JP2010282956A - 電界放出型光源 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な発光が可能で、効率がよいＦＥＬを実現する。
【解決手段】エミッタ電極１１を、直線状の形状をそれぞれ持ち、中心軸方向から見てその表面の略半面に電子放出素材が形成された軸が平行な複数のワイヤエミッタ１１ａより構成し、各ワイヤエミッタ１１ａの電子放出素材が形成された面が蛍光体層１３側を向き、かつ、軸方向から見てワイヤエミッタ１１ａの数と同じ回転対称性を持つように配置している。これにより、エミッタ電極１１の周りに均等に電子を放出できるので蛍光体層において均等な発光が得られる。又、エミッタ電極１１を支持する給電部１２を、蛍光体層１３に近い部分の電子放出素材における電界強度を緩和させるようにすることで、エミッタ電極１１の長手方向の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 Light：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。
特許文献１には、基体表面に配置されたダイヤモンド粒子とダイヤモンド粒子の表面に花弁状に成長したグラフェンシートとを備えた電子放出電極が示されている。この電子放出電極は、優れた電子放出特性を持つと共に製造が容易であるので、ＦＥＬの電界電子放出素子としての利用が期待されている。

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電極上に形成し、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を電子照射面発光利用型ＦＥＬと呼ぶ。
この電子照射面発光利用型ＦＥＬは透過光利用型ＦＥＬに比べて、発光強度の高い、電子照射面側の蛍光体粒子の発光を、蛍光体層中で損失させることなく利用できる点で、有利である。また、蛍光体は基本的に温度が上がるほど発光効率が減少するが、反射光利用型ＦＥＬでは蛍光板の背面に放熱構造を設けることで蛍光板の温度上昇が抑えられるため、印加できる電力の上限が向上し、透過光利用型ＦＥＬに比べ、より高い輝度で発光することが可能となる。

しかしながら、電子照射面発光利用型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、特許文献３には、お椀形状の蛍光体層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が、アノード層とほぼ等距離となるように、アノード層方向に放射状、あるいはスパイラル状に取り付ける方法が開示されている。

特開２００５−１０８７２１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の構造では、電子放出素子の構造を放射状或いはスパイラル状などの複雑な形状あることから電子放出素子の固定部を中心とする慣性モーメントが大きくなり、ＦＥＬに加速度が与えられたときに固定部に生じる応力が大きく、電極構造の強度に問題が生じる。また、エミッタ電極の形状の複雑化は、エミッタ電極が蛍光板を覆う面積を増大させるため、取り出し効率を減少させるという問題もある。

本発明は、このような現状に鑑みてなされたものであり、均一な発光が可能であり、効率がよく、さら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電界放出型光源は、
容器状をなし、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、フェイスガラス以外の容器内部の管壁には、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、前記アノード電極面上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、直線状の形状をそれぞれ持ち、その表面の略半面に電子放出素材が形成された複数の基体より構成され、各基体の電子放出素材が形成された面が前記蛍光体層側を向き、かつ互いに平行で、その中心軸方向から見て基体の数、ｎと同じｎ回回転対称性を持つように配置された構造を有するエミッタ電極と、導電性材料で形成され、前記真空封止容器内で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した際に、前記蛍光体層に近い部分の前記電子放出素材表面の電界強度を緩和させることで、エミッタ電極からの電子放出を均一化させることのできる形状を持った給電部とを、
備えることを特徴とする。

尚、前記給電部は、前記エミッタ電極の中心軸（即ち前記回転対称軸）方向からみた断面図におけるエミッタ電極の外接円の直径よりも、大きい直径となる外接円を持ってもよい。

又、複数の基体からなる前記エミッタ電極の前記給電部の反対側にある端部において、その端部の電界集中によって生じる端部周辺の電子放出素材表面の電界強度の増加を緩和させることで、前記エミッタ電極表面の電子放出を均一化させることのできる形状を持った終端部を備えてもよい。

又、前記給電部或は前記終端部のエミッタ電極側の構造には、それ自身の電界集中を高め、近傍のエミッタ電極の電界を緩和させる形状が設けられていてもよい。
この場合、前記形状は、前記給電部或は前記終端部のエミッタ電極の接続部近傍に、エミッタ電極の中心軸方向からみたときに、部分的にその外接円の直径が該給電部或は終端部本体の平均的な外径に対して大きくなっている形状であってもよい。

又、前記フェイスガラスは、前記真空封止容器の内部から大気側に向かって凸となる曲率を持ってもよい。

又、前記フェイスガラスのガラス表面には、摺りガラス加工などのぼかし加工が施されてもよい。

又、前記蛍光体層の表面には、電子線照射による劣化を抑制する透明な保護膜が配置されていてもよい。

この場合、前記保護膜は、所定の電気伝導度をもつ酸化スズ・インジウム、酸化亜鉛、又は酸化スズのいずれかの材料を含んでもよい。

本発明によれば、均一な発光が可能であり、効率がよく、さらに適切な強度を有するＦＥＬを実現できる。

本発明の実施形態に係る電子照射面発光利用型ＦＥＬの要部を示す構成図である。 図１の部分断面図である。 電子照射面発光利用型ＦＥＬの側面を示す図である。 シミュレーションによる考察を行うために単純化した電子照射面発光利用型ＦＥＬの要部の構造を示す図である。 ワイヤエミッタ表面の電界強度のx依存性を示す図である。 ワイヤエミッタ表面の電界強度のθ依存性を計算した結果を示す図である。 ｎ＝３，５，８における閾値θ_ｔｈついて、θ_ｔｈ×2×nの値を計算してプロットした図である。 ｎ＝３、ｄ＝１，Ｄ＝５としてシミュレーションと同じ寸法をもつ試作ＦＥＬの発光状態を示す図である。 シミュレーションによる考察を行うために単純化したＦＥＬの要部の構造を示す図である。 電子放出素材の電子放出特性を示す図である。 図９の陽極側の地点ＡからＡ’までの線分における電子照射密度の変化を示す図である。 電子照射面発光利用型ＦＥＬの発光状態の様態を示す図である。 フェイスガラスに摺りガラス加工を施した場合の電子照射面発光利用型ＦＥＬの発光状態を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態の電子照射面発光利用型電界放出型光源（Field Emission Light：以下ＦＥＬという）について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るＦＥＬの要部を示す構成図である。図２は、図１の部分断面図である。図３は、ＦＥＬの側面を示す図である。

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、蛍光体層１３上に形成された透明保護膜１３Ａ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。

フェイスガラス１４は、図３（ａ）のように平面状でもよいが、図３（ｂ）のように、その強度を高めるために、真空封止容器１０内部から大気側に向かって凸となる構造を持ってもよい。このような構造をとることで大気の圧縮応力に対する強度が向上し、その分、フェイスガラス１４の厚さを薄くすることができると同時に、真空封止容器１０内外の差圧によってフェイスガラス１４に生じる歪を減少させ、その歪により生じる真空封止容器１０との接合部分でのリークを抑制することができる。
フェイスガラス１４は蛍光体層１３からの光を拡散させるために、表面にぼかし加工が施されている。

エミッタ電極１１は、ｎ本（ｎは、２以上の整数）の直線状のワイヤエミッタ１１ａを束ねた構成であり、エミッタ電極１１が給電部１２に支持されている。

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、ガラス製の真空封止容器１０の内壁面に形成された金属性の薄膜であり、例えばアルミニウム等の金属で形成されて筒状をなしている。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、酸化亜鉛蛍光体（ＺｎO：Ｚｎ）を塗布することで蛍光体層１３が形成されている。

蛍光体層１３のエミッタ電極１１に対向する面に、透明保護膜１３Ａが形成されている。透明保護膜１３Ａは、蛍光体層１３の電子線照射による劣化を抑制するもので、透明でかつ高い電気伝導度をもつ酸化スズ・インジウム、酸化亜鉛、又は酸化スズのいずれかの材料で構成されている。これらの材料を１００〜２００ｎｍ厚で蛍光体層１３上に付着させることで、エミッタ電極１１から放出された電子が、蛍光体層１３に到達するとともに、蛍光体層１３で発光した光を遮蔽なしに取り出すことが可能になる。又、蛍光体層１３における蛍光体の劣化速度を大幅に低減できる。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、フリットガラス等によりシールされ、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、アルミナで形成されている。絶縁碍子１６の中心部に、導電性を有する金属の例えばアルミニウムで構成された円柱状の給電部１２が配置されている。給電部１２は、絶縁碍子１６を貫通し、先端側が絶縁碍子１６の先端側より突出し、電流導入端子を構成している。尚、フリットガラス等を用いて絶縁碍子１６を介さず直接、真空封止容器１０内へ電流導入端子を導入しても同様の効果が得られる。

給電部１２の直径は、エミッタ電極１１の直径よりも大きく、給電部１２の先端側に、エミッタ電極１１が取り付けられ、エミッタ電極１１の中心軸が円柱状給電部１２の中心軸と共軸になるように、支持されている。

さらに、給電部１２のエミッタ電極１１側端部の形状は、近傍のエミッタ電極１１の電界を緩和させる効果を高めるために、それ自身の電界集中をより高める構造を設けている。給電部１２のエミッタ電極１１側端部が、ミッタ電極１１の中心軸からみたときに、部分的にその直径が給電部１２本体に対して大きくしている。

エミッタ電極１１を構成する各ワイヤエミッタ１１ａは、例えば基体となるニッケルのワイヤの表面にダイヤモンド粒子を配置し、ダイヤモンド粒子の表面に電子放出素材１７としての花弁状のグラフェンシートを成長させたものである。このようなワイヤエミッタ１１ａは、電子放出素材１７をＣＶＤなどの手法によって形成する場合、ワイヤエミッタ１１ａ表面全体に均一な電子放出材料を設けることは難しい。

例えば、前述の特許文献１に示されているように、ＤＣプラズマＣＶＤ法によって電子放出素材１７を成膜した場合、基体がプラズマを誘起するための電（磁）界を乱さないように、陰極、陽極のどちらかに接触、あるいはごく近傍に配置され、プラズマに曝される面に反応ガスより生じる堆積物を生じさせる。しかし、直接プラズマに曝露されない電極側の部分にはほとんど堆積物が生じないため、ワイヤエミッタ１１ａの外周に均等に電子放出素材１７が成膜されない。同じように、他の成膜手法（熱ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法など）をもってしても、堆積される膜の原材料は、基体に対して特定の方向より供給されるため、形成される膜の堆積速度に方向性が存在する。このため、いずれの手法を用いてもワイヤ状の基体の表面を３６０°均一に電子放出素材１７で覆うことは困難である。

そこで、本実施形態のＦＥＬでは、ワイヤエミッタ１１ａの配置は、電子放出素材１７が形成されている面が蛍光体層１３と対向するように配置している。又、ワイヤエミッタ１１ａの数がn本であったとき、エミッタ電極１１の中心軸方向から見て、ワイヤエミッタ１１ａの断面の配置がn回の回転対称性を持つように配置している。

仮に、単一の基体の表面に電子放出材料を３６０°均一に形成出来たとして、それをエミッタ電極１１とする場合には、ｎ本のワイヤエミッタ１１ａをｎ回対称で配置する場合に対して、基体の曲率半径が等方的であるため、理想的には電界強度およびそれによる電子放出に方位性が生じない。しかし、実際には真空封止容器１０とエミッタ電極１１の中心軸を完全に一致させることが困難であり、そのエミッタ電極位置のずれが、電子放出分布とそれによる発光を特定の一方向に偏らせることになる。このような発光の一方向への偏りは発光の美観を損ねるだけでなく、真空封止容器１０の温度分布に偏りを生じさせることで容器に熱応力を発生させ、真空封止容器１０とフェイスガラス１４の接合部におけるリーク発生の原因となる。
一方、ｎ本のワイヤエミッタ１１ａをｎ回対称で配置する場合では、ワイヤエミッタ１１ａの表面の電界集中が強い部分が３６０／ｎ°の周期で存在しているため、発光にも３６０／ｎ°の周期の明暗が生じるが、その分、真空封止容器１０とエミッタ電極１１の中心軸のずれによって生じる一方向への発光の偏りは緩和される。このため、発光に放射線状の明暗が生じるが、ワイヤエミッタ１１ａが一本の場合よりも、本真空封止容器１０に生じる温度分布が小さくなり、それに応じて熱応力も小さくなる。また、後述するようにｎを増やすことで放射線状の明暗の振れ幅も緩和することも可能である。

エミッタ電極１１の給電部１２に固定されない側の先端部には、電子放出素材１７が形成されておらず、エミッタ電極１１の外接円よりも大きな直径をもつ、円筒形状の導電性材料で構成される終端部１８によって終端されている。この終端部１８は、ワイヤエミッタ１１ａの端部に生じる電界集中を抑制し、終端部１８の近傍のエミッタ電極１１の周囲の電界強度を均一化する作用がある。特に終端部１８を用いず、電界強度が強くなる部分には電子放出素材１７を形成しない方法をとることもできる。ただし、その場合は、エミッタ電極１１上の電子放出可能な面積が、終端部１８を設ける場合に比べて小さくなるため、これに応じて発光面積が小さくなる。

終端部１８を用いる場合、その電界集中を抑制する効果を高めるために、終端部１８に、それ自身の電界集中をより高めることで周囲の電界を弱める構造を設けてもよい。例えば、終端部１８のエミッタ電極１１に接続される側の端部が、エミッタ電極１１の中心軸からみたときに、部分的にその直径が終端部１８本体に対して大きくなった構造を設けることもできる。

図２は、ｎ＝３の場合にエミッタ電極１１をフェイスガラス１４の方向から見たときの断面図である。
図２には図示していないが、エミッタ電極１１の中心（ワイヤエミッタ１１ａ群の内側）にワイヤエミッタ１１ａを集合させるための固定用のジグを配置してもよい。そのようなジグを配置しても、導電性のワイヤエミッタ１１ａで囲まれる中央部には、電界強度がないか微弱にしか存在せず、内部構造が電子放出面上の電界強度にほとんど影響を及ぼさないため、エミッタ電極１１の電子放出特性に変化は生じない。

このＦＥＬは、２系統の電流導入端子を備え、一方の電流導入端子が給電部１２に接続され、もう一方の電流導入端子が反射部１５にリード線を介して接続されている。

ＦＥＬを点灯する場合、給電部１２に接続される電流導入端子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で発光した光の大部分は、直接フェイスガラス１４を透過して外部に放射される。また、それ以外の光は、そのエネルギーの一部を失いながらも反射部１５での多重反射、或いは蛍光体層１３での吸収、放出を繰り返し、最終的にはフェイスガラス１４を透過して外部に放射される。

次に、本実施形態の電子照射面発光利用型ＦＥＬの特性を評価しつつ、構造を検討する。
図４（ａ）〜（ｄ）は、シミュレーションによる考察を行うために単純化したＦＥＬの要部の構造を示す図である。

絶縁碍子１６の直径を２０ｍｍ、絶縁碍子１６を貫通する円柱形の給電部１２の後端から先端までの長さが１５ｍｍで、そのうち５ｍｍは絶縁碍子１６から突き出している。給電部１２の先端からエミッタ電極１１の先端までの長さを３５ｍｍ、反射部１５のエミッタ電極１１に対する角度を４５°、反射部１５の中心軸に対する方向余弦を３５ｍｍとし、エミッタ電極１１の先端部は、反射部１５の端部の作る面と一致させている。

また、ワイヤエミッタ１１ａ表面の電界強度は、電極先端部の終端部１８の形状によっても変化し、その影響の受け方はワイヤエミッタ１１ａの数や直径に依存することが容易に予想されるため、以後のシミュレーションによる検討を単純化するために、エミッタ電極１１に終端部１８を設けずに計算を行い、終端部の形状が影響を及ぼす終端部近傍の電界強度変化については検討から除外する。

図４（ｂ）〜（ｄ）は、シミュレーションに使用する、ワイヤエミッタ１１ａの数ｎを３，５，８とした場合におけるエミッタ電極１１の各々について、エミッタ電極１１および給電部１２を先端部のほうから見たときの、図４（ａ）のＡ−Ａ’の位置での断面を示したものである。直径Ｄの給電部１２に、直径ｄのワイヤエミッタ１１ａが隙間無くｎ回の回転対称性を持つように配置され、各々のワイヤエミッタの電子放出素材１７の形成面は、蛍光体層１３と対向するように向けられている。

ここで、エミッタ電極１１の中心軸Ｃとワイヤエミッタ１１ａの中心軸Ｃ’を通る直線とワイヤエミッタ表面との交点をＭとし、Ａ−Ａ’面上の、あるワイヤエミッタ１１ａの表面上の位置をＮとして、直線Ｃ’Ｍと直線Ｃ’Ｎのなす角∠ＭＣ’Ｎをθとする。また、ワイヤエミッタ１１ａ上でＭを通るエミッタ電極の中心軸に平行な直線上の位置を、給電部１２の表面からの距離ｘで表す。

ｎ＝３本でｄ＝１．０ｍｍの場合について、エミッタ電極１１に反射部１８に対して−８ｋＶの電圧を印加したときの、位置ｘにおける電界強度を、Ｄ＝３ｍｍ，４ｍｍ，５ｍｍ，６ｍｍ，７ｍｍの場合について、Field Precision社製の電界シミュレータEstatを用いて計算し、ワイヤエミッタ１１ａの表面の電界強度のｘ依存性として図５に示す。

図５から分かるように基本的な傾向としては、ｘが小さいほどワイヤエミッタ１１ａの側面から反射部１５までの距離が短くなるため電界強度が強くなる。（ただし、ｘ＝３０ｍｍ付近ではワイヤエミッタ１１ａの先端部の電界集中効果によって僅かに歪んでいる）
しかし、直径ｄに対して直径Ｄが大きくなると、その形状効果により給電部１２付近のワイヤエミッタ１１ａの表面での電界強度を弱く（逆に給電部１２の外周端部で電界強度が強く）する効果が強化されるため、直径Ｄが大きくなるに従って、給電部１２付近の電極間距離に由来する電界強度の増加が緩和されている。

図６は、ワイヤエミッタ１１ａの表面の電界強度のθ依存性をField Precision社製の電界シミュレータEstatを用いて計算した結果を示す図である。
計算はワイヤエミッタ１１ａの直径をｄ＝１ｍｍと固定し、ｎ＝３でＤ＝６ｍｍ、ｎ＝５でＤ＝７ｍｍ、ｎ＝８でＤ＝１０ｍｍとした各々の場合について、エミッタ電極１１に反射部１５に対して−８ｋＶの電圧が印加されたとして行った。図中の電界強度は、最大の値となるθ＝０°のときを１として規格化している。

図６をみれば、θが大きくなるに従ってワイヤエミッタ１１ａ上の電界強度が弱くなり、また、その傾向はｎが大きくなるに従って強くなっていることが分かる。
これはθが大きくなると、エミッタ電極１１における隣り合うワイヤエミッタ１１ａの作る谷間の形状効果によって、電界強度が弱くためである。また、nが大きい程その傾向が強くなることは、ｎが大きいほど、その電界強度が最も小さくなるワイヤエミッタ１１ａ同士の接触する（谷底の）位置のθが小さくなるため、電界強度が弱められる効果がより浅いθで働くことになるためである。

さらに対称性から考えて電界変化はθについて遇の対称性をもつと考えられるため、図６のプロットに対して、非線形最小自乗法によりの多項式Ｆ_ｎ(θ)＝ａ＋ｂθ^２＋ｃθ^４（ａ，ｂ，ｃは係数）のフィッティングを行い電界強度のθ依存性を関数Ｆ_ｎ（θ）として求めた。また、得られた関数Ｆ_ｎ(θ)より、ワイヤエミッタ１１ａからの電子放出の広がり角を表す目安として、電界強度の相対値が０．９となるときのθを閾値θ_ｔｈとして求めた。

ここで、閾値θ_ｔｈとなる相対電界強度を０．９とした理由は、典型的な電子放出素材１７では、電界強度が９０%以下になると電子放出が３０%以下となり、視覚でもそのようになる領域を非発光の境界として容易に区別できるようになるためである。
求められた閾値θ_ｔｈは、ｎ＝３のときθ_ｔｈ＝５０．９°、ｎ＝５のときθ_ｔｈ＝３６．１°、ｎ＝８のときθ_ｔｈ＝２５．４°となった。

図７は、ｎ＝３，５，８における閾値θ_ｔｈついて、θ_ｔｈ×２×nの値を計算してプロットした図である。
ここで、θは個々のワイヤエミッタ１１ａの中心Ｃ’とする角度であり、エミッタ電極１１の中心位置Ｃとずれが存在するが、エミッタ電極１１と反射部１５の間の距離に比べてそのずれは充分に小さいため、θ_ｔｈ×２×ｎは、ワイヤエミッタ１１ａの電子線の広がり角の総和とみなすことが出来る。

図７の結果から閾値θ_ｔｈはｎに対して単調減少するが、ｎの増加がそれを上回るため、電子線の広がり角の総和はｎに対して単調増加することが分かる。電子線の広がり角の総和が大きくなることは、放射線状の発光強度の明暗の振れ幅も小さくなることにつながるため、図７の結果はｎを大きくすることで放射線状の発光強度の振れを小さくすることが可能であることを示している。

図８は、ｎ＝３、ｄ＝１，Ｄ＝５としてシミュレーションと同じ寸法をもつ試作した電子照射面発光利用型ＦＥＬの発光状態を示す図であり、試作ＦＥＬのエミッタ電極１１に反射部１５に対して−８ｋＶの電圧を印加したときの発光面を、フェイスガラス１４の方向から撮影した像を示している。

目視によって確認できる電子線の発光領域はワイヤエミッタ１１ａの数のｎと同じ、３つの領域に区別でき、各々の広がり角は９７°，９８°，１００°であった。この結果は、ｎ＝３のときの閾値θ_ｔｈの２倍（１０２°）に近い値であり、シミュレーションの結果が実際の電界強度分布をよく再現していることを示している。

以上のように、本実施形態のＦＥＬは、エミッタ電極１１を複数のワイヤエミッタ１１ａで構成し、各ワイヤエミッタ１１ａの電子放出素材１７の堆積面を反射部１５に対向させているので、ＦＥＬに、光の放射方向に偏りのない発光をさせることができる。又、給電部１２の構成を、その近傍のエミッタ電極１１上の電界強度を緩和する構成にすることにより、反射部１５の中心部と周辺部とで発光強度に差異が生じる現象を防ぐことが可能である。又、エミッタ電極１１は、ワイヤエミッタ１１ａを束ねたような単純な構成であり、光の取り出し効率もよく、エミッタ電極１１の保持強度も、固定部を中心とする慣性モーメントを小さくすることで適切な耐久性が得られる。

図９は、蛍光体層１３が塗布される面の電子照射密度について、シミュレーションによる考察を行うために単純化した電子照射面発光利用型ＦＥＬの要部の構造を示す図である。
ワイヤエミッタ１１aの直径ｄが１ｍｍでワイヤエミッタ１１ａの数、ｎが６本であり、その蛍光体層１３面側の半面に図１０に示される電子放出特性をもつ電子放出素材１７が形成されている。
図９のワイヤエミッタ１１ａが固定される給電部１２のワイヤエミッタ１１ａ側の端部には、その電界緩和効果を増大させるため、直径５ｍｍの円筒形のワイヤエミッタ１１ａ側端部に、直径１５ｍｍ、厚さ２ｍｍの円盤状構造を設けられている。また、6本のワイヤエミッタ１１ａのうちの1本について、その中心軸とそれに平行なエミッタ電極の中心軸の両方を含む面と、反射部１５の内壁面との交線と、ワイヤエミッタ１１ａと給電部１２の接続部を通るワイヤエミッタ１１ａの中心軸に対して垂直な面との交点をＡ、またワイヤエミッタ１１ａと終端部１８との接続部を含むワイヤエミッタ１１ａの中心軸に対して垂直な面との交点をＡ’とする。

この構造において、ワイヤエミッタ１１ａと反射部１５との間に、ワイヤエミッタ１１ａが負極側となるように−８ｋＶが印加されたときの、電子放出と真空封止容器１０内での電子軌道のシミュレーションをField Precision社製の電子放出シミュレーションソフトTriComp6.0を用いて行った。陽極側の地点ＡからＡ’までの線分における電子照射密度の変化を図１１に示す。
電子放出素材１７は量子的なトンネル効果によって電子を放出するため、図１０に示されるように、電界強度の変化に対して電子放出密度変化が非線形であり、わずかな電界強度によって電子放出密度が大きく変化する。さらに、ワイヤエミッタ１１ａの給電部１２側では、照射される側の面積がフェイスガラス１４側に比べて狭いため、より電子放出密度を抑制する必要がある。図１１によれば、図９の構造では、給電部１２及び終端部１８の端部がもたらす緩和効果によって電界分布が緩和され、且つ電子照射密度の差異は照射面内において３０％以内に抑えられていることが分かる。

図１２に、電子照射面発光利用型ＦＥＬの発光状態の様態を示す図であり、図９で示された電極構造と同じ電極構造を持つ電子照射面発光利用型ＦＥＬの発光状態の様態をフェイスガラス側からのぞいた状態を示している。
発光は、フェイスガラス１４をはずした状態で真空チャンバー内に設置し３×１０^−５Ｐａまで真空引きを行った後、ワイヤエミッタ１１ａに反射部１５に対して−８ｋＶの電圧を印加することによって発光させている。図９の発光状態から判断してθ方向への電子線照射密度分布に依存性が見られるが、図８のｎ＝３の場合に比べてそれは小さいことが確認できた。また、給電部１２側からフェイスガラス１４側へむかう方向の発光強度の勾配は僅かにしか見られず、給電部１２、終端部１８の電界勾配の緩和効果が充分に働いていることが確認できた。

図１３は、フェイスガラス１４を摺りガラスにした場合の電子照射面発光利用型ＦＥＬの発光状態を示す図である。
前述の図１２の場合と同様の電極構造に、ホーニング加工により表面を摺りガラス化したフェイスガラス１４を接合し、真空封止容器１０内部を真空引きしてから封止切りを行い、ワイヤエミッタ１１ａに反射部１５に対して−８ｋＶの電圧を印加して発光させると、摺りガラスによる光の拡散効果によってθ方向への蛍光体層１３の発光強度の勾配が緩和され、発光が均一化されていることが分かる。
以上のように、複数のワイヤエミッタ１４を用いる本実施形態の技術により、電子照射面発光利用型ＦＥＬを作製することで、均一な発光が可能となることが示された。

１０ 真空封止容器
１１ エミッタ電極
１１ａ ワイヤエミッタ
１２ 給電部
１３ 蛍光体層
１３ａ 透明保護膜
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 終端部

Claims (9)

1. 容器状をなし、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、フェイスガラス以外の管壁には、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、直線状の形状をそれぞれ持ち、中心軸方向から見てその表面の略半面に電子放出素材が形成された軸が平行な複数の基体より構成され、各基体の電子放出素材が形成された面が前記蛍光体層側を向き、かつ、中心軸方向から見て基体の数と同じ回転対称性を持つように配置された構造を有するエミッタ電極と、
   導電性材料で形成され、前記真空封止容器内で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した際に、前記蛍光体層に近い部分の前記電子放出素材における電界強度を緩和させることで、エミッタ電極からの電子放出を均一化させることのできる形状を持った給電部とを、
   備えることを特徴とする電界放出型光源。
2. 前記給電部は、前記エミッタ電極をフェイスガラス方向からみた断面図において、その外接円が、エミッタ電極の外接円の直径よりも大きい直径を持つことを特徴とする請求項１に記載の電界放出型光源。
3. 複数の基体からなる前記エミッタ電極の前記給電部の反対側にある端部に、その端部表面における電界集中を緩和させることで、前記エミッタ電極表面の電子放出を均一化させることのできる形状を持った終端部を備える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. 前記給電部或は前記終端部のエミッタ電極側の端部に、それ自身の電界集中を高めることで、近傍のエミッタ電極表面上の電界を緩和させる構造が設けられてい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. 前記構造は、前記給電部或は前記終端部のエミッタ電極側の端部において、エミッタ電極の中心軸からみたときに、部分的にその外接円が該給電部或は終端部本体の平均的な外径に対して大きくなっている構造であることを特徴とする請求項４に記載の電界放出型光源。
6. 前記フェイスガラスは、前記真空封止容器の内部から大気側に向かって凸となる曲率を持つことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電界放出型光源。
7. 前記フェイスガラスのガラス表面には、ぼかし加工が施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。
8. 前記蛍光体層の前記容器状の内部を向く面には、電子線照射による劣化を抑制する透明な保護膜が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電界放出型光源。
9. 前記保護膜は、所定の電気伝導度をもつ酸化スズ・インジウム、酸化亜鉛、又は酸化スズのいずれかの材料を含んでいることを特徴とする請求項８に記載の電界放出型光源。