JP4864299B2

JP4864299B2 - 電界電子放出素子およびその製造方法ならびに照明装置

Info

Publication number: JP4864299B2
Application number: JP2004227781A
Authority: JP
Inventors: 方紀羽場
Original assignee: Pureron Japan Co Ltd
Current assignee: Pureron Japan Co Ltd
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: JP2006049066A

Description

本発明は、電界電子放出素子に係り、より詳しくは、高輝度ランプなどの照明光源や薄型ディスプレイ等の電子ビーム放出源に適用することができる電界電子放出素子と、その製造方法ならびに該電界電子放出素子を用いた照明装置に関する。

電界電子放出素子（陰極）に設けた多数の電子放出部（エミッタ）から電子を陽極に向かって放出させ、該放出させた電子を陽極に塗布した蛍光体に高速で加速しつつ衝突させて、該蛍光体をその電子衝撃により発光させ、この発光を照明光として用いる構成とした照明装置が提案されている(例えば、特許文献１参照。)。このような照明装置は、電界電子放出素子からの電子放出形態から、発光面が平面的な面状光源、例えば、平面ディスプレイ等には適用できても、一般的な発光面が線状的な線状光源型、例えば、直管型の照明装置に適用するには技術的に解決すべき課題があった。
特開平１０−２５５６９９号公報

本発明により解決すべき主たる課題は、線状光源に適した電界電子放出素子を提供することである。

本発明の電界電子放出素子は、複数の線を撚ってなる線材を備え、上記複数の線は、上記電子放出部の形成の触媒となる触媒金属の導線を含み、該触媒金属の導線上に、電子伝導性を有する電子放出部を形成してなるものである。
電子伝導性を有する電子放出部は、炭素系の材料、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、ダイヤモンドライクカーボン、グラファイト、フラーレンなどからなるのが、比較的低い電界で電子を放出させることができるので好ましい。
触媒金属は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏの少なくともいずれか１種からなるものであるのが好ましい。

また、触媒金属の導線は、触媒金属からなる導線が好ましいが、他の金属からなる導線の表面に、触媒金属が形成された導線であってもよい。

本発明によると、撚られた複数の線の内の触媒金属の導線に、電子伝導性を有する電子放出部が選択的に形成されることになり、線状の導線に電子放出部を選択的に形成することができる。

また、本発明の電界電子放出素子は、線状の導線と、上記導線の表面にアイランド状に形成した，下記電子放出部の形成の触媒となる触媒金属層と、上記触媒金属層の表面に形成した，電子伝導性を有する電子放出部と、を具備したことを特徴とするものである。
ここで、上記「線状」とは、直線状に限定されず、螺旋線状や波線状等の曲線状、直線状と曲線状とが混合した線状形状を含む。
上記「導線」は、中実、中空を問うものではなく、また、その断面形状は、特に限定されず、円形に限らず、楕円形、矩形やその他の形状であってもよい。

また、本発明の電界電子放出素子の製造方法は、線状の導線と触媒金属の導線とを撚り、上記触媒金属の導線上に、電子伝導性を有する電子放出部を形成するものである。
さらに、本発明の電界電子放出素子の製造方法は、線状の導線の表面に、下記電子放出部の形成の触媒となる触媒金属層をアイランド状に形成し、上記触媒金属層の表面に電子伝導性を有する電子放出部を形成するものである。
ここで、電子放出部は、カーボンナノチューブやカーボンナノウォールからなるのが好ましく、この電子放出部は、直接金属表面に成膜するため及びプラズマ空間に高いエネルギーを投入できるＤＣプラズマＣＶＤ法によって形成するのが好ましい。
触媒金属は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏの少なくともいずれか１種からなるものであるのが好ましい。

本発明の照明装置は、内部を真空封止した真空外囲器と、上記真空外囲器内部に収納配置した金属棒と、上記金属棒の外周面に設けた蛍光体と、上記蛍光体の外周側に当該蛍光体から所要距離離隔して配置した電界電子放出素子とを備え、上記電界電子放出素子は、本発明に係る電界電子放出素子である。

ここで、真空外囲器は、長手形状であるのが好ましく、金属棒を、長手方向に収納配置し、電界電子放出素子を、長手方向に沿って金属棒と対向配置するのが好ましい。

本発明によると、線状の導線に電子放出部が形成された電界電子放出素子を、蛍光体を設けた金属棒と共に、真空外囲器に収納配置して直管型などの照明装置を構成することができる。

本発明によれば、線状光源として、各種の照明装置などに好適である。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

（参考例１）
図１は、本発明の参考例に係る製造方法によって製造された電界電子放出素子を備える照明装置の斜視図であり、図２は、同照明装置の縦断側面を示す断面図であり、図３は、図２の矢符Ａ−Ａ線方向から見た断面図である。

この照明装置１は、外観が一方向に長手の管形状として直管形状をなして内部を真空気密とされた真空外囲器１０を備える。真空外囲器１０は、直管状ガラス管１０ａと該直管状ガラス管１０ａの両端開口を封止する円板型蓋体１０ｂ，１０ｂとにより構成されている。参考例では、ガラス管１０ａを用いたが、材料はガラスに特に限定されず、ガラス管１０ａでなくても、発光光を透過、半透過、あるいは所要の透過率で透過可能な材料を用いることができる。この参考例以外の形状として、例えば、円板型蓋体１０ｂ，１０ｂの両側または一方側を省略して両端が閉塞したガラス管、あるいは一端側が閉塞したガラス管１０ａの構成とすることができる。
直管状ガラス管１０ａの内部に、当該ガラス管１０ａの長手方向に沿って、上記円板型蓋体１０ｂ，１０ｂに両端を固定した断面円形の金属棒１１が配備され、この金属棒１１の両端側近傍を除く外周面全面に蛍光体１２が塗布等により設けられているとともに、該蛍光体１２を取り囲む形態で電界電子放出素子１３が配備されている。金属棒１１は、陽極として作用するものであり、参考例では中実構造であるが、これに限定されず中空構造でもよく、また、その素材は、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、銅、Ｎｉ、ＳＵＳ等からなる。また、金属棒１１の表面は蛍光体１２の接着性と、蛍光体１２の発光を反射特性に優れた例えば鏡面仕上げとなっている。
蛍光体１２の形成は特に限定されないが、例えば、吹きつけ塗装や、蛍光体膜あるいはシート状としたものを接着やその他により設けることができる。蛍光体１２の材料は、電子衝撃により発光可能であればよく、特に限定されないが、公知のものを用いることができる。蛍光体１２の外周面は、発光面となる。蛍光体１２の素材は、白色蛍光体材料、緑色蛍光材料、青色蛍光材料、赤色蛍光体材料、その他、等があり、照明装置１が意図する照明色に応じて適宜に選択ないし組み合わせることができる。蛍光体１２は、１色に限定されず、各種の色の蛍光体１２を金属棒１１の外周面に形成して多色の照明装置１とすることもできる。

電界電子放出素子１３は、陰極をなし、ガラス管１０ａ内部をその長手方向としかつ表面に形成順序は特に限定されないが例えば長手方向交互に凹部２１と凸部２２を有する。外径は特に限定されないが例えば１ｍｍ程度の直線状の導線２０と、該導線２０に形成した電子伝導性を有する電子放出部２９とにより構成されている。導線２０の表面の凹部２１と凸部２２の形成手法は特に限定されないが、例えば、導線２０に対してネジ切り加工により形成している。電子放出部２９は、電子放出形態に特に限定されないが、好ましくは、カーボンナノチューブまたはカーボンナノウォール、等により構成されている。

電子放出部２９は、カーボンナノチューブに限定されるものではなく、カーボンナノウォール、等、他の電子放出形態でもよい。電界電子放出素子１３の形状は、参考例では直線状であるが、直線状に特に限定されるものではなく、ガラス管１０ａの形状に合わせ、例えば、ガラス管１０ａが曲線形状をなすのであれば、この形状に合わせて曲線形状にすることができる。

電界電子放出素子１３は、蛍光体１２の円周方向等間隔に複数、例えば、４本配置されている。参考例では、電界電子放出素子１３の配置本数は、４本としたが、この配置本数に限定されず、１本でも３本以上でもよい。

電界電子放出素子１３の素材は、電子放出特性に優れた金属であればよい。

また、蛍光体１２の全面を電子衝撃により発光させるには、電界電子放出素子１３と蛍光体１２との間隔を広げて高電位を印加可能とするか、あるいは、電界電子放出素子１３の上記のごとくその設置本数を増やして蛍光体１２の円周方向相互間隔を狭め、蛍光体１２の全面に電子放出可能な構成とすることができる。

蛍光体１２と電界電子放出素子１３との離隔間隔を所定の大きさに設定するにはスペーサ１４を用いる。スペーサ１４は、蛍光体１２の両端それぞれに外嵌した一対の環体１４ａと、各環体１４ａそれぞれの円周方向所要間隔で設けた径方向外向きの複数の突片１４ｂとにより構成されている。電界電子放出素子１３は、蛍光体１２両端それぞれのスペーサ１４の突片１４ｂ間に架設され、これにより、電界電子放出素子１３が、蛍光体１２表面との間に径方向に対して所定間隔を開けて配置される。この場合、環体１４ａを蛍光体１２に接着してもよい。

この場合、スペーサ１４は、必須となるものではなく、例えば、ガラス管１０ａの内周側に電界電子放出素子１３を設置することも可能である。ガラス管１０ａの内径を細径とすると、この場合の設置に好ましい。また、各電界電子放出素子１３それぞれは、環状の導体１５にて互いに、電気的に接続される。金属棒１１と電界電子放出素子１３の一端側との間には、電線１６を介して、電源１７が接続される。この電源１７は、パルス電圧を発生出力することができるのが好ましい。

以上の構成を備えた本参考例の照明装置１においては、電源１７から、金属棒１１に正の電圧、例えば、正のパルス電圧を印加すると、電界電子放出素子１３を構成する導線２０の凹凸（凹部２１と凸部２２）表面に素材する電子放出部２９に強い電界集中が生じて陰極である電界電子放出素子１３の導線から電子が引き出されて放出され、さらに、この放出した電子は、陽極である金属棒１１の高電位により加速されて蛍光体１２に電子衝突して、当該蛍光体１２が発光する。これによって、当該照明装置１においての照明が行われる。

すなわち、上記参考例の電界電子放出素子においては、導線２０の外周面の長手方向に均等に凹凸形状を付けて、電子放出部２９であるカーボンナノチューブの発生密度がその長手方向に高く均等にわたっているから、電界電子放出素子１３から放出する電子の放出強度や放出量は均等とすることができ、照明装置１としては、真空外囲器１０の長手方向全体に均等に高輝度で発光光（照明光）を発することができる。

以下において、上記電界電子放出素子１３の製造方法を説明する。

まず、図４に示すように、例えば、外径１ｍｍのＮｉからなる中空の導線２０に、Ｍ１のネジ切り加工を施し、谷２１と山２２とからなる凹凸を形成する。

この参考例では、Ｍ１並目ネジのネジ切り加工を施しており、外径が１ｍｍ、ピッチが０．２５ｍｍ、谷の径が０．７２９ｍｍとなっている。

次に、Ｍ１のネジ切り加工を施したＮｉからなる導線２０に対して、図５に示すＤＣプラズマＣＶＤ装置を用いて、電子放出部としてのカーボンナノチューブを形成する。

上記ＤＣプラズマＣＶＤ装置は、真空室２３内に、Ｍｏ金属製のカソード電極板２４とアノード電極板２５とを、上下に対向配置して平行平板電極を構成し、アノード電極板（φ６０）２５とカソード電極板（φ６０）２４との間に直流電源２６から例えば、７００Ｖの直流電圧を印加する構成となっている。また、真空室２３は、図示略の真空ポンプが接続する排気口２７を備えるとともに、原料ガスを導入するガス導入口２８を備えている。

上記のようにネジ切り加工した導線２０をカソード電極板２４上の図示略の基板上に載置する。そして、例えば、原料ガスとして、水素とメタンとの混合ガス、あるいは、水素と一酸化炭素との混合ガスを用い、該原料ガスをガス導入口２８から真空室２３内に導入するとともに、直流電源２６によりアノード電極板２５とカソード電極板２４との間に直流電圧を印加する。これによって、該真空室２３内に６００℃〜１０００℃前後の高温のプラズマを発生させ、導線２０をその高温のプラズマに晒すことによって、導線２０にカーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールを成膜する。このカーボンナノチューブあるいはカーボンナノウォールは、例えば、数μｍ程度の長さに成長させるのが好ましい。

図６は、以上のようにして、例えば、カーボンナノチューブ２９による電子放出部を形成した導線２０、すなわち、電界電子放出素子１３を部分拡大して示す断面図である。

Ｍ１のネジ切り加工を施した導線２０では、ＤＣプラズマＣＶＤ装置によってカーボンナノチューブ２９を成長させる際に、ネジの谷と山とによる凹凸、特に突出した凸部で、カーボンナノチューブ２９の核の発生が促進され、発生した核が合体成長してカーボンナノチューブ２９が形成されることになり、これによって、カーボンナノチューブ２９を、導線２０上に形成することができる。このカーボンナノチューブ２９は、基板上に載置される導線２０の下面側を除いて当該導線２０の略全周に亘って形成される。

このように、線状の導線２０にネジ切り加工を施して凹凸を形成しているので、表面に凹凸が無い平らな導線に比べて、凹凸が多数存在する電子放出部としてのカーボンナノチューブを容易に成膜することが可能となる。しかも、上述の照明装置を構成したときに、ネジ山２２の部分でカーボンナノチューブ２９が突出した先端に電界集中が起こって電子放出が促進されることになり、低電圧駆動が可能になる。

具体的には、上述の図１ないし図３と同様に、外径１ｍｍ、長さ１０ｃｍの電界電子放出素子１３に、３ｍｍ間隔で、外径２ｍｍで長さ１０ｃｍの蛍光体付き金属アノードを構成し、１０^−６Ｔｏｒｒの真空下でパルス電圧６ｋＶ(１ｋＨｚ)を印加することで１ｍＡ／ｃｍ２の電流が流れ、２０万ｃｄ／ｍ^２の発光輝度を得た。

この参考例では、ＪＩＳ(日本工業規格)に規定されたＭ１のネジに対応するネジ切り加工を行ったけれども、Ｍ１ネジに限らず、その他のネジ切り加工を適用してもよい。

(参考例２)
図７は、本発明の参考例２に係る電界電子放出素子の製造方法により得た電界電子放出素子の図６に対応する部分拡大断面図である。

参考例２の電界電子放出素子は、図８(ａ)に示すように、例えば、外径１ｍｍのＣｕからなる導線３０の表面に、カーボンナノチューブの成長を促す触媒金属層として、例えば、Ｎｉ層３１を、蒸着や電解めっきなどの手法によって形成する。このＮｉ層３１の厚さは、例えば、数μｍ程度であるのが好ましい。

次に、Ｎｉ層３１を形成した導線３１の表面に、図８(ｂ)に示すように、溝加工を螺旋状に施す。この溝加工によって形成される溝３２の深さ、幅および形状は、任意に選択することができるが、この参考例では、溝の３２のピッチＬ１は０．２ｍｍ、深さＬ２は０．１１〜０．１５ｍｍ、凸部分の幅Ｌ３は、０．０５〜０．１ｍｍである。この溝加工によって、導線３０の表面には、凹凸が形成されるとともに、溝３２が形成されていない凸部分には、溝加工で切削されることなく、触媒金属層であるＮｉ層３１が残存している。

この溝加工が施された導線３０に、上述の参考例１と同様に、図５のＤＣプラズマＣＶＤ装置を用いて電子放出部であるカーボンナノチューブを成膜する。

このＤＣプラズマＣＶＤ装置によるカーボンナノチューブの成膜の際に、図７に示すように、Ｎｉ層３１が存在し、かつ、突出した凸部分で、核の発生が促進され、発生した核が合体成長してカーボンナノチューブ３３が形成されることになり、これによって、カーボンナノチューブ３３を、導線３０上に選択的に形成することができる。

このように、カーボンナノチューブ３３は、図７に示すように、Ｎｉ層３１が存在している突出した凸部分に形成されるので、照明装置などを構成したときに、凸部分のカーボンナノチューブ３３の先端に電界が集中するので、電子放出が促進されることになる。

また、溝が形成されていないＮｉ層３１上に、カーボンナノチューブ３３を選択的に形成できるので、カーボンナノチューブが密集して配置されることがなく、適度な間隔で配置することができ、良好な電子放出特性を得ることができる。

(実施形態３)
図９は、本発明の実施形態３に係る電界電子放出素子の製造方法により得た電界電子放出素子を示す図である。実施形態３の電界電子放出素子は、触媒金属であるＮｉからなる、例えば、外径１ｍｍの導線３４と、Ｃｕからなる導線３５とを撚り合わせた線材を構成し、この撚り合わせた線材に、上述の参考例１と同様に、図５のＤＣプラズマＣＶＤ装置を用いて電子放出部であるカーボンナノチューブを成膜する。

このＤＣプラズマＣＶＤ装置によるカーボンナノチューブの成膜の際に、触媒金属であるＮｉの導線３４に、カーボンナノチューブ３６が選択的に形成されることになり、これによって、カーボンナノチューブ３６を、導線３４上に形成することができる。

(実施形態４)
図１０は、本発明の実施形態４に係る電界電子放出素子の製造方法により得た電界電子放出素子を示す図である。実施形態４では、図１１（ａ）に示すように、例えば、外径１ｍｍのＣｕなどの導線３７上に、カーボンナノチューブの成長を促す触媒金属層として、例えば、Ｎｉ層３８を、蒸着などの手法によって形成する。このＮｉ層３８の膜厚は、例えば、２μｍであるのが好ましい。

次に、高温、例えば、６００℃程度で加熱処理することにより、図１１（ｂ）に示されるように、Ｎｉ層３８を形成していたＮｉ３８が間隔をもってアイランド状に析出する。このＮｉ３８の析出のパターンは、Ｎｉの蒸着膜の厚みなどによって変化させることができる。

次に、導線３７に、上述の参考例１と同様に、図５のＤＣプラズマＣＶＤ装置を用いて電子放出部であるカーボンナノチューブを成膜する。

このＤＣプラズマＣＶＤ装置によるカーボンナノチューブの成膜の際に、図１０に示すように、触媒金属であるＮｉ３８上に、カーボンナノチューブ３９が形成されることになり、これによって、カーボンナノチューブ３９を、導線３７上に選択的に形成することができる。

このようにＮｉ３８上に、カーボンナノチューブ３９を選択的に形成できるので、カーボンナノチューブが密集して配置されることがなく、適度な間隔で配置することができ、良好な電子放出特性を得ることができる。

なお、上述の実施形態では、ネジ切り加工や溝加工を行って導線の表面に凹凸を形成したけれども、他の実施形態として、例えば、針状体の微小な先端を、導線に押圧してその表面に凹部を形成したり、微粒子を導線に吹き付けてその表面に凹凸を形成してもよい。また、上述の実施形態では、電子放出部としてカーボンナノチューブを成膜したけれども、カーボンナノチューブに限らず、カーボンナノウォールやダイヤモンドライクカーボンなどの他の炭素系の材料を成膜してもよい。さらに、上述の実施形態では、ＤＣプラズマＣＶＤによって電子放出部を形成したけれども，本発明は、ＤＣプラズマＣＶＤに限らず、熱ＣＶＤ、ＲＦプラズマＣＶＤ、マイクロ波プラズマＣＶＤあるいはカソーディックアークなどによって形成してもよい。

上述の実施の形態では、直管状の光源に適用して説明したけれども、本発明の電界電子放出素子を構成する導線を、環状等にすることにより、環状の光源に適用できるようにしてもよい。

本発明は、高輝度ランプなどの照明装置として有用である。

本発明の参考例１に係る電界電子放出素子を有する照明装置の斜視図である。図１の縦断側面図である。図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。電界電子放出素子を構成する導線の拡大斜視図である。ＤＣプラズマＣＶＤ装置の概略構成図である。図１の電界電子放出素子の一部拡大断面図である。本発明の参考例２に係る電界電子放出素子の一部拡大断面図である。図７の電界電子放出素子の製造工程を説明するための断面図である。本発明の実施形態３に係る電界電子放出素子の拡大斜視図である。本発明の実施形態４に係る電界電子放出素子の一部拡大断面図である。図１０の電界電子放出素子の製造工程を説明するための断面図である。

符号の説明

２０，３０，３７導線
２９，３３，３６，３９カーボンナノチューブ
３１，３８Ｎｉ層
３２溝

Claims

複数の線を撚ってなる線材を備え、上記複数の線は、電子放出部の形成の触媒となる触媒金属の導線を含み、該触媒金属の導線上に、電子伝導性を有する電子放出部を形成している、ことを特徴とする電界電子放出素子。
内部を真空封止した真空外囲器と、
上記真空外囲器内部に収納配置した金属棒と、
上記金属棒の外周面に設けた蛍光体と、
上記蛍光体の外周側に当該蛍光体から所要距離離隔して配置した電界電子放出素子とを備え、
上記電界電子放出素子は、請求項１に記載した電界電子放出素子であることを特徴とする照明装置。
線状の導線と触媒金属の導線とを撚り、上記触媒金属の導線上に、電子伝導性を有する電子放出部を形成する、ことを特徴とする電界電子放出素子の製造方法。