JP2010062071A

JP2010062071A - 照明装置

Info

Publication number: JP2010062071A
Application number: JP2008228364A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Kamiyama; 大輔上山
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】炭素繊維を電子放出源として使用した照明装置を提供する。
【解決手段】カソード電極１０と、カソード電極１０の電子放出面１０ａ上に配置された炭素繊維１００と、電子放出面１０ａに対向して配置されたアノード電極２０と、カソード電極１０とアノード電極２０間に配置され、カソード電極１０及びアノード電極２０とともになす励起空間２００にキセノンを含む不活性ガスが充填された管状の照明カバー３０と、励起空間２００内で不活性ガスに含まれるキセノンが炭素繊維１００から放出された電子により励起されて発生する紫外線を入射して発光する蛍光体膜４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維を電子放出源として使用した照明装置に関する。

カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）等のナノスケールの炭素繊維（カーボンファイバ）が、フィールドエミッションアレイ（ＦＥＡ）や、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）等の炭素繊維装置に使用されている。これらの炭素繊維装置は、炭素繊維を電子放出源として使用している。電子放出源から放出された電子が蛍光体膜に衝突することにより、蛍光体膜が励起され発光する。

一方、照明装置として、従来から、蛍光灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機エレクトロルミネセンス（ＯＥＬ）等が使用されている。例えば、蛍光灯に代えてＬＥＤを光源とする照明の実用化が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１９２８３３号公報

しかしながら、低圧水銀ガス放電を利用した蛍光灯は水銀を使用しているため、環境に影響を与える問題がある。ＬＥＤは点発光素子であるため、照明装置として使用する場合には、複数のＬＥＤを配列して発光面が均一に発光するための構造上の工夫等が必要である。ＯＥＬを照明として使用するためには、素子の大型化や発熱量の低減、コストダウン等が課題である。

一方、炭素繊維を電子放出源として使用すれば、水銀を使用しない小型の面発光素子を容易に且つ安価に製造できる。本発明は、炭素繊維を電子放出源として使用した照明装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、（イ）カソード電極と、（ロ）カソード電極の電子放出面上に配置された炭素繊維と、（ハ）電子放出面に対向して配置されたアノード電極と、（ニ）カソード電極とアノード電極間に配置され、カソード電極及びアノード電極とともになす励起空間にキセノンを含む不活性ガスが充填された管状の照明カバーと、（ホ）励起空間内で不活性ガスに含まれるキセノンが炭素繊維から放出された電子により励起されて発生する紫外線を入射して発光する蛍光体膜とを備える照明装置が提供される。

本発明によれば、炭素繊維を電子放出源として使用した照明装置を提供できる。

次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

又、以下に示す第１及び第２の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１は、カソード電極１０と、カソード電極１０の電子放出面１０ａ上に配置された炭素繊維１００と、電子放出面１０ａに対向して配置されたアノード電極２０と、カソード電極１０とアノード電極２０間に配置され、カソード電極１０及びアノード電極２０とともになす励起空間２００にキセノン（Ｘｅ）を含む不活性ガスが充填された管状の照明カバー３０と、励起空間２００内で不活性ガスに含まれるキセノンが炭素繊維１００から放出された電子により励起されて発生する紫外線を入射して発光する蛍光体膜４０とを備える。電子の衝突によりキセノンは励起され、キセノンが紫外線を発生する。

炭素繊維１００は電子放出源である。電子を放出する炭素繊維１００は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）、カーボンナノファイバ（ＣＮＦ）、カーボンナノコイル等を含むカーボンファイバである。

図１に示すように、カソード電極１０は、カソード基板１１と、カソード基板１１上に配置されたカソード層１２を含む。カソード層１２の表面が、電子放出面１０ａである。カソード基板１１には、例えばニッケル（Ｎｉ）基板や、ステンレス（ＳＵＳ鋼）基板等の金属プレートが採用可能である。カソード層１２には、クロム（Ｃｒ）膜等が採用可能である。アノード電極２０に、金属プレート等が採用可能である。

蛍光体膜４０の材料は、照明装置１に所望の発光色等に応じて選択される。蛍光体膜４０には、真空紫外ランプ用蛍光体膜等を採用可能である。例えば、プラズマディスプレイパネル用に使用される蛍光体膜等を適用できる。具体的には、青色光を発光する場合にはＺｎＳ：Ａｇ蛍光体、緑色光を発光する場合にはＺｎＳ：Ａｕ、Ａｌ蛍光体、赤光を発光する場合にはＹ₂Ｏ₂Ｓ：Ｅｕ³⁺蛍光体等が蛍光体膜４０に採用可能である。

また、カソード電極１０の周辺部とアノード電極２０の周辺部が管状の照明カバー３０に接合されて、カソード電極１０とアノード電極２０との間に励起空間２００が構成される。つまり、照明装置１の側面は照明カバー３０である。

図１は、透明な照明カバー３０の内面３０ａ上に蛍光体膜４０が配置されている例を示す。この場合、照明カバー３０には、例えばガラス等が採用可能である。照明カバー３０がガラス管である場合、照明カバー３０はガラスフリット等によってカソード電極１０及びアノード電極２０と接合される。図２に、図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図を示す。

カソード電極１０、アノード電極２０及び照明カバー３０により、カソード電極１０とアノード電極２０間の励起空間２００は外部と遮断される。励起空間２００に、キセノンを含む不活性ガスが充填される。励起空間２００に充填される不活性ガスは、わずかでもキセノンを含んでいればよい。例えばアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）等のキセノン以外の希ガスを含むガス混合物が励起空間２００に充填される。

励起空間２００内の不活性ガスの圧力は、例えば１Ｐａ〜１０Ｐａ程度である。不活性ガスの圧力はカソード電極１０とアノード電極２０間の距離等に応じて設定される。例えば、カソード電極１０とアノード電極２０間の距離が短ければ不活性ガスの圧力を高く設定し、距離が長ければ不活性ガスの圧力を低く設定する。カソード電極１０とアノード電極２０間の距離が長いほど、カソード電極１０とアノード電極２０間のキセノン数が増大する。このため、カソード電極１０とアノード電極２０間の距離が長ければ、不活性ガスの圧力が低い状態であっても、炭素繊維１００から放出された電子によって蛍光体膜４０が発光する。

以下に、図１に示した照明装置１の動作について説明する。カソード電極１０とアノード電極２０間に電圧（以下において、「アノード電圧」という。）Ｖ_Aを印加することにより、カソード電極１０の電子放出面１０ａに配置された電子放出源である炭素繊維１００から、アノード電極２０に向かって電子が放出される。カソード電極１０とアノード電極２０間に印加するアノード電圧Ｖ_Aは、例えば数Ｖ〜数十Ｖ程度である。炭素繊維１００から放出された電子は、励起空間２００に充填される不活性ガスに含まれるキセノンに衝突する。電子の衝突によりキセノンは励起され、紫外線（ＵＶ）を発生する。

発生した紫外線は、照明カバー３０の内面３０ａ上に配置された蛍光体膜４０に入射し、蛍光体膜４０が発光する。蛍光体膜４０が発光した出力光Ｌは、照明カバー３０を透過して、照明装置１の外部に出力される。図１に示した例では、照明カバー３０の全周方向に出力光Ｌが出力される。

なお、照明カバー３０の切断面の形状は、円形状に限られない。例えば、照明カバー３０の切断面が三角形や四角形等の多角形状であってもよい。

以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１は、炭素繊維１００が放出する電子によりキセノンを励起して紫外線を発生させ、発生した紫外線により蛍光体膜４０を発光させる。つまり、照明装置１は放電によらず、炭素繊維１００が放出する電子によってキセノンを励起させる。このため、照明装置１は水銀を使用せず、環境問題が生じない。

また、放電によりキセノンを励起させるためには、一般に数ｋＶの電圧が必要であるが、図１に示した照明装置１では、数十Ｖ程度のアノード電圧Ｖ_Aをカソード電極１０とアノード電極２０間に印加して、キセノンを励起させる。このため、高電圧を必要とせず、トランス等の設備が不要である。更に、以下に照明装置１の製造方法を説明するように、小型の面発光素子を容易に、且つ安価に製造できる。

図３〜図５を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１の製造方法を説明する。なお、以下に述べる照明装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。

（イ）カソード基板１１上にカソード層１２を形成する。例えば、厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のＳＵＳ鋼板であるカソード基板１１上に、スパッタ法等により、膜厚０．１μｍ〜０．５μｍ程度のＣｒ膜をカソード層１２として形成する。

（ロ）図３に示すように、カソード層１２の電子放出面１０ａ上に、炭素繊維１００の核となる触媒１５０を形成する。例えば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）からなる４２６合金膜を、ガラスマスクを使用したスパッタ法等により膜厚１〜５ｎｍ程度の膜厚で形成する。

（ハ）熱化学気相成長（熱ＣＶＤ）法により、図４に示すように、炭素繊維１００を成長させる。具体的には、炭素繊維１００の原料ガスを熱ＣＶＤ装置のチャンバー内に導入する。原料ガスとしては、例えば一酸化炭素／水素（ＣＯ／Ｈ₂）混合ガスが採用可能であるが、他にも、二酸化炭素（ＣＯ₂）ガス、メタン（ＣＨ₄）ガス等の炭素（Ｃ）を供給可能なガスが採用可能である。

（ニ）照明カバー３０の内面３０ａ上に蛍光体膜４０を配置する。その後、図５に示すように、炭素繊維１００を囲むように照明カバー３０をカソード電極１０の電子放出面１０ａの周辺部上に配置する。照明カバー３０は、例えばカソード電極１０上にスクリーン印刷されたガラスフリットによって、カソード電極１０と接合される。ガラスフリットは、脱泡された後、１×１０^-1〜１×１０^-3Ｐａの真空状態において４００℃〜５５０℃で焼成される。

（ホ）デガスにより励起空間２００内部の不純物を除去した後、励起空間２００に不活性ガスを充填してアノード電極２０で照明カバー３０を封止する。なお、不要なガスを吸着する吸着剤を励起空間２００内に配置してもよい。以上により、図１に示した照明装置１が完成する。

触媒１５０を電子放出面１０ａに形成する方法は、上記のスパッタ法等の半導体プロセス技術に限られない。例えばスクリーン印刷法によって触媒１５０を電子放出面１０ａに形成してもよい。また、ＧＮＦを電子放出源として使用する場合には、低温プロセスを採用できるため、ソーダガラスを使用できる。

以上に説明した照明装置の製造方法により、水銀を使用しない照明装置１を容易に、且つ安価に製造できる。本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１の製造方法によれば、水銀を使用せずに、電子の衝突によりキセノンを励起して発生させた紫外線により蛍光体膜４０を発光させる照明装置を提供できる。

＜第１の変形例＞
図６に示す本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る照明装置１は、アノード電極２０が透明電極であり、蛍光体膜４０が不活性ガスに接してアノード電極２０の表面２０ａに配置されていることが、図１に示した照明装置１と異なる。

図６に示した照明装置１では、炭素繊維１００が放出する電子によりキセノンを励起して発生させた紫外線が、アノード電極２０の表面２０ａに配置された蛍光体膜４０に入射する。そして、蛍光体膜４０で発生した出力光Ｌがアノード電極２０を透過して、照明装置１の外部に出力する。

なお、アノード電極２０が透明電極であれば、表面２０ａに蛍光体膜４０が配置されていなくてもよい。照明カバー３０の内面３０ａ上に配置された蛍光体膜４０で発生した出力光Ｌの一部が、アノード電極２０を透過して照明装置１の外部に出力する。

図６に示した例では、アノード電極２０は、アノード層２１とアノード基板２２を積層した構造である。アノード層２１及びアノード基板２２には、蛍光体膜４０から出力される出力光Ｌが透過可能な材料が選択される。例えば、ガラス板等がアノード基板２２に採用可能である。アノード層２１には、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜等が採用可能である。

＜第２の変形例＞
図１、図６に示した照明装置１では、カソード電極１０とアノード電極２０間に印加されるアノード電圧Ｖ_Aによって、炭素繊維１００から電子が放出される例を示した。しかし、炭素繊維１００から電子を放出させるために、カソード電極１０とアノード電極２０間に、図７に示すようなゲート電極７０を配置してもよい。カソード電極１０とゲート電極７０間に電圧（以下において、「ゲート電圧」という。）Ｖ_Gを印加することにより、炭素繊維１００から電子が励起空間２００内に引き出される。その他の構成については、図１に示した照明装置１の形態と同様である。

図７に示した例では、電子放出面１０ａ上に配置した炭素繊維１００を囲むように、絶縁膜８０を形成し、絶縁膜８０上にゲート電極７０を形成する。つまり、炭素繊維１００は、絶縁膜８０及びゲート電極７０によって囲まれた空間であるホール９０の底面に配置される。図１８に示したゲート電極７０には、例えばＣｒ膜等が採用可能である。絶縁膜８０には、例えば酸化シリコン（Ｓｉ₂Ｏ）膜等が採用可能である。

カソード電極１０とゲート電極７０間の距離は、カソード電極１０とアノード電極２０間の距離より短いため、炭素繊維１００から電子を放出させるために必要なゲート電圧Ｖ_Gはアノード電圧Ｖ_Aより小さい。このため、アノード電圧Ｖ_Aを制御するよりも、ゲート電圧Ｖ_Gを制御することにより、炭素繊維１００から放出される電子数を細かく制御できる。つまり、ゲート電圧Ｖ_Gを制御することにより、出力光Ｌの輝度をより細かく調整できる。

（第２の実施の形態）
図８に示す本発明の第２の実施の形態に係る照明装置１Ａは、アノード電極２０が透明電極であり、アノード電極２０の不活性ガスに接する表面２０ａに蛍光体膜４０に配置されている。一方、照明カバー３０の内面３０ａ上には蛍光体膜４０が配置されていない。その他の構成については、図１に示した照明装置１の形態と同様である。

アノード電極２０は、例えばアノード層２１とアノード基板２２を積層した構造が採用可能である。アノード層２１及びアノード基板２２には、蛍光体膜４０から出力される出力光Ｌが透過可能な材料が選択される。例えば、ガラス板等がアノード基板２２に採用可能である。アノード層２１には、例えばＩＴＯ膜、ＺｎＯ膜等が採用可能である。

図８に示した照明装置１Ａでは、カソード電極１０とアノード電極２０間にアノード電圧Ｖ_Aを印加することにより、カソード電極１０の電子放出面１０ａに配置された炭素繊維１００から、アノード電極２０に向かって電子が放出される。カソード電極１０とアノード電極２０間に印加するアノード電圧Ｖ_Aは、数Ｖ〜数十Ｖ程度である。炭素繊維１００から放出された電子は、励起空間２００に充填された不活性ガスに含まれるキセノンに衝突する。電子の衝突によりキセノンは励起されて、紫外線（ＵＶ）を発生する。

発生した紫外線は、アノード電極２０の表面２０ａ上に配置された蛍光体膜４０に入射し、蛍光体膜４０が発光する。蛍光体膜４０が発光した出力光Ｌは、アノード電極２０を透過して、照明装置１の外部に出力される。つまり、図８に示した照明装置１Ａは、一方向に出力光Ｌが出力されるフラットタイプの照明装置である。このとき、照明カバー３０を出力光Ｌが透過できない材料で構成すれば、照明カバー３０からは出力光Ｌが出力されない。

図８に示した照明装置１Ａにおいて、カソード電極１０とアノード電極２０間に、図７に示したようなゲート電極７０を配置してもよいことは勿論である。カソード電極１０とゲート電極７０間に印加するゲート電圧Ｖ_Gを制御することにより、出力光Ｌの輝度をより細かく調整できる。

以上に説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る照明装置１Ａによれば、一方向に出力光Ｌが出力される照明装置が提供される。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた第１及び第２の実施の形態の説明においては、炭素繊維１００を成長させる際の触媒１５０に４２６合金膜を使用する例を示したが、他の触媒を用いてもよいことはもちろんである。例えば、Ｆｅ膜を触媒１５０に使用してもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図である。図１のＩＩ−ＩＩ方向に沿った断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その１）。本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その２）。本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その３）。本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る照明装置の構成例を示す模式図である。本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る照明装置の構成例を示す模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図である。

符号の説明

１…照明装置
１０…カソード電極
１０ａ…電子放出面
１１…カソード基板
１２…カソード層
２０…アノード電極
２１…アノード層
２２…アノード基板
３０…照明カバー
４０…蛍光体膜
７０…ゲート電極
１００…炭素繊維
１５０…触媒
２００…励起空間

Claims

カソード電極と、
前記カソード電極の電子放出面上に配置された炭素繊維と、
前記電子放出面に対向して配置されたアノード電極と、
前記カソード電極と前記アノード電極間に配置され、前記カソード電極及び前記アノード電極とともになす励起空間にキセノンを含む不活性ガスが充填された管状の照明カバーと、
前記励起空間内で前記不活性ガスに含まれる前記キセノンが前記炭素繊維から放出された電子により励起されて発生する紫外線を入射して発光する蛍光体膜と
を備えることを特徴とする照明装置。
前記カソード電極と前記アノード電極間に配置され、前記炭素繊維から電子を引き出すゲート電極を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記蛍光体膜が、透明な前記照明カバーの内面上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
前記不活性ガスが、キセノン以外の希ガスを含むガス混合物であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明装置。
前記アノード電極が透明電極であり、前記蛍光体膜が前記不活性ガスに接して前記アノード電極の表面に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明装置。
前記炭素繊維がカーボンナノチューブ又はグラファイトナノファイバであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の照明装置。