JP5347938B2 - 発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界電子放出型の発光装置に関する。

近年、白熱電球、蛍光灯といった従来の発光装置に対し、冷陰極電子放出源から電界放出された電子で蛍光体を励起発光させる発光装置が開発されており、電界放出型照明ランプ（Ｆｅｉｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｌａｍｐ）として知られている。

上述したような電界放出型照明ランプである発光装置において、アノード電極をカソード電極の両面に配置した両面発光型の発光装置が提案されている。

例えば、電界電子放出型の発光装置として、装置中央にカソード電極を配置、カソード電極の両面にナノ炭素材料を成膜し、このカソード電極と対向する両面に２枚のアノード電極を設けた構造の発光装置が提案されている（特許文献１参照）。

一方、ナノ炭素材料の製造方法として、固体基板と有機液体が急激な温度差をもって接触することから生じる特異な界面分解反応に基づいており、精製が不要な高純度のカーボンナノチューブを合成することが出来る固液界面接触分解法が提案されている。（特許文献２参照）。

特開２００２−３０４９６１号公報 特開２００８−２１４１４１号公報

しかしながら、従来の両面発光型の発光装置では、カソード電極に電子放出源を形成する必要があった。このため、カソード電極の両面に対しそれぞれ、スパッタ、化学的気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）、フォトリソグラフィーなどの各種薄膜形成プロセスを組み合わせて電子放出源を形成していた。

そこで、本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、両面発光に適した構成の発光装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態は、電界電子放出型の発光装置において、電子放出源を有するカソード電極と、前記電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極と、を備え、前記カソード電極は、表面層、触媒層および背面層の層構造を有する多層基板に、前記表面層、前記触媒層および前記背面層を貫通する貫通孔を設け、前記貫通孔により露出された触媒層の表面に電子放出源を形成したカソード電極であり、前記アノード電極は、第１アノード電極と第２アノード電極とを、前記カソード電極の前記貫通孔を介して対向するように配置されたアノード電極であることを特徴とする発光装置である。

また、上述の発光装置にあって、更に、前記カソード電極と第１アノード電極との間に形成され、前記貫通孔に対応する部位にゲート開口部を有する第１ゲート電極と、前記カソード電極と第２アノード電極との間に形成され、前記貫通孔に対応する部位にゲート開口部を有する第２ゲート電極と、を備えていてもよい。

また、上述の発光装置にあって、前記電子放出源は、前記触媒層の表面に対し垂直に配向されたナノ炭素材料より形成されていてもよい。

また、上述の発光装置にあって、前記表面層および前記背面層は絶縁体であってもよい。

また、上述の発光装置にあって、前記貫通孔は、触媒層の孔径が表面層の孔径および背面層の孔径より小さい貫通孔であってもよい。

本発明の発光装置は、貫通孔により露出された触媒層の表面に電子放出源を形成したカソード電極を備えることにより、貫通孔が開口する両面に対し、電子放出源から電子放出を行なうことが出来る。このため、カソード電極の両面に対し、加工を行なう必要がなく、従来の方法と比較してより簡便、安価な方法で両面発光型の発光装置を製造することが可能になる。

本発明の発光装置の一例を示す斜視図である。 本発明の発光装置の一例を示す断面図である。 本発明の発光装置の一例を示す断面図である。 本発明の発光装置におけるカソード電極の製造工程を示す断面工程図である。 本発明の発光装置におけるカソード電極の一例を示す斜視図である。 本発明の発光装置におけるカソード電極の一例を示す斜視図である。 本発明の発光装置におけるカソード電極の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の発光装置について、具体的に図１の一例を用いながら説明を行なう。
図１に示す本発明の発光装置は、貫通孔１６を有するカソード電極１８の両面に対向するように第１アノード電極３２および第２アノード電極３５が、それぞれスペーサ４１、スペーサ４３を介して設けられている。

また、カソード電極１８と第１アノード電極３２との間には外部電源５１が、カソード電極１８と第２アノード電極３５との間には外部電源５３が発光容器（不図示）外部よりそれぞれ接続されており、両電極間に印加する電圧を任意に設定することが出来る。外部電源５１によってカソード電極１８と第１アノード電極３２との間に、外部電源５３によってカソード電極１８と第２アノード電極３５との間に、それぞれ直流電圧を印加することにより、カソード電極１８の貫通孔１６の内部に成膜した電子放出源１７からフィールドエミッションにより電子が放出される。放出された電子は、第１アノード電極３２上の第１蛍光体層３３、および第２アノード電極３５上の第２蛍光体層３６に入射する。このとき第１蛍光体層３３および第２蛍光体層３６より光が放出され、この光はそれぞれ第１アノード電極３２および第１アノード基板３１を、第２アノード電極３５および第２アノード基板３４を透過してランプ外部に放たれる。

第１アノード電極３２および第２アノード電極３５は、酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化スズなどのような透明導電膜であり、それぞれ第１アノード基板３１上および第２アノード基板３４上にスパッタ、真空蒸着、レーザーアブレーション、イオンプレーティング、ＣＶＤ、スプレー法、ディップ法などにより成膜されている。また、第１アノード基板３１および第２アノード基板３４は、ガラス、アクリル樹脂、ポリカーボネートなどのような透明度の高い材料で構成されている。

第１アノード電極３２および第２アノード電極３５において、それぞれナノ炭素材料複合基板１８と対向する面には、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化イットリウムなどの微粒子の分散溶液をインクジェット、スクリーン印刷などで塗布し、その後乾燥、焼成させることにより第１蛍光体層３３および第２蛍光体層３６が成膜されている。

また、第１蛍光体層３３および第２蛍光体層３６を成膜する領域及びその形状については、必ずしも図１および図２の形態に限定される必要はない。第１アノード電極３２および第２アノード電極３５上において垂直な方向から観察したとき、少なくともナノ炭素材料複合基板１８の開口部１６の直上に成膜されていることが好ましい。

また、カソード電極１８と、第１アノード電極３２との間、カソード電極１８と第２アノード電極３５との間に、絶縁体であるスペーサを設けても良い。 図２に、スペーサを設けた場合における本発明の発光装置の一例を示す。
図２では、第１アノード電極３２、スペーサ４１、カソード電極１８、スペーサ４３、第２アノード電極３５は、この順序で重ね合わせられ、真空排気された発光容器（不図示）中に設置される。

スペーサ４１およびスペーサ４３は、それぞれカソード電極１８と第１アノード電極３２との間、カソード電極１８と第２アノード電極３５との間に設けられ、絶縁層の役割を果たす。スペーサ４１およびスペーサ４３は、導電性を持たない材料、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ジルコニウムなどのセラミック材料、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアセタール、ポリエーテルイミドなどの樹脂材料、などにより構成されている。

スペーサ４１およびスペーサ４３は、上記のような材料に対して機械加工、エッチング、スクリーン印刷などのような手法を用いて作製される。また、それぞれ第１アノード電極３２とカソード電極１８の間、第２アノード電極３５とカソード電極１８の間の絶縁が保たれ、なおかつカソード電極１８の開口部１６を塞がないような形状であればよく、適宜形状・寸法など設計し、決定してよい。

なお、カソード電極１８において表面層１２および背面層１４が導電性を持たない絶縁体により構成されている場合、表面層１２および背面層１４をスペーサとして活用することが出来、図２に示す構成において、スペーサ４１およびスペーサ４３を省略することが可能であり、電界電子放出型ランプの製造プロセスをより簡略化することが出来る。

また、更に、前記カソード電極と第１アノード電極との間に形成され、前記貫通孔に対応する部位にゲート開口部を有する第１ゲート電極と、前記カソード電極と第２アノード電極との間に形成され、前記貫通孔に対応する部位にゲート開口部を有する第２ゲート電極と、を備えた３極構成の発光装置としてもよい。
第１ゲート電極２１および第２ゲート電極２２を備えた本発明の発光装置の一例について、図３に例示する。

図３に示す本発明の発光装置の一例では、カソード電極１８を中心として、その両面に第１ゲート電極２１および第２ゲート電極２２が、それぞれスペーサ４２、スペーサ４４を介して設けられており、さらにそれぞれその外側に、スペーサ４１を介して第１アノード電極３２が、スペーサ４３を介して第２アノード電極３５が、それぞれ設けられており、真空排気された発光容器（不図示）中に設置されている。

第１ゲート電極２１および第２ゲート電極２２は、銅、アルミニウム、ニッケル、鋼、ステンレス、インバー、コバールなどのような金属材料で構成されている。第１ゲート電極２１および第２ゲート電極２２はそれぞれ、ナノ炭素材料複合基板１８から電子を放出させ、この電子を第１アノード電極３２、第２アノード電極３５の方向へと導くための金属材料で構成された平板状電極である。

第１ゲート電極２１および第２ゲート電極２２は、金属材料に対して機械加工、エッチング、スクリーン印刷などの手法によって開口部２３を形成することによって作製される。このとき、開口部２３を形成する領域及びその形態については、必ずしも図３の形態に限定される必要はなく、円形、矩形、ライン状など任意の形態で形成して差し支えない。あるいは、ナノ炭素材料複合基板１８に形成されている開口部１６と同一のパターンで形成されていても良い。

また、上記のように金属材料に対して開口部２３を形成することで第１ゲート電極２１および第２ゲート電極２２を作製する代わりに、金属材料からなるメッシュを第１ゲート電極２１および第２ゲート電極２２として用いてもよい。

本発明の発光装置は、表面層、触媒層および背面層の層構造を有する多層基板に、前記表面層、前記触媒層および前記背面層を貫通する貫通孔を設け、前記貫通孔により露出された触媒層の表面に電子放出源を形成したカソード電極を有する。
本発明の発光装置で用いられているカソード電極は、電子放出源がパターニングして成膜されており電界が集中しやすく、優れた電子放出特性が期待できること、また個々のナノ炭素材料は基板の表面層によって保護されており、優れた耐久性が期待できる。よって、電界電子放出型ランプの発光特性並びに耐久性を向上させることが出来る。

以下、本発明のカソード電極として、電子放出源としてナノ炭素材料を形成したカソード電極について、具体的に説明を行なう。

＜基板準備工程＞
まず、多層基板１１の準備を行う（図４（ａ））。
本発明に用いられる多層基板１１は、表面層１２、触媒層１３、背面層１４、の少なくとも３層を有する。

触媒層１３は、ナノ炭素材料を成膜するための触媒能を持つ材料で構成されている。具体的には鉄、ニッケル、コバルト、およびこれらの金属のうち少なくとも一種類を含むような合金材料、などを用いることができる。

表面層１２および背面層１４は、ナノ炭素材料を成膜するための触媒能を持たない材料で構成されている。具体的には銅、アルミニウム、亜鉛、クロム、マグネシウム、シリコンなどの金属材料、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化ジルコニウムなどのセラミック材料、ポリイミド、ポリイミドアミド、ポリアセタール、ポリエーテルイミドなどの樹脂材料、などを用いることができる。

多層基板１１は、表面層１２、触媒層１３、背面層１４の３種の材料の張り合わせ、背面層１４の表面に触媒層１３を成膜した後で表面層１２と張り合わせ、触媒層１２と背面層１３を張り合わせた後でその表面に表面層１２を成膜、など公知の張り合わせ、接着プロセス、および薄膜形成プロセスなどを適宜用いることによって作製される。
例えば、（１）銅、鉄‐ニッケル合金、銅の各基板を張り合わせる方法、（２）銅板にニッケルめっきを施した上でニッケルの面を別の銅板に張り合わせる方法、（３）銅板とニッケル板を張り合わせた上でニッケル板の表面に樹脂層を形成する方法、などを用いても良い。

＜触媒層形成工程＞
次に、多層基板１１上に貫通孔１６を形成し、貫通孔１６の側面に触媒層１３を露出させる。貫通孔１６の形成は、エッチング、機械加工など公知のプロセスを適宜用いることによって行われる。

一例として、エッチングを用いた触媒層形成工程について説明する。
まず、表面層１２の表面に所望のパターンでレジスト１５を塗布する（図４（ｂ））。
次に、パターン化されたレジスト１５をマスクとしてエッチングを行い、基板１１表面に貫通孔１６を形成する（図４（ｃ））。
次に、貫通孔１６を形成した後、レジスト１５を除去する（図１（ｄ））。

なお、貫通孔１６の深さおよび形状は、例えばエッチングの方式およびエッチング種などのような反応条件の調整により制御できる。これら諸反応条件の調整により、種々の形状を持つ貫通孔１６を形成することができる。
例えば、図４（ｂ）に示すように、側壁が垂直である形状の貫通孔１６を形成してもよい。
また、図５（ａ）に示すように、側壁がテーパ形状の貫通孔１６を形成してもよい。
また、図５（ｂ）に示すように、触媒層の孔径が表面層の孔径および背面層の孔径より小さい貫通孔１６を形成してもよい。触媒層の孔径が表面層の孔径および背面層の孔径より小さい貫通孔１６を形成した場合、両面に対し、電子放出源より放出された電子が表面層および背面層に阻害されることを抑制することが出来、好適に電子放出を行なうことが出来る。

＜ナノ炭素材料成長工程＞
次に、貫通孔１６の内部に露出させられた触媒層１３の表面にナノ炭素材料１７を成膜することでナノ炭素材料複合基板１８を作製する（図１（ｅ））。このとき、露出させられた触媒層１３の表面にナノ炭素材料１７が垂直配向するような合成方法を採用することが望ましい。
具体的には、（１）基板上に形成された触媒金属粒子上に化学気相蒸着（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）を利用してカーボンナノチューブを配向成長させる方法、（２）有機液体中で遷移金属または遷移金属の酸化物からなる触媒を担持した基板を加熱してその基板上にカーボンナノチューブを合成する固液界面接触分解法、など、があげられる。

図６に、本発明の発光装置におけるカソード電極１８の一例を示す斜視図を示す。
カソード電極１８において電子放出源１７は、貫通孔１６の内部に露出させられた触媒層１３の表面にのみ成膜されるため、触媒層１３の両側に位置する表面層１２および背面層１４によって保護された構造となっている。このため、電子放出を行なうにあたり、衝撃やスパークなどから電子放出源１７を保護することが出来る。

また、図７に、本発明の発光装置におけるカソード電極１８の別の一例を示す斜視図を示す。
図７では、カソード電極１８において貫通孔１６を複数規則的に配列されて形成している。電子放出源１７は貫通孔１６内の触媒層１３表面に形成されることから、貫通孔１６を規則的に配列することで、電子放出源１７を所望するパターンに沿って規則的に形成することが出来る。

本発明の発光装置は、（１）ディスプレイ用途：液晶バックライト、プロジェクタ光源、ＬＥＤディスプレイ光源、（２）シグナル用途：交通信号灯、産業／業務用回転灯・信号灯、非常灯・誘導灯、（３）センシング用途：赤外線センサ光源、産業用光センサ光源、光通信用光源、（４）医療・画像処理用途：医療用光源（眼底カメラ・スリットランプ）、医療用光源（内視鏡）、画像処理用光源、（５）光化学反応用途：硬化・乾燥／接着用光源、洗浄／表面改質用光源、水殺菌／空気殺菌用光源、（６）自動車用光源：ヘッドランプ、リアコンビネーションランプ、内装ランプ、（７）一般照明：オフィス照明、店舗照明、施設照明、舞台照明・演出照明、屋外照明、住宅照明、ディスプレイ照明（パチンコ機、自動販売機、冷凍・冷蔵ショーケース）、機器・什器組込照明、などの用途に用いられる発光装置として利用が期待される。なお、本発明の発光装置の用途は上記用途に限定されるものではない。

１１……多層基板
１２……表面層
１３……触媒層
１４……背面層
１５……レジスト
１６、１６ａ、１６ｂ……貫通孔
１７、１７ａ、１７ｂ……電子放出源
１８、１８ａ、１８ｂ……カソード電極
２１……第１ゲート電極
２２……第２ゲート電極
２３……開口部
３１……第１アノード基板
３２……第１アノード電極
３３……第１蛍光体層
３４……第２アノード基板
３５……第２アノード電極
３６……第２蛍光体層
４１、４２、４３、４４……スペーサ
５１、５２、５３、５４……外部電源

Claims (5)

1. 電界電子放出型の発光装置において、
   電子放出源を有するカソード電極と、
   前記電子放出源から電界放出された電子により励起されて発光する蛍光体を有するアノード電極と、を備え、
   前記カソード電極は、表面層、触媒層および背面層の層構造を有する多層基板に、前記表面層、前記触媒層および前記背面層を貫通する貫通孔を設け、前記貫通孔により露出された触媒層の表面に電子放出源を形成したカソード電極であり、
   前記アノード電極は、第１アノード電極と第２アノード電極とを、前記カソード電極の前記貫通孔を介して対向するように配置されたアノード電極であること
   を特徴とする発光装置。
2. 更に、
   前記カソード電極と第１アノード電極との間に形成され、前記貫通孔に対応する部位にゲート開口部を有する第１ゲート電極と、
   前記カソード電極と第２アノード電極との間に形成され、前記貫通孔に対応する部位にゲート開口部を有する第２ゲート電極と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
3. 前記電子放出源は、前記触媒層の表面に対し垂直に配向されたナノ炭素材料よりなること
   を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の発光装置。
4. 前記表面層および前記背面層は絶縁体であること
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発光装置。
5. 前記貫通孔は、触媒層の孔径が表面層の孔径および背面層の孔径より小さい貫通孔であること
   を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の発光装置。

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