JP2011108409A

JP2011108409A - フィールドエミッションランプ

Info

Publication number: JP2011108409A
Application number: JP2009260055A
Authority: JP
Inventors: Hoki Haba; 方紀羽場; Hidetoshi Nakajima; 秀敏中島
Original assignee: Pureron Japan Co Ltd
Current assignee: Pureron Japan Co Ltd
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2011-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: JP5350987B2

Abstract

【課題】電子エミッタ３に対向して、ガラス基板１と蛍光体層６と陽極層７との積層体が面状に配置され、蛍光体層６が電子エミッタ３から放出される電子線の照射を受けて励起発光するフィールドエミッションランプにおいて、蛍光体層６の密着強度を向上させる。
【解決手段】前記蛍光体層６に、ビスマスを含む低融点無鉛ガラス材を、１０〜２０重量％含有させる。また、前記積層体は、電子エミッタ３に遠い側から、ガラス基板１、蛍光体層６、陽極層７の順で積層し、前記陽極層７は、アルミニウムの蒸着膜とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子エミッタから放出される電子線の照射により蛍光体を励起発光させるフィールドエミッションランプに関する。

フィールドエミッションランプとして、特許文献１などに記載されているように、電子エミッタに対向して、ガラス基板と蛍光体層と陽極層との積層体が面状に配置され、前記蛍光体層が前記電子エミッタから放出される電子線の照射を受けて励起発光するものが知られている。

前記積層体は、一般には、前記電子エミッタに遠い側から、ガラス基板、陽極層、蛍光体層の順で積層し、前記陽極層は、透明電極であるＩＴＯ（Indium-Tin Oxide；酸化インジウム・錫）により構成している。

特開２００８−０５９９０４号公報特開２００４−３０３６８２号公報特開２００７−１６５００８号公報

ところで、このようなフィールドエミッションランプでは、蛍光体層は付着しているだけであり、蛍光灯のような紫外線照射の場合は問題ないが、電子線照射の場合には、これによって蛍光体層の剥離に至る恐れがある。また、蛍光体層は電子線照射によりチャージアップし、放電に至る。このように電子線照射により蛍光体を発光させる方式のランプでは電子線照射量が発光輝度に影響するため、電子線量は多くなり、それにより蛍光体層が少しずつ剥離していき、最終的に放電に至り、蛍光体層剥離破壊となる。この現象がランプ寿命を決定する。

また、陽極層として、透明電極であるＩＴＯを用いているが、ＩＴＯは高価であり、コスト低減のために、代替技術が求められている。テレビ用ＣＲＴでは、ＩＴＯを用いず、陽極として、蛍光体層の電子線照射側にアルミニウムの蒸着膜を付けることが行われている。アルミニウムの蒸着膜を用いる場合、電子を通過させるために、電圧が余計に必要になるものの、材料自体は低コストである。しかし、蛍光体層にアルミニウムの蒸着膜をしっかりと積層するためには、特許文献２や特許文献３に示されるように、蒸着前に蛍光体層の平坦化処理を行う必要があり、これは大変な作業であった。

本発明は、このような実状に鑑み、フィールドエミッションランプのアノード側構造において、蛍光体層の密着強度の向上を図ることで、比較的低コストなアノード側構造を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、電子エミッタと、それに対向するガラス基板と蛍光体層と陽極層とを有する面状積層体とを備え、前記蛍光体層が前記電子エミッタから放出される電子線の照射を受けて励起発光するフィールドエミッションランプにおいて、前記蛍光体層に、ビスマス（Ｂｉ）を含む低融点無鉛ガラス材を含有させ、前記積層体は、前記電子エミッタに遠い側から、ガラス基板、蛍光体層、陽極層の順で積層した構成とする。

ここで、前記陽極層は、アルミニウムの蒸着膜であるとよい。
また、前記蛍光体層中における前記低融点無鉛ガラス材の含有量は、１０〜２０重量％の範囲であるとよい。

本発明によれば、蛍光体層にビスマス系の低融点無鉛ガラス材を含有させることにより、ガラス基板に対する蛍光体層の密着性を高めることができ、剥離等の防止を図ることができる。また、蛍光体層への陽極層の密着性も高まり、蛍光体層の平坦化処理等も不要となる。

本発明の一実施形態を示すフィールドエミッションランプの概略断面図図１のＡ−Ａ断面図カーボンナノ特殊構造体のＳＥＭ写真

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示すフィールドエミッションランプの概略断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。

このフィールドエミッションランプは、フラットパネルタイプのランプであり、発光側となる平板状のフロントパネル１と、このフロントパネル１の後方（図で左方）に平行配置される平板状のリアパネル２と、フロントパネル１とリアパネル２との周縁部間に配設した枠状のサイドパネル（図示せず）とで、薄型の筐体が形成され、その内部は真空封止されている。

リアパネル２の内面には、カソード側構造として、複数のワイヤ状の電子エミッタ３がそれぞれの延在方向と直角な方向に並べられて配置されている。

電子エミッタ３は、ＳＵＳ、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金等の導電性金属線からなるワイヤ状基材４の外周に、プラズマＣＶＤによって炭素膜５を成膜したものである。

詳しくは、ＣＶＤ装置のチャンバ内に配置された筒状電極の内部にワイヤ状基材をセットし、チャンバ内を真空排気すると共にチャンバ内に原料である炭化水素ガス（例えばメタンガス）とプラズマ生成用ガス（例えば水素ガス）とを導入し、筒状電極に直流負電圧を印加することにより、プラズマを発生させて、炭化水素ガスを分解、イオン化し、筒状電極内の基材の表面に炭素膜を成膜する。プラズマＣＶＤで成膜されるナノカーボンの構造は成膜条件とＣＶＤ装置などにより任意に作ることができる。フィールドエミッションランプには、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カーボンナノファイバー、図３（ＳＥＭ写真）に示すカーボンナノ特殊構造体などがよいが、特に図３に示したものがよい。

この炭素膜５は、その表面にｎｍオーダーの微細突起からなる電子放出点を多数有している。この電子放出点は、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カーボンナノファイバー、図３に示すカーボンナノ特殊構造体等により構成されていて、微細な突起の先端への電界集中で電子を放出するものである。

フロントパネル１はガラス基板であり、その内面には、アノード側構造として、蛍光体層６と陽極層７とが積層されている。言い換えれば、電子エミッタ３に対向して、ガラス基板１と蛍光体層６と陽極層７との積層体が面状に配置されており、また、この積層体は、電子エミッタ３に遠い側から、ガラス基板１、蛍光体層６、陽極層７の順で積層されている。

蛍光体層６は、ガラス基板１上に積層され、電子の照射により励起して可視光を発光する。この蛍光体層６は、周知のＰ２２蛍光体（Ｐ２２−Ｒ、Ｐ２２−Ｇ、Ｐ２２−Ｂ）を主成分として構成され、一定比率（１：１：１）のＲＧＢにより、白色に発光させることができるが、比率調整により、昼光色、電球色等の発光も可能である。

また、蛍光体層６には、積層時の隣接層との密着性向上のため、ビスマス（Ｂｉ）系の低融点無鉛ガラス材を１０〜２０重量％含有させる。

このとき、低融点ガラス材として、広く一般的に使用されている鉛（Ｐｂ）の入った低融点ガラスを使用すると、色むらが出るばかりでなく、白色の中に紫色の発光が主となり、所望する発光色が得られない。そのため、製品化は困難である。しかし、ビスマス系の低融点ガラスを使用すると、蛍光体そのままの色が出る。含有量も重要で、１、２％では全く効果がなく、１０％以上入れることが必要である。但し、２０％を超えると、蛍光体の比率が減って、発光輝度に影響するし、チャージアップしやすくなる。従って、ビスマス（Ｂｉ）系の低融点無鉛ガラス材を１０〜２０重量％含有させることが重要である。

陽極層７は、蛍光体層６上に積層されて、陽極をなすもので、アルミニウムの蒸着膜により構成される。蛍光体層６の電子線照射側に設けることで、電子を通過させる必要があるが、電子エミッタ３（ワイヤ状基材４）と陽極層７との間に印加する電圧（通常は５ｋＶ）を増加させれば問題はない。

陽極層（アルミ層）７を蛍光体層６の電子線照射側に設ける利点について説明する。電子線はアルミ層７を突き抜けて蛍光体層６にラジエーションし、蛍光体層６が発光する。発光の方向性はランダムであるので、もしアルミ層７が無ければ、光の一部はランプの外とは逆に内部に向かう。内部に向かう光は損失となる。この点、アルミ層７はその内部に向かう光を反射し、外部に光を向ける役目をも担う。すなわち、電子エミッタ３からの電子により励起された蛍光体層６からアルミ層７側へ発せられた光を反射し、より効率良くフロントパネル（ガラス基板）１前面に発光エネルギーを送る役目を果たす。また、当然のこととして、アルミ層７はチャージアップを抑制する働きもする。

次にフロントパネル（ガラス基板）１を含むアノード側構造（積層体）の作り方について説明する。

先ず、低融点無鉛ガラス材を作製するが、その方法は、アルミナ又は白金製の坩堝に、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＢａＯ、Ｂ₂Ｏ₃を所定のモル比で入れ、電気炉の中に入れて、溶かす。溶かした後、坩堝から流し出して、水の中に入れることで固化し、これを取出して、粉砕することで、低融点無鉛ガラス材の粉末（パウダー又はフリット）を得る。

次に、蛍光体の粉末に、上記低融点無鉛ガラス材の粉末を混ぜ、更にバインダー等を入れて、混練する。

次に、この混練物（ペースト）を、下地となるガラス基板１にスクリーン印刷機を用いてスクリーン印刷し、下地のガラス基板１を溶かさない４００〜６００℃の温度で焼成する。尚、ビスマスの融点は２７１．５℃で、これを含む低融点無鉛ガラス材のパウダーは約４００℃で溶ける。これにより、ガラス基板１上に低融点無鉛ガラス材を含有する蛍光体層６が積層される。

次に、蛍光体層６付きのガラス基板１に対し、真空蒸着あるいはスパッタリングにより、アルミニウムを蒸着する。これにより、蛍光体層６上にアルミ蒸着膜による陽極層７が積層される。

図１及び図２のように構成されたフィールドエミッションランプは、電子エミッタ３（ワイヤ状基材４）と、アルミ蒸着膜からなる陽極層７との間に、電子エミッタ３（ワイヤ状基材４）側を陰極として、４ｋＶ以上の電圧を印加する。

これにより、電子エミッタ３の外周の炭素膜５にある微細な突起の先端への電界集中で電子が陽極層７側に向かって放出され、必要十分な電圧を印加することで、電子は陽極層７を通過して、蛍光体層６に衝突する。このような蛍光体層６への電子の衝突により、蛍光体層６が励起されて発光する。

ここにおいて、蛍光体層６にビスマス（Ｂｉ）系の低融点無鉛ガラス材を含有させることにより、蛍光体層６の平坦化ができ、ガラス基板１に対する蛍光体層６の密着性を高めることができ、剥離等を防止できる。また、蛍光体層６への陽極層（アルミ蒸着膜）７の密着性も高まり、蛍光体層６の平坦化処理等も不要となる。従って、フィールドエミッションランプの耐久性向上、製造コスト低減等を図ることができる。

次に、蛍光体の固着に用いる低融点ガラス材に関し、（１）成分組成、（２）蛍光体への添加量、（３）ガラスの作製方法とガラスの特性について、具体的実験例で検討する。

（１）成分組成
１．60mol%Ｂｉ₂Ｏ₃−10mol%ＢａＯ−30mol%Ｂ₂Ｏ₃系ガラス
２．市販Ｐｂ入りガラスＡ
３．市販Ｐｂ入りガラスＢ
上記３種のガラス粉末を５wt％、周知のＰ２２蛍光体（Ｐ２２−Ｒ、Ｐ２２−Ｇ、Ｐ２２−Ｂを１：１：１で混合）に混ぜ、さらにエチルセルロースをベースとするバインダーとよく混錬した。そして、各ペースト（蛍光体層）を、ＩＴＯを塗布したガラス基板上にスクリーン印刷し、乾燥後、４５０℃で焼付け処理を行い、アノード側基板とした。

そして、上記１〜３のガラス入り蛍光体を用いた各アノード側基板に電子線を照射し、発光色を観察した。
観察によると、上記１のガラス入り蛍光体は発光色に何ら変化はなかった。上記２、３のガラス入り蛍光体は紫色の強い発光が認められ、発光色が変化した。この結果から、上記１の成分を含むガラス、即ちビスマス系の無鉛ガラスが良いことが判明した。

尚、上記（１）の実験は、蛍光体層のペーストを、ＩＴＯを塗布したガラス基板上にスクリーン印刷し、陽極層をＩＴＯとしたランプを試作して行ったが、これは実験を容易にするためであり、ガラス基板上に直接印刷し、陽極層としてアルミ蒸着膜を用いても、同様の結果が得られると推量される。

（２）蛍光体へのガラス粉末添加量
60mol%Ｂｉ₂Ｏ₃−10mol%ＢａＯ−30mol%Ｂ₂Ｏ₃系ガラスの粉末を用い、周知のＰ２２蛍光体（Ｐ２２−Ｒ、Ｐ２２−Ｇ、Ｐ２２−Ｂを１：１：１で混合）に対して、添加量を変えて、１、２、５、１０、１２、１５、２０及び２５wt％添加し、適当なバインダー（例えばエチルセルロース）及び有機溶剤を適量加え、よく混合・混錬した。そして、各ペースト（蛍光体層）を、ＩＴＯを塗布したガラス基板上にスクリーン印刷し、１００℃で乾燥後、４５０℃で焼付けを行った。

密着テストとしては、透明粘着テープ（一般のセロハンテープ）を用い、ガラス基板へ印刷した蛍光体層上に指でこすりつけ、はがす方法で行った。合否判断は、その回数（剥離に至るまでの回数）を基準とし、５回以上を合格とした。その結果を、表１に示す。

この結果から、蛍光体へのガラス粉末の添加量は、１０wt％以上とすべきことが判明した。但し、２０wt％を超えると、蛍光体の比率が減って、発光の程度が悪くなることから、実際的には、１０〜２０wt％の範囲とするのが望ましい。

尚、上記（２）の実験も、蛍光体層のペーストを、ＩＴＯを塗布したガラス基板上にスクリーン印刷したものに対し行ったが、ガラス基板上に直接印刷したものについても、同様の結果が得られると推量される。

（３）ガラスの作製方法とガラスの特性
60mol%Ｂｉ₂Ｏ₃−10mol%ＢａＯ−30mol%Ｂ₂Ｏ₃のモル比となるように、電子天秤（±１０mgの精度）で総投入重量５００gを秤量した。出発原料としては、Ｂｉ₂Ｏ₃はナカライテクス株式会社製ＧＲ（Guaranteed Reagent）、ＢａＯは和光純薬工業株式会社製ＢａＣＯ₃ _、Ｂ₂Ｏ₃はナカライテクス株式会社製ＧＲを用いた。秤量した原料を乳鉢と乳棒でよく混合し、アルミナ坩堝（50ml）又は白金坩堝（50ml）に投入した。バッチは１０〜２０ｇとした。溶融は電気炉中で１１００℃（大気開放圧下）で３０分程度で行った。均質な溶融液とするため、溶融開始後２０分で一度電気炉から取出してシリカガラスロッドで攪拌した後、更に１０分間溶融した。そして、粉末ガラスとするため、スチールプレス法で急冷した後、粉砕した。

同様にして、表２のモル比の粉末ガラスを得た。
そして、各粉末ガラスを、一定時間、一定量の水に浸漬した後、溶け出しによる重量の減少が５wt％未満か否かにより、耐水性をテストした。このガラスは真空中で使用するものであるが、環境湿度により影響を受けるからである。その結果を、遷移温度Ｔｇ、結晶化温度Ｔｘと共に、表２に示す。

この結果から、Ｂ₂Ｏ₃の含有量が増えると、耐水性の評価が△となった。
また、他の実験結果も含め、60mol%Ｂｉ₂Ｏ₃−10mol%ＢａＯ−30mol%Ｂ₂Ｏ₃が最適で、これを中心として選定するのがよいとの結論に達した。

そこで、色温度で１０，０００Ｋとなるように混合蛍光体の成分比を決め、それに60mol%Ｂｉ₂Ｏ₃−10mol%ＢａＯ−30mol%Ｂ₂Ｏ₃ガラスを１０％加えたペーストを作製し、陽極ガラス基板にスクリーン印刷後、乾燥、４６０℃にて焼成した。その後、アルミニウムを真空蒸着により１００ｎｍ蒸着した。この陽極基板と、カーボンナノ特殊構造体を用いたエミッタで陰極基板とを用いて、フィールドエミッションランプを作り、陽極・陰極間に電圧５ｋＶを印加した。ランプの寸法は割愛するが、５ｋＶの電圧印加による陽極の負荷としては０．１Ｗ/cm²である。そのときの発光輝度を測定したところ、１０，０００Ｃｄ／m²を得た。また、添加ガラスによる色ずれとか、発光むらなどは観測されなかった。電圧印加を続け、寿命を調べたところ、５０００時間経過後も発光輝度は２％しか変化はなく、電流の初期値に対する変化は数％であった。このことからも、蛍光体の基板へ密着力は強固であり、陽極の変化は認められないことが看取される。一方、一般のＣＲＴに用いられるアルミ膜は下地の基板密着力が脆弱なため、効果は薄い。

１フロントパネル（ガラス基板）
２リアパネル
３電子エミッタ
４ワイヤ状基材
５炭素膜
６蛍光体層
７陽極層（アルミ蒸着膜）

Claims

電子エミッタと、それに対向するガラス基板と蛍光体層と陽極層とを有する面状積層体とを備え、
前記蛍光体層が前記電子エミッタから放出される電子線の照射を受けて励起発光するフィールドエミッションランプであって、
前記蛍光体層は、ビスマスを含む低融点無鉛ガラス材と蛍光体とを含んでなり、
前記積層体は、前記電子エミッタに遠い側から、ガラス基板、蛍光体層、陽極層の順で
積層されている、フィールドエミッションランプ。
前記陽極層は、アルミニウムの蒸着膜である、請求項１記載のフィールドエミッションランプ。
前記蛍光体層中における前記低融点無鉛ガラス材の含有量は、１０〜２０重量％の範囲である、請求項１又は請求項２記載のフィールドエミッションランプ。