WO2010005026A1 - 発光装置 - Google Patents

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WO2010005026A1
WO2010005026A1 PCT/JP2009/062450 JP2009062450W WO2010005026A1 WO 2010005026 A1 WO2010005026 A1 WO 2010005026A1 JP 2009062450 W JP2009062450 W JP 2009062450W WO 2010005026 A1 WO2010005026 A1 WO 2010005026A1
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electron source
electrode
light
gas
emitting device
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PCT/JP2009/062450
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勉 櫟原
幡井　崇
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パナソニック電工株式会社
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    • H01J63/06—Lamps with luminescent screen excited by the ray or stream
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J63/08—Lamps with gas plasma excited by the ray or stream

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device. Specifically, the gas enclosed in the hermetic container is excited to emit excitation light defined as first light, and the first light has a wavelength different from the first wavelength by the phosphor.
  • the present invention relates to a light emitting device configured to be converted into second light and emitted.
  • the rare gas fluorescent lamp emits light at a lower efficiency than the conventional fluorescent lamp using mercury emits light. Accordingly, in order for the rare gas fluorescent lamp to emit light having a luminance equivalent to that of light emitted by the conventional fluorescent lamp, a high starting voltage and a driving voltage are set between a pair of electrodes arranged inside the hermetic container. Had to be applied.
  • Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2002-150944 discloses another conventional light emitting device.
  • This light-emitting device is provided on an airtight container having a light-transmitting property, a rare gas such as xenon gas enclosed in the airtight container, a pair of discharge electrodes, a field emission electron source, and an inner surface of the airtight container.
  • the hermetic container houses a pair of discharge electrodes and an electron source.
  • the electron source has a pair of drive electrodes.
  • This light-emitting device is configured to drive the electron source to emit electrons to the electron source and subsequently apply a voltage between the pair of discharge electrodes.
  • Such a light emitting device emits the first light with a starting voltage that is about half the starting voltage of the conventional starting voltage.
  • the first light is converted into second light having a wavelength longer than that of the first light by the phosphor layer.
  • the light emitting device in order to cause the light emitting device to emit light, it is necessary to supply electrons of 12.13 eV or more, which is the ionization energy of the xenon gas, to the xenon gas in the hermetic container.
  • the ionization energy of xenon gas is greater than 8.44 eV, which is the excitation energy necessary for generating ultraviolet light from xenon gas. Accordingly, a large voltage is applied between the drive electrodes of the electron source. Therefore, the light emitting device described above cannot achieve low power consumption and cannot increase the light emission efficiency per unit input power. A large voltage applied between the drive electrodes leads to a reduction in the lifetime of the electron source.
  • discharge plasma ions are generated, and the discharge plasma ions collide with and damage the electron source and the phosphor layer, and this collision reduces the life of the light emitting device. Invite.
  • An object of the present invention is to provide a light-emitting device with low power consumption, high efficiency, and long life.
  • the light emitting device of the present invention includes an airtight container, a gas, an electron source, an anode electrode, a control device, and a phosphor.
  • the airtight container has airtightness and translucency.
  • the gas is sealed in an airtight container.
  • the gas is configured to emit first light having a wavelength in the vacuum ultraviolet to visible light range when excited by electrons.
  • the electron source is disposed inside the hermetic container.
  • the electron source has a first drive electrode and a second drive electrode.
  • the electron source is configured to emit the electrons when a driving voltage is applied between the first driving electrode and the second driving electrode.
  • the anode electrode is disposed inside the hermetic container and is disposed to face the electron source.
  • the control device is configured to apply the drive voltage between the first drive electrode and the second drive electrode.
  • the control device is configured to apply an emission voltage between the electron source and the anode electrode so that the electrons move to the anode electrode.
  • the phosphor is provided inside the airtight container. The phosphor is configured to be excited by the first light and emit a second light having a wavelength different from that of the first light.
  • the electron source is configured to emit electrons having an energy distribution having a peak energy when the emission voltage is applied. The peak energy is larger than the excitation energy of the gas and smaller than the ionization energy of the gas.
  • the control device adjusts the voltage between the drive electrodes, and causes the electron source to emit electrons having a peak value of an energy distribution that is larger than the excitation energy of the gas and smaller than the ionization energy of the gas.
  • the control device excites the gas without discharging the gas.
  • the excited gas emits excitation light that is first light.
  • the first light emitted from the gas is applied to the phosphor, and thereby the phosphor converts the first light into second light having a wavelength different from the wavelength of the first light.
  • This second light is emitted from the hermetic container. Therefore, the light emitting device can emit light by applying a voltage between the drive electrodes, which is lower than the voltage necessary for discharging the gas to cause the phosphor to emit light. Therefore, a light emitting device with low power consumption and high light emission efficiency can be obtained.
  • the ions in the discharge plasma do not damage the electron source or the phosphor layer. Therefore, a long-life light emitting device can be obtained.
  • the gas is preferably sealed in the airtight container so as to have a pressure of 2 kPa to 20 kPa.
  • gas discharge can be prevented.
  • the light emission efficiency of the light emitting device can be improved.
  • the gas is more preferably a rare gas.
  • This gas is sealed in the hermetic container so as to have a predetermined pressure.
  • the predetermined pressure of the gas is set so as to form an excimer when the gas is excited.
  • control device is configured to apply the rectangular wave driving voltage to the electron source, thereby giving the electron source an on state and an off state.
  • the electron source is configured to emit electrons over an on period in the on state.
  • the electron source is configured to be prohibited from emitting electrons for an off period in the off state.
  • control device drives the electron source intermittently. Therefore, this configuration makes it possible to drive the light emitting device with lower power than that consumed when the electron source is continuously driven.
  • the gas has a characteristic of afterglow over an afterglow period after the electron source is switched from the on state to the off state. Accordingly, the off period is set shorter than the afterglow period.
  • the light emitting device is configured to emit light even during a predetermined period in which the supply of electrons from the electron source is stopped. Therefore, this configuration makes it possible to improve the light emission efficiency of the light emitting device.
  • the electron source is defined as a ballistic electron surface emission electron source.
  • the ballistic electron surface emission electron source includes a lower electrode, a surface electrode, and a strong electric field drift layer.
  • the surface electrode is disposed to face the lower electrode.
  • the surface electrode defines the first drive electrode.
  • the lower electrode defines the second drive electrode.
  • the strong electric field drift layer is disposed between the surface electrode and the lower electrode.
  • the strong electric field drift layer is composed of a large number of semiconductor microcrystals on the order of nanometers and a large number of insulating films.
  • the insulating film is formed on the surface of each semiconductor microcrystal.
  • the insulating film has a film thickness smaller than the crystal grain size of the semiconductor microcrystal.
  • the control device is configured to apply alternating current and the rectangular wave driving voltage to the electron source.
  • the electron source is alternately given a first period and a second period.
  • the control device is configured to apply a forward bias voltage between the drive electrodes, whereby electrons are supplied from the electron source into the hermetic container.
  • the control device is configured to apply a reverse bias voltage between the drive voltages, whereby electrons trapped in the trap in the strong electric field drift layer are emitted to the lower electrode. Is done.
  • the electron source when the electron source is alternately given the first period and the second period, the relaxation of the electric field due to the electrons trapped in the traps in the strong electric field drift layer is suppressed, and thereby the length of the electron source is increased. Life expectancy is achieved.
  • the control device is preferably configured to apply the rectangular wave emission voltage synchronized with the drive voltage between the anode electrode and the electron source.
  • This configuration enables the light emitting device to be driven with lower power consumption than when the constant voltage is applied between the anode electrode and the electron source.
  • control device is configured to apply the discharge voltage between the anode electrode and the electron source so that the potential of the anode electrode is higher than the potential of the electron source. Accordingly, the voltage value of the discharge voltage in the off period is set lower than the voltage value of the discharge voltage in the on period.
  • the electron source can be operated with low power consumption.
  • this configuration can extract electrons to the anode electrode during the off period.
  • the distance between the electron source and the anode electrode is preferably set larger than the Paschen minimum.
  • FIG. 1 is a schematic view of the light emitting device of this embodiment.
  • the light emitting device of the present embodiment includes an airtight container 1, an electron source 2, an anode electrode 3, a phosphor layer 4, and a control device 5.
  • the airtight container 1 has translucency and has airtightness.
  • the hermetic container 1 has a gas sealed therein. When excited, this gas has a wavelength in the vacuum ultraviolet to visible light range and emits excitation light defined as first light. This gas is made of, for example, xenon.
  • the electron source 2 is configured to supply electrons for exciting the gas into the hermetic container 1 by applying a driving voltage between the surface electrode 27 and the lower electrode 25.
  • the anode electrode 3 is made of a transparent electrode made of ITO or the like, and is disposed facing the electron source 2.
  • the phosphor layer 4 is configured to convert the first light into second light that has a wavelength longer than that of the first light and is visible light. This second light is emitted to the outside of the airtight container 1 having translucency.
  • the control device 5 is configured to apply a voltage between the surface electrode 27 and the lower electrode 25 of the electron source, and a voltage applied between the surface electrode 27 and the anode electrode 3 of the electron source. Configured to adjust.
  • the control device 5 is configured to apply a voltage between the anode electrode 3 and the surface electrode 27 of the electron source 2, and between the anode electrode 3 and the surface electrode 27 of the electron source 2. It is configured to adjust the applied voltage.
  • the surface electrode 27 defines a drive electrode in cooperation with the lower electrode 25.
  • the surface electrode 27 constitutes a first drive electrode
  • the lower electrode 25 constitutes a second drive electrode.
  • the airtight container 1 includes a rear plate 11, a face plate 12, and a spacer 13.
  • the rear plate 11 is made of a light-transmitting material such as glass and is formed in a rectangular plate shape.
  • the face plate 12 is made of a light-transmitting material such as glass, and is disposed to face one surface side of the rear plate 11 and is formed in a rectangular plate shape.
  • the spacer 13 is interposed between the rear plate 11 and the face plate 12, and is formed in a rectangular frame shape.
  • the rear plate 11 has the electron source 2 disposed on one surface facing the face plate 12.
  • the face plate 12 is provided with an anode electrode on one surface facing the rear plate 11.
  • the anode electrode 3 is provided with a phosphor layer 4 on one surface facing the rear plate 11.
  • the shape of the airtight container 1 is not restricted to the said shape.
  • the material of the rear plate 11, the face plate 12, and the spacer 13 is not limited to glass, and may be, for example, a translucent ceramic.
  • the airtight container 1 is entirely formed of a translucent material.
  • the hermetic container 1 does not necessarily need to be formed of a material having translucency as a whole.
  • the airtight container 1 should just be formed at least partially by the translucent material.
  • the electron source 2 is a ballistic electron surface-emitting device (BSD).
  • the ballistic electron surface emission type electron source includes the lower electrode 25, the surface electrode 27, and a strong electric field drift layer 26 interposed between the lower electrode 25 and the surface electrode 27.
  • the lower electrode 25 is made of a metal film such as tungsten.
  • the surface electrode is made of, for example, Au, and is made of a conductive thin film having a thickness of about 10 nm to 15 nm.
  • the materials of the lower electrode 25 and the surface electrode 27 are not limited to the materials described above.
  • the lower electrode 25 and the surface electrode 27 may each be a single layer or multiple layers.
  • the strong electric field drift layer 26 includes at least a grain (semiconductor crystal) 261, a silicon oxide film 262, a silicon microcrystal 263, and a silicon oxide film 264.
  • the grain 261, the silicon oxide film 262, the silicon microcrystal (semiconductor microcrystal) 263, and the silicon oxide film 264 are provided between the lower electrode 25 and the surface electrode 27.
  • the grains 261 are made of polycrystalline silicon and arranged in a columnar shape on the surface side of the lower electrode 25.
  • the grain 261 is provided with a thin silicon oxide film 262 on the surface thereof.
  • a number of nanometer order silicon microcrystals 263 are interposed between each grain 261.
  • Each silicon microcrystal 263 has a large number of silicon oxide films 264 formed on the surface thereof.
  • This silicon oxide film 264 is an insulating film having a film thickness smaller than the crystal grain size of the silicon microcrystal 263.
  • Each grain 261 extends in the thickness direction of the lower electrode 25. That is, each grain 261 extends along the thickness direction of the rear plate 11.
  • the control unit 5 a controls the driving power source Vps so that the surface electrode 27 and the lower electrode have a potential higher than that of the lower electrode 25.
  • a drive voltage is applied between the two.
  • a driving voltage is applied between the surface electrode 27 and the lower electrode 25
  • electrons are injected from the lower electrode 25 into the strong electric field drift layer 26.
  • the electrons injected into the strong electric field drift layer 26 drift and are then emitted through the surface electrode 27.
  • electrons can also be emitted from the electron source 2 by applying a low voltage of about 10 to 20 V to the driving power source Vps between the surface electrode 27 and the lower electrode 25.
  • the electron source 2 of the present embodiment is characterized in that the electron emission characteristic is low in vacuum degree dependency, and a popping phenomenon does not occur during electron emission, and electrons can be stably emitted with high electron emission efficiency. Have.
  • the electron source described above emits electrons as described below. That is, a voltage is applied between the surface electrode 27 and the lower electrode 25 so that the surface electrode 27 has a higher potential than the lower electrode 25.
  • a voltage is applied to the lower electrode 25
  • electrons e ⁇ are injected from the lower electrode 25.
  • most of the electric field generated in the strong electric field drift layer 26 is applied to the silicon oxide film 264. Therefore, the injected electron e ⁇ receives a force directed to the arrow in FIG. 2 due to the strong electric field generated in the silicon oxide film 264.
  • the electron e ⁇ that has received the force toward the arrow drifts in the direction of the arrow in the region between the grains 261 of the strong electric field drift layer 26 toward the surface.
  • the drifted electron e ⁇ passes through the surface electrode 27 and is emitted.
  • the electrons e ⁇ injected from the lower electrode 25 are almost scattered by the silicon microcrystal 263, and are accelerated and drifted by the electric field generated in the silicon oxide film 264. Electrons e ⁇ are emitted through the surface electrode 27. This is the so-called ballistic electron emission phenomenon. Further, the heat generated in the strong electric field drift layer 26 is released through the grains 261. Therefore, no popping phenomenon occurs when electrons are emitted. Thereby, electrons can be stably emitted.
  • the silicon oxide film 264 constitutes an insulating film, and this insulating film is formed by an oxidation process.
  • the insulating film can be formed by a nitriding process instead of the oxidation process.
  • a silicon nitride film is formed as an insulating film.
  • the insulating film can be formed by an oxynitriding process instead of the oxidation process.
  • a silicon oxynitride film is formed as an insulating film instead of the silicon oxide film 262 and the silicon oxide film 264.
  • the electron source 2 is directly formed on one surface side of the rear plate 11 made of a glass substrate.
  • an electron source composed of a silicon substrate and an ohmic electrode on the back side of the silicon substrate can also be employed.
  • Such an electron source is also arranged on the one surface side of the rear plate 11.
  • the control device 5 described above includes a drive power supply Vps, an anode electrode power supply Va, and a control means 5a.
  • the driving power source Vps is configured to apply a voltage between the surface electrode 27 and the lower electrode 25 of the electron source 2.
  • the anode electrode power supply Va is configured to apply a voltage between the anode electrode 3 and the surface electrode 27 of the electron source 2.
  • the control means 5a comprises a microcomputer or the like, and this microcomputer controls each of the drive power source Vps and the anode electrode power source Va.
  • the control means 5a controls the drive power source Vps to apply a drive voltage to the electron source 2 and controls the anode electrode power source Va so that electrons having an energy distribution having peak energy are emitted from the electron source 2.
  • an emission voltage is applied between the anode electrode 3 and the electron source 2.
  • the drive voltage and the emission voltage are such that the peak energy of the energy distribution of electrons is larger than the excitation energy of xenon gas, which is a gas sealed in the hermetic container 1, and smaller than the ionization energy of xenon gas. Is set. That is, the drive voltage is set so that the peak energy of the electron energy distribution is larger than the excitation energy of the xenon gas and smaller than the ionization energy of the xenon gas.
  • the control means 5a controls the drive power supply Vps to adjust the voltage between the surface electrode 27 and the lower electrode 25, so that the gas is excited without being discharged.
  • the control device 5 controls the driving power source Vps so that the surface electrode 27 and the lower electrode have a higher potential than the potential of the lower electrode 25.
  • a drive voltage is applied between the two.
  • the control device 5 controls the anode electrode power source Va so that the anode electrode 3 has a higher potential than the potential of the surface electrode 27 of the electron source. 27, an emission voltage is applied. Therefore, the electrons e ⁇ emitted from the electron source 2 are subjected to a force by the electric field generated between the anode electrode 3 and the surface electrode 27.
  • the electron e ⁇ is moved toward the anode electrode 3 by receiving a force, and thereby collides with a xenon atom existing between the anode electrode 3 and the surface electrode 27.
  • the energy obtained by the electron emitted from the electron source 2 by the electric field between the anode electrode 3 and the surface electrode 27 is the electric field strength between the anode electrode 3 and the surface electrode 27 and the average movement of electrons in the gas.
  • the electric field strength depends on the voltage applied between the anode electrode 3 and the surface electrode 27 and the distance between the anode electrode 3 and the surface electrode 27.
  • the mean free path depends on the type of gas in the hermetic container 1 and the gas pressure. In this embodiment, the gas pressure is set to 5 kPa, and the mean free path of electrons is short.
  • the energy obtained by the electric field between the anode electrode 3 and the surface electrode 27 by the electrons emitted from the electron source 2 is The peak energy of the energy distribution of electrons emitted from the electron source 2 is small. Therefore, the energy distribution of electrons emitted from the electron source 2 is slightly shifted to the high energy side from the energy distribution of electrons colliding with the gas.
  • a voltage of 20 V is applied between the surface electrode 27 and the lower electrode 25 of the electron source 2 so that the surface electrode 27 has a higher potential than the potential of the lower electrode 25.
  • the electron source As a voltage of 20 V is applied between the surface electrode 27 and the lower electrode 25, the electron source has a peak energy with an energy distribution that is larger than the excitation energy of the xenon gas and smaller than the ionization energy of the xenon gas. Emits electrons.
  • the electrons emitted from the electron source have a peak energy of an electron energy distribution of about 10 eV.
  • the control device 5 applies a voltage between the surface electrode 27 and the lower electrode 25.
  • the electron source that receives the voltage emits electrons having a peak energy with an energy distribution that is larger than the excitation energy of the gas and smaller than the ionization energy of the gas. This electron is indicated by an arrow 500 in FIG.
  • the emitted electrons are excited without discharging the gas filled in the hermetic container 1.
  • the excited gas emits excitation light defined as first light.
  • This first light is indicated by arrow 501 in FIG.
  • the emitted first light is converted by the phosphor layer 4 into second light having a wavelength longer than that of the first light.
  • the second light is emitted from the phosphor layer 4.
  • the light emitting device having this configuration is configured to emit the second light when a low voltage is applied between the surface electrode 27 and the lower electrode 25. Therefore, the light emitting device having this configuration is configured to emit light with lower power than the light emitting device configured to discharge gas and emit light. Therefore, a light emitting device with low power consumption and high light emission efficiency can be obtained. Further, the electron source 2 and the phosphor layer 4 are not damaged by the discharge plasma ions. Therefore, a long-life light emitting device can be obtained.
  • the distance between the electron source 2 and the anode electrode 3 is 1 cm larger than the Paschen minimum. Increasing the distance between the electron source 2 and the anode electrode 3 to be larger than the Paschen minimum makes it difficult to cause gas discharge.
  • the interval between the electron source 2 and the anode electrode 3 is not limited to 1 cm.
  • a ballistic electron surface emission type electron source is provided as the electron source 2.
  • the ballistic electron surface emission electron source can operate stably even in a gas, and can emit electrons having an initial energy of 8.44 eV or more, which is an excitation energy of xenon gas. That is, the initial energy of electrons emitted from the ballistic electron surface emission type electron source can be emitted as an initial energy higher than the initial energy of electrons emitted from the Spindt type electron source as the electron source.
  • a light emitting device including a ballistic electron surface emission type electron source as the electron source 2 can be driven at a lower voltage than a light emitting device including a Spindt type electron source, thereby obtaining a light emitting device with low power consumption. It is done.
  • xenon gas is sealed inside the airtight container 1.
  • This xenon gas is set to have a pressure of 5 kPa.
  • the pressure of this xenon gas is not limited to 5 kPa.
  • 3 (a) to 3 (c) show the results of measuring the emission intensity of ultraviolet light emitted from a light emitting device in which xenon gas having various pressures is sealed, using a photomultiplier tube.
  • the light emitting device used in this experiment includes an airtight container 1, a gas, an electron source 2, an anode electrode 3, and a control device 5. That is, the light emitting device used in this experiment does not include the phosphor layer 4.
  • the control device 5 is configured to apply a voltage of 100 V between the anode electrode 3 and the surface electrode 27.
  • the control device 5 is configured to apply a pulse voltage of 20 V between the surface electrode 27 and the lower electrode 25 so that the surface electrode 27 has a higher potential than that of the lower electrode 25.
  • the discharge of the xenon gas can be prevented by sealing the xenon gas in the hermetic container so as to have a pressure in the range of 2 kPa to 20 kPa, and light emission. Increases efficiency.
  • the hermetic container 1 in which xenon gas having a pressure of 100 Pa and 1 kPa was sealed, discharge was generated, and therefore measurement using a photomultiplier tube was not performed.
  • FIG. 4 shows another example in which the ultraviolet light emission intensity is measured with a photomultiplier tube.
  • the anode electrode 3 is provided 1 cm away from the surface electrode 27.
  • the hermetic container 1 is filled so that the xenon gas has a pressure of 5 kPa.
  • the anode voltage is 0 to 180V, no discharge occurs. That is, it can be seen that discharge can be prevented by setting the converted electric field strength in the range of 0 to 3.6 (V / mPa).
  • These converted electric field strengths are defined by E / p using the electric field strength E (v / m) between the anode electrode 3 and the surface electrode 27 of the electron source 2 and the gas pressure p (Pa).
  • FIG. 4 shows another example in which the ultraviolet light emission intensity is measured with a photomultiplier tube.
  • the anode electrode 3 is provided 1 cm away from the surface electrode 27.
  • the hermetic container 1 is filled so that the xenon gas has a pressure of 5 kP
  • xenon gas which is a kind of rare gas
  • the hermetic container 1 is filled with a gas having a pressure of 5 kPa so that excimer can be produced. Therefore, excimers (excited molecules) are generated in the hermetic container 1 by supplying electrons from the electron source 2 into the hermetic container 1. That is, the Stokes loss in the phosphor of the phosphor layer 4 can be reduced, whereby a light emitting device with improved luminous efficiency can be obtained.
  • control means 5a of this embodiment sends a control signal to the drive power supply Vps.
  • the drive power supply Vps that has received the control signal applies a rectangular-wave drive voltage between the surface electrode 27 and the lower electrode 25 so that the surface electrode 27 has a higher potential than the potential of the lower electrode 25. That is, the drive power supply Vps that has received the control signal supplies the electron source 2 with electrons in the hermetic container 1 and the electrons in the hermetic container 1 by applying a rectangular-wave drive voltage. Are alternately provided with an off state in which the switching is prohibited for a predetermined period. As a result, the electron source 2 that has received the rectangular wave driving voltage periodically supplies electrons into the hermetic container 1.
  • the control device 5 applies a rectangular wave voltage between the surface electrode 27 and the lower electrode 25 so that the surface electrode 27 has a higher potential than the potential of the lower electrode 25.
  • the electron source 2 periodically supplies electrons into the hermetic container 1.
  • the light-emitting device of this embodiment is comprised so that the control apparatus 5 may drive the electron source 2 intermittently. Therefore, with this configuration, a light-emitting device that is driven with lower power consumption than a light-emitting device that includes the control device 5 that is configured to continuously drive the electron source 2 can be obtained.
  • FIG. 6 shows the results of measuring the change over time of the emission intensity of the ultraviolet light emitted from the light emitting device.
  • This measurement was performed by a light emitting device including an airtight container 1, a xenon gas, an electron source 2, an anode electrode 3, and a control device 5, and no phosphor layer 4.
  • the control device 5 is configured to apply a pulse voltage of 20 V between the surface electrode 27 and the lower electrode 25 so that the surface electrode 27 has a higher potential than that of the lower electrode 25.
  • ON in FIG. 6 indicates a period during which a pulse voltage is applied to the electron source 2.
  • 6 indicates a period in which the pulse voltage is not applied to the electron source 2.
  • FIG. 6 shows that afterglow is obtained for about 20 ⁇ sec after the application of the pulse voltage to the electron source 2 is stopped. In short, it can be seen that the afterglow period is about 20 ⁇ sec.
  • FIG. 7 shows the off period time (ie, off time) when the frequency and on-duty of the rectangular wave voltage are changed.
  • the horizontal axis represents frequency
  • the vertical axis represents off time.
  • “A” indicates the relationship between the frequency and the off time when the on-duty is 1%.
  • “B” indicates the relationship between the frequency and the off time when the on-duty is 10%.
  • “C” indicates the relationship between the frequency and the off time when the on-duty is 50%.
  • the electron source 2 supplies electrons even during the off period. Therefore, the gas in the hermetic container 1 is excited by electrons even in the off period, and thereby the excitation of ultraviolet rays is continued even in the off period. Therefore, a light emitting device with improved luminous efficiency can be obtained.
  • the electron source 2 includes the lower electrode 25, the surface electrode 27 facing the lower electrode 25, and the strong electric field drift layer 26 interposed between the lower electrode 25 and the surface electrode 27. And a ballistic electron surface emitting electron source. Therefore, the electron source 2 is applied with a forward bias voltage and a reverse bias voltage having a potential opposite to the forward bias voltage from the control device 5. That is, the control device 5 is configured to apply a forward bias voltage and a reverse bias voltage between the surface electrode 27 and the lower electrode 25. When a forward bias voltage is applied to the electron source 2, the electron source 2 supplies electrons into the hermetic container 1. As the electron source 2 receives a forward bias voltage, electrons are trapped in traps in the strong electric field drift layer 26.
  • the control device 5 alternately gives the electron source 2 the forward period in which the forward bias voltage is applied and the reverse period in which the reverse bias voltage is applied. Thereby, relaxation of the electric field caused by electrons trapped in the trap can be suppressed. Thereby, the lifetime of the electron source 2 can be extended.
  • control device 5 is configured to apply a rectangular wave emission voltage synchronized with the rectangular wave drive voltage between the anode electrode 3 and the electron source 2.
  • a light emitting device configured to emit light with lower power than the light emitting device configured to apply a constant voltage between the anode electrode 3 and the electron source 2 is obtained.
  • control device 5 may apply a rectangular wave emission voltage between the anode electrode 3 and the electron source 2 so that the potential of the anode electrode 3 has a higher potential than that of the electron source 2. More preferred. Accordingly, it is preferable that the voltage value of the discharge voltage in the on period is set to have a voltage value lower than the voltage value of the discharge voltage in the off period. Thereby, the electron source 2 can be operated with low power consumption. Further, the electrons can be continuously moved to the anode electrode 3 in the off period.
  • xenon gas is used as the gas sealed in the hermetic container 1, but the gas sealed in the hermetic container 1 is not limited to xenon gas.
  • helium gas or neon gas is used.
  • Argon gas, krypton gas, nitrogen gas, or a mixed gas thereof may be used.
  • each said structure can be combined separately, respectively.

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Abstract

　本発明の発光装置は、気密容器（１）と、ガスと、電子源（２）と、アノード電極（３）と、制御装置（５）と、蛍光体（４）とからなる。気密容器は、気密性を有している。ガスは、気密容器（１）内に封入されており、電子（５００）によって励起されて第１の光（５０１）を放出するように構成されている。電子源（２）は、気密容器（１）内部に配置されており、駆動電圧が印加されることにより電子（５００）を放出するように構成されている。アノード電極（３）は、前記気密容器（１）内部に配置されている。制御装置（５）は、電子源（２）に駆動電圧を印加するように構成されている。蛍光体（４）は、気密容器（１）の内部に設けられており、前記第１の光（５０１）によって励起されて、第２の光を放出するように構成されている。電子源 （２）は、放電電圧が印加されることによりピーク値を持ったエネルギー分布を有する電子（５００）を放出するように構成されている。エネルギー分布の前記ピーク値は、前記ガスの励起エネルギーよりも大きく、前記ガスのイオン化エネルギーよりも小さい。

Description

発光装置
　本発明は、発光装置に関するものである。詳しくは、気密容器内に封入されているガスを励起させて第１の光として定義される励起光を放出させ、続いてこの第１の光を蛍光体により第１の波長と異なる波長を有する第２の光に変換して放出するように構成された発光装置に関するものである。
　従来から、水銀を利用した蛍光ランプが使用されている。しかしながら、地球の環境問題に対する関心が高まるに伴って、水銀を使用しない発光装置の研究が各所で進められている。このような発光装置は、いわゆる無水銀蛍光ランプであり、この無水銀蛍光ランプは、透光性を有している気密容器と、この気密容器内に封入されたキセノンガスなどの希ガスとからなる。
　しかしながら、希ガス蛍光ランプは、水銀を利用した従来の蛍光ランプが光を放出する効率よりも低い効率で光を放出する。従って、希ガス蛍光ランプが、従来の蛍光ランプが放出する光の輝度と同等の輝度を有する光を放出させるために、気密容器の内部に配置された一対の電極間に高い始動電圧および駆動電圧を印加しなければならなかった。
　これに対して、日本公開特許公報特開２００２－１５０９４４号公報は、他の従来の発光装置を開示している。この発光装置は、透光性を有する気密容器と、気密容器の内部に封入されたキセノンガスなどの希ガスと、一対の放電電極と、電界放射型の電子源と、気密容器の内面に設けられた蛍光体層とを備える。気密容器は、一対の放電電極と電子源とを収納している。電子源は、一対の駆動電極を有する。この発光装置は、電子源を駆動することにより電子源に電子を放出させ、続いて一対の放電用電極の間に電圧を印加するように構成されている。このような発光装置は、始動電圧を従来の始動電圧の半分程度の始動電圧で第１の光を放出する。この第１の光は、蛍光体層によって、第１の光が有する波長よりも長い波長を有する第２の光に変換される。
　ここで、発光装置を発光させるためには、気密容器内のキセノンガスに、キセノンガスのイオン化エネルギーである１２．１３ｅＶ以上の電子を供給する必要がある。キセノンガスのイオン化エネルギーは、キセノンガスから紫外光を発生させるのに必要な励起エネルギーである８．４４ｅＶよりも大きい。従って、大きな電圧が、電子源の駆動電極間に印加される。したがって、上記の発光装置は、低消費電力化を達成できず、単位入力電力あたりの発光効率を高めることが達成できない。駆動電極間に印加される大きな電圧は、電子源の低寿命化を招いてしまう。
　また、上記発光装置において、放電プラズマのイオンが発生し、この放電プラズマのイオンは、電子源や蛍光体層に衝突してこれらにダメージを与え、これによりこの衝突は発光装置の低寿命化を招く。
　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、低消費電力、高効率、長寿命な発光装置を提供することである。
　このような課題を解決するため、本発明の発光装置は、気密容器と、ガスと、電子源と、アノード電極と、制御装置と、蛍光体とを備える。気密容器は、気密性を有しており、透光性を有している。ガスは、気密容器内に封入されている。ガスは、電子によって励起されて真空紫外～可視光域の波長を有する第１の光を放出するように構成されている。電子源は、気密容器内部に配置されている。電子源は、第１の駆動電極と第２の駆動電極とを有している。電子源は、前記第１の駆動電極と前記第２の駆動電極との間に駆動電圧が印加されることにより前記電子を放出するように構成されている。アノード電極は、気密容器内部に配置されており、前記電子源と対向して配置されている。制御装置は、第１の駆動電極と前記第２の駆動電極との間に前記駆動電圧を印加するように構成されている。制御装置は、前記電子が前記アノード電極に移動するように前記電子源と前記アノード電極との間に放出電圧を印加するように構成されている。蛍光体は、気密容器の内部に設けられている。蛍光体は、第１の光によって励起されて、前記第１の光が有する波長と異なる波長を有する第２の光を放出するように構成されている。電子源は、前記放出電圧が印加されることによりピークエネルギーを持ったエネルギー分布を有する電子を放出するように構成されている。ピークエネルギーは、前記ガスの励起エネルギーよりも大きく、前記ガスのイオン化エネルギーよりも小さい。
　この場合、制御装置は、駆動電極間の電圧を調整して、ガスの励起エネルギーよりも大きく、ガスのイオン化エネルギーよりも小さいエネルギー分布のピーク値を持つ電子を電子源に放出させる。これにより、制御装置は、ガスを放電させることなくガスを励起させる。励起されたガスは、第１の光である励起光を放出する。ガスから放出された第１の光は蛍光体に照射され、これにより、蛍光体は、第１の光を、第１の光の波長とは異なる波長を有する第２の光に変換する。この第２の光は、気密容器から放出される。したがって、ガスを放電させて蛍光体を発光させる場合に必要な電圧よりも低い電圧を駆動電極間に印加することにより、発光装置を発光させることができる。したがって、低消費電力で、高発光効率の発光装置が得られる。そして、放電プラズマのイオンが、電子源や蛍光体層にダメージを与えることがない。したがって、長寿命の発光装置が得られる。
　ガスは、２ｋＰａ～２０ｋＰａの圧力を有するように前記気密容器に封入されていることが好ましい。
　この場合、ガスの放電を防止することができる。また、発光装置の発光効率を向上させることができる。
　ガスは、希ガスであることがより好ましい。このガスは、所定の圧力を有するように前記気密容器に封入されている。このガスの所定の圧力は、ガスが励起されることによりエキシマを形成するように設定されている。
　この場合、エキシマ（励起状態の分子）を生成することが可能である。そして、この場合、蛍光体でのストークス損失を低減することができ、これにより高い発光効率の発光装置が得られる。
　制御装置は、前記電子源に矩形波の前記駆動電圧を印加するように構成されており、これにより、前記電子源にオン状態とオフ状態とを与えることが好ましい。電子源は、前記オン状態において、電子をオン期間にわたって放出するように構成されている。電子源は、オフ状態において、電子を放出するのをオフ期間にわたって禁止されるように構成されている。
　この場合、制御装置は、電子源を間欠的に駆動する。したがって、この構成は、電子源を連続駆動する場合に消費する電力よりも低い電力で発光装置を駆動することを可能にする。
　ガスは、前記電子源が前記オン状態から前記オフ状態に切り替わったときから、残光期間にわたって残光する特性を有していることがより好ましい。これに伴い、前記オフ期間は、前記残光期間よりも短く設定されている。
　この場合、発光装置は、電子源からの電子の供給が停止された所定の期間においても発光するように構成される。したがって、この構成は、発光装置の発光効率を向上させることを可能にする。
　電子源は、弾道電子面放出型電子源で定義されることがより好ましい。当該弾道電子面放出型電子源は、下部電極と、表面電極と、強電界ドリフト層とを有する。表面電極は、前記下部電極に対向して配置されている。前記表面電極は、前記第１の駆動電極を定義する。下部電極は、前記第２の駆動電極を定義する。強電界ドリフト層は、表面電極と下部電極との間に配置されている。強電界ドリフト層は、ナノメータオーダの多数の半導体微結晶と、多数の絶縁膜とからなる。絶縁膜は、半導体微結晶それぞれの表面に形成されている。絶縁膜は、半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚を有する。制御装置は、交流でありかつ前記矩形波の駆動電圧を前記電子源に印加するように構成されている。
　この場合、電子源は、第１期間と第２期間とが交互に与えられる。第１期間において、制御装置は、駆動電極間に順バイアス電圧を印加するように構成されており、これにより電子源から気密容器内へ電子が供給される。ここで、駆動電極間に順バイアス電圧が印加されることにより、強電界ドリフト層の中のトラップに電子が捕獲される。続いて、第２期間において、制御装置は、駆動電圧間に逆バイアス電圧を印加するように構成されており、これにより、強電界ドリフト層中のトラップに捕獲された電子は、下部電極へ放出される。このように、電子源が第１期間と第２期間が交互に与えられることは、強電界ドリフト層中のトラップに捕獲された電子に起因した電界の緩和を抑制し、これにより電子源の長寿命化が達成される。
　制御装置は、駆動電圧と同期した矩形波の前記放出電圧を前記アノード電極と前記電子源との間に印加するように構成されていることが好ましい。
　この構成は、発光装置が、前記アノード電極と前記電子源との間に一定電圧を印加する場合の消費電力よりも低い消費電力で駆動することを可能にする。
　制御装置は、前記アノード電極の電位が前記電子源の電位よりも高くなるように前記放電電圧を前記アノード電極と前記電子源との間に印加するように構成されていることが好ましい。これに伴い、オフ期間における放電電圧の電圧値は、オン期間における放電電圧の電圧値よりも低く設定されている。
　この場合、電子源を低消費電力で動作させることができる。また、この構成は、オフ期間に電子を前記アノード電極に引き抜くことができる。
　また、電子源とアノード電極との間隔は、パッシェンミニマムよりも大きく設定されていることが好ましい。
　この場合、ガスの放電が発生しにくくすることができる。
実施形態を示す発光装置の概略構成図である。 同上に用いる電子源の要部説明図である。 同上の特性説明図である。 同上の特性説明図である。 同上の動作説明図である。 同上の特性説明図である。 同上の動作説明図である。
　本発明の実施形態にかかる発光装置を、添付の図面と共に説明する。図１は、本実施形態の発光装置の概略図である。本実施形態の発光装置は、気密容器１と、電子源２と、アノード電極３と、蛍光体層４と、制御装置５とを備える。気密容器１は、透光性を有しており、気密性を有している。気密容器１は、その内部にガスが封入されている。このガスは、励起されることにより真空紫外～可視光域の波長を持ち、第１の光として定義される励起光を発するように構成されている。このガスは、例えばキセノンなどからなる。電子源２は、表面電極２７と下部電極２５との間に駆動電圧が印加されることにより、気密容器１の内部に、ガスを励起させるための電子を供給するように構成されている。アノード電極３は、ＩＴＯなどからなる透明電極からなり、電子源２に対向して配置されている。蛍光体層４は、第１の光を、第１の光が有する波長よりも長い波長を有し、可視光である第２の光に変換するように構成されている。この第２の光は、透光性を有する気密容器１の外部へ放出される。制御装置５は、電子源の表面電極２７と下部電極２５との間に電圧を印加するように構成されており、また、電子源の表面電極２７とアノード電極３との間に印加される電圧を調整するように構成されている。また、制御装置５は、アノード電極３と電子源２の表面電極２７との間に電圧を印加するように構成されており、また、アノード電極３と電子源２の表面電極２７との間に印加される電圧を調整するように構成されている。なお、本実施形態では、表面電極２７は、下部電極２５と協働して、駆動電極を定義する。表面電極２７は、第１の駆動電極を構成し、下部電極２５は第２の駆動電極を構成する。
　気密容器１は、リヤプレート１１と、フェースプレート１２と、スペーサ１３とからなる。リヤプレート１１は、ガラスなどの透光性を有する材料でできており、矩形板状に形成されている。フェースプレート１２は、ガラスなどの透光性を有する材料でできており、リヤプレート１１の一表面側に対向配置されており、矩形板状に形成されている。スペーサ１３は、リヤプレート１１とフェースプレート１２との間に介在し、矩形枠状に形成されている。リヤプレート１１は、フェースプレート１２と対向する一面に、電子源２が配置されている。フェースプレート１２は、リヤプレート１１と対向する一面に、アノード電極が設けられている。アノード電極３は、リヤプレート１１と対向する一面に、蛍光体層４が設けられている。なお、気密容器１の形状は、上記形状に限られない。また、リヤプレート１１、フェースプレート１２、スペーサ１３の材料は、ガラスに限られず、例えば、透光性を有するセラミックスでも良い。また、本実施形態において、気密容器１は全体が透光性材料によって形成されている。しかしながら、気密容器１が必ずしも全体が透光性を有する材料で形成される必要はない。気密容器１は、少なくとも一部が透光性材料により形成されていればよい。
　電子源２は、弾道電子面放出型電子源（Ballistic electronSurface-emitting Device：ＢＳＤ）である。この弾道電子面放出型電子源は、前記下部電極２５と、前記表面電極２７と、下部電極２５と表面電極２７との間に介在する強電界ドリフト層２６とを有している。下部電極２５は、例えばタングステンなどのような金属膜からなる。表面電極は、例えばＡｕなどからなり、膜厚が１０ｎｍ～１５ｎｍ程度の導電性薄膜からなる。しかしながら、下部電極２５および表面電極２７の材料は上述の材料に限定されない。そして、下部電極２５及び表面電極２７は、それぞれ、単層でもよく、多層でもよい。
　強電界ドリフト層２６は、図２に示すように、少なくとも、グレイン（半導体結晶）２６１と、シリコン酸化膜２６２と、シリコン微結晶２６３と、シリコン酸化膜２６４とからなる。グレイン２６１とシリコン酸化膜２６２とシリコン微結晶（半導体微結晶）２６３とシリコン酸化膜２６４とは、下部電極２５と表面電極２７との間に設けられている。グレイン２６１は、多結晶シリコンからなり、下部電極２５の表面側に柱状に配列されている。グレイン２６１は、その表面に、薄いシリコン酸化膜２６２が設けられている。多数のナノメータオーダのシリコン微結晶２６３は、各グレイン２６１の間に介在する。各シリコン微結晶２６３は、その表面に、多数のシリコン酸化膜２６４が形成されている。このシリコン酸化膜２６４は、シリコン微結晶２６３の結晶粒径よりも小さな膜厚の絶縁膜である。各グレイン２６１は、下部電極２５の厚み方向に延びている。即ち、各グレイン２６１は、リヤプレート１１の厚み方向に沿って延びている。
　上述の電子源２から電子を放出させるために、制御手段５ａは、駆動電源Ｖｐｓを制御して、表面電極２７が下部電極２５の電位よりも高い電位を有するように、表面電極２７と下部電極２５との間に駆動電圧を印加する。表面電極２７と下部電極２５との間に駆動電圧が印加されるにともなって、下部電極２５から強電界ドリフト層２６へ電子が注入される。続いて、強電界ドリフト層２６に注入された電子はドリフトし、続いて表面電極２７を通して放出される。
　ここで、駆動電源Ｖｐｓが１０～２０Ｖ程度の低電圧を表面電極２７と下部電極２５との間に印加することによっても、電子源２から電子を放出させることができる。なお、本実施形態の電子源２は、電子放出特性の真空度依存性が低く、且つ、電子放出時にポッピング現象が発生せず安定して電子を高い電子放出効率で放出することができる特徴を有している。
　上述の電子源は、次に説明するように電子を放出する。即ち、表面電極２７と下部電極２５との間に、表面電極２７が下部電極２５よりも高電位となるように電圧が印加される。下部電極２５に電圧が印加されると、下部電極２５から電子ｅ-が注入される。ここで、強電界ドリフト層２６に発生する電界の大部分はシリコン酸化膜２６４に印加される。したがって、注入された電子ｅ-は、シリコン酸化膜２６４に発生した強電界により、図２の矢印に向かう力を受ける。矢印に向かう力を受けた電子ｅ-は、強電界ドリフト層２６のグレイン２６１の間の領域を表面に向かって、矢印の向きへドリフトする。ドリフトした電子ｅ-は、表面電極２７を通過し、放出される。このように、強電界ドリフト層２６において、下部電極２５から注入された電子ｅ-がシリコン微結晶２６３でほとんど散乱されることなく、シリコン酸化膜２６４に発生した電界で加速されてドリフトし、続いて電子ｅ-は表面電極２７を通して放出される。これがいわゆる弾道型電子放出現象である。また、強電界ドリフト層２６において発生した熱は、グレイン２６１を通して逃がされる。したがって、電子放出時にポッピング現象が発生しない。これにより、安定して電子を放出することができる。
　なお、上述の強電界ドリフト層２６において、シリコン酸化膜２６４は絶縁膜を構成しており、この絶縁膜は酸化プロセスによって形成される。しかしながら、酸化プロセスに代えて、窒化プロセスによって絶縁膜を構成することができる。この場合、シリコン酸化膜２６２及びシリコン酸化膜２６４に代えて、シリコン窒化膜が絶縁膜として形成される。また、酸化プロセスに代えて、酸窒化プロセスによっても絶縁膜を構成することができる。この場合、シリコン酸化膜２６２及びシリコン酸化膜２６４に代えて、シリコン酸窒化膜が絶縁膜として形成される。また、本実施形態において、電子源２は、ガラス基板からなるリヤプレート１１の一表面側に直接的に形成されている。しかしながら、シリコン基板と当該シリコン基板の裏面側のオーミック電極とで構成された電子源を採用することもできる。このような電子源も、リヤプレート１１の上記一表面側に配置される。
　上述の制御装置５は、駆動電源Ｖｐｓと、アノード電極用電源Ｖａと、制御手段５ａとで構成されている。駆動用電源Ｖｐｓは、電子源２の表面電極２７と下部電極２５との間に電圧を印加するように構成されている。アノード電極用電源Ｖａは、アノード電極３と電子源２の表面電極２７との間に電圧を印加するように構成されている。制御手段５ａは、マイクロコンピュータなどからなり、このマイクロコンピュータは、駆動電源Ｖｐｓ及びアノード電極用電源Ｖａのそれぞれを制御する。制御手段５ａは、ピークエネルギーを有するエネルギー分布を持った電子が電子源２から放出されるように、駆動電源Ｖｐｓを制御して電子源２に駆動電圧を印加させ、アノード電極用電源Ｖａを制御してアノード電極３と電子源２との間に放出電圧を印加させる。前記駆動電圧及び前記放出電圧は、電子のエネルギー分布のピークエネルギーが、気密容器１内に封入されているガスであるキセノンガスの励起エネルギよりも大きく、キセノンガスのイオン化エネルギーよりも小さくなるように、設定される。即ち、前記駆動電圧は、電子のエネルギー分布のピークエネルギーが、キセノンガスの励起エネルギーよりも大きく、キセノンガスのイオン化エネルギーよりも小さくなるように、設定される。制御手段５ａが駆動電源Ｖｐｓを制御して表面電極２７と下部電極２５との間の電圧を調整することにより、ガスは放電することなく励起される。
　ここで、本実施形態の発光装置において、制御装置５は、駆動電源Ｖｐｓを制御して、表面電極２７が、下部電極２５が有する電位よりも高い電位を有するように、表面電極２７と下部電極２５との間に駆動電圧を印加させる。また、制御装置５は、アノード電極用電源Ｖａを制御して、アノード電極３が、電子源の表面電極２７が有する電位よりも高い電位を持つように、アノード電極３と電子源２の表面電極２７との間に、放出電圧を印加させる。したがって、電子源２から放出された電子ｅ-は、アノード電極３と表面電極２７との間に発生した電界によって力を受ける。電子ｅ-は、力を受けることにより、アノード電極３に向かって移動され、これにより、アノード電極３と表面電極２７との間に存在するキセノン原子に衝突する。
　ここで、電子源２から放出された電子がアノード電極３と表面電極２７との間の電界により得るエネルギーは、アノード電極３と表面電極２７との間の電界強度とガス中における電子の平均移動行程との積に依存する。電界強度は、アノード電極３と表面電極２７との間に印加される電圧と、アノード電極３と表面電極２７との間の距離とに依存する。平均自由行程は、気密容器１内のガスの種類やガス圧に依存する。本実施形態において、ガス圧は、５ｋＰａと設定されており、電子の平均自由行程が短いので、電子源２から放出された電子がアノード電極３と表面電極２７との間の電界により得るエネルギーは、電子源２から放出される電子のエネルギー分布のピークエネルギーに比べて小さい。したがって、電子源２から放出される電子のエネルギー分布は、ガスに衝突する電子のエネルギー分布から若干、高エネルギー側にシフトする。ここで、表面電極２７が、下部電極２５が有する電位よりも高い電位を有するように、前記電子源２の表面電極２７と下部電極２５との間に２０Ｖの電圧が印加される。表面電極２７と下部電極２５との間に電圧が２０Ｖ印加されるに伴って、電子源は、キセノンガスの励起エネルギーよりも大きく、キセノンガスのイオン化エネルギーよりも小さいエネルギー分布のピークエネルギーを持った電子を放出する。ここで、電子源から放出される電子は、１０ｅＶ程度の電子エネルギー分布のピークエネルギーを有している。
　このように、本実施形態の発光装置において、制御装置５は、表面電極２７と下部電極２５との間に、電圧を印加する。電圧を受けた電子源は、ガスの励起エネルギーよりも大きくガスのイオン化エネルギーよりも小さいエネルギー分布のピークエネルギーを有する電子を放出する。この電子は、図１において、矢印５００で示されている。放出された電子は、気密容器１の内部に充填されたガスを放電することなく、励起する。励起されたガスは、第１の光として定義される励起光を放出する。この第１の光は、図１において矢印５０１で示されている。放出された第１の光は、蛍光体層４で、第１の光が持つ波長よりも長い波長を有する第２の光に変換される。第２の光は、蛍光体層４から放出される。この構成の発光装置は、表面電極２７と下部電極２５との間に低い電圧が印加されることにより、第２の光を放出するように構成されている。したがって、この構成の発光装置は、ガスを放電させて光を放出するように構成された発光装置よりも低い電力で光を放出するように構成される。したがって、消費電力が少なく、発光効率が高い発光装置が得られる。また、電子源２や蛍光体層４は、放電プラズマのイオンによってダメージを受けることもない。したがって、長寿命の発光装置が得られる。
　ここにおいて、本実施形態の発光装置において、電子源２とアノード電極３との間隔を、パッシェンミニマムよりも大きな１ｃｍを有する。電子源２とアノード電極３との間隔をパッシェンミニマムよりも大きくすることは、ガスの放電を起こりにくくさせる。なお、電子源２とアノード電極３との間の間隔は１ｃｍに限定されない。
　また、本実施形態の発光装置では、弾道電子面放出型電子源が、電子源２として備える。弾道電子面放出型電子源は、ガス中においても安定して動作することができ、キセノンガスの励起エネルギーである８．４４ｅＶ以上の初期エネルギーを有する電子を放出することができる。すなわち、弾道電子面放出型電子源が放出する電子の初期エネルギーは、電子源としてスピント型電子源が放出する電子の初期エネルギーよりも高い初期エネルギーを放出することができる。したがって、弾道電子面放出型電子源を電子源２として備えた発光装置は、スピント型電子源を備える発光装置よりも低い電圧で駆動することができ、これにより、消費電力の低い発光装置が得られる。
　ところで、本実施形態の発光装置では、キセノンガスが気密容器１の内部に封入されている。このキセノンガスは、５ｋＰａの圧力を持つように設定されている。しかしながら、このキセノンガスの圧力は、５ｋＰａに限定されない。図３（ａ）～（ｃ）は、様々な圧力を有するキセノンガスが封入された発光装置から放出される紫外光の発光強度を光電子増倍管により測定した結果を示している。この実験において用いた発光装置は、気密容器１と、ガスと、電子源２と、アノード電極３と、制御装置５とから構成される。すなわち、この実験において用いた発光装置は、蛍光体層４を備えていない。この発光装置において、制御装置５は、アノード電極３と表面電極２７との間に１００Ｖの電圧を印加するように構成されている。また、制御装置５は、表面電極２７が、下部電極２５が有する電位よりも高い電位を有するように、表面電極２７と下部電極２５との間に２０Ｖのパルス電圧を印加するように構成されている。図３（ｂ），（ｃ）から分かるように、２ｋＰａから２０ｋＰａの範囲の圧力を有するように気密容器にキセノンガスを封入することにより、キセノンガスの放電を防止することができ、また、発光効率が高まる。なお、１００Ｐａと１ｋＰａの圧力のキセノンガスが封入された気密容器１においては、放電が発生したため、光電子増倍管による測定は行っていない。
　一方、図４は、紫外光発光強度を光電子増倍管により測定した他の例を示している。図４の例において、アノード電極３は、表面電極２７から１ｃｍ離間して設けられている。キセノンガスが５ｋＰａの圧力を持つように、気密容器１に充填されている。アノード電圧が０～１８０Ｖの場合、放電は起こっていない。すなわち、換算電界強度を０～３．６（Ｖ／ｍＰａ）の範囲で設定することにより、放電を防止することができることがわかる。この換算電界強度は、これらはアノード電極３と電子源２の表面電極２７との間の電界強度Ｅ（ｖ／ｍ）とガス圧ｐ（Ｐａ）とを用いたＥ／ｐで規定される。なお、図４から、アノード電圧を増加させることにより紫外光の発光強度が増加していることが分かる。この増加は、アノード電圧の増加に伴い電子のエネルギー分布のピークエネルギーが高エネルギー側へシフトし、これによりキセノンガスが励起される確立が増加することにより引き起こされると推測される。
　また、図５に示すように、キセノン原子をイオン化して放電させるためには、１２．１３ｅＶのエネルギーが必要である。これに対して、キセノン原子を励起させて波長１４７ｎｍの紫外光を放出させるためには、単に８．４４ｅＶの励起エネルギーが必要である。また、励起状態のキセノン分子であるエキシマが生成されることにより、１４７ｎｍよりも長い波長を有する１７２ｎｍの光が放出される。なお、図５における下向きの矢印に付した数値は、発光波長を示している。
　ここで、本実施形態では、ガスとして希ガスの一種であるキセノンガスが採用されている。そして、気密容器１は、エキシマの作成が可能となるように、５ｋＰａの圧力を有するガスが封入されている。したがって、気密容器１内に電子源２から電子が供給されることにより、気密容器１内にエキシマ（励起状態の分子）が生成される。すなわち、蛍光体層４の蛍光体でのストークス損失を低減することができ、これにより発光効率が向上された発光装置が得られる。
　また、本実施形態の制御手段５ａは、駆動電源Ｖｐｓに制御信号を送る。制御信号を受けた駆動電源Ｖｐｓは、表面電極２７が、下部電極２５が持つ電位よりも高い電位を持つように、表面電極２７と下部電極２５との間に矩形波の駆動電圧を印加する。すなわち、制御信号を受けた駆動電源Ｖｐｓは、矩形波の駆動電圧を印加することにより、電子源２に、気密容器１内に電子を供給するオン状態と、気密容器１内に電子を供給するのを所定の期間禁止するオフ状態とを交互に与える。その結果、矩形波の駆動電圧を受けた電子源２は、気密容器１内に周期的に電子を供給する。このように、制御装置５は、表面電極２７が、下部電極２５が持つ電位よりも高い電位を持つように、表面電極２７と下部電極２５との間に矩形波電圧を印加する。その結果、電子源２は、気密容器１内に周期的に電子を供給する。これにより、本実施形態の発光装置は、制御装置５が電子源２を間欠的に駆動するように構成されている。よって、この構成により、電子源２を連続的に駆動するように構成された制御装置５を備える発光装置よりも低い消費電力で駆動する発光装置が得られる。
　図６は、発光装置から放出される紫外光の発光強度の経時変化を測定した結果を示している。この測定は、気密容器１と、キセノンガスと、電子源２とアノード電極３と制御装置５とを備え、蛍光体層４を備えない発光装置によって行われた。また、制御装置５は、表面電極２７が、下部電極２５が有する電位よりも高い電位を持つように、表面電極２７と下部電極２５との間に２０Ｖのパルス電圧を印加するように構成されている。ここで、図６のＯＮは、電子源２にパルス電圧が印加されている期間を示す。図６のＯＦＦは、電子源２にパルス電圧が印加されていない期間を示す。図６から、電子源２へのパルス電圧の印加が停止してから、２０μｓｅｃ程度残光が得られていることが分かる。要するに、残光期間が２０μｓｅｃ程度であることが分かる。
　そこで、制御装置５が出力する矩形波は、電子源２がオフ状態における所定の期間が残光期間よりも短く設定されている。図７は、上述の矩形波電圧の周波数及びオンデューティを変化させた場合のオフ期間の時間（すなわちオフ時間）を示している。図７において、横軸は周波数、縦軸はオフ時間を示している。「Ａ」は、オンデューティを１％とした場合の周波数とオフ時間との関係を示している。「Ｂ」は、オンデューティを１０％とした場合の周波数とオフ時間との関係を示している。「Ｃ」は、オンデューティを５０％とした場合の周波数とオフ時間との関係を示している。
　図７から分かるように、本実施形態の発光装置において、電子源２は、電子をオフ期間にも供給する。したがって、気密容器１内のガスは、オフ期間においても電子によって励起され、これにより、オフ期間においても紫外線の励起が継続される。したがって、発光効率が向上された発光装置が得られる。
　また、本実施形態では、上述のように電子源２が、下部電極２５と、下部電極２５に対向した表面電極２７と、下部電極２５と表面電極２７との間に介在する強電界ドリフト層２６とを備えた弾道電子面放出型電子源により構成されている。したがって、電子源２は、制御装置５から、順バイアス電圧と、順バイアス電圧と逆の電位を有する逆バイアス電圧が印加される。すなわち、制御装置５は、表面電極２７と下部電極２５との間に順バイアス電圧と、逆バイアス電圧とを印加するように構成されている。電子源２に順バイアス電圧が印加されている場合、電子源２は、気密容器１内に電子を供給する。電子源２が順バイアス電圧を受けるに伴って、電子が強電界ドリフト層２６中のトラップに捕獲される。続いて、電子源に逆バイアス電圧が印加されると、トラップに捕獲されていた電子が下部電極２５へ放出される。このように、制御装置５は、順バイアス電圧を印加する順期間と、逆バイアス電圧を印加する逆期間とを電子源２に交互に与える。これにより、トラップに捕獲された電子に起因した電界の緩和を抑制することができる。これにより、電子源２の長寿命化を図れる。
　また、本実施形態の発光装置において、制御装置５が、矩形波の駆動電圧と同期した矩形波の放出電圧をアノード電極３と電子源２との間に印加するように構成することも好ましい。この構成により、アノード電極３と電子源２との間に一定電圧を印加するように構成された発光装置よりも低い電力で発光するように構成された発光装置が得られる。
　この場合、制御装置５が、アノード電極３の電位が電子源２が有する電位よりも高い電位を有するように、矩形波の放出電圧をアノード電極３と電子源２との間に印加することがより好ましい。これに伴って、上記オン期間における放出電圧の電圧値が上記オフ期間における放出電圧の電圧値よりも低い電圧値を持つように設定されることが好ましい。これにより、電子源２を低い消費電力で動作させることが可能となる。また、上記オフ期間において、電子をアノード電極３に移動させ続けることができる。
　なお、上記実施形態では、気密容器１内に封入するガスとしてキセノンガスを採用しているが、気密容器１内に封入するガスは、キセノンガスに限定するものではなく、例えば、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、窒素ガスや、それらの混合ガスなどでもよい。また、上記各構成は、それぞれ別個に組み合わせることが可能である。

Claims (10)

  1. 　発光装置であって、
    　透光性を有している気密容器と、
    　前記気密容器内に封入されており、電子によって励起されて真空紫外～可視光域の波長を有する第１の光を放出するように構成されているガスと、
    　前記気密容器内部に配置されており、第１の駆動電極と第２の駆動電極とを有しており、前記第１の駆動電極と前記第２の駆動電極との間に駆動電圧が印加されることにより前記電子を放出するように構成された電子源と、
    　前記気密容器内部に配置されており、前記電子源と対向して配置されたアノード電極と、
    　前記第１の駆動電極と前記第２の駆動電極との間に前記駆動電圧を印加するように構成されており、且つ、前記電子が前記アノード電極に移動するように前記電子源と前記アノード電極との間に放出電圧を印加するように構成された制御装置と、
    　前記気密容器の内部に設けられており、前記第１の光によって励起されて、前記第１の光が有する波長と異なる波長を有する第２の光を放出するように構成された蛍光体とを備え、
    　前記電子源は、前記放出電圧が印加されることによりピークエネルギーを持ったエネルギー分布を有する電子を放出するように構成されており、
    　前記ピークエネルギーは、前記ガスの励起エネルギーよりも大きく、前記ガスのイオン化エネルギーよりも小さいことを特徴とする発光装置。
  2. 　前記ガスは、２ｋＰａ～２０ｋＰａの圧力を有するように前記気密容器に封入されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 　前記ガスは、希ガスであり、所定の圧力を有するように前記気密容器に封入されており、
    　前記所定の圧力は、前記ガスが励起されることによりエキシマを形成するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の発光装置。
  4. 　前記制御装置は、前記電子源に矩形波の前記駆動電圧を印加するように構成されており、これにより前記電子源に前記電子をオン期間にわたって放出させるオン状態と、前記電子源が前記電子を放出するのをオフ期間にわたって禁止するオフ状態とを交互に与えることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  5. 　前記ガスは、前記電子源が前記オン状態から前記オフ状態に切り替わったときから、残光期間にわたって残光する特性を有しており、
    　前記オフ期間は、前記残光期間よりも短く設定されていることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
  6. 　前記電子源は、弾道電子面放出型電子源で定義され、当該弾道電子面放出型電子源は、下部電極と、表面電極と、強電界ドリフト層とを有し、
    　前記表面電極は、前記下部電極に対向して配置されており、前記表面電極は、前記第１の駆動電極を定義し、前記下部電極は、前記第２の駆動電極を定義し、
    　前記強電界ドリフト層は、前記表面電極と前記下部電極との間に配置されており、ナノメータオーダの多数の半導体微結晶及び各半導体微結晶それぞれの表面に形成されており半導体微結晶の結晶粒径よりも小さな膜厚の多数の絶縁膜とを有し、
    　前記制御装置は、交流でありかつ前記矩形波の駆動電圧を前記電子源に印加するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
  7. 　前記制御装置は、前記駆動電圧と同期した矩形波の前記放出電圧を前記アノード電極と前記電子源との間に印加するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載の発光装置。
  8. 　前記制御装置は、前記アノード電極の電位が前記電子源の電位よりも高くなるように前記放電電圧を前記アノード電極と前記電子源との間に印加するように構成されており、
    　前記オフ期間における放電電圧の電圧値は、前記オン期間における放電電圧の電圧値よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
  9. 　前記電子源と前記アノード電極との間隔は、パッシェンミニマムよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  10. 　前記ガスは、キセノンガスからなり、
    　前記電子源は、前記エネルギー分布のピークエネルギーは、８．４４ｅＶ以上であり、１２．１３ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
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