JP4347252B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子放出源から電界放出された電子によって蛍光体を励起発光させる発光装置に関する。

近年、白熱電球や蛍光灯といった従来の発光装置に対し、真空中で電子放出源から電界放出させた電子を高速で蛍光体に衝突させることにより、蛍光体を励起発光させる冷陰極電界放出型の発光装置が開発されている。この種の発光装置は、カソード電極に対して正の電位を与えたグリッド電極によって電子を引き出し、更に正の高電圧を与えた蛍光板電極に電子を衝突させて蛍光発光させるものであり、電界放出型照明ランプ（Field Emission Lamp:FEL）や電界放出型表示装置（Field Emission Display:FED）としての用途が見込まれている。

例えば、特許文献１には、ＦＥＬに関連する技術として、カソード電極表面と略平行な略平板に孔を設け、この孔端をカソード電極側に突き出した構造のグリッド電極とする技術が開示されている。特許文献１の技術によれば、略平板領域における電界よりも孔端における電界を高くすることができ、カソード電極からグリッド電極に飛び込む無効電子を抑制することができる。

また、特許文献２には、同様にＦＥＬに関連して、部分的に開口を備えた半円筒状のグリッド電極が直方体形状カソード電極に対して間隙を持って囲む技術が開示されている。特許文献２の技術では、電子が蛍光板電極に突入したことによって叩き出された正イオンがカソード電極に突入することを抑制し、放電破壊を防止することができる。

ところで、一般的な方法で成膜された冷陰極の電子放出源は、成膜された部分ごとに一定の電界放出特性を有しておらず、この電界放出特性のバラツキに起因して、蛍光体の発光輝度にムラが発生するという問題がある。この発光ムラについて、図３に示す典型的なＦＥＬのカソード極の構造を例に取って説明する。

図３の例では、ガラス基材１００上に形成したカソード電極１０１にカーボンナノチューブ等のエミッタ材料を成膜し、冷陰極の電子放出源１０２を形成している。また、カソード電極１０１には、所定の距離をもってグリッド電極１０３が対向配置されている。カソード電極１０１とグリッド電極１０３との距離Ａ’を、例えば１００μｍとし、電子放出源１０２からある一定の電子（例えば、１００μＡ／ｃｍ²の電流密度）が放出されるための電界強度が１Ｖ／μｍとすると、カソード電極１０１を０Ｖに接地し、グリッド電極１０３に直流１００Ｖを印加すれば、１００μＡ／ｃｍ²の電子が、グリッド電極１０３、及びカソード電極１０１に対向配置された蛍光板電極１０４（図３中においては、上方から見た平面で示す）に向かって放出される。

従って、蛍光板電極に、例えば５ｋＶの直流電圧を印加すれば、５ｅｋＶで加速された電子が蛍光板電極１０４の蛍光体に衝突して蛍光体が発光するが、このとき、図３に示すように、電子放出源１０２のＡＡ部の電界放出特性が０．８Ｖ／μｍでＢＢ部の電界放出特性が１．２Ｖ／μｍであったとすれば、蛍光板上方から見たときの発光は、ＡＡ部が非常に明るく、またＢＢ部は暗くなる。このため、結果として発光ムラが発生することになる。

このような電子放出源の電界放出特性のバラツキに起因する発光ムラに対処する技術は、特許文献３に開示されている。特許文献３の技術は、ＦＥＤに関する技術であり、陰極基板にカーボンナノチューブ製の平面状の冷陰極を形成し、透明な陽極基板に、ストライプ状の透明な陽極ストリップと、これに交差するストライプ状の選択グリッドストリップと、格子状の電子引き出しグリッドとを形成している。

特許文献３の技術によれば、冷陰極から放出された電子は、冷陰極と電子引き出しグリッドとの間の電子滞留領域に滞留して電子雲を形成する。そして、何れかの選択グリッドストリップと何れかの陽極ストリップとに電圧が印加されると、電子雲からの電子流が電子引き出しグリッドの開口と選択グリッドストリップの開口とを通過して陽極ストリップ上の蛍光体に衝突する。これにより、冷陰極電界放出に起因する電子の偏在を平均化し、蛍光体の発光ムラをなくすことができる。
特開２００４−２０７０６６号公報 特開２００４−２２０８９６号公報 特開２００４−３３５３８５号公報

しかしながら、特許文献３に開示されている技術は、陽極（蛍光体電極）をマトリクス状に区分する等して画素毎に蛍光体を発光させる表示装置を前提としている。このため、表示装置よりも遥かに高い輝度が要求され、平面状の蛍光体電極全面を発光させる照明用としての用途を考慮したとき、特許文献３の技術を適用することは困難であるばかりでなく、構造が複雑となってコスト上昇を招いてしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、複雑な構造を要することなく、電子放出源の電界放出特性のバラツキに起因する発光ムラを低減することのできる発光装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による発光装置は、少なくとも、電子放出源を有するカソード電極と蛍光体を有する蛍光板電極とが真空中で対向配置された発光装置において、上記カソード電極に電圧を印加した状態で、上記カソード電極側のインピーダンスを、上記電子放出源における電界放出の電流密度が第１の設定値以上となる低インピーダンス状態から第２の設定値以下となる高インピーダンス状態に周期的に変換するインピーダンス変換手段を備えたことを特徴とする。

第１の設定値は、蛍光体での発光が飽和状態に達する電流密度とすることが望ましく、第２の設定値は、カソード電流が略零になる電流密度とすることが望ましい。

インピーダンス変換手段は、パルス信号によって駆動されるスイッチング素子を用いて構成し、このスイッチング素子によりカソード電極側の抵抗値を切換えて低インピーダンス状態から高インピーダンス状態に変換することができる。

カソード電極側のインピーダンスは、６０Ｈｚ以上の繰返し周期で低インピーダンス状態にすることが望ましく、また、カソード電極側を低インピーダンス状態にする周期は、低インピーダンス状態にする期間の少なくとも１０倍以上とすることが望ましい。

本発明による発光装置は、複雑な構造を要することなく、電子放出源の電界放出特性のバラツキに起因する発光ムラを低減することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１及び図２は本発明の実施の一形態に係り、図１は発光装置の基本構成図、図２はカソードインピーダンス変換回路の構成図である。

図１に示すように、本実施の形態における発光装置１は、例えば平面状の電界放出型照明ランプとして用いられる発光装置であり、所定間隔で対向配置されたガラス基材２，３の内部を真空状態に維持し、この真空状態下で、カソード電極５、グリッド電極１０、蛍光板電極１５を順に配置した基本構成を有している。尚、図１においては、カソード電極５とグリッド電極１０と蛍光板電極１５との３極構造を例示しているが、グリッド電極１０を用いない２極構造であっても良い。

カソード電極５は、ベースとなるガラス基材２上に形成された導電材からなり、例えば、アルミニウムやニッケル等の金属を蒸着やスパッタ法等によって堆積したり、銀ペースト材を塗布して乾燥・焼成する等して形成される。このカソード電極５の表面には、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、スピント型マイクロコーン、金属酸化物ウィスカー等のエミッタ材料が膜状に塗布されて電子放出源６が形成されている。

グリッド電極１０は、カソード電極５に対向して配置され、カソード電極５との電位差（ゲート電圧）に応じて電子放出源６に電界を印加し、電子を放出させる。このグリッド電極１０には、電子放出源６から放出された電子を通過させる微細な開口が多数形成されており、ステンレス材、ニッケル材、アンバー材等の導電性の薄板に、エッチング或はパンチング法等を用いて円形や矩形等の多数の開口が形成される。

蛍光板電極１５は、投光面となるガラス基材３の裏面側に配置された透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）からなり、グリッド電極１０（カソード電極５）に対向する面に、電子放出源６から放出された電子によって励起発光される蛍光体１６が塗布されている。蛍光体１６は、例えば、酸化亜鉛系等の材料を用い、インクジェット法、フォトグラフィ法、沈殿法、電着法等によって蛍光板電極１５上に成膜される。

以上の発光装置１においては、ガラス基材２上のカソード電極５及び電子放出源６からなるカソード極７に対して、ガラス基材３上の蛍光板電極１５及び蛍光体１６からなるアノード極１７を所定の正の高電位に維持し、グリッド電極１０からカソード極７へ所定のゲート電圧を印加して電子放出源６から真空中に電子を電界放出させる。この電界放出された電子はアノード極１７に向って加速され、グリッド電極１０の開口部を通過した電子が蛍光体１６に衝突して光を放つ。

この場合、電子放出源６の電界放出特性は必ずしも一定ではないことから、通常のゲート電圧で発生する電界強度では、電子放出源６の領域によって電子放出の電流密度が異なり、蛍光体１６全体として見ると発光輝度のムラが生じることがある。従って、本発光装置１には、一定のゲート電圧下で、カソード極７側のインピーダンスを電子放出源６における電界放出の電流密度が第１の設定値以上となる低インピーダンス状態に変換する後述のインピーダンス変換手段が備えられ、カソードインピーダンスを低インピーダンス状態とすることで実質的にカソード極７に印加される電圧を通常の電圧よりも大幅に高くし、蛍光体１６全体を高輝度で発光させる電流密度となるような電界強度をカソード極７全体に与える。

すなわち、一般に、電界放出の電流密度は、印加する電界強度が比較的小さい場合には、電界強度の増加に応じて電流密度も緩やかに増加するが、或る電界強度を越えると、電流密度が急激に増加する。一方、蛍光体は、電流密度の増加に応じて発光輝度が高くなるが、所定の電流密度以上では発光が飽和状態となり、それ以上電流密度を増加させても、発光輝度は高くならない。従って、カソード極７に与える電界強度を通常よりも大幅に大きくして蛍光体１６を飽和状態或は飽和状態に近い高輝度で発光させることにより、電子放出源６の電界放出特性のバラツキによる領域毎の発光輝度の差を小さくすることができ、発光ムラを低減することができる。

本実施の形態においては、蛍光体１６での発光が飽和状態に達する電流密度を第１の設定値として、電子放出源６における電界放出の電流密度が第１の設定値（蛍光体１６での発光が飽和状態に達する電流密度）以上となる電界強度をカソード極７に与える。例えば、グリッド電極１０とカソード電極１５との距離Ａを１００μｍとして、カソード極７において、１００μＡ／ｃｍ²の電子放出を得るために必要な電界強度がＡＡ部で０．８Ｖ／μｍ、ＢＢ部で１．２Ｖ／μｍである場合、カソードインピーダンスを低インピーダンスとすることにより、カソード極７全体に２Ｖ／μｍの電界を印加し、蛍光体１６全体を飽和状態で高輝度発光させる。

蛍光体１６を高輝度発光させる電界強度は、蛍光体１６の焼損や無駄な電力消費を防止するため短時間だけ発生させ、この高輝度発光の期間以外は、電子放出源６における電界放出の電流密度が第２の設定値以下となる高インピーダンス状態とし、短時間の高輝度発光を周期的に繰返すことにより、人間の視覚の残像現象を利用した連続発光として認識させる。高インピーダンス状態の期間は、高輝度発光に対する休止期間であり、本実施の形態においては、第２の設定値をカソード電流が略零になる電流密度として、カソード電流を殆ど流さない休止期間として設ける。

カソードインピーダンスを変換するインピーダンス変換手段としての機能は、具体的には、図２に示すカソードインピーダンス変換回路２０によって実現され、このカソードインピーダンス変換回路２０でカソード極７のインピーダンスを瞬間的に小さくする。カソードインピーダンス変換回路２０は、図示しないパルス発生源からのパルス信号によって駆動されるスイッチング素子としてトランジスタＴＲ１，ＴＲ２を用いて構成され、これらのトランジスタＴＲ１，ＴＲ２でカソード極７に接続された直列抵抗Ｒ１，Ｒ２を切換えることにより、カソードインピーダンスを低インピーダンス状態から高インピーダンス状態に周期的に変換する。

パルス発生源からのパルス信号は、ＯＦＦ（ローレベル）期間がＴ２で、ＯＮ（ハイレベル），ＯＦＦ（ローレベル）の周期がＴ１の信号であり、１段目のトランジスタＴＲ１のベースにバイアス抵抗ＲＢを介して入力される。１段目のトランジスタＴＲ１は、エミッタが接地され、コレクタがコレクタ抵抗ＲＣを介して電源Ｖｃｃに接続されると共に、２段目のトランジスタＴＲ２のベースに接続されている。２段目のトランジスタＴＲ２は、同様にエミッタが接地され、コレクタがカソード極７に直列接続される抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との中間に接続されている。カソード極７は抵抗Ｒ１から抵抗Ｒ２を経て接地されている。

一方の抵抗Ｒ１は、低インピーダンス用の抵抗であり、蛍光体１６の飽和状態での発光を可能とする電流密度を発生させる電圧をカソード極７に印加するため、例えば数十ｋΩ程度の抵抗値に設定されている。他方の抵抗Ｒ２は、高インピーダンス用の抵抗であり、カソード電流を略零とするため、例えば数ＭΩ程度の抵抗値に設定されている。

従って、１段目のトランジスタＴＲ１がＯＦＦのとき、２段目のトランジスタＴＲ２がＯＮとなり、抵抗Ｒ２が短絡されてカソードインピーダンスが抵抗Ｒ１による低インピーダンス状態となる。一方、１段目のトランジスタＴＲ１がＯＮされたとき、２段目のトランジスタＴＲ２がＯＦＦされ、カソードインピーダンスが抵抗Ｒ１，Ｒ２の合成抵抗による高インピーダンス状態となる。

前述したように、カソードインピーダンスを低インピーダンス状態として、蛍光体１６が飽和状態に達した電流を流し続けると、蛍光体１６の焼損や電力の無駄な消費につながる。従って、カソードインピーダンスが低インピーダンス状態となるトランジスタＴＲ１のＯＦＦ期間（Ｔ２）に対し、カソードインピーダンスが高インピーダンス状態となるトランジスタＴＲ１のＯＮ期間（Ｔ１−Ｔ２）を、カソード電流を殆ど流さない十分な休止期間として設ける。この十分な休止期間を確保するためには、例えば、繰返し周期Ｔ１を、蛍光体１６を飽和状態で発光させるＴ２期間の少なくとも１０倍以上とすることが望ましい。

当然ながら、カソードインピーダンスが高い状態では、蛍光体１６のＡＡ部に対向する位置では若干発光してもＢＢ部に対向する位置は殆ど発光しなくなり、発光輝度のムラが発生するが、人間の視覚にはトランジスタＴＲ１のＯＦＦ期間（Ｔ２）における高輝度発光が残像として残り、周期Ｔ１の周波数が略６０Ｈｚ以上であれば、連続発光として認識される。

例えば、トランジスタＴＲ１のベースに印加するパルス信号を、周期Ｔ１＝１０ｍｓ（周波数１００Ｈｚ）、ＯＦＦ期間Ｔ２＝１ｍｓの信号として、カソードインピーダンスが抵抗Ｒ１による低インピーダンス状態のとき、ＡＡ部から３００μＡ／ｃｍ²の電子放出が得られ、また、ＢＢ部から２００μＡ／ｃｍ²の電子放出が得られものとし、更に、蛍光板電極１５での蛍光体１６の発光が２００μＡ／ｃｍ²の電流密度で飽和状態に達するものとすると、トランジスタＴＲ１のＯＦＦ期間１ｍｓでＡＡ部もＢＢ部もほぼ同じ発光輝度が得られ、トランジスタＴＲ１のＯＮ期間９ｍｓでの残像により、連続した輝度ムラのない均一な発光として認識される。

尚、グリッド電極１０に印加するゲート電圧が数百Ｖ以下の場合には、抵抗Ｒ２は無限大(即ち抵抗Ｒ２を使用しない状態)であっても良い。但し、ゲート電圧が５００Ｖ或は１ｋＶ以上の高圧を必要とする場合には、トランジスタＴＲ１のＯＮ期間にゲート電圧と同じ高電圧がトランジスタＴＲ２のコレクタに印加されることになり、高耐圧トランジスタを必要とするか、或は既存のトランジスタでは設計できなくなるので、抵抗Ｒ２を使用してトランジスタＴＲ２のコレクタに印加される電圧を下げることが好ましい。

実際の装置設計では、目的とする発光輝度と発光の均一性を得るように、蛍光板電極１５に塗布する蛍光体１６の種類や厚み、蛍光板電極１５及びグリッド電極１０に印加する電圧、抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２の駆動周期Ｔ１、トランジスタＴＲ１のＯＦＦ期間（トランジスタＴＲ２のＯＮ期間）Ｔ２の時間等を最適に調節する。

また、本発明の発光方式では、トランジスタＴＲ１，ＴＲ２の駆動周波数を、例えば６０Ｈｚから２００Ｈｚ程度に可変することにより、発光輝度を自由に調節することができる。更に、カソード極に流れる平均電流または実効電流を検出し、常時一定のカソード電流が流れ続けるように、駆動周期を自動調節すれば、カソードの経年的な変化に伴う発光輝度の低下を自動的に補正することも可能である。

発光装置の基本構成図、 カソードインピーダンス変換回路の構成図 従来の発光装置における発光ムラを示す説明図

符号の説明

１ 発光装置
５ カソード電極
６ 電子放出源
１０ グリッド電極
１５ 蛍光板電極
１６ 蛍光体
２０ カソードインピーダンス変換回路（インピーダンス変換手段）
ＴＲ１，ＴＲ２ トランジスタ（スイッチング素子）

Claims (6)

1. 少なくとも、電子放出源を有するカソード電極と蛍光体を有する蛍光板電極とが真空中で対向配置された発光装置において、
   上記カソード電極に電圧を印加した状態で、上記カソード電極側のインピーダンスを、上記電子放出源における電界放出の電流密度が第１の設定値以上となる低インピーダンス状態から第２の設定値以下となる高インピーダンス状態に周期的に変換するインピーダンス変換手段を備えたことを特徴とする発光装置。
2. 上記第１の設定値を、上記蛍光体での発光が飽和状態に達する電流密度とすることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 上記第２の設定値を、カソード電流が略零になる電流密度とすることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
4. 上記インピーダンス変換手段を、パルス信号によって駆動されるスイッチング素子を用いて構成し、
   上記スイッチング素子により上記カソード電極側の抵抗値を切換えて低インピーダンス状態から高インピーダンス状態に変換することを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の発光装置。
5. 上記カソード電極側のインピーダンスを、６０Ｈｚ以上の繰返し周期で低インピーダンス状態にすることを特徴とする請求項１〜４の何れか一に記載の発光装置。
6. 上記カソード電極側を低インピーダンス状態にする周期を、上記カソード電極側を低インピーダンス状態にする期間の少なくとも１０倍以上とすることを特徴とする請求項１〜５の何れか一に記載の発光装置。

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