JP5021450B2 - 電界放出型ランプ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電界放出型ランプ及びその製造方法に係り、特に透明導電膜を含む電界放出型ランプ及びその製造方法に関する。

現在広く応用されている蛍光ランプでは、電流が流れると蛍光管フィラメントから電子が飛び出し、内部に封入されている気体の水銀と衝突して、紫外線が発せられる。蛍光ガラス管の内側には蛍光体が塗布されており、紫外線が当たると発光して、蛍光管の外に可視光線を放ち、これにより照明の用途をなす。しかし、蛍光ランプは水銀を含有するので、環境汚染が問題となっている。また、ランプ点灯中に起こる、電極に塗布された電子放出性物質（主にタングステン酸バリウム等）の蒸発、飛散による消耗が主となり、蛍光ランプは始動時に最も負荷がかかり、グロースターターの場合、一回の点灯で約１時間寿命が縮むので、蛍光ランプの寿命が短いという課題もある。

このため、蛍光ランプに代わる省エネで水銀レスの環境負荷が少ない電界放出型ランプ（ＦＥＬ：Ｆｉｅｌｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｌａｍｐ）の研究開発が世界中で行われている。ＦＥＬは、エミッタ電極から放出された電子が蛍光体を励起して可視光とするカソードルミネッセンスを原理とし、ブラウン管と同じ発光方式を用いている。ＦＥＬは、環境汚染源となる水銀を利用せず、蛍光灯と同程度の発光効率があるので、新型の光源として注目されている。

従来のＦＥＬにおいては、一般的に、蛍光層に透明導電膜が設置されている。電子励起によって蛍光体から放出された可視光は、該透明導電膜から透過して射出される。従って、透明導電膜に対しては、良好な透明度及び導電性が必要となっている。現在主流の方式では、全面ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）と呼ばれる透明導電性薄膜で構成されるために、構造が単純となり、剥離や磨耗、断線などがおきにくいために、寿命が長く、透過率も大きく改善された。

しかし、ＩＴＯはスパッタリング法、イオンプレーティング、塗布法などの方法により成膜されるので、製造方法が複雑である。また、ＩＴＯ薄膜は、機械的及び化学的性能が良好でなく、膜質の均一性が低いという課題がある。

本発明の電界放出型ランプは、内壁を有する透明チューブと、電子放出層を有するエミッタ及び陰極電極を備える陰極と、前記透明チューブの内壁に塗布された透明導電膜と、該透明導電膜の表面に形成された蛍光層と、陽極電極と、を含む陽極と、を含む。且つ、前記電界放出型ランプには、少なくとも一本の導電線が設置されている。

前記導電線は前記透明チューブの中心軸に平行に、前記透明導電膜及び前記蛍光層の間又は前記透明チューブ及び前記透明導電膜の間に設置されている。

前記導電線の幅は１０〜１０００μｍにされることが好ましい。

前記透明チューブの中にコロイド黒鉛を設置することが好ましい。

本発明の電界放出型ランプの製造方法は、透明導電膜と、蛍光層と、少なくとも一本の導電線を備える透明チューブを準備する第一ステップと、陽極電極と、陰極電極と、エミッタと、を前記透明チューブに設置する第二ステップと、を含む。

前記第一ステップは、前記透明チューブの内壁に導電ペーストを塗布して前記導電線を形成する第１ステップと、前記透明チューブを窒素の雰囲気においてアニール処理する第２ステップと、前記導電線の表面にカーボンを含むペーストを塗布して、乾燥・焼成の加工を行って前記透明導電膜を形成させる第３ステップと、前記透明導電膜の表面に蛍光層を形成する第４ステップと、前記透明チューブ、を窒素又は不活性ガスの雰囲気において３２０℃で２０分間加熱した後、室温まで下げる第５ステップと、を含む。

前記第一ステップでは、前記導電線の端部に近接して、前記導電線の表面にコロイド黒鉛を設置することが好ましい。

前記導電ペーストは、複数のガラス粒子及び導電粒子が有機基質に混合して形成されている。

前記第３ステップは、有機基質を準備するａステップと、複数のカーボンナノチューブを含む溶液を準備するｂステップと、前記複数のカーボンナノチューブを含む溶液を前記有機基質に混合させて、超音波処理によって均一に分散させるｃステップと、前記複数のカーボンナノチューブを含む溶液及び前記有機基質に対して水浴処理を行い、ジクロロエタン溶液を蒸発させるｄステップと、を含む。

従来技術と比べて、本発明の電界放出型ランプにおいて、透明導電膜はカーボンナノチューブを含むので、良好な導電性がある。また、電界放出型ランプの透明チューブの内壁に少なくとも一本の導電線を設置することにより、透明導電膜に生じる電位差を低減して、電界放出型ランプから放出される光の均一性を高めることができる。また、本発明の電界放出型ランプの製造方法は、製造工程が簡単であり、コストが低く、効率が高いという優れた点がある。

図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１を参照すると、本実施形態のＦＥＬ（電界放出型ランプ）１０は、透明チューブ２０と、陽極３０と、陰極４０と、二つの封止部材５０と、を含む。

前記透明チューブ２０はガラスからなり、二つの端部２２を有する。前記二つの封止部材５０もガラスからなる。前記二つの封止部材５０はそれぞれ前記透明チューブ２０の前記二つの端部２２に設置され、前記透明チューブ２０の内部が密封空間にされる。一つの前記封止部材５０には排気パイプ５２が差し込まれている。前記排気パイプ５２は、一端が前記透明チューブ２０の密封空間に近接され、もう一端が前記透明チューブ２０の外部へ延伸して排気穴５４が形成されるように設置される。前記排気穴５４に真空排気ポンプ（図示せず）を接続して、前記透明チューブ２０の内部のガスを排気することができる。

前記陽極３０は、前記透明チューブ２０の内壁に塗布される透明導電膜３２と、前記透明導電膜３２に形成される蛍光層３４と、陽極電極３６と、を含む。前記透明導電膜３２は、ＩＴＯ膜又はカーボンナノチューブを含む膜である。前記透明導電膜３２がカーボンナノチューブを含む場合、カーボンナノチューブの長さが１〜１００μｍ、直径が１〜１００ｎｍにされる。さらに、前記カーボンナノチューブの長さは１０μｍにされることが好ましい。

前記透明導電膜３２の前記陽極電極３６に近接する部分を露出させて、露出領域３２０が形成されるように、前記透明導電膜３２に蛍光層３４を形成する。さらに、透明導電膜３２及び陽極電極３６の間の電気伝導性を高めるために、前記透明導電膜３２の露出領域３２０の下方にコロイド黒鉛部３８を設置することができる。前記蛍光層３４は、高効率、低電圧、長残光性などの特徴がある蛍光物からなることが好ましい。また、前記蛍光層３４は、白色又は有色の蛍光物からなることができる。

前記陽極電極３６は、引き出しシート３６０と、引き出し柱３６２と、引き出し線３６４と、を備える。前記引き出しシート３６０は、前記透明導電膜３２に電気的に接続されるように前記露出領域３２０に設置される。前記引き出し柱３６２は、前記透明チューブ２０の中心軸に平行して一つの前記封止部材５０に嵌入させて固定される。前記引き出し柱３６２の一つの端部は前記透明チューブ２０の内部に設置され、前記引き出し線３６４を介して、前記引き出しシート３６０が電気に接続されるが、もう一つの端部は前記透明チューブ２０の外部に設置され、前記陽極３０の外接電極３６６として利用される。前記陽極電極３６は、前記陽極３０と外接素子（図示せず）との電気接続のために設置される。

代わりに、前記陽極電極３６を、次のように設置することもできる。例えば、前記陽極電極３６が柱状又は線状の導電部材からなる場合、一つの端部は前記透明導電膜３２に接続され、もう一つの端部は前記透明チューブ２０の外部へ延伸して前記陽極電極３０の外接電極３６６として利用される。又は、前記陽極電極３６が前記引き出しシート３６０及び柱状又は線状の導電部材を含む場合、前記導電部材は、一つの端部が前記引き出しシート３６０に接続され、もう一つの端部が記透明チューブ２０の外部へ延伸して前記陽極電極３０の外接電極３６６として利用されるように設置される。

図２を参照すると、前記陽極３０はさらに導電線３９を備える。該導電線３９は前記透明チューブ２０の内壁及び前記透明導電膜３２の間に設置されている。前記導電線３９の前記陽極電極３６に近接する端部は、前記コロイド黒鉛部３８及び前記透明導電膜３２の露出領域３２０により、前記陽極電極３６に電気的に接続されている。複数の前記導電線３９を設置する場合、前記複数の導電線３９はそれぞれ所定の距離で離れて、前記透明チューブ２０の中心軸に平行に並列されている。前記導電線３９は銀又はインジウムスズ酸化物からなり、幅が１０〜１０００μｍにされている。本実施例において、二本の前記導電線３９が設置されている。前記二本の導電線３９は前記透明チューブ２０の中心軸に対して対称となるように設置されている。

前記陰極４０は、エミッタ４２及び陰極電極４４を備える。図３を参照すると、前記エミッタ４２は、導電体４２０と、該導電体４２０の表面に設置される電子放出層４２２と、を含む。前記導電体４２０は細棒状であり、直径が０．１〜２ｍｍ以上になり、導電金属又はその合金からなる。本実施形態において、前記導電体４２０はニッケルからなる。前記導電体エミッタ４２の一つの端部はニッケル細棒（図示せず）を介して、前記陽極３０の前記陽極電極３６に近接する一つの前記封止部材５０に固定され、もう一つの端部は前記陰極電極４４に固定されている。前記陰極電極４４は柱状に形成され、前記排気パイプ５２を備えるもう一つの前記封止部材５０に嵌入して固定される。前記陰極電極４４の一つの端部は前記エミッタ４２に電気に接続され、もう一つの端部は前記透明チューブ２０の外部へ延伸して設置され、前記陰極４０の外接電極４４０として利用される。

代わりに、前記エミッタ４２及び前記陰極電極４４の間にスプリング（図示せず）を設置することができる。前記ＦＥＬ１０に接続される電源（図示せず）のオン／オフによる前記エミッタ４２の熱膨張／冷収縮が原因で、前記エミッタ４２の寸法が変化するので、前記スプリングを介して前記エミッタ４２及び前記陰極電極４４の間の平衡を保持することができる。なお、前記陰極電極４４を設置せず、前記エミッタ４２の一つの端部を前記透明チューブ２０の外部までに延伸して、外接電極４４０として利用することができる。

図３を参照すると、前記電子放出層４２２は、ガラス４２６と、該ガラス４２６の内に分散されるカーボンナノチューブ４２４と、導電金属粒子４２８と、を含む。代わりに、前記電子放出層４２２は、タングステンなどの低い仕事関数を有する材料からなることもできる。

さらに、図１を参照すると、前記透明ガラス２０の内部に生じるガス、及び、電子が前記蛍光層３４に衝突することによるガスを吸着させるために、前記排気パイプ５２を備える前記封止部材５０に二つのゲッター７０を設置することができる。これにより、前記ＦＥＬ１０の真空度を効率的に保持することができる。

前記ＦＥＬ１０が作動する場合、前記透明導電膜３２及び前記陰極４０の前記電子放出層４２２の間に電界が印加されると、前記電子放出層４２２の前記カーボンナノチューブ４２４は、前記電界の作用で電子を放出して、放出された電子が前記蛍光層３４に衝突して、光が放出される。前記透明導電膜３２の内に電流が流れている時、前記導電線３９により前記透明導電膜３２に生じた電位差を低減して、前記ＦＥＬ１０の輝度の均一性を高めることができる。

前記ＦＥＬ１０の製造方法は、透明導電膜３２と、蛍光層３４と、少なくとも一本の導電線３９を備える透明チューブ２０を準備する第一ステップと、陽極電極３６、陰極電極４４、エミッタ４２、封止部材５０を前記透明チューブ２０に設置して、ＦＥＬ１０の製造を完成する第二ステップと、を含む。

前記第一ステップは次のサブステップを含む。

第１ステップでは、前記透明チューブ２０の内壁において幅が１０〜１０００μｍの範囲に、前記透明チューブ２０の中心軸に平行な導電ペーストを塗布する。該導電ペーストは乾燥された後、前記導電線３９が得られる。該導電ペーストは、複数のガラス粒子及び導電粒子が有機基質に混合して形成される。該有機基質は、安定剤であるエチルセルロース（Ｅｔｈｙｌ Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）と、溶剤であるテルピネオールと、可塑剤であるフタル酸ジブチル（Ｄｉｂｕｔｙｌ Ｐｈｔｈａｌａｔｅ）と、を混合して、６０℃〜８０℃で３〜５時間に攪拌する工程により形成される。前記複数のガラス粒子及び導電粒子を均一に前記有機基質に分散させるために、低パワーの超音波処理を行って、遠心処理を行うことができる。ここで、前記複数のガラス粒子は、融点が３５０℃〜６００℃の低融点のガラスであり、直径が１０〜１００ｎｍにされる。前記導電金属粒子は、例えば、銀又はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であり、直径が０．０５〜２μｍにされることが好ましい。さらに、前記導電金属粒子をボールミル処理することができる。

さらに、前記導電線３９の端部に近接して、前記導電線３９の表面にコロイド黒鉛３８を設置することができる。

第２ステップでは、前記導電線３９に残留された有機基質を除去するために、前記透明チューブ２０を窒素又は不活性ガスの雰囲気においてアニール処理する。本実施例において、前記透明チューブ２０、を窒素の雰囲気において３２０℃で２０分間加熱する。この後、４３０℃まで昇温させ、３０分間加熱する。最後に、室温まで下げる。

第３ステップでは、前記導電線３９及び前記コロイド黒鉛３８の表面にカーボンを含むペーストを塗布して、乾燥・焼成の加工を行って前記透明導電膜３２を形成させる。

第４ステップでは、前記透明導電膜３２の表面に蛍光層３４を形成する。

第５ステップでは、前記透明チューブ２０を窒素の雰囲気において３２０℃で２０分間加熱した後、室温まで下げる。

代わりに、上述の工程の順序を変更することにより、前記導電線３９を前記透明導電膜３２及び前記蛍光３４の間に設置することができる。

前記第３ステップにおいて、前記透明チューブ２０の内壁に前記カーボンナノチューブを含むペーストを塗布する場合、前記透明チューブ２０の一端を閉じて前記端部を下方に向けるように前記透明チューブ２０を立て、前記透明チューブ２０の中に前記カーボンナノチューブを含むペーストを注入する。その後、前記透明チューブ２０の前記閉じた端部を開けて、前記カーボンナノチューブを含むペーストの大部分を重量の作用で流出させる。これにより、少量の前記カーボンナノチューブを含むペーストを前記透明チューブ２０の内壁に残留させることができる。前記カーボンナノチューブを含むペーストの塗布工程は、非常に清潔な雰囲気において行い、ダスト量が１００ｍｇ／ｍ^３以下にされることが好ましい。

本実施例において、前記第３ステップに利用される前記カーボンナノチューブを含むペーストは、次のように製造される。

ａステップでは、有機基質を準備する。該有機基質は次のように製造される。オイルバス処理及び攪拌加工によって安定剤であるエチルセルロース（Ｅｔｈｙｌ Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）を溶剤であるテルピネオールに溶解させた後、可塑剤であるフタル酸ジブチル（Ｄｉｂｕｔｙｌ Ｐｈｔｈａｌａｔｅ）を添加して、前記オイルバス処理及び攪拌加工を続いて前記有機基質が得られる。ここで、前記テルピネオール、前記エチルセルロース及び前記フタル酸ジブチルの含有量は、それぞれ９０％、５％、５％にされる。前記オイルバス処理の温度は、８０℃〜１１０℃にされ、１００℃であることが好ましい。前記攪拌加工の時間は、１０〜２５時間にされ、２４時間であることが好ましい。

ｂステップでは、複数のカーボンナノチューブを含む溶液を準備する。複数のカーボンナノチューブをジクロロエタン溶液に混合して粉砕機で分散させて、さらに超音波処理によって前記複数のカーボンナノチューブを均一に分散させる。前記複数のカーボンナノチューブはＣＶＤ法、アーク放電法、レーザー蒸着法で成長させ、長さが１〜２００μｍ、直径が１〜１００ｎｍにされる。２ｇのカーボンナノチューブ毎に、５００ｍｌのジクロロエタン溶液が必要である。前記粉砕機で前記複数のカーボンナノチューブを分散させる時間は、５〜３０分間にされ、２０分間であることが好ましい。前記超音波処理の時間は、１０〜４０分間にされ、３０分間であることが好ましい。

さらに、前記複数のカーボンナノチューブを含む溶液をふるいにかけることが好ましい。前記ふるいは、４００目のふるいであることが好ましい。

ｃステップでは、前記複数のカーボンナノチューブを含む溶液を前記有機基質に混合させて、超音波処理によって均一に分散させる。ここで、前記複数のカーボンナノチューブと前記有機基質との質量比は１５：１にされるが、前記超音波処理の時間は３０分間にされることが好ましい。

ｄステップでは、前記複数のカーボンナノチューブを含む溶液及び前記有機基質に対して水浴処理を行い、ジクロロエタン溶液を完全に蒸発させる。これにより、カーボンナノチューブを含むペーストが得られる。前記水浴の温度は、９０℃にされることが好ましい。前記カーボンナノチューブの含有量は、透明導電性薄膜の特性を決める。前記カーボンナノチューブの含有量が高い場合、透明導電性薄膜の透明性が低く、導電性が高くなる。前記カーボンナノチューブの含有量が低い場合、透明導電性薄膜の透明性が高く、導電性が低くなる。本実施例において、２ｇのカーボンナノチューブ及び５００ｍｌのジクロロエタン溶液を準備して、前記カーボンナノチューブと前記有機基質との質量比を１５：１に調整させる場合、水浴処理を行って２００ｍｌのカーボンナノチューブを含むペーストを作成する。

本実施形態の電界放出型ランプの模式図である。 図１の透明チューブの断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。

符号の説明

１０ ＦＥＬ
２０ 透明チューブ
２２ 端部
３０ 陽極
３２ 透明導電膜
３２０ 露出領域
３４ 蛍光層
３６ 陽極電極
３６０ 引き出しシート
３６２ 引き出し柱
３６４ 引き出し線
３６６ 外接電極
３８ コロイド黒鉛部
３９ 導電線
４０ 陰極
４２ エミッタ
４２０ 導電体
４２２ 電子放出層
４２６ ガラス
４２８ 導電金属粒子
４４ 陰極電極
４４０ 外接電極
５０ 封止部材
５２ 排気パイプ
５４ 排気穴
７０ ゲッター

Claims (8)

1. 内壁を有する透明チューブと、電子放出層を有するエミッタ及び陰極電極を備える陰極と、前記透明チューブの内壁に塗布された透明導電膜と、該透明導電膜の表面に形成された蛍光層と、陽極電極と、を含む陽極と、を含む電界放出型ランプにおいて、
   少なくとも一本の導電線が設置されていて、
   前記導電線は前記透明チューブの中心軸に平行に、前記透明チューブ及び前記透明導電膜の間に設置されていることを特徴とする電界放出型ランプ。
2. 前記導電線の幅は１０〜１０００μｍにされていることを特徴とする、請求項１に記載の電界放出型ランプ。
3. 前記透明チューブの中には、コロイド黒鉛が設置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電界放出型ランプ。
4. 透明導電膜と、蛍光層と、少なくとも一本の導電線を備える透明チューブを準備する第一ステップと、
   陽極電極と、陰極電極と、エミッタと、を前記透明チューブに設置する第二ステップと、
   を含み、
   前記第一ステップは、
   前記透明チューブの内壁に導電ペーストを塗布して前記導電線を形成する第１ステップと、
   前記透明チューブを窒素の雰囲気においてアニール処理する第２ステップと、
   前記導電線の表面に前記透明導電膜を形成させる第３ステップと、
   前記透明導電膜の表面に蛍光層を形成する第４ステップと、
   前記透明チューブを加熱した後、室温まで下げる第５ステップとを含むことことを特徴とする電界放出型ランプの製造方法。
5. 前記第一ステップの第３ステップには、
   前記導電線の表面にカーボンを含むペーストを塗布して、乾燥・焼成の加工を行って前記透明導電膜を形成させることを特徴とする、請求項４に記載の電界放出型ランプの製造方法。
6. 前記第一ステップは、前記導電線の端部に近接して、前記導電線の表面にコロイド黒鉛を設置するステップを含むことを特徴とする、請求項４に記載の電界放出型ランプの製造方法。
7. 前記導電ペーストは、複数のガラス粒子及び導電粒子が有機基質に混合して形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の電界放出型ランプの製造方法。
8. 前記第３ステップは、
   有機基質を準備するａステップと、
   複数のカーボンナノチューブを含む溶液を準備するｂステップと、
   前記複数のカーボンナノチューブを含む溶液を前記有機基質に混合させて、超音波処理によって均一に分散させるｃステップと、
   前記複数のカーボンナノチューブを含む溶液及び前記有機基質に対して水浴処理を行い、ジクロロエタン溶液を蒸発させるｄステップと、
   を含むことを特徴とする、請求項５に記載の電界放出型ランプの製造方法。

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