JP2006339012A - Light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷陰極電子放出源から電界放出された電子によって蛍光体を励起発光させる発光装置に関する。 The present invention relates to a light emitting device that excites a phosphor with light emitted from a cold cathode electron emission source.
近年、白熱電球や蛍光灯といった従来の発光装置に対し、真空中で冷陰極電子放出源から電界放出させた電子を高速で蛍光体に衝突させることにより、蛍光体を励起発光させる冷陰極電界放出型の発光装置が開発されており、電界放出型照明ランプ(Field Emission Lamp:FEL)や電界放出型表示装置(Field Emission Display:FED)としての用途が見込まれている。 In recent years, in contrast to conventional light emitting devices such as incandescent bulbs and fluorescent lamps, cold cathode field emission that causes phosphors to emit light by colliding the electrons emitted from the cold cathode electron emission source in vacuum with the phosphors at high speed. Type light-emitting devices have been developed and are expected to be used as field emission lamps (FEL) and field emission display devices (FED).
この種の発光装置は、カソード電極に対して正の電位を与えたゲート電極によって電子を引き出し、更に正の高電圧を与えた蛍光板電極に電子を衝突させて蛍光発光させるものであるが、平面に冷陰極電子源を成膜したカソード電極に対向してゲート電極を配置する場合、カソード電極とゲート電極との間の電界によって引き出された電子は、一部は蛍光体に到達して発光に寄与するが、他はゲート電極に飛び込んで無駄に電力を損失したり、金属スパッタを発生させて冷陰極電子放出源を損傷すると言った問題がある。 This type of light-emitting device is one in which electrons are extracted by a gate electrode applied with a positive potential with respect to a cathode electrode, and are further made to emit fluorescent light by colliding electrons with a fluorescent plate electrode applied with a positive high voltage. When the gate electrode is placed opposite to the cathode electrode on which the cold cathode electron source is formed, some of the electrons extracted by the electric field between the cathode electrode and the gate electrode reach the phosphor and emit light. Although contributing, there are other problems such as jumping into the gate electrode and losing power unnecessarily, or causing metal spatter to damage the cold cathode electron emission source.
このような問題に対処するため、特許文献1には、FELに関連して、カソード電極表面と略平行な略平板に孔を設け、この孔端をカソード電極側に突き出した構造のグリッド電極(ゲート電極)とする技術が開示されている。特許文献1の技術によれば、略平板領域における電界よりも孔端における電界を高くすることにより、カソード電極からグリッド電極に飛び込む無効電子を抑制することができる。
In order to cope with such a problem, in
また、特許文献2には、同様にFELに関連して、部分的に開口を備えた半円筒状のグリッド電極が直方体形状カソード電極に対して間隙を持って囲む技術が開示されている。特許文献2の技術は、電子が蛍光板電極に突入したことによって叩き出された正イオンがカソード電極に突入することを抑制し、放電破壊を防止するものであるが、電子放出の軌跡を予め算出設計して開口を設けることにより、放出電子がグリッド電極に飛び込まずに開口を通り抜けて蛍光体に突入する確率を向上することができる。
Similarly,
更に、FED等においては、フォトリソグラフィー技術等により、カソード電極とゲート電極とを極めて近い距離で配置し、ゲート電極に電子が吸収されないように工夫している。図5は、FEDにおけるカソード側の代表的な構造を示すものであり、カソード電極100上に、電子放出源101及び絶縁層102を成膜し、絶縁層102の上層に金属材からなるゲート電極103を成膜している。絶縁層102の厚さAは、例えば20μm以下であり、ゲート電極103の開口寸法Bは、例えば、数μ〜数十μm程度である。
しかしながら、特許文献1の技術において、グリッド電極の孔端の加工精度を維持することは必ずしも容易でなく、コストアップの要因となる虞がある。同様に、特許文献2の技術においても、グリッド電極の形状が若干特殊なものとなり、加工精度、製造工程の面で不利であるばかりでなく、グリッド電極の開口設計により放出電子が蛍光体に突入する確率を均一化することは、必ずしも容易ではない。
However, in the technique of
また、FED等におけるフォトリソグラフィー技術は、設備と生産プロセスの費用が高額であることから、製品価格が安価なFELの製造工程には適合が困難である。更に、カソード電極とゲート電極とを極めて近い距離に配置することは、真空容器内で高速移動しているイオンがゲート電極に衝突して金属スパッタが発生し易いという欠点につながり、この金属スパッタによって冷陰極電子放出源が損傷したり、冷陰極電子放出源に正イオンが衝突して損傷を招く虞がある。 In addition, the photolithographic technique in FED and the like is expensive to install and manufacture, and therefore, it is difficult to adapt to the FEL manufacturing process with a low product price. Furthermore, disposing the cathode electrode and the gate electrode at an extremely close distance leads to a drawback that ions moving at high speed in the vacuum vessel collide with the gate electrode and metal spatter is likely to occur. The cold cathode electron emission source may be damaged, or positive ions may collide with the cold cathode electron emission source and cause damage.
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、複雑な構成を要することなく、蛍光体に電子が突入して叩き出される正イオンや冷陰極電子放出源から放出された電子のゲート電極への突入を防止し、冷陰極電子放出源の損傷を確実に防止することのできる発光装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and without requiring a complicated configuration, positive ions from which electrons enter and strike the phosphor and electrons emitted from a cold cathode electron emission source to the gate electrode. An object of the present invention is to provide a light emitting device capable of preventing entry and reliably preventing damage to a cold cathode electron emission source.
上記目的を達成するため、本発明による発光装置は、冷陰極電子放出源を有するカソード電極と、上記カソード電極との間の真空中で上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極と、上記カソード電極と上記アノード電極との間で上記カソード電極に対向する面が真空中に露呈され、上記冷陰極電子放出源から放出された電子を通過させる開口部を有するゲート電極と、上記ゲート電極の上記アノード電極側に配置され、上記蛍光体から放出される正イオンを捕獲するイオン捕獲電極とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a light emitting device according to the present invention is excited by electrons emitted from the cold cathode electron emission source in a vacuum between the cathode electrode having the cold cathode electron emission source and the cathode electrode. A surface facing the cathode electrode between the cathode electrode and the anode electrode, which is exposed to the vacuum, and allows electrons emitted from the cold cathode electron emission source to pass through. A gate electrode having an opening, and an ion trapping electrode that is disposed on the anode electrode side of the gate electrode and captures positive ions emitted from the phosphor.
その際、ゲート電極は、アノード電極側から順に、イオン捕獲電極、絶縁性を有するゲート板、ゲート電極を積層した積層構造で形成することが望ましい。また、ゲート電極の開口部は、冷陰極電子放出源の電子放出領域以上の大きさとし、更には、この電子放出領域の周囲に、カソード電極を覆う導電性のカソードマスクを配置することが望ましい。 At that time, the gate electrode is preferably formed in a laminated structure in which an ion trapping electrode, an insulating gate plate, and a gate electrode are laminated in order from the anode electrode side. The opening of the gate electrode is preferably larger than the electron emission region of the cold cathode electron emission source, and further, a conductive cathode mask covering the cathode electrode is preferably disposed around the electron emission region.
本発明による発光装置は、複雑な構成を要することなく、蛍光体に電子が突入して叩き出される正イオンや冷陰極電子放出源から放出された電子のゲート電極への突入を防止し、冷陰極電子放出源の損傷を確実に防止することができる。 The light emitting device according to the present invention prevents the entry of positive ions emitted from electrons into the phosphor and knocked out from the phosphor or electrons emitted from the cold cathode electron emission source into the gate electrode without requiring a complicated configuration. Damage to the cathode electron emission source can be reliably prevented.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1〜図4は本発明の実施の一形態に係り、図1は発光装置の基本構成図、図2はゲート極のカソード電極側を示す平面図、図3はゲート極のアノード電極側を示す平面図、図4はゲート電極とカソード電極と冷陰極電子放出源との関係を示す説明図である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 to 4 relate to an embodiment of the present invention, FIG. 1 is a basic configuration diagram of a light emitting device, FIG. 2 is a plan view showing a cathode electrode side of a gate electrode, and FIG. FIG. 4 is an explanatory view showing the relationship among a gate electrode, a cathode electrode, and a cold cathode electron emission source.
図1に示すように、本実施の形態における発光装置1は、例えば平面状の電界放出型照明ランプとして用いられる発光装置であり、所定間隔で対向配置されたガラス基板2,3の内部を真空状態に維持し、この真空状態下で、カソード電極5、ゲート電極10、アノード電極15を基底面側から投光面側に向かって順に配置した基本構成を有している。
As shown in FIG. 1, a light-
カソード電極5は、基底面となるガラス基板2上に形成された導電材からなり、例えば、アルミニウムやニッケル等の金属を蒸着やスパッタ法等によって堆積したり、銀ペースト材を塗布して乾燥・焼成する等して形成される。このカソード電極5の表面には、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、スピント型マイクロコーン、金属酸化物ウィスカー等のエミッタ材料が膜状に塗布され、冷陰極電子放出源6が形成されている。
The cathode electrode 5 is made of a conductive material formed on the
本形態においては、冷陰極電子放出源6は、所定の領域毎にパターン化され、パターン化された領域(電子放出領域)の周囲に、カソード電極5を覆うカソードマスク7が配置されている。カソードマスク7については、後述する。
In this embodiment, the cold cathode electron emission source 6 is patterned for each predetermined region, and a
アノード電極15は、投光面となるガラス基板3の裏面側に配置された透明導電膜(例えば、ITO膜)からなり、ゲート電極10(カソード電極5)に対向する面に、冷陰極電子放出源6から放出された電子によって励起発光される蛍光体16が成膜されている。蛍光体16は、例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法、フォトグラフィ法、沈殿法、電着法等により、アノード電極15上に成膜されている。
The
一方、カソード電極5とアノード電極15との間の真空の空間内に配置されるゲート電極10は、冷陰極電子放出源6のパターン領域から放出された電子を通過させる開口部11を有する平板状に形成されている。このゲート電極10の一方の面は、カソード電極5に対向して真空中に露呈され、他方の面側に、蛍光体16への電子の衝突によって放出される正イオンを捕獲するためのイオン捕獲電極12が配置されている。
On the other hand, the
本形態においては、ゲート電極10とイオン捕獲電極12との間に絶縁性を有するゲート板13を介在させ、アノード電極15側から順に、イオン捕獲電極12、ゲート板13、ゲート電極10を一体的に積層した積層構造のゲート極として形成している。このゲート極は、所定位置に配置された図示しないサポータを介してカソード電極5上に支持されている。
In this embodiment, an
ゲート電極10は、ニッケル材、ステンレス材、アンバー材等の導電性金属材料を用い、単純な機械加工、エッチング、スクリーン印刷等により、例えば厚さ1mm以下の電極としてゲート板13上に形成され、図2に示すように、カソード電極5側が真空中に露呈されてゲート極のカソード電極5側の表層を形成している。ゲート板13は、セラミックやマイカ等の絶縁材料により、或いは金属板に絶縁被膜をコーティングして形成されている。
The
また、イオン捕獲電極12は、例えば、厚さ1mm以下のニクロム板に、チタン、ジルコニウム、バナジウム、鉄、アルミニウム等のイオンゲッター材をコーティングして形成されている。図3に示すように、イオン捕獲電極12は、アノード電極15側において、ゲート電極10の開口部11以外の非開口領域を覆うように配置され、ゲート極のアノード電極15側の表層を形成している。
Moreover, the
尚、ゲート板13は、必ずしも必要ではなく、ゲート電極10とイオン捕獲電極12との絶縁を必要としない場合等には、省略することができ、例えば、ゲート電極10とイオン捕獲電極12とを僅かに離間させて配置することにより、ゲート板13を用いることことなく、ゲート電極10とイオン捕獲電極12とを絶縁しても良い。また、ゲート電極10のアノード電極15側の面にイオンゲッターをコーティングする等して、ゲート電極10の一部をイオン捕獲電極として機能させるようにしても良い。
Note that the
ゲート電極10の開口部11は、本形態においては、図2及び図3に示すように、ランド状に形成された冷陰極電子放出源6のパターン領域と同じか若干大きく形成された円孔として形成されている。これにより、冷陰極電子放出源6から放出される略全ての電子を通過させて発光に寄与する有効電子とすることができ、ゲート電極10での電力損失を低減し、無損失ゲートの実現を可能としている。
In this embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the
この無損失ゲートを有効に実現するには、図4に示すゲート電極10とカソード電極5との対向距離H、及び冷陰極電子放出源6のパターン領域の寸法D1、ゲート電極10の開口部11の開口寸法D2の関係を適切に設定する必要がある。
In order to effectively realize this lossless gate, the facing distance H between the
先ず、ゲート電極10とカソード電極5との対向距離Hは、規定の下限値以上に設定される。この下限値は、ゲート電極10からカソード電極5への有害な金属スパッタの発生を防止可能な距離であると同時に、ゲート電極10とカソード電極5との距離が近すぎて電界が有効に発生せず冷陰極電子放出源6から放出される電子が極端に少なくなることを避けるための距離であり、例えば、H=0.1mm〜5mmに設定される。
First, the facing distance H between the
また、冷陰極電子放出源6のパターン領域の寸法D1とゲート電極10の開口部11の開口寸法D2との関係は、蛍光体16の発光に要する電界強度やゲート電極10とカソード電極5とのアライメント誤差等を考慮して設定される。例えば、冷陰極電子放出源6のパターン領域の寸法D1をD1=0.1mm〜5mmとした場合、ゲート電極10の開口部11の開口寸法D2は、D2=D1〜D1+1mmの範囲に設定される。
Further, the relationship between the dimension D1 of the pattern region of the cold cathode electron emission source 6 and the opening dimension D2 of the
この場合、ゲート電極10の開口部11と冷陰極電子放出源6のパターン領域(電子放出領域)とは、円形の形状に限らず矩形状等の他の形状でも良く、互いに相似形状であれば良い。上述した寸法D1,D2の関係は、ゲート電極10側と冷陰極電子放出源6側とで互いに相似となる開口部の面積が同じかゲート電極10側が若干大きい関係にあれば良いことを意味している。
In this case, the opening
更に、無損失ゲートの実現に際しては、冷陰極電子放出源6のパターン領域の周囲に配置されるカソードマスク7が有効に作用する。このカソードマスク7は、ゲート電極10と同様の導電性の部材で形成され、冷陰極電子放出源6のパターン領域周縁への電界の集中を防止するものである。このカソードマスク7を用いることにより、冷陰極電子放出源6から放出された電子のゲート電極10への突入を防止して金属スパッタの発生を確実に防止すると共に、冷陰極電子放出源6から放出される略全ての電子をゲート電極10の開口部を通過させてアノード電極15に到達させ、発光に寄与する有効電子としてゲート電極10での電力損失を効果的に低減することができる。
Further, in realizing the lossless gate, the
尚、冷陰極電子放出源6をパターン化することなく、カソード電極5上に冷陰極電子放出源6を一様に成膜し、この一様に成膜した冷陰極電子放出源6上に、ゲート電極10の開口部11と相似形状で開口部11の面積以下の開口部を備えたカソードマスクを配置するようにしても良い。
Note that the cold cathode electron emission source 6 is uniformly formed on the cathode electrode 5 without patterning the cold cathode electron emission source 6, and the uniformly formed cold cathode electron emission source 6 is You may make it arrange | position the cathode mask provided with the opening
以上の発光装置1においては、カソード電極5に対して、アノード電極15を正の高電位に維持し、ゲート電極10からカソード電極5へ所定のゲート電圧を印加すると共に、イオン捕獲電極12をゲート電圧に近い電位に保持する。これにより、冷陰極電子放出源6から真空中に電子が放出され、この電界放出した電子がアノード電極15に向って加速され、図1に示すように、ゲート電極10の開口部11を通過した電子線20が蛍光体16に衝突し、蛍光体16を励起して発光させる。
In the
このとき、ゲート電極10の開口部11を冷陰極電子放出源6の電子放出領域と同じか若干大きく形成していることから、冷陰極電子放出源6から放出された略全ての電子を開口部11を通過させて蛍光体16に到達させることができる。しかも、冷陰極電子放出源6の電子放出領域の周囲にカソード電極5を覆うカソードマスク7を配置しているため、ゲート電極10からの有害な金属スパッタやガスの発生を防止することができ、無効電子による無駄な電力消費を効果的に防止することができる。更には、ゲート電極10をカソード電極5から適切な距離に離間させて配置しているため、ゲート電極10に印加する電圧が必要以上に高電圧化することもない。
At this time, since the
また、蛍光体16に電子が突入して正のイオン21が叩き出されても、このイオン21がカソード電極5側に向かう途中で、アノード電極15に対向して配置されたイオン捕獲電極12によって効率的に捕獲することができる。これにより、イオン21のゲート電極10及び冷陰極電子放出源6への突入を回避し、ゲート電極10からの金属スパッタや、ガスの発生による局部的な真空度の劣化による放電を回避し、冷陰極電子放出源6の損傷を防止することができる。
Even when electrons enter the
特に、発光面積の大きい照明用として考慮した場合、冷陰極電子放出源から放出された電子や蛍光体からの正イオンがゲート電極へ突入する確率が大きいことから、簡素な構成でありながら冷陰極電子放出源の損傷を効果的に防止することのできる本発明の発光装置は有用であり、装置の安定化と信頼性向上に寄与することができる。 In particular, when considered for illumination with a large light emitting area, there is a high probability that electrons emitted from the cold cathode electron emission source and positive ions from the phosphor will enter the gate electrode, so the cold cathode is simple in structure. The light emitting device of the present invention that can effectively prevent damage to the electron emission source is useful, and can contribute to stabilization of the device and improvement of reliability.
1 発光装置
5 カソード電極
6 冷陰極電子放出源
7 カソードマスク
10 ゲート電極
11 開口部
12 イオン捕獲電極
13 ゲート板
15 アノード電極
16 蛍光体
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記カソード電極との間の真空中で上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極と、
上記カソード電極と上記アノード電極との間で上記カソード電極に対向する面が真空中に露呈され、上記冷陰極電子放出源から放出された電子を通過させる開口部を有するゲート電極と、
上記ゲート電極の上記アノード電極側に配置され、上記蛍光体から放出される正イオンを捕獲するイオン捕獲電極とを備えたことを特徴とする発光装置。 A cathode electrode having a cold cathode electron emission source;
An anode having a phosphor that emits light when excited by electrons emitted from the cold cathode electron emission source in a vacuum with the cathode; and
A gate electrode having an opening through which electrons emitted from the cold cathode electron emission source are exposed in a vacuum between a surface facing the cathode electrode between the cathode electrode and the anode electrode;
A light emitting device, comprising: an ion capture electrode disposed on the anode electrode side of the gate electrode and capturing positive ions emitted from the phosphor.
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