JP2010140882A

JP2010140882A - 発光装置、発光装置の製造方法及び再生方法

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Publication number: JP2010140882A
Application number: JP2008318911A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Ichihashi; 鋭也市橋
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-06-24

Abstract

【課題】カーボン繊維の先端をカソード電極上に露出させて、該カーボン繊維の向きをアノード電極に向かう方向に揃えて、発光効率を高くすることができる発光装置を提供する。
【解決手段】カーボン繊維１０を含有するカソード電極２と、蛍光体層１３を備えて、カソード電極２に対向配置されるアノード電極３と、を有する発光装置１に、カソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧を印加する電圧印加装置４を備える。また、電圧印加装置４は、直流電源装置１４、直流電源装置１４の正極１７に、カソード電極２またはアノード電極３のいずれかを選択して接続する第１の切替スイッチ１５、及び、直流電源装置１４の負極２１を、カソード電極２またはアノード電極３のいずれかを選択して接続する第２の切替スイッチ１６を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボン繊維を含有するカソード電極を備える発光装置、前記発光装置を製造する方法、及び前記発光装置の機能が低下した場合に、これを再生する方法に関する。

蛍光物質を含有するアノード電極、前記アノード電極に対向配置されるカソード電極、及び前記カソード電極と前記アノード電極の間に順バイアス電圧を印加する電圧印加手段を備える発光装置が、情報機器やＡＶ機器のディスプレイ装置として使用されている。また、カソード電極に多数のカーボン繊維を配置して、発光効率を向上させた発光装置も知られている。

このような発光装置のカソード電極は、カーボン繊維を溶剤に混ぜてペースト化してカソード電極に塗布し、その後、加熱処理することによって得られる。しかしながら、このようにして得られたカソード電極中のカーボン繊維は互いに絡み合って束（バンドル）状になり、カーボン繊維の方向も不均一になる。そのため、カーボン繊維の先端に電界が集中しにくくなるとともに、電子の飛び出す方向がばらついてフォーカス特性の制御が困難になる。その結果、十分な発光が得られないという問題がある。

この問題を解決するために、特許文献１は、カーボンナノチューブを含むカソード電極に対してアノード電極層を正電位になるような電圧（順バイアス電圧）を印加して、アノード電極層とカソード電極との間に電界を発生させ、この電界の力によってカーボンナノチューブを垂直に配向させる電子放出源の製造方法を提案している。

また、特許文献２は、絶縁基板の一面上にカソード電極層、絶縁層およびゲート電極層を順に積層する第１工程と、絶縁基板上にカソード電極層を部分的に露出する状態でゲートホールを形成する第２工程と、ゲートホール内のカソード電極層上に複数の炭素系針状物質によって、エミッタを形成する第３工程と、カソード電極層に電圧を印加することにより、絶縁基板に対して複数の炭素系針状物質をほぼ垂直に配向させる第４工程とを含む電子放出素子の製造方法を提案している。

特開２０００−２９４１１９号公報特開２００４−０５５４８４号公報

しかしながら、特許文献１の製造方法では、アノード電極とカソード電極の間の電界を真空中で発生させると電界放出が起こり、大気圧中で発生させると放電が起こるので、大きな電圧をアノード電極層とカソード電極の間に印加することができなかった。そのため、カーボンナノチューブの向きを十分に揃えることは難しかった。

また、特許文献２の製造方法は、炭素系針状物質とカソード電極層に同じ極性の電荷を与えた場合に生じる反発力を利用するものであるが、この反発力だけでは、炭素系針状物質の向きを揃える力としては弱いので、特許文献２の製造方法によって、炭素系針状物質の向きをカソード電極層に垂直となる方向に揃えることは難しかった。

また、カソード電極から電子を放出すると、電子放出に伴って発生する熱によって、カソード電極上に露出するカーボン繊維が消耗し、カソード電極の機能が低下してくるが、機能が低下したカソード電極を再生する方法は、特許文献１および２のいずれにも開示されていない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、カーボン繊維の先端をカソード電極上に露出して、該カーボン繊維の向きがアノード電極に向かう方向に揃った発光装置を提供するものである。また、カーボン繊維の先端がカソード電極上に露出して、該カーボン繊維の向きがアノード電極に向かう方向に揃っている発光装置を製造する方法を提供するものである。また、カソード電極上に露出するカーボン繊維が消耗して、発光装置の機能が低下した場合に、該カソード電極上のカーボン繊維を再生する方法を提供するものである。

本発明に係る発光装置は、カーボン繊維を含有するカソード電極と、蛍光物質を含有するともに、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極と、を有する発光装置において、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する電圧印加手段を備えることを特徴とする。

本発明に係る発光装置の製造方法は、カーボン繊維を含有するカソード電極と、蛍光物質を含有するとともに、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極と、を有する発光装置の製造方法において、前記カソード電極と、前記アノード電極を互いに対向配置して、その後に、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。

本発明に係る発光装置の再生方法は、カソード電極とアノード電極を備える発光装置のカソード電極上に露出するカーボン繊維が消耗した場合に、前記カソード電極上に露出するカーボン繊維を再生する発光装置の再生方法において、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。

本発明によれば、発光装置にカソード電極とアノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する電圧印加手段を備えるので、カーボン繊維の先端をカソード電極上に露出させて、該カーボン繊維の向きをアノード電極に向かう方法に揃えて、発光装置の発光効率を高めることができる。また、カソード電極とアノード電極の間に逆バイアス電圧を印加するので、発光効率の高い発光装置を製造することができる。また、カソード電極上に露出するカーボン繊維が消耗した場合に、カソード電極とアノード電極の間に逆バイアス電圧を印加するので、カーボン繊維を再度カソード電極上に露出させて、発光装置を再生することができる。

以下、本発明の実施形態の一例について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態の一例を示す発光装置の概念的な構成図である。図１に示すように、発光装置１は、カソード電極２、アノード電極３及び電圧印加装置４から構成され、情報機器やＡＶ機器の画像表示装置として使用される。カソード電極２とアノード電極３は、その間隔が１００μｍ以下、好ましくは５０μｍになるように対向配置され、電圧印加装置４によってカソード電極２とアノード電極３の間に順バイアス電圧が印加されると、カソード電極２からアノード電極３に向けて電子が放出されて、アノード電極３上に置かれた蛍光物質（後述）に衝突して、アノード電極３が発光する。なお、カソード電極２とアノード電極３の間の空間５はフリットガラスからなるシール部材６によって、外部環境に対して気密に区画され、１０^−２Ｔｏｒｒ以下の真空に保たれる。つまり、カソード電極２からアノード電極３に向う電子の放出は、真空雰囲気中で行われる。

カソード電極２は、絶縁性素材（例えばガラス）からなるカソード基板７の上に、銀を主成分とするカソード導体層８を積層し、更にその上に、カーボン層９を積層して構成される。なお、カソード導体層８の厚さは５μｍ程度、カーボン層９の厚さは、１μｍ〜１０μｍ程度である。

カーボン層９は、カーボン繊維１０を含むペーストをカソード導体層８の上に塗布し、その後加熱処理して、前記ペースト中の溶剤成分を除去して得られるカーボン繊維１０の層である。

アノード電極３は、絶縁性素材（例えばガラス）からなるアノード基板１１の上に、酸化インジウムとスズの複合酸化物（ＩＴＯ；（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）の薄膜を成膜してアノード導体層１２を形成し、更に、その上に蛍光物質を積層して蛍光体層１３を形成している。なお、アノード導体層１２の厚さは、５μｍ程度であり、蛍光体層１３の厚さは、１０〜４０μｍ程度である。

電圧印加装置４は、カソード電極２とアノード電極３の間に順バイアス電圧あるいは逆バイアス電圧を印加する装置であり、直流電源装置１４、第１の切替スイッチ１５及び第２の切替スイッチ１６を備える。

直流電源装置１４は、図示しない電圧調整手段を備えて、所望の強さの電圧を定常的にカソード電極２とアノード電極３の間に印加する電源装置である。

第１の切替スイッチ１５は、カソード電極２とアノード電極３のいずれか一方を選択して、直流電源装置１４の正極１７に接続する切替スイッチである。また、第１の切替スイッチ１５は可動接触子１８、第１の固定接点１９および第２の固定接点２０を備え、可動接触子１８は直流電源装置１４の正極１７に接続され、第１の固定接点１９はアノード電極３に、第２の固定接点２０はカソード電極２に接続されている。つまり、可動接触子１８が第１の固定接点１９に接触すれば、直流電源装置１４の正極１７はアノード電極３に接続され、可動接触子１８が第２の固定接点２０に接触すれば、直流電源装置１４の正極１７はカソード電極２に接続される。

第２の切替スイッチ１６は、カソード電極２とアノード電極３のいずれか一方を選択して、直流電源装置１４の負極２１に接続する切替スイッチである。また、第２の切替スイッチ１６は可動接触子２２、第１の固定接点２３および第２の固定接点２４を備え、可動接触子２２は直流電源装置１４の負極２１に接続され、第１の固定接点２３はカソード電極２に、第２の固定接点２４はアノード電極３に接続されている。つまり、可動接触子２２が第１の固定接点２３に接触すれば、直流電源装置１４の負極２１はカソード電極２に接続され、可動接触子２２が第２の固定接点２４に接触すれば、直流電源装置１４の負極２１はアノード電極３に接続される。

このように構成されているので、第１の切替スイッチ１５及び第２の切替スイッチ１６を操作して、直流電源装置１４の正極１７をアノード電極３に、負極２１をカソード電極２にそれぞれ接続すれば、カソード電極２とアノード電極３の間に順バイアス電圧が印加される。また、第１の切替スイッチ１５及び第２の切替スイッチ１６を切替えて、直流電源装置１４の正極１７をカソード電極２に、負極２１をアノード電極３にそれぞれ接続すれば、カソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧が印加される。

さて、カソード電極２上に積層されるカーボン層９は、例えば、エタノール、アセトンなどの揮発性の高い溶媒、あるいは、エチルセルロースなどの有機バインダを溶解したテルピオネール溶液などにカーボン繊維１０を分散したペーストを、カソード導体層８の上に塗布した後、加熱処理して、前記溶媒あるいはバインダを除去して形成されるが、この状態では、カーボン層９中のカーボン繊維１０はファンデルワールス力によって凝集して束状の構造、つまりバンドル構造を形成している。そのためカーボン層９中のカーボン繊維１０はカーボン層９中に埋もれている。またバンドル構造を形成するカーボン繊維１０の方向は不定であり、カーボン繊維１０の大部分は、アノード電極３の方向に向かっていない。そのため、このまま（図２（ａ）参照）では、カソード電極２から放出される電子の方向が定まらず、カソード電極２から放出される電子の多くはアノード電極３上の蛍光体層１３に衝突しない。つまり、この状態の発光装置１の発光効率は低い。

そこで、発光装置１の最終製造工程として、図２（ｂ）に示すように、第１の切替スイッチ１５及び第２の切替スイッチ１６を操作して、直流電源装置１４の正極１７をカソード電極２に、負極２１をアノード電極３にそれぞれ接続して、カソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧を印加する。これにより、カソード電極２には正電荷が、アノード電極３には負電荷がそれぞれ帯電する。なお、この時印加する逆バイアス電圧の大きさは、カソード電極２とアノード電極３の間に数ｋＶ／ｍｍの電界（電子放出素子に必要な閾値電圧の１２０〜１５０％）が生じるような値を選ぶ。

これによって、カソード電極２のカーボン層９中にある多数のカーボン繊維１０の全てに正電荷が帯電するので、カーボン層９中のカーボン繊維１０の相互に大きなクーロン斥力が作用する。このクーロン斥力はファンデルワールス力より大きいので、カーボン繊維１０はバンドル構造から解放され、カーボン層９の上面に露出する。

また、カソード電極２には正電荷が、アノード電極３には負電荷がそれぞれ帯電しているので、カソード電極２からアノード電極３に向う電界が発生する。カーボン繊維１０はこの電界から力を受けるので、カーボン繊維１０の方向はアノード電極３に向かう方向、言い換えれば、カソード電極２に垂直な方向に揃う（図２（ｃ）参照）。

カーボン繊維１０の方向がアノード電極３に向かう方向に揃ったら、図２（ｄ）に示すように、第１の切替スイッチ１５及び第２の切替スイッチ１６を開放して、カソード電極２とアノード電極３の間への逆バイアス電圧の印加を停止する。逆バイアス電圧の印加を停止しても、カーボン繊維１０は、正電荷を帯電した状態を保つので、カーボン繊維１０には相互にクーロン斥力が作用する。このため、カソード電極２とアノード電極３の間への逆バイアス電圧の印加を停止しても、カーボン繊維１０の先端はカーボン層９上に露出して、アノード電極３に向かう状態を維持する。

以上の処理を経て、発光装置１は最終的に完成する。そこで、図２（ｅ）に示すように、第１の切替スイッチ１５及び第２の切替スイッチ１６を操作して、カソード電極２とアノード電極３の間への順バイアス電圧を印加すれば、カーボン層９上に露出するカーボン繊維１０の先端から電子が放出され、アノード電極３に向かい、アノード電極３上の蛍光体層１３に衝突して、蛍光体層１３が発光する。つまり発光装置１の本来の機能が発揮される。

さて、発光装置１が発光を続ければ、図３（ａ）に示すように、カソード電極２からの電子の放出に伴って発生するジュール熱によって、カーボン層９上に露出するカーボン繊維１０が蒸発あるいは焼損して消耗する。このような状態になると、発光装置１の発光効率は低下する。つまり、発光装置１の機能が低下する。

このような場合に、図３（ｂ）に示すように、第１の切替スイッチ１５及び第２の切替スイッチ１６を操作して、直流電源装置１４の正極１７をカソード電極２に、負極２１をアノード電極３にそれぞれ接続して、カソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧を印加すれば、前述した発光装置１の最終製造工程と同様の原理によって、カーボン層９に残存している露出するカーボン繊維１０がカーボン層９の上に引き出されて、露出し、アノード電極３にその先端を向ける（図３（ｃ）参照）。

つまり、第１の切替スイッチ１５及び第２の切替スイッチ１６を操作して、カソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧を印加すれば、再び、カーボン層９上にカーボン繊維１０が露出させて、発光装置１を再生させることができる。

発光装置１の構成は、以上説明したものには限られない。例えば、直流電源装置１４に替えて、パルス電圧発生装置を使用して、所定の電圧を周期的断続的にカソード電極２とアノード電極３の間に印加すれば、カーボン層９中に埋没しているカーボン繊維１０をバンドル構造から解放する効果が高くなる。

あるいは、図４に示すように、カソード電極２の下方に加熱装置２５を備えて、カソード電極２を加熱するようにすれば、カーボン繊維１０の分極を低減して、カーボン繊維１０の相互に作用するファンデルワールス力を低下させることができるので、さらに効率よくカーボン繊維１０のバンドル構造を解消して、カーボン繊維１０の方向を揃えることができる。

また、発光装置１の製造・再生用の電源と運転（発光）用の電源を別個に備えてもよい。例えば、図５に示すように、カソード電極２とアノード電極３の間に逆バイアス電圧を印加して発光装置１の製造・再生を行う製造再生用電源装置２６と、カソード電極２とアノード電極３の間に順バイアス電圧を印加して発光装置１を発光させる運転用電源装置２７を備え、更に切替スイッチ２８，２９を備えて、製造再生用電源装置２６あるいは運転用電源装置２７のいずれかを選択して、カソード電極２とアノード電極３に接続するようにしてもよい。

また、運転用電源電圧２７に交流電源装置を用いれば、直流電源を用いたときと比べて、カーボン繊維１０の先端部でのジュール熱の発生を低減できるので、カーボン層９上に露出するカーボン繊維１０の消耗を抑制できる。つまり、発光装置１の機能低下を抑制することができる。

また、本発明に係る発光装置の製造方法及び再生方法は、本実施形態に示した発光装置１以外の発光装置、つまり、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加するための専用の電圧印加手段を備えない発光装置に対して実施することもできる。電圧印加手段を別途用意して、その電圧印加手段に発光装置を接続して、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加することができるからである。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の具体的な実施態様の一例にすぎない。したがって、本発明の技術的範囲は、以上説明した実施形態には限定されない。本発明は、特許請求の範囲に記載された技術的思想の限りにおいて、応用、変形、あるいは改良して実施できることはいうまでもない。

本発明の一実施形態を示す発光装置の概念的な構成図である。発光装置の製造方法の説明図である。発光装置の再生方法の説明図である。発光装置の変形例を示す概念的な構成図である。発光装置の変形例を示す概念的な構成図である。

符号の説明

１発光装置
２カソード電極
３アノード電極
４電圧印加装置
５空間
６シール部材
７カソード基板
８カソード導体層
９カーボン層
１０カーボン繊維
１１アノード基板
１２アノード導体層
１３蛍光体層
１４直流電源装置
１５第１の切替スイッチ
１６第２の切替スイッチ
１７正極
１８可動接触子
１９第１の固定接点
２０第２の固定接点
２１負極
２２可動接触子
２３第１の固定接点
２４第２の固定接点
２５加熱装置
２６製造再生用電源装置
２７運転用電源装置
２８，２９切替スイッチ

Claims

カーボン繊維を含有するカソード電極と、
蛍光物質を含有するともに、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極と、を有する発光装置において、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する電圧印加手段を備える
ことを特徴とする発光装置。
前記電圧印加手段は、
電源と、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に印加する電圧の極性を切り替える極性切替手段と、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記極性切替手段は、
前記電源の正極に、前記カソード電極または前記アノード電極のいずれかを選択して接続する第１の切替スイッチ、
及び、前記電源の負極に、前記カソード電極または前記アノード電極のいずれかを選択して接続する第２の切替スイッチである
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記電源は、直流電源装置である
ことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記電源は、単極性パルス電圧を発生するパルス電圧発生手段である
ことを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
前記電圧印加手段は、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に順バイアス電圧を印加する駆動用電源と、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する再生用電源と、
前記駆動用電源と前記再生用電源のいずれかを選択して、前記電子放出素子及び前記アノード電極に接続する切替スイッチと、を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
前記再生用電源は直流電源である
ことを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
前記再生用電源は、単極性パルス電圧を発生するパルス電圧発生手段である
ことを特徴とする請求項６に記載の発光装置。
前記カソード電極を加熱する加熱手段を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
カーボン繊維を含有するカソード電極と、
蛍光物質を含有するとともに、前記カソード電極に対向配置されるアノード電極と、を有する発光装置の製造方法において、
前記カソード電極と、前記アノード電極を互いに対向配置して、
その後に、前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する
ことを特徴とする発光装置の製造方法。
カソード電極とアノード電極を備える発光装置のカソード電極上に露出するカーボン繊維が消耗した場合に、前記カソード電極上に露出するカーボン繊維を再生する発光装置の再生方法において、
前記カソード電極と前記アノード電極の間に逆バイアス電圧を印加する
ことを特徴とする発光装置の再生方法。