JP2014164811A - 紫外線発光ランプ - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体を電子線で励起して紫外線を発光する紫外線発光ランプを提供する。
【解決手段】紫外線発光ランプは、少なくとも一部が紫外線を透過する容器８と、容器８内に配置された、電子放出源６と、電子放出源６の電子線で励起されて紫外線を発する蛍光体層３と、蛍光体層３の電子放出源６側の面に配置された導電膜４と、加速電極２とを備えて構成される。導電膜４は、グラフェンで構成されている。導電膜４は、蛍光体層３に電子が照射された際に溜まった電子を流し、蛍光体層３のチャージアップを防ぐために配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子線で蛍光体を励起して紫外線を発生させる紫外線発光ランプに関する。

ガラスバルブの内側に電子線放出部を配置し、ガラスバルブの天井部分に蛍光体層とメタルバック層を積層配置した可視光発光ランプが特許文献１等に開示されている。この可視光発光ランプでは、メタルバック層と電子線放出部との間の空間に、円筒状陽極が配置されている。メタルバック層は、Ａｌによって形成されている。電子線放出部から放出された電子線は、円筒状陽極で加速され、Ａｌメタルバック層を貫通して、蛍光体層に入射する。これにより、蛍光体が励起され、発せられた蛍光（可視光）は、ガラスバルブを通して外部に出射される。

また、特許文献２には、所定の酸素不純物濃度および積層欠陥を含む六方晶チッ化ホウ素単結晶を発光層として用いる電子線励起紫外線発光装置が開示されている。

特許第３５５３８４０号公報 特許第４８５９１７３号公報

特許文献１に開示されている可視光ランプは、絶縁体である蛍光体が、電子線の照射を受けてチャージアップするため、蛍光体層の表面に導電膜（メタルバック層）を配置してチャージアップを防止する必要がある。導電膜としてＡｌ等の金属膜を用いた場合には、光を反射するため、蛍光をメタルバック層の方向に出射することができないため、蛍光体層のメタルバック層が配置されていない側から光を出射する必要がある。そのため、陽極を蛍光体層のメタルバック層が配置されていない側の面に配置することはできず、特許文献１の構成では、蛍光体層と電子線放出部との間の空間に円筒状の陽極を配置するという複雑な構造になっている。一方、ＩＴＯ（酸化インジウム錫）等の透明導電膜をメタルバック層に用いた場合には、蛍光を透過するため、透明導電膜の方向に蛍光を出射することが可能になる。

近年、蛍光体を用いて、簡単な構成で紫外線を発光することのできるランプの開発が望まれている。しかしながら、ＩＴＯ等の透明導電膜は、紫外線を吸収する性質があるため、紫外線を発光する蛍光体の表面に配置することはできない。

また、特許文献２のように特殊な六方晶チッ化ホウ素単結晶を用いる紫外線発光装置は、蛍光体を用いるランプよりも、材料が特殊であるため製造コストがかかる。

本発明の目的は、蛍光体を電子線で励起して紫外線を発光する紫外線発光ランプを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の紫外線発光ランプは、少なくとも一部が紫外線を透過する容器と、容器内に配置された、電子放出源と、電子放出源の電子線で励起されて紫外線を発する蛍光体層と、蛍光体層の電子放出源側の面に配置された導電膜と、加速電極とを備えて構成される。導電膜は、グラフェンで構成されている。グラフェンは紫外線を透過するため、導電膜を介して紫外線を出射することができる。また、グラフェンは面内方向の導電性が高いため、蛍光体のチャージアップを防ぐことができる。

本発明によれば、導電膜であるグラフェンを蛍光体層の表面に配置することにより、蛍光体のチャージアップを防ぎ、かつ、グラフェンを透過させて紫外線を出射することができる。これにより、蛍光体を電子線で励起して紫外線を出射するランプを提供できる。

第１の実施形態の紫外線発光ランプの（ａ）断面構造と電圧印加方向を示す説明図、（ｂ）下面図。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）図１の紫外線発光ランプの加速電極２、蛍光体層３および導電膜４の成膜工程を示す説明図。 第２の実施形態の紫外線発光ランプの（ａ）断面構造と電圧印加方向を示す説明図、（ｂ）下面図。 （ａ）および（ｂ）図３の紫外線発光ランプの蛍光体層３および導電膜４の成膜工程を示す説明図。 第３の実施形態の紫外線発光ランプの（ａ）軸方向の断面構造と印加電圧方向を示す説明図、（ｂ）側面図、（ｃ）軸方向に直交する方向の断面図。 第４の実施形態の紫外線発光ランプの（ａ）斜視図、（ｂ）断面図。

本発明の一実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の紫外線発光ランプについて図１を用いて説明する。図１のように、この紫外線発光ランプは、少なくとも一部が紫外線を透過する容器８と、容器８内に配置された、電子放出源６と、電子放出源６の電子線で励起されて紫外線を発する蛍光体層３と、蛍光体層３の電子放出源６側の面に配置された導電膜４と、加速電極２とを備えて構成される。導電膜４は、グラフェンで構成されている。導電膜４は、蛍光体層３に電子が照射された際に溜まった電子を流し、蛍光体層３のチャージアップを防ぐために配置されている。

加速電極２は、蛍光体層３の、電子放出源６側の面とは逆側の面に配置されている。加速電極２もグラフェンで構成されている。加速電極２および蛍光体層３は、この順に、紫外線を透過する基板１上に積層されている。

グラフェンは、ｓｐ^２結合で結合した炭素原子であり、その格子構造は、平面状の六角形である。グラフェンは、低抵抗であり、高い導電性を示す。導電膜４および加速電極２はいずれも、グラフェンの層（平面状の六角形格子の層）が２層以上あればよい。２層以上で、抵抗率はＩＴＯと同等以上になり、紫外線透過率は９０％以上を保つことができる。抵抗率と紫外線透過率との兼ね合いから、グラフェンの層が４層程度のものが好ましいが、必要に応じて１０層程度のもの、さらに多くの層を持つものも使用可能である。

蛍光体としては、例えば、AlGaN系結晶を母体とする蛍光体、またはフッ化カルシウム系蛍光体を用いることができる。

基板１としては、紫外線を透過する石英基板または紫外線透過性硬質ガラス基板等を用いることができる。

電子放出源６は、電子を放出することができるものであれば冷陰極型でも熱陰極型でも良い。電子放出源６の電極としては、金属、エレクトライド等の酸化物、および、カーボンナノチューブやグランク等のカーボン製材料等を用いることができる。例えば、金属製のカップ電極にエレクトライドを充填したものを電子放出源６として用いることができる。

引き出し電極５は、メッシュ状の金属等を用いることができる。電子放出源６は、例えば、引き出し電極５の中心の直下数ｍｍの位置に配置する。引き出し電極５と蛍光体３との距離は、例えば２０〜２５ｍｍに設定する。

容器８は、紫外線を透過する材料、例えば石英製の管の開口部をステム構造で気密を保って封止した構造である。電子放出源６、引き出し電極５および加速電極２には、それぞれリード線が接続され、リード線は、ステム構造のステムピン７に接続されている。

容器８の内部空間は、真空度１０^−６Torr以下の高真空に排気されている。また、容器８内にゲッターを配置することで高真空を保つことができる。

ステムピン７を介して、電子放出源６と引き出し電極５との間に電圧を印加することにより、電子放出源６から引き出し電極５に向かって電子が放出される。それと同時に、加速電極２に正の電圧を印加することにより、引き出し電極５に向かう放出電子が加速電極２に向かって加速されて電子線となり、導電膜４を透過して、蛍光体層３に衝突する。蛍光体層３は、電子線により励起され、蛍光として紫外線を発生する。導電膜４および加速電極２は、いずれもグラフェンで構成されているため紫外線の透過率が高く、また、石英製の基板１も紫外線の透過率が高い。よって、蛍光体層３から発せられた紫外線は、蛍光体層３の両面から導電膜４、加速電極２および基板１を透過して、上方および下方に向かって出射される。これにより、容器８を透過して全方位に紫外線を出射できる。

このように、蛍光体層３のチャージアップを防ぐ導電膜４および加速電極２として、グラフェン層を用いることにより、これらを蛍光体層３の両面に配置しても、全方位に紫外線を出射できる。また、蛍光体層３から離れた位置に、加速電極２を配置する必要がなく、加速電極２を、蛍光体層３の電子放出源６とは逆側の面に配置できる。よって、簡単な構造で、効率よく電子線を加速することのできる紫外線ランプを実現することができる。また、蛍光体層３上の導電膜４を加速電極として使用（兼用）してもよい。その場合、図１において蛍光体層３と基板１との間に配置した加速電極２は、省略することができる。

つぎに、図１の紫外線発光ランプの製造方法について図２を用いて説明する。

図２（ａ）のように、基板１の全面に、溶媒可溶化処理を行った酸化グラフェンの溶液をスピンコートで塗布した後、還元処理を行う。酸化グラフェンの塗膜の厚みは１０ｎｍあれば十分である。還元後の紫外線透過率は６０％以上得られる。これにより、グラフェン膜（加速電極２）を基板１上に形成することができる。

つぎに、図２（ｂ）のように、基板１上の加速電極２の表面に蛍光体を分散した溶液をスクリーン印刷法により塗布する。このとき、加速電極２がリード線と接続される端部の領域２１には、蛍光体分散溶液が塗布されないようにする。蛍光体の塗布膜を加熱して乾燥させた後、焼成する。これにより、蛍光体層３を形成する。

その後、基板１の全面に、再度、酸化グラフェンの溶液をスピンコート塗布した後、還元処理を行うことによりグラフェン膜（導電膜４）を成膜する。これにより、紫外線発光部が形成される。なお、端部の領域２１において導電膜４と加速電極２が電気的に接続される。これにより、蛍光体層３に溜まった電子を導電膜４を介して加速電極２のリード線に流すことができる。

紫外線発光部、電子放出源６，引き出し電極５は、容器８内に配置し、リード線を接続する。容器８の内部を所定の真空度まで排気し、ステム構造によって封止する。これにより、図１の紫外線発光ランプを製造することができる。

なお、本実施形態において、蛍光体層３を形成する際に、蛍光体分散溶液中にグラフェンを分散しておくことにより、グラフェンが分散した蛍光体層３を形成できる。グラフェンが分散した蛍光体層３は、導電性であるため、導電膜４の成膜工程を省略することが可能である。

また、図１の構成は、電子放出源（陰極）６、引き出し電極（グリッド）５、加速電極（陽極）２の３極構造であるが、引き出し電極５を省略し、電子放出源（陰極）６と加速電極（陽極）２の２極構造にすることも可能である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の紫外線発光ランプについて図３を用いて説明する。

図３の紫外線発光ランプは、基板１として光反射率の高い金属基板（例えばＡｌ）を用い、加速電極を兼用させる。これにより、蛍光体層３から発せられた紫外線は、加速電極を兼用する金属基板１によって反射されるため、下方（引き出し電極５方向）に向かって出射される反射型の紫外線発光ランプを提供できる。

図３の紫外線発光ランプの製造時には、図４（ａ）のように金属基板１の全面に蛍光体分散溶液をスクリーン印刷法により塗布し、塗布膜を形成した後、加熱して乾燥させた後、焼成する。これにより、蛍光体層３を形成する。なお、加速電極を兼用する金属基板１とリード線との接続は、基板１の裏面において行うことができるため、基板１の全面に蛍光体を塗布できる。

その後、図４（ｂ）のように、基板１の全面に、酸化グラフェンの溶液をスピンコート塗布し、還元処理を行うことによりグラフェン膜（導電膜４）を成膜する。これにより、紫外線発光部が形成される。

他の構成および他の製造工程は、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

なお、本実施形態においても、蛍光体層３を形成する際に、蛍光体分散溶液中にグラフェンを分散しておくことにより、グラフェンが分散した蛍光体層３を形成できる。グラフェンが分散した蛍光体層３は、導電性であるため、導電膜４の成膜工程を省略することが可能である。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の紫外線発光ランプについて図５を用いて説明する。

図５の紫外線発光ランプにおいては、容器８は、円筒状の管である。電子放出源６は、ワイヤ状または棒状であり、円筒状の管の中心に配置されている。加速電極２および蛍光体層３は、容器８の全周の内壁に、この順に積層されている。加速電極２は、グラフェンである。蛍光体層３にはグラフェンが分散され、蛍光体層３は導電性を有している。

電子放出源６は、ワイヤ状またはカーボン製の棒状タイプものを用いることができる。ワイヤータイプの電子放出源６としては、針金状の金属にカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を塗布することで形成できる。カーボン製の棒状タイプの電子放出源６としては、以下の非特許文献１に示されているグラファイトロッドに水素プラズマ処理を施して凹凸が形成された冷陰極を用いることができる。
Applied Physics Letters 88, 073511(2006) Field emission characteristics of a graphite nanoneedle cathode and its application to scanning electron microscopy

本実施形態の紫外線発光ランプは、蛍光等のように円筒状の容器８の全周から紫外線を放出することができる。

なお、本実施形態においては、蛍光体層４として、グラフェンが分散されたものを用いることにより、積層数を低減し、径の細い管状の容器８であっても紫外線ランプを実現することができるが、必ずしもこの構造に限られるものではない。図１および図２の紫外線発光ランプのように、蛍光体層４の電子放出源６側の面に、導電膜４を備える構成にすることも可能である。また、備えた導電膜４を加速電極として使用（兼用）することも可能である。その場合、図５において容器８と蛍光体層３の間に配置されている加速電極２は省略することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態の紫外線発光ランプについて図６を用いて説明する。

図６の紫外線発光ランプは、容器８は、２枚の平板８１をスペーサ８２を挟んで一定の間隔で対向配置した平面発光ランプである。２枚の平板８１は、紫外線透過性基板（石英板、硝子板）である。一方の平板８１には、電子放出源６として、例えば金属膜（Ａｌ，Ｍｏ，Ｎｉ等）形成後にカーボンナノチューブまたはエレクトライドが塗布されている。対向する平板８１には、加速電極２として、グラフェンにより形成され、その上に、蛍光体層３が形成されている。蛍光体層３は、グラフェンが分散され、導電性を備えている。電子放出源６と蛍光体３との間には、引き出し電極５が配置されている。

なお、本実施形態においても、図１および図２の紫外線発光ランプのように、蛍光体層４の電子放出源６側の面に、導電膜４を備える構成にすることも可能である。また、備えた導電膜４を加速電極として使用（兼用）してもよい。その場合、図６の蛍光体層３と平板８１との間の加速電極２は、省略することができる。

他の構成および作用は、第３の実施形態と同様であるので、説明を省略する。

上述してきたように、本発明では、導電膜４および／または加速電極２として、紫外線透過率の高いグラフェン膜を用いることにより、簡単な構成でありながら紫外線発光効率が高いランプを提供できる。

なお、外線発光ランプの用途としては、殺菌用ランプ、紫外線硬化樹脂用の紫外線照射ランプ、ならびに、光触媒励起用のランプ等がある。

１…基板、２…加速電極、３…蛍光体層、４…導電膜、５…引き出し電極、６…電子放出源、７…ステムピン、８…容器

Claims (14)

1. 少なくとも一部が紫外線を透過する容器と、前記容器内に配置された、電子放出源と、前記電子放出源の電子線で励起されて紫外線を発する蛍光体層と、前記蛍光体層の前記電子放出源側の面に配置された導電膜と、加速電極とを有し、
   前記導電膜は、グラフェンで構成されていることを特徴とする紫外線発光ランプ。
2. 少なくとも一部が紫外線を透過する容器と、前記容器内に配置された、電子放出源と、電子線で励起されて紫外線を発する蛍光体層と、加速電極とを有し、
   前記蛍光体層にはグラフェンが分散され、膜面方向に導電性を有することを特徴とする紫外線発光ランプ。
3. 請求項１または２に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記加速電極は、前記蛍光体層の、前記電子放出源側の面とは逆側の面に配置されていることを特徴とする紫外線発光ランプ。
4. 請求項３に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記加速電極は、グラフェンで構成されていることを特徴とする紫外線発光ランプ。
5. 請求項４に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記加速電極および前記蛍光体層は、紫外線を透過する基板上に積層されていることを特徴とする紫外線発光ランプ。
6. 請求項１または２に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記加速電極は、金属基板であり、前記蛍光体層は、前記金属基板上に積層されていることを特徴とする紫外線発光ランプ。
7. 請求項１に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記加速電極および前記蛍光体層は、前記容器の内壁に、この順に積層されていることを特徴とする紫外線発光ランプ。
8. 請求項７に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記容器は円筒状の管であり、前記電子放出源は、前記円筒状の管の中心に配置されていることを特徴とする紫外線発光ランプ。
9. 請求項７に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記容器は、２枚の平板をスペーサを挟んで対向配置した構造であることを特徴とする紫外線発光ランプ。
10. 請求項１または２に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記電子放出源と前記蛍光体層は、間隔をあけて対向配置され、前記電子放出源と前記蛍光体層との間には、引き出し電極が配置されていることを特徴とする紫外線発光ランプ。
11. 請求項１に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記導電膜は、厚さ方向に、グラフェンの六角形格子構造が２層以上積層されていることを特徴とする紫外線発光ランプ。
12. 請求項１に記載の紫外線発光ランプにおいて、前記導電膜は、前記加速電極を兼用していることを特徴とする紫外線発光ランプ。
13. 請求項１に記載の紫外線発光ランプの製造方法であって、前記導電膜を形成する工程は、酸化グラフェンを塗布し、還元することによりグラフェンの層を形成する工程であることを特徴とする紫外線発光ランプの製造方法。
14. 請求項２に記載の紫外線発光ランプの製造方法であって、前記蛍光体を形成する工程は、蛍光体とグラフェンを分散した溶液を塗布し、加熱する工程であることを特徴とする紫外線発光ランプの製造方法。

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