專利名稱：陰極冷光燈源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種陰極冷光燈源，尤指一種燈的發光源與發光源的內部結構排列。
背景技術：
人類活動在不同的場所通常使用不同類型的光源。多數情況下光源操作的基本原則是將電流轉換為光。依據各種不同目的，就會遭遇輻射強度、方向性、光譜分布、及其它特性的特殊需求。其中對任何光源而言，最為重要的參數就是轉換為光的能源效率。因此，各種光源的參數在一個寬廣的范圍內就有各式的變化，依據光發射的物理基礎而定。特別是電能轉換為可見光的效率以各種電子冷光而言與光射出的各式不同波長相關。因其發光的物理機制不盡相同，造成效率的轉換形成一極寬的范圍。舉例而言，在可見光白熾燈源中，轉換效率甚至只有1％的效果，因其轉換效率是根據其中許多不同波長的光源效率合成所得，當短波長(藍光)的效率為0.01％而長波長(紅光及遠紅外光)的效率為15％時，則產生此結果。在許多氣體放電光源中，其電能轉換光能的效率約為1％至20％，需依據其放電及材質放光的特性。而在氣體放電光源中有部分是利用特殊的UV光源照射，使氣體接受UV光的能量達到光致發光的機制，其部分能量轉換效率可高達60％，相較于電能轉光能的總效率還要高上10％。盡管光致發光的光源有相對高的轉換效率，但卻仍有許多缺點，其中最大的缺點即是在光源內加入了水銀，加入水銀的功效在于取代UV光源，以電子束激發水銀使其放出冷光，其效率約可達到35-40％。此外，陰極發光光源的總轉換效率為一函數與建立所需求電子束的能量總合相關聯。
陰極冷光源可以是各式各樣的冷光燈、指示器、電視映像管、真空發光裝置及其相似品。一般而言，電子束在上述的裝置都是由于由一高溫的陰極放射出熱電子，例如像是英國專利第#2,009,492及RF專利像是#2,089,007，電能轉換為可見光能的效率如此之低，說明相當大的能量是轉換為熱能而加熱陰極。還有，上述裝置的電場應用都被復雜的制程本身及整體尺寸及置于上述裝置的操作條件所限制。另一方面使用其它種以電子激發的發光裝置，如光子放射、二次電子放射、及其它相類似的裝置，對電能轉換為可見光能的效率提升而言，仍是失敗的。
以使用電場(或自發性發射源)以產生電子束的另一種方法。不同于一般熱離子、光電子、及其它種促進發射場放射電子的發生裝置，在陰極(發射器)處不需吸收電能，即可提供所需的高效率轉換光源。然而，使用場放射陰極和得一夠高的電流密度以提供電子束將與在陰極表面處則將有一極大的電場強度(電位梯度)(108-109V/m)有關系；要達到如此高的電場強度，則需要夠大的電壓及/或極細的尖端點狀或是線狀陰極才能達到對局部電場放大有所貢獻。
因此，于尖端與邊緣的微米與次微米的范圍下所能提供的電壓值很容易受到實際情況的影響。這樣就很容易在它們的制程中增加成本。更進一步說，由于微米尺寸的尖端構造對環境的高敏感性，造成電子發射呈極不穩定狀態；因此，在這樣的環境下，將顯著妨礙場發射陰極被廣泛應用于儀器或裝置。
在現有技術中，陰極冷光燈源使用導電材料所做的燈絲做為場發射陰極(cf.WO97/07531)，在此類型的燈中，陰極封裝在真空玻璃燈泡內，其內表面有一透明導電材質做為陽極。一具有被電子束激發而產生光的磷發光層涂布于陽極上。然而其本身于結構上存在一缺點，即為了達到實際應用中所要求的電子發射及陰極與陽極之間的高跨壓值以達到足夠電場強度，就需將燈絲的直徑做到極端纖細(從1μ到15μ)。在此情形下這樣的燈絲所具的機械強度往往太低以使得在陰極制作上成為一大問題。另一缺點為陰極冷光燈其電子束激發磷光層效率較高之處為磷發光層面向陰極所在，而此處為于燈泡向內處，因此一相當比例的光束被靠近燈泡的透明外部表面的電子激發磷光層所吸收。光被吸收的結果將導致部分能量損失及使得這一型的燈泡轉換效率受影響。
在現有技術中的碳材料，在相當低的電場強度(106-107V/m)就可觀察到場發射。這是因其奈米尺寸的關系以及附于奈米碳特殊的電子特性的關系(請參考WO 00/40508 A1)。使用此種材料作為電子發射器(陰極)，可以顯著的降低產生電子束所需在陰極與陽極之間的跨壓值。
更多的陰極冷光燈源之一是采用圓柱型熱離子二極管，其場發射陰極似乎是以直徑1mm金屬線涂布以奈米碳管于其上(請參考.J.-M.Bonard，T.Stoeckli，O.Noury，A.Chatelain，App.Phys.Lett.78，2001，2775-2777)，使用此奈米碳管于組件中可減少電壓所需的值。然而，使用奈米碳管的燈泡缺點之一是在奈米碳管制作過程中包含使用金屬性的催化劑，因此在加工過程中會攜帶金屬微粒而使得最后有金屬微粒附著其上。這樣的結果將需要對奈米碳管做化學性的再處理以去除金屬微粒以達到高效率的電子放射。另一此類燈的固有缺點為電子激發的問題也是磷發光層涂布于圓柱型玻璃燈管的內部表面配置問題。當光線朝透明燈管表面處前進時，部分的放射光被磷發光層吸收，因此對總電能轉換成光的效率有所損害。

發明內容
本發明的目的是提供一陰極發冷光光源使其在電能轉換光能的方面具有高效率。
本發明的另一目的在于簡化燈源內部結構以及制程技術。
本發明目的可以被達成的首要原因是陽極具有一可反射光的表面與陰極相對。另一因素則為燈源內部的特別的排列結構。本發明至少包含一抽真空的容置空間，其至少有部分是透明的表面，該容置空間中容置至少一陽極其表面面向陰極的一側有光反射涂層及涂布電子激光材料層；及至少一陰極用以產生場發射的電子束。
于本發明中例舉了三個實施例。第一實施例為燈源封置于圓柱型燈管內部，其具有反射特性的陽極會與部分燈管表面重疊，光則會從透明燈管部分透出，而陰極則為一導線其安排沿著長軸延伸固定。
第二實施例為球型燈泡，其具有反射特性的陽極與部分球型燈泡表面重疊，而陰極則為一導線的尖端接近球形，其固定于近球型燈泡中心位置。
第三實施例以一透明體做為封裝基座將燈源封置于其中并抽真空，其內部包括一個或一個以上的圓柱型凹槽或半球型凹槽輪廓，是由電性導體的光反射性材料也可是絕緣的材料例如像是玻璃再涂布具有良好反射特性的金屬所制成的陽極。而陰極可為一導線橫越過圓柱型凹槽陽極的上方或為點狀位在半球型凹槽陽極的上方中心處。


圖1為繪示依據本發明一較佳實施例的陰極冷光燈示意圖，(A)橫剖面圖(B)縱剖面圖(C)側視圖。
圖2為繪示依據本發明一較佳實施例的陰極冷光燈示意圖。
圖3為繪示依據本發明一較佳實施例的陰極冷光燈示意圖，(A)圓柱型溝槽側視圖(B)圓柱型溝槽俯視圖(C)球面型溝槽側視圖(D)球面型溝槽俯視圖。
圖4為第3實施例封裝后的剖面示意圖。
圖5(A)為繪示燈管的電壓對電流相對關系，圖5(B)為以Fowler-Nordheim坐標表示。
圖6為顯示燈管的流明與陽極和陰極間電壓的相對關系圖。
1圓柱型玻璃燈管2反射性鋁金屬層3電極 4電子激發磷光層5金屬線6碳膜層7電極 8光行進方向9透明表面 10球型玻璃燈泡11反射性鋁金屬層 12電子激發磷光層13陰極 14碳膜層15電極 16電極17光行進方向 18陽極平板19圓柱型凹槽 20球型凹槽
21凹槽相連 22凹槽以絕緣層相隔23導線型陰極 24點狀型陰極25玻璃或石英纖維 26陽極27陰極 28介電纖維29容置空間 30電極31電極 32光行進方向具體實施方式
請參閱圖1所示的本發明的第一實施例的陰極冷光燈概要說明圖。
第一實施例的陰極冷光燈包括有一圓柱型的玻璃燈管1，于燈管內部部分表面之上有一反射性鋁金屬層2或其它具有良好反射特性的金屬形成于其上，反射性金屬層為電的良導體與燈管外表面的電極3電性連接。反射性金屬層2上有一電子激發磷光層4。燈管1容置一場發射陰極。場發射陰極為一圓柱形金屬線5涂布一層具有高效能場電子發射特性的碳膜層6，碳膜層6包含奈米尺寸的石墨結晶與奈米碳管。有關由奈米級石墨結晶及奈米碳管組成的碳膜層6的相關使用及研究報導請參見WO 00/40508 A1的報導。陰極的長端沿燈管1的長軸并且電性連接至燈管1的外部表面電極7的安排是有其道理的。而場發射陰極與燈管1的直徑大小則取決于通過陽極與陰極的操作電壓大小可以達到陰極表面的有效電場可以建立一所需的電流值。例如在前述WO 00/40508A1中提到，在電壓4kV或以上施加于陰極直徑d為1mm.陽極直徑D為20mm時，依據公知的公式F＝V/[d*1n(D/d)]，電場強度(F)可達到或超過1.25×106V/m或以上。當電壓超過4kV伏特，在燈管1內部空間，電子將從陰極加速至涂布電激發磷光材質層4的陽極，而發出冷光。陽極上反射性金屬層會將其冷光導引而反射至透明表面9(無金屬層涂布燈管之處)放光，即放光的方向為箭頭8所指的方向。燈管1可進一步再使用一些電極(未圖標)以進一步聚焦、偏折、及調變以控制電子束行進的方向。一旦這些電極位置固定于燈管內部；燈管將進一步抽真空到一定程度的真空狀態并且以密封墊將玻璃燈管密封。為了維持其燈管內部的真空狀態以延長燈管的壽命，我們會放入一些真空管內殘余氣體的吸收劑于燈管內部。
請參閱圖2所示的本發明的第二實施例的陰極冷光燈概要圖。陰極冷光燈包括一球型的玻璃燈泡10，于部分的燈管內部表面之上有一反射性金屬涂布層11做為陽極。陽極表面涂布電激發光的磷光材料層。而陰極13是金屬線尖端有一接近球形的表面，為金屬線表面涂布一層碳膜層14，一如前述。此金屬線與電極16相連接于球邊緣處，陰極球的部分涂布碳膜且位于燈泡10的中心。陰極13和陽極電性連接到玻璃燈泡的外表面的電極15。一如第一實施例產生的冷光是由燈泡中無涂布金屬層之處射出(光行進方向17)。而球型燈泡因其幾何特性，使應用于電壓與電荷密度的公式也有所改變，其公式為F＝2VD/[d*(D-d)](陽極直徑為D、陰極直徑為d)。依據球型結構的照射器與燈管結構的照射器兩公式相對照所得的結果，球型結構相對圓柱型結構可以使用較小的電場強度或使用較小尺寸的燈電極(lamp electrode)就可達到在陰極表面所需的場強度。
依據本發明的第三實施例，陰極冷光燈也可以變化為平面型的裝置而有許多的陽極與陰極。圖3為平面型燈的發光結構的概要圖。平面型燈包括一陽極平板(或平板陽極)18有一個或一個以上的圓柱型凹槽19或球型凹槽20輪廓，陽極平板可以是由電性導體的光反射性材料也可是絕緣的材料例如像是玻璃再涂布具有良好反射特性的金屬所制成。金屬層可以是連續的如標號21所示，也可以像是包含電性隔離的部分如標號22所示。反射性金屬層上有一電激發光磷材質層。而陰極則如之前兩實施例所提，可為一導線23或為點狀24其上涂布一碳膜層以提供所需要的電子發射特性。這些導線23位在平板陽極的上方以使得受到電子放出時可以產生冷光的效果。玻璃或石英纖維25使用機械方法放置以確保和陽極有一距離。陰極導線(cathode wire)或帶點狀陰極的絕緣線(threadswith spire-shaped cathodes)再垂直固定于玻璃或石英纖維25于其間。這些電子發射的且絕緣的線再預先綁成網狀。網狀陰極及絕緣線置于平板陽極而形成二極管結構。
一旦像導線的陰極相對陽極被固定，整體結構就組合為一結構而封在一有透明表面的空間內。圖4為一平板陰極冷光燈剖面圖；表示已封裝好的第三實施例，其結構至少包含提供發光組件的陽極26及陰極27與將陽極及陰極隔離開的介電纖維28。緊密封裝燈容置空間29至少包含一導線連接連接電極30、陽極26、其它的電極31及一透明窗使光束(如箭頭方向32)可經由此透明窗出來。
圖5為依據本發明第一實施例的電壓與安培特性關系圖。此圖所示的圓柱型陰極發光燈管，以鎳(Ni)做為陰極的金屬線涂布一碳膜層、直徑為1mm，長度為40mm，陽極直徑為20mm(玻璃管內徑)，金屬層所占面積為長40mm、寬20mm。圖5A為電流(I)與電壓(V)的相對關系，圖五B為以Fowler-Nordheim坐標表示。在此實施例中呈現線性關系屬于典型的場發射電子發射特性。(圖五B中Y坐標為取自然對數的I/V2其源自于I/V)。
圖6則顯示燈管的流明(B)與陽極與陰極之間電壓(V)之間關系圖。此燈管中的電激發光磷光材質層所使用的化學合成物為Gd2O2STb(可由日亞(NICHIA)公司購得)。
從圖5與圖6所得的證明，符合本發明特性的陰極冷光燈，及改善電能效率可提高亮度達30％以上，和目前所知的任何光源相比較。
本發明的產業利用性與傳統許多已知的光源相比較，陰極冷光源為一種新型的發光源組件，可達到相當高的能源轉換為光的效率，且可替代許多已知光源。并有更多的優點，其具有極高流明而只有極小熱能釋放，而在環保方面的優點，例如在陰極冷光燈的制程中沒有毒素及違害環境的材料，只要選擇適當的電子激光材料及已知的燈源就可產生足夠的高能量效率。可用于液晶顯示器及指示器，其具有低能量消耗及高流明。最后，考量燈源的陽極對電性的隔離，可能適合于顯示器、指示器及相似的設備的視訊效果。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用以限定本發明的專利要求范圍，凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含專利要求范圍內。
權利要求
1.一種光源組件，其特征在于，至少包含一抽真空的容置空間，其至少有部分是透明的表面，該容置空間中容置至少一陽極其表面面向陰極的一側有光反射涂層及涂布電子激光材料層；及至少一陰極用以產生場發射的電子束。
2.按照權利要求1所述的光源組件，其特征在于，其中該容置空間是圓柱形，該陰極顯著沿著容置空間的長軸向，該光反射涂層部分形成在圓柱形的表面上，剩下的部分則是透明的，用以讓在該容置空間的光由該透明的容置空間射出。
3.按照權利要求1所述的光源組件，其特征在于，其中該容置空間是球形，該陰極是尖點形狀且顯著位于球形容置空間的中心點，光反射涂層部分形成在球形的表面上，剩下的部分則是透明的，用以讓在該容置空間的光由該透明的容置空間部分射出。
4.按照權利要求1所述的光源組件，其特征在于，其中所述陽極表面是以電導性材料涂布在容置空間的部分表面。
5.按照權利要求1所述的光源組件，其特征在于，其中所述許多陽極有一近半圓柱形狀且位于顯著平板的基座上或由顯著平板所形成于其中，陰極則是像許多非導線，該非導線沿著陽極。
6.按照權利要求1所述的光源組件，其特征在于，其中所述許多陽極有一近半球形狀且位于顯著平板的基座上或由顯著平板所形成于其中，陰極則是像許多點形，且位于該陽極的中心點。
全文摘要
本發明涉及一種陰極冷光燈源，至少包含一場發射陰極場電子源，一陽極其提供光反射表面，有一陰極發冷光材料層于陽極反射表面上方；一透明體做為容置空間將陰極與陽極封置于其中并抽真空，以使陰極發冷光材料層于陽極上方由電子激發所發出的冷光，經陽極反射后從透明燈管處放出。
文檔編號H01J63/00GK1619762SQ200410080768
公開日2005年5月25日 申請日期2004年10月15日 優先權日2004年10月15日
發明者亞歷山大歐巴索夫 申請人:賈淑瑜