タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 「高輝度・高効率な電界電子放出型光源の研究開発」
報告書年度2009 - 2011
和文要約本事業開始当初はファンネル型FEL基本設計と実証試験を行った段階であったため、FEL作製技術を確立するために必須となる要素技術の開発を行った。その結果、電界電子放出特性と耐久性に優れるナノダイヤモンド/カーボンナノウォール(ND/CNW)膜を、ワイヤ型形状をもつ陰極電極の上に成膜する技術の開発に成功した。また、成膜条件に対する電界電子放出特性を詳細に調査することで目標となる閾値電界強度の調整範囲を上回る0.8?2.0V/μmの範囲で電子放出特性を調整できるようになった。FEL内部の中心軸に設置する電界電子放出素子については軸周り360°に電界電子放出が行える電界電子放出素子を作製した。また、その際、電界電子放出素子の端部に立体形状をもつ金属部材を配置し、これらの金属部材が電界を変形する力を利用してND/CNW膜面上での電界強度の補正を行った。各形状パラメータを最適化することで、蛍光体塗布面での電子線照射密度の誤差を50%以内に抑えることが可能となった。FELでのガラス製部品の組立は鉛フリットガラスを使用せず、ぬれ性に劣る鉛レスフリットガラスによる封止を試み、接合方法の改善によりリークのないファンネル型FELを作製することが可能とした。作製したFELは発光ちらつきが真空チャンバ内3×10-5Pa以下で発光させた状態と同等であり、かつ封止後11ヶ月後もそれを維持したことから、目標とした電子放出時のFEL内圧力を3×10-5 Pa以下を達成できたと判断した。また、軟X線でも評価可能な放射線計測システムを構築し、FELから放射される軟X線の強度が安全基準を満たしているこのとの確認を行い、想定最大出力時でもX線強度は自然大気中のバックグラウンド放射線強度(0.1μSv/h)よりもはるかに小さく0.02μSv/h以下であることを確認した。硫化亜鉛系蛍光体よりも耐久性の高い高融点窒素酸化物系材料を中心として、既存の窒化物および新規材料について1000サンプル以上の検討を行った。しかし、今のところ市販の蛍光体の発光効率に匹敵するものを見出すことが出来なかった。既存の電子線励起蛍光体は、最も発光効率が高いZnS:Cu, Au, Alで69lm/Wであるため、これらの組み合わせによる白色蛍光体の発光効率は最終目標値である80lm/Wに到達していないのが現状である。また、現在のところ青色蛍光体については実用的な発光効率をもつ蛍光体はQ0.5値が50 C/cm2以下のZnS系蛍光体しか存在しないため、Ra70以上を越えて輝度が半減するまでの期間が10,000時間以上となる白色FELを作製することが出来ていない。しかし、既存の赤色、緑色蛍光体であるY2O3:EuやY3Al5O12:Tbは充分実用に足る寿命を持っているため白色光を必ずしも必要しない植物育成用光源としてはFELの実用化は可能であると考える。FELの植物育成への適性を評価するためにファンネル型FELとLED、CCFLを用いて閉鎖型環境下で、照度一定の下、植物ホルモンを使わないレタス、キンセンレンの生育調査、ランの苗生産試験をおこなった。その結果、特に苗化にFELが効果的であることを確認できた。また、曇天時の太陽光量減少による落蕾・落花に対する人工光照射による抑制効果の比較実験をFEL、LED、CCFLを用いて観賞用トウガラシ、トマト、ブルースター、バラに対して行った結果、FELが最も有効であることが確認できた。これらの実験結果に基づいて植物育成と落蕾・落花防止おけるFELの利用のマニュアルの作製をおこなった。
英文要約We have developed the essential technologies for the manufacturing technology of the funnel-shaped FEL. We have succeeded in growing the ND/CNW films on a wire-shaped substrate and established the threshold field controlling technology with 0.8 - 2.0V/μm. As the electron emitter arranged along the central axis of the funnel-shaped anode, we assembled six ND/CNW-deposited and wire-shaped substrates to be one electron emitter which can emit electrons around at the angle of 360°. We have put the metal parts on the terminal of emitter for the strength of electric fields of it can be corrected by utilizing the bending effect of an electric contour line. It became possible to keep within 50% error of the density of electron irradiation beams on the phosphor coated surface. Concerning the assembly, we used the lead-less frit glass to bond the glass parts. We have achieved to fabricate the leak-less funnel-shaped FEL by improvement of bonding methods. We confirmed that the degree of flickers of luminescence of the finished funnel?shaped FEL is almost as same as those of luminescence induced in a chamber which was vacuumed to less than 3×10-5 Pa and the status was kept for more than 11 month after sealing. The radiation increase due to inducing maximum rating of 10kV, 8W to the FEL was less than 0.02μSv/h. We had been investigating phosphor samples of over 1,000 different types around nitrogen oxides materials with high-melting points. However, they have not discovered yet which phosphor whose luminous efficiency is equivalent to commercial phosphors. Among the existing cathodoluminescence phosphors, the best luminous efficiency is 69 lm/W of ZnS:Cu, Au, Al phosphor but the luminous efficiency of white phosphors by combination of these existing phosphors has not reached the final target value of 80lm/W at the current stage. All phosphors of RGB are required in order to achieve the general color rendering index (Ra) of over 70, but there is no practical blue phosphor whose Q0.5 value is more than 50 C/cm2. Therefore, it is difficult to produce a white color FEL whose Ra is more than 70 and the lifetime is 10,000 h. However, existing red and green phosphors have enough long life time, so it seems to be possible to commercialize FEL on the field of lamps for plant growth which do not need white light. We performed growth tests of lettuces and jewel Orchid and seedling of cymbidium in closed environments irradiated by FELs, LEDs and CCFLs at same luminance without phytohormone. We confirmed that illumination of FELs is especially effective to seedlings. We performed the comparative study of suppression effect of FEL, LED and CCFL against flower-mud blasting coming from lack of sunshine concerning ornamental peppers, tomatoes, blue stars and roses and confirmed that the illumination of FEL is the most effective for the all the plant types. Above experimental data, we made a manual for use of FEL for growing plants or suppressing flower-mud blasting.