JP3833489B2

JP3833489B2 - 冷陰極放電装置

Info

Publication number: JP3833489B2
Application number: JP2001097416A
Authority: JP
Inventors: 忠司酒井; 富男小野; 尚志佐久間; 暁美張
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2021-03-29
Also published as: US20020140352A1; KR20020077171A; JP2002298777A; US20040178712A1; US6781294B2; US6952075B2; KR100466560B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷陰極放電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷陰極放電灯に代表される冷陰極放電装置は、加熱用フィラメントがなく簡単な構造であり、小型化しやすくかつ低温で用いることができるため、比較的寿命が長いことから、各種照明用や近年液晶装置のバックライトなどとして幅広く用いられている。
【０００３】
一方で、冷陰極放電灯は内封する放電ガスのイオン衝撃による冷陰極からの２次電子放出を用いて放電を持続するために、通常は陰極部近傍に熱陰極型蛍光灯などの熱陰極に比べて非常に大きな電界をかけるバイアス電圧印加が必要である。このために、点灯時も大きな電圧が必要であり、これらによる電力の光への変換効率という点で熱陰極放電灯に比べて劣る。しかし、熱陰極型に比べて長寿命であるので、交換困難な用途に使う場合が多いことから、ランプ寿命のよりいっそうの向上が求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような冷陰極放電装置の発光効率、寿命という２つの課題を改善し、より高効率発光でかつ長寿命化を実現することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された冷陰極とを具備する冷陰極放電装置において、前記冷陰極は支持体と、この支持体に支持され電子を放出する電子放出体とを有し、前記電子放出体はダイヤモンドおよび導電性炭素の混在相から構成され、前記ダイヤモンドは粒状体でなり、前記電子放出体の前記支持体に固着された固着部から前記電子放出体の表面にかけて前記粒状体の界面に前記導電性炭素が形成され、前記粒状体内には導電性領域が分布されている冷陰極放電装置を得るものである。
【０００６】
さらに、この場合、前記電子放出体のダイヤモンド相はドナー性不純物を含有することが望ましい。
【０００９】
さらに前記放電用ガスはＸｅを含むことが望ましい。
【００１０】
本発明は、負あるいは、金属等の電極に比べて著しく小さい電子親和力を有するダイヤモンドと、ダイヤモンドと同じ炭素からなりかつｓｐ２結合を有するグラファイトあるいは非晶質炭素の粒界層を具備する炭素系材料を冷陰極用電極として用いることを骨子とする。また、望ましくはこのダイヤモンドを高品質化し、ドナー性不純物具体的にはリン、イオウ、窒素、アルカリ金属類を添加し、フェルミレベルを上げたダイヤモンドを用いる。さらに、望ましくは放電灯の内部ガスにダイヤモンドのバンドギャップ以上のエネルギーを有する励起発光波長を有するＸｅ等を加えることによって管内の励起発光からの直接励起によって電子放出を促進することを特徴とする。
【００１１】
本発明の冷陰極は、従来の冷陰極で用いられているＮｉ等の金属電極に代えて、ダイヤモンド相とグラファイトあるいは非晶質炭素層を有する炭素系電極を用いている。炭素は放電灯管の中に水銀とともに封入されて、水銀の高効率励起を助ける役割を果たしているＡｒのイオン衝撃によるスパッタリングを比較した場合に、ほとんどの元素中でもっともスパッタされにくい元素のひとつである。一方、冷陰極放電灯の寿命を最終的に決めているのは、スパッタリングによる電極の損耗であり、このような現象に対して、炭素系材料はきわめて有効である。
【００１２】
しかしながら、グラファイト系材料は２次電子放出が極めて小さい。熱陰極放電灯と違い、冷陰極放電灯では、電子は管内のＡｒ等のイオン衝撃による２次電子放出（γ作用）が電子放出のメカニズムであることから、耐スパッタ性は優れていても、実際には冷陰極電極材料として適用することは困難であった。
【００１３】
本発明では、ダイヤモンドとグラファイト系を組み合わせることによって、２次電子放出効率と耐スパッタ性を両立し、結果として高効率で長寿命の冷陰極放電灯を実現することを可能にする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下、図面に従って説明する。
【００１５】
図１および図２は本発明の第1実施形態の冷陰極放電灯およびその冷陰極を示しており、透明なガラス製の細長い外囲器１０の両端はステム１１、１２で形成され、リード線1３、1４が封着されている。リード線の外囲器内に突出する部分はＮｉなどの金属でてきた陰極支持体1５、1６となっており、この支持体に電子放出体１７、1８が固着されて陰極支持体とともに冷陰極１９、２０を構成している。外囲器内壁に螢光体膜２１が塗布され、さらに外囲器内部にＡｒ、ＨｇおよびＸｅの放電用のガスが低圧封入されている。
【００１６】
外囲器から外部に露出したリード線部分1３a、1４aは例えば交流電源２２に接続される電極端子であり、電圧が印加されると外囲器管内は放電を開始し、一方の電極例えば１７が冷陰極として電子を放出するときは、他方の電極例えば１８が陽極として動作する。
【００１７】
冷陰極１９を構成する電子放出体１７（１８）は、グラファイト相とダイヤモンド相のダイヤモンド・グラファイト混在相であり、図２に示すように支持体１５（１６）に塗布、焼結されて固着される。
【００１８】
この製造方法は粒径５０ｎｍから５０μｍのダイヤモンド粒をグラファイト系バインダーを用いて固め、熱処理して作製するもので、低価格で電極を作製することができる。
【００１９】
図３は上記により得られる冷陰極の一部縦断面を模式的に拡大しており、高品質ダイヤモンド相２３とグラファイト相２４が共存している。
【００２０】
図５にγ作用による２次電子放出の一般的な機構の概念図を示す。同図にあるように、通常、電子放出体１７からの電子ｅの放出は、Ａｒ＋イオンが電界で加速されて衝突することによって生じる。この際に、電子を電極から飛び出させる効率はほぼ仕事関数から推定することができる。一方、ダイヤモンドは負の電子親和力（ＮＥＡ）あるいはきわめて低い電子親和力を有しており、図６に示すエネルギーバンド図のコンダクションバンドＥｃから見た場合には、真空中のＥｖａｃに対してほとんど放出障壁がない。このため、同じ炭素系でありながら、ダイヤモンドを用いることによって高い２次電子放出効率を得ることができる。
【００２１】
さらに、高品質ダイヤモンドでは、図６および図７に示すように、光ｈνによる直接バンド間遷移を生じさせることでキャリヤを励起させ電子ｅを放出させることができる。本発明では、これを利用して、通常用いられるＡｒや水銀に加えてＸｅを加えることによって、ダイヤモンドの直接励起波長より高エネルギーの深紫外発光を管内に生じさせ、これをもって陰極のダイヤモンド相を光励起し、キャリヤの生成を促進させることができる。励起光波長２００ｎｍ以下が望ましい。水銀Ｈｇ蒸気の主要発光スペクトルは２５１ｎｍであるためにダイヤモンドの直接励起にあまり寄与しないが、Ｘｅガスは２００ｎｍ以下に主要発光スペクトルを有するので、ダイヤモンド相を効率よく励起することができる。
【００２２】
図８および図９は本発明の第２実施形態を示すものである。なお図１の符号の部分と同一符号の部分は同様部分を示す。透明な石英またはガラスでできた放電灯用の管状外囲器１０の両端はリード線1３、1４が気密に貫通するステム１１、１２で封着されている。リード線の外囲器内に突出する部分はＮｉなどの金属でてきた陰極支持体基板３０、３1が接続されている。この支持体３０、３１面に層状電子放出体３２、３３が形成されて冷陰極３４、３５を構成している。外囲器内壁に螢光体膜２１が塗布され、さらに外囲器内部にＡｒ、ＨｇおよびＸｅの放電用のガスが低圧封入されている。
【００２３】
電子放出体３２（３３）はダイヤモンド系層で支持体基板３０（３１）上に形成される。この構造により電極体積を低減するとともに、作製方法を簡単化することができる。
【００２４】
本実施形態の場合、ＣＶＤにより冷陰極材料であるダイヤモンド系層を電子放出体３２として基板３０上に成膜形成する。この電子放出体は基板上に多結晶ダイヤモンド膜として成膜し、ダイヤモンド相２３の結晶粒界に導電性である非晶質炭素またはグラファイト粒相２４がマトリックス状に存在する混在相となる。非晶質炭素またはグラファイト粒が混在する程度はＣＶＤによる膜の製造条件を適宜調節すればよい。
【００２５】
基板材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｏなどの金属材料の他、低抵抗Ｓｉや、ＳｉＣ、ＧａＮなどの半導体基板、さらにはセラミック基板上に上記した金属薄膜を形成したものなどを用いることができる。金属薄膜には上記に加えて、Ｐｔ、Ｉｒなどの貴金属を選ぶこともできる。
【００２６】
このようにして準備された導電性を付与された表面を有する基板３０上にＣＶＤ法によってダイヤモンド系材料を成膜する。この場合に、ホットフィラメントＣＶＤや、マイクロ波プラズマＣＶＤ、直流プラズマＣＶＤなど、知られている各種のＣＶＤ装置を用いることができる。ガス原料としては、炭素源として、メタン、アセトン、各種アルコールやＣＯ、ＣＯ２などを用い、雰囲気ガスとして水素を用いるほか、適宜酸素などを用いることが出来る。また、リンや硫黄などの元素をドーピングすることによって、電子キャリヤの生成を促したり、ボロンなどをドーピングすることによって、低抵抗化を計ってもよい。
【００２７】
これらの中で標準的な条件を挙げれば、マイクロ波プラズマＣＶＤで、メタンガスと水素ガスを用い、メタン／水素ガス流量比を５％、圧力を１００Ｔｏｒｒ、基板温度７８０℃で、基板に負のバイアス電圧を印加しながら成膜を行う。膜厚は、成膜条件や時間を変えることによって、任意に調整することができるが、０．０５ｍｍ〜１ｍｍ程度の範囲が適当である。
【００２８】
ＣＶＤにより作製された電子放出体の微細構造は、一例として表面をＡＦＭで拡大観察した図４に示すように、ダイヤモンド結晶粒子２３と当該結晶粒子間に導電性のsp2結合を有するグラファイト成分２４が混在してなる複合構造を有している。ここでグラファイト成分というのは、結晶性のものだけでなく、広くsp2結合を有し、導電性を示す非ダイヤモンド結晶成分をいう。さらに、ダイヤモンド結晶粒子内にも微細な導電性領域２５を分布させている。これは、例えば、ＣＶＤ時のメタン濃度を高したり、成長時にバイアス電圧を印加して核成長を促進する等の手段によって実現することができる。
【００２９】
このようにダイヤモンド結晶領域２３とグラファイトあるいは導電性領域２４、２５が近接して分布しており、全体としてチャージアップしにくく、且つ電子放出しやすい特性を保持している。
【００３０】
以上のようにして得た成膜基板を外囲器管内に納めるのに適した寸法に切断し、リード端子にカシメ・ロウ付け・合金接合・ネジ止めなど周知の方法で固定して電極とする。
【００３１】
図１０は本発明の第３実施形態を示すものである。ダイヤモンド相と導電性の非晶質炭素相の混在相である電子放出体４０は低抵抗化されており、自己保持可能な機械的強度をもつので、図示のように、冷陰極の大部分を電子放出体４０で形成し、放出体の一部を支持体４１で支持することにより冷陰極とすることができる。したがって小型化された放電灯の小電極に用いても電極の損耗に耐え、灯の長寿命化に有利である。
【００３２】
以上実施の形態で説明したように、本発明によれば、まず、冷陰極放電灯の課題であった発光効率の向上を図ることができる。なぜならば、ダイヤモンドは、前述のようにそのバンド構造から高い２次電子放出効率を有する。特に、イオン衝撃によるγ作用によるだけでなく、高品質半導体ダイヤモンドに特有の深紫外線による電子とホールの直接励起を当該バンドギャップ以上の高エネルギー励起波長を有するガス種を混合封入することによって促し、放出の高効率化を図ることができる。
【００３３】
また、ダイヤモンドだけでは、高抵抗であるため、たとえ表面近傍での電子放出のための電界は小さくてすんでも、内部に大きな電位が生じてしまい、あるいは絶縁性の高さによって、全体がチャージアップして陰極としての電位がかからなくなってしまうなどの問題が生じるが、これを同じ炭素である導電性のグラファイト系マトリックスで補い、低抵抗で帯電しない電極を実現している。また導電性炭素中に金属粒を混入させることもでき、さらに金属粒で代替することもできる。
【００３４】
さらに、電極材料として、炭素系は、前述のように耐スパッタ性が高く、長寿命化を実現できる。これは、単にスパッタされにくいだけでなく、スパッタされたものも水銀とアマルガムを作ることがないことから、積極的な水銀の消耗を起こさないという特徴がある。加えて、炭素系は、地球環境にやさしく、使用後はそのまま焼却してしまうことができるという利点をもつ。
【００３５】
さらに本発明の冷陰極はプラズマディスプレイ（ＰＤＰ）などのガス放電を利用し冷陰極をもつディスプレイに適用できることは言うまでもない。冷陰極は第２実施形態の構造、製法を用いて平板基板上に多画素に対して共通の電子放出体を形成すればよい。この場合、放電ガスにＸｅなどの光波長２００ｎｍ以下に主要発光スペクトルをもつガスを含めることにより、２次電子放出の良好な陰極として作用する。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によって、従来の冷陰極放電灯などの放電装置に比べて高効率、長寿命かつ環境にやさしい放電装置例えば放電灯を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の断面図。
【図２】第１実施形態の要部拡大図。
【図３】本発明に係る冷陰極の一部を模式的に拡大して説明する断面図。
【図４】本発明に係る冷陰極の表面をＡＦＭで観察した平面図。
【図５】 γ作用による２次電子放出を説明する概略図。
【図６】電子放出のエネルギーバンドモデル図。
【図７】光作用による２次電子放出を説明する概略図。
【図８】第２実施形態の断面図。
【図９】第２実施形態の要部拡大図。
【図１０】第３実施形態の要部拡大図。
【符号の説明】
１０：外囲器
１２、１３：リード線
１５、１６：陰極支持体
１７、１８：電子放出体
１９、２０：冷陰極
２３：ダイヤモンド相
２４：グラファイト相

Claims

放電用ガスが封入された外囲器と、この外囲器内に配置された冷陰極とを具備する冷陰極放電装置において、前記冷陰極は支持体とこの支持体に支持され電子を放出する電子放出体とを有し、前記電子放出体はダイヤモンドおよび導電性炭素の混在相から構成され、前記ダイヤモンドは粒状体でなり、前記電子放出体の前記支持体に固着された固着部から前記電子放出体の表面にかけて前記粒状体の界面に前記導電性炭素が形成され、前記粒状体内には導電性領域が分布されていることを特徴とする冷陰極放電装置。
前記放電用ガスは２００ｎｍ以下の主要発光ピークを有する元素を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷陰極放電装置。
前記放電用ガスはＸｅを含むことを特徴とする請求項２に記載の冷陰極放電装置。