照明装置
【課題】炭素繊維を電子放出源として使用した照明装置を提供する。
【解決手段】炭素繊維１００が成長した触媒を配置した成長領域、及び触媒を配置していない非成長領域を含む電子放出面２００を有するカソード電極１０と、電子放出面２００に対向して配置された透明のアノード電極３０と、アノード電極３０の電子放出面２００に対向する主面３１０に配置され、炭素繊維１００から放出された電子により励起発光する蛍光体膜４０とを備える。
【解決手段】炭素繊維１００が成長した触媒を配置した成長領域、及び触媒を配置していない非成長領域を含む電子放出面２００を有するカソード電極１０と、電子放出面２００に対向して配置された透明のアノード電極３０と、アノード電極３０の電子放出面２００に対向する主面３１０に配置され、炭素繊維１００から放出された電子により励起発光する蛍光体膜４０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出源を用いた照明装置に係り、特に炭素繊維を電子放出源として用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）等のナノスケールの炭素繊維（カーボンファイバ）が、フィールドエミッションアレイ（ＦＥＡ）や、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）等の炭素繊維装置に使用されている。これらの炭素繊維装置は、炭素繊維を電子放出源として使用している。電子放出源から放出された電子に衝突されて蛍光体膜が励起され、発光する。
【０００３】
一方、照明装置として、従来から、蛍光灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機エレクトロルミネセンス（ＯＥＬ）等が使用されている。例えば、蛍光灯に代えてＬＥＤを光源とする照明の実用化が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１９２８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、蛍光灯は水銀を使用しているため、環境に影響を与える問題がある。ＬＥＤは点発光素子であるため、照明装置として使用する場合には、複数のＬＥＤを配列して発光面が均一に発光するための構造上の工夫等が必要である。ＯＥＬを照明として使用するためには、素子の大型化や発熱量の低減、コストダウン等が課題である。
【０００５】
一方、炭素繊維装置は水銀を使用しない。また、炭素繊維を電子放出源として使用すれば、小型の面発光素子を容易に且つ安価に製造できる。本発明は、炭素繊維を電子放出源として使用した照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、（イ）炭素繊維が成長した触媒を配置した成長領域、及び触媒を配置していない非成長領域を含む電子放出面を有するカソード電極と、（ロ）電子放出面に対向して配置された透明のアノード電極と、（ハ）アノード電極の電子放出面に対向する主面上に配置され、炭素繊維から放出された電子の衝突により励起発光する蛍光体膜とを備える照明装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、炭素繊維を電子放出源として使用した照明装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第４の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【０００９】
又、以下に示す第１乃至第４の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１は、図１に示すように、炭素繊維１００が成長した触媒を配置した成長領域、及び触媒を配置していない非成長領域を含む電子放出面２００を有するカソード電極１０と、電子放出面２００に対向して配置された透明のアノード電極３０と、アノード電極３０の電子放出面２００に対向する主面３１０上に配置され、炭素繊維１００から放出された電子の衝突により励起発光する蛍光体膜４０とを備える。図１において、電子放出面２００の炭素繊維１００が配置されている領域が触媒を配置した成長領域であり、炭素繊維１００が配置されていない領域が非成長領域である。
【００１１】
照明装置１では、炭素繊維１００は電子放出源である。炭素繊維１００は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）、カーボンナノファイバ（ＣＮＦ）、カーボンナノコイル等を含むナノスケールのカーボンファイバである。
【００１２】
電子放出面２００の例を図２に示す。図２は、電子放出面２００をアノード電極３０側からみた上面図である。図２に示すように、電子放出面２００は、炭素繊維１００が成長した触媒を配置した成長領域２１０、及び触媒を配置していない非成長領域２２０を含む。図２に示した例では、電子放出面２００に複数の円状の成長領域２１０が互いに離間して配置されている。成長領域２１０が配置されていない、残余の領域が非成長領域２２０である。つまり、複数の成長領域２１０が非成長領域２２０によって互いに離間して配置されている。成長領域２１０の直径Ｒは、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、成長領域２１０間の最短距離ｄは、例えば１ｍｍ程度である。電子放出面２００に触媒を配置する領域と配置しない領域を設定することにより、成長領域２１０と非成長領域２２０の配置が決定される。
【００１３】
図２に示したように、電子放出面２００を、触媒を配置した成長領域２１０と触媒を配置していない非成長領域２２０とに分離して、成長領域２１０の形状、配置、面積等を制限することにより、炭素繊維１００の電子放出効率の低下を防止できる。この理由を以下に説明する。
【００１４】
電子放出源である炭素繊維１００から電子を放出させるためには、炭素繊維１００の先端に電界を集中させる必要がある。しかし、広範囲に多数の炭素繊維１００が密集して成長している場合には、炭素繊維１００の各先端に電界が集中しづらい。このため、炭素繊維１００が成長する成長領域２１０を密集させずに配置することにより、炭素繊維１００の各先端に電界が集中しやすくなる。したがって、電子放出面２００の全面に炭素繊維１００を成長させずに、例えば複数の成長領域２１０を非成長領域２２０で囲むように電子放出面２００を構成することにより、炭素繊維１００の電子放出効率が向上する。
【００１５】
具体的には、電子放出面２００に対する成長領域２１０の面積の割合を２５％程度以下にすることにより、炭素繊維１００の電子放出効率が向上する効果が得られる。つまり、炭素繊維１００が密集して配置された領域の面積を小さくすることにより、炭素繊維１００の電子放出効率の低下を防止できる。
【００１６】
図１に示すように、照明装置１のカソード電極１０は、カソード基板１１と、カソード基板１１の上面１１０上に配置されたカソード層１２を含む。カソード層１２の表面が、電子放出面２００である。つまり、電子放出面２００は、カソード基板１１の上面１１０に接する面（裏面）に対向するカソード層１２の表面である。カソード基板１１には、例えばニッケル（Ｎｉ）基板や、ステンレス（ＳＵＳ鋼）基板等の金属プレートが採用可能である。カソード層１２には、クロム（Ｃｒ）膜等が採用可能である。
【００１７】
照明装置１のアノード電極３０は、アノード基板３２と、アノード基板３２の下面３２０上に配置されたアノード層３１を含む。そして、アノード基板３２と接する主面（裏面）に対向するアノード層３１の主面３１０（表面）に、蛍光体膜４０が配置される。アノード基板３２及びアノード層３１には、蛍光体膜４０から出力される光が透過可能な材料が選択される。例えば、ガラス板等がアノード基板３２に採用可能である。アノード層３１には、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜等が採用可能である。
【００１８】
蛍光体膜４０の材料は、照明装置１の所望の発光色等に応じて選択される。例えば、青色光を発光する場合にはＺｎＳ：Ａｇ蛍光体、緑色光を発光する場合にはＺｎＳ：Ａｕ、Ａｌ蛍光体、赤光を発光する場合にはＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+蛍光体等が蛍光体膜４０に採用可能である。
【００１９】
また、カソード電極１０とアノード電極３０との間に空間をなすように、カソード基板１１の周辺部とアノード基板３２の周辺部は、環状のスペーサ５０に接合される。つまり、照明装置１の側面はスペーサ５０により構成される。スペーサ５０には、例えばガラス等が採用可能である。
【００２０】
カソード電極１０、アノード電極３０及びスペーサ５０により、カソード電極１０とアノード電極３０間の空間は外部と遮断される。カソード電極１０とアノード電極３０間の空間は、例えば１×１０-3〜１×１０-4Ｐａ程度の真空状態に保たれる。スペーサ５０は、例えばガラスフリットによってカソード電極１０及びアノード電極３０と接合される。
【００２１】
以下に、図１に示した照明装置１の動作について説明する。カソード電極１０とアノード電極３０間に電圧（以下において、「アノード電圧」という。）Ｖを印加することにより、カソード電極１０の電子放出面２００に配置された電子放出源である炭素繊維１００から、アノード電極３０に向かって電子が放出される。カソード電極１０とアノード電極３０間に印加するアノード電圧Ｖは、例えば８ｋＶ程度である。炭素繊維１００から放出された電子は、アノード層３１の主面３１０に配置された蛍光体膜４０に衝突する。この衝突により、蛍光体膜４０は励起され発光する。蛍光体膜４０が発光した出力光Ｌは、アノード層３１及びアノード基板３２を透過して、アノード基板３２の出力面３０ａから照明装置１の外部に出力される。
【００２２】
なお、蛍光体膜４０からアノード基板３２に入射した出力光Ｌの一部はそのまま出力面３０ａから照明装置１の外部に出力される。また、アノード基板３２に入射した出力光Ｌの他の一部は、アノード基板３２内部を拡散した後、照明装置１の外部に出力される。
【００２３】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１は、炭素繊維１００を電子放出源とし、炭素繊維１００が放出する電子の衝突により蛍光体膜４０が励起されて発光する。照明装置１は水銀を使用しないため、環境問題が生じない。また、以下に照明装置１の製造法を説明するように、小型の面発光素子を容易に、且つ安価に製造できる。
【００２４】
図３〜図７を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１の製造方法を説明する。なお、以下に述べる照明装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００２５】
（イ）図３に示すように、カソード基板１１の上面１１０上にカソード層１２を形成する。例えば、厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のＳＵＳ鋼板であるカソード基板１１上に、スパッタ法等により、膜厚０．１μｍ〜０．５μｍ程度のＣｒ膜をカソード層１２として形成する。
【００２６】
（ロ）図４に示すように、カソード層１２の上面、即ち電子放出面２００上に、炭素繊維１００の核となる触媒１５０を形成する。例えば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）からなる４２６合金膜を、スパッタ法により膜厚１〜５ｎｍ程度の膜厚で形成する。触媒１５０の膜厚が薄いために図１では触媒１５０の図示を省略したが、図４では説明をわかりやすくするために触媒１５０を図示している。このとき、例えばガラスマスクを使用して、電子放出面２００上に触媒１５０を配置した成長領域２１０と、触媒１５０を配置していない非成長領域２２０とを形成する。或いは、非成長領域２２０上にマスクテープを配置した後に触媒１５０を形成し、マスクテープをはがして非成長領域２２０を形成するリフトオフ法を採用してもよい。
【００２７】
（ハ）熱化学気相成長（熱ＣＶＤ）法により、図５に示すように、炭素繊維１００を成長させる。具体的には、炭素繊維１００の原料ガスを熱ＣＶＤ装置のチャンバー内に導入する。原料ガスとしては、例えば一酸化炭素／水素（ＣＯ／Ｈ2）混合ガスが採用可能であるが、他にも、二酸化炭素（ＣＯ2）ガス、メタン（ＣＨ4）ガス等の炭素（Ｃ）を供給可能なガスが採用可能である。そして、例えば５５０℃〜６００℃の成長温度、３０分の成長時間で、長さ１〜３μｍ程度の炭素繊維１００を成長領域２１０に成長させる。
【００２８】
（ニ）図６に示すように、電子放出面２００を囲むようにスペーサ５０をカソード電極１０の周面部上に配置する。スペーサ５０は、例えばカソード電極１０上にスクリーン印刷されたガラスフリットによって、カソード電極１０と接合される。ガラスフリットは、脱泡された後、１×１０-1〜１×１０-3Ｐａの真空状態において４００℃〜５５０℃で焼成される。
【００２９】
（ホ）アノード基板３２の下面３２０上にアノード層３１を配置してアノード電極３０を形成する。例えば、ガラス板からなるアノード基板３２上に、ＩＴＯ膜をアノード層３１として形成する。更に、スクリーン印刷法等によりアノード層３１の主面３１０上に蛍光体膜４０を配置する。その後、図７に示すように、蛍光体膜４０がカソード電極１０に対向するように、アノード電極３０をスペーサ５０上に配置する。例えばアノード電極３０上にスクリーン印刷されたガラスフリットによって、スペーサ５０とアノード電極３０とが接合される。既に述べたように、カソード電極１０とアノード電極３０間の空間は、１×１０-3〜１×１０-4Ｐａ程度の真空状態に保つ必要がある。このため、カソード電極１０、アノード電極３０及びスペーサ５０により囲まれる空間内の不要なガスを吸着する吸着剤を配置してもよい。以上により、図１に示した照明装置１が完成する。
【００３０】
熱ＣＶＤ法で成長させる炭素繊維１００の長さは、上記のように１〜３μｍ程度が望ましい。これは、炭素繊維１００の長さが長すぎると、電子が放出される炭素繊維１００の先端が垂れてアノード電極３０方向に向かず、電子放出効率が低下するためである。炭素繊維１００の長さが１〜３μｍ程度の場合には、炭素繊維１００は直立し、先端がアノード電極３０方向に向く。炭素繊維１００がＣＮＴの場合、炭素繊維１００の直径は２０ｎｍ程度である。
【００３１】
上記では、ガラスマスクやリフトオフ工程を使用して電子放出面２００上に成長領域２１０と非成長領域２２０を形成する方法を示した。他の方法として、電子放出面２００の全面に触媒１５０を形成した後、カソード電極１０を加熱することにより、電子放出面２００上に成長領域２１０と非成長領域２２０を形成してもよい。つまり、カソード電極１０を加熱することにより、触媒１５０の粒子を電子放出面２００上で拡散させ、互いに離間した複数の領域で触媒１５０を凝縮させる。その結果、複数の成長領域２１０を互いに離間して配置することができる。この成長領域２１０の形成方法によれば、ガラスマスクを配置する工程やリフトオフ工程が不要であるため、製造工程数を減らすことができる。
【００３２】
なお、成長領域２１０の形状は、図２に示したような円形ではなく、例えば、成長領域２１０を矩形にしてもよい。図８は、矩形の成長領域２１０をマトリクス状に配置した例である。
【００３３】
また、電子放出面２００上の成長領域２１０と非成長領域２２０の配置方法は、複数の成長領域２１０を非成長領域２２０によって互いに離間して配置する方法に限られない。つまり、炭素繊維１００の電子放出効率を向上させるために、炭素繊維１００の各先端に電界が集中しやすい状態になるように電子放出面２００に成長領域２１０を配置するのであれば、電子放出面２００上の成長領域２１０と非成長領域２２０の配置方法はどのような配置であってもよい。例えば、図９は、電子放出面２００上に、成長領域２１０を格子状に配置した例を示す。
【００３４】
以上に説明した照明装置の製造方法により、照明装置１を容易に、且つ安価に製造できる。本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１の製造方法によれば、炭素繊維１００を電子放出源とし、炭素繊維１００が放出する電子で蛍光体膜４０を励起して発光する照明装置を提供できる。
【００３５】
＜変形例＞
図１０に示す本発明の第１の実施の形態の変形例に係る照明装置１は、電子放出面２００に対向して、電子が入射する蛍光体膜４０の入射面４１上に配置された反射膜６０を更に有する。反射膜６０には、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜等の金属膜が採用可能である。
【００３６】
反射膜６０の膜厚が薄い場合には、炭素繊維１００から放出された電子は反射膜６０を通過する。具体的には、反射膜６０が膜厚１００ｎｍ程度のＡｌ膜である場合には、アノード電圧Ｖが５ｋＶ程度以上であれば、炭素繊維１００から放出された電子は反射膜６０を通過し、蛍光体膜４０に衝突する。
【００３７】
図１０に示した照明装置１では、蛍光体膜４０からカソード基板１１方向に進行する光が反射膜６０で反射し、アノード層３１及びアノード基板３２を透過して、出力面３０ａから照明装置１の外部に出力する。その結果、反射膜６０を配置しない場合に比べて、蛍光体膜４０で励起した光のうちの出力面３０ａから出力される光の割合を示す光取り出し効率が向上する。
【００３８】
（第２の実施の形態）
図１１に示す本発明の第２の実施の形態に係る照明装置１Ａでは、カソード電極１０が、第１の主面２０１及び第１の主面２０１に対向する第２の主面２０２を有する。図１１に示す照明装置１Ａでは、第１の主面２０１及び第２の主面２０２それぞれが電子放出面である。以下では、第１の主面２０１を「第１の電子放出面」２０１、第２の主面２０２を「第２の電子放出面」２０２という。
【００３９】
カソード電極１０は、カソード基板１１の上面１１０上にカソード層１２１が配置され、下面１１１上にカソード層１２２が配置された構造である。つまり、カソード基板１１の上面１１０に接する面（裏面）に対向するカソード層１２１の表面が第１の電子放出面２０１である。カソード基板１１の下面１１１に接する面（裏面）に対向するカソード層１２２の表面が第２の電子放出面２０２である。例えば、ＳＵＳ鋼であるカソード基板１１の上面１１０と下面１１１に、カソード層１２１及びカソード層１２２としてＣｒ膜をそれぞれ配置して、カソード電極１０が形成される。
【００４０】
第１の電子放出面２０１及び第２の電子放出面２０２には、図２、或いは図８、図９に例示したように、炭素繊維１００の各先端に電界が集中しやすいように形状、配置、及び面積等が設定されて、成長領域２１０が配置される。これにより、第１の電子放出面２０１及び第２の電子放出面２０２に配置された炭素繊維１００の電子放出効率が向上する。
【００４１】
図１１に示すように、第１の電子放出面２０１及び第２の主面２０２にそれぞれ対向して、第１のアノード電極３０１及び第２のアノード電極３０２が配置される。図１に示したアノード電極３０と同様に、第１のアノード電極３０１は、アノード基板３２１とアノード層３１１を積層して形成される。第２のアノード電極３０２は、アノード基板３２２とアノード層３１２を積層して形成される。アノード基板３２１及びアノード基板３２２には、ガラス板等が採用可能である。アノード層３１１及びアノード層３１２には、例えばＩＴＯ膜が採用可能である。
【００４２】
第１のアノード電極３０１の第１の電子放出面２０１と対向する面上に、蛍光体膜４０１が配置される。第２のアノード電極３０２の第２の電子放出面２０２と対向する面上に、蛍光体膜４０２が配置される。
【００４３】
カソード電極１０と第１のアノード電極３０１との間にスペーサ５０１を接続し、カソード電極１０と第２のアノード電極３０２との間にスペーサ５０２を接続して、図１１に示す照明装置１Ａが完成する。スペーサ５０１及びスペーサ５０２には、図１に示したスペーサ５０と同様に、ガラス等が採用可能である。
【００４４】
照明装置１Ａを動作させるために、カソード電極１０と第１のアノード電極３０１間、及びカソード電極１０と第２のアノード電極３０２間に、それぞれアノード電圧Ｖを印加する。カソード電極１０の第１の電子放出面２０１の成長領域２１０に配置された炭素繊維１００から、第１のアノード電極３０１に向かって電子が放出される。炭素繊維１００から放出された電子は、蛍光体膜４０１に衝突し、蛍光体膜４０１は励起され発光する。蛍光体膜４０１が発光した出力光Ｌ１は、アノード層３１１及びアノード基板３２１を透過して、アノード基板３２１の出力面３１ａから照明装置１Ａの外部に出力される。同様に、第２の電子放出面２０２から放出された電子によって蛍光体膜４０２が励起され発光する。蛍光体膜４０２が発光した出力光Ｌ２が、アノード基板３２２の出力面３２ａから照明装置１Ａの外部に出力される。
【００４５】
なお、蛍光体膜４０１の第１の電子放出面２０１に対向する面、及び蛍光体膜４０２の第２の電子放出面２０２に対向する面に、図１０に示した照明装置１と同様に反射膜６０を配置してもよい。反射膜６０により、蛍光体膜４０１から発光する出力光Ｌ１、及び蛍光体膜４０２から発光する出力光Ｌ２の光取り出し効率が向上する。
【００４６】
以上に説明したように、図１に示した照明装置１が１つの出力面３０ａから発光するのに対し、図１１に示した照明装置１Ａは、２つの出力面３１ａ、３２ａから発光する。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００４７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る照明装置１Ｂは、図１２（ａ）〜図１２（ｂ）に示すように、円柱状のカソード電極１０Ｂと、カソード電極１０Ｂを囲んで配置された管状のアノード電極３０Ｂを有する。図１２（ａ）は、カソード電極１０Ｂが延伸する方向に沿った断面図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示す切断面に垂直方向（ＸＩＩ−ＸＩＩ方向）に沿った切断面である。
【００４８】
カソード電極１０Ｂは、円柱状のカソード基板１１の表面にカソード層１２３を配置した構造である。カソード層１２３の表面が電子放出面２０３である。電子放出面２０３に、炭素繊維１００の各先端に電界が集中するように形状、配置及び面積等が設定された成長領域２１０が配置される。これにより、電子放出面２０３に配置された炭素繊維１００の電子放出効率が向上する。
【００４９】
円柱状のカソード層１２３の表面の一部に炭素繊維１００を配置するためには、例えばマスクテープを使用したリフトオフ法等が採用可能である。つまり、カソード層１２３の成長領域２１０以外の場所にマスクテープを巻き、触媒を形成した後にマスクテープを剥がすことにより、カソード層１２３の成長領域２１０のみに炭素繊維１００を配置できる。
【００５０】
アノード電極３０Ｂは、例えばガラス管であるアノード基板３２３の内側に、ＩＴＯ膜等のアノード層３１３を配置して形成される。アノード層３１３のカソード電極１０Ｂに対向する面に、蛍光体膜４０３が配置される。アノード基板３２３の外側表面が出力面３３ａである。アノード電極３０Ｂの一方の端部は封止部材５０３で封止され、他方の端部は曲面である。カソード電極１０Ｂはアノード電極３０Ｂに囲まれた空間内に配置され、アノード電極３０Ｂに囲まれた空間は、封止部材７１０によって１×１０-3〜１×１０-4Ｐａ程度の真空状態を保って封止される。
【００５１】
カソード電極１０Ｂとアノード電極３０Ｂ間にアノード電圧Ｖを印加すると、カソード電極１０Ｂの電子放出面２０３の成長領域２１０に配置された炭素繊維１００から、アノード電極３０Ｂに向かって電子が放出される。炭素繊維１００から放出された電子は、蛍光体膜４０３に衝突し、蛍光体膜４０３は励起され発光する。蛍光体膜４０３が発光した出力光Ｌ３は、アノード層３１３及びアノード基板３２３を透過して、出力面３３ａから照明装置１Ｂの外部に出力される。
【００５２】
図１２（ａ）〜図１２（ｂ）に示した照明装置１Ｂによれば、全方位に出力光Ｌ３を発光可能な照明装置を提供できる。なお、カソード電極１０Ｂの形状は、円柱以外の、例えば四角柱や三角柱等の多角柱であってもよい。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００５３】
＜第１の変形例＞
第３の実施の形態の第１の変形例に係る照明装置１Ｂを図１３に示す。図１２（ａ）に示した照明装置１Ｂは、アノード電極３０Ｂの一方の端部からカソード電極１０Ｂとアノード電極３０Ｂに電圧が印加され、他方の端部が閉じた形状である。これに対し、図１３に示した照明装置１Ｂは、アノード電極３０Ｂが筒状であり、両端部が封止部材５０３で封止されている点が、図１２（ａ）に示した照明装置１Ｂと異なる。
【００５４】
図１３に示した照明装置１Ｂでは、アノード電極３０Ｂの両端からカソード電極１０Ｂ又はアノード電極３０Ｂに電圧を印加できる。例えば、図１３に示したように、照明装置１Ｂの一方の端部からカソード電極１０Ｂに電圧を印加し、他方の端部からアノード電極３０Ｂに電圧を印加できる。
【００５５】
＜第２の変形例＞
第３の実施の形態の第２の変形例に係る照明装置１Ｂを図１４に示す。図１４に示した照明装置１Ｂは、アノード電極３０Ｂの形状が電球形状であることが、図１２（ａ）に示した照明装置１Ｂと異なる点である。その他の構成については、図１２（ａ）に示した照明装置１Ｂの形態と同様である。
【００５６】
照明装置１Ｂから出力される出力光Ｌ３の輝度が出力面３３ａ上で均一であるためには、アノード電極３０Ｂとカソード電極１０Ｂ間の距離がアノード電極３０Ｂ上の場所に依存せずに一定である必要がある。そのため、アノード電極３０Ｂの形状が電球形状である場合には、図１４に示すように、照明装置１Ｂのカソード電極１０Ｂの形状も電球形状であることが好ましい。
【００５７】
図１４に示した照明装置１Ｂによれば、炭素繊維１００を電子放出源とする電球形状の照明装置を提供できる。
【００５８】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る照明装置１Ｃは、図１５に示すように、カソード電極１０とアノード電極３０間に配置され、炭素繊維１００から電子を引き出すゲート電極７０を更に備えることが、図１に示した照明装置１と異なる点である。その他の構成については、図１に示した照明装置１の形態と同様である。
【００５９】
ゲート電極７０は、例えばメッシュ状の金属部材を採用可能である。図１６にメッシュ状のゲート電極７０の例を示す。図１６は、カソード電極１０方向からゲート電極７０をみた例である。カソード電極１０とゲート電極７０に電圧（以下において、「ゲート電圧」という。）ＶGを印加することにより、電子放出面２００に配置された炭素繊維１００から電子が引き出される。炭素繊維１００から引き出された電子は、メッシュ状のゲート電極７０の隙間を通過して、アノード電圧Ｖが印加されたアノード電極３０上に配置された蛍光体膜４０に衝突する。この衝突により、蛍光体膜４０は励起され発光する。蛍光体膜４０が発光した出力光Ｌは、アノード層３１及びアノード基板３２を透過して、アノード基板３２の出力面３０ａから照明装置１Ｃの外部に出力される。
【００６０】
図１０に示した照明装置１と同様に、蛍光体膜４０の電子放出面２００に対向する面に反射膜６０を配置してもよい。反射膜６０により、蛍光体膜４０から発光する出力光Ｌの光取り出し効率が向上する。
【００６１】
図１１に示した照明装置１Ａと同様に、照明装置１Ｃのカソード電極１０の両面に電子放出面を配置してもよい。或いは、照明装置１Ｃのカソード電極１０の形状を、図１２（ａ）〜図１４に示した照明装置１Ｂと同様に、円柱状或いは電球形状にしてもよい。
【００６２】
カソード電極１０とゲート電極７０間に印加されるゲート電圧ＶGは１００Ｖ程度であり、例えば３０Ｖ〜４０Ｖである。一方、カソード電極１０とアノード電極３０間のアノード電圧Ｖは、８ｋＶ程度である。このため、アノード電圧Ｖを制御するよりも、ゲート電圧ＶGを制御することにより、炭素繊維１００から放出される電子数を細かく制御できる。つまり、図１５に示した照明装置１Ｃによれば、ゲート電圧ＶGを制御することにより、出力光Ｌの輝度をより細かく調整できる。
【００６３】
図１７に、ゲート電圧ＶGと炭素繊維１００から放出される電子数に依存する電流（放出電流）密度との関係を示す。図１７は、アノード電圧Ｖが７ｋＶの場合における、ゲート電圧ＶGと放出電流密度との関係を示したグラフである。図１７に示すように、ゲート電圧ＶGを増加することにより、放出電流密度は指数関数的に増大する。このように、ゲート電圧ＶGを制御することにより、出力光Ｌの輝度を細かく調整できる。
【００６４】
図１５にはゲート電極７０がメッシュ上の金属部材である例を示したが、ゲート電極７０は半導体プロセスを使用して形成してもよい。例えば、図１８に示すように、電子放出面２００の非成長領域２２０上に絶縁膜８０を形成し、絶縁膜８０上にゲート電極７０を形成する。つまり、成長領域２１０は、絶縁膜８０及びゲート電極７０によって囲まれた空間であるホール９０の底面に露出した領域である。図１８に示したゲート電極７０には、例えばＣｒ膜等が採用可能である。絶縁膜８０には、例えば酸化シリコン（Ｓｉ2Ｏ）等が採用可能である。
【００６５】
以上に説明したように、本発明の第４の嫉視の形態に係る照明装置１Ｃによれば、炭素繊維１００を電子放出源とし、出力光Ｌの輝度を細かく調整できる照明装置を提供できる。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００６６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１乃至第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６７】
既に述べた第１乃至第４の実施の形態の説明においては、炭素繊維１００を成長させる際の触媒１５０に４２６合金膜を使用する例を示したが、他の触媒を用いてもよいことはもちろんである。例えば、Ｆｅ膜を触媒１５０に使用してもよい。
【００６８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の成長領域及び非成長領域の例を示す上面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その１）。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その２）。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その３）。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その４）。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その５）。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の成長領域及び非成長領域の他の例を示す上面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の成長領域及び非成長領域の他の例を示す上面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図であり、図１２（ａ）はカソード電極が延伸する方向に沿った断面図でり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸＩＩ−ＸＩＩ方向に沿った断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態の第１の変形例に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態の第２の変形例に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係る照明装置のゲート電極の構造例を示す模式図である。
【図１７】ゲート電圧と炭素繊維から放出される電子数との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の第４の実施の形態に係る照明装置のゲート電極の他の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
１…照明装置
１０…カソード電極
１１…カソード基板
１２、１２１〜１２３…カソード層
３０、３０１、３０２…アノード電極
３１、３１１〜３１３…アノード層
３２、３２１〜３２３…アノード基板
４０、４０１〜４０３…蛍光体膜
５０、５０１〜５０２…スペーサ
６０…反射膜
７０…ゲート電極
１００…炭素繊維
１５０…触媒
２００〜２０３…電子放出面
２１０…成長領域
２２０…非成長領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出源を用いた照明装置に係り、特に炭素繊維を電子放出源として用いた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）等のナノスケールの炭素繊維（カーボンファイバ）が、フィールドエミッションアレイ（ＦＥＡ）や、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）等の炭素繊維装置に使用されている。これらの炭素繊維装置は、炭素繊維を電子放出源として使用している。電子放出源から放出された電子に衝突されて蛍光体膜が励起され、発光する。
【０００３】
一方、照明装置として、従来から、蛍光灯、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機エレクトロルミネセンス（ＯＥＬ）等が使用されている。例えば、蛍光灯に代えてＬＥＤを光源とする照明の実用化が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１９２８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、蛍光灯は水銀を使用しているため、環境に影響を与える問題がある。ＬＥＤは点発光素子であるため、照明装置として使用する場合には、複数のＬＥＤを配列して発光面が均一に発光するための構造上の工夫等が必要である。ＯＥＬを照明として使用するためには、素子の大型化や発熱量の低減、コストダウン等が課題である。
【０００５】
一方、炭素繊維装置は水銀を使用しない。また、炭素繊維を電子放出源として使用すれば、小型の面発光素子を容易に且つ安価に製造できる。本発明は、炭素繊維を電子放出源として使用した照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、（イ）炭素繊維が成長した触媒を配置した成長領域、及び触媒を配置していない非成長領域を含む電子放出面を有するカソード電極と、（ロ）電子放出面に対向して配置された透明のアノード電極と、（ハ）アノード電極の電子放出面に対向する主面上に配置され、炭素繊維から放出された電子の衝突により励起発光する蛍光体膜とを備える照明装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、炭素繊維を電子放出源として使用した照明装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、図面を参照して、本発明の第１乃至第４の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【０００９】
又、以下に示す第１乃至第４の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１０】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１は、図１に示すように、炭素繊維１００が成長した触媒を配置した成長領域、及び触媒を配置していない非成長領域を含む電子放出面２００を有するカソード電極１０と、電子放出面２００に対向して配置された透明のアノード電極３０と、アノード電極３０の電子放出面２００に対向する主面３１０上に配置され、炭素繊維１００から放出された電子の衝突により励起発光する蛍光体膜４０とを備える。図１において、電子放出面２００の炭素繊維１００が配置されている領域が触媒を配置した成長領域であり、炭素繊維１００が配置されていない領域が非成長領域である。
【００１１】
照明装置１では、炭素繊維１００は電子放出源である。炭素繊維１００は、例えば、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイトナノファイバ（ＧＮＦ）、カーボンナノファイバ（ＣＮＦ）、カーボンナノコイル等を含むナノスケールのカーボンファイバである。
【００１２】
電子放出面２００の例を図２に示す。図２は、電子放出面２００をアノード電極３０側からみた上面図である。図２に示すように、電子放出面２００は、炭素繊維１００が成長した触媒を配置した成長領域２１０、及び触媒を配置していない非成長領域２２０を含む。図２に示した例では、電子放出面２００に複数の円状の成長領域２１０が互いに離間して配置されている。成長領域２１０が配置されていない、残余の領域が非成長領域２２０である。つまり、複数の成長領域２１０が非成長領域２２０によって互いに離間して配置されている。成長領域２１０の直径Ｒは、例えば１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度であり、成長領域２１０間の最短距離ｄは、例えば１ｍｍ程度である。電子放出面２００に触媒を配置する領域と配置しない領域を設定することにより、成長領域２１０と非成長領域２２０の配置が決定される。
【００１３】
図２に示したように、電子放出面２００を、触媒を配置した成長領域２１０と触媒を配置していない非成長領域２２０とに分離して、成長領域２１０の形状、配置、面積等を制限することにより、炭素繊維１００の電子放出効率の低下を防止できる。この理由を以下に説明する。
【００１４】
電子放出源である炭素繊維１００から電子を放出させるためには、炭素繊維１００の先端に電界を集中させる必要がある。しかし、広範囲に多数の炭素繊維１００が密集して成長している場合には、炭素繊維１００の各先端に電界が集中しづらい。このため、炭素繊維１００が成長する成長領域２１０を密集させずに配置することにより、炭素繊維１００の各先端に電界が集中しやすくなる。したがって、電子放出面２００の全面に炭素繊維１００を成長させずに、例えば複数の成長領域２１０を非成長領域２２０で囲むように電子放出面２００を構成することにより、炭素繊維１００の電子放出効率が向上する。
【００１５】
具体的には、電子放出面２００に対する成長領域２１０の面積の割合を２５％程度以下にすることにより、炭素繊維１００の電子放出効率が向上する効果が得られる。つまり、炭素繊維１００が密集して配置された領域の面積を小さくすることにより、炭素繊維１００の電子放出効率の低下を防止できる。
【００１６】
図１に示すように、照明装置１のカソード電極１０は、カソード基板１１と、カソード基板１１の上面１１０上に配置されたカソード層１２を含む。カソード層１２の表面が、電子放出面２００である。つまり、電子放出面２００は、カソード基板１１の上面１１０に接する面（裏面）に対向するカソード層１２の表面である。カソード基板１１には、例えばニッケル（Ｎｉ）基板や、ステンレス（ＳＵＳ鋼）基板等の金属プレートが採用可能である。カソード層１２には、クロム（Ｃｒ）膜等が採用可能である。
【００１７】
照明装置１のアノード電極３０は、アノード基板３２と、アノード基板３２の下面３２０上に配置されたアノード層３１を含む。そして、アノード基板３２と接する主面（裏面）に対向するアノード層３１の主面３１０（表面）に、蛍光体膜４０が配置される。アノード基板３２及びアノード層３１には、蛍光体膜４０から出力される光が透過可能な材料が選択される。例えば、ガラス板等がアノード基板３２に採用可能である。アノード層３１には、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜、酸化亜鉛（ＺｎＯ）膜等が採用可能である。
【００１８】
蛍光体膜４０の材料は、照明装置１の所望の発光色等に応じて選択される。例えば、青色光を発光する場合にはＺｎＳ：Ａｇ蛍光体、緑色光を発光する場合にはＺｎＳ：Ａｕ、Ａｌ蛍光体、赤光を発光する場合にはＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ3+蛍光体等が蛍光体膜４０に採用可能である。
【００１９】
また、カソード電極１０とアノード電極３０との間に空間をなすように、カソード基板１１の周辺部とアノード基板３２の周辺部は、環状のスペーサ５０に接合される。つまり、照明装置１の側面はスペーサ５０により構成される。スペーサ５０には、例えばガラス等が採用可能である。
【００２０】
カソード電極１０、アノード電極３０及びスペーサ５０により、カソード電極１０とアノード電極３０間の空間は外部と遮断される。カソード電極１０とアノード電極３０間の空間は、例えば１×１０-3〜１×１０-4Ｐａ程度の真空状態に保たれる。スペーサ５０は、例えばガラスフリットによってカソード電極１０及びアノード電極３０と接合される。
【００２１】
以下に、図１に示した照明装置１の動作について説明する。カソード電極１０とアノード電極３０間に電圧（以下において、「アノード電圧」という。）Ｖを印加することにより、カソード電極１０の電子放出面２００に配置された電子放出源である炭素繊維１００から、アノード電極３０に向かって電子が放出される。カソード電極１０とアノード電極３０間に印加するアノード電圧Ｖは、例えば８ｋＶ程度である。炭素繊維１００から放出された電子は、アノード層３１の主面３１０に配置された蛍光体膜４０に衝突する。この衝突により、蛍光体膜４０は励起され発光する。蛍光体膜４０が発光した出力光Ｌは、アノード層３１及びアノード基板３２を透過して、アノード基板３２の出力面３０ａから照明装置１の外部に出力される。
【００２２】
なお、蛍光体膜４０からアノード基板３２に入射した出力光Ｌの一部はそのまま出力面３０ａから照明装置１の外部に出力される。また、アノード基板３２に入射した出力光Ｌの他の一部は、アノード基板３２内部を拡散した後、照明装置１の外部に出力される。
【００２３】
以上に説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１は、炭素繊維１００を電子放出源とし、炭素繊維１００が放出する電子の衝突により蛍光体膜４０が励起されて発光する。照明装置１は水銀を使用しないため、環境問題が生じない。また、以下に照明装置１の製造法を説明するように、小型の面発光素子を容易に、且つ安価に製造できる。
【００２４】
図３〜図７を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１の製造方法を説明する。なお、以下に述べる照明装置の製造方法は一例であり、この変形例を含めて、これ以外の種々の製造方法により実現可能であることは勿論である。
【００２５】
（イ）図３に示すように、カソード基板１１の上面１１０上にカソード層１２を形成する。例えば、厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度のＳＵＳ鋼板であるカソード基板１１上に、スパッタ法等により、膜厚０．１μｍ〜０．５μｍ程度のＣｒ膜をカソード層１２として形成する。
【００２６】
（ロ）図４に示すように、カソード層１２の上面、即ち電子放出面２００上に、炭素繊維１００の核となる触媒１５０を形成する。例えば鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）からなる４２６合金膜を、スパッタ法により膜厚１〜５ｎｍ程度の膜厚で形成する。触媒１５０の膜厚が薄いために図１では触媒１５０の図示を省略したが、図４では説明をわかりやすくするために触媒１５０を図示している。このとき、例えばガラスマスクを使用して、電子放出面２００上に触媒１５０を配置した成長領域２１０と、触媒１５０を配置していない非成長領域２２０とを形成する。或いは、非成長領域２２０上にマスクテープを配置した後に触媒１５０を形成し、マスクテープをはがして非成長領域２２０を形成するリフトオフ法を採用してもよい。
【００２７】
（ハ）熱化学気相成長（熱ＣＶＤ）法により、図５に示すように、炭素繊維１００を成長させる。具体的には、炭素繊維１００の原料ガスを熱ＣＶＤ装置のチャンバー内に導入する。原料ガスとしては、例えば一酸化炭素／水素（ＣＯ／Ｈ2）混合ガスが採用可能であるが、他にも、二酸化炭素（ＣＯ2）ガス、メタン（ＣＨ4）ガス等の炭素（Ｃ）を供給可能なガスが採用可能である。そして、例えば５５０℃〜６００℃の成長温度、３０分の成長時間で、長さ１〜３μｍ程度の炭素繊維１００を成長領域２１０に成長させる。
【００２８】
（ニ）図６に示すように、電子放出面２００を囲むようにスペーサ５０をカソード電極１０の周面部上に配置する。スペーサ５０は、例えばカソード電極１０上にスクリーン印刷されたガラスフリットによって、カソード電極１０と接合される。ガラスフリットは、脱泡された後、１×１０-1〜１×１０-3Ｐａの真空状態において４００℃〜５５０℃で焼成される。
【００２９】
（ホ）アノード基板３２の下面３２０上にアノード層３１を配置してアノード電極３０を形成する。例えば、ガラス板からなるアノード基板３２上に、ＩＴＯ膜をアノード層３１として形成する。更に、スクリーン印刷法等によりアノード層３１の主面３１０上に蛍光体膜４０を配置する。その後、図７に示すように、蛍光体膜４０がカソード電極１０に対向するように、アノード電極３０をスペーサ５０上に配置する。例えばアノード電極３０上にスクリーン印刷されたガラスフリットによって、スペーサ５０とアノード電極３０とが接合される。既に述べたように、カソード電極１０とアノード電極３０間の空間は、１×１０-3〜１×１０-4Ｐａ程度の真空状態に保つ必要がある。このため、カソード電極１０、アノード電極３０及びスペーサ５０により囲まれる空間内の不要なガスを吸着する吸着剤を配置してもよい。以上により、図１に示した照明装置１が完成する。
【００３０】
熱ＣＶＤ法で成長させる炭素繊維１００の長さは、上記のように１〜３μｍ程度が望ましい。これは、炭素繊維１００の長さが長すぎると、電子が放出される炭素繊維１００の先端が垂れてアノード電極３０方向に向かず、電子放出効率が低下するためである。炭素繊維１００の長さが１〜３μｍ程度の場合には、炭素繊維１００は直立し、先端がアノード電極３０方向に向く。炭素繊維１００がＣＮＴの場合、炭素繊維１００の直径は２０ｎｍ程度である。
【００３１】
上記では、ガラスマスクやリフトオフ工程を使用して電子放出面２００上に成長領域２１０と非成長領域２２０を形成する方法を示した。他の方法として、電子放出面２００の全面に触媒１５０を形成した後、カソード電極１０を加熱することにより、電子放出面２００上に成長領域２１０と非成長領域２２０を形成してもよい。つまり、カソード電極１０を加熱することにより、触媒１５０の粒子を電子放出面２００上で拡散させ、互いに離間した複数の領域で触媒１５０を凝縮させる。その結果、複数の成長領域２１０を互いに離間して配置することができる。この成長領域２１０の形成方法によれば、ガラスマスクを配置する工程やリフトオフ工程が不要であるため、製造工程数を減らすことができる。
【００３２】
なお、成長領域２１０の形状は、図２に示したような円形ではなく、例えば、成長領域２１０を矩形にしてもよい。図８は、矩形の成長領域２１０をマトリクス状に配置した例である。
【００３３】
また、電子放出面２００上の成長領域２１０と非成長領域２２０の配置方法は、複数の成長領域２１０を非成長領域２２０によって互いに離間して配置する方法に限られない。つまり、炭素繊維１００の電子放出効率を向上させるために、炭素繊維１００の各先端に電界が集中しやすい状態になるように電子放出面２００に成長領域２１０を配置するのであれば、電子放出面２００上の成長領域２１０と非成長領域２２０の配置方法はどのような配置であってもよい。例えば、図９は、電子放出面２００上に、成長領域２１０を格子状に配置した例を示す。
【００３４】
以上に説明した照明装置の製造方法により、照明装置１を容易に、且つ安価に製造できる。本発明の第１の実施の形態に係る照明装置１の製造方法によれば、炭素繊維１００を電子放出源とし、炭素繊維１００が放出する電子で蛍光体膜４０を励起して発光する照明装置を提供できる。
【００３５】
＜変形例＞
図１０に示す本発明の第１の実施の形態の変形例に係る照明装置１は、電子放出面２００に対向して、電子が入射する蛍光体膜４０の入射面４１上に配置された反射膜６０を更に有する。反射膜６０には、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜等の金属膜が採用可能である。
【００３６】
反射膜６０の膜厚が薄い場合には、炭素繊維１００から放出された電子は反射膜６０を通過する。具体的には、反射膜６０が膜厚１００ｎｍ程度のＡｌ膜である場合には、アノード電圧Ｖが５ｋＶ程度以上であれば、炭素繊維１００から放出された電子は反射膜６０を通過し、蛍光体膜４０に衝突する。
【００３７】
図１０に示した照明装置１では、蛍光体膜４０からカソード基板１１方向に進行する光が反射膜６０で反射し、アノード層３１及びアノード基板３２を透過して、出力面３０ａから照明装置１の外部に出力する。その結果、反射膜６０を配置しない場合に比べて、蛍光体膜４０で励起した光のうちの出力面３０ａから出力される光の割合を示す光取り出し効率が向上する。
【００３８】
（第２の実施の形態）
図１１に示す本発明の第２の実施の形態に係る照明装置１Ａでは、カソード電極１０が、第１の主面２０１及び第１の主面２０１に対向する第２の主面２０２を有する。図１１に示す照明装置１Ａでは、第１の主面２０１及び第２の主面２０２それぞれが電子放出面である。以下では、第１の主面２０１を「第１の電子放出面」２０１、第２の主面２０２を「第２の電子放出面」２０２という。
【００３９】
カソード電極１０は、カソード基板１１の上面１１０上にカソード層１２１が配置され、下面１１１上にカソード層１２２が配置された構造である。つまり、カソード基板１１の上面１１０に接する面（裏面）に対向するカソード層１２１の表面が第１の電子放出面２０１である。カソード基板１１の下面１１１に接する面（裏面）に対向するカソード層１２２の表面が第２の電子放出面２０２である。例えば、ＳＵＳ鋼であるカソード基板１１の上面１１０と下面１１１に、カソード層１２１及びカソード層１２２としてＣｒ膜をそれぞれ配置して、カソード電極１０が形成される。
【００４０】
第１の電子放出面２０１及び第２の電子放出面２０２には、図２、或いは図８、図９に例示したように、炭素繊維１００の各先端に電界が集中しやすいように形状、配置、及び面積等が設定されて、成長領域２１０が配置される。これにより、第１の電子放出面２０１及び第２の電子放出面２０２に配置された炭素繊維１００の電子放出効率が向上する。
【００４１】
図１１に示すように、第１の電子放出面２０１及び第２の主面２０２にそれぞれ対向して、第１のアノード電極３０１及び第２のアノード電極３０２が配置される。図１に示したアノード電極３０と同様に、第１のアノード電極３０１は、アノード基板３２１とアノード層３１１を積層して形成される。第２のアノード電極３０２は、アノード基板３２２とアノード層３１２を積層して形成される。アノード基板３２１及びアノード基板３２２には、ガラス板等が採用可能である。アノード層３１１及びアノード層３１２には、例えばＩＴＯ膜が採用可能である。
【００４２】
第１のアノード電極３０１の第１の電子放出面２０１と対向する面上に、蛍光体膜４０１が配置される。第２のアノード電極３０２の第２の電子放出面２０２と対向する面上に、蛍光体膜４０２が配置される。
【００４３】
カソード電極１０と第１のアノード電極３０１との間にスペーサ５０１を接続し、カソード電極１０と第２のアノード電極３０２との間にスペーサ５０２を接続して、図１１に示す照明装置１Ａが完成する。スペーサ５０１及びスペーサ５０２には、図１に示したスペーサ５０と同様に、ガラス等が採用可能である。
【００４４】
照明装置１Ａを動作させるために、カソード電極１０と第１のアノード電極３０１間、及びカソード電極１０と第２のアノード電極３０２間に、それぞれアノード電圧Ｖを印加する。カソード電極１０の第１の電子放出面２０１の成長領域２１０に配置された炭素繊維１００から、第１のアノード電極３０１に向かって電子が放出される。炭素繊維１００から放出された電子は、蛍光体膜４０１に衝突し、蛍光体膜４０１は励起され発光する。蛍光体膜４０１が発光した出力光Ｌ１は、アノード層３１１及びアノード基板３２１を透過して、アノード基板３２１の出力面３１ａから照明装置１Ａの外部に出力される。同様に、第２の電子放出面２０２から放出された電子によって蛍光体膜４０２が励起され発光する。蛍光体膜４０２が発光した出力光Ｌ２が、アノード基板３２２の出力面３２ａから照明装置１Ａの外部に出力される。
【００４５】
なお、蛍光体膜４０１の第１の電子放出面２０１に対向する面、及び蛍光体膜４０２の第２の電子放出面２０２に対向する面に、図１０に示した照明装置１と同様に反射膜６０を配置してもよい。反射膜６０により、蛍光体膜４０１から発光する出力光Ｌ１、及び蛍光体膜４０２から発光する出力光Ｌ２の光取り出し効率が向上する。
【００４６】
以上に説明したように、図１に示した照明装置１が１つの出力面３０ａから発光するのに対し、図１１に示した照明装置１Ａは、２つの出力面３１ａ、３２ａから発光する。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００４７】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る照明装置１Ｂは、図１２（ａ）〜図１２（ｂ）に示すように、円柱状のカソード電極１０Ｂと、カソード電極１０Ｂを囲んで配置された管状のアノード電極３０Ｂを有する。図１２（ａ）は、カソード電極１０Ｂが延伸する方向に沿った断面図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示す切断面に垂直方向（ＸＩＩ−ＸＩＩ方向）に沿った切断面である。
【００４８】
カソード電極１０Ｂは、円柱状のカソード基板１１の表面にカソード層１２３を配置した構造である。カソード層１２３の表面が電子放出面２０３である。電子放出面２０３に、炭素繊維１００の各先端に電界が集中するように形状、配置及び面積等が設定された成長領域２１０が配置される。これにより、電子放出面２０３に配置された炭素繊維１００の電子放出効率が向上する。
【００４９】
円柱状のカソード層１２３の表面の一部に炭素繊維１００を配置するためには、例えばマスクテープを使用したリフトオフ法等が採用可能である。つまり、カソード層１２３の成長領域２１０以外の場所にマスクテープを巻き、触媒を形成した後にマスクテープを剥がすことにより、カソード層１２３の成長領域２１０のみに炭素繊維１００を配置できる。
【００５０】
アノード電極３０Ｂは、例えばガラス管であるアノード基板３２３の内側に、ＩＴＯ膜等のアノード層３１３を配置して形成される。アノード層３１３のカソード電極１０Ｂに対向する面に、蛍光体膜４０３が配置される。アノード基板３２３の外側表面が出力面３３ａである。アノード電極３０Ｂの一方の端部は封止部材５０３で封止され、他方の端部は曲面である。カソード電極１０Ｂはアノード電極３０Ｂに囲まれた空間内に配置され、アノード電極３０Ｂに囲まれた空間は、封止部材７１０によって１×１０-3〜１×１０-4Ｐａ程度の真空状態を保って封止される。
【００５１】
カソード電極１０Ｂとアノード電極３０Ｂ間にアノード電圧Ｖを印加すると、カソード電極１０Ｂの電子放出面２０３の成長領域２１０に配置された炭素繊維１００から、アノード電極３０Ｂに向かって電子が放出される。炭素繊維１００から放出された電子は、蛍光体膜４０３に衝突し、蛍光体膜４０３は励起され発光する。蛍光体膜４０３が発光した出力光Ｌ３は、アノード層３１３及びアノード基板３２３を透過して、出力面３３ａから照明装置１Ｂの外部に出力される。
【００５２】
図１２（ａ）〜図１２（ｂ）に示した照明装置１Ｂによれば、全方位に出力光Ｌ３を発光可能な照明装置を提供できる。なお、カソード電極１０Ｂの形状は、円柱以外の、例えば四角柱や三角柱等の多角柱であってもよい。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００５３】
＜第１の変形例＞
第３の実施の形態の第１の変形例に係る照明装置１Ｂを図１３に示す。図１２（ａ）に示した照明装置１Ｂは、アノード電極３０Ｂの一方の端部からカソード電極１０Ｂとアノード電極３０Ｂに電圧が印加され、他方の端部が閉じた形状である。これに対し、図１３に示した照明装置１Ｂは、アノード電極３０Ｂが筒状であり、両端部が封止部材５０３で封止されている点が、図１２（ａ）に示した照明装置１Ｂと異なる。
【００５４】
図１３に示した照明装置１Ｂでは、アノード電極３０Ｂの両端からカソード電極１０Ｂ又はアノード電極３０Ｂに電圧を印加できる。例えば、図１３に示したように、照明装置１Ｂの一方の端部からカソード電極１０Ｂに電圧を印加し、他方の端部からアノード電極３０Ｂに電圧を印加できる。
【００５５】
＜第２の変形例＞
第３の実施の形態の第２の変形例に係る照明装置１Ｂを図１４に示す。図１４に示した照明装置１Ｂは、アノード電極３０Ｂの形状が電球形状であることが、図１２（ａ）に示した照明装置１Ｂと異なる点である。その他の構成については、図１２（ａ）に示した照明装置１Ｂの形態と同様である。
【００５６】
照明装置１Ｂから出力される出力光Ｌ３の輝度が出力面３３ａ上で均一であるためには、アノード電極３０Ｂとカソード電極１０Ｂ間の距離がアノード電極３０Ｂ上の場所に依存せずに一定である必要がある。そのため、アノード電極３０Ｂの形状が電球形状である場合には、図１４に示すように、照明装置１Ｂのカソード電極１０Ｂの形状も電球形状であることが好ましい。
【００５７】
図１４に示した照明装置１Ｂによれば、炭素繊維１００を電子放出源とする電球形状の照明装置を提供できる。
【００５８】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係る照明装置１Ｃは、図１５に示すように、カソード電極１０とアノード電極３０間に配置され、炭素繊維１００から電子を引き出すゲート電極７０を更に備えることが、図１に示した照明装置１と異なる点である。その他の構成については、図１に示した照明装置１の形態と同様である。
【００５９】
ゲート電極７０は、例えばメッシュ状の金属部材を採用可能である。図１６にメッシュ状のゲート電極７０の例を示す。図１６は、カソード電極１０方向からゲート電極７０をみた例である。カソード電極１０とゲート電極７０に電圧（以下において、「ゲート電圧」という。）ＶGを印加することにより、電子放出面２００に配置された炭素繊維１００から電子が引き出される。炭素繊維１００から引き出された電子は、メッシュ状のゲート電極７０の隙間を通過して、アノード電圧Ｖが印加されたアノード電極３０上に配置された蛍光体膜４０に衝突する。この衝突により、蛍光体膜４０は励起され発光する。蛍光体膜４０が発光した出力光Ｌは、アノード層３１及びアノード基板３２を透過して、アノード基板３２の出力面３０ａから照明装置１Ｃの外部に出力される。
【００６０】
図１０に示した照明装置１と同様に、蛍光体膜４０の電子放出面２００に対向する面に反射膜６０を配置してもよい。反射膜６０により、蛍光体膜４０から発光する出力光Ｌの光取り出し効率が向上する。
【００６１】
図１１に示した照明装置１Ａと同様に、照明装置１Ｃのカソード電極１０の両面に電子放出面を配置してもよい。或いは、照明装置１Ｃのカソード電極１０の形状を、図１２（ａ）〜図１４に示した照明装置１Ｂと同様に、円柱状或いは電球形状にしてもよい。
【００６２】
カソード電極１０とゲート電極７０間に印加されるゲート電圧ＶGは１００Ｖ程度であり、例えば３０Ｖ〜４０Ｖである。一方、カソード電極１０とアノード電極３０間のアノード電圧Ｖは、８ｋＶ程度である。このため、アノード電圧Ｖを制御するよりも、ゲート電圧ＶGを制御することにより、炭素繊維１００から放出される電子数を細かく制御できる。つまり、図１５に示した照明装置１Ｃによれば、ゲート電圧ＶGを制御することにより、出力光Ｌの輝度をより細かく調整できる。
【００６３】
図１７に、ゲート電圧ＶGと炭素繊維１００から放出される電子数に依存する電流（放出電流）密度との関係を示す。図１７は、アノード電圧Ｖが７ｋＶの場合における、ゲート電圧ＶGと放出電流密度との関係を示したグラフである。図１７に示すように、ゲート電圧ＶGを増加することにより、放出電流密度は指数関数的に増大する。このように、ゲート電圧ＶGを制御することにより、出力光Ｌの輝度を細かく調整できる。
【００６４】
図１５にはゲート電極７０がメッシュ上の金属部材である例を示したが、ゲート電極７０は半導体プロセスを使用して形成してもよい。例えば、図１８に示すように、電子放出面２００の非成長領域２２０上に絶縁膜８０を形成し、絶縁膜８０上にゲート電極７０を形成する。つまり、成長領域２１０は、絶縁膜８０及びゲート電極７０によって囲まれた空間であるホール９０の底面に露出した領域である。図１８に示したゲート電極７０には、例えばＣｒ膜等が採用可能である。絶縁膜８０には、例えば酸化シリコン（Ｓｉ2Ｏ）等が採用可能である。
【００６５】
以上に説明したように、本発明の第４の嫉視の形態に係る照明装置１Ｃによれば、炭素繊維１００を電子放出源とし、出力光Ｌの輝度を細かく調整できる照明装置を提供できる。他は、第１の実施の形態と実質的に同様であり、重複した記載を省略する。
【００６６】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は第１乃至第４の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６７】
既に述べた第１乃至第４の実施の形態の説明においては、炭素繊維１００を成長させる際の触媒１５０に４２６合金膜を使用する例を示したが、他の触媒を用いてもよいことはもちろんである。例えば、Ｆｅ膜を触媒１５０に使用してもよい。
【００６８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の成長領域及び非成長領域の例を示す上面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その１）。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その２）。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その３）。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その４）。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の製造方法を説明するための工程図である（その５）。
【図８】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の成長領域及び非成長領域の他の例を示す上面図である。
【図９】本発明の第１の実施の形態に係る照明装置の成長領域及び非成長領域の他の例を示す上面図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態の変形例に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図であり、図１２（ａ）はカソード電極が延伸する方向に沿った断面図でり、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸＩＩ−ＸＩＩ方向に沿った断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態の第１の変形例に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１４】本発明の第３の実施の形態の第２の変形例に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態に係る照明装置の構成例を示す模式図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態に係る照明装置のゲート電極の構造例を示す模式図である。
【図１７】ゲート電圧と炭素繊維から放出される電子数との関係を示すグラフである。
【図１８】本発明の第４の実施の形態に係る照明装置のゲート電極の他の構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
１…照明装置
１０…カソード電極
１１…カソード基板
１２、１２１〜１２３…カソード層
３０、３０１、３０２…アノード電極
３１、３１１〜３１３…アノード層
３２、３２１〜３２３…アノード基板
４０、４０１〜４０３…蛍光体膜
５０、５０１〜５０２…スペーサ
６０…反射膜
７０…ゲート電極
１００…炭素繊維
１５０…触媒
２００〜２０３…電子放出面
２１０…成長領域
２２０…非成長領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維が成長した触媒を配置した成長領域、及び前記触媒を配置していない非成長領域を含む電子放出面を有するカソード電極と、
前記電子放出面に対向して配置された透明のアノード電極と、
前記アノード電極の前記電子放出面に対向する主面上に配置され、前記炭素繊維から放出された電子の衝突により励起発光する蛍光体膜と
を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記電子放出面に対する前記成長領域の面積比率が２５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記電子放出面において、前記成長領域が前記非成長領域によって互いに離間された複数の領域として配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記電子放出面において、前記成長領域が格子状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項５】
前記蛍光体膜の前記カソード電極に対向する面上に配置された反射膜を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記反射膜がアルミニウム膜であることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項７】
前記カソード電極と前記アノード電極間に配置され、前記炭素繊維から電子を引き出すゲート電極を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記ゲート電極が、メッシュ状の金属部材であることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記カソード電極が、第１の主面及び該第１の主面に対向する第２の主面を有し、前記第１及び第２の主面それぞれが前記電子放出面であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記カソード電極の形状が円柱形状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記カソード電極の形状が電球形状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記炭素繊維が、カーボンナノチューブ又はグラファイトナノファイバであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１】
炭素繊維が成長した触媒を配置した成長領域、及び前記触媒を配置していない非成長領域を含む電子放出面を有するカソード電極と、
前記電子放出面に対向して配置された透明のアノード電極と、
前記アノード電極の前記電子放出面に対向する主面上に配置され、前記炭素繊維から放出された電子の衝突により励起発光する蛍光体膜と
を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記電子放出面に対する前記成長領域の面積比率が２５％以下であることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記電子放出面において、前記成長領域が前記非成長領域によって互いに離間された複数の領域として配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記電子放出面において、前記成長領域が格子状に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明装置。
【請求項５】
前記蛍光体膜の前記カソード電極に対向する面上に配置された反射膜を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記反射膜がアルミニウム膜であることを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項７】
前記カソード電極と前記アノード電極間に配置され、前記炭素繊維から電子を引き出すゲート電極を更に備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記ゲート電極が、メッシュ状の金属部材であることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記カソード電極が、第１の主面及び該第１の主面に対向する第２の主面を有し、前記第１及び第２の主面それぞれが前記電子放出面であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記カソード電極の形状が円柱形状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記カソード電極の形状が電球形状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１２】
前記炭素繊維が、カーボンナノチューブ又はグラファイトナノファイバであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の照明装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１０−６２０７０（Ｐ２０１０−６２０７０Ａ）
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２２８３５３（Ｐ２００８−２２８３５３）
【出願日】平成２０年９月５日（２００８．９．５）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年３月１８日（２０１０．３．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月５日（２００８．９．５）
【出願人】（０００１１６０２４）ローム株式会社 (3,539)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]