JP2007329118A

JP2007329118A - 発光装置

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Publication number: JP2007329118A
Application number: JP2007004262A
Authority: JP
Inventors: Hisaya Takahashi; 久也高橋; Atsushi Nanba; 篤史難波
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: US20070262699A1; EP1855308A3; EP1855308A2; CN101071751A; US7834536B2; KR101196586B1; JP4347343B2; CN101071751B; KR20070109818A; EP1855308B1

Abstract

【課題】蛍光体の励起光の装置内部への無駄な放射を低減し、装置の発光効率を向上する。
【解決手段】カソード電極１５に対してアノード電極５を正の高電位に維持し、ゲート電極１０でカソード電極１５に引加するゲート電圧を制御して冷陰極電子放出源１６に電界を印加し、冷陰極電子放出源１６から放出された電子線を蛍光体６に照射して蛍光体を６を励起・発光させる。そして、蛍光体６の励起光を、励起面と反対側からガラス基板２を透過して外部へ放射すると共に、ゲート電極１０のゲート反射面１２で反射し、ガラス基板２の開口領域Ｒｏを透過して外部に放射する。これにより、従来の発光装置のように蛍光体からの励起光が無駄な発光として装置内部に放射・吸収されることがなく、装置の発光効率を向上して投光面全体から外部に放射される光の光量を大幅に増加させることができる。
【選択図】図１

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。

近年、白熱電球や蛍光灯といった従来の発光装置に対し、真空容器中で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て照明や画像表示に用いる電子線励起型の発光装置が開発されている。この種の発光装置においては、蛍光体層の表面の発光を蛍光体層の裏側のガラス基板を透過して外部に放射する構造が一般的であるが、この構造では、電子線が照射される蛍光体面が最も強い発光をしているにも拘らず、その発光は無駄な発光として真空容器内部に放出されることから、装置の発光効率が必ずしも良いとは言えない。

このため、電子線励起型の表示装置では、蛍光体層の電子線が照射される面にアルミニウムを蒸着する等してメタルバック層を形成することで、輝度を向上させる技術が知られている。メタルバックは、蛍光体からの装置内部側への光を装置外部側（表示面側或いは照明面側）に鏡面反射させて輝度を向上させることの他、蛍光面に所定の電位を与えることにより、蛍光面に帯電した電子によるダメージや、装置内で発生した負イオンの衝突によるダメージから蛍光体を保護すること等を目的としており、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１の技術では、蛍光膜を発光させて画像を表示させる画像形成装置において、蛍光膜の内面側に設けられたメタルバックを複数の部分に分割し、分割の複数の間隙を導電性材料で被覆することにより、真空中で発生する異常放電による間隙部分表面の沿面放電を防止し、表示品位の安定化を図っている。
特開２０００−２５１７９７号公報

しかしながら、メタルバックを用いて装置の発光効率を向上させる技術では、電子線がメタルバック層に侵入する際、加速エネルギーが損失し、蛍光体の励起効率の低下を招いてしまう。特に、照明装置としての用途においては、加速エネルギーの損失に伴う蛍光体の励起効率の低下を無視できず、根本的な発光効率の改善には繋がらない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、蛍光体の励起光の装置内部への無駄な放射を低減し、装置の発光効率を向上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。

上記目的を達成するため、本発明による発光装置は、少なくとも冷陰極電子放出源と陽極側の蛍光体とを真空容器内で対向配置し、上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子線によって上記蛍光体を励起して励起光を外部に放射する発光装置において、上記真空容器の投光面を形成する透明基材の内面側に、上記蛍光体を配設した発光領域と上記蛍光体を配設しない開口領域とを設け、上記蛍光体の電子線照射面側に、上記蛍光体からの励起光を反射して上記開口領域から外部に放射する反射面を設けたことを特徴とする。

本発明による発光装置は、蛍光体の励起光の装置内部への無駄な放射を低減し、装置の発光効率を向上することができる。

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は本発明の第１の実施の形態に係り、図１は発光装置の基本構成図、図２は蛍光体の配置を示す平面図、図３はゲート反射面の配置を示す平面図、図４は冷陰極電子放出源の配置を示す平面図である。

図１において、符号１は発光装置であり、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。この発光装置１は、投光面側のガラス基板２と基底面側のガラス基板３とを所定間隔で対向配置して内部を真空状態に維持した真空容器を形成し、この真空容器内において、投光面側から基底面側に向かって、アノード電極５、ゲート電極１０、カソード電極１５を順に配置した基本構成を有している。

尚、本形態においては、アノード電極、ゲート電極、カソード電極を有する３極構造の発光装置を例に取って説明するが、本発明は、ゲート電極を用いることなく、アノード電極とカソード電極とを対向配置した２極構造の発光装置にも適用可能である。

アノード電極５は、投光面を形成する透明基材としてのガラス基板２の内面側に配置され、例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜から形成されている。この透明導電膜のゲート電極１０に対向する面側には、カソード電極１５側から放出された電子によって励起発光する蛍光体６が塗布されている。この蛍光体６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、電着法等により成膜され、ガラス基板２の内面側全体ではなく、所定領域毎に成膜されている。

例えば、図２に示すように、ガラス基板２の内面側において、並列的に配列された細長の矩形状の領域Ｒｆ毎に蛍光体６が成膜されている。この領域Ｒｆは、蛍光体６が配設される発光領域であり、各発光領域Ｒｆの間に、蛍光体６を配設しない開口領域Ｒｏが設けられている。この開口領域Ｒｏは、電子線が照射される蛍光体６の励起面（電子線照射面）からゲート電極１０側に放射された励起光を外部に放出させるための透明窓であり、以下に説明する反射面で反射された励起光を透過させて外部に放出する。

従来の平面状の発光面を有する発光装置においては、投光面を形成するガラス基板の内面全面に渡って蛍光体が膜状に塗布されており、真空容器内で電子線を蛍光体に照射したとき、励起光が蛍光膜の裏側（電子線の照射面と反対側）からガラス基板を透過して外部へ放射される構造となっている。従って、従来の発光装置では、電子線が照射される蛍光体の励起面（電子照射面）が最も強い発光をしているにも拘らず、励起面からの光は、外部へ放出されることなく真空容器の内部に放出され、無駄な発光として、例えばカーボンを主成分とする黒色カソード成膜面に吸収される構造となっている。

これに対し、本発明による発光装置１は、電子線が照射されて最も強く発光する蛍光体の励起面からの放射光を真空容器内で反射させ、ガラス基板２内面側の蛍光体６が存在しない開口領域Ｒｏを通して外部に放出させる構造を有している。この開口領域Ｒｏから外部に放出される反射光と、蛍光体６の励起面と反対側からガラス基板２を透過して外部へ放射される放射光とを合わせることにより、投光面全体から外部に放射される光の光量を大幅に増加させることができる。

蛍光体６の励起面からの光を反射する反射面は、本形態においては、ゲート電極１０上に形成されている。ゲート電極１０は、カソード電極１５側から放出された電子を通過させるゲート開口部１１を有する平板状の電極板であり、例えば、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って形成されている。ゲート開口部１１は、例えば、図３に示すように、蛍光体６の発光領域Ｒｆに対応する領域Ｒｇ内で複数の円孔として形成されている。

また、図３に示すように、ゲート電極１０の領域Ｒｇの周囲のアノード電極５に対向する面側には、蛍光体６で励起されて内部に放射される内部放射光を反射するゲート反射面１２が形成されている。ゲート反射面１２は、開口領域Ｒｏと同じかやや広い反射面を有し、ゲート電極１０上にアルミニウム等の高反射特性を有する金属膜を蒸着して、或いはゲート電極１０の表面を鏡面加工して形成される。但し、ゲート電極１０表面の鏡面加工では、加工後の表面酸化を抑制するための措置が必要である。

尚、蛍光体６の内部放射光を反射する反射面は、ゲート電極１０と別部材で形成しても良い。このゲート電極１０と別部材で形成した反射面は、蛍光体６とゲート電極１０との間、更には、ゲート電極１０を領域Ｒｇのみにパターン化し、このパターン化されたゲート電極の下方側（カソード電極１５側）に配置することも可能である。

この場合、蛍光体６の内部放射光を反射する反射面の位置は、蛍光体６の励起面から放射される光を効率良く反射し、開口領域Ｒｏから外部に放射することのできる位置に設定される。この反射面と蛍光体６との距離ｓは、図１に示す蛍光体６の塗布領域の寸法ｄに対して、例えば、略１：１の関係（ｓ≒ｄ）に設定することが好ましい。

一方、カソード電極１５は、基底面となるガラス基板３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１５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１６が形成されている。

冷陰極電子放出源１６は、カソード電極１５のゲート反射面１２の裏面側に対向する電極面を覆うカソードマスク１７を介して、蛍光体６の励起面（発光領域Ｒｆ）に対応してパターン化されている。例えば、図４に示すように、冷陰極電子放出源１６は、カソードマスク１７を周囲に配置した複数の円形状のパターンとして形成され、蛍光体６の発光領域Ｒｆに対応するゲート開口部１１の領域Ｒｇ内に配置されている。

尚、ゲート開口部１１を形成する各円孔は、冷陰極電子放出源１６の円形状のパターンと同じか若干大きく形成されており、カソードマスク１７は、ゲート開口部１１を形成する各円孔と同じか若干小さい開口でカソード電極１５を覆っている。

カソードマスク１７は、導電性の部材から形成され、通常、接地電位に保持されている。これにより、冷陰極電子放出源１６の周縁への電界の集中を防止し、冷陰極電子放出源１６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ことができると共に、冷陰極電子放出源１６から放出される略全ての電子をゲート電極１０のゲート開口部１１を通過させてアノード電極５の蛍光体６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。

尚、冷陰極電子放出源１６をカソード電極１５上に一様に成膜し、この一様に成膜した冷陰極電子放出源１６上に、ゲート電極１０のゲート開口部１１と略同等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。更に、カソード電極１５を冷陰極電子放出源１６と共にパターン化して電極面を露呈させないように形成することで、カソードマスク１７を省略することも可能である。

尚、本実施の形態の発光装置１は、アノード電極５、ゲート電極１０、カソード電極１５を有する３極構造であるが、アノード電極とカソード電極との２極構造の発光装置の場合には、カソードマスク１７或いはカソードマスク１７と同様の形状の部材の上に鏡面を形成し、蛍光体６の内部放射光を反射する反射面とすることができる。

次に、本実施の形態における発光装置１の動作について説明する。発光装置１は、カソード電極１５に対してアノード電極５を正の高電位に維持し、ゲート電極１０でカソード電極１５に引加するゲート電圧を制御して蛍光体６を発光させ、ガラス基板２から外部へ光を出射させる。すなわち、冷陰極電子放出源１６に電界が印加され、冷陰極電子放出源１６を形成する固体の表面に電界が集中すると、固体表面から電子が真空中に放出され、この電界放出された電子がアノード電極５に向って加速され、ゲート電極１０のゲート開口部１１を通過した電子線が蛍光体６に照射される。そして、この電子線の照射により、蛍光体６に電子が衝突して蛍光体６が励起され、発光する。

このとき、発光装置１の投光面となるガラス基板２から外部に放射される光としては、図１に示すように、ガラス基板２の内面側の発光領域Ｒｆからの放射光Ｐ１と、開口領域Ｒｏからの放射光Ｐ２との２種類の放射光が得られる。発光領域Ｒｆからの放射光Ｐ１は、蛍光体６の励起面側で発光した光が蛍光体６の粒状膜を通過して膜下面からガラス基板２を透過し、外部へ放射される光であり、開口領域Ｒｏからの放射光Ｐ２は、蛍光体６の励起面から放射された光がゲート反射面１２で反射され、ガラス基板２の開口領域Ｒｏを透過して外部に放射される反射光である。

この発光装置１の放射光Ｐ１，Ｐ２を合わせた外部放射光は、蛍光体６に照射する電子線の密度を発光領域Ｒｆと開口領域Ｒｏとの比率に応じて設定することにより、ガラス基板２の内面側全面に蛍光体を塗布した従来の発光装置に比較し、大幅な光量の増加や消費電力の抑制を実現することができる。

例えば、蛍光体６の塗布領域である発光領域Ｒｆの寸法ｄに対して開口領域Ｒｏの寸法ｄ’をｄ＝ｄ’とした場合、蛍光体６を励起する電子線密度を２倍にすることにより、単位面積当たりの平均電子線密度を同じにしながら、従来に比較して約２倍の光量の外部放射光を得ることができる。

このように、本実施の形態においては、電子線が照射されて発光する蛍光体の励起光を、励起面と反対側からガラス基板２を透過して外部へ放射すると共に、蛍光体の励起面からの放射光を真空容器内で反射させてガラス基板２内面側の開口領域Ｒｏを通して外部に放出させる。これにより、蛍光体からの励起光が装置内部で無駄に放射されることがなくなって装置の発光効率を向上することができ、従来に比較して投光面全体から外部に放射される光の光量を大幅に増加させることができる。

また、蛍光体を励起する電子線の密度を、蛍光体を配設した発光領域と蛍光体を配設しない開口領域との比率に応じて設定することにより、従来よりも大幅に光量を増加させることができるばかりでなく、従来と同等の光量を確保しつつ消費電力を大幅に低減し、省エネルギーを図ることが可能となる。

次に、図５，６は本発明の第２の実施の形態に係わり、図５は発光装置の基本構成図、図６は蛍光体及び反射板の配置を示す平面図である。ここで、本実施の形態では、蛍光体６の内部反射光を反射する反射面を、ゲート電極１０とは別部材で構成する場合の具体的な構成について説明する。このため、上述の第１の実施の形態と同様の構成については、同符号を付して説明を省略する。

図５，６に示すように、本形態において、アノード電極５とゲート電極１０との間には、ゲート電極１０とは別部材からなる反射板３０が配設されている。

反射板３０は、例えば、熱による変形・変質等の少ないアルミニウム系の導電性金属材等を母材とする板材で構成されている。この反射板３０には、ゲート開口部１１に対応する領域に開口部３０ａが開口され、さらに、開口部３０ａの周部に、当該開口部３０ａ側に近づくにつれてアノード電極５側から離間するよう傾斜する傾斜部３０ｂが形成されている。そして、傾斜部３０ｂには、ガラス基板２との対向面に、蛍光体６からの内部放射光を反射する反射面３１が形成されている。

ここで、本形態において、開口部３０ａは、具体的には、領域Ｒｇに略対応する矩形形状に形成されている。

また、内部放射光を開口領域Ｒｏに効率よく導くため、傾斜部３０ｂ（反射面３１）の形状は、蛍光体６の面積や蛍光体６から反射板３０までの距離等に応じて、楕円、放物線、或いは、双曲線等の各種断面形状に設定することが可能であり、本形態においては、例えば、放物線状に設定されている。

また、反射面３１は、例えば、傾斜部３０ｂの表面を鏡面加工することにより形成することも可能であるが、高い反射率を確保するため、熱による変形・変質等の少ない高反射特性を有する金属膜を傾斜部３０ｂ上に成膜して形成することが望ましい。

このように構成された反射板３０は、例えば、傾斜部３０ｂの周部から適所に突出形成された支持片３０ｃを介して、真空容器内に保持される。

具体的に説明すると、図５に示すように、本形態において、真空容器は、蛍光体６を具備するガラス基板２と、冷陰極電子放出源１６を具備するガラス基板３と、これらガラス基板２，３に挟持される枠体４とを有して構成されている。そして、真空容器の封止は、例えば、真空炉内において、各ガラス基板２，３の縁辺部と枠体４とを低融点ガラス等を介して溶融接合することにより実現される。この枠体４には、ガラス基板２との接合部の内縁側の一部に、反射板３０の支持片３０ｃに対応する段部４ａが凹設されており、真空容器の封止工程において、支持片３０ｃが段部４ａに配置されることにより、反射板３０はガラス基板２と枠体４との間に挟持される。その際、支持片３０ｃのガラス基板２との対向面には銀ボンド３２が塗布され、この銀ボンド３２を介して、反射板３０は、アノード電極５と電気的に接続されている。

このような実施形態によれば、真空容器内に、ゲート電極１０とは別体で構成した反射板３０を設け、この反射板３０上に反射面３１を形成することにより、ゲート電極１０の仕様等に大きく制限されることなく高い自由度で反射面３１を設計することができ、蛍光体６からの内部放射光を開口領域Ｒｏに効率よく導くことができる。特に、ゲート電極１０と別体の反射板３０を設けることにより、反射面３１の奥行き方向（蛍光体６側からゲート電極１０側）の形状等を高い自由度で設計することができ、内部放射光を開口領域Ｒｏに効率よく導くことができる。また、ゲート電極１０に拘束されることなく反射板３０の材料を選択することができるので、反射板３０（及び、金属膜等）を熱による変形・変質等の少ない材料で構成すれば、真空容器の封止工程等の熱工程を経た後にも、高反射率の反射面３１を確保することができる。従って、開口領域Ｒｏからの放射光Ｐ２’の光量を格段に向上させることができる。

また、反射板３０をアノード電極５に電気接続することにより、真空容器内に反射板３０を配設した場合にも、当該反射板３０の帯電を防止して電界を安定させることができ、冷陰極電子放出源１６から放出された電子を的確にアノード電極５に到達させることができる。

また、反射板３０をガラス基板２と枠体４との間に挟持することにより、簡単な構成で真空容器内に反射板３０を保持することができる。

なお、上述の第２の実施の形態においては、反射板３０をガラス基板２と枠体４との間に挟持し、反射板３０をアノード電極５に電気接続した一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ゲート電極１０側に保持することも可能である。この場合、アノード電極５に代えて、反射板３０をゲート電極１０に電気接続すれば、反射板３０の帯電を的確に防止することができる。

本発明の第１の実施の形態に係わり、発光装置の基本構成図同上、蛍光体の配置を示す平面図同上、ゲート反射面の配置を示す平面図同上、冷陰極電子放出源の配置を示す平面図本発明の第２の実施の形態に係わり、発光装置の基本構成図同上、蛍光体及び反射板の配置を示す平面図

符号の説明

１発光装置
２ガラス基板（透明基材）
３ガラス基板
４枠体
４ａ段部
５アノード電極
６蛍光体
１０ゲート電極
１１ゲート開口部
１２ゲート反射面
１５カソード電極
１６冷陰極電子放出源
１７カソードマスク
３０反射板
３０ａ開口部
３０ｂ傾斜部
３０ｃ支持片
３１反射面
３２銀ボンド
Ｒｆ発光領域
Ｒｏ開口領域

Claims

少なくとも冷陰極電子放出源と陽極側の蛍光体とを真空容器内で対向配置し、上記冷陰極電子放出源から電界放出された電子線によって上記蛍光体を励起して励起光を外部に放射する発光装置において、
上記真空容器の投光面を形成する透明基材の内面側に、上記蛍光体を配設した発光領域と上記蛍光体を配設しない開口領域とを設け、
上記蛍光体の電子線照射面側に、上記蛍光体からの励起光を反射して上記開口領域から外部に放射する反射面を設けたことを特徴とする発光装置。
上記反射面を、上記冷陰極電子放出源と上記蛍光体との間に配設されて上記冷陰極電子放出源に印加する電圧を制御するゲート電極上の上記開口領域に対応する位置に設けたことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
上記ゲート電極を上記冷陰極電子放出源からの電子線を通過させる開口部を有する平板状の電極板で形成し、この電極板の上記開口部の周囲に上記反射面を設けたことを特徴とする請求項２記載の発光装置。
上記冷陰極電子放出源が形成されるカソード電極に、上記反射面の裏面側に対向する電極面を覆うカソードマスクを配設したことを特徴とする請求項３記載の発光装置。
上記冷陰極電子放出源と上記蛍光体との間に配設されて上記冷陰極電子放出源に印加する電圧を制御するゲート電極と、上記陽極と、の間に反射板を配設し、当該反射板に上記反射面を形成したことを特徴とする請求項１記載の発光装置。
上記反射板は、上記ゲート電極の開口部に対応する開口部と、当該開口部側に近づくにつれて上記陽極側から離間する傾斜部とを有し、
上記傾斜部に上記反射面を形成したことを特徴とする請求項5記載の発光装置。
上記反射板を、上記陽極或いは上記ゲート電極の何れか一方に電気接続したことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の発光装置。
上記真空容器は、上記透明基材と、当該透明基材の縁辺部に接合する枠体とを有し、
上記反射板は、上記透明基材と上記枠体との間に挟持されることを特徴とする請求項５〜７の何れか一に記載の発光装置。
上記蛍光体を励起する電子線の密度を、上記発光領域と上記開口領域との比率に応じて設定することを特徴とする請求項１〜８の何れか一に記載の発光装置。