JP4575349B2 - 電界放出陰極及び該陰極を用いる電界放出照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置に関するものであり、特に電界放出陰極及び該陰極を用いる電界放出照明装置に関するものである。

照明は、人々の日常生活と密接に関連する。一般的に、採用される照明技術は、白熱灯、蛍光灯、ＬＥＤ照明などであって、その中でも比較的一般的な照明光源は蛍光灯管である。

蛍光灯は、放電ランプの一種であって、それはガラスチューブの中に放電し易いアルゴンガスと少量の水銀蒸気が入れてあり、前記ガラスチューブの内壁に蛍光物質が塗ってあり、ガラスチューブの両端にタングステン線で製造した２重螺旋又は３重螺旋のタングステンフィラメントが設けてあり、前記電極に電子を放出する物質が塗ってある。その発光原理は、電圧が印加されると、電流が前記電極を流れて、且つ電極が加熱されると、前記電極上の前記電子を放出する物質が熱電子を放出し、且つ放電し始め、放電によって生じた電子と前記ガラスチューブ内の水銀原子が衝突して紫外線を生じ、前記紫外線が蛍光物質を励起して可視光線を生じる。異なる蛍光物質によって、いろいろな色を出すことができる。

しかし、前記蛍光灯の照明技術は、人体に対して有害な水銀蒸気を採用するため、環境保護によくない。一方、蛍光灯が光を放出する過程では、電気的エネルギーから光エネルギーへの（電子と水銀蒸気との衝突により、紫外線を生じる）と光エネルギーから光エネルギーへの（紫外線は蛍光物質を励発して、可視光線を生じる）という二つのエネルギー変換過程を経るので、エネルギー変換率が比較的低い。

本発明の第一目的は、前記課題を解決し、環境保護に役立ち、且つエネルギー変換率が高い電界放出陰極を提供することである。

本発明の第二目的は、前記電界放出陰極を用いる電界放出照明装置を提供することである。

前記第一目的を達成するため、本発明に係る電界放出陰極は、複数のカーボンナノチューブを含む一本又は複数本のカーボンナノチューブ・ヤーンを備える。

前記第二目的を達成するため、本発明に係る電界放出照明装置は、前記電界放出陰極及び該電界放出陰極に対向する陽極を備える。

本発明の電界放出陰極は、カーボンナノチューブ・ヤーンの表面から複数本のカーボンナノチューブが伸びている。前記電界放出陰極を電界放出照明装置に応用する時、前記カーボンナノチューブ・ヤーンの表面のカーボンナノチューブの先端は、電界の作用によって放出した電子が陽極表面の蛍光層を衝突し、可視光線を生じ、照明効果に達する。前記エネルギー変換は、電気的エネルギーから光エネルギーへの変換のみを経るので、エネルギー変換率が高い。且つ、前記照明装置は、比較的低い真空度でも、比較的良い発光効果を有する。

また、本発明の電界放出照明装置は、人体に対して有害な物質を含まず、環境保護に役立つ。

以下、添付された図面を参照して、本発明の実施形態をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の電界放出照明装置の立体断面図である。

前記電界放出照明装置１は、ボディ１１０を有する発光管１１と、該発光管１１の中心軸に沿ってボディ１１０内に位置する陰極１３とを備える。

前記発光管１１の最外層は、透明のガラスチューブ１１１である。前記ガラスチューブ１１１の内側表面に設けられる陽極１１２は、一般的には透明導電材料であるＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ−ｔｉｎ−ｏｘｉｄｅ）から製造する。前記陽極１１２の外側表面には、蛍光層１１３が形成してある。前記ガラスチューブ１１１を貫通する陽極接線柱１２は、一端が前記陽極１１２に電気的に接続されており、ほかの一端が電源（図示せず）の正極に電気的に接続される。本実施形態の発光管１１の直径は、４３ミリメートル（ｍｍ）（相対的には、発光管１１の厚さは直径と比べて非常に薄いので、考慮に入れなくてもよい）であって、長さは８０ｍｍである。前記発光管１１の二つの開口端に、発光管１１のボディ１１０を密封する密封蓋１５をそれぞれ設ける。

勿論、前記発光管１１の寸法は、実際の需要によって変更することができ、本実施形態に限られない。又、前記発光管１１は、先ずガラスチューブ１１１の内側表面に蛍光層を一層塗ってから、蛍光層の外側表面に鏡面のようなアルミニウム層を鍍金し、前記陽極接線柱１２の一端が前記鏡面のようなアルミニウム層に電気的に接続されるように製造してもよい。勿論、前記発光管１１は、他の変形を有し、本実施形態に限られない。

同様に、前記発光管１１と密封蓋１５とは一体構造であってもよく、本実施形態に限れない。

前記陰極１３は、一つのカーボンナノチューブ・ヤーン１３１から形成する。前記陰極１３の両端には、発光管１１の密封蓋１５を貫通する陰極接線柱１４がそれぞれ存在する。該陰極接線柱１４の一端は、接合剤によって、前記カーボンナノチューブ・ヤーン１３１の末端に接続されており、他端は、電源の負極に接続される。カーボンナノチューブ・ヤーンが比較的に細く（幅は、たった２００マイクロメートル（μｍ）ほどである）、説明の利便性のために、本実施形態の陰極１３のカーボンナノチューブ・ヤーン１３１は、実際の比率によっては描かれていない。

他の実施形態においては、陰極１３の一端だけに電気を印加してもよいことは理解されたい。

前記カーボンナノチューブ・ヤーン１３１を製造する方法に関して、本実施形態は以下のような方法を提供する。

図２に示すように、カーボンナノチューブ・アレイ２０を製造した後、ニッパー（図示せず）で１束のカーボンナノチューブを挟み、１０^−３ニュートン（ｍＮ）の力で引き伸ばす。ファンデルワールス力の作用によって、隣接するカーボンナノチューブ束の首尾端が接続されており、引き伸ばす方向に沿って、幅が２００マイクロメートルのカーボンナノチューブ・ヤーン１３１が形成される。

カーボンナノチューブ・ヤーン１３１を引き伸ばすことができるカーボンナノチューブ・アレイ２０を獲得するため、以下の三つの条件を満たす事が好ましい。

（１）基板の表面が平滑であり；
（２）生長速度が速く；
（３）反応前躯体の分圧が低い。

多くの実験によって示されているように、触媒と反応炉との温度差が大きければ大きいほど、成長速度が速く、一般的に、少なくとも触媒と反応炉との温度差が５０℃以上になるように制御する。実験する時、触媒の温度は、エチンの流量によって制御することができる。反応前躯体の分圧は、導入されるエチンとアルゴンとの比率を変更することにより制御し、一般的に、反応前体の分圧は０．２を超えなく、好ましくは０．１を超えない。

カーボンナノチューブ・ヤーン１３１の幅は、引き伸ばし工具の先端の寸法によって制御し、先端の寸法が小さければ小さいほど、得られるカーボンナノチューブ・ヤーン１３１の幅が小さい。カーボンナノチューブ・ヤーン１３１の長さは、カーボンナノチューブ・アレイ２０の面積によって決め、一般的に、１平方センチメートル（ｃｍ^２）のカーボンナノチューブ・アレイから、長さが１０メートル（ｍ）であるカーボンナノチューブ・ヤーンを引き伸ばすことができる。カーボンナノチューブ・ヤーン１３１を引き伸ばす力の大きさは、カーボンナノチューブ・ヤーン１３１の幅によって決め、幅が大きければ大きいほど、必要な力は大きい。

理解できることは、カーボンナノチューブ・アレイを生長することに用いられるアルゴンガスは、他の不活性ガスを採用してもよい。触媒は、例えば、コバルト、ニッケルなどの不活性金属を採用してもよい。エチンは、例えば、メタン、エチレンなどの炭化水素で替えることができる。

図３は、上述の方法で形成されたカーボンナノチューブ・ヤーン１３１のＳＥＭ写真である。写真からわかるように、カーボンナノチューブ・ヤーン１３１の表面から複数のカーボンナノチューブ１３１０が伸びており、電界放出照明装置１の放出先端を形成している。ここで、前記カーボンナノチューブ１３１０の直径の範囲は０．４〜３０ナノメートル（ｎｍ）である。

本実施形態の電界放出照明装置１が作動する時、ボディ１１０内の気圧は１０^−４パスカル（Ｐa）のオーダーに設定しなければならない。陽極１１２と陰極１１３との間には、値が６０００ボルト（Ｖ）、周波数が１０００ヘルツ（Ｈｚ）、パルス幅が２ミリセカンド（ｍｓ）であるパルス電圧を印加する。前記電界放出照明装置１の照明原理は次の通りである。前記陰極１３のカーボンナノチューブ・ヤーン１３１の表面のカーボンナノチューブ１３１０が電界により放出した電子は、蛍光層１１３と衝突して可視光線を生じ、該可視光線は、前記陽極１１２とガラスチューブ１１１とを透過してから外界に達し、従って照明効果を奏する。

本発明の電界放出照明装置１の陰極１３は、以下のような変形を有する。、例えば、一緒に巻き付けた複数本のカーボンナノチューブ・ヤーン１３１を電界放出陰極３３として使用し（図４を参照）、或いは一本のカーボンナノチューブ・ヤーン１３１を金属棒１３２の表面に巻き付けた構成を電界放出陰極５３として使用し（図５を参照）、或いは一緒に巻き付けた複数本のカーボンナノチューブ・ヤーン１３１を金属棒１３２の表面に巻き付けた構成を電界放出陰極７３として使用し（図６を参照）、或いは複数本のカーボンナノチューブ・ヤーン１３１を金属棒１３２の表面に粘着させた構成を電界放出陰極９３として使用する（図７を参照）などである。前記金属棒の材料は、導電性が優れた材料であって、一般的には銅である。注意しなければならないのは、カーボンナノチューブ・ヤーン１３１を金属棒１３２の表面に巻き付けて或いは粘着させて、電界放出陰極を形成する時、前記カーボンナノチューブ・ヤーン１３１の分布密度は、電界放出条件に一致するように確保しなければならない。

図８は、本実施形態の電界放出照明装置１実物の発光効果の写真であって、該写真から、前記照明装置が蛍光灯に近いとても良い照明効果を持つことが分かる。

本発明の電界放出照明装置の形状は、一般的に陽極の形状によって決め、それは多角柱或いは球形などの他の形であってもよく、本実施形態の円柱形の構造に限られないことは理解されたい。

従来の技術に比べて、本実施形態の電界放出照明装置１は、電界放出の発光原理を採用し、発光過程において、電気的エネルギーから光エネルギーへの（電子が直接に蛍光灯１１３に衝突することにより、発光効果に達する）エネルギー変換過程のみを経るので、エネルギー変換率が高い。又、本実施形態は、従来の技術に比べて環境保護に役立つ。

本発明の実施形態の電界放出照明装置の構成を示す立体断面図である。 カーボンナノチューブ・ヤーンを引き伸ばすことを示す図である。 カーボンナノチューブ・ヤーンのＳＥＭ写真である。 本発明の電界放出照明装置の他の実施形態の陰極の拡大模式図である。 本発明の電界放出照明装置の他の実施形態の陰極の拡大模式図である。 本発明の電界放出照明装置の他の実施形態の陰極の拡大模式図である。 本発明の電界放出照明装置の他の実施形態の陰極の拡大模式図である。 本発明の実施形態の電界放出照明装置の発光効果の写真である。

符号の説明

１ 電界放出照明装置
１１ 発光管
１２ 陽極接線柱
１３、３３、５３、７３、９３ 陰極
１４ 陰極接線柱
１５ 密封蓋
２０ カーボンナノチューブ・アレイ
１１０ ボディ
１１１ ガラスチューブ
１１２ 陽極
１１３ 蛍光層
１３１ カーボンナノチューブ・ヤーン
１３２ 金属棒
１３１０ カーボンナノチューブ

Claims (7)

1. 複数のカーボンナノチューブを含むカーボンナノチューブ・ヤーン、及び二つの陰極接線柱を備え、前記カーボンナノチューブ・ヤーンの両端がそれぞれ前記二つの陰極接線柱に接続されることを特徴とする電界放出陰極。
2. 前記カーボンナノチューブ・ヤーンが該カーボンナノチューブ・ヤーンの表面から飛び出す複数のカーボンナノチューブを含み、該カーボンナノチューブが電界放出先端とされることを特徴とする請求項１に記載の電界放出陰極。
3. 前記複数本のカーボンナノチューブ・ヤーンが一緒に巻き付くことを特徴とする請求項１又は２に記載の電界放出陰極。
4. 前記陰極は金属棒を更に備え、前記少なくとも一本のカーボンナノチューブ・ヤーンは前記金属棒の表面に巻き付くことを特徴とする請求項１又は２に記載の電界放出陰極。
5. 前記カーボンナノチューブ・ヤーンが、複数のカーボンナノチューブ束を含み、隣接するカーボンナノチューブ束の首尾端が接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電界放出陰極。
6. 電界放出照明装置であって、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電界放出陰極及び該陰極と対向する陽極を備えることを特徴とする電界放出照明装置。
7. 前記電界放出照明装置の外形が、円柱形、多角柱又は球形であることを特徴とする請求項６に記載の電界放出照明装置。