JP2010177186A - 電界放出型光源 - Google Patents

Abstract

【課題】均等な発光が可能な電界放出型光源を実現する。
【解決手段】容器状の管壁の少なくとも一部が可視光に対して透過率の高い材料で形成されたフェイスガラス１４で構成され、フェイスガラス１４以外の管壁には可視光に対して反射率の高く、導電性の高い部材によって構成されるアノード電極を兼ねる反射部１５が配置され、反射部１５の容器状の内部を向く面に蛍光体層１３が配置された真空封止容器１０と、真空封止容器内の直線状のエミッタ電極１１と、エミッタ電極１１の外周面に配置された電子放出素材１７と、給電部１２とを備えている。給電部１２は、エミッタ電極１１を支持すると共に、蛍光体層１３に近い部分の電子放出素材１７の電界強度を緩和させる用に機能し、これにより発光が均一化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明や表示に使用可能な電界放出型光源（Field Emission Lamp：以下ＦＥＬという）に関する。

ＦＥＬは、真空蛍光ディスプレイ(Vacuum Fluorescent Display)やブラウン管(Cathode Ray Tube)と同じく、電子線照射によって励起された蛍光体の発光、すなわちカソードルミネセンスを利用するものであるが、電子放出源としてフィラメントではなく、量子的な効果で電子放出を行う電界電子放出素子を使用することに特徴がある。
電界電子放出素子を使用すると、ブラウン管のようにフィラメントの加熱を必要とせずに大きな電流を取り出せるため、低消費電力で高輝度な発光を得ることができ、耐久性も高いことが知られている。

一般的なＦＥＬには、ガラスなどの可視光に対して透過性のある材料で形成された真空封止容器内の一部に、透明導電膜などにより電気導電性を付加された蛍光体層を形成し、その蛍光体層に、真空封止容器内部に配置された電子放出源からの電子を照射することで蛍光体を発光させ、この光を蛍光体塗布面のガラスを通して外部に取り出すことで発光を得る構造のものがある。以下、このような構造のＦＥＬを透過光利用型ＦＥＬと呼ぶ。

また、他のＦＥＬとして、蛍光体層を金属などで形成された反射率の高い膜の上に形成し、この蛍光体層に電子線照射することで得られる発光を、真空封止容器の蛍光体層以外の部分に設けられた光を取り出すための窓（フェイスガラス）を通して、光を外部に取り出す構造のものがある。以下このような構造をもつＦＥＬを反射光利用型ＦＥＬと呼ぶ。

反射光利用型ＦＥＬは、透過光利用型ＦＥＬに比べ、電子線のエネルギーロスを招く蛍光体表面のメタルバックの省略が可能であり、もっとも発光強度の高い電子線照射面側の蛍光体からの光を直接フェイスガラスから取り出すことができる。また、反射光利用型ＦＥＬは、発光時に最も温度が上昇する、真空封止容器の蛍光体層に接する部位に、外気側から放熱を促す部材を直接接触させることができるため、透過光利用型に比べ、より高い輝度での発光が可能となる（特許文献１参照）。

しかしながら、反射光利用型ＦＥＬの場合、特許文献２のように、電子放出素子を蛍光体層の直上に配置すると、フェイスガラスに向かう蛍光体層の光を電子放出素子が遮ることになるため、透過光利用型ＦＥＬのように面状の電子放出素子を蛍光体層近傍に配置することができない。そのため、電子放出素子と蛍光体層の間隔を均一にすることが難しく、電子放出素子上の電界強度、およびそれによってもたらされる電子放出密度の不均一性が大きくなり、その照射面で得られる蛍光体層の発光が不均一になる問題があった。

このため、お椀形状の蛍光体層およびそれが塗布される真空封止容器の内壁に対して、ワイヤ型の電子放出素子を、蛍光体層にできるだけ平行となるように放射状やスパイラル状に取り付ける方法が開示されている（特許文献３参照）。

特開２００８−４５４８号公報 特開２００６−２７８３１９号公報 特開２００６−２３６７２１号公報

しかしながら、特許文献３のような構造をとっても、電界強度分布の均一性が十分ではなく、発光の均一性が得られなかった。又、特許文献３の構造では、ワイヤ型電子放出素子の端部の重量が、これらを保持する給電部の強度に対して大きくなりすぎるため、構造的に脆弱すぎるという問題もあった。

本発明は、均一な発光が可能であると共に、適切な強度を有するＦＥＬを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の観点に係るＦＥＬは、
容器状をなし、該容器状の管壁の少なくとも一部が可視光に対して透過率の高い材料で形成されたフェイスガラスで構成され、前記フェイスガラス以外の管壁には可視光に対して反射率の高く、導電性の高い部材によって構成されるアノード電極が配置され、前記アノード電極の容器状の内部を向く面に蛍光体層が配置された真空封止容器と、
前記真空封止容器内にあって、前記蛍光体層に対して平行でない角度で固定される直線状のエミッタ電極と、
前記エミッタ電極の外周面に配置された電子放出源と、
導電性材料で形成され、前記真空封止容器内で直線状の前記エミッタ電極を支持し、該エミッタ電極に電圧を印加すると共に、前記蛍光体層に近い部分の前記電子放出源上の電界強度を緩和させる構成を持つ給電部と、
を備えることを特徴とする電界放出型光源。

尚、前記エミッタ電極と前記蛍光体層の間の平均的な傾きθが１５°から９０°の範囲にあってもよい。

又、前記エミッタ電極の直径をｄ（ｍｍ）、前記給電部の直径をＤ（ｍｍ）したとき、ｄ及びＤは、
０．５＜（２．２ｄ＋０．３８）／Ｄ＜１．５
を満たしてもよい。

また、前記給電部に支持された直線状のエミッタ電極の先端部は、前記電子放出源から露出し、該エミッタ電極上の該電子放出源が配置される部位の端部の位置は、蛍光体層のフェイスガラス側外周円の作る面よりも該容器内側としてもよい。

又、前記エミッタ電極の該電子放出源から露出した部分の長さは、前記エミッタ電極全長に対して、１５％以上３０％以内としてもよい。

また、前記電子放出源から露出したエミッタ電極の先端部に構造を設けることで、構造物最先端部の形状によって生じる電界集中の効果を、構造物のエミッタ電極側の形状によって緩和させてもよい。

又、前記アノード電極及び蛍光体層が配置される真空封止容器の管壁が金属で形成されもよい。

本発明によれば、均一な発光が可能なＦＥＬを実現できる。

本発明の実施形態に係るＦＥＬを示す構造図である。 ＦＥＬを点灯する場合の回路図である。 シミュレーション時のＦＥＬの要部の構造を示す図である。 電界均一領域の割合の変化を示す図である。 各々のエミッタ電極の径に対する電界均一領域の割合が最大となるときの給電部の径をプロットしたものである。 D＝２．２ｄ＋０．３８を満たすＦＥＬを示す図である。 角θに対する電界均一領域の変化を示す図である。 エミッタ電極の先端部に非電子放出領域を設けたＦＥＬを示す図である。 電子放出素材からの電子線が全て蛍光体層に突入する最小の距離ｈminを示す図である。 エミッタ電極全長に対する、エミッタ電極表面上の電界強度の変化をシミュレーションしたときのＦＥＬ要部の構造を示す図である。 エミッタ電極の長さｂ対する電界不均一領域の割合を示す図である。 試作したＦＥＬの発光状態を示す図である。 比較用ＦＥＬの発光状態を示す図である。 給電部の形状を示す図である。 給電部の形状毎の電界均一領域の割合の変化を示す図である。 エミッタ電極先端部直径２ｍｍの球をつけたときのＦＥＬ構造を示す図である。 エミッタ電極全長に対する電界不均一領域の長さの割合の変化を示す図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るＦＥＬを示す構造図である。

このＦＥＬは、内部を真空に封止する真空封止容器１０と、真空封止容器１０内に配置されたエミッタ電極１１及び給電部１２と、真空封止容器１０内の壁面に塗布された蛍光体層１３とを備えている。
真空封止容器１０は、可視光に対して高い透過率を持つガラスで形成され、光を放出する先端部をなすフェイスガラス１４と、反射部１５と、絶縁碍子１６とを備えている。

反射部１５は、真空封止容器１０の壁面を構成すると共にアノード電極を兼ねるものであり、導電性を有する例えばステンレス等の金属で形成され、筒状をなしている。反射部１５の内径は、後端側が小さく先端側が大きくなっている。反射部１５の内周面に、蛍光体層１３のＺｎO：Ｚｎが塗布されている。反射部１５の先端に、フェイスガラス１４が低融点フリットガラス等により接着固定されている。

反射部１５の後端は、円筒状の絶縁碍子１６の先端側に固定されている。絶縁碍子１６は、テフロン（登録商標）及びアルミナで形成されている。絶縁碍子１６の先端側の中心部に、導電性を有する金属の例えば銅で構成された給電部１２が配置されている。給電部１２の先端側に、直線のワイヤ状のエミッタ電極１１が取り付けられ、エミッタ電極１１が給電部１２によって支持されている。

エミッタ電極１１は、例えばニッケルのワイヤの表面に炭素系の電子放出素材１７を積層成長させたものである。

給電部１２は、絶縁碍子１６のテフロンに挿入された図示しないリードによって絶縁碍子１６の後端側に配置された外部電極１８と接続されている。

図２は、ＦＥＬを点灯する場合の回路図である。
ＦＥＬを点灯する場合、反射部１５をグランドに接続し、外部電極１８に負の電圧の例えば−８ＫＶを印加する。これにより、エミッタ電極１１と反射部１５との間に電界がかかり、エミッタ電極１１の電子放出素材１７から反射部１５へ向けて電子が放出される。放出された電子は、蛍光体層１３に当たり、蛍光体層１３を発光させる。蛍光体層１３で発光された光は反射部１５の内周面で反射し、フェイスガラス１４を透過して外部に放射される。

次に、本実施形態のＦＥＬの特性を評価しつつ、構造を検討する。
図３は、シミュレーション時のＦＥＬの要部の構造を示す図である。
図１のＦＥＬについて、絶縁碍子１６の直径を２０ｍｍ、給電部１２の後端から先端までの長さを２ｍｍ、絶縁碍子１６の先端からエミッタ電極１１の先端までの長さを３７ｍｍ、蛍光体層１３のエミッタ電極１１に対する角度θを４５°、蛍光体層１３のエミッタ電極１１に対する方向余弦を３７ｍｍとし、給電部の外径Ｄとエミッタ電極１１の外径ｄを変化させ、エミッタ電極表面上の電界強度の変化を、シミュレータを用いてシミュレーションした。シミュレータは、Field Precision社製の電界シミュレータEstatを用いた。尚、エミッタ電極１１の外径ｄは、１，２，５ｍｍについてシミュレーションした。

図４は、エミッタ電極全長のうち、その表面の電界強度とエミッタ電極中央部の表面電界強度の差分が中央部表面電界強度の５％以内となる領域の割合（電界均一領域割合）の変化を示す図である。
外径ｄ＝１，２，５ｍｍの各場合について、電界均一領域が最大値となる外径Dが図４のように、それぞれ存在しており、給電部１２の外径により電界均一領域を操作することが可能であることが分かる。

図５は、各々のエミッタ電極１１の外径ｄに対する電界均一領域の割合が最大となるときの給電部１２の外径Ｄをプロットしたものである。
図５の各プロットは、ほぼD＝２．２ｄ＋０．３８の直線上に乗っており、ｄ，Ｄに関しては、この関係を満たすとき電界均一領域が最大となることが示されている。

そこで、D＝２．２ｄ＋０．３８を満たすように、ｄ=１ｍｍ，Ｄ＝２．５ｍｍとした図６のようなＦＥＬと給電部１２を設けない場合とについて、反射部１５に塗布された蛍光体層１３とエミッタ電極１１のなす角θに対する電界均一領域の変化を上述のシミュレータによって評価した。

図７は、角θに対する電界均一領域の変化を示す図である。
図７からわかるように、θが１５°以上の領域において、給電部１２の存在によって電界均一領域が大きく改善できていることが分かる。また、給電部１２が存在するとき、電界均一領域のθ依存性は、ほぼD＝２．２ｄ＋０．３８の関係を満たす図６の構造において１５°から９０°のθの変化に対して鈍感であることが分かる。このことから蛍光体層１３が曲率をもつような構造になったとしても、全体としての傾き（例えば、エミッタ電極１１を含むある平面内において、電子放出素材１７の先端部を通り、エミッタ電極１１に対して鉛直な線と蛍光体層１３との交点Ａと、エミッタ電極１１及び給電部１２の接続部を通るエミッタ電極１１に対して鉛直な線と蛍光体層１３との交点Ｂとを結ぶ直線ＡＢと、エミッタ電極１１とのなす角θ）が１５°から９０°であれば、図６のＦＥＬの場合と同じように、給電部１２による電界強度均一化の効果が得られることが分かる。

図８は、エミッタ電極先端部に非電子放出領域を設けたＦＥＬを示す図である。給電部１２の直径を５ｍｍ、エミッタ電極１１の直径を１ｍｍ、非電子放出領域を含むエミッタ電極１１と給電部１２の長さの和、及び蛍光体層１３のエミッタ電極１１に対する方向余弦を共に３７ｍｍ、絶縁碍子１６の直径を２０ｍｍとし、蛍光体層１３のフェイスガラス１４側外周円の直径Ｚｍｍ、エミッタ電極１１の電子放出素材１７の先端部と上述の外周円の作る面との距離をｈ ｍｍとしたときの、電子放出素材１７からの電子線が、全て蛍光体層１３に突入する最小のｈであるｈminを、電界シミュレータEstatを用いて評価した。

図９は、電子放出素材１７からの電子線が全て蛍光体層１３に突入する最小の距離ｈminを示す図であり、Ｚ＝４０ｍｍ（エミッタ電極１１の中心線と蛍光体層１３のなす角θが１５°に相当）からＺ＝１４８ｍｍ（エミッタ電極１１の中心線と蛍光体層１３のなす角θが６０°に相当）の範囲において、Ｚとｈminをプロットしたグラフである。

このグラフより、Zが４０ｍｍから１４８ｍｍの範囲においてｈ_minは常に正の値であり、ｈ_minが負となる（電子放出素材１７の先端部が蛍光体１３層の外周円のつくる面よりも外側になる）ときは、全電子線を蛍光体層で受けることが出来ないため蛍光体発光に寄与しないエネルギーロスが生じることがわかる。ｈ≧０．０１８Ｚ＋１．８を満たすとき、電子放出素材１７からの電子を完全に蛍光体層１３に照射することができる。

図１０は、エミッタ電極全長に対する、エミッタ電極表面上の電界強度の変化をシミュレーションしたときのＦＥＬ要部の構造を示す図である。
エミッタ電極１１では、エミッタ電極１１の先端部の電界集中効果により、エミッタ電極１１の先端部の電界強度がエミッタ電極１１の中央部より大きくなるので、電界不均一領域ａができる。
図１１に、ｂに対する電界不均一領域ａ（の割合（ａ／ｂ）を示す。

不均一領域ａは、図９のように、ｂ＝２５ｍｍのとき、３０％が電界不均一領域であるが、ｂが大きくなるに従って電界不均一領域の割合が減少し、ｂ＝５０ｍｍでは電界不均一領域は１５％となる。この電界不均一領域をエミッタ全長に合わせて非電子放出領域とすることで、均一な電子放出とそれに応じた均一な蛍光体発光が得られる

θ＝４５°（Z＝９４）でエミッタ電極先端部が蛍光体層１３の外周円と接する場合（ｂ＝３５ｍｍ）について前述の図８と図１０の結果をまとめると、ｈ＞３．５ｍｍ（先端部の非電子放出領域１０％以上）とすることで電子放出素材１７からの電子放出の全てを蛍光体層１３に照射することができ、さらにｈ＞８．７５ｍｍ（先端部の非電子放出領域２５％以上）とすることで均一な電子放出と、それによる均一な蛍光体発光が得られることになる。

以上のシミュレーション結果に基づいて、ＦＥＬを試作した。
試作したＦＥＬは、θを４５°、蛍光体層１３のフェイスガラス１４側の径を５０ｍｍとし、ステンレスの反射部１５の内面にZnO:Znを蛍光体層１３として塗布し、エミッタ電極１１の直径を１．０ｍｍ、エミッタ電極１１の長さを１５ｍｍ、エミッタ電極１１の電子放出素材１７の長さを１１．３ｍｍ（エミッタ電極全長の約７５％）、給電部１２の長さを２ｍｍ、給電部１２の直径を５ｍｍ、絶縁碍子１８の長さを５ｍｍ、絶縁碍子１８の直径を１０ｍｍ、として製作した。

図１２は、試作したＦＥＬの発光状態を示す図である。
試作したＦＥＬのエミッタ電極１１に高圧スイッチ回路によってピーク電圧が−６ＫＶでデューティー比が１％のパルスを、繰り返し頻度１ＫＨｚで印加することで、平均電流１ｍＡの電流が流れ電子放出素材１７から、電子がほぼ均一に蛍光体層１３に照射され、図１２のように、ＦＥＬを均一に発光させることが出来た。

図１３は、比較用ＦＥＬの発光状態を示す図である。給電部１２を設けずに、その他の構成を、試作したＦＥＬと同様にした比較用ＦＥＬを、同一条件で発光させると、図１３のように、給電部１２による電界補正がないため、蛍光体層１３がより近い距離にある、エミッタ電極１１の絶縁碍子１６に近い部分で電界強度が強くなる。量子的なトンネル効果に基づく電界電子放出特性は、強い非線形性を持つため、この電界強度の差が電子放出に大きな偏りを生じさせるため、図１３のように、蛍光体層１３の絶縁碍子１６に近い部分ほど、発光強度が強くなり、全体として均一に発光させることが出来なかった。

図１４は、給電部１２の形状を示す図である。
上述のように電界強度を均一化する給電部１２の形状について、円柱形以外でも適用可能かどうかを調べるため、給電部１２の先端側（エミッタ電極１１側）面の曲率半ｒ（ｍｍ）と側壁角β(ｄｅｇ)が、図１４のように（ａ）ｒ＝０，β＝０、（ｂ）ｒ＝１，β＝０、及び（ｃ）ｒ＝０，β＝４５となる各形状について、給電部１２の径Ｄ（ｍｍ）による電界均一領域の割合の変化を比較した。

図１５は、給電部１２の形状毎の電界均一領域の割合の変化を示す図である。図１５のように、給電部１２の形状毎に、電界均一領域の割合が最大となるＤの値は変化するが、Ｄの値によって電界均一領域の割合がピークを持つという傾向は同じであった。このピークとなるＤとエミッタ電極１１の径ｄの関係は、ｒ及びβが０≦ｒ≦２ｍｍ、０≦β≦４５°の範囲では、
０．５＜（２．２ｄ＋０．３８）／Ｄ＜１．５
の範囲に含まれている。

このように給電部１２の形状はｒ＝０，β＝０となる円柱形以外にも、０≦ｒ≦２ｍｍ、０≦β≦４５°の範囲で、ＦＥＬに適用可能である。

さらに、エミッタ電極先端部に形状を設けることで、エミッタ電極の全長に対して非電子放出領域の割合を減少させることが可能となる。
図１６は、エミッタ電極先端部に直径２ｍｍの球をつけたときのＦＥＬを示す図である。この構造において、球を含むエミッタ電極全長をｂとし、ｂに対する電界不均一領域の長さaの割合（a／ｂ）の変化を、先端部なしで計算した図１１の結果と共に図１７にしめす。

球の先端部付近の凸構造がつくる電界集中を、球のエミッタ電極との接続部付近の凹構造が緩和させているので、ｂ＝３５（エミッタ電極の先端部が蛍光体層外周円のつくる面に接する長さ）以下において、電界不均一領域割合を、球を先端につけた場合は、球がない場合に比べて半分以下とすることができる。このように電界不均一領域が小さくすることは、フェイスガラスを安価な板ガラスとする場合、即ちｂ＜３５ｍｍとする制限がある場合には、均一な発光面を拡大することができるため、工学的に有利な構造となる。

以上のように、本実施形態のＦＥＬは、発光が均一であると共に発光効率がよい。また、反射部１５を金属で構成したので、発光時に温度上昇する蛍光体層１３を、反射部１５に冷却部材を接触させることで簡単に冷却できる。又、エミッタ電極１１の構成が簡素であり、エミッタ電極１１の重量が小さくてすみ、強度が脆弱になることを防止できる。

１０ 真空封止容器
１１ エミッタ電極
１２ 給電部
１３ 蛍光体層
１４ フェイスガラス
１５ 反射部
１６ 絶縁碍子
１７ 電子放出素材
１８ 外部電極

Claims (7)

1. 容器状をなし、該容器状の管壁の少なくとも一部が可視光に対して透過率の高い材料で形成されたフェイスガラスで構成され、前記フェイスガラス以外の管壁には可視光に対して反射率の高く、導電性の高い部材によって構成されるアノード電極が配置され、前記アノード電極の容器状の内部を向く面に蛍光体層が配置された真空封止容器と、
   前記真空封止容器内にあって、前記蛍光体層に対して平行でない角度で固定される直線状のエミッタ電極と、
   前記エミッタ電極の外周面に配置された電子放出源と、
   導電性材料で形成され、前記真空封止容器内で直線状の前記エミッタ電極を支持し、該エミッタ電極に電圧を印加すると共に、前記蛍光体層に近い部分の前記電子放出源上の電界強度を緩和させる構成を持つ給電部と、
   を備えることを特徴とする電界放出型光源。
2. 前記エミッタ電極と前記蛍光体層の間の平均的な傾きθが１５°から９０°の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の電界放出型光源。
3. 前記エミッタ電極の直径をｄ（ｍｍ）、前記給電部の直径をＤ（ｍｍ）したとき、ｄ及びＤは、
   ０．５＜（２．２ｄ＋０．３８）／Ｄ＜１．５
   を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の電界放出型光源。
4. 前記給電部に支持された直線状の前記エミッタ電極の先端部は、前記電子放出源から露出し、該エミッタ電極上の該電子放出源が配置される部位の端部の位置は、前記蛍光体層のフェイスガラス側外周円の作る面よりも前記容器状の内側にあることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電界放出型光源。
5. 前記給電部に支持された直線状のエミッタ電極の先端部は、前記電子放出源から露出し、該エミッタ電極の該電子放出源から露出した部分の長さは、該エミッタ電極の長さに対して、１５％以上３０％以内とすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電界放出型光源。
6. 前記電子放出源から露出した該エミッタ電極の先端部に設けられた構造物を備え、その構造物の最先端部に凸部を有し、該最先端部の凸部の構造によって生じる電界集中の効果を、構造物のエミッタ電極側の凹形状によって緩和させることを特徴とする請求項４又は５に記載の電界放出型光源。
7. 前記アノード電極及び蛍光体層が配置される前記真空封止容器の管壁が金属で形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電界放出型光源。

Images