JP2005149779A - 発光管、平面発光パネル、およびこの平面発光パネルを用いた画像表示素子 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率化のための条件を見出し、高効率化を確実に実現する。
【解決手段】容器１内に、電子放出源３と、この電子放出源３から放出された電子を電界によって加速飛行させるためのコレクタ電極１３とが設けられ、かつ飛行中の電子との衝突によって紫外線を放射する気体が封入されており、容器１の内面には紫外線を可視光に変換する蛍光体１６が塗布されている発光管であって、電子放出源３はグリッド６を有する電界放出構造物からなり、そのグリッド電圧はコレクタ電極１３への印加電圧より小さいとともに、気体が紫外線を放射するための励起準位電圧より高く、かつ気体の自続放電開始電圧より低い範囲に規定されており、気体中を飛行する電子の平均自由行程λは電子放出源３の電子放出点７とグリッド６との間の距離ｄより長く、かつ電子放出点７とコレクタ電極１３との間の最短距離Ｄより短い。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光管、平面発光パネル、およびこの平面発光パネルを用いた画像表示素子に関するものである。

平面発光パネルとしては、バックライト用冷陰極蛍光ランプやバリア放電方式の発光体等が数多く実用化されている。また、画像表示素子としては、例えばカソードレイチューブ（ＣＲＴ）方式、液晶方式、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）方式、無機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）方式、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）方式、電界放出型真空管（ＦＥＤ）方式といったフラットパネルディスプレイが知られている。

そして、従来から、これら平面発光パネルや画像表示素子に対して消費電力を抑え、発光効率を向上させることが強く求められており、そのために発光効率を向上させるための取り組みが種々なされてきた。

しかしながら、これら従来の平面発光パネルや画像表示素子のうち放電発光するものにおいて、その放電方式の発光原理上、発光効率の向上にも限界があることは明らかである。例えば、低圧放電ランプ等の蛍光ランプでは、放電中の電子エネルギーの広がりに関して、蛍光発光に寄与する紫外線（２５３．７ｎｍ）を放射させるための励起準位の電子温度（４．８８ｅＶ前後）以外に、蛍光発光に寄与しない放電維持のための電子の弾性衝突エネルギーや電離衝突エネルギーも、電子温度分布がマクスウェル分布に従う限り必要なものである。

したがって、発光効率を大幅に向上させるためには、上記した従来の平面発光パネルや画像表示素子の発光原理とは異なる新しい着想が必要になる。

そこで、電子放出に必要な駆動電界を低下させること等を目的とし、複数のカソード電極が一面に形成された第１基板と、カソード電極の一面に形成された電界放出用陰極と、第１基板と所定の間隔をおいて配置され、密閉された空間部を形成するとともに、複数のアノード電極が一面に形成された第２基板と、アノード電極の一面に形成された蛍光層と、前記空間部に注入された放電ガスとを備え、電界が加えられる陰極から放出された電子が放電ガスを励起させ、このとき発生した紫外線を用いて蛍光層を発光させる平板ディスプレイが提案されている（例えば特許文献１参照）。

また、低駆動電圧による動作で高い発光効率を得ること等を目的とし、パネル容器内に、電子線源とこの電子線源から放出された電子を電界によって加速させるための電極とが設けられ、かつ加速された電子との衝突によって紫外線を放射する気体が封入されており、パネル容器の内面には前記紫外線を可視光に変換する蛍光体が塗布された平面発光パネルが提案されている（例えば特許文献２参照）。

なお、電子線源の電界放出構造物としては、カーボンナノチューブのフィールドエミッタが知られている（例えば、特許文献３参照）。

また、暗所始動を改善するために酸化セシウムを含浸させた冷陰極バックライト用の電極を応用したセシウム吸着系の金属界面を有する電界放出構造物が知られている（例えば、特許文献４参照）。
特開平１１−２５０８４１号公報 特開２００１−６５６５号公報 特開２０００−２２３００４号公報 特開平５−２９０８１１号公報

しかしながら、特開平１１−２５０８４１号公報（特許文献１）に開示された条件、すなわち両基板間の距離（Ｃｅｌｌ Ｇａｐ）を５〜５０μｍに設定し、真空度を１０^-6Ｔｏｒｒに、また電子放出に必要な電界として１０⁶Ｖ／ｍに設定しても、原理的にうまく発光しないと考えられる。つまり、５〜５０μｍというＣｅｌｌ Ｇａｐで、１０^-6Ｔｏｒｒという真空度では、放出された電子の平均自由行程を考慮すると、封入された「放電ガス」を放電させることはできないと考えられる。したがって、この特許文献１には、発光効率が従来の平面発光パネルや画像表示素子の発光効率に比して大幅に向上させるための条件が十分に開示されていないと言える。

なお、仮にその「放電ガス」が放電し得たとしても、「放電」という言葉で表現されている以上、そのプラズマの電子温度はマクスウェル分布に従うと考えるのが妥当であり、その結果、上記した従来の平面発光パネルや画像表示素子の発光効率を超える高い発光効率を得ることができないことになる。

また、特開２００１−６５６５号公報（特許文献２）についても、発光効率を大幅に向上させるため、駆動電圧を気体の励起準位電圧よりも高くしつつ、つまり電子線源から放出された電子が封入された気体の原子に衝突するまでの間に、その気体原子を紫外線励起させるのに十分な電子エネルギーを獲得する確率を高めつつ、その駆動電圧を気体の自続放電開始電圧よりも低くする、つまり放電させないことについては開示されているものの、その具体的な条件が開示されておらず、十分な発光効率を向上させることができない場合があった。しかも、特許文献２記載のものは、高い発光効率を得るためには平面形以外の形状への展開が困難であった。つまり、タングステンフィラメントの熱電子放出物からなる電子源（電子線源）や、スピント型モリブデンマイクロチップアレイのような電界放出構造物からなる電子源は、それを平板上に配置することによって有用な商品設計と高い発光効率とを得ることができるのである。特に、後者のスピント型モリブデンマイクロチップアレイを部分的な立体的構造物のチップにすることは製造的に困難であった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高効率化のための条件を見出し、高効率化を確実に実現することができる発光管、平面発光パネル、および画像表示素子を提供することを目的とする。

また、本発明は、平面形はもとより、形状に対する設計自由度を高くすることができる発光管、平面発光パネル、および画像表示素子を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の発光管は、容器内に、電子放出源と、この電子放出源から放出された電子を電界によって加速飛行させるためのコレクタ電極とが設けられ、かつ飛行中の前記電子との衝突によって紫外線を放射する気体が封入されており、前記容器の内面には前記紫外線を可視光に変換する蛍光体が塗布されている発光管であって、前記電子放出源はグリッドを有する電界放出構造物からなり、そのグリッド電圧は前記コレクタ電極への印加電圧より小さいとともに、前記気体が紫外線を放射するための励起準位電圧より高く、かつ前記気体の自続放電開始電圧より低い範囲に規定されており、前記気体中を飛行する前記電子の平均自由行程λは前記電子放出源の電子放出点と前記グリッドとの間の距離ｄよりも長く、かつ前記電子放出点と前記コレクタ電極との間の最短距離Ｄよりも短いという構成を有している。

このとき、前記気体として希ガス、または希ガスおよび水銀からなることが好ましい。

また、前記コレクタ電極として透明導電膜を用いることが好ましい。

また、前記電子放出点と前記コレクタ電極との間の最短距離Ｄが前記電子放出点と前記グリッドとの間の距離ｄの１倍以上２０倍以下であることが好ましい。

また、前記電子放出源として、カーボンナノチューブのエミッタを有する電界放出構造物、鉄表面へのカリウム吸着界面を有する電界放出構造物、またはセシウム吸着系の金属界面を有する電界放出構造物を用いることが好ましい。

また、本発明の請求項８記載の平面発光パネルは、容器内に、電子放出源と、この電子放出源から放出された電子を電界によって加速飛行させるためのコレクタ電極とが設けられ、かつ飛行中の前記電子との衝突によって紫外線を放射する気体が封入されており、前記容器の内面には前記紫外線を可視光に変換する蛍光体が塗布されている平面発光パネルであって、前記電子放出源はグリッドを有する電界放出構造物からなり、そのグリッド電圧は前記コレクタ電極への印加電圧より小さいとともに、前記気体が紫外線を放射するための励起準位電圧より高く、かつ前記気体の自続放電開始電圧より低い範囲に規定されており、前記気体中を飛行する前記電子の平均自由行程λは前記電子放出源の電子放出点と前記グリッドとの間の距離ｄよりも長く、かつ前記電子放出点と前記コレクタ電極との間の最短距離Ｄよりも短いという構成を有している。

さらに、本発明の請求項９記載の画像表示素子は、請求項８に記載された平面発光パネルを用いているという構成を有している。

本発明の請求項１記載の発光管の構成によれば、グリッド電圧をコレクタ電極への印加電圧より小さくするとともに、封入された気体が紫外線を放射するための励起準位電圧より高くし、かつその気体の自続放電開始電圧より低い範囲に規定されているので、その気体自体は放電させないようにさせつつ、電子放出源から放出された電子が封入された気体の原子に衝突するまでの間にその気体原子を紫外線放射レベルまで励起させるのに十分な電子エネルギーを獲得する確率を高めることができる。その結果、マクスウェル分布によらない電子温度で、放出された電子を気体原子に励起衝突させることができる、つまり放出された電子が獲得した電子エネルギーを、蛍光発光に寄与しない放電維持のための電子の弾性衝突エネルギーや電離衝突エネルギーに費やさずに、専ら気体原子の紫外線放射のための励起に費やすことができる。しかも、気体中を飛行する電子の平均自由行程が電子放出点とグリッドとの間の距離よりも長く、かつ電子放出点とコレクタ電極との間の距離よりも短いので、飛行する電子がコレクタ電極に入射する前に気体原子に励起衝突する確率を高めることができる。したがって、極めて高い発光効率を確実に実現することができる。

特に、前記コレクタ電極として透明導電膜を用いることにより、容器内で生成された光を容器の外部に取り出すことができる。

また、前記電子放出点と前記コレクタ電極との間の最短距離Ｄを前記電子放出点と前記グリッドとの間の距離ｄの１倍以上２０倍以下とすることにより、飛行する電子がコレクタ電極に入射する前に気体原子に励起衝突する確率を一層高めることができ、極めて高い発光効率を一層確実に実現することができる。しかも、気体原子から放射された紫外線が同種の気体原子に自己吸収される確率を下げることができ、極めて高い発光効率を維持することができる。

また、前記電子放出源としてカーボンナノチューブのエミッタを有する電界放出構造物を用いることにより、電子放出能力が高い電子放出源を面状に広げ、発光効率が極めて高い平面形の発光管を実現することができる。

また、前記電子放出源として鉄表面へのカリウム吸着界面を有する電界放出構造物、またはセシウム吸着系の金属界面を有する電界放出構造物を用いることにより、平面加工プロセスを必要としないので、平面形以外の形状、例えば円柱形を容易に作製することができる。したがって、平面形はもとより、形状に対する設計自由度を高くすることができる。

本発明の請求項８記載の平面発光パネルの構成によれば、グリッド電圧をコレクタ電極への印加電圧より小さくするとともに、封入された気体が紫外線を放射するための励起準位電圧より高くし、かつその気体の自続放電開始電圧より低い範囲に規定されているので、その気体自体は放電させないようにさせつつ、電子放出源から放出された電子が封入された気体の原子に衝突するまでの間にその気体原子を紫外線放射レベルまで励起させるのに十分な電子エネルギーを獲得する確率を高めることができる。その結果、マクスウェル分布によらない電子温度で、放出された電子を気体原子に励起衝突させることができる、つまり放出された電子が獲得した電子エネルギーを、蛍光発光に寄与しない放電維持のための電子の弾性衝突エネルギーや電離衝突エネルギーに費やさずに、専ら気体原子の紫外線放射のための励起に費やすことができる。しかも、気体中を飛行する電子の平均自由行程が電子放出点とグリッドとの間の距離よりも長く、かつ電子放出点とコレクタ電極との間の距離よりも短いので、飛行する電子がコレクタ電極に入射する前に気体原子に励起衝突する確率を高めることができる。したがって、極めて高い発光効率を確実に実現することができる。

さらに、本発明の請求項９記載の画像表示素子の構成によれば、請求項８に記載された平面発光パネルを用いているので、極めて高い発光効率を確実に実現することができる画像表示素子を提供することができる。

以下、本発明の最良な実施の形態について、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施の形態である発光管は、図１に示すように、全長Ｌが３６ｍｍ、外径Ｒが１６ｍｍであり、円筒状のガラスからなる容器１とこの容器１の一端部に装着された有底筒状の口金２とを備えている。

なお、容器１の材質として、その用途や加工性等を考慮して適宜公知のガラス材、例えばソーダライムガラスを用いればよい。また、口金２の材質として、一般的な種々の口金に用いられている材料を使用することができる。

容器１の一端部には、ステム１ａが封着されている。また、容器１内の中央部には、電子放出源３が配置されている。

この電子放出源３は、電界放出構造物からなり、図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、清浄な表面を有する直径０．６ｍｍの鉄線４と、この鉄線４の表面の一部を覆うように溶着され、かつその成分にカリウムを含む長円形のガラスビード５と、鉄線４の先端部に近接して配置された金属円板からなるグリッド６とを有している。

なお、鉄線４の表面を清浄にしておくのは、後述するようにカリウムを吸着させるためである。

この電界放出構造物において、鉄線４とガラスビード５との界面には、鉄線４の鉄表面にカリウムが吸着することによって仕事関数の極めて低い電子放出点７が形成されている。

鉄線４は、図１に示すように、一部がステム１ａに封着された第１のリード線８を介して口金２の底部の外側に設けられた二つのピン端子９，１０のうち、一方のピン端子９に電気的に接続されている。

ガラスビード５の成分は、その一例として、ＳｉＯ₂が６７．３重量％、Ｋ₂Ｏが２３．３重量％、ＣａＯが５．１重量％、ＭｇＯが２．３重量％、Ａｌ₂Ｏ₃が１．６重量％、その他、残部である。この成分以外にもカリウムを数重量％、例えば３重量％以上含めばよく、鉛ガラス等であってもよい。また、ガラスビード５の短径ｔは１．０ｍｍである。

グリッド６は、材質がＳＵＳ３０４からなり、また図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、その中央部に孔径ｒが０．８ｍｍの孔１１を有している。電子放出点７がこの孔１１の開口端に近接するよう、鉄線４の先端部（ガラスビード５が溶着されていない部分）がこの孔１１内に位置している。このとき、電子放出点７とグリッド６との間の距離ｄは０．１ｍｍである。また、グリッド６は、図１に示すように、一部がステム１ａに封着された第２のリード線１２を介して口金２の底部の外側に設けられた他方のピン端子１０に電気的に接続されている。

容器１の内面のうち、口金２で覆われていない部分全体には、例えば酸化インジウム等の透明導電膜からなるコレクタ電極１３が形成されている。このようにコレクタ電極１３として透明導電膜を用いることにより、容器１内で生成された光を容器１の外部に取り出すことができる。また、このコレクタ電極１３は、一部がステム１ａに封着された第３のリード線１４を介して口金２の側面に設けられた側面端子１５に電気的に接続されている。電子放出点７とコレクタ電極１３との間の最短距離Ｄは２ｍｍである。

なお、各リード線８，１２，１４は材質の異なる複数の線をそれぞれ接合し一体化したものを用いているが、それぞれ一本の線からなってもよい。

このコレクタ電極１３の表面には、塗布密度が４．３ｍｇ／ｃｍ²、塗布面積が８．１ｃｍ²になるよう、例えば赤、緑、青の３種混合蛍光体１６が塗布されている。一例として、赤色の蛍光体としてＹ₂Ｏ₃：Ｅｕ³⁺が、緑色の蛍光体としてＺｎ₂Ｓ：Ｍｎ²⁺が、青色の蛍光体としてＢａＭｇＡｌ₁₀Ｏ₁₇：Ｅｕ²⁺がそれぞれ挙げられる。このようにコレクタ電極の表面に蛍光体１６を塗布することにより、電子放出点７から放出された電子を蛍光体１６へ向けて加速飛行させることができるので、脱励起放射の紫外線を効率よく蛍光発光をさせることができる。

また、容器１内には、気体、例えばキセノンガスが室温状態で２３０Ｐａ封入されている。

次に、このような発光管の動作原理について説明する。

電子放出源３の電子放出点７を陰極、コレクタ電極１３を陽極として、電子放出点７とコレクタ電極１３との間には２つの電源１７，１８が接続されており、コレクタ電極１３に駆動電圧Ｖ_Cが印加される。また、グリッド６と電子放出点７との間には数１０ＭΩの抵抗１９を介して電源１７が接続されており、グリッド６にグリッド電圧Ｖ_Gが印加される。一例として、駆動電圧Ｖ_Cを５０Ｖ、グリッド電圧Ｖ_Gを１８Ｖとした。

まず、二つの電源１７，１８が投入されると、グリッド６と電子放出点７との間（電位差：グリッド電圧Ｖ_G）、およびグリッド６とコレクタ電極１３との間（電位差：駆動電圧Ｖ_C−グリッド電圧Ｖ_G）にはそれぞれ電界が形成される。

そして、電子放出源３の電子放出点７からは、局所的に１０⁶Ｖ／ｍ〜１０⁷Ｖ／ｍの電界を得て電子が放出される。放出された電子は、グリッド６方向に飛行する過程で平均的に８．４５ｅＶ（キセノン原子の励起エネルギー）を越えるエネルギーを獲得し、その後、コレクタ電極１３に向かう途中でキセノン原子に励起衝突する。この励起衝突によってキセノン原子は紫外線（波長１４７ｎｍ）を放射する。この紫外線は蛍光体１６によって可視光に変換される。変換された可視光は容器１の外部に放射され、発光管は発光する。そして、電子放出源３からの連続的な電子放出により、発光管は点灯状態を継続することができる。

上記点灯条件（駆動電圧５０Ｖ、グリッド電圧１８Ｖ、入力電力５００ｍＷ）で点灯させた場合の発光管の発光効率は３．５ｌｍ／Ｗであった。これは、電子放出点７とコレクタ電極１３との間の最短距離Ｄ（電極間の距離）が２ｍｍ程度と短い発光管にあってはかなり高い発光効率である。

ここで、このように高い発光効率が得られた理由について検討した。

封入されたキセノンガスの励起断面積を、その気体分子直径（４．８５×１０^-10ｍ：電気学会、放電ハンドブック改定新版、昭和６２年、Ｐ．７）から１．８５×１０^-19ｍ²（実際には電子エネルギーに依存して変化する）と見積もると、そのキセノンガス中における電子の平均自由行程λ（ｍ）は、気体の温度をＴ（Ｋ）、気体の封入圧をＰ（Ｐａ）とした場合、（７．５×１０^-5）×（Ｔ／Ｐ）で表される。

キセノンガスの温度Ｔを３２０Ｋとすると、その封入圧Ｐは２３０Ｐａであるから、キセノンガス中における電子の平均自由行程λはおよそ０．１０４ ｍｍになる。

したがって、電子放出点７から放出された電子は、電界方向に加速されてグリッド６の付近までほとんど衝突することなく飛行し、平均して約１５ｅＶの電子エネルギーを獲得する。その後、コレクタ電極１３の方向へ飛行を継続しようとしたところでキセノン原子に励起衝突するが、この間、グリッド電圧Ｖ_Gがキセノンガスの自続放電開始電圧よりも低いためにキセノンガス自体は放電しない。つまり、放出された電子が獲得した電子エネルギーは、蛍光発光に寄与しない放電維持のための電子の弾性衝突エネルギーや電離衝突エネルギーに費やされることはなく、専らキセノン原子の紫外線放射のための励起に費やされることになる。

このように蛍光発光は、放電ではなく電子放出源３の間断のない電子の放出によって連続的に行われるので、その電子温度分布がマクスウェル分布のような広がりは有さず、その結果、極めて高い発光効率を実現することができたと考えられる。また、電子放出源３の印加電圧を休止期間の短いパルス間欠印加とすることにより、電子温度のマクスウェル分布の依存性を一層遠ざけることができ、一層発光効率の高い連続発光を得ることができる。

しかも、キセノンガス中を飛行する電子の平均自由行程λが電子放出点７とグリッド６との間の距離（ｄ＝０．１ｍｍ）よりも長く、かつ電子放出点７とコレクタ電極１３との間の最短距離（Ｄ＝２．０ｍｍ）よりも短いので、飛行する電子がコレクタ電極１３に入射する前にキセノン原子に励起衝突する確率を高めることができるので、極めて高い発光効率を確実に実現することができる。

以上のような実験パラメータを種々変えることにより、飛行する電子がコレクタ電極１３に入射する前にキセノン原子に励起衝突する確率を一層高め、極めて高い発光効率を一層確実に実現するために、電子放出点７とコレクタ電極１３との間の最短距離Ｄは、電子放出点７とグリッド６との間の距離ｄの１倍以上２０倍以下であることが好ましいことがわかった。

以上のように本発明の第１の実施の形態にかかる発光管の構成によれば、グリッド電圧Ｖ_Gをコレクタ電極１３への印加電圧（駆動電圧Ｖ_C）より小さくするとともに、キセノンガスが紫外線を放射するための励起準位電圧より高くし、かつキセノンガスの自続放電開始電圧より低い範囲に規定されているので、キセノンガス自体は放電させないようにさせつつ、電子放出源３から放出された電子がキセノン原子に衝突するまでの間にその原子を紫外線放射レベルまで励起させるのに十分な電子エネルギーを獲得する確率を高めることができる。その結果、マクスウェル分布によらない電子温度で、放出された電子をキセノン原子に励起衝突させることができる、つまり放出された電子が獲得した電子エネルギーを、蛍光発光に寄与しない放電維持のための電子の弾性衝突エネルギーや電離衝突エネルギーに費やすことなく、専らキセノン原子の紫外線放射のための励起に費やすことができる。しかも、キセノンガス中を飛行する電子の平均自由行程λが電子放出点７とグリッド６との間の距離ｄよりも長く、かつ電子放出点７とコレクタ電極１３との間の最短距離Ｄよりも短いので、飛行する電子がコレクタ電極１３に入射する前にキセノン原子に励起衝突する確率を高めることができる。したがって、極めて高い発光効率を確実に実現することができる。

また、特に、電子放出源３として、鉄表面へのカリウム吸着界面を有する電界放出構造物を用いているため、平面加工プロセスを必要とせず、その結果、容器１の外形形状を平面形以外の形状、例えば円柱形を容易に作製することができる。したがって、平面形はもとより、形状に対する設計自由度を高くすることができる。

なお、上記実施の形態では、電子放出源３として、鉄表面へのカリウム吸着界面を有する電界放出構造物を用いた場合について説明したが、例えばセシウム吸着系の金属界面を有する電界放出構造物やカーボンナノチューブのエミッタを有する電界放出構造物を用いた場合でも上記と同様の作用効果を得ることができる。電子放出源として、セシウム吸着系の金属界面を有する電界放出構造物を用いた場合、鉄表面へのカリウム吸着界面を有する電界放出構造物を用いた場合と同様に、平面形以外の形状に対する設計自由度を高くすることができる。

また、上記実施の形態では、気体としてキセノンガスを用いた場合について説明したが、キセノンガス以外に例えばアルゴンガス等の希ガス、またはこれら希ガスと水銀とを組み合わせたものであっても、上記と同様の作用効果を得ることができる。特に、アルゴンガスと水銀とを組み合わせた場合、より低電圧駆動が可能となり、省電力化と電源設計の容易化とを実現することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態である平面発光パネルは、発光面がフラットであり、図３に示すように、発光面の幅が４０ｍｍ、発光面の長さが５０ｍｍである容器２０を備えている。

この容器２０は、発光面を形成する例えばガラス等の透光性材料からなる平面板２１と、背面を形成する断面が凹状の例えばガラスからなる背面容器２２とが重ね合わせられて、それぞれの外周辺をガラスフリット（図示せず）等によって気密封着されて形成されている。

平面板２１の内面には、マトリックスに配列された複数のストライプ状の例えば酸化インジウム等の透明導電膜からなるコレクタ電極（陽極）２３が形成されている。

このコレクタ電極２３の表面には、塗布密度が４．３ｍｇ／ｃｍ²、塗布面積が２０ｃｍ²になるよう、例えば赤、緑、青の３種混合蛍光体２４が塗布されている。

背面容器２２の内面には、電子放出源２５が形成されている。

この電子放出源２５は、電界放出構造物からなり、背面容器２２の底面に形成され、かつ表面に複数のエミッタ２６が等間隔に配置されたシリコン基板からなる陰極２７と、この陰極２７の表面上で、かつ各エミッタ２６の間に位置するよう、例えば酸化シリコン膜からなる絶縁層２８を介して配置されたグリッド２９とを有している。

エミッタ２６は、容器２０の内側に向かって突出した突起状のカーボンナノチューブからなり、その先端が電子放出点３０となる。コレクタ電極２３と電子放出点３０との間の最短距離Ｄは２ｍｍであり、グリッド２９と電子放出点３０との間の距離ｄは０．１ｍｍである。

グリッド２９は、その材質がＳＵＳ３０４からなり、複数の孔２９ａを有している。

容器２０内には、希ガス、または希ガスおよび水銀からなる気体、例えばキセノンガス単体が室温状態で２３０Ｐａ封入されている。

次に、このような平面発光パネルの動作原理について説明する。

コレクタ電極２３と電子放出点３０との間には２つの電源１７，１８が接続されており、コレクタ電極２３に駆動電圧Ｖ_Cが印加される。また、グリッド２９と電子放出点３０との間には数１０ＭΩの抵抗１９を介して電源１７が接続されており、グリッド２９にグリッド電圧Ｖ_Gが印加される。一例として、駆動電圧Ｖ_Cを５０Ｖ、グリッド電圧Ｖ_Gを１８Ｖとした。

まず、二つの電源１７，１８が投入されると、グリッド２９と電子放出点３０との間（電位差：グリッド電圧Ｖ_G）、およびコレクタ電極２３とグリッド２９との間（電位差：駆動電圧Ｖ_C−グリッド電圧Ｖ_G）にはそれぞれ電界が形成される。

そして、電子放出源２５の電子放出点３０からは、局所的に１０⁶Ｖ／ｍ〜１０⁷Ｖ／ｍの電界を得て電子が放出される。放出された電子は、グリッド２９方向に飛行する過程で平均的に８．４５ｅＶ（キセノン原子の励起エネルギー）を越えるエネルギーを獲得し、その後、コレクタ電極２３に向かう途中でキセノン原子に励起衝突する。この励起衝突によってキセノン原子は紫外線（波長１４７ｎｍ）を放射する。この紫外線は蛍光体２４によって可視光に変換される。変換された可視光は容器２０の外部に放射され、平面発光パネルは発光する。電子放出源２５からの連続的な電子放出により、平面発光パネルは点灯状態を継続することができる。

上記点灯条件（駆動電圧５０Ｖ、グリッド電圧１８Ｖ、入力電力５００ｍＷ）で点灯させた場合の平面発光パネルの発光効率は３．５ｌｍ／Ｗであった。

以上のように本発明の第２の実施の形態にかかる平面発光パネルの構成によれば、グリッド電圧Ｖ_Gをコレクタ電極２３への印加電圧（駆動電圧Ｖ_C）より小さくするとともに、キセノンガスが紫外線を放射するための励起準位電圧より高くし、かつキセノンガスの自続放電開始電圧より低い範囲に規定されているので、キセノンガス自体は放電させないようにさせつつ、電子放出源２５から放出された電子がキセノン原子に衝突するまでの間にその原子を紫外線放射レベルまで励起させるのに十分な電子エネルギーを獲得する確率を高めることができる。その結果、マクスウェル分布によらない電子温度で、放出された電子をキセノン原子に励起衝突させることができる、つまり放出された電子が獲得した電子エネルギーを、蛍光発光に寄与しない放電維持のための電子の弾性衝突エネルギーや電離衝突エネルギーに費やすことなく、専らキセノン原子の紫外線放射のための励起に費やすことができる。しかも、キセノンガス中を飛行する電子の平均自由行程λが電子放出点３０とグリッド２９との間の距離ｄよりも長く、かつ電子放出点３０とコレクタ電極２３との間の最短距離Ｄよりも短いので、飛行する電子がコレクタ電極２３に入射する前にキセノン原子に励起衝突する確率を高めることができる。したがって、極めて高い発光効率を確実に実現することができる。

また、このような平面発光パネルに映像信号ドライブ回路（図示せず）に接続することにより、極めて高い発光効率を確実に実現することができる映像表示素子を提供することができる。

なお、上記実施の形態では、電子放出源２５のエミッタ２６としてカーボンナノチューブを用いた場合について説明したが、これ以外にダイヤモンド薄膜やダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等のエミッタを用いた場合でも上記と同様の作用効果を得ることができる。

また、上記実施の形態では、電子放出源２５として、カーボンナノチューブのエミッタを有する電界放出構造物を用いた場合について説明したが、例えばセシウム吸着系の金属界面を有する電界放出構造物や鉄表面へのカリウム吸着界面を有する電界放出構造物を用いた場合でも上記と同様の作用効果を得ることができる。

本発明の発光管、平面発光パネル、および画像表示素子は、容器内に、電子放出源と、この電子放出源から放出された電子を電界によって加速飛行させるためのコレクタ電極とが設けられ、かつ飛行中の前記電子との衝突によって紫外線を放射する気体が封入されているとともに、前記容器の内面には前記紫外線を可視光に変換する蛍光体が塗布されており、前記電子放出源はグリッドを有する電界放出構造物からなり、そのグリッド電圧は前記コレクタ電極への印加電圧より小さいとともに、前記気体が紫外線を放射するための励起準位電圧より高く、かつ前記気体の自続放電開始電圧より低い範囲に規定されており、前記気体中を飛行する前記電子の平均自由行程λは前記電子放出源の電子放出点と前記グリッドとの間の距離ｄよりも長く、かつ前記電子放出点と前記コレクタ電極との間の最短距離Ｄよりも短いという構成を有するものであって、極めて高い発光効率を確実に実現することが必要な用途にも適用することができる。

本発明の第１の実施の形態である発光管の一部切欠正面図 （ａ）同じく発光管に用いられている電子放出源の平面図、（ｂ）同じく発光管に用いられている電子放出源の一部切欠正面図 本発明の第２の実施の形態である平面発光パネルの正面図

符号の説明

１，２０ 容器
１ａ ステム
２ 口金
３，２５ 電子放出源
４ 鉄線
５ ガラスビード
６，２９ グリッド
７，３０ 電子放出点
８，１２，１４ リード線
９，１０ ピン端子
１１，２９ａ 孔
１３，２３ コレクタ電極
１５ 側面端子
１６，２４ 蛍光体
１７，１８ 電源
１９ 抵抗
２１ 平面板
２２ 背面容器
２６ エミッタ
２７ 陰極
２８ 絶縁層

Claims (9)

1. 容器内に、電子放出源と、この電子放出源から放出された電子を電界によって加速飛行させるためのコレクタ電極とが設けられ、かつ飛行中の前記電子との衝突によって紫外線を放射する気体が封入されており、前記容器の内面には前記紫外線を可視光に変換する蛍光体が塗布されている発光管であって、前記電子放出源はグリッドを有する電界放出構造物からなり、そのグリッド電圧は前記コレクタ電極への印加電圧より小さいとともに、前記気体が紫外線を放射するための励起準位電圧より高く、かつ前記気体の自続放電開始電圧より低い範囲に規定されており、前記気体中を飛行する前記電子の平均自由行程λは前記電子放出源の電子放出点と前記グリッドとの間の距離ｄよりも長く、かつ前記電子放出点と前記コレクタ電極との間の最短距離Ｄよりも短いことを特徴とする発光管。
2. 前記気体は、希ガス、または希ガスおよび水銀からなることを特徴とする請求項１記載の発光管。
3. 前記コレクタ電極は、透明導電膜からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の発光管。
4. 前記電子放出点と前記コレクタ電極との間の最短距離Ｄは、前記電子放出点と前記グリッドとの間の距離ｄの１倍以上２０倍以下であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の発光管。
5. 前記電子放出源は、カーボンナノチューブのエミッタを有する電界放出構造物からなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発光管。
6. 前記電子放出源は、鉄表面へのカリウム吸着界面を有する電界放出構造物からなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発光管。
7. 前記電子放出源は、セシウム吸着系の金属界面を有する電界放出構造物からなることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の発光管。
8. 容器内に、電子放出源と、この電子放出源から放出された電子を電界によって加速飛行させるためのコレクタ電極とが設けられ、かつ飛行中の前記電子との衝突によって紫外線を放射する気体が封入されており、前記容器の内面には前記紫外線を可視光に変換する蛍光体が塗布されている平面発光パネルであって、前記電子放出源はグリッドを有する電界放出構造物からなり、そのグリッド電圧は前記コレクタ電極への印加電圧より小さいとともに、前記気体が紫外線を放射するための励起準位電圧より高く、かつ前記気体の自続放電開始電圧より低い範囲に規定されており、前記気体中を飛行する前記電子の平均自由行程λは前記電子放出源の電子放出点と前記グリッドとの間の距離ｄよりも長く、かつ前記電子放出点と前記コレクタ電極との間の最短距離Ｄよりも短いことを特徴とする平面発光パネル。
9. 請求項８に記載された平面発光パネルを用いたことを特徴とする画像表示素子。

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