專利名稱：陰極冷光燈源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陰極冷光燈源，尤指一種燈的發(fā)光源與發(fā)光源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列。
背景技術(shù)：
人類活動(dòng)在不同的場(chǎng)所通常使用不同類型的光源。多數(shù)情況下光源操作的基本原則是將電流轉(zhuǎn)換為光。依據(jù)各種不同目的，就會(huì)遭遇輻射強(qiáng)度、方向性、光譜分布、及其它特性的特殊需求。其中對(duì)任何光源而言，最為重要的參數(shù)就是轉(zhuǎn)換為光的能源效率。因此，各種光源的參數(shù)在一個(gè)寬廣的范圍內(nèi)就有各式的變化，依據(jù)光發(fā)射的物理基礎(chǔ)而定。特別是電能轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的效率以各種電子冷光而言與光射出的各式不同波長(zhǎng)相關(guān)。因其發(fā)光的物理機(jī)制不盡相同，造成效率的轉(zhuǎn)換形成一極寬的范圍。舉例而言，在可見(jiàn)光白熾燈源中，轉(zhuǎn)換效率甚至只有1％的效果，因其轉(zhuǎn)換效率是根據(jù)其中許多不同波長(zhǎng)的光源效率合成所得，當(dāng)短波長(zhǎng)(藍(lán)光)的效率為0.01％而長(zhǎng)波長(zhǎng)(紅光及遠(yuǎn)紅外光)的效率為15％時(shí)，則產(chǎn)生此結(jié)果。在許多氣體放電光源中，其電能轉(zhuǎn)換光能的效率約為1％至20％，需依據(jù)其放電及材質(zhì)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(dá)到光致發(fā)光的機(jī)制，其部分能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)60％，相較于電能轉(zhuǎn)光能的總效率還要高上10％。盡管光致發(fā)光的光源有相對(duì)高的轉(zhuǎn)換效率，但卻仍有許多缺點(diǎn)，其中最大的缺點(diǎn)即是在光源內(nèi)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(fā)水銀使其放出冷光，其效率約可達(dá)到35-40％。此外，陰極發(fā)光光源的總轉(zhuǎn)換效率為一函數(shù)與建立所需求電子束的能量總合相關(guān)聯(lián)。
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(fā)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(guó)專利第#2,009,492及RF專利像是#2,089,007，電能轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光能的效率如此之低，說(shuō)明相當(dāng)大的能量是轉(zhuǎn)換為熱能而加熱陰極。還有，上述裝置的電場(chǎng)應(yīng)用都被復(fù)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(fā)的發(fā)光裝置，如光子放射、二次電子放射、及其它相類似的裝置，對(duì)電能轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光能的效率提升而言，仍是失敗的。
以使用電場(chǎng)(或自發(fā)性發(fā)射源)以產(chǎn)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(jìn)發(fā)射場(chǎng)放射電子的發(fā)生裝置，在陰極(發(fā)射器)處不需吸收電能，即可提供所需的高效率轉(zhuǎn)換光源。然而，使用場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度(電位梯度)(108-109V/m)有關(guān)系；要達(dá)到如此高的電場(chǎng)強(qiáng)度，則需要夠大的電壓及/或極細(xì)的尖端點(diǎn)狀或是線狀陰極才能達(dá)到對(duì)局部電場(chǎng)放大有所貢獻(xiàn)。
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(shí)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(jìn)一步說(shuō)，由于微米尺寸的尖端構(gòu)造對(duì)環(huán)境的高敏感性，造成電子發(fā)射呈極不穩(wěn)定狀態(tài)；因此，在這樣的環(huán)境下，將顯著妨礙場(chǎng)發(fā)射陰極被廣泛應(yīng)用于儀器或裝置。
在現(xiàn)有技術(shù)中，陰極冷光燈源使用導(dǎo)電材料所做的燈絲做為場(chǎng)發(fā)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(nèi)，其內(nèi)表面有一透明導(dǎo)電材質(zhì)做為陽(yáng)極。一具有被電子束激發(fā)而產(chǎn)生光的磷發(fā)光層涂布于陽(yáng)極上。然而其本身于結(jié)構(gòu)上存在一缺點(diǎn)，即為了達(dá)到實(shí)際應(yīng)用中所要求的電子發(fā)射及陰極與陽(yáng)極之間的高跨壓值以達(dá)到足夠電場(chǎng)強(qiáng)度，就需將燈絲的直徑做到極端纖細(xì)(從1μ到15μ)。在此情形下這樣的燈絲所具的機(jī)械強(qiáng)度往往太低以使得在陰極制作上成為一大問(wèn)題。另一缺點(diǎn)為陰極冷光燈其電子束激發(fā)磷光層效率較高之處為磷發(fā)光層面向陰極所在，而此處為于燈泡向內(nèi)處，因此一相當(dāng)比例的光束被靠近燈泡的透明外部表面的電子激發(fā)磷光層所吸收。光被吸收的結(jié)果將導(dǎo)致部分能量損失及使得這一型的燈泡轉(zhuǎn)換效率受影響。
在現(xiàn)有技術(shù)中的碳材料，在相當(dāng)?shù)偷碾妶?chǎng)強(qiáng)度(106-107V/m)就可觀察到場(chǎng)發(fā)射。這是因其奈米尺寸的關(guān)系以及附于奈米碳特殊的電子特性的關(guān)系(請(qǐng)參考WO 00/40508 A1)。使用此種材料作為電子發(fā)射器(陰極)，可以顯著的降低產(chǎn)生電子束所需在陰極與陽(yáng)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(chǎng)發(fā)射陰極似乎是以直徑1mm金屬線涂布以奈米碳管于其上(請(qǐng)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(diǎn)之一是在奈米碳管制作過(guò)程中包含使用金屬性的催化劑，因此在加工過(guò)程中會(huì)攜帶金屬微粒而使得最后有金屬微粒附著其上。這樣的結(jié)果將需要對(duì)奈米碳管做化學(xué)性的再處理以去除金屬微粒以達(dá)到高效率的電子放射。另一此類燈的固有缺點(diǎn)為電子激發(fā)的問(wèn)題也是磷發(fā)光層涂布于圓柱型玻璃燈管的內(nèi)部表面配置問(wèn)題。當(dāng)光線朝透明燈管表面處前進(jìn)時(shí)，部分的放射光被磷發(fā)光層吸收，因此對(duì)總電能轉(zhuǎn)換成光的效率有所損害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一陰極發(fā)冷光光源使其在電能轉(zhuǎn)換光能的方面具有高效率。
本發(fā)明的另一目的在于簡(jiǎn)化燈源內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及制程技術(shù)。
本發(fā)明目的可以被達(dá)成的首要原因是陽(yáng)極具有一可反射光的表面與陰極相對(duì)。另一因素則為燈源內(nèi)部的特別的排列結(jié)構(gòu)。本發(fā)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(yáng)極其表面面向陰極的一側(cè)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(chǎn)生場(chǎng)發(fā)射的電子束。
于本發(fā)明中例舉了三個(gè)實(shí)施例。第一實(shí)施例為燈源封置于圓柱型燈管內(nèi)部，其具有反射特性的陽(yáng)極會(huì)與部分燈管表面重疊，光則會(huì)從透明燈管部分透出，而陰極則為一導(dǎo)線其安排沿著長(zhǎng)軸延伸固定。
第二實(shí)施例為球型燈泡，其具有反射特性的陽(yáng)極與部分球型燈泡表面重疊，而陰極則為一導(dǎo)線的尖端接近球形，其固定于近球型燈泡中心位置。
第三實(shí)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(nèi)部包括一個(gè)或一個(gè)以上的圓柱型凹槽或半球型凹槽輪廓，是由電性導(dǎo)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(yáng)極。而陰極可為一導(dǎo)線橫越過(guò)圓柱型凹槽陽(yáng)極的上方或?yàn)辄c(diǎn)狀位在半球型凹槽陽(yáng)極的上方中心處。


圖1為繪示依據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的陰極冷光燈示意圖，(A)橫剖面圖(B)縱剖面圖(C)側(cè)視圖。
圖2為繪示依據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的陰極冷光燈示意圖。
圖3為繪示依據(jù)本發(fā)明一較佳實(shí)施例的陰極冷光燈示意圖，(A)圓柱型溝槽側(cè)視圖(B)圓柱型溝槽俯視圖(C)球面型溝槽側(cè)視圖(D)球面型溝槽俯視圖。
圖4為第3實(shí)施例封裝后的剖面示意圖。
圖5(A)為繪示燈管的電壓對(duì)電流相對(duì)關(guān)系，圖5(B)為以Fowler-Nordheim坐標(biāo)表示。
圖6為顯示燈管的流明與陽(yáng)極和陰極間電壓的相對(duì)關(guān)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(fā)磷光層5金屬線6碳膜層7電極 8光行進(jìn)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(fā)磷光層13陰極 14碳膜層15電極 16電極17光行進(jìn)方向 18陽(yáng)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(dǎo)線型陰極 24點(diǎn)狀型陰極25玻璃或石英纖維 26陽(yáng)極27陰極 28介電纖維29容置空間 30電極31電極 32光行進(jìn)方向具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1所示的本發(fā)明的第一實(shí)施例的陰極冷光燈概要說(shuō)明圖。
第一實(shí)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(nèi)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(dǎo)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(fā)磷光層4。燈管1容置一場(chǎng)發(fā)射陰極。場(chǎng)發(fā)射陰極為一圓柱形金屬線5涂布一層具有高效能場(chǎng)電子發(fā)射特性的碳膜層6，碳膜層6包含奈米尺寸的石墨結(jié)晶與奈米碳管。有關(guān)由奈米級(jí)石墨結(jié)晶及奈米碳管組成的碳膜層6的相關(guān)使用及研究報(bào)導(dǎo)請(qǐng)參見(jiàn)WO 00/40508 A1的報(bào)導(dǎo)。陰極的長(zhǎng)端沿?zé)艄?的長(zhǎng)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(chǎng)發(fā)射陰極與燈管1的直徑大小則取決于通過(guò)陽(yáng)極與陰極的操作電壓大小可以達(dá)到陰極表面的有效電場(chǎng)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(yáng)極直徑D為20mm時(shí)，依據(jù)公知的公式F＝V/[d*1n(D/d)]，電場(chǎng)強(qiáng)度(F)可達(dá)到或超過(guò)1.25×106V/m或以上。當(dāng)電壓超過(guò)4kV伏特，在燈管1內(nèi)部空間，電子將從陰極加速至涂布電激發(fā)磷光材質(zhì)層4的陽(yáng)極，而發(fā)出冷光。陽(yáng)極上反射性金屬層會(huì)將其冷光導(dǎo)引而反射至透明表面9(無(wú)金屬層涂布燈管之處)放光，即放光的方向?yàn)榧^8所指的方向。燈管1可進(jìn)一步再使用一些電極(未圖標(biāo))以進(jìn)一步聚焦、偏折、及調(diào)變以控制電子束行進(jìn)的方向。一旦這些電極位置固定于燈管內(nèi)部；燈管將進(jìn)一步抽真空到一定程度的真空狀態(tài)并且以密封墊將玻璃燈管密封。為了維持其燈管內(nèi)部的真空狀態(tài)以延長(zhǎng)燈管的壽命，我們會(huì)放入一些真空管內(nèi)殘余氣體的吸收劑于燈管內(nèi)部。
請(qǐng)參閱圖2所示的本發(fā)明的第二實(shí)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(nèi)部表面之上有一反射性金屬涂布層11做為陽(yáng)極。陽(yáng)極表面涂布電激發(fā)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(yáng)極電性連接到玻璃燈泡的外表面的電極15。一如第一實(shí)施例產(chǎn)生的冷光是由燈泡中無(wú)涂布金屬層之處射出(光行進(jìn)方向17)。而球型燈泡因其幾何特性，使應(yīng)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(yáng)極直徑為D、陰極直徑為d)。依據(jù)球型結(jié)構(gòu)的照射器與燈管結(jié)構(gòu)的照射器兩公式相對(duì)照所得的結(jié)果，球型結(jié)構(gòu)相對(duì)圓柱型結(jié)構(gòu)可以使用較小的電場(chǎng)強(qiáng)度或使用較小尺寸的燈電極(lamp electrode)就可達(dá)到在陰極表面所需的場(chǎng)強(qiáng)度。
依據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)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(yáng)極與陰極。圖3為平面型燈的發(fā)光結(jié)構(gòu)的概要圖。平面型燈包括一陽(yáng)極平板(或平板陽(yáng)極)18有一個(gè)或一個(gè)以上的圓柱型凹槽19或球型凹槽20輪廓，陽(yáng)極平板可以是由電性導(dǎo)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(xù)的如標(biāo)號(hào)21所示，也可以像是包含電性隔離的部分如標(biāo)號(hào)22所示。反射性金屬層上有一電激發(fā)光磷材質(zhì)層。而陰極則如之前兩實(shí)施例所提，可為一導(dǎo)線23或?yàn)辄c(diǎn)狀24其上涂布一碳膜層以提供所需要的電子發(fā)射特性。這些導(dǎo)線23位在平板陽(yáng)極的上方以使得受到電子放出時(shí)可以產(chǎn)生冷光的效果。玻璃或石英纖維25使用機(jī)械方法放置以確保和陽(yáng)極有一距離。陰極導(dǎo)線(cathode wire)或帶點(diǎn)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(fā)射的且絕緣的線再預(yù)先綁成網(wǎng)狀。網(wǎng)狀陰極及絕緣線置于平板陽(yáng)極而形成二極管結(jié)構(gòu)。
一旦像導(dǎo)線的陰極相對(duì)陽(yáng)極被固定，整體結(jié)構(gòu)就組合為一結(jié)構(gòu)而封在一有透明表面的空間內(nèi)。圖4為一平板陰極冷光燈剖面圖；表示已封裝好的第三實(shí)施例，其結(jié)構(gòu)至少包含提供發(fā)光組件的陽(yáng)極26及陰極27與將陽(yáng)極及陰極隔離開(kāi)的介電纖維28。緊密封裝燈容置空間29至少包含一導(dǎo)線連接連接電極30、陽(yáng)極26、其它的電極31及一透明窗使光束(如箭頭方向32)可經(jīng)由此透明窗出來(lái)。
圖5為依據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電壓與安培特性關(guān)系圖。此圖所示的圓柱型陰極發(fā)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(zhǎng)度為40mm，陽(yáng)極直徑為20mm(玻璃管內(nèi)徑)，金屬層所占面積為長(zhǎng)40mm、寬20mm。圖5A為電流(I)與電壓(V)的相對(duì)關(guān)系，圖五B為以Fowler-Nordheim坐標(biāo)表示。在此實(shí)施例中呈現(xiàn)線性關(guān)系屬于典型的場(chǎng)發(fā)射電子發(fā)射特性。(圖五B中Y坐標(biāo)為取自然對(duì)數(shù)的I/V2其源自于I/V)。
圖6則顯示燈管的流明(B)與陽(yáng)極與陰極之間電壓(V)之間關(guān)系圖。此燈管中的電激發(fā)光磷光材質(zhì)層所使用的化學(xué)合成物為Gd2O2STb(可由日亞(NICHIA)公司購(gòu)得)。
從圖5與圖6所得的證明，符合本發(fā)明特性的陰極冷光燈，及改善電能效率可提高亮度達(dá)30％以上，和目前所知的任何光源相比較。
本發(fā)明的產(chǎn)業(yè)利用性與傳統(tǒng)許多已知的光源相比較，陰極冷光源為一種新型的發(fā)光源組件，可達(dá)到相當(dāng)高的能源轉(zhuǎn)換為光的效率，且可替代許多已知光源。并有更多的優(yōu)點(diǎn)，其具有極高流明而只有極小熱能釋放，而在環(huán)保方面的優(yōu)點(diǎn)，例如在陰極冷光燈的制程中沒(méi)有毒素及違害環(huán)境的材料，只要選擇適當(dāng)?shù)碾娮蛹す獠牧霞耙阎臒粼淳涂僧a(chǎn)生足夠的高能量效率?？捎糜谝壕э@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(yáng)極對(duì)電性的隔離，可能適合于顯示器、指示器及相似的設(shè)備的視訊效果。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的專利要求范圍，凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含專利要求范圍內(nèi)。
權(quán)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(yáng)極其表面面向陰極的一側(cè)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(chǎn)生場(chǎng)發(fā)射的電子束。
2.按照權(quán)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(zhǎng)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(quán)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(diǎn)形狀且顯著位于球形容置空間的中心點(diǎn)，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(quán)利要求1所述的光源組件，其特征在于，其中所述陽(yáng)極表面是以電導(dǎo)性材料涂布在容置空間的部分表面。
5.按照權(quán)利要求1所述的光源組件，其特征在于，其中所述許多陽(yáng)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(dǎo)線，該非導(dǎo)線沿著陽(yáng)極。
6.按照權(quán)利要求1所述的光源組件，其特征在于，其中所述許多陽(yáng)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(diǎn)形，且位于該陽(yáng)極的中心點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陰極冷光燈源，至少包含一場(chǎng)發(fā)射陰極場(chǎng)電子源，一陽(yáng)極其提供光反射表面，有一陰極發(fā)冷光材料層于陽(yáng)極反射表面上方；一透明體做為容置空間將陰極與陽(yáng)極封置于其中并抽真空，以使陰極發(fā)冷光材料層于陽(yáng)極上方由電子激發(fā)所發(fā)出的冷光，經(jīng)陽(yáng)極反射后從透明燈管處放出。
文檔編號(hào)H01J63/00GK1619762SQ200410080768
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2004年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者亞歷山大歐巴索夫 申請(qǐng)人:賈淑瑜