JP5085765B2

JP5085765B2 - 両面が発光する面光源装置

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Publication number: JP5085765B2
Application number: JP2011118324A
Authority: JP
Inventors: 依▲萍▼ 林; 世溥陳; 中裕李; 連益卓
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-12-31
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP5085766B2; US20090167144A1; US8049400B2; US20110316412A1; TW200929316A; JP2011165678A; TWI365476B; JP2011165679A; US8692450B2; JP2009164094A

Description

本発明は、一般的に、光源装置、より具体的には、所望の光を生成する目的で両面が発光する面光源装置に係る。

光源装置は、日常生活において広く使用される。例えば、電球といった従来の光源装置は、そのフィラメントを介して可視光を生成し、また、電源投入後、高温となる。電球光源は、点状光源とみなされる。点状光源の後、管状光源も開発された。その後、長い開発及び改良期間の経過後、面光源装置が登場し、今日、例えば、フラットディスプレイにおいて広く使用されている。
特許文献１特開２００５−１７４８５２号公報

面光源は、様々な機構に基づいて動作する。図１は、従来の面光源装置の機構を示す断面図である。図１を参照するに、発光は、以下のような仕組みで生成される。電源１０６を２つの電極構造１００に接続する。電極構造１００によって動作電圧下で電界を生成し、それにより、プラズマ放電とも呼ばれるガス放電を確立する。ガス１０４を電離することで導電性ガス中の電子１１０はガス分子と衝突し、それにより、電子遷移を起こし、紫外線放射する。放射された紫外線（ＵＶ）が、電極構造１０２上の異なる色に対応する蛍光層１０８ａ、１０８ｂ、及び１０８ｃに衝突する。最後に、蛍光層１０８ａ、１０８ｂ、及び１０８ｃ（例えば、赤蛍光層、緑蛍光層、及び青蛍光層）がＵＶを吸収後、可視光１１２を放射する。この面光源装置での電極構造１００は発光面であるので、電極構造１００は、通常、透明材料であり、例えば、ガラス基板とＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）透明導電層から作られる。

図２は、従来の面光源装置の別の機構を示す断面図である。図２を参照するに、陰極構造層１２２がガラス基板１２０上に配置され、複数の円錐形の導体１２４が陰極構造層１２２上に配置され、ゲート層１２６が円錐形の導体１２４上に配置され、複数の穴がゲート層１２６に形成され、これらの穴は、円錐形の導体１２４に対応する。透明陽極層を有する陽極構造層１２８は、別のガラス基板上に配置される。更に、蛍光層１３０が陽極構造層１２８に配置され、陰極と陽極の間の高い電界によって、円錐形の導体１２４の先端から電子１３２が漏出する。その後、電子１３２は、電界により加速され、蛍光層１３０に衝突することで蛍光層１３０に光を放射させる。

上述した２つの従来の発光機構は、それぞれ、独自の利点及び不利点を有する。ガス放電に基づく機構は、構造の単純さ及び容易な発光という利点を有するが、発光するためには、プラズマを最初に生成する必要がある。また、この発光機構は、大量の電力を消費する２次エネルギー変換に基づく。対照的に、電界放射に基づく機構では、対応する光源は、陰極線管（ＣＲＴ）に類似する冷光源としてみなされ、真空中の高速電子は、蛍光粉末に直接衝突して可視光を放射する。この第２の機構は、高輝度、電力節約、及び、面光源構造の形成が簡単であるという利点を有するが、陰極上に放射材料を均一に成長させるか又は陰極上に放射材料を分散させる工程を必要とし、その工程を実施するためには、この第２の機構は、大きいアスペクト比（幅に対する深度の比）を有するマイクロ構造によって、電子が陰極の仕事関数に打ち勝ち、陰極から離脱し、真空空間内に移動することを可能にするべく針状の構造又はカーボンナノチューブを必要とするという不利点を有する。従って、第２の機構は、大きい面積に亘って陰極構造を均一に形成することが困難である。更に、第２の機構では、電界放射を確立するための陰極と陽極との間の距離は、正確に制御される必要があるので、スペーサ構造に関して厳密な仕様が必要となる。さらに、第２の機構での真空パッケージ化はしばしば悩ましい問題である。

なお、上述した光源装置は、単方向発光のための構造を対象としている。しかし、このような単方向発光装置は、依然として使用が限定される。

従って、本発明は、照明又は表示装置用のランプ源モジュールとして機能する、両面が発光する面光源装置を提供することを目的とする。

一実施形態では、本発明は、互いに対向し、陽極構造として機能する平面状の第１の導電透明基板及び第２の導電透明基板と、第１の導電透明基板及び第２の導電透明基板上にそれぞれ配置される蛍光構造層と、第１の導電透明基板と第２の導電透明基板との間に配置され空間を作成するスペーサと、第１の導電透明基板及び第２の導電透明基板に対して並行に設けられ、複数の蛍光構造層の間に分布される少なくとも１つのフィラメント状の陰極ワイヤ構造と、空間を充填し、陰極ワイヤ構造から蛍光構造層に電子を均一に放射させるよう機能する低圧ガス層と、を含み、低圧ガス層の電子平均自由行程は、動作電圧下で、少なくとも十分な電子が蛍光構造層から第１の導電透明基板及び第２の導電透明基板の方向に動き、また、蛍光構造層に直接衝突することを可能にする、両面が発光する面光源装置を提供する。

添付図面は、本発明の更なる理解を提供するよう包含され、また、本明細書に組み込まれ且つ本明細書の一部を構成する。図面は、本発明の実施形態を示し、以下の詳細な説明と共に、本発明の原理を説明する。

従来の面光源装置の機構を示す断面図である。

従来の面光源装置の別の機構を示す断面図である。

本発明の一実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。

本発明の別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。

本発明の他の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。

本発明の更に別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。

本発明の更に別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す側面図である。本発明の更に別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す平面図である。

本発明の好適な実施形態を詳細に参照する。本発明の好適な実施形態の例は、添付図面に示す。可能な場合には、同一の参照番号を図面及び説明に使用して同じ又は同様の部分を指す。

本発明は、両面が発光する面光源装置を提供する。この装置は、電子放射機構に基づいてガスの真空レベルを制御することで発光効果を実現することができる。更に、透明電極及び透明基板の適切な配置と関連して、本発明は、両面発光を実現する。本発明が採用する機構は、両面が均一に発光する面光源装置の製造工程をより簡単にする。更に、蛍光材料を適切に選択することで、本発明は更に、面ＵＶ光源、又は、可視光又は赤外線といった他の波長を有する光源を生成可能である。照明及び装飾の適用に加えて、本発明の両面が発光する面光源装置は、ディスプレイ用の光源として機能可能である。透明基板の材料は、硬質材料又は軟質材料でありうる。面光源装置は、実際の必要性に応じて平面の光源装置又は曲面の光源装置でありうる。以下に幾つかの実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されない。実際の適用において、以下に説明する様々な実施形態は、組み合わされて使用されても、単独で使用されてもよい。

本発明により提供する光源装置は、陰極から十分な電子を引き出すガス伝導特性を活用する。電子の薄ガス中の移動時、薄ガスの電子平均自由行程が長いことにより、例えば、陽極上の蛍光粉末に直接衝突して蛍光粉末を励起し発光させる十分な電子が移動端に依然としてある。蛍光粉末は励起されて発光可能である。ＵＶが必要である場合、蛍光粉末の元素比を調節してＵＶ光、例えば、１００ｎｍ乃至４００ｎｍの波長の光を放射可能である。更に、光度は、電圧を調節することで制御可能である。

図３は、本発明の一実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。図３を参照するに、本発明は、低圧ガスを収容する空間が必要である。低圧ガス用の空間は、２つの透明基板２００及び２０２とスペーサ２０４によって形成される。この低圧ガス層は、一般的な技術によって実施可能であるので説明は省く。

本発明の透明陰極構造２０６は、透明基板２００上に配置され、透明陽極構造２０８は透明基板２００上に配置される。スペーサ２０４は、透明基板２００と透明基板２０２との間に配置され、それにより、低圧ガス層を収容する空間を作成する。この空間は、複数の小さい空間に分割されても、分割なしの単一の空間であってもよい。これは、特定の限定なしで適用の必要性に依存する。透明材料は、例えば、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）、インジウム−亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、又は、透明導電酸化物の他の一般的な材料である。

透明陰極構造２０６及び透明陽極構造２０８は、例えば、互いに対向し、また、それぞれ、表面構造である。一般的に、蛍光層２１０が、透明陰極構造２０６と透明陽極構造２０８との間に位置付けられ、また、好適には、透明陽極構造２０８上に配置される。低圧ガス層は、透明陰極構造２０６と透明陽極構造２０８との間の空間を埋めて陰極が均一に電子を放射するようにさせる。低圧ガス層の電子平均自由行程によって、動作電圧下で、少なくとも十分な電子が蛍光層に直接衝突可能である。低圧ガス層の圧力は、１０−１０^−３トールの範囲であり、低圧ガス層におけるガスは、例えば、不活性ガス、空気、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈ_２、又はＣＯ_２を含む。最適化圧力は、ガスと、陰極と陽極間の距離に依存する。

低圧ガス層内の引き出された電子２１２は、透明陽極構造２０８に向かって移動するよう加速される。薄ガスの電子平均自由行程が長いことにより、蛍光層２１０に直接衝突する十分な電子２１２が移動端に依然としてある。その一方で、低圧ガス層内の電離された正ガスイオン２１４は、透明陰極構造２０６に向かって移動して陰極に衝突し、２次電子２１６の生成及び増加に貢献する。２次電子を効果的に生成する方法は、後述する。通常、異なる圧力は異なる動作電圧を必要とし、輝度は、動作電圧が増加することで増加し、また、輝度と電圧は線形関係にある。

透明基板２００及び２０２の透明特性によって、蛍光層２１０により生成される光２１８及び２２０が、透明基板２００及び２０２を透過可能にし、それにより、両面発光の効果を実現する。

蛍光層２１０は、単層構造であることが可能である。しかし、蛍光層２１０は、異なる蛍光層に依存して、例えば、重ね合わされた層構造又は混合された層構造であってもよい。重ね合わされた層構造又は混合された層構造は共に、異なる蛍光材料から形成される。重ね合わされた層構造は、例えば、異なる蛍光層材料からなる複数の層から作られ、混合光、例えば、赤色光、緑色光、及び青色光を含む、白色光混合光を生成する。混合された層構造では、異なる色の複数の蛍光層が異なる領域に配置されそれぞれ決められた周波数に対応する光を生成して光混合効果を実現する。更に、可視光材料の他に、蛍光層は、赤外線材料又はＵＶ材料を使用可能である。

上述の両面が発光する面光源装置は、基本構造だけである。発光効率を促進する目的で、追加の補助機能層を透明陰極構造２０６又は透明陽極構造２０８上に配置する。図４は、本発明の別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。図４を参照するに、輝度を増加するようより効果的に２次電子２１６を生成する目的で、２次電子材料層２２２が、例えば、透明陰極構造２０６上に配置される。２次電子材料層２２２の材料は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化テルビウム（Ｔｂ_２Ｏ_３）、酸化ランタン（Ｌａ_２Ｏ_３）、又は酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含む。

図５−７は、本発明の他の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。図５を参照するに、エミッタ材料層２２４を透明陰極構造２０６上に更に配置し、それにより、放電を容易にし、また、動作電圧を下げる表面構造を提供する。エミッタ材料層２２４は、例えば、金属材料、カーボンナノチューブ、カーボンナノウォール、カーボンナノ細孔材料、シリンダ状ＺｎＯ、又はＺｎＯから形成されうる又は含みうる。

図５の実施形態では、エミッタ材料層２２４は、例えば、以下に限定しないが、透明陰極構造２０６上に配置される。図６を参照するに、別のエミッタ材料層２２４が透明陽極構造２０８上に配置されて放電を容易にする。図７を参照するに、２つのエミッタ材料層２２４及び２２６がそれぞれ透明陰極構造２０６及び透明陽極構造２０８上に配置される。

図５−７では、構造は、エミッタ材料層を有するが、必要である場合には、２次電子材料層を、図４に示すように追加的に配置してもよい。実際、本発明の実施形態は、様々な方法で又はそれらの組み合わせ形態で実施されうるが、本発明はこれらに限定されない。

図８は、本発明の更に別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。図８を参照するに、この実施形態では、追加の透明導電保護層２２８が、蛍光層２１０上に配置される。この透明導電保護層２２８は、蛍光層２１０を保護する目的で導電性である。より詳細には、透明導電保護層２２８は、蛍光層２１０にイオンが衝突することを阻止し、また、蛍光体が焼き付き及び損傷することを回避して蛍光層２１０の寿命を延長する。透明導電保護層２２８は保護を目的とするので、透明導電保護層２２８を形成するには、例えば、数ナノメートルの１つの薄層だけで十分である。更に、エミッタ材料層２２４を、例えば、透明陰極構造２０６上に配置可能である。

上述した実施形態における蛍光層は、表面構造として設計されるが、変更してもよい。図９は、本発明の更に別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。図９を参照するに、２つの透明基板２９０及びスペーサ２９６は、上述内容と同様に配置され、低圧ガスを収容する空間を作成する。しかし、本実施形態は、電極及び蛍光層の配置において他とは異なる。陰極構造２９２及び陽極構造２９４が、同じ基板２９０上に配置される。陰極構造２９２及び陽極構造２９４が占める面積が小さいので、これらの構造は、透明導電材料又は不透明導電材料から形成され、好適には透明導電材料から形成される。蛍光構造層が、透明基板２９０上に配置され、陰極構造２９２と陽極構造２９４との間に位置付けられる。

蛍光層は、例えば、複数の蛍光単体を含み、各蛍光単体の表面は、蛍光材料層を有する。蛍光単体２９５は、例えば、球状の蛍光単体であり、各蛍光単体２９５の表面は、蛍光材料層を有する。蛍光単体２９５は、円筒状の蛍光単体であってもよく、その表面も蛍光材料層を有しうる。この実施形態では、電子は、矢印により示す方向に動き、電子は横方向に動く。透明基板２９０及び２９８は共に透明であるので、生成される光は、両面から放射される。

図１０は、本発明の更に別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。図１０を参照するに、両面が発光する面光源装置では、スペーサ２３２が、電極２０６と蛍光層２１０との間に配置されて、それにより、低圧ガスを収容する空間を作成する。基板間のスペーサ２３２は、基板を支持するわけではなく、これは、空間を分割する上述した実施形態の変形を反映する。

図３と同様に、電極構造も変更することができる。図１１は、本発明の更に別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す断面図である。図１１を参照するに、２つの透明基板３００及び３０２とスペーサ３０４は、上述したように、低圧ガスを収容する空間を作成する。この実施形態では、少なくとも１つの陰極ワイヤ構造３１０が、透明基板３００上の空間内に配置される。この実施形態では、陰極ワイヤ構造３１０は、例えば、複数の陰極ワイヤである。透明陽極構造３０６は、透明基板３００上で、透明陽極構造３０６に並行して形成される表面構造である。蛍光層３０８は、陰極ワイヤ構造３１０と透明陽極構造３０６との間に位置付けられ、また、蛍光層３０８は、例えば、陰極ワイヤ構造３１０上に直接形成される。

陰極ワイヤ構造３１０は、例えば、フィラメント状の構造であるので、発光品質には影響を与えない。

同様に、本発明は、他の変更も有することができる。図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の更に別の実施形態による、両面が発光する面光源装置を示す側面図及び平面図である。図１２Ａを参照するに、２つの導電透明基板４００とスペーサ４０６が、上述したように低圧ガスを収容する空間を作成する。導電透明基板４００は、例えば、陽極として機能する導電ガラスである。蛍光層４０２は、２つの導電透明基板４００上に配置される。少なくとも１つの陰極ワイヤ構造４０４が、２つの導電透明基板４００間の空間内に配置される。一実施形態では、陰極ワイヤ構造４０４は、例えば、複数の陰極ワイヤである。陰極ワイヤ構造４０４は、図１２Ｂに示すように、２つの導電透明基板間の平面上に分布される。陰極ワイヤ構造４０２は、例えば、表面構造であり、従って、陰極ワイヤ構造４０２は、両面が発光する基板として機能できる。

本発明により提供する、両面が発光する面光源装置は、両面画像表示又は曲面画像表示に更に適用可能である。

当業者には、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく本発明の構造に様々な改良及び変更を行いうることは明らかであろう。上述に鑑みて、本発明は、請求項及びその等価物の範囲に含まれるという条件で本発明の改良及び変更を包含することを意図する。

１００電極構造
１０２電極構造
１０４ガス
１０６電源
１０８ａ−ｃ蛍光層
１１０電子
１２０ガラス基板
１２２陰極構造層
１２４円錐形の導体
１２６ゲート層
１２８陽極構造層
１３０蛍光層
１３２電子
２００透明基板
２０２透明基板
２０４スペーサ
２０６透明陰極構造
２０８透明陽極構造
２１０蛍光層
２１２電子
２１４ガスイオン
２１６２次電子
２１８、２２０光
２２２２次電子材料層
２２４、２２６エミッタ材料層
２２８透明導電保護
２３２スペーサ
２９０透明基板
２９２陰極構造
２９４陽極構造
２９５蛍光単体
２９６スペーサ
２９８透明基板
２００、３０２透明基板
３０４スペーサ
３０６透明陽極構造
３０８蛍光層
３１０陰極ワイヤ構造
４００導電透明基板
４０２蛍光層
４０４陰極ワイヤ構造
４０６スペーサ

Claims

互いに対向し、陽極構造として機能する平面状の第１の導電透明基板及び第２の導電透明基板と、
前記第１の導電透明基板及び前記第２の導電透明基板上にそれぞれ配置される蛍光構造層と、
前記第１の導電透明基板と前記第２の導電透明基板との間に配置され空間を作成するスペーサと、
前記第１の導電透明基板及び前記第２の導電透明基板に対して並行に設けられ、複数の前記蛍光構造層の間に分布される少なくとも１つのフィラメント状の陰極ワイヤ構造と、
前記空間を充填し、前記陰極ワイヤ構造から前記蛍光構造層に電子を均一に放射させるよう機能する低圧ガス層と、
を含み、
前記低圧ガス層の電子平均自由行程は、動作電圧下で、少なくとも十分な電子が前記蛍光構造層から前記第１の導電透明基板及び前記第２の導電透明基板の方向に動き、また、前記蛍光構造層に直接衝突することを可能にする、両面が発光する面光源装置。
前記第１の導電透明基板及び前記第２の導電透明基板は、それぞれ、硬質透明材料を含む、請求項１に記載の両面が発光する面光源装置。
前記低圧ガス層の圧力は、１０から１０^−３トールの範囲にある、請求項１または２に記載の両面が発光する面光源装置。
前記蛍光構造層は、単層構造を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の両面が発光する面光源装置。
前記蛍光構造層は、様々な異なる蛍光材料をそれぞれ有する重ね合わせ層構造又は補助構造を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の両面が発光する面光源装置。
前記蛍光構造層は、対応周波数を有する光をそれぞれ生成する複数の領域を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の両面が発光する面光源装置。