JP2009016196A - 発光素子および該発光素子の発光・消光制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子を低い駆動電圧で発光・消光可能とすること。
【解決手段】電子放出層１２を備えたカソード電極４と、蛍光体８付きアノード電極１０とを対向させ、アノード電極１０にアノード電圧を印加して電子放出層１２から電子を引き出すと共に蛍光体８へ向けて加速衝突させることにより該蛍光体８を励起発光させる発光素子において、カソード電極４に並設されて発光・消光時に駆動電圧が印加されて上記発光・消光を制御する制御電極６を備え、この制御電極６の電極高さをカソード電極４の電極高さより高く設定した構成。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界放射により電子放出する電子放出層を備えたカソード電極と、このカソード電極と対向配置された蛍光体付きアノード電極とを備え、アノード電圧を印加して電子放出層からの電子引き出しと電子加速とを制御する発光素子および該発光素子を発光・消光制御する方法に関するものである。

上記発光素子では、アノード電圧によりカソード電極から電子を引き出すと共にこの引き出した電子をアノード電極に設けた蛍光体に加速衝突させて該蛍光体を励起発光させるものであり、アノード電圧により発光と消光とを制御するダイオード型と称することができる（特許文献１等参照）。

しかしながら、この従来のダイオード型の発光素子では発光、消光をカソード電極の電位とアノード電極の電位との電位差であるアノード電圧により発光、消光を制御するものであるので、引き出し電子量と加速電圧とを独立制御し難い。一方、このようなダイオード型に対してさらに制御電極をカソード電極上方や下方や平行に配置し、この制御電極でカソード電極から電子を引出すようにしたトライオード型の発光素子も提案されている（特許文献２，３等参照）。

このトライオード型では、アノード電圧は電子加速のためであり、また制御電極により電子の引き出しを行うものであるが、このトライオード型の場合では、一般に、発光・消光制御を低電圧駆動でかつ効率的に行ううえでは課題があった。
特開２００４−１７８８４１ 特開２００３−１００２０２ 特開平１１−０９６８９４

本発明により解決すべき課題は、発光・消光を低電圧駆動でかつ容易に行うことができるトライオード型発光素子を提供することである。

本発明による発光素子は、電子放出層を備えたカソード電極と、蛍光体付きアノード電極とを対向させ、アノード電圧を印加して電子放出層から電子を引き出すと共に蛍光体へ向けて加速衝突させることにより該蛍光体を励起発光させる発光素子において、カソード電極に並設されて発光・消光時に駆動電圧が印加される制御電極を備えると共に、この制御電極の電極高さをカソード電極の電極高さよりも高く設定したことを特徴とするものである。好ましくは、電子放出層上端部高さを相対的に制御電極の電極高さよりも低く設定したことを特徴とするものである。

上記並設は基板表面がフラット形状の場合での制御電極とカソード電極との電極高さ位置関係に限定されるものではなく、基板表面に凹凸があり、制御電極とカソード電極とのうちの一方が基板表面の凹部上、他方が表面の凸部上に形成された場合での電極高さ位置関係を含む。

本発明では、制御電極の電位をカソード電極の電位より低くしたり同電位にしたりして発光・消光するに際して、制御電極の電極高さをカソード電極の電極高さよりも高く設定したので、制御電極の電位をカソード電極の電位に対して低電位にしたり同電位にしたりして上記発光素子を発光・消光させる際の該駆動電圧を低くすることができ、発光・消光が容易となる。

本発明による発光素子の発光・消光制御方法は、電子放出層を備えたカソード電極と、蛍光体付きアノード電極とを対向させ、アノード電圧を印加して電子放出層から電子を引き出すと共に蛍光体へ向けて加速衝突させることにより該蛍光体を励起発光させる発光素子の発光・消光制御方法において、カソード電極に制御電極を並設するとともに、この制御電極の電位をカソード電極の電位に対して低電位にしたり同電位にしたりして上記発光素子を発光・消光させると共に、この発光・消光に際して上記カソード電極の電極高さに対して制御電極の電極高さを相対調整することにより駆動電圧を調整する、ことを特徴とするものである。

上記並設は、上述と同様である。

上記構造を備えた発光素子では、制御電極とカソード電極との電極高さはいずれの電極が高くても低くても、従来のダイオード型のようにアノード電圧を供給する高圧の電源をオン・オフに制御して発光・消光させるよりも発光・消光の制御が容易となるが、本発明の発光・消光制御方法では、制御電極の電極高さをカソード電極の電極高さに対して相対調整することにより、印加する駆動電圧を調整して発光・消光させることができるようになる。この場合、本発明の発光・消光制御方法では、制御電極の電極高さをカソード電極の電極高さに対して相対的に高く調整することにより、印加する駆動電圧を低減して発光・消光させることができ、駆動電圧の一層の低減効果を得ることができる。

本発明の好適な一態様は、上記電子放出層がナノサイズの電子放出材料からなる電子放出層である。この電子放出材料は特に限定しないが、好ましくはナノサイズのカーボン系材料からなる。このカーボン系材料は特に限定しないが、ファイバ、粒子でもよい。ファイバとしては、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、カーボンナノコイル、グラファイトナノファイバー、グラファイトリボン、などのファイバを例示することができる。また、電子放出材料には上記ファイバだけに限定されず、例えば、粒子形態でもよく、この形態としては例えばグラファイト粒子を挙げることができる。また、カソード電極を構成する電極表面上への電子放出材料の配置形態は特に限定しない。

本発明によれば、発光素子の発光と消光とを低電圧駆動でかつ容易に行うことを可能とした、発光素子駆動方法を提供することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態に係る発光素子およびその発光・消光制御方法を説明する。図１を参照してこの発光素子は、絶縁基板２上にカソード電極４を配置すると共にこのカソード電極４の両側に制御電極６を並設配置する一方、これら電極４，６に対向した位置に蛍光体８付きのアノード電極１０を配置した構成になっている。図示を略するが、絶縁基板２とアノード電極１０との対向空間は真空封止されている。カソード電極４は電極表面に電界放射により電子放出する電子放出層１２を備えている。

以上の構成の発光素子においては、アノード電極１０に例えば１０ｋＶ程度の高圧の電源１４からアノード電圧を印加して電子放出層１２から電子を引き出すと共に蛍光体８へ向けて加速衝突させることにより該蛍光体８を励起発光させる一方で、制御電極６には低圧の電源１６から制御電極６に対してゼロ電位にしたりマイナスの駆動電圧を印加したりすることにより上記発光素子を発光・消光させることができるようになっている。

そして、実施の形態の発光素子では、絶縁基板２上における制御電極６の電極高さＨ１をカソード電極４の電極高さＨ２より高く設定してあることを特徴とするものである。この場合、制御電極６やカソード電極４の上端面側形状が半円形状、半楕円形状、矩形形状、あるいは凹凸形状等をなしている場合、その電極高さＨ１、Ｈ２は絶縁基板２表面からの最大高さとする。

以下、発光素子の発光・消光制御を詳しく説明する。

図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に制御電極６とカソード電極４それぞれの電極高さＨ１，Ｈ２の関係が異なる発光素子の代表例を示す。実施の形態では説明の都合でこの代表例を３つとしている。

図２（ａ）で示す発光素子は、制御電極６の電極高さＨ１がカソード電極４の電極高さＨ２より低く、図２（ｂ）で示す発光素子は制御電極６の電極高さＨ１がカソード電極４の電極高さＨ２と同じ、図２（ｃ）で示す発光素子は制御電極６の電極高さＨ１がカソード電極４の電極高さＨ２より高い。実施の形態の発光素子は図２（ｃ）に対応する。

図２（ａ）（ｂ）では電子放出層１２の上端部高さは相対的に制御電極６の電極高さより高く、図２（ｃ）では、電子放出層上端部高さを相対的に制御電極の電極高さよりも低くすることができる。図２（ｃ）では図解の都合で電子放出層１２の上端部高さは制御電極６の電極高さと同等程度に見えるが、電子放出層１２の膜厚および制御電極６の電極高さを調整することにより、容易に電子放出層上端部高さを相対的に制御電極の電極高さよりも低くできる。

図３に横軸に電極端部から電極中心への距離をとり、縦軸にカソード電極４の表面電界をとり、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）それぞれの発光素子の消光時におけるカソード電極４の電極端部から電極中心に至る表面電界の変化を示す。横軸と縦軸の交点である原点はカソード電極４の電極端部であり、縦軸の図中右端は電極中心である。

図３において電界変化曲線Ａは図２（ａ）の発光素子のカソード電極４の表面電界に対応し、Ｂは図２（ｂ）の発光素子のカソード電極４の表面電界に対応し、Ｃは図２（ｃ）の発光素子のカソード電極４の表面電界に対応する。また、破線Ｓは発光時でのカソード電極４の表面電界を示す。各発光素子により発光時でのカソード電極４の表面電界は多少相違するが理解のため各発光素子共通で発光時でのカソード電極４の表面電界を破線Ｓで便宜的に一律に示す。また、図３はすべての発光素子の制御電極６に印加する駆動電圧はすべて同一である。

図３によると、図２（ａ）の発光素子のカソード電極４の発光時から消光時への表面電界の変化は破線Ｓから曲線Ａであるから最も小さく、図２（ｂ）の発光素子のカソード電極４の発光時から消光時への表面電界の変化は破線Ｓから曲線Ｂであるから中であり、図２（ｃ）の発光素子のカソード電極４の発光時から消光時への表面電界の変化は破線Ｓから曲線Ｃであるから最も大きい。

そのため、制御電極６とカソード電極４との電極高さ調整を行う場合、図２（ｃ）の発光素子の構造に調整すると、図２（ａ）や図２（ｂ）の発光素子の構造に調整する場合と比較して発光・消光させやすくなると共に、同程度の発光・消光制御を行う場合では、図２（ｃ）の発光素子構造に調整した場合は、より低い駆動電圧で発光・消光を制御することができると言える。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に制御電極６とカソード電極４との電極間距離が代表的に遠、中、近に異なる発光素子を示す。図４（ａ）で示す発光素子では、制御電極６がカソード電極４から電極間距離Ｄ１で最も遠く離れた位置に配置され、図４（ｂ）で示す発光素子では、制御電極６がカソード電極４から電極間距離Ｄ２（＜Ｄ１）で中程度に離れた位置に配置され、図４（ｃ）で示す発光素子では、制御電極６がカソード電極４から電極間距離Ｄ３（＜Ｄ２）で最も近く離れた位置に配置されている。すなわち、図４（ｃ）の発光素子の制御電極６がカソード電極４に最も近く配置されている。そして、実施の形態の発光素子では、制御電極６とカソード電極４との電極間距離を図４（ａ）から図４（ｃ）で調整して発光・消光を制御することができると共に、最適には図４（ｃ）で示す電極間距離Ｄ３に調整して発光・消光を制御することができるものである。

これは図４中に等電位線Ｆを記入しているように、各発光素子に同一の駆動電圧を印加した場合、図４（ａ）の発光素子では電極間距離がＤ１で制御電極４がカソード電極４から最も遠く離れた位置に配置されているために最も発光・消光させにくく、図４（ｂ）の発光素子では電極間距離がＤ２で制御電極６がカソード電極４から中程度に離れた位置に配置されていて発光・消光の制御の容易さは中程度であり、図４（ｃ）の発光素子では電極間距離がＤ３で制御電極６がカソード電極４に最も近い位置に配置されて最も発光・消光させやすい構造になっている。

以上から実施の形態の発光素子では、制御電極６の電極高さＨ１をカソード電極の電極高さＨ２に対して相対調整し、かつ、制御電極６とカソード電極４との電極間距離Ｄ１−Ｄ３を調整することにより、同一の駆動電圧ではより応答性高く発光・消光制御することができると共に、発光・消光制御を同程度とする場合では、より低い駆動電圧で発光・消光させることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子の概略構成を示す断面図である。 図２（ａ）は制御電極がカソード電極より電極高さが低い発光素子、図２（ｂ）は制御電極がカソード電極と電極高さが同じ発光素子、図２（ｃ）は制御電極がカソード電極より電極高さが高い発光素子を示す図である。 図３は、横軸に電極端部から電極中心への距離をとり、縦軸にカソード電極の表面電界をとり、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）それぞれの発光素子の消光時におけるカソード電極の電極端部から電極中心までの表面電界の変化を示す図である。 図４（ａ）は制御電極がカソード電極に遠い位置に配置された発光素子、図４（ｂ）は制御電極がカソード電極に中程度の距離で配置された発光素子、図４（ｃ）は制御電極がカソード電極に近い位置に配置された発光素子を示す図である。

符号の説明

２ 基板
４ カソード電極
６ 制御電極
８ 蛍光体
１０ アノード電極
１２ 電子放出層

Claims (3)

1. 電子放出層を備えたカソード電極と、蛍光体付きアノード電極とを対向させ、アノード電圧を印加して電子放出層から電子を引き出すと共に蛍光体へ向けて加速衝突させることにより該蛍光体を励起発光させる発光素子において、
   カソード電極に並設されて発光・消光時に駆動電圧が印加される制御電極を備えると共に、
   この制御電極の電極高さをカソード電極の電極高さよりも高く設定した、ことを特徴とする発光素子。
2. 電子放出層を備えたカソード電極と、蛍光体付きアノード電極とを対向させ、アノード電圧を印加して電子放出層から電子を引き出すと共に蛍光体へ向けて加速衝突させることにより該蛍光体を励起発光させる発光素子において、
   カソード電極に並設されて発光・消光時に駆動電圧が印加される制御電極を備えると共に、
   電子放出層上端部高さを相対的に制御電極の電極高さよりも低く設定した、ことを特徴とする発光素子。
3. 電子放出層を備えたカソード電極と、蛍光体付きアノード電極とを対向させ、アノード電圧を印加して電子放出層から電子を引き出すと共に蛍光体へ向けて加速衝突させることにより該蛍光体を励起発光させる発光素子の発光・消光制御方法において、
   カソード電極に制御電極を並設するとともに、この制御電極の電位をカソード電極の電位に対して低電位にしたり同電位にしたりして上記発光素子を発光・消光させると共に、この発光・消光に際して上記カソード電極の電極高さに対して制御電極の電極高さを相対調整することにより駆動電圧を調整する、ことを特徴とする発光素子の発光・消光制御方法。

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