專利名稱：熒光燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燈，更具體而言，是采用適當(dāng)?shù)牧着c冷陰極場發(fā)射體相結(jié)合的一種照明裝置。該發(fā)明是與能源部相結(jié)合的產(chǎn)物(專利號W-7405-ENG-36)。
背景技術(shù)：
許多年來熒光燈一直是商業(yè)建筑中標(biāo)準(zhǔn)的照明方式，但在家庭中卻較少應(yīng)用。一般在大空間需要經(jīng)濟(jì)的照明時才采用它。雖然鎢絲白熾燈與熒光燈相比，效率低而且貴，但是，由于它使用方便可靠，仍是家庭照明的主要方式。
雖然熒光燈是一種具有較高效率的照明方式，但它的確有許多不足之處，這些不足之處是關(guān)系到生態(tài)學(xué)方面的。熒光燈管目前被美國環(huán)保局(EPA)列為有害物質(zhì)，因為它含有巨毒的、嚴(yán)格受限制的物質(zhì)汞。這個問題導(dǎo)致了美國5229686號和5229687號專利的產(chǎn)生，它們描述了熒光燈中汞可能過濾的問題和在燈管中加入化學(xué)試劑，當(dāng)燈管破碎時，這些試劑便與汞發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但是，在大多數(shù)情況下需要鎮(zhèn)流器電阻器，否則熒光燈系列內(nèi)含有多氯聯(lián)苯基油(PCB)，這種油也是EPA限制的高度致癌物質(zhì)。
通常熒光燈管需要許多工序。首先管子中的液體汞進(jìn)行電加熱，至少使部分汞進(jìn)行蒸發(fā)，然后使電流通過汞蒸氣從而激發(fā)汞進(jìn)入等離子狀態(tài)，被激發(fā)的汞等離子體發(fā)出紫外線光，最后紫外線照射燈管中的磷，磷將紫外光能量轉(zhuǎn)換成可見光而發(fā)射出去。這種產(chǎn)生光的方法有不足之處。與通常的白熾鎢絲燈相比，因為汞必須被加熱成汞蒸氣，所以熒光燈啟動慢。而且因為眾所周知的變換器噪音，需要啟動鎮(zhèn)流器寄存電子，并且保持電流通過汞蒸氣。當(dāng)熒光燈較冷時，且第一次開啟，會出現(xiàn)光閃爍的情況，因此會吸引人們的注意力。而且熒光燈雖然與常用的弱光技術(shù)不相適應(yīng)，這種弱光技術(shù)為了調(diào)節(jié)光的輸出強(qiáng)度通常需要應(yīng)用較高外部電力的昂貴的弱光熒光燈。
I.Brodie在U.S.4818914中公開的一種燈，包括一個由尖針陣列構(gòu)成的陰極-就象在一個表面凸出的組織一樣，一個由小孔陣列構(gòu)成的加速電極，一個磷的覆蓋層和一個陽極。電壓加在陰極與加速極之間，同時也加在陰極和陽極之間，導(dǎo)致在陰極發(fā)射電子而在陽極收集電子。電子碰撞磷覆蓋層發(fā)出光。Dworsky等在U.S.5180951中公開了均勻光源，基本上是一個高晶體金剛石薄片電子發(fā)射器。Y-Taniguichi等人在WO 94/28571中公開的一種熒光管的光源，包括一層非晶體金剛石薄片放置在一個導(dǎo)電燈絲上，一個纏裹在燈絲上的陽極，和由發(fā)射電子碰撞而發(fā)光的薄片。非晶體金剛石薄片構(gòu)成了許多分布式的固定電子發(fā)射區(qū)域，每個子區(qū)域按不同的電子特性劃分成小區(qū)域。
本發(fā)明的目的是提供一個采用纖維狀的場發(fā)射單元的無汞熒光燈。
本發(fā)明的另一個目的是提供一個基本上瞬間開啟的熒光燈。
本發(fā)明的另外一個目的是提供一個低電壓低功率的背式燈。
發(fā)明概述為了達(dá)到上述目的，結(jié)合本發(fā)明的目的，這里對本發(fā)明的實施例進(jìn)行廣泛地描述。本發(fā)明提供一種照明裝置，包括一種纖維冷陰極電子發(fā)生器，這里所說的冷陰極纖維具有小于100微米的直徑，一種與纖維冷陰極發(fā)射器發(fā)射的電子相互作用的陽極，一種能夠與冷陰極發(fā)射器發(fā)射的電子相互作用而產(chǎn)生持續(xù)光的磷，一種小于10-5乇的真空裝置包含在裝有冷陰極發(fā)射器，陽極和磷的容器之內(nèi)，優(yōu)選的燈至少具有20lm/W的照度。
附圖簡述

圖1所示的是依據(jù)本發(fā)明照明裝置的加長管裝置；圖2所示的是依據(jù)本發(fā)明照明裝置的平板形裝置的炸開圖；圖3所示的是依據(jù)本發(fā)明照明裝置的球形裝置；圖4所示的是依據(jù)本發(fā)明照明裝置的光束產(chǎn)生裝置；圖5所示的是依據(jù)本發(fā)明照明裝置的測試裝置圖；圖6所示的是依據(jù)本發(fā)明照明裝置的驅(qū)動電路圖；圖7所示的是依據(jù)本發(fā)明照明裝置的標(biāo)準(zhǔn)燈插座的球形裝置。
詳述本發(fā)明涉及了場發(fā)射照明裝置和纖維場發(fā)射照明裝置(FFEL)。
本發(fā)明的照明裝置使用的是從磷中產(chǎn)生光的場發(fā)射，即陰極發(fā)光材料。
該場發(fā)射照明裝置包括一個纖維冷陰極場發(fā)射器。場發(fā)射電子發(fā)射材料可由任何纖維型材料提供。優(yōu)選地場發(fā)射電子發(fā)射纖維材料是金剛石、類金剛石碳或玻璃碳，金剛石是特別地優(yōu)選者。最優(yōu)選地，纖維陰極是由一個或更多個金剛石、類金剛石碳或玻璃碳合成纖維。金剛石、類金剛石碳或玻璃碳基本構(gòu)成了非金剛石的核心纖維。非金剛石核心可由導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料組成。一種選擇，核心可由非導(dǎo)體材料制成，再由導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料薄膜套纏裹。即，金剛石纖維內(nèi)的核心材料可以是導(dǎo)體碳、如石墨或金屬，如鎢，即也可以是硅、銅、鉬、鈦或硅碳化物。另一個實施方案為可由不復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成，如用導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料薄膜套纏裹的非導(dǎo)體材料，金剛石，類金剛石碳或玻璃碳層被套在罩上。例如，非導(dǎo)體核心可以是象尼龍，KEVLAR(KEVLAR是在E.I.dupontde Nomours and Company、Wilmington.DE市場注冊登記過的)這樣的人工制造纖維，或者是聚酰、無機(jī)材料，如陶瓷或玻璃。另一種實施方案是，金剛石、類金剛石碳或玻璃碳的早期產(chǎn)品可以套在非金剛石核心上，或者，核心可以是金剛石、類金剛石碳或玻璃碳早期產(chǎn)品，而金剛石、類金剛石碳或玻璃碳也可由早期產(chǎn)品的合適的處理方法形成。
尤其是，場發(fā)射照明裝置包括一個纖維冷陰極場發(fā)射器，此發(fā)射器在美國Valone 1994年2月14日申請的08/196,343號專利中有所描述，專利名稱是“金剛石-石墨場發(fā)射器”，或在美國Blanchet-Fincher 1995年2月13日申請的08/387,539號專利中有所描述，專利名稱是“金剛石纖維場發(fā)射器”，象這樣的描述在此引入作為參考。另外，冷陰極場發(fā)射器也可以是任何其它合適的發(fā)射纖維材料，例如，用強(qiáng)離子來曝光處理后的合適的石墨纖維、或者是由美國的Friedman提出的申請專利60/002,277中描述的用激光曝光處理后的合適的石墨纖維，60/002,277號專利是在1995年8月14日申請的，名稱是“控制領(lǐng)域的發(fā)射位置的產(chǎn)生方法”，或者金剛石套、類金剛石頸套LEVLAR纖維，此纖維在美國1995年2月13日申請的08/387,539號專利中有所描述；或者是含有玻璃碳的纖維，一個呈現(xiàn)在大約1380～1598cm-1Raman峰值的無定形材料等等。這里所采用的“類金剛石碳”名稱是指類金剛石碳材料、玻璃碳、含有極微小玻璃碳成分的碳。所有以上物質(zhì)在作為場發(fā)射材料時其性能都與類金剛石碳相似。
另外，纖維冷陰極通常可以是一個具有激活表面的導(dǎo)電材料，即在一個相對較低的電壓下可發(fā)射出電子表面，其具有合適的尺寸，即直徑通常大約小于100微米，優(yōu)選地大約小于15微米，更優(yōu)選的大約小于10微米。在合適的材料中，可以包括磁氧化物細(xì)纖維等等。其基于纖維處理的激活表面，例如快速加熱處理。
通常，每一個纖維陰極的纖維直徑大約小于100微米，優(yōu)選的大約小于15微米，更優(yōu)選的大約小于10微米。較小直徑的纖維將減少產(chǎn)生場發(fā)射的必要電壓，優(yōu)選的直徑超出1微米。通常，冷陰極的纖維直徑尺寸小于目前通常可使用的照明裝置內(nèi)的金屬燈絲。當(dāng)一個單獨的纖維可用作纖維陰極時，其用法更優(yōu)于提供過多的電子發(fā)射的纖維陰極的單個纖維。
用在本發(fā)明的照明裝置內(nèi)的磷由于被發(fā)射電子碰撞產(chǎn)生可見光，這種磷可有很多合適的種類。例如，磷可以被鋅氧化物鋅、硫化鋅、硫化鎘、鋅鎘硫化合物，鋅硒化合物、鋅鎘硒化合物、釔礬酸鹽化合物銫，鋅磷化合物磁鐵或其它已知的材料替代，可通過合適的激活發(fā)出光。磷的化合物也可被使用。
磷在本發(fā)明中的應(yīng)用，還可以產(chǎn)生持續(xù)光，即來自特殊磷點的光被激活后不會消弱。另外，激活磷的產(chǎn)物還可以產(chǎn)生一個至少不20lm/W的照度。
本發(fā)明的照明裝置包括纖維冷陰極場發(fā)射器、磷并設(shè)有一個為了從冷陰極場發(fā)射器內(nèi)發(fā)射電子引力的陰極，所有這些通常包括在一個真空裝置內(nèi)。不象一般的汞蒸氣熒光燈，本發(fā)明的照明裝置無須加熱汞形成等離子體便可打開。無須維持一個等離子體，光即可被本發(fā)明的照明裝置很容易地產(chǎn)生光，而且可以應(yīng)用纖維調(diào)節(jié)電壓容易地調(diào)節(jié)光的明暗度。當(dāng)使用較強(qiáng)的電壓時，較多的電子被發(fā)射去碰撞磷材料，結(jié)果就產(chǎn)生過多的光，即明亮的光。當(dāng)使用較小的電壓時，較少的電子被發(fā)射去碰撞磷材料，結(jié)果產(chǎn)生的光就減少，即昏暗的光。本發(fā)明照明裝置沒有必要的啟動電路，僅有一個整流電壓啟動電路和一個簡單的限流電路。這樣一個限流電路例如由一個與纖維冷陰極串聯(lián)的電阻/電感組成。
典型的真空裝置至少要保持一個大約10-5乇的最低壓力。例如，這樣一個清除裝置可以是一個大玻璃球，或者是一個夾有合適空間材料的多邊玻璃板。
本發(fā)明的照明裝置由具有一定方向和形狀應(yīng)用電場產(chǎn)生發(fā)射電子，這與使用產(chǎn)生非方向性光源的等離子體是不同的。這種發(fā)明允許本照明裝置實際的形狀結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)型的加長燈管沒有限制。無論照明裝置是什么形狀，從纖維陰極產(chǎn)生出來的發(fā)射電子都是沿著被使用纖維的長度發(fā)射的，而不是從纖維的頂端和末端發(fā)射出來。
本發(fā)明的一種實施方案，如圖1所示，一個燈10包括一個做為清除裝置的玻璃管12。玻璃管12的內(nèi)部或內(nèi)部表面涂一層透明的導(dǎo)體作為一個陽極、磷或陰極發(fā)光材料13。一個纖維陰極單元14，纖維場發(fā)射器，合適的玻璃管12。一個末端小帽16包括一個與纖維陰極14相連接的電極，以及透明導(dǎo)體覆蓋成的陽極，纖維陰極單元可以由一個單個的纖維組成，也可以包括多體纖維或較大的單個纖維。通常，單個纖維或叫獨立纖維可由直徑大約在1～20微米的多體纖維組成，優(yōu)選的大約在5～10微米。玻璃管可以象圖中所示的圓柱形，也可以是一個設(shè)定的表面形。
本發(fā)明的另一個實施方案，如圖2所示，燈20有一個具有一個平板22的平板設(shè)計，此平板20有一個纖維陰極單元排列在24上。透明的第二個平板26包括一個透明導(dǎo)體覆蓋層28，它在平板26的表面層上，面對陰極單元陣列24，一個磷的覆蓋層或陰極發(fā)光材料30在透明導(dǎo)體覆蓋層28上。一個較大面積平板26將平板22和平板26分離開，從而給纖維陰極單元陣列24提供一個真空裝置，透明導(dǎo)體覆蓋層28、磷或陰極發(fā)光材料30。導(dǎo)體電極與透明導(dǎo)體覆蓋層28和纖維陰極單元陣列24相連接。
本發(fā)明的另一個實施方案，如圖3所示，一個球形燈40包括一個玻璃球42，它有一個透明導(dǎo)體的內(nèi)覆蓋層，一個磷覆蓋層，或陰極發(fā)光材料46，一個纖維陰極單元48，纖維場發(fā)射器固定在玻璃球46上。導(dǎo)體與纖維陰極單元48和透明導(dǎo)體覆蓋層或陽極44相連接。纖維陰極單元48可以由一個單個纖維組成，也可以包括多體纖維。通常，單個纖維或叫做獨立纖維由直徑大約在1～20微米的多體纖維構(gòu)成，優(yōu)選的大約在5～10微米之間。
本發(fā)明的另一個實施方案，如圖4(a)和圖4(b)所示，一個燈50可以產(chǎn)生一束光輸出52，包括玻璃半球形支撐物54，此支撐物在反射體材料56的凹形內(nèi)表面、透明導(dǎo)體材料58、磷或陰極發(fā)光材料60上有一個覆蓋層。一個纖維陰極單元62、纖維場發(fā)射器被固定在玻璃半球體54上，導(dǎo)體與纖維陰極單元62和透明導(dǎo)體覆蓋層或陽極58相連接。玻璃支撐物54的形狀變化，更導(dǎo)致光束更加聚集。例如，拋物面支撐物可以完成這一變化。
圖5所示是一個簡單的測試裝置用于測試?yán)w維陰極場發(fā)射的變化，包括一個干凈的塑料，例如，Lucite塑料。管子70被末端小帽72和74加蓋住，以便形成一個真空裝置。末端小帽72包括一個與真空汞管相連接的通道76。懸掛在真空裝置內(nèi)的是一個覆蓋了磷或陰極發(fā)光材料80的巨大的銅屏幕網(wǎng)。一個纖維陰極單元82被固定在巨大銅屏幕網(wǎng)78內(nèi)。導(dǎo)體與纖維陰極單元82、銅屏幕網(wǎng)或相極78相連接。此測試裝置對確定大量纖維的發(fā)射一致性證明是有用的。
圖6所示的是用于本發(fā)明照明裝置的限流電路。限流電路90包括一個與發(fā)射纖維或纖維陰極單元96串連的電阻92和電感94。電源98通過鎮(zhèn)流器電路100與陽極102并與和陰極單元96串接的限流電路90相連接。
本發(fā)明的另一個實施方案，如圖7所示，燈120是一個螺旋式基座標(biāo)準(zhǔn)燈泡。玻璃球121的內(nèi)部表面覆蓋一層透明導(dǎo)體氧化物122、磷、或陰極發(fā)光材料123。一個纖維陰極場發(fā)射器包括一個場發(fā)射電子的發(fā)射纖維124，它被控制在球形范圍內(nèi)。纖維發(fā)射器被示意是三角形形狀，不能是其它形狀，例如，一個圓形或是一個多邊形。纖維發(fā)射器由非導(dǎo)電載體124支撐著。電子發(fā)射由箭頭126所示。螺旋式基座127基本上與標(biāo)準(zhǔn)白熾燈泡相同。
本發(fā)明的燈正常工作時，產(chǎn)生有效電子發(fā)射的陰極的耗電量是1.5瓦/英寸。通常，如果纖維陰極兩邊電壓至少是1500V時，每英寸發(fā)射電流至少在大約1毫安左右。
本發(fā)明在下面的例子中進(jìn)行更特別的描述，此例僅僅是用圖說明的。
實施例1圖5所示的是一個照明裝置的基本組成，使用了一個經(jīng)過單個強(qiáng)烈的離子束處理曝光的陰極纖維。碳纖維準(zhǔn)備如下。
取自石墨棒的未被處理過的石墨纖維(商業(yè)可用來自Hercules，Inc，Wilmington DE的IM7石墨)在一個框架上伸展開來，框架放在根據(jù)Rej等的技術(shù)(Rev.Sci Instrum.64(10)，2753-2760頁，1993年10月)產(chǎn)生的強(qiáng)離子束路徑之中，該電壓大約300kV，該框架到離子束中心的距離大約為6-18英尺。離子束的能量密度大約估計為2～10J/cm2，離子束的脈沖持續(xù)時間大約是1毫秒。一個脈沖后，其框架被旋轉(zhuǎn)(180°)，而纖維的另一面被暴露在強(qiáng)離子束的脈沖中。最后的纖維被測試，并表明它是優(yōu)秀的場發(fā)射電子發(fā)射器。
圖5所示的是與導(dǎo)體“A”相連接的纖維。鋅氧化物鋅磷化合物被覆蓋在銅網(wǎng)屏幕上?？赡艽蠹s為3.5kV不同的電壓加在陰極和陽極上，即導(dǎo)體“A”和“B”。2～3毫安的電流由一個一英寸(2.5cm)長的纖維上得到，并且伴隨有持續(xù)的光。并且得到大約10W/Inch(2.5cm)用于照明。
盡管本發(fā)明描述的相對來說較為詳細(xì)，并不打算把這種詳細(xì)說明被認(rèn)為是發(fā)明范圍的限制，除非某些相應(yīng)專利要求所包含的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種燈，包括含有一或多纖維的纖維冷陰極電子發(fā)射器，所謂纖維冷陰極含有的一或多纖維具有小于100微米的直徑；一陽極，其吸引由纖維冷陰極電子發(fā)射器發(fā)射的電子；一能夠通過與電子相互作用產(chǎn)生持續(xù)光的磷，電子是由纖維冷陰極發(fā)射器發(fā)射的；一小于10-5乇的真空裝置，其包含在裝有冷陰極電子發(fā)射器、陽極和磷的容器之內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所說的一或多纖維的直徑約為1～15微米。
3.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所說的纖維冷陰極電子發(fā)射器包括多于一種的纖維。
4.如權(quán)利要求3的燈，其特征在于，所說纖維的直徑約為1～15微米。
5.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所說的真空裝置是球形的。
6.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所說的真空裝置是半球形的。
7.如權(quán)利要求3的燈，其特征在于，所說的真空裝置是球形的。
8.如權(quán)利要求3的燈，其特征在于，所說的真空裝置是半球形的。
9.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所說的真空裝置是平板形的。
10.如權(quán)利要求3的燈，其特征在于，所說的真空裝置是平板形的。
11.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所說的真空裝置是圓柱形的。
12.如權(quán)利要求3的燈，其特征在于，所說的真空裝置是圓柱形的。
13.如權(quán)利要求1的燈，其特征在于，所說的裝置的特征在于是無汞的。
全文摘要
一照明裝置含有一纖維冷陰極場發(fā)射器,其中,所述冷陰極的纖維的直徑小于100微米,一陽極用于吸引從纖維冷陰極場發(fā)射器發(fā)出的電子,一磷容器用于與冷陰極場發(fā)射體發(fā)射的電子相接觸而提供持續(xù)光和一個小于10
文檔編號H01J63/06GK1199503SQ96197582
公開日1998年11月18日 申請日期1996年8月12日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月14日
發(fā)明者A·K·思扎爾斯, R·W·斯普林格爾 申請人:納幕爾杜邦公司, 加州大學(xué)評議會