JP2006286567A - 発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でグリッド電極の電力損失を低減し、且つ有害な金属スパッタの発生を確実に防止する。
【解決手段】電子放出源６をグリッド電極１０の開口領域と略同等の開口領域を有するカソードマスク２０で覆うことにより、電子放出源６から電子が放出される領域を、グリッド電極１０の開口領域と略同等とし、この領域から放出される略全ての電子をグリッド電極１０の開口部１１を通過させて発光に寄与する有効電子とする。これにより、グリッド電極１０での電力損失を低減すると共に、グリッド電極１０からカソード電極５への有害な金属スパッタの発生を確実に防止することができ、カソード極の損傷を回避することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子放出源から電界放出された電子によって蛍光体を励起発光させる発光装置に関する。

近年、白熱電球や蛍光灯といった従来の発光装置に対し、真空中で電子放出源から電界放出させた電子を高速で蛍光体に衝突させることにより、蛍光体を励起発光させる冷陰極電界放出型の発光装置が開発されており、電界放出型照明ランプ（Field Emission Lamp:FEL）や電界放出型表示装置（Field Emission Display:FED）としての用途が見込まれている。

この種の発光装置は、カソード電極に対して正の電位を与えたグリッド電極によって電子を引き出し、更に正の高電圧を与えた蛍光板電極に電子を衝突させて蛍光発光させるものであるが、平面に冷陰極電子源を成膜したカソード電極に対向してグリッド電極を配置する場合、カソード電極とグリッド電極との間の電界によって引き出された電子は、一部は蛍光板電極に到達するが、他はグリッド電極に飛び込み、無駄に電力を損失するという問題がある。

このような問題に対処するため、特許文献１には、ＦＥＬに関連して、カソード電極表面と略平行な略平板に孔を設け、この孔端をカソード電極側に突き出した構造のグリッド電極とする技術が開示されている。特許文献１の技術によれば、略平板領域における電界よりも孔端における電界を高くすることにより、カソード電極からグリッド電極に飛び込む無効電子を抑制することができる。

また、特許文献２には、同様にＦＥＬに関連して、部分的に開口を備えた半円筒状のグリッド電極が直方体形状カソード電極に対して間隙を持って囲む技術が開示されている。特許文献２の技術は、電子が蛍光板電極に突入したことによって叩き出された正イオンがカソード電極に突入することを抑制し、放電破壊を防止するものであるが、電子放出の軌跡を予め算出設計して開口を設けることにより、放出電子がグリッド電極に飛び込まずに開口を通り抜けて蛍光体に突入する確率を向上することができる。

更に、ＦＥＤ等においては、フォトリソグラフィー技術等により、カソード電極とグリッド電極とを極めて近い距離で配置し、グリッド電極に電子が吸収されないように工夫している。図３は、ＦＥＤにおけるカソード極の代表的な構造を示すものであり、カソード電極１００上に、電子放出源１０１及び絶縁層１０２を成膜し、絶縁層１０２の上層に金属材からなるゲート電極（グリッド電極）１０３を成膜している。絶縁層１０２の厚さＡは、例えば２０μｍ以下であり、ゲート電極１０３の開口寸法Ｂは、例えば、数μ〜数十μｍ程度である。
特開２００４−２０７０６６号公報 特開２００４−２２０８９６号公報

しかしながら、特許文献１の技術において、グリッド電極の孔端の加工精度を維持することは必ずしも容易でなく、コストアップの要因となる虞がある。同様に、特許文献２の技術においても、グリッド電極の形状が若干特殊なものとなり、加工精度、製造工程の面で不利であるばかりでなく、グリッド電極の開口設計により放出電子が蛍光体に突入する確率を均一化することは、必ずしも容易ではない。

また、ＦＥＤ等におけるフォトリソグラフィー技術は、設備と生産プロセスの費用が高額であることから、製品価格が安価なＦＥＬの製造工程には適合が困難である。更に、カソード電極とゲート電極とを極めて近い距離（１００μｍ以下）に配置することは、真空容器内で高速移動しているガスイオンがゲート電極に衝突する際に金属スパッタが発生し易いという欠点につながり、カソード極の損傷を招く虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡素な構成でグリッド電極の電力損失を低減することができ、且つ有害な金属スパッタの発生を確実に防止することのできる発光装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による発光装置は、少なくとも、電子放出源を有するカソード電極、複数の開口部を有するグリッド電極、蛍光体を有する蛍光板電極が真空中に配置された発光装置において、上記グリッド電極の開口部と略同一の開口部を有して上記カソード電極の電子放出源をマスクするカソードマスクを備えたことを特徴とする。

その際、グリッド電極の開口部の開口寸法ＡＧは、カソードマスクの開口部の開口寸法ＡＭに対して、ＡＭ−０．２ｍｍ≦ＡＧ≦ＡＭ＋０．５ｍｍの範囲とすることが望ましく、特に、カソードマスクの開口部の開口寸法ＡＭを、ＡＭ＝０．５〜５ｍｍの範囲とする場合には、上記範囲内であることが望ましい。また、カソードマスクとグリッド電極との距離Ｓは、Ｓ＝０．５〜５ｍｍの範囲とすることが望ましい。

本発明による発光装置は、簡素な構成でグリッド電極の電力損失を低減することができ、且つ有害な金属スパッタの発生を確実に防止することができ、カソード極の損傷を回避することができる。

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及び図２は本発明の実施の一形態に係り、図１は発光装置の基本構成図、図２はグリッド電極とカソードマスクとの関係を示す説明図である。

図１に示すように、本実施の形態における発光装置１は、例えば平面状の電界放出型照明ランプとして用いられる発光装置であり、所定間隔で対向配置されたガラス基材２，３の内部を真空状態に維持し、この真空状態下で、カソード電極５、グリッド電極１０、蛍光板電極１５を配置した３極構造を基本として、更に、カソード電極５上にカソードマスク２０を配した構成を有している。

カソード電極５は、ベースとなるガラス基材２上に形成された導電材からなり、例えば、アルミニウムやニッケル等の金属を蒸着やスパッタ法等によって堆積したり、銀ペースト材を塗布して乾燥・焼成する等して形成される。このカソード電極５の表面には、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、スピント型マイクロコーン、金属酸化物ウィスカー等のエミッタ材料が膜状に塗布されて電子放出源６が形成されている。

グリッド電極１０は、カソード電極５に対向して配置され、カソード電極５との電位差を制御して電子放出源６に電界を印加し、電子を放出させる。このグリッド電極１０には、電子放出源６から放出された電子を通過させる微細な開口が多数形成されており、ステンレス材、ニッケル材、アンバー材等の導電性の薄板に、エッチング或はパンチング法等を用いて円形や矩形状等の多数の開口を形成する。

蛍光板電極１５は、発光面となるガラス基材３の裏面側に配置された透明導電膜（例えば、ＩＴＯ膜）からなり、グリッド電極１０（カソード電極５）に対向する面に、電子放出源６から放出された電子によって励起発光される蛍光体１６が塗布されている。蛍光体１６は、例えば、酸化亜鉛系等の材料を用い、インクジェット法、フォトグラフィ法、沈殿法、電着法等によって蛍光板電極１５上に成膜される。

このような３極構造においては、電子放出源６から真空中に電界放出された電子は、蛍光板電極１５側に向って加速され、グリッド電極１０の開口を通過した電子のみが蛍光体１６に衝突して光を放つが、一部の電子はグリッド電極１０の非開口面に吸収されて無効電子となり、電力損失が生じる。本発明におけるカソードマスク２０は、この無効電子によるグリッド電極１０の電力損失を低減するものであり、グリッド電極１０と略同じ形状の部材として形成され、図２に示すように、カソードマスク２０の開口部２１とグリッド電極１０の開口部１１とを略同等の形状（相似形状）として電子放出源６を覆うようにしている。

すなわち、電子放出源６をグリッド電極１０の開口領域と略同等の開口領域を有するカソードマスク２０で覆うことにより、電子放出源６から電子が放出される領域を、グリッド電極１０の開口領域と略同等として、この領域から放出される略全ての電子をグリッド電極１０の開口部１１を通過させて発光に寄与する有効電子とすることができる。これにより、グリッド電極１０での電力損失を低減し、無損失ゲートの実現を可能とすることができる。

この無損失ゲートを有効に実現するには、グリッド電極１０とカソードマスク２０との対向距離及び開口径の関係を適切に設定する必要がある。先ず、グリッド電極１０とカソードマスク２０との対向距離Ｓは、規定の下限値以上に設定される。この下限値は、グリッド電極１０からカソード電極５への有害な金属スパッタの発生を防止可能な距離であると同時に、グリッド電極１０とカソードマスク２０との距離が近すぎて電界が有効に発生せず電子放出源６から放出される電子が極端に少なくなることを避けるための距離であり、例えば、Ｓ≧０．５ｍｍに設定される。

更に、グリッド電極１０の開口部１１とカソードマスク２０の開口部２１との関係においては、それぞれの開口寸法をＡＧ，ＡＭとすると、グリッド電極１０の開口部１１の開口寸法ＡＧは、カソードマスク２０の開口部２１の開口寸法ＡＭに対して、蛍光体１６の発光に要する電界強度やグリッド電極１０とカソードマスク２０とのアライメント誤差等を考慮して設定された範囲内にあることが望ましい。

尚、ここでの開口寸法とは、互いに相似となる開口部１１，２１の対応する位置での寸法を意味し、円形の孔である場合には、それぞれの直径（或は半径）、矩形状の開口である場合には、それぞれの矩形形状における長辺間の距離、或は短辺間の距離である。その他の形状でも同様である。

例えば、発光装置１のパネル全体の厚さを５ｍｍ以下、カソードマスク２０の開口部２１の開口寸法ＡＭをＡＭ＝０．５ｍｍ〜５ｍｍとした場合、グリッド電極１０とカソードマスク２０との対向距離Ｓは、以下の（１）式に示す条件を満足することが望ましく、また、グリッド電極１０の開口部１１の開口寸法ＡＧは、カソードマスク２０の開口部２１の開口寸法ＡＭに対して、以下の（２）の条件を満足することが望ましい。

０．５≦Ｓ＜５ …（１）
ＡＭ−０．２ｍｍ≦ＡＧ≦ＡＭ＋０．５ｍｍ …（２）
尚、開口部１１（２１）の配列ピッチＰは、基本的に製造上の工程能力に依存し、例えば、Ｐ≧ＡＧ＋ｄ（ｄ：被加工材の板厚）である。

発光装置１を、パネル厚さ５ｍｍの平面状の電界放出型照明ランプとし、カソードマスク２０の開口部２１とグリッド電極１０の開口部１１とを、それぞれ円形の孔として形成する。グリッド電極１０とカソードマスク２０との距離Ｓ、各開口部１１，２１の孔径ＡＧ，ＡＭは、以下の寸法に設定し、各孔のピッチＰは、グリッド電極１０及びカソードマスク２０の板厚ｄを０．２ｍｍとして、共にＰ＝２．４ｍｍとする。

Ｓ ＝１．０ｍｍ
ＡＧ＝２．２ｍｍ
ＡＭ＝２．０ｍｍ
以上の仕様で形成された発光装置１においては、電子放出源６から放出される電子の略全てがグリッド電極１０の開口部１１を通過して蛍光体１６に到達することが確認され、従来の３極構造にカソードマスク２０を追加するだけの簡素な構成にも拘らず、グリッド電極１０での無駄な電力消費を効果的に防止することができる。しかも、グリッド電極１０とカソードマスク２０とを適切に離間させているため、有害な金属スパッタが発生することもなく、グリッド電極１０に印加するゲート電圧が必要以上に高電圧化することもない。

発光装置の基本構成図、 グリッド電極とカソードマスクとの関係を示す説明図 従来の電界放出型表示装置におけるカソード極の代表的な構造を示す説明図

符号の説明

１ 発光装置
５ カソード電極
６ 電子放出源
１０ グリッド電極
１１ 開口部（グリッド電極の開口部）
１５ 蛍光板電極
１６ 蛍光体
２０ カソードマスク
２１ 開口部（カソードマスクの開口部）
ＡＧ 開口寸法（グリッド電極の開口部の開口寸法）
ＡＭ 開口寸法（カソードマスクの開口部の開口寸法）
Ｓ 距離（カソードマスクとグリッド電極との距離）

Claims (4)

1. 少なくとも、電子放出源を有するカソード電極、複数の開口部を有するグリッド電極、蛍光体を有する蛍光板電極が真空中に配置された発光装置において、
   上記グリッド電極の開口部と略同一の開口部を有して上記カソード電極の電子放出源をマスクするカソードマスクを備えたことを特徴とする発光装置。
2. 上記グリッド電極の開口部の開口寸法ＡＧを、上記カソードマスクの開口部の開口寸法ＡＭに対して、ＡＭ−０．２ｍｍ≦ＡＧ≦ＡＭ＋０．５ｍｍの範囲とすることを特徴とする請求項１記載の発光装置。
3. 上記カソードマスクの開口部の開口寸法ＡＭを、ＡＭ＝０．５〜５ｍｍの範囲とすることを特徴とする請求項１又は２記載の発光装置。
4. 上記カソードマスクと上記グリッド電極との距離Ｓを、Ｓ＝０．５〜５ｍｍの範囲とすることを特徴とする請求項１〜３の何れか一に記載の発光装置。

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