片2那样地构成的。

而且，也可以既在沟中用没有锐角的工具等间隔或不规则间隔地形成穿过发光部分3的孔，又随机地在发光部分3上设置形状不规定的缺陷，也可以将沟，孔和没有特定形状的缺陷混在一起设置在发光部分3上。

而且，在此，我们说明将应该在基材2上形成发光部分3的荧光体粉末粘附在基材2上的方法，作为这种粘附方法，例如有沉淀涂敷，撤粉，浸涂，蒸发，熔蚀，溅射，CVD，用毛刷等工具进行涂敷的方法等。

下面，我们说明将水玻璃水溶液作为粘合剂通过沉淀涂敷进行粘附的方法和不用粘合剂通过撤粉进行粘附的方法。

开始时，我们说明将水玻璃水溶液作为粘合剂进行沉淀涂敷的一个例子。首先，将175ml(毫升)的离子交换水和25ml的高浓度水玻璃水溶液(高浓度的硅酸钾水溶液)混合起来制成水玻璃水溶液，将只有20ml的这种水玻璃水溶液注入100ml容量的烧杯中，而且，将0.2945g的荧光体粉末加入这个烧杯中，使水玻璃水溶液和荧光体粉末混合。对这种水玻璃水溶液和荧光体粉末的混合溶液进行10分钟左右的超声波分散。

接着，将只有25ml的醋酸钡水溶液(重量百分比为0.05％)注入100ml的烧杯中，以装载在Al板上的状态将2块基材2(例如铜制的)浸渍在这个烧杯内的醋酸钡水溶液中。然后，将加入超声波分散结束后的荧光体粉末的水玻璃水溶液(水玻璃水溶液和荧光体粉末的混合溶液)一面注入装着基材2和醋酸钡水溶液的烧杯中一面进行搅拌。然后，当在这种醋酸钡水溶液和水玻璃水溶液的混合溶液中的荧光体粉末的沉淀结束时，从这种混合溶液取出Al板和基材2，对这个基材2进行1天左右的自然干燥。因此，通过使荧光体粉末粘附在基材2上在基材2上形成发光部分3。

其次，我们说明通过撤粉，不用粘合剂将粉末(荧光体粉末)粘附在基材2上的方法。在这个方法中，例如，将两面胶带的一个粘着面黏着在基材2的表面上后，将荧光体粉末振抖地撤到这个两面胶带的另一个面上，通过两面胶带将荧光体粉末粘附在基材2上(在基材2上形成发光部分)。

当用水玻璃水溶液作为粘合剂时，因为水玻璃水溶液具有导电性，导致当发光部分3包含水玻璃成分时，发光部分3的非导电性降低(＝带电性降低)的顾虑，所以不需要水玻璃水溶液那样的粘合剂的撤粉法作为将荧光体粉末粘附在基材2上的方法是很好的。

此外，撤粉不一定使用粘合胶带，也可以在将粘合剂(例如醋酸钡水溶液)涂敷在基材2上后，将粉体(荧光体粉末)散布在这个基材2上进行干燥来实现。

现在我们说明更具体的撤粉实施例。用吸液管采取2滴左右(约0.5ml)的硅酸钾水溶液(浓度为8.03％重量百分比，比重为1.244)，滴在镀镍的铜制基片上(28mm×20mm)，而且，对该铜制基片只进行2～3小时的自然干燥，或用烘箱等进行强制干燥。接着用吸液管采取1滴左右(约0.2ml)的醋酸钡溶液(浓度为0.05％重量百分比)，滴在上述基片的涂敷了硅酸钾水溶液并进过干燥的部位。

通过这些处理，在基片上生成二氧化硅的溶胶状物体。通过撤粉在该溶胶状物体上涂敷荧光体粉末。这时，最好以涂敷膜的重量密度为50mg/cm²～100mg/cm²左右进行上述涂敷，但是对此没有特别的限定。涂敷荧光体粉末后，通过真空干燥进行干燥，完成了撤粉涂敷膜。

将荧光体粉末粘附在基材2的方法不限定于上述方法，但是最好是如上述撤粉那样地，能够形成不给予导电性地保持荧光体粉末的非导电性使发光部分容易带电的方法(包含能够容易地变更成将荧光体粉末粘附在基材2上后通过后处理使发光部分3容易带电的构造)。

作为本发明的发光构造体的一个实施形态的发光元件，可以如上述地构成，通过在非导电性的发光部分3上设置沟4等使发光部分3形成厚度不均匀的微细凹凸形状的构造，本发明者发现发生了下列那种现象。

即，我们发现，通过给发光部分3以能量从发光部分3输出的发光强度，当给予的能量超过所定阈值时，对于这种能量输入发光强度超线性地增加，并且得到比已有荧光元件(发光构造体)高出极多的发光强度，而且，与条件有关，与给予发光体的能量(激励能量)相对应，发光颜色在这种阈值前后变化。

如果根据本发光元件，则因为与这样输入的能量大小对应，以这种阈值为界线发光部分3的发光强度急剧地变化，所以，例如，通过对发光部分3的发光状态(发光强度和发光颜色)进行监视，当输入发光部分3的能量比所定值(阈值)高或低时，能够视觉地对它进行检测。所以，可以用作检测装置和警报装置。

而且，因为以阈值为界线发光部分3的发光强度急剧地变化，所以，可以提取以这种阈值为界线的发光状态的变化作为接通断开信号，从而可以用作存储器和各种控制元件。

而且，因为能够得到比已有技术高的发光强度，所以能够实现高亮度的照明装置等的照明体。本发光构造体作为照明体不仅能够适用于后面通过用途例述说的图象管，阴极射线管等的显示管，而且能够适用于室内照明，投影，后照光等。

总之，如果根据本发光元件，通过利用这种发光状态的急变和高输出，可以为广大范围中的领域带来有益的效果，可以说是极其重要的发明。而且，因为对于已有的荧光元件(发光构造体)，只要通过简单地设置沟道等就能使发光部分形成微细的凹凸构造，所以能够利用已有的荧光元件的制造工艺，而且，能够原封不动地将关于已有荧光元件的已经积累起来的各种丰富的知识应用于本发光元件的制造和开发。

此外，本发明的发光构造体(发光元件)不限定于上述实施形态，在不脱离本发明的主旨的范围内可以进行变更。

例如，在上述实施形态中，在发光部分3的整个区域上设置沟4，但是也可以在发光部分3的一部分上设置沟4。即便在这种情形中，在设置了沟4的发光部分3的区域上，与输入能量对应以所定阈值为界线发光状态会发生急变。

而且，在上述实施形态中，我们说明了由荧光体构成本发明的发光构造体的发光部分的例子，但是不仅可以用荧光体，也可以用其它的发光体。

(实施例)

下面，我们进一步用附图具体地说明本发明的发光构造体的实施例。图3～图8是表示本实施例的发光元件和作为比较对象的荧光元件。此外，在图4，图5，图7，图8中，图中的标记点表示实际测定值，将这些标记点光滑地连接起来作成发光强度的电流依赖关系曲线。而且，我们用用于说明上述实施形态的图1(A)，(B)和用于说明已有技术的图11(A)，(B)进行说明。此外，本发明的发光构造体不限定于这些实施例。

(A)第1实施例

在本实施例中，这种发光元件1A，与上述实施形态发光元件1相同如图1(A)，(B)所示，是通过具备基材2，在基材2上形成的发光部分3和在发光部分3上形成格子状的沟4构成的。用铜板制成基材2，而且，通过用水玻璃水溶液沉淀涂敷粉末状的电视机用的红色荧光体(Y₂O₂S:Eu，Tb)并进行充分干燥在基材2上形成发光部分3。

而且，格子状的沟4是以等间隔(例如1mm)分别并列多条纵沟4a和多条横沟4b形成的，通过例如镊子尖端那样的锐角工具切削发光部分3分别制成各沟4a，4b。

凹凸形状的各种参数，用非接触式的三维测定装置测定，结果是最大厚度在200μm～500μm范围内，最小厚度在20μm～50μm范围内，凹凸面的倾斜角在50度～88度范围内。

而且，制成作为发光元件1A的比较对象的已有构造的荧光元件101A。这个已有构造的荧光元件101A，除了不设置沟4外与发光元件1A的构成相同，又它的制造方法除了没有设置沟4的程序外与制造发光元件1A的方法相同。即，这个已有构造的荧光元件101A，如图11(A)，(B)所示，具备铜制的基材102和在该基材上形成的荧光部分103地构成，荧光部分103是通过用水玻璃水溶液沉淀涂敷粉末状的电视机用的红色荧光体(Y₂O₂S:Eu，Tb)形成的。

然后，用如图3所示的实验装置50对这些发光元件1A和已有荧光元件101A进行发光强度的电流依赖关系的测定。

在此，我们说明实验装置50。如图3所示，实验装置50是通过具备收容测定试料(荧光元件)1A，101A的测定时内部达到中等真空(例如约10-5Pa)的真空装置51，用电子束着照射真空装置51内的测定试料的电子枪52，向电子枪52提供高电压电力的高压电源53，使真空装置51内达到真空的溅射离子泵54A及涡轮分子泵54B，和用于观察真空装置51内部的观察窗55构成的，观察窗55也可用作将电子束测定装置56或发光光谱测定装置(图中未画出)装入真空装置51内部的装入口。

在这样的装置50中，首先，在真空装置51内设置发光元件1A和荧光元件101A后，通过适当地操作溅射离子泵54A及涡轮分子泵54B使真空装置51内部达到所定的真空度(例如约10-5Pa)。然后，使高压电源53工作，从电子枪52将电子束照射到真空装置51内的发光元件1A和荧光元件101A上，用电子束测定装置56测定发光强度的电流依赖关系。

图4所示的图是双对数图，纵轴表示发光元件或荧光元件的发光强度I，横轴表示提供给电子枪52的电流值A(即给予发光元件1A或荧光元件101A的能量)。在已有荧光元件101A中，如图4中的(1)所示，发光强度I在电流值A达到30μA附近前与电流值A的增加对应地单调增加，但是从电流值A超过30μA开始发光强度I减少。

与此相对，本发光元件1A的发光强度I，如图4中的(2)所示，在电流值A达到20μA附近前与已有荧光元件101A大致相同地与电流值A的增加对应地单调增加，但是从电流值A超过20μA开始与已有荧光元件101A相反，该增加倾向急剧上升，超线性地增加得到极高的发光强度。

即，我们已经证实，通过在发光部分3上设置沟4，使发光部分3形成厚度不均匀的微细的凹凸构造，电流值A超过所定阈值A₀(在此约为20μA)时发光强度超线性地增加，并且得到比已有荧光元件101A高得多的输出。

此外，电流值A在阈值A₀以下时，本发光元件1A的发光强度I比已有荧光元件101A低，但是这是因为为了使本发光元件1A的包含沟4的发光部分3的面积和已有荧光元件101A的荧光部分103的面积一致，所以本发光元件1A与已有荧光元件101A比较，其发光部分3的面积减少了设置沟4的部分。

(B)第2实施例

在本实施例中，用本发明者中的数名发明者发明的蓝色荧光体(SrHfO₃:Tm)，制造作为本发明的第2实施例的(有沟4)的发光元件1B和已有构造的(没有沟4)荧光元件101B。

即，发光元件1B，与上述第1实施例的发光元件1A相同如图1(A)，(B)所示，是通过具备铜制的基材2，发光部分3和格子状的沟4构成的。发光部分3是通过在基材2上用水玻璃水溶液沉淀涂敷蓝色荧光体(SrHfO₃:Tm)的粉末并进行充分干燥在基材2上形成的。

而且，已有构造的荧光元件101B，如图11(A)，(B)所示，是通过具备铜制的基材102和在该基材上用水玻璃水溶液沉淀涂敷蓝色荧光体(SrHfO₃:Tm)形成的荧光部分103构成的。

此外蓝色荧光体(SrHfO₃:Tm)的粉末合成能够根据在日本平成8年公开的专利8-283713，日本平成10年公开的专利10-121041，日本平成10年公开的专利10-121043上所述的方法进行。

通常，在蓝色荧光体的粉末合成中，使Sr(锶)的氧化物，水氧化物，碳酸盐或硝酸盐等和Hf(铪)的氧化物等以所定的重量充分混合，将该混合物装入坩埚等耐热容器中，在空气或氧化气氛中在800～1600℃加热1～12小时进进行一次以上的烧结制成这种混合物。在此，具体地如下进行蓝色荧光体的粉末合成。

准备好作为原料的SrCo₃(4N)，HfO₂(3N)，Tm₂O₃(粉末，3N)，Tm(NO₃)₃(溶液，3N)。又用碱金属盐化物(碳酸盐，硝酸盐等)作为熔剂，但是在此用Na₂CO₃(4N)，它的量只为制造的荧光体的10％克分子，这较容易。此外，上述括号内的数值表示纯度。

然后，用化学计量比称量它们，在研钵中进行湿式混合，装入氧化Al坩埚等耐热容器中，在空气或氧化气氛中在1600℃加热4～5小时进行烧结。然后，对该烧结物进行粉碎，水洗，干燥和过筛，除去粗粒子，实现了蓝色荧光体(SrHfO₃:Tm)的粉末合成。

然后，在图3所示的装置50中，用电子束测定装置56对发光元件1B和荧光元件101B进行发光强度的电流依赖关系的测定，而且，用发光光谱测定装置进行发光光谱的测定。图5表示关于发光强度的电流依赖关系的测定结果，图6表示发光光谱的测定结果。此外，进行发光光谱的测定时，在图3中代替电子束测定装置56装入发光光谱测定装置(图中未画出)。

首先，我们说明关于发光强度的电流依赖关系的测定结果。在图5的双对数图中，纵轴表示发光元件或荧光元件的发光强度I，横轴表示提供给电子枪52的电流值A。在没有沟的已有荧光元件101B中，如图5中的(3)所示，发光强度I在电流值A达到30μA附近前与电流值A的增加对应地单调增加，但是从电流值A超过30μA开始增加的倾向减少，从电流值A超过100μA开始发光强度I达到饱和。

另一方面，在有沟4的本发光元件1B中，如图5中的(4)所示，发光强度I在电流值A达到100μA附近前与电流值A的增加对应地大致单调增加，但是从电流值A超过100μA开始与已有荧光元件101A相反，该增加倾向急剧上升，发生超线性地增加。即，我们将100μA作为所定阈值A₀，当电流值A超过这个阈值A₀(在此约为100μA)时发光强度I超线性地增加。

下面，我们说明发光光谱的测定结果。图6是关于本发光元件1B的图，表示当向电子枪52提供比阈值A₀大的电流值A时，发光元件1B的发光光谱，横轴表示发光波长λ[nm]，纵轴表示发光强度I。

如图6所示，在波长λ为450nm附近产生发光强度I的峰值(发光峰)S1。这个发光峰S1是由构成发光部分3的蓝色荧光体(SrHfO₃:Tm)的发光中心Tm引起的蓝色发光光谱，即便当电流值A比阈值A₀低时，在本发光元件1B中也发生蓝色发光光谱，而且，如果使用这个蓝色荧光体则在已有构造的荧光元件中也发生蓝色发光光谱。

可是，在本发光元件1B中，当电流值A超过阈值A₀时，如图6所示，除了这个蓝色发光光谱S1外，新发生在波长λ从500nm到1200nm范围内的宽的发光光谱S2，发光颜色成为白色。

所以，从这个测定，我们证实了通过在发光部分3上设置沟4，使发光部分3形成厚度不均匀的微细的凹凸构造，当电流值A超过所定阈值A₀时发光强度I超线性地增加，而且，发光颜色发生变化(这时从蓝色变成白色)。

(C)第3实施例

作为本发明的第3实施例的发光元件1C，如图1(A)，(B)所示，是通过具备铜制的基材2，在基材2上撒粉形成荧光体粉末的发光部分3和在发光部分3上形成的格子状沟4构成的，用包含10％克分子的KCl作为熔剂的蓝色荧光体(SrHfO₃:Tm)的粉末作为荧光体粉末。用如图3所示的实验装置50对这个发光元件1C测定的发光强度的电流依赖关系如图7所示。

在图7的双对数图中，纵轴表示发光元件的发光强度I，横轴表示提供给电子枪52的电流值A。

在本实施例的发光元件1C中，如图7所示，将在10μA附近的电流值A作为所定阈值A₀，一旦超过这个阈值A₀(在此约为100μA)时发光强度I就立即下降，在与比阈值A₀低的区域大的增加倾向中发生超线性地增加。

在本实施例的发光元件1C中的阈值A₀约为10μA，与上述各实施例的发光元件1A，1B的阈值A₀约为100μA比较是一个相当低的值。我们将下列情况考虑为能够使阈值A₀如此下降(在低的电流值A得到超线性的发光强度上升和增加倾向上升)的主要因素。

即，如上所述，我们能够推定当输入发光元件的能量超过所定阈值时发光强度超线性地上升是由发光部分3的带电性引起的，并且能够推定带电性越大就能使这个阈值降得越低。在本发明的发光元件中，可以用非导电性材料作为使发光部分3具有带电性的荧光体粉末，但是在上述各实施例的发光元件1A，1B中，为了在基材2上形成发光部分3用具有导电性的水玻璃作为粘合剂，由于发光部分3含有水玻璃成分，发光部分3的非导电性被稀释使带电性有若干下降。与此相对，在本第3实施例中，因为不用水玻璃通过撒粉形成发光部分，所以能够通过维持非导电性而维持高的带电性，从而我们能够推定能够在比上述各实施例的发光元件1A，1B低的电流值A得到超线性的发光强度上升。

(D)比较实施例

作为荧光体粉末，使用具有导电性的市售的荧光体ZnO(电阻率推定为10～300Ω·cm)，与上述第1实施例和第2实施例相同地进行实验。

即，如图1(A)，(B)所示，用水玻璃水溶液将荧光体粉末ZnO沉淀涂敷在铜制的基材1上并进行充分干燥，在基材1上形成形成粉末层(发光部分)3，用镊子等的尖端那样的锐利工具在这个粉末层3上设置1mm间隔的格子状沟4制成发光元件1D，而且，如图11(A)，(B)所示，用水玻璃水溶液将荧光体粉末ZnO沉淀涂敷在基材1上并进行充分干燥，在基材1上形成粉末层(荧光部分)3，制成已有构造的荧光元件101D。

对于这些发光元件1D和荧光元件101D用图3所示的实验装置50分别测定发光强度的电子束电流依赖关系，其结果如图8所示。

在图8的双对数图中，纵轴表示发光元件或荧光元件的发光强度I，横轴表示提供给电子枪52的电流值A。此外，发光元件1D(有沟)由图中的(6)表示，荧光元件101D(无沟)由图中的(5)表示。

从图8还可以看到，与发光元件1D和荧光元件101D无关(即与有沟无沟无关)，发光强度I在电流值A为100μA附近显示出最高值，在此以上的电流值A发光强度I下降。即，当用导电性荧光体构成发光部分时，不能发生以所定阈值为界线与电流值A对应地发光强度I超线性增加的现象，不能得到由沟4引起的效果。

我们能够推定这是因为，即便通过设置沟4使发光部分3的厚度不均匀地微细凹凸构造化，形成容易存储电荷的构造，但由于粉体(荧光体)本身具有导电性带电性很低的缘故，得到上述现象(以所定阈值为界线与电流值A对应发生发光强度I超线性增加的现象)，证实了本发明者对是由于发光部分3的带电性引起的推定结果。

(E)第1用途例

下面，我们参照附图说明将本发明的发光构造体应用于荧光显示装置(照明体)的用途例。图9是表示作为本发明的发光构造体的第1用途例的图象管构成的模式图。

在本图象管中，如图9所示，将荧光玻璃62粘合固定在圆筒形玻璃管泡61上，构成真空容器(外围部分)63。然后，在这个真空容器(外围部分)63内，配置荧光面(发光部分)64，阳极电极结构(基材)65，以及构成电子发射部分(栅极66和阴极67)的阴极结构，本发明的发光构造体适用于上述荧光面64和阳极电极结构65。

阳极电极结构65一般由Al，铜等的金属电极或电镀了这些金属的电极构成。电子发射部分的阴极67由具有代表性的至今一直在使用的灯丝(例如在钨丝上涂敷作为电子发射物的氧化钡，氧化钙，氧化锶的发射体)和碳纳米管等构成。

在这个图象管中，在栅极66上加上所定电位，因此形成从电极67发射电子的状态。然后，通过在阳极电极结构65上加上所定电位，使从阴极67发射的电子加速，撞击并穿过阳极电极结构65，进一步撞击荧光面64。结果，由于电子撞击引起的激励，荧光面64显示出具有与构成荧光面64的发光体相应的发光颜色，透过荧光玻璃62在前面一侧的发光68。

(F)第2用途例

下面，我们参照附图说明将本发明的发光构造体应用于作为照明体的阴极射线发光管的用途例。图10是表示作为本发明的发光构造体的第2用途例的阴极射线发光管构成的模式图。

在本阴极射线发光管中，如图10(A)，(B)所示，由玻璃管泡61A和荧光玻璃62构成真空容器(外围部分)63A。然后，在这个真空容器(外围部分)63A内，配置荧光面(发光部分)64A，阳极电极结构(基材)65A，以及构成电子发射部分(栅极66A和阴极67A)的阴极结构，将本发明的发光构造体应用于上述荧光面64A和阳极电极结构65A。

阳极电极结构65A一般由Al，铜等的金属电极或电镀了这些金属的电极构成。电子发射部分的阴极67A由具有代表性的至今一直在使用的灯丝(例如在钨丝上涂敷作为电子发射物的氧化钡，氧化钙，氧化锶的发射体)等构成。

在这个阴极射线发光管中，在栅极66A上加上所定电位，因此形为从电极67A发射电子的状态。然后，通过在阳极电极结构65A上加上所定电位，使从阴极67A发射的电子向阳极电极结构65A加速，撞击荧光面64A给予冲击。结果，由于电子撞击引起对荧光面64A的激励，使与构成荧光面64A的发光体相应的发光颜色透过荧光玻璃62A向前面一侧发光。

如上所述，在上述第1用途例和第2用途例中，由具有表面微细凹凸构造的发光构造体构成荧光面64，64A。所以如果根据上述用途例，则通过在使这种发光构造体的形状，具体地发光部分(涂敷层)的表面具有微细凹凸构造上下工夫，能够实现高亮度的图象管和阴极射线发光管等的照明体。

此外，在上述用途例中，我们说明了图象管和阴极射线发光管，但是在不脱离本发明的主旨的范围内可以对这样的用途例进行变更。例如，在图9所示的上述第1用途例的图象管中，当然也可以倒转阳极电极结构65和荧光面64的位置关系，使取出发光的方向向着阴极一侧和形成没有栅极66的构成。

Claims (17)

1.一种发光构造体，其特征在于，其构成包括：呈非导电性并且表面上具有微细的凹凸构造，当非接触性地给予该凹凸构造的能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的发光部分(3)。

2.如权利要求1所述的发光构造体，其特征在于，该发光部分(3)发射非相干光。

3.如权利要求1所述的发光构造体，其特征在于，与该能量相对应，该发光部分(3)的发光颜色以上述所定阈值为界线而发生变化。

4.如权利要求1所述的发光构造体，其特征在于，该能量是电子束、电荷和电场中任意一种形态的电能量。

5.如权利要求1所述的发光构造体，其特征在于，通过使该发光部分(3)的厚度不均匀而形成有该凹凸构造。

6.如权利要求5所述的发光构造体，其特征在于，该发光部分(3)的凸部和凹部的最大厚度为最小厚度的3倍以上。

7.如权利要求5所述的发光构造体，其特征在于，该发光部分(3)的凸部和凹部的最大厚度为最小厚度的10倍以上。

8.如权利要求5所述的发光构造体，其特征在于，该发光部分(3)的最小厚度在500μm以下。

9.如权利要求5所述的发光构造体，其特征在于，该发光部分(3)的最小厚度在50μm以下。

10.如权利要求5所述的发光构造体，其特征在于，该凹凸构造的凹凸面的倾斜角α在30度到150度的范围内。

11.如权利要求5所述的发光构造体，其特征在于，该凹凸构造的凹凸面的倾斜角α在50度到130度范围内。

12.如权利要求1所述的发光构造体，其特征在于，该发光部分(3)由无机物质构成。

13.如权利要求1所述的发光构造体，其特征在于，该发光部分(3)设置在基材(2)上。

14.如权利要求13所述的发光构造体，其特征在于，不使用水溶性粘合剂而将该发光部分(3)设置在该基材(2)上。

15.如权利要求14所述的发光构造体，其特征在于，通过该发光部分(3)容易带电的方法而将该发光部分(3)设置在该基材(2)上。

16.一种照明体，其特征在于，使用权利要求1所述的发光构造体。

17.一种发光方法，其特征在于，对于包括呈非导电性并且表面上具有微细的凹凸构造，且当非接触性地给予该凹凸构造的能量超过所定阈值时发光强度超线性地增加的发光部分(3)的发光构造体，给予该阈值以上的能量。

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