專利名稱：陶瓷陰極放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及作為液晶顯示裝置中底光的小尺寸熒光放電燈，和/或在傳真機(jī)或掃描儀中用于閱讀的光源。
近來，由于低功耗、小尺寸和輕重量，液晶顯示裝置(LCD)發(fā)展得很快。因此小尺寸熒光放電燈發(fā)展成為液晶顯示的光源。類似地，由于它與白熾燈比較功耗低和壽命長(zhǎng)，所以適用于白熾燈插座的熒光燈發(fā)展起來。
熒光燈分為使用熱電子發(fā)射的電弧放電的熱陰極熒光放電燈和使用二次電子發(fā)射的輝光放電的冷陰極熒光放電燈。熱陰極熒光放電燈具有比冷陰極熒光放電燈低的陰極壓降和高的輸入功率光效率。此外，由于熱電子發(fā)射，與冷陰極放電燈對(duì)比而言，前者具有較高亮度。因此，熱電子放電燈適于用作提供大量光通量的光源，例如大型屏幕液晶顯示裝置中用作底光的光源，狀如白熾燈的熒光燈，在傳真機(jī)和掃描儀中供閱讀用的光源。在現(xiàn)有技術(shù)熱陰極燈中，已知的有一種熒光燈，其陰極是鎢(W)絲圈涂上一部分過渡金屬和包括鋇在內(nèi)的堿土金屬(公開的日本專利59-75553)，及其陰極具有用包括鋁化鋇在內(nèi)的電子發(fā)射材料浸漬的多孔鎢(公開的日本專利63-24539)。
由于液晶顯示裝置小而薄，所以燈本身必須薄。但是，在熱陰極燈中預(yù)熱是重要的，因此難于實(shí)現(xiàn)像冷陰極燈那樣的薄結(jié)構(gòu)。但公開的日本專利4-73858中所示的沒有預(yù)熱的薄結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是壽命短。
此外，由于放電運(yùn)行中產(chǎn)生的汞離子和/或氬離子與陰極和濺射電子發(fā)射材料碰撞而出現(xiàn)的離子濺射，陰極受到損傷。因此在放電運(yùn)行中電子發(fā)射材料消耗掉，不可能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)獲得穩(wěn)定電弧。此外，濺射電子發(fā)射材料沾附在管子的內(nèi)表面，使管子變黑，從而使光通量很快地減少。
本發(fā)明人曾提出過一種熒光燈，它具有日本專利公開6-103627中的陶瓷陰極，一個(gè)薄管和高亮度熱陰極熒光燈，該燈通過防止在公開的日本專利2-186550中的陶瓷陰極材料的濺射和蒸發(fā)而具有延長(zhǎng)的壽命，該燈的陶瓷陰極中如公開的日本專利4-43546和6-267404中那樣在起始時(shí)間內(nèi)容易從輝光放電過渡到電弧放電。
這些熱陰極電燈的優(yōu)點(diǎn)是容易從輝光放電過渡到電弧放電，壽命長(zhǎng)，但它仍不能滿足5-6千小時(shí)壽命的要求。
在這些現(xiàn)有技術(shù)的具有陶瓷陰極、內(nèi)徑為2.0mm、充以5乇壓力氬氣的熒光燈中，當(dāng)燈電流為15mA時(shí)平均壽命短至約1,000小時(shí)。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種熒光放電燈，其具有陶瓷陰極，自起始時(shí)間至壽命終結(jié)的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)具有優(yōu)質(zhì)放電起動(dòng)特性，薄管結(jié)構(gòu)，高亮度和長(zhǎng)壽命。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明提供一種熒光放電燈，其具有稀有氣體氬、氖、氪或氙或它們的混合物在封裝壓力10-170乇下的陶瓷陰極。
所述陶瓷陰極最好包含第一成分、第二成分和第三成分；其中第一成分包括鋇、鍶和鈣中至少一種，分別為氧化鋇、氧化鍶和氧化鈣的形式和x克分子比的量；第二成分包括鋯和鈦中至少一種，分別為二氧化鋯和二氧化鈦的形式和y克分子比的量；及第三成分包括鉭和鈮中至少一種，分別為(1/2)(Ta2O5)和(1/2)(Nb2O5)的形式和z克分子的量；其中0.8≤x/(y+z)≤2.0，0.05≤y≤0.6，及0.4≤z≤0.95，以及所述陰極具有粒狀顆粒的形式，顆粒表面具有鉭或鈮的碳化物和氮化物中至少一種，其直徑為20μm-300μm，安裝于導(dǎo)電外殼內(nèi)。
本熒光放電燈具有如下優(yōu)點(diǎn)即使在燈的內(nèi)徑小和運(yùn)行溫度高的情況下，電子發(fā)射材料也不會(huì)飛濺或揮發(fā)；自起始時(shí)間至壽命終結(jié)時(shí)間內(nèi)具有優(yōu)良放電起始特性；高亮度；及長(zhǎng)壽命。


圖1A顯示使用本發(fā)明的放電燈的結(jié)構(gòu)，圖1B顯示其中目前的放電燈用作液晶顯示裝置中的底光的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖1C和1D顯示本發(fā)明的放電燈兩端的放大視圖，圖1E顯示具有多孔聚集形式的陶瓷陰極安裝電子發(fā)射材料的結(jié)構(gòu)，圖2至14顯示燈的封裝壓力和壽命和亮度間的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
圖15顯示氬的封裝壓力和電弧放電壽命間的關(guān)系，圖16顯示氬的封裝壓力和燈表面亮度間的關(guān)系，圖17顯示燈電流和電弧放電壽命間的關(guān)系，圖18顯示電子發(fā)射材料和一個(gè)陶瓷陰極的生產(chǎn)步驟，以及圖19顯示陶瓷陰極中粒狀顆粒的平均直徑與燈的壽命t1間的關(guān)系。
1.放電燈的一般說明圖1A至1E顯示一種使用本發(fā)明的放電燈。
圖1A顯示一個(gè)放電燈30，它具有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燈泡4，其兩端各有一個(gè)陶瓷電極1。陰極1通過一條引線自外部電路接收交變電壓(例如30KHz)，然后燈泡中的稀有氣體離子轟擊陶瓷陰極(粒狀顆粒)以產(chǎn)生熱量和發(fā)射熱電子，從而在放電空間50中產(chǎn)生放電及使涂于燈泡4內(nèi)的熒光物質(zhì)發(fā)光。發(fā)出的光107通過燈泡4的壁射出。
圖1B顯示圖1A的放電燈用作液晶顯示裝置的底光時(shí)的結(jié)構(gòu)。
燈30有一反光器104。燈30的光進(jìn)入光導(dǎo)105，該光導(dǎo)105具有一個(gè)將光反射向圖中上方的反光器106。所反射的光由分布器108加以均勻分布，從而產(chǎn)生輸出光110。輸出光110用于照明液晶顯示裝置的后面。
圖1B顯示的情況是在光導(dǎo)的一端有一盞燈。另一可選方案是在光導(dǎo)的兩端都各有一盞燈。
圖1C和1D顯示放電燈兩端中一端的放大視圖，及圖1E顯示陶瓷陰極1的放大視圖，該陰極1具有一個(gè)有底的圓柱形陰極外殼2，其中含有聚集多孔物質(zhì)3。在這些圖中，數(shù)字4是一個(gè)由細(xì)長(zhǎng)的玻璃管制成的燈泡。管的內(nèi)表面用熒光物質(zhì)涂上。一條導(dǎo)電引線9連至燈泡4的端部。
引線9具有一個(gè)擴(kuò)大的空間10，由伸向放電空間的導(dǎo)電管6所包圍。導(dǎo)電管6具有一個(gè)陶瓷陰極1，所述陶瓷陰極1的開口部分面向放電空間。因此陶瓷陰極1通過導(dǎo)電管6固定至引線9上。此外，在導(dǎo)電管6中有一個(gè)放置于所述擴(kuò)大空間10和所述陶瓷陰極1之間的具有汞釋放器8的金屬管7。
導(dǎo)電管6中的汞釋放器8具有眾多縫隙或開口11以使汞釋放器8中的汞蒸氣通過所述開口11進(jìn)入放電空間。
帶底的圓柱形電極外殼2最好由與陶瓷陰極中電子發(fā)射材料相近的材料制成，以便電子發(fā)射材料與電極外殼2緊密接觸。
電極外殼2的尺寸例如是內(nèi)徑0.9mm，外徑1.4mm和長(zhǎng)度2.0mm，或者內(nèi)徑1.5mm，外徑2.3mm和長(zhǎng)度2.0mm。
燈泡4充以氬氣，氣壓約為70乇以供燈起弧。
2.放電氣體和壓力表1至13顯示當(dāng)氬、氖、氪、氙或這些氣體的混合物用于將燈起動(dòng)放電時(shí)在每一種氣體壓力下電弧放電壽命和燈表面亮度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)所用燈的外徑為4mm、內(nèi)徑為3mm、長(zhǎng)度為100mm，使用其色品度為x＝0.3和y＝0.3的三種波長(zhǎng)型熒光物質(zhì)。該陶瓷陰極具有的導(dǎo)電外殼的內(nèi)徑為1.5mm，外徑為2.3mm，長(zhǎng)度為2.0mm，內(nèi)充以電子發(fā)射材料。
實(shí)驗(yàn)中所用電子發(fā)射材料是將在下面描述的表14中的樣品18。
實(shí)驗(yàn)中的電源為30KHz和80伏的交變電壓，而燈電流為30mA。
表1至4和圖2至5所顯示的例子中所用氣體為純氬，純氖，純氪，純氙。
表5至10和圖6至11所顯示的例子中所用氣體為氬(50％)和氖(50％)的混合物，氬(50％)和氪(50％)的混合物，
氬(50％)和氙(50％)的混合物，氖(50％)和氪(50％)的混合物，氖(50％)和氙(50％)的混合物，氪(50％)和氙(50％)的混合物。
表11至13和圖12至14所顯示的例子中所用氣體為氬(90％)和氖(10％)的混合物，氬(10％)和氖(90％)的混合物，氬(40％)和氖(20％)和氪(20％)和氙(20％)的混合物。
實(shí)驗(yàn)中的氣壓為5，10，20，30，50，70，90，110，130，150，170和200乇。
表1至13中的信息分別示于圖2至14中。在這些圖中橫軸顯示氣壓(乇)，及縱軸顯示燈的壽命(小時(shí))或亮度(cd/m2)。
表1純氬Ar樣品號(hào) 氣壓(Torr)壽命(小時(shí))亮度(cd/m2)*1 5*1500 380002 10 4200 390003 20 6200 400004 30 7000 415005 50 7700 430006 70 8500 450007 90 8200 460008 110 8100 455009 130 7800 4350010 150 7500 4180011 170 7400 4090012 200 6600*36900表2純氖Ne樣品號(hào)氣壓(Torr) 壽命(小時(shí))亮度(cd/m2)*13 5*800*3550014 10 3500 3800015 20 4200 3850016 30 5200 3920017 50 5700 3990018 70 6500 4110019 90 6600 4200020 110 6400 3950021 130 6200 3870022 150 6000 3850023 170 5700 3810024 200 4200*34500
表3純氪Kr樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí))亮度(cd/m2)*25 5*10003820026 10 4000 3900027 20 5500 4000028 30 6200 4180029 50 7000 4400030 70 8100 4500031 90 8000 4350032 110 7700 4250033 130 7500 4200034 150 7300 4120035 170 7000 40000*36200 5100*36000表4純氙Xe樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí))亮度(cd/m2)*37 5*16003850038 10 3800 3930039 20 5800 4080040 30 6500 4260041 50 7500 4450042 70 7700 4450043 90 7400 4300044 110 7100 4250045 130 7000 4200046 150 6700 4120047 170 6600 40500*48200 4900*37100
表5氬Ar(50％)和氖Ne(50％)樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí)) 亮度(cd/m2)*49 5*1200*3600050 10 39003900051 20 57003950052 30 65004020053 50 75004100054 70 83004200055 90 80004150056 110 78004050057 130 76004000058 150 74003880059 170 720038300*60 200 6700*36300表6氬Ar(50％)和氪Kr(50％)樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí)) 亮度(cd/m2)*61 5*1300 3850062 10 41003930063 20 59004120064 30 68004210065 50 75004350066 70 76004180067 90 75004120068 11073003980069 13072003950070 15071003930071 170690038700*72 2006000*37400
表7氬Ar(50％)和氙Xe(50％)樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí)) 亮度(cd/m2)*73 5*1800 3850074 10 4300 3900075 20 6500 4050076 30 7200 4180077 50 7800 4300078 70 7400 4250079 90 7500 4200080 110 7200 4170081 130 7200 4150082 150 7100 4080083 170 7000 40000*84 200 6300*37500表8氖Ne(50％)和氪Kr(50％)樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí)) 亮度(cd/m2)*85 5*1300*3690086 10 32003950087 20 42004100088 30 48004200089 50 57004320090 70 69004330091 90 78004300092 110 77004220093 130 72004110094 150 69003980095 170 660038800*96 200 6200*36900
表9氖Ne(50％)和氙Xe(50％)樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí)) 亮度(cd/m2)*97 5*1700*3720098 10 3700 3900099 20 4800 4150010030 5450 4200010150 6200 4280010270 7600 4290010390 7500 42600104110 7200 42000105130 6900 41400106150 6800 40300107170 6400 38900*108 200 5900*36800表10氪Kr(50％)和氙Xe(50％)樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí)) 亮度(cd/m2)*1095*1400*3720011010 3600 3820011120 4900 4080011230 5700 4210011350 6900 4350011470 7800 4340011590 7700 42300116110 7500 41500117130 7100 40700118150 6600 39800119170 6200 39000*120 200 5200*37200
表11氬Ar(90％)和氖Ne(10％)樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí))亮度(cd/m2)*1215*1300*3750012210 4000 3860012320 5000 4070012430 6100 4220012550 7500 4350012670 8400 4500012790 8200 445001281108000 440001291307700 435001301507400 420001311707200 41000*132 2006000*37500表12氬Ar(10％)和氖Ne(90％)樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí)) 亮度(cd/m2)*1335*900*3550013410 3200 3810013520 4200 3840013630 5250 3950013750 5850 4090013870 6700 4220013990 6900 420001401106500 410001411306400 400001421506200 387001431705900 38000*144 2004200*36900
表13氬Ar(40％)，氖Ne(20％)，氪Kr(20％)和氙Xe(20％)樣品號(hào) 氣壓(Torr) 壽命(小時(shí)) 亮度(cd/m2)*1455*1600*3850014610 3900 3910014720 5200 4030014830 6500 4150014950 8000 4320015070 7900 4300015190 7500 425001521107500 420001531307300 417001541507000 413001551706900 40800*156 2006300*37800
在這些表中，帶有符號(hào)(*)的樣品不在本發(fā)明范圍之內(nèi)，及帶有符號(hào)(*)的數(shù)據(jù)也不包括在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
電弧放電壽命定義為燈不能保持電弧放電而轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電之前燈在上述條件下連續(xù)放電的時(shí)間，燈表面亮度以cd/m2表示，這是單位強(qiáng)度。
本發(fā)明的數(shù)字限制為電弧放電壽命長(zhǎng)于2000小時(shí)及亮度高于38000cd/m2。因此其電弧放電壽命小于2000小時(shí)或其亮度小于38000cd/m2的樣品不在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
因此，當(dāng)氬是100％(純氬)時(shí)，由于其電弧放電壽命的原因，樣品1(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品12(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
當(dāng)氖是100％時(shí)，由于其電弧放電壽命和亮度的原因，樣品13(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品24(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
當(dāng)氪是100％時(shí)，由于其電弧放電壽命的原因，樣品25(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品36(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
當(dāng)氙是100％時(shí)，由于其電弧放電壽命的原因，樣品37(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品48(200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
對(duì)氬(50％)和氖(50％)的混合物而言，由于其電弧放電壽命和亮度的原因，樣品49(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品60(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
對(duì)氬(50％)和氪(50％)的混合物而言，由于其電弧放電壽命的原因，樣品61(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品72(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
對(duì)氬(50％)和氙(50％)的混合物而言，由于其電弧放電壽命的原因，樣品73(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品84(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
對(duì)氖(50％)和氪(50％)的混合物而言，由于其電弧放電壽命和亮度的原因，樣品85(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品96(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
對(duì)氖(50％)和氙(50％)的混合物而言，由于其電弧放電壽命和亮度的原因，樣品97(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品108(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
對(duì)氪(50％)和氙(50％)的混合物而言，由于其電弧放電壽命和亮度的原因，樣品109(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品120(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
對(duì)氬(90％)和氖(10％)的混合物而言，由于其電弧放電壽命和亮度的原因，樣品121(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品132(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
對(duì)氬(10％)和氖(90％)的混合物而言，由于其電弧放電壽命的原因，樣品133(氣壓為5乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品144(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
對(duì)氬(40％)，氖(20％)，氪(20％)和氙(20％)的混合物而言，由于其電弧放電壽命的原因，樣品145不在本發(fā)明范圍內(nèi)，及由于其亮度的原因，樣品156(氣壓為200乇)不在本發(fā)明范圍內(nèi)。
氣壓范圍為10乇至170乇的其它樣品都在本發(fā)明范圍內(nèi)。
本發(fā)明的效果描述于圖15至圖17，其中氬用作燈的放電起始?xì)怏w。
圖15顯示氬氣密封氣壓(乇)與電弧放電壽命之間的關(guān)系曲線，其中密封氣壓用橫軸表示，其范圍為5乇至200乇(曲線(a))。圖15中的虛線(b)顯示的關(guān)系曲線是當(dāng)鎢(W)燈絲用作熒光放電燈中陰極時(shí)的情況。
圖16顯示在橫軸上表示的氬氣密封氣壓(乇)與表面亮度的關(guān)系曲線。
圖17顯示當(dāng)氬氣密封氣壓保持為90乇時(shí)燈電流(橫軸)與電弧放電壽命的關(guān)系曲線。
如圖17中所示，當(dāng)燈電流處于10mA至50mA的范圍內(nèi)時(shí)，電弧放電壽命長(zhǎng)于7000小時(shí)。相反，當(dāng)如圖17中虛線曲線所示，陰極由鎢絲制成時(shí)，電弧放電壽命較短，它在燈電流30mA時(shí)為4000小時(shí)，在燈電流20mA時(shí)為6000小時(shí)，只在燈電流10mA時(shí)才和本發(fā)明相同。
3.陶瓷陰極的結(jié)構(gòu)圖18中描述了陶瓷陰極的生產(chǎn)步驟，生產(chǎn)步驟本身與普通陶瓷的生產(chǎn)步驟相同。
要準(zhǔn)備如下起始材料。
(1)第一成分包括以鋇、鍶和鈣的碳酸鹽形式出現(xiàn)的BaCO3、SrCO3和CaCO3。
(2)第二成分包括鋯和鈦的氧化物ZrO2和TiO2。
(3)第三成分包括鉭和鈮的氧化物Ta2O5和Nb2O5。
上述元素的其它氧化物、碳酸鹽、和/或草酸鹽也可使用。
(4)所述起始材料(1)、(2)和(3)按預(yù)定混合比例稱重量。
(5)這些稱過的起始材料用球磨、研磨或共沉淀的方法混合起來。接著通過熱干燥過程或冷凍干燥過程使它們干燥。
(6)這些混合的材料在800℃-1300℃溫度下焙燒，可用粉狀材料也可用成形材料進(jìn)行焙燒。
(7)焙燒的材料用球磨機(jī)研成細(xì)粉。
(8)所述細(xì)粉使用水溶液加工成粒狀顆粒，所用水溶液包括例如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙二醇(PEG)、或聚乙烯氧化物(PEO)那樣的有機(jī)粘合劑。例如，可通過噴射干燥法，擠壓顆粒法，旋轉(zhuǎn)顆粒法，或砂漿/搗錘法實(shí)現(xiàn)該過程，當(dāng)然，制做粒狀顆粒的過程不限于上述方法。
(9)將加工成的粒狀顆粒在不加壓情況下填入具有一個(gè)底的圓柱表電極外殼，該外殼由類似于Ba(Zr，Ta)O3的半導(dǎo)體陶瓷制成，它具有高熔點(diǎn)并能經(jīng)受濺射。
(10)填充了粒狀顆粒的電極外殼在1400℃-2000℃溫度下燒結(jié)。燒結(jié)操作時(shí)的周圍氣體為如氬或一氧化碳的還原性氣體，如氬或氮的惰性氣體，或者還原性氣體和惰性氣體的混合物。在電子發(fā)射表面有碳覆蓋時(shí)，最好用如氬或一氧化碳的還原性氣體。
(11)作為燒結(jié)操作的結(jié)果，獲得圖1E中所示陶瓷陰極1，它的帶底的圓柱形電極外殼內(nèi)具有Ba(Zr，Ta)O3的聚集型多孔結(jié)構(gòu)3。
如燒結(jié)溫度低于1400℃，則不會(huì)產(chǎn)生鉭和鈮的碳酸鹽、氮化物和氧化物中的一種的導(dǎo)電面或半導(dǎo)電面。如燒結(jié)溫度高于2000℃，則電子發(fā)射材料不能保持如圖1E所示的粒狀顆粒。
因此，燒結(jié)溫度最好在1400℃至2000℃的范圍內(nèi)。
上面敘述中的聚集型多孔結(jié)構(gòu)定義為通過燒結(jié)和固化過程形成的其中固體顆粒在接觸點(diǎn)上相互接觸的多孔結(jié)構(gòu)，例如燒結(jié)金屬或高溫耐熱磚那樣。
可以通過真空蒸發(fā)過程將一層導(dǎo)電層和半導(dǎo)電層涂覆在燒結(jié)的聚集型多孔結(jié)構(gòu)的表面上。
在上述過程中，通過在還原氣氛下的燒結(jié)操作或真空蒸發(fā)操作，在聚集型多孔結(jié)構(gòu)的表面上形成由鉭和鈮的碳酸鹽、氮化物和氧化物中的至少一種所制成的導(dǎo)電層或半導(dǎo)電層。
電子發(fā)射材料表面上產(chǎn)生的物相包括鉭和鈮的碳酸鹽、氮化物和氧化物中的至少一種，或者另一替代方案是，它可以是這些元素的固體溶解物。
根據(jù)本發(fā)明，電子發(fā)射材料包括直徑范圍為20μm至300μm，其表面用鉭和鈮的碳酸鹽和氮化物中至少一種涂覆的粒狀顆粒，所述顆粒包括第一成分、第二成分和第三成分；其中第一成分具有鋇、鍶和鈣中至少一種，分別為氧化鋇、氧化鍶和氧化鈣的形式和x克分子比的量；第二成分具有鋯和鈦中至少一種，分別為二氧化鋯和二氧化鈦的形式和y克分子比的量；及第三成分具有鉭和鈮中至少一種、分別為(1/2)(Ta2O5)和(1/2)(Nb2O5)的形式和z克分子比的量，其中滿足以下條件0.8≤x/(y+z)≤2.0，0.05≤y≤0.6，及0.4≤z≤0.95。(涉及陶瓷陰極成分的實(shí)驗(yàn))起始材料為BaCO3，SrCO3，CaCO3，ZrO2，TiO2，Ta2O5和Nb2O5。這些起始材料按預(yù)定比例稱重量，并在20小時(shí)內(nèi)通過球磨進(jìn)行濕混合。然后該產(chǎn)物在80-130℃下干燥，并在約100MPa的成形壓力下成形。其次，在大氣壓力下和800-1300℃溫度下焙燒兩小時(shí)。所得顆粒用球磨精細(xì)研磨20小時(shí)，在80-130℃下干燥，然后加進(jìn)包含聚乙烯醇的水溶液以便使用杵和白生產(chǎn)粒狀顆粒。如此獲得的粒狀顆粒用篩子加以分類，以獲取平均直徑約90μm的顆粒。接著由Ba-Ta-Zr-O的組的材料制成的帶底圓柱形陶瓷外殼中在不加壓情況下填入如此獲得的粒狀顆粒，及將碳粉加入所述外殼。最后，帶有顆粒的外殼在氮?dú)饬鳝h(huán)境中燒結(jié)，從而獲得具有表14至表17中所示成分的陶瓷陰極。
因此產(chǎn)生了使用陶瓷陰極的熒光燈，及對(duì)一盞燈進(jìn)行連續(xù)點(diǎn)燃試驗(yàn)。
下面對(duì)熒光燈的連續(xù)點(diǎn)燃試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)熒光燈用作液晶顯示裝置中的底光光源時(shí)，不論它是直接在下型還是邊緣照明型，燈壁溫度最好低于90℃。當(dāng)溫度超過90℃時(shí)，包括反光器、配光器、光導(dǎo)的底光元件很快地變壞，因此這情況不實(shí)用。
因此燈電壓和所耗功率隨點(diǎn)燈小時(shí)增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，所以熒光燈的壁面溫度也隨點(diǎn)燈小時(shí)增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。壁面溫度到達(dá)90℃的時(shí)刻t1被測(cè)量以用作燈壽命的判別準(zhǔn)則，以供連續(xù)點(diǎn)燃試驗(yàn)評(píng)價(jià)用。
用如下方式測(cè)量燈的壁面溫工。我們先使用一個(gè)紅外輻射型溫度記錄計(jì)測(cè)量燈的溫度分布，發(fā)現(xiàn)燈管端部附近溫度最高。因此將一個(gè)K熱電偶直接固定在燈管端附近的部分12上面(圖1C)，并在溫度保持在25℃的房間內(nèi)測(cè)量燈的壁面溫度。
連續(xù)點(diǎn)燃試驗(yàn)情況如下。
燈長(zhǎng)度100mm燈外部直徑3mmφ
燈電流15mA變流器30Khz(無預(yù)熱電路)
表14樣品號(hào)樣品成分(克分子比) t1備注BaO ZrO2(1/2)Ta2O5(小時(shí))*1 0.5 0.50.5 900 發(fā)射材料不足*2 0.7 0.05 0.95 1000發(fā)射材料不足*3 0.7 0.10.9 1200發(fā)射材料不足*4 0.7 0.20.8 1400發(fā)射材料不足*5 0.7 0.40.6 1200發(fā)射材料不足*6 0.7 0.60.4 1200發(fā)射材料不足*7 0.8 0.025 0.975 700 顆粒被破壞8 0.8 0.05 0.95 29009 0.8 0.10.9 3100100.8 0.40.6 2900110.8 0.60.4 2700*120.8 0.80.2 900 無碳酸鹽，無氮化物130.9 0.10.9 4100140.9 0.40.6 3900*151 0.025 0.975 500 顆粒被破壞161 0.05 0.95 3200171 0.10.9 4300181 0.20.8 5000191 0.30.7 4500201 0.40.6 4200*211 0.70.3 1500無碳酸鹽，無氮化物*221 0.80.2 1200無碳酸鹽，無氮化物*231 0.95 0.05 300 無碳酸鹽，無氮化物241.2 0.10.9 4100251.2 0.20.8 4400*261.2 0.625 0.375 1500無碳酸鹽，無氮化物*271.4 0.025 0.975 500 顆粒被破壞281.4 0.10.9 3900291.4 0.20.8 4800301.4 0.30.7 4400311.5 0.10.9 4000321.5 0.40.6 3800*331.6 0.025 0.975 600 顆粒被破壞341.6 0.05 0.95 2700351.6 0.1 0.93500361.6 0.4 0.63600371.6 0.6 0.42900381.7 0.5 0.52600*391.7 0.9 0.1300 無碳酸鹽，無氮化物*402 0.025 0.975 300 顆粒被破壞412 0.05 0.95 2100422 0.2 0.82600432 0.4 0.62500442 0.6 0.42100*452.5 0.1 0.92400管壁變黑*462.5 0.4 0.6300 管壁變黑*樣品不在本發(fā)明范圍內(nèi)t1＝在連續(xù)點(diǎn)燃試驗(yàn)中管壁溫度到達(dá)90℃的時(shí)刻當(dāng)管壁嚴(yán)重變黑時(shí)，亮度減低，則該燈不能使用。
表15樣品號(hào)樣品成分(克分子比)t1備注BaO SrO CaO ZrO2(1/2)(Ta2O5)(小時(shí))*47 0 0.7 0 0.1 0.9 1300發(fā)射不足*48 0 0 0.7 0.1 0.9 1100發(fā)射不足*49 0.233 0.233 0.233 0.1 0.9 1000發(fā)射不足50 0 0.8 0 0.05 0.95 240051 0 0.8 0 0.6 0.4 250052 0 0 0.8 0.05 0.95 240053 0 0 0.8 0.6 0.4 240054 0.267 0.267 0.267 0.05 0.95 310055 0.267 0.267 0.267 0.6 0.4 300056 0 0.9 0 0.1 0.9 410057 0 0.9 0 0.4 0.6 390058 0 0 0.9 0.1 0.9 370059 0 0 0.9 0.4 0.6 360060 0.30.3 0.3 0.1 0.9 380061 0.30.3 0.3 0.4 0.6 420062 0 1 0 0.2 0.8 5000*63 0 1 0 0.95 0.05 200 無碳酸鹽，無氮化物64 0 0 1 0.2 0.8 5000*65 0 0 1 0.95 0.05 300 無碳酸鹽，無氮化物66 0.333 0.333 0.333 0.2 0.8 5000*67 0.333 0.333 0.333 0.95 0.05 20 無碳酸鹽，無氮化物68 0 1.5 0 0.1 0.9 410069 0 1.5 0 0.4 0.6 370070 0 0 1.5 0.1 0.9 350071 0 0 1.5 0.4 0.6 370072 0.50.5 0.5 0.1 0.9 450073 0.50.5 0.5 0.4 0.6 3700*74 0 1.6 0 0.025 0.975 500 顆粒被破壞75 0 1.6 0 0.05 0.95 260076 0 1.6 0 0.6 0.4 2600*77 0 0 1.60.025 0.975 500 顆粒被破壞78 0 0 1.60.05 0.95 270079 0 0 1.60.60.4 2500*80 0.533 0.533 0.533 0.025 0.975 800 顆粒被破壞82 0.533 0.533 0.533 0.05 0.95 250082 0.533 0.533 0.533 0.60.4 3200*83 0 2.50 0.10.9 2200 管壁變黑*84 0 0 2.50.10.9 2200 管壁變黑*85 0.833 0.833 0.833 0.10.9 2300 管壁變黑*樣品不在本發(fā)明范圍內(nèi)t1＝連續(xù)點(diǎn)燃試驗(yàn)中管壁溫度到達(dá)90℃的時(shí)刻當(dāng)管壁嚴(yán)重變黑時(shí)，亮度減低，則該燈不能使用。
表16樣品號(hào)樣品成分(克分子比) t1備注BaO ZrO2TiO2(1/2)(Ta2O5)(小時(shí))*86 0.7 0.05 0.05 0.9 1500 發(fā)射不足87 0.8 0.025 0.0250.95 230088 0.8 0.30.3 0.4 230089 0.9 0.05 0.05 0.9 370090 0.9 0.20.2 0.6 380091 1 0.10.1 0.8 5000*92 1 0.475 0.4750.05 50 無碳酸鹽，無氮化物93 1.5 0.05 0.05 0.9 400094 1.5 0.20.2 0.6 4200*95 1.6 0.013 0.0130.974120顆粒被破壞96 1.6 0.025 0.0250.95 220097 1.6 0.30.3 0.4 2200*98 2.5 0.05 0.05 0.9 1800 管壁變黑表17樣品號(hào)樣品成分(克分子比) t1(小時(shí)) 備注BaO ZrO2(1/2)(Ta2O5)(1/2)(Nb2O5)*99 0.7 0.1 0 0.9 1300 發(fā)射不足*100 0.7 0.1 0.450.45 1200 發(fā)射不足101 0.8 0.05 0 0.95 2300102 0.8 0.6 0 0.4 2400103 0.8 0.05 0.425 0.4252700104 0.8 0.6 0.2 0.2 2500105 0.9 0.1 0 0.9 3700106 0.9 0.4 0 0.6 3500107 0.9 0.1 0.450.45 4000108 0.9 0.4 0.3 0.3 4200109 10.2 0 0.8 4900110 10.2 0.4 0.4 5000*111 10.95 0 0.05 120無碳酸鹽，無氮化物*112 10.95 0.025 0.025100無碳酸鹽，無氮化物113 1.5 0.1 0 0.9 3500114 1.5 0.1 0.450.45 4300115 1.5 0.4 0 0.6 3600116 1.5 0.4 0.3 0.3 4000*117 1.6 0.025 0 0.975400顆粒被破壞*118 1.6 0.025 0.478 0.4875 700顆粒被破壞119 1.6 0.05 0 0.95 2300120 1.6 0.05 0.425 0.4252900121 1.6 0.6 0 0.4 2400122 1.6 0.6 0.2 0.2 2800*123 2.5 0.1 0 0.9 2000 管壁變黑*124 2.5 0.1 0.450.45 2000 管壁變黑t1＝連續(xù)點(diǎn)燃試驗(yàn)中管壁溫度到達(dá)90℃的時(shí)刻當(dāng)管壁嚴(yán)重變黑時(shí)，亮度減低，則該燈不能使用。
樣品12、21、22、23、26、39、63、65、67、92、111和112的壽命t1小于1500小時(shí)。我們用微區(qū)域x射線衍射分析儀和SEM(掃描電子顯微鏡)觀察這些樣品的陶瓷陰極表面，發(fā)現(xiàn)沒有鉭和鈮的碳酸鹽或氮化物的物相。因此，假定陶瓷陰極材料被離子濺射很快地弄壞了。由于這些樣品的壽命t1短，所以它們不適于實(shí)際應(yīng)用。
樣品7、15、27、33、40、74、77、80、95、117和118的壽命t1小于800小時(shí)。這些樣品不能通過在還原氣氛下的燒結(jié)保持顆粒狀態(tài)，因此，沒有儲(chǔ)存熱量用于形成弧點(diǎn)。放電是不穩(wěn)定的，這些樣品壽命t1短，因此不實(shí)用。
樣品1、2、3、4、5、6、47、48、49、86、99和100具有短壽命t1，因?yàn)樗鼈內(nèi)鄙匐娮影l(fā)射材料BaO、SrO、和/或CaO，因此不實(shí)用。此外，樣品45、46、83、84、85、98、123和124的缺點(diǎn)是管壁變黑以致表面亮度減低和光通量減低。因此這些樣品不實(shí)用。
至于樣品8-11、13、14、16-20、24、25、28-32、34-38、41-44、50-62、64、66、68-73、75、76、78、79、81、82、87-91、93、94、96、97、101-110、113-116和119-122，我們用微區(qū)域x射線衍射分析儀和SEM觀察陶瓷陰極表面，觀察到鉭和鈮的碳酸鹽和氮化物中至少一種。同時(shí)觀察到這些樣品的陰極材料保持顆粒狀態(tài)。
因此，樣品8-11、13、14、16-20、24、25、28-32、34-38、41-44、50-62、64、66、68-73、75、76、78、79、81、82、87-91、93、94、96、97、101-110、113-116和119-122保持顆粒狀態(tài)和在通過在還原氣氛下燒結(jié)所形成的陰極表面上形成了鉭和鈮的碳酸鹽和氮化物中的一種。同時(shí)壽命t1長(zhǎng)于2100小時(shí)，而且管壁不變黑。因此這些樣品適合于用作陶瓷陰極。(管電流和平均顆粒直徑的關(guān)系)生產(chǎn)一個(gè)使用根據(jù)本發(fā)明的陰極的熒光燈，并在管電流和平均顆粒直徑的不同參數(shù)下觀察一系列形成電弧點(diǎn)的顆粒。其結(jié)果示于表18中。用于試驗(yàn)的樣品是表14中的樣品18。使用Keyence公司制造的Hyper顯微鏡將顆粒數(shù)計(jì)數(shù)。
當(dāng)形成電弧點(diǎn)的顆粒數(shù)為1時(shí)，這意味著電弧點(diǎn)尺寸近似地與平均顆粒直徑符合，電弧點(diǎn)不移動(dòng)，這是最穩(wěn)定的。用于保持穩(wěn)定電弧放電的管電流在5mA-500mA范圍內(nèi)。在表18中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均顆粒直徑在20μm至300μm范圍內(nèi)時(shí)，形成穩(wěn)定電弧點(diǎn)，放電持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)管電流如上描述而平均顆粒直徑小于20μm時(shí)，電弧點(diǎn)很快地移動(dòng)，同時(shí)放電不穩(wěn)定，以及當(dāng)平均顆粒直徑大于300μm時(shí)，沒有足夠的用于獲得熱電子發(fā)射所需熱量，因此它趨向于轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電。在表18中，不穩(wěn)定放電定義為五分鐘內(nèi)電弧點(diǎn)移動(dòng)，穩(wěn)定放電定義為至少10小時(shí)內(nèi)電弧點(diǎn)不穩(wěn)定，以及輝光放電定義為沒有形成電弧點(diǎn)，但整個(gè)陰極都放電。
表18管電流(mA)5.015 30 50 100 300500平均顆粒直徑 10不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定(μm) 203-4 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定301-2 2-3 3-4 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定501(穩(wěn)定) 1-2 3-4 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定70一部分顆粒 1(穩(wěn)定) 1-2 2-3 3-4 不穩(wěn)定 不穩(wěn)定100 一部分顆粒 一部分顆粒 1(穩(wěn)定) 1-2 3-4 3-4 不穩(wěn)定150 輝光放電一部分顆粒 一部分顆粒 1(穩(wěn)定) 1-2 2-3 2-3200 輝光放電輝光放電一部分顆粒 一部分顆粒 1(穩(wěn)定) 1-2 1-2300 輝光放電輝光放電輝光放電輝光放電一部分顆粒 1(穩(wěn)定) 1(穩(wěn)定)500 輝光放電輝光放電輝光放電輝光放電輝光放電一部分顆粒 一部分顆粒不穩(wěn)定電弧點(diǎn)在五分鐘內(nèi)移動(dòng)穩(wěn)定電弧點(diǎn)在至少10小時(shí)內(nèi)不移動(dòng)輝光放電不生成電弧點(diǎn)，但整個(gè)電極都放電(平均顆粒直徑與燈壽命的關(guān)系)圖19顯示具有表14中樣品18的陰極的熒光燈用于試驗(yàn)時(shí)，平均顆粒直徑與燈壽命t1的關(guān)系，其連續(xù)試驗(yàn)條件與以前相同。圖19中，當(dāng)管電流為15mA和平均顆粒直徑為70μm時(shí)，壽命t1最大。自表18可明顯地看出，當(dāng)管電流為15mA和平均顆粒直徑為70μm時(shí)，電弧點(diǎn)最為穩(wěn)定。當(dāng)電弧點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)，管壁溫度不升高，穩(wěn)定電弧放電能長(zhǎng)時(shí)間保持。
如上所述，當(dāng)根據(jù)管電流選擇顆粒直徑而決定熒光燈的陰極材料時(shí)，管壁不變黑和無溫升，穩(wěn)定電弧放電能長(zhǎng)時(shí)間保持。
如上所述，在具有陶瓷陰極的熒光燈中保持密封氣壓在10乇至170乇間，可獲得具有高亮度和長(zhǎng)壽命的熒光燈。
此外，根據(jù)本發(fā)明的用于熒光燈的陰極使管壁較少變黑，管壁無溫升，及穩(wěn)定電弧放電長(zhǎng)時(shí)間保持。當(dāng)根據(jù)燈管電流選擇顆粒直徑時(shí)，可有效地獲得熱電子，電弧點(diǎn)較少移動(dòng)，因此獲得穩(wěn)定電弧放電。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷陰極熒光放電燈，包括一個(gè)在其內(nèi)表面上涂覆熒光體的燈泡，一個(gè)陶瓷陰極，具有一個(gè)包括導(dǎo)電氧化物的聚集型多孔結(jié)構(gòu)的電子發(fā)射材料的帶底的圓柱形外殼，所述導(dǎo)電氧化物具有包括鋇、鍶和鈣中至少一種的第一成分，包括鋯和鈦中至少一種的第二成分，和鉭和鈮中至少一種的第三成分，表面上涂覆著鉭或鈮的碳酸鹽、氮化物和氧化物中至少一種的導(dǎo)電或半導(dǎo)電層，密封在所述燈泡中的稀有氣體，以及所述稀有氣體的密封氣壓在10乇至170乇的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷陰極熒光放電燈，其中所述稀有氣體是選自純氖氣、純氬氣、純氪氣、純氙氣和所述氣體的混合物中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷陰極熒光放電燈，其中少量汞包含在所述燈泡中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的陶瓷陰極熒光放電燈，其中所述陶瓷陰極具有第一成分，第二成分和第三成分，所述第一成分包括鋇、鍶和鈣中至少一種、分別為BaO、SrO和CaO的形式和x克分子比，所述第二成分包括鋯和鈦中至少一種，分別為ZrO2和TiO2的形式和y克分子比，所述第三成分包括鉭和鈮中至少一種，分別為(1/2)(Ta2O5)和(1/2)(Nb2O5)的形式和z克分子比，使之滿足0.8≤x/(y+z)≤2.0，0.05≤y≤0.6和0.4≤z≤0.95的關(guān)系，所述陶瓷陰極具有其直徑在20μm至300μm范圍內(nèi)和由鉭和鈮的碳酸鹽和氮化物中至少一種形成表面的粒狀顆粒，及所述陶瓷陰極安裝于導(dǎo)電外殼內(nèi)。
全文摘要
一種通過一對(duì)陶瓷陰極之間的交變電壓產(chǎn)生的放電而發(fā)射光的常壽命熒光燈。該燈用選自氬、氖、氪、氙和它們的混合物的氣體實(shí)行密封,其密封氣壓在10乇至170乇之間的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)H01J61/00GK1195420SQ97190699
公開日1998年10月7日 申請(qǐng)日期1997年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月12日
發(fā)明者浜田宗光, 武石明, 田口春男, 增田健, 山口安敏 申請(qǐng)人:Tdk株式會(huì)社