JP5074810B2 - 電界放出型発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界放出型電子源を有する電界放出型発光装置に係り、特に、発光面の輝度を均一にすることのできる電界放出型発光装置に関するものである。

冷陰極電界放出と呼ばれる電子の電界放出現象を利用して、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ）と呼ばれる薄型の画像表示装置が現在注目されている。これは、近年その使用が盛んなフラットパネルディスプレイに適用されており、この表示装置は自発光タイプであり、広範な視野角と高輝度が得られ、さらには高速応答性と低消費電力性を有している等、ＦＥＤの有する様々なメリットがその注目要因となっている。

上記するように電界放出型画像表示装置は様々なメリットを有している一方で、この電界放出型電子源を電子源として用いた光源は、発光面の輝度が均一でなく、ちらつきが存在しているのが現状である。これは、電界放出型電子源から放出された電子が蛍光体に均一に衝突しない結果、蛍光体の発光が不均一になってしまうことによるものである。この電子が蛍光体に均一に衝突しない理由は、電界放出型電子源から蛍光体膜側へ延びる閉塞した絶縁基板の端部（絶縁基板の開口エッジ部）に電子が衝突して絶縁基板が帯電する結果、電界集中が生じて電界が歪むことにより、電子の拡散が阻害されるためであるということが本発明者等によって実証されている。

ところで、上記する電界放出型画像表示装置に関する従来の技術として特許文献１を挙げることができる。この装置は、前面パネルに対向配置された背面パネル上に冷陰極電子源であるＣＮＴ陰極が形成され、該ＣＮＴ陰極から引き出された電子は、ゲート電極のゲートメッシュ開口部および第２電極の第２メッシュ開口部双方の電子通過孔を通過した後に蛍光体に到達するように構成されている。

特開２００４−１７８８４１号公報

特許文献１に開示の電界放出型画像表示装置によれば、ＣＮＴ陰極から引き出された電子をゲート電極のゲートメッシュ開口部および第２電極の第２メッシュ開口部を通過した後に蛍光体に到達させ発光させることで、蛍光体陽極を一様に発光させることが可能となる。しかし、２つのメッシュ開口部を設け、各メッシュ開口部には所定寸法の電子通過孔を所定ピッチで多数設ける構成となっており、さらには、この２つのメッシュ開口部を具備するユニットが複数設けられて装置が構成されることから、装置の構成が複雑であるとともに製作コストの高騰は否めない。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、比較的シンプルな構造で蛍光体を均一に発光させることのできる電界放出型発光装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による電界放出型発光装置は、真空容器内に配設され、かつカソード電極及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）層からなる電界放出型電子源と、該電界放出型電子源に間隔を置いて対向配置されたアノード電極及び蛍光体膜と、該間隔内に配設されたゲート電極と、電界放出型電子源から蛍光体膜方向に延びる閉塞した絶縁基板と、からなり、電界放出型電子源から放出される電子が蛍光体膜内に進入することで蛍光体膜を発光させる電界放出型発光装置であって、前記ゲート電極と絶縁基板の蛍光体膜側の一端部との間には電界制御電極が設けられており、かつ、該一端部は帯電部が形成されており、前記閉塞した絶縁基板の内部であって、かつ前記帯電部と同一レベルまたは略同一レベルには電界放出型電子源から放出された電子が衝突して帯電する帯電体が配設されていることを特徴とするものである。

本発明の電界放出型発光装置は、自動車のヘッドランプやリアコンビネーションランプなど、比較的大面積で高輝度発光が要求される用途に好適である。かかる自動車のヘッドランプ等への適用に際しては、簡素な構成であること、および多数の外部電極を使用しないこと、などが車両搭載への必要条件となる。

そのために、本発明の電界放出型発光装置は、カソード電極及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）層からなる電界放出型電子源と、該電界放出型電子源に間隔を置いて対向配置されたアノード電極及び蛍光体膜と、該間隔内に配設されたゲート電極と、電界放出型電子源から蛍光体膜方向に延びる閉塞した絶縁基板と、を構成部材とし、絶縁基板の内部であって、かつ絶縁基板の前記一端部と同一レベルまたは略同一レベルには電界放出型電子源から放出された電子が衝突して帯電する帯電体を配設したシンプルな構成からなるものである。すなわち、本発明では、帯電体を適所に配設するだけの簡素な構成で、蛍光体膜へ提供される電子が蛍光体膜の一部に局所的に集中するのを防止することができ、その局所的な劣化を防止して輝度ムラの発生を効果的に抑制するものである。

上記装置のより具体的な構成は、平面視正方形もしくは矩形の格子状の絶縁基板で画成された各セル内に、電界放出型電子源とゲート電極、帯電体が配設され、各セルの集合体と同程度の面積のアノード電極及び蛍光体膜が絶縁基板端部から所定の離間を置いて配設されて電界放出型発光装置が構成される。なお、帯電体は、例えば平面視正方形の格子の絶縁基板の中央に配設される。

カソード電極及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）層から引き出された電子は電界制御電極によって加速されて絶縁基板の端部を通過してアノード電極側に提供されるが、帯電体を配設することにより、絶縁基板の一端部にのみ通過電子が衝突して帯電することなく帯電体にも通過電子が衝突する結果、アノード電極（陽極）近傍の電界分布を均一にすることができる。その結果、均一な量の電子が蛍光体膜に提供され、発光体膜の輝度を均一にすることができる。

ここで、帯電体は、例えばガラス、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ等の絶縁材料、およびそれらの混合材料から成形することができ、その形状は、直方体、球体など、適宜の形状を選定することができる。

また、帯電体の配設レベルは、絶縁基板端部と同レベルであってもよいし、例えば、絶縁基板端部よりもアノード電極側の位置であってもよい。かかるレベル位置に帯電体を配設することにより、電子の効果的な拡散効果、すなわち、蛍光体膜へ均一な量の電子を提供できるという効果が得られる。

また、本発明による電界放出型発光装置の好ましい実施の形態において、前記帯電体は柱状体に成形されており、カソード電極からアノード電極に向う方向の該柱状体の高さをＨ１とし、電界制御電極の位置するレベルから前記絶縁基板の一端部までの長さをＨ２とした場合に、Ｈ１／Ｈ２が０．１〜０．２の範囲に設定されていることを特徴とするものである。

本発明者等の解析によれば、柱状体（例えば直方体）の帯電体を用意し、そのうち、アノード電極〜カソード電極に沿う方向の長さ（高さ）をＨ１、電界制御電極の位置するレベルから絶縁基板の一端部までの長さをＨ２とした場合に、Ｈ１／Ｈ２が０．１〜０．２の範囲にあるときにアノード電極近傍の電界分布の振れ幅が極小ないしはゼロとなり、電子放出の均一性が得られるという解析結果が得られている。

したがって、本発明の電界放出型発光装置によれば、格子状の絶縁基板内部に帯電体を設けることに加えて、帯電体の高さと絶縁基板の一部の長さの相対寸法を上記範囲に設定することで、蛍光体膜へ提供される電子量の均一性をより一層高めることができる。

さらに、本発明による電界放出型発光装置の好ましい実施の形態において、電界制御電極の位置するレベルから前記絶縁基板の一端部までの長さをＨ２とし、電界制御電極の位置するレベルから前記アノード電極までの長さをＨ３とした場合に、Ｈ２／Ｈ３が０．３〜０．４の範囲に設定されていることを特徴とするものである。

本発明者等の解析によれば、電界制御電極の位置するレベルから前記絶縁基板の一端部までの長さをＨ２とし、電界制御電極の位置するレベルから前記アノード電極までの長さをＨ３とした場合に、Ｈ２／Ｈ３が０．３〜０．４の範囲にあるときにアノード電極近傍の電界分布の振れ幅が極小ないしはゼロとなり、電子放出の均一性が得られるという解析結果が得られている。ここで、Ｈ３の長さを２．０ｍｍとすると、Ｈ２の長さは、０．５〜１．０ｍｍ程度の範囲となる。

したがって、本発明の電界放出型発光装置によれば、格子状の絶縁基板内部に帯電体を設けることに加えて、電界制御電極〜絶縁基板端部までの長さと電界制御電極〜アノード電極までの長さの相対寸法を上記範囲に設定することで、蛍光体膜へ提供される電子量の均一性をより一層高めることができる。なお、上記するＨ１／Ｈ２を０．１〜０．２の範囲に設定するとともに、Ｈ２／Ｈ３を０．３〜０．４の範囲に設定することにより、より一層高い効果が得られることは明らかである。

以上の説明から理解できるように、本発明の電界放出型発光装置によれば、閉塞した絶縁基板の内部で該絶縁基板と同程度のレベル位置に帯電体を設けるだけの簡素な構成で、発光体膜の輝度を均一にすることができる。

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は本発明の電界放出型発光装置を構成するセルの内部構造を示した縦断図であり、図２は図１に示すセルから構成される本発明の電界放出型発光装置の帯電体レベルにおける平面図である。図３ａは従来の電界放出型発光装置内の電子の流れを示した模式図であり、図３ｂは本発明の電界放出型発光装置内の電子の流れを示した模式図である。図４は図３ｂにおけるＨ１と、Ｈ２の比を変化させた場合のアノード電極近傍の電界分布の触れ幅に関する解析結果を示したグラフである。図５は電界制御電極から絶縁基板端部までの長さをＨ２、電界制御電極からアノード電極までの長さをＨ３とし、Ｈ２とＨ３の比を変化させた場合のアノード電極近傍の電界分布の触れ幅を解析するためのモデルの模式図であり、図６は、図５のモデルに基づく解析結果を示したグラフである。

図１は、電界放出型発光装置を構成するセル１の構造を説明するための縦断図である。このセル１は、カソード電極４２とＣＮＴ層４１とからなる冷陰極電界放出型電子源（以下、電子源４という。）、アノード電極６２および蛍光体膜６１、これらの間でセル１を画成する平面視格子状に閉合された絶縁基板２、絶縁基板２の途中レベルに介在する電界制御電圧３、電子をＣＮＴ層４１から取り出すためのゲート電極５、さらに、絶縁基板２の端部の帯電部２ａと同レベルであって格子状の絶縁基板２の中央に配設された帯電体７から大略構成されている。電界放出型発光装置（以下、発光装置１０という。）は図２に示すように、多数のセル１，１，…が格子状の絶縁基盤２（帯電部２ａ）で画成された態様で構成されている。この蛍光体膜６１とカソード電極４２間は例えば１０数ｍｍ程度に設定されており、蛍光体膜６１側に設けられる不図示の全面パネル、およびカソード電極４２側に設けられる不図示の背面パネルと側壁を構成する不図示のスペーサパネルが気密に封止されて真空容器の発光装置１０が形成される。なお、図２は、図１における帯電部２ａ、帯電体７のレベルから見た平面図である。

電圧の印加態様は、カソード電極４２に−２００Ｖ程度、ゲート電極５に５００Ｖ程度、電解制御電極３に１４００Ｖ程度、アノード電極６２に１０ｋＶ程度とし、ゲート電極５に電圧を印加することで電子源４から電子が放出され、ゲート電極５およびアノード電極６２にて加速された電子が蛍光体膜６１内に進入することで該蛍光体膜６１が発光する。なお、電解制御電極３を設けることで、ＣＮＴ層４１からの均一な電子の引き出し効果が得られる。

陰極から引き出された電子は、閉合した絶縁基板２内を陽極側へ移動し、電界制御電極３を通り、絶縁基板２端部の帯電部２ａレベルに到達する。このレベルには、図１，２に示す立方体または直方体の帯電体７が任意の取り付け態様にて配設されている。従来の電界放出型発光装置では、この帯電体７が存在しないため、帯電部２ａに電子が衝突する結果、帯電部２ａ近傍の電界集中によってアノード電極付近の電界分布も均一とならず、蛍光体膜への局所的な電子の進入によってその発光が不均一となっていた。本発明の発光装置１０では、各セル１，…内で帯電部２ａと同レベル位置に帯電体７が配設されることにより、この帯電体７にも電子が衝突して帯電する結果、帯電部２ａ近傍のみならずセル１の中央にも電界分布が生じてセル１の全体で均一な電界状態が励起されることになる。そのため、蛍光体膜６１へは電子が均一に進入することとなり、蛍光体膜６１全体の均一な発光が齎される。

図３は、従来の電界放出型発光装置内の電子の流れと図１，２に示す本発明の発光装置１０（のセル１）内の電子の流れを示した図であり、図３ａは従来例を、図３ｂは発光装置１０の場合をそれぞれ示している。

図３ａに示すように、従来の発光装置１’，…から構成される発光装置１０’では、上記するように絶縁基板２端部の帯電部２ａ近傍に電界が局所的に生じる結果、絶縁基板２内を通過した電子線は帯電部２ａ近傍の蛍光体膜６１内に集中して進入する傾向にあった（図中の矢印が電子線を示す）。

それに対して、図３ｂに示す発光装置１０のセル１内では、帯電部２ａ近傍のみならず、セル中央の帯電体７にも帯電する結果、電子線は蛍光体膜６１の全域に拡散して進入することとなり、蛍光体膜６１が均一に発光することができる（図中の矢印が電子線を示す）。

[帯電体の高さ（Ｈ１）と電解制御電極〜絶縁基板端部までの長さ（Ｈ２）との比、とアノード電極近傍の電界分布の触れ幅に関する解析結果]
本発明者等は、直方体または立方体に成形された帯電体の高さをＨ１，電解制御電極から絶縁基板端部までの長さをＨ２とし、Ｈ１／Ｈ２をパラメータとしてアノード電極近傍の電界分布の触れ幅を解析した。電界分布の触れ幅が少ないということは電子が均一に蛍光体膜に進入することを意味するものであり、したがって、電界分布の触れ幅がゼロであることが望ましい結果と言える。解析結果を図４に示す。

図４より、Ｈ１／Ｈ２が０．０５（５％）〜０．３（３０％）の範囲で電界振れ幅は０．０５％以下となり、振れ幅は小さくなることが特定された。中でも、Ｈ１／Ｈ２が０．１〜０．２の範囲で０．０１％未満となり、Ｈ１／Ｈ２が０．１７で振れ幅はゼロとなる。この解析結果より、Ｈ１／Ｈ２の設定範囲を０．１〜０．２の範囲とすることで、蛍光体膜へ進入する電子の均一性をよい一層高めることができると特定された。

[電界制御電極〜絶縁基板端部までの長さ（Ｈ２）と電界制御電極〜アノード電極までの長さ（Ｈ３）との比、とアノード電極近傍の電界分布の触れ幅に関する解析結果]
本発明者等はさらに、帯電体を考慮せずに、従来の発光装置１’における電界制御電極から絶縁基板端部までの長さ（Ｈ２）と電界制御電極からアノード電極までの長さ（Ｈ３）の比に注目し、Ｈ２／Ｈ３をパラメータとしてアノード電極近傍の電界分布の触れ幅を解析した。解析モデルを図５に示し、解析結果を図６に示す。

図６より、Ｈ２／Ｈ３が０．３〜０．３７の範囲で振れ幅はほぼゼロとなり、０．３〜０．４の範囲としてもその値は極めて小さくなるという結果が得られた。この解析結果より、Ｈ２／Ｈ３の設定範囲を０．３〜０．４の範囲とすることで、蛍光体膜へ進入する電子の均一性をより一層高めることができると特定された。

また、図４、図６双方の解析結果より、帯電体を具備し、Ｈ１／Ｈ２の設定範囲を０．１〜０．２の範囲とし、Ｈ２／Ｈ３の設定範囲を０．３〜０．４の範囲とすることで最も高品質な発光装置を得ることができる。

本発明の発光装置１０は、その構造が比較的シンプルであり、かつ、セルの数を調整することで大面積の蛍光体膜を均一に発光させることが可能であることから、自動車のヘッドランプやリアコンビネーションランプなど、比較的大面積で高輝度発光が要求される用途に好適となる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明の電界放出型発光装置を構成するセルの内部構造を示した縦断図である。 図１に示すセルから構成される本発明の電界放出型発光装置の帯電体レベルにおける平面図である。 （ａ）は従来の電界放出型発光装置内の電子の流れを示した模式図であり、（ｂ）は本発明の電界放出型発光装置内の電子の流れを示した模式図である。 図３ｂにおけるＨ１と、Ｈ２の比を変化させた場合のアノード電極近傍の電界分布の触れ幅に関する解析結果を示したグラフである。 電界制御電極から絶縁基板端部までの長さをＨ２、電界制御電極からアノード電極までの長さをＨ３とし、Ｈ２とＨ３の比を変化させた場合のアノード電極近傍の電界分布の触れ幅を解析するためのモデルの模式図である。 図５のモデルに基づく解析結果を示したグラフである。

符号の説明

１…セル、２…絶縁基板、２ａ…帯電部、３…電界制御電極、４…電子源、４１…ＣＮＴ層、４２…カソード電極、５…ゲート電極、６１…蛍光体膜、６２…アノード電極、７…帯電体、１０…発光装置

Claims (2)

1. 真空容器内に配設され、かつカソード電極及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）層からなる電界放出型電子源と、該電界放出型電子源に間隔を置いて対向配置されたアノード電極及び蛍光体膜と、該間隔内に配設されたゲート電極と、電界放出型電子源から蛍光体膜方向に延びる閉塞した絶縁基板と、からなり、電界放出型電子源から放出される電子が蛍光体膜内に進入することで蛍光体膜を発光させる電界放出型発光装置であって、
   前記ゲート電極と絶縁基板の蛍光体膜側の一端部との間には電界制御電極が設けられており、かつ、該一端部は帯電部が形成されており、
   前記閉塞した絶縁基板の内部であって、かつ前記帯電部と同一レベルまたは略同一レベルには電界放出型電子源から放出された電子が衝突して帯電する帯電体が配設されており、
   前記帯電体は柱状体に成形されており、カソード電極からアノード電極に向う方向の該柱状体の高さをＨ１とし、電界制御電極の位置するレベルから前記絶縁基板の一端部までの長さをＨ２とした場合に、Ｈ１／Ｈ２が０．１〜０．２の範囲に設定されていることを特徴とする電界放出型発光装置。
2. 電界制御電極の位置するレベルから前記絶縁基板の一端部までの長さをＨ２とし、電界制御電極の位置するレベルから前記アノード電極までの長さをＨ３とした場合に、Ｈ２／Ｈ３が０．３〜０．４の範囲に設定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発光装置。

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