CN100573808C - 场发射照明光源及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种场发射照明光源，包括一密封的透明玻璃外壳、形成在玻璃外壳内壁上的阳极、与玻璃外壳一端固定连接的灯头和阴极。阳极包括形成在玻璃外壳内壁上的阳极导电层、形成在阳极导电层上的荧光层和阳极电极。阳极电极一端与阳极导电层连通，另一端与灯头相连通。阴极包括与灯头相连通且与阳极电极绝缘的阴极电极和固定在阴极电极远离灯头一端的电子发射体。其中，电子发射体包括金属导电体和形成在金属导电体表面的电子发射层。电子发射层含有一定量的吸气剂微粒、纳米材料、导电金属微粒和玻璃，且该吸气剂微粒、纳米材料、导电金属微粒和玻璃混合形成所述电子发射层。本发明还涉及制造上述场发射照明光源的方法。

Description

场发射照明光源及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及一种场发射照明光源及其制造方法，尤其涉及一种采用吸气剂有效保持其内部具有正常工作下所需的真空度的场发射照明光源及其制造方法。
【背景技术】
日常照明使用的光源大多采用白炽灯和荧光管。白炽灯的历史悠久，制作工艺简单，但是，白炽灯消耗的大部分电能都转化为热能浪费掉，而不是直接用于发光，所以其最大缺点是发光效率低下。普通荧光管包括一透明玻璃管，其内壁涂覆有白色或彩色荧光材料，玻璃管内还充有汞蒸汽。其原理是利用热阴极发射的电子激发汞蒸汽发出紫外光，而紫外光照射在荧光材料上发出白色光或彩色的光。荧光灯是一种热阴极光源，发光效率比白炽灯高。但是，这种荧光灯内使用的汞蒸汽有毒，当荧光灯管被打破之后，汞蒸汽流出外面将对环境和人体有害。
为了解决上述问题，一种场发射照明光源被提供，其包括阴极和与阴极对应设置的阳极。阴极表面设有电子发射层，阳极与电子发射层对应设置有荧光层。当在阴极和阳极之间施加一定电压时，阴极的电子发射层发射电子，阳极的荧光层在电子的轰击下发光。该种场发射照明光源能耗低，发光效率高，对环境和人体无危害。但是，对于场发射照明光源来说，其内部需要高真空密封封装，也就是说，内部真空度越高，整体器件的场发射性能也就越好。
传统技术中，场发射照明光源为获得长寿命可靠工作所必须采用的维持真空的措施主要是在内部安装吸气剂，其大致有两种类型：蒸散式和集中非蒸散式。
对于蒸散式吸气剂，需在场发射照明光源内部设置一平面结构用以通过预先的蒸散过程形成吸气剂层，这样会增加制造成本，同时可能会引起电极引线间短路或漏电，导致光源失效。对于集中非蒸散式吸气剂，其通常集中设置在场发射照明光源的安装头部，在场发射照明光源内部靠近吸气剂的位置真空度较好，基本可达到10-5帕左右，而在远离吸气剂大约5厘米以外的位置真空度较差，约在10-2帕左右，其已不能满足场发射照明光源正常工作所应具备的水平。
综上所述，有必要提供一种场发射照明光源，其能有效地维持其内部具有正常工作下的真空度。
【发明内容】
下面将以实施例说明一种场发射照明光源及其制造方法，所述场发射照明光源可以有效维持其内部具有正常工作下的真空度从而确保其良好的工作品质。
一种场发射照明光源，包括一密封的透明玻璃外壳、形成在玻璃外壳内壁上的阳极、与玻璃外壳一端固定连接的灯头和阴极。阳极包括形成在玻璃外壳内壁上的阳极导电层、形成在阳极导电层上的荧光层和阳极电极。阳极电极一端与阳极导电层连通，另一端与灯头相连通。阴极包括与灯头相连通且与阳极电极绝缘的阴极电极和固定在阴极电极远离灯头一端的电子发射体。其中，电子发射体包括金属导电体和形成在金属导电体表面的电子发射层。电子发射层含有一定量的吸气剂微粒、纳米材料、导电金属微粒和玻璃，且该吸气剂微粒、纳米材料、导电金属微粒和玻璃混合形成所述电子发射层。
一种场发射照明光源的制造方法，该方法主要包括以下步骤：
(一)提供一定量吸气剂微粒、导电金属微粒、玻璃微粒和纳米材料、形成有阳极导电层及荧光层的玻璃外壳、阳极电极、阴极电极、金属导电体和灯头；
(二)将吸气剂微粒、导电金属微粒、玻璃微粒和纳米材料在有机载体中进行充分混合形成浆料；
(三)将上述浆料涂敷在金属导电体表面；
(四)将涂敷有浆料的金属导电体在300～600℃下进行烘干和焙烧从而在金属导电体表面上形成电子发射层以得到电子发射体；
(五)组装玻璃外壳、阳极电极、阴极电极和电子发射体，在玻璃外壳的颈部开口处加上密封材料，加热至400～500℃，密封材料熔融从而固定阳极电极、阴极电极和电子发射体并在玻璃外壳内部形成密封的空间，将灯头组装在玻璃外壳的颈部并使其与阳极电极和阴极电极相连从而得到场发射照明光源。
所述的场发射照明光源中吸气剂微粒分散于阴极电子发射层中，可有效地吸收荧光层发出的气体或其他各种原因进入场发射照明光源内部的气体，保持场发射照明光源内部具有良好的真空度进而提高其使用品质。
【附图说明】
图1是本发明实施例场发射照明光源的剖视示意图。
图2是图1中II部分的放大图。
图3是图1中场发射照明光源沿III-III方向的剖视图。
图4是图3中IV部分的放大图。
图5是本发明实施例场发射照明光源制造方法的步骤示意图。
【具体实施方式】
以下将结合附图详细说明本实施例场发射照明光源10的结构及其制造方法。
请参阅图1，本实施例场发射照明光源10包括一透明玻璃外壳20、形成在玻璃外壳20内壁上的阳极30、与玻璃外壳一端固定连接的灯头40和阴极50。
玻璃外壳20包括一个头部22和从头部22延伸形成并具有开口的颈部24。颈部24的底端开口由密封材料密封从而在玻璃外壳20内部形成一个真空的密封空间。头部22的形状的可根据需要制成圆球形、椭球形、水滴形或其它形状，图1中所示玻璃外壳20的头部22为圆球形。
灯头40固定安装在玻璃外壳20的颈部24，其由导电材料制成，例如铝材料或不锈钢材料。灯头40用以将场发射照明光源10安装在灯座或其它与场发射照明光源10配合的装置上，其可根据实际需要制成卡扣式、外螺纹式或其它形式，图1中所示的灯头40为外螺纹式。
请配合参阅图2，阳极30包括阳极导电层32、设置在阳极导电层32上的荧光层34和与阳极导电层32连接导通的阳极电极36。阳极导电层32覆盖玻璃外壳20头部22的内壁并延伸至玻璃外壳20颈部24的内壁，其为透明导电膜，优选地，采用透明的氧化铟锡膜作为阳极导电层32。荧光层34可仅覆盖玻璃外壳20头部22的内壁或既覆盖头部22的内壁也覆盖颈部24的内壁，其应选用高光电转换效率、低应用电压及长余辉的荧光层，荧光层34的荧光物质根据实际需要可选用白色荧光物质或彩色荧光物质。可选择地，荧光层34表面可以设置一层铝膜(图中未显示)，其可以防止荧光物质过早老化，还可以提高光源亮度。阳极电极36包括一个设置在阳极导电层32上的阳极引线环360、阳极引线柱362和两根阳极连接引线364。阳极引线环360设置在玻璃外壳20颈部24的内壁靠近阳极导电层32边缘的位置。阳极引线柱362与玻璃外壳20颈部24的内壁平行设置，并通过玻璃外壳20的密封材料被固定。阳极引线柱362设置在玻璃外壳20内部的端部通过一根阳极连接引线364与阳极引线环360连接导通，另一端部由玻璃外壳20密封的末端向外延伸出并通过另一根阳极连接引线364与灯头40连接导通。阳极引线环360、阳极引线柱362和阳极连接引线364均由导电材料制成，例如铜。阳极电极36设置的目的在于提供灯头40与阳极导电层32间的连接，因此，阳极电极36的结构可采用其它形式，例如，阳极电极36仅为一根两端同时连接阳极导电层和灯头的导电丝或导电柱(图中未显示)，或者阳极电极36包括一个阳极引线环和设置与阳极引线环和灯头同时连接导通的导电柱或导电丝。
阴极50设置在玻璃外壳20和灯头40之内，包括一电子发射体52和阴极电极54。阴极电极54包括一电极头部540、一连接电极头部540与电子发射体52的阴极连接引线542和中空的且内部收容阴极连接引线542的玻璃支柱544。电极头部540设置在灯头40远离玻璃外壳20的顶部，其与阴极连接引线542均由导电材料制成。玻璃支柱544的一端支撑电子发射体52并使其固定，另一端被玻璃外壳20的密封材料固定。请参阅图3，电子发射体52包括金属导电体520和形成在金属导电体520表面的电子发射层522。金属导电体520由导电金属或其合金制成，优选地，金属导电体520由银制成。金属导电体520的形状应与玻璃外壳20的头部22相对应，其形状的改变以不影响场发射的工作为准。在图1和图3中，金属导电体520为球形。
阴极电极54的结构可采用其它形式，例如，由一根导电柱(图中未显示)代替玻璃支柱544和阴极连接引线542连接电子发射体52和电极头部540，即阴极电极54包括一设置在灯头40上的电极头部540和一支撑电子发射体52并使其与电极头部540相连的导电柱。导电柱可通过玻璃外壳20上的密封材料固定或直接与电极头部540固定，电子发射体52可焊接固定在导电柱的端部，也可直接与导电柱设置为一体成型的结构。
请参阅图4，电子发射层522包含有纳米材料530、玻璃532、导电金属微粒534和吸气剂微粒536。其中，吸气剂微粒536采用非蒸散型的吸气剂材料，直径为1～10微米。非蒸散型的吸气剂靠表面吸着或体扩散吸气，以钛、锆、铪、钍、稀土金属或者其合金等成分为主，例如锆铝合金、电子浆料级钛粉、锆钒铁。导电金属微粒534选用银或氧化铟锡，其可以确保纳米材料530和金属导电体520间电性连接，优选地，导电金属微粒534由银制成。纳米材料530包括能够用于场发射的碳纳米管或其它材料的纳米管、纳米线、纳米棒或纳米级微粒，其长度为5～15微米，直径为1～100纳米。优选地，该纳米材料530的至少一端露出电子发射层522的表面。
为了确保阳极电极36和阴极电极54之间的绝缘，可进一步在头部40上设置绝缘介质42，其设置在阴极电极54的电极头部540和阳极电极36与灯头40相连的阳极引线364之间。绝缘介质42为绝缘材料制成，例如玻璃或陶瓷。
使用时，电子发射层522在电场作用下发射电子，电子撞击阳极30的荧光层34，当荧光层34采用彩色荧光物质时，会发出彩色光，当荧光层34采用白色荧光物质时，会发出白色光。在此过程中，吸气剂微粒536由于均匀分散在电子发射层522之内，其可以有效地吸收荧光层34发出的气体或其它各种原因进入场发射照明光源10内部的气体，保持场发射照明光源10内部具有良好的真空度。
请参阅图5，本发明实施例制造上述场发射照明光源10的方法主要包括以下步骤：
步骤(一)，提供一定量吸气剂微粒536、导电金属微粒534、玻璃微粒和纳米材料530、形成有阳极导电层32和荧光层34的玻璃外壳20、阳极电极36、阴极电极54、金属导电体520和灯头40；
吸气剂微粒536和导电金属微粒534可以预先采用球磨机分别球磨，使吸气剂微粒536直径为1～10微米，导电金属微粒534直径为0.1～10微米。优选地，选用激活温度在300～500℃之间的吸气剂，例如锆铝合金吸气剂。玻璃微粒选用低熔点玻璃，其主要材料为四氧化硅(SiO4)，直径为10～100纳米，其熔点为350～600℃。纳米材料530可以预先通过化学气相沉积法、电弧放电法或激光蒸发法等现有的技术制备，其长度为5～15微米，过短会减弱纳米材料的场发射特性，过长容易使纳米材料530相互缠绕结团。
玻璃外壳20包括头部22和带有开口的颈部24，其内壁先采用蒸镀或其它手段形成阳极导电层32，然后采用沉积或其它手段于阳极导电层32上形成荧光层34。阳极导电层32覆盖至玻璃外壳20的颈部24，而荧光层34可仅覆盖于玻璃外壳20的头部22或既覆盖头部22也覆盖颈部24。
步骤(二)，将吸气剂微粒536、导电金属微粒534、玻璃微粒和纳米材料530在有机载体中进行充分混合形成浆料；
有机载体主要包括由作为溶剂的松油醇、作为增塑剂的少量邻位苯二甲二丁酯和作为稳定剂的少量乙基纤维素形成的混合剂。浆料中吸气剂微粒536的质量百分比浓度40～80％，混合过程优选为60～80℃混合3～5小时。为了更好的分散纳米材料并得到纳米材料直径均匀的浆料，可以进一步使用低功率的超声波对含有纳米材料的有机溶剂进行超声波震荡，然后再对其进行离心处理。
步骤(三)，将上述浆料涂敷在金属导电体520表面；
涂敷过程应在洁净的环境内进行，优选地，环境内的灰尘度应小于1000/m3。
步骤(四)，将涂敷有浆料的金属导电体520在300～600℃下进行烘干和焙烧从而在金属导电体520表面上形成电子发射层522以得到电子发射体52；
烘干和焙烧通常在真空环境下进行或者在烘干和焙烧过程中通入惰性气体加以保护防止烘干和焙烧时发生氧化反应同时防止吸气剂饱和。烘干的目的在于使有机载体从金属导电体520上挥发。焙烧的目的在于使玻璃微粒熔融从而将吸气剂微粒536、导电金属微粒534和纳米材料530粘结在金属导电体520之上形成电子发射层522。另外，熔融的玻璃532可以调节整体的热膨胀系数防止所形成的电子发射层522产生裂纹或发生断裂。
为进一步增强电子发射层522的场发射特性，在经过烘干和焙烧过程之后，可对电子发射体52的表面进行摩擦，部分纳米材料530的末端在经过摩擦后会露出电子发射层522表面。
步骤(五)，组装玻璃外壳20、阳极电极36、阴极电极54和电子发射体52，在玻璃外壳20的颈部24开口处加上密封材料，加热至400～500℃，密封材料熔融从而固定阳极电极36、阴极电极54和电子发射体52并在玻璃外壳20内部形成密封的空间，将灯头40组装在玻璃外壳20的颈部24并使其与阳极电极36和阴极电极54相连从而得到场发射照明光源10。
加热过程通常在真空环境下进行或者在加热过程中通入惰性气体加以保护。在加热的过程中，吸气剂微粒536被激活。通常情况，密封材料可选用现有密封材料，例如，选用熔点在350～600℃之间的低熔点玻璃粉作为密封材料。由于玻璃粉微粒直径较小，其实际熔点低于600℃。当加热至400～500℃时，玻璃粉熔融，冷却后，熔融的玻璃凝固从而将阳极电极36、阴极电极54和电子发射体52固定在玻璃外壳20内部并在玻璃外壳20的内部形成一个密封的空间。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (20)

1.一种场发射照明光源，包括：
密封的透明玻璃外壳，其包括头部和从头部延伸形成并具有开口的颈部；
固定在玻璃外壳颈部的灯头；
形成在玻璃外壳内壁上的阳极，其包括形成在玻璃外壳内壁上的阳极导电层、形成在阳极导电层上荧光层和连接阳极导电层与灯头的阳极电极；和
安装在玻璃外壳和灯头内的阴极，其包括阴极电极和固定在阴极电极一端的电子发射体，阴极电极与阳极电极间相互绝缘且电性连接电子发射体和灯头，电子发射体包括金属导电体和形成在金属导电体表面的电子发射层；
其特征在於：电子发射层含有吸气剂微粒、纳米材料、导电金属微粒和玻璃，且该吸气剂微粒、纳米材料、导电金属微粒和玻璃混合形成所述电子发射层。
2.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于：所述的吸气剂微粒为非蒸散型吸气剂。
3.如权利要求2所述的场发射照明光源，其特征在于：所述的吸气剂微粒直径为1～10微米。
4.如权利要求3所述的场发射照明光源，其特征在于：所述的纳米材料的长度为5～15微米，直径为1～100纳米。
5.如权利要求3所述的场发射照明光源，其特征在于：所述的阳极导电层为氧化铟锡膜。
6.如权利要求3所述的场发射照明光源，其特征在于：所述的阳极进一步包括一铝膜设置于荧光层外表面。
7.如权利要求3所述的场发射照明光源，其特征在于：所述的导电金属微粒选用银或氧化铟锡，其直径为0.1～10微米。
8.如权利要求3所述的场发射照明光源，其特征在于：所述阴极电极包括设置在灯头上的电极头部、连接电极头部与电子发射体的阴极连接引线和中空的且内部收容阴极连接引线的玻璃支柱。
9.如权利要求3所述的场发射照明光源，其特征在于：所述阴极电极包括设置在灯头上的电极头部、连接电极头部与电子发射体的导电柱。
10.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于：所述的纳米材料的至少一端露出所述电子发射层的表面。
11.一种场发射照明光源的制造方法，包括以下步骤：
(一)提供一定量吸气剂微粒、导电金属微粒、玻璃微粒和纳米材料、形成有阳极导电层及荧光层且具有开口的玻璃外壳、阳极电极、阴极电极、金属导电体和灯头；
(二)将吸气剂微粒、导电金属微粒、玻璃微粒和纳米材料在有机载体中进行充分混合形成浆料；
(三)将上述浆料涂敷在金属导电体表面；
(四)将涂敷有浆料的金属导电体在300～600℃下进行烘干和焙烧从而在金属导电体表面上形成电子发射层以得到电子发射体；
(五)组装玻璃外壳、阳极电极、阴极电极和电子发射体，在玻璃外壳的颈部开口处加上密封材料，熔融密封材料从而固定阳极电极、阴极电极和电子发射体并在玻璃外壳内部形成密封的空间，将灯头组装在玻璃外壳的颈部并使其与阳极电极和阴极电极相连从而得到场发射照明光源。
12.如权利要求11所述的场发射照明光源的制造方法，其特征在于：在步骤(一)中，所述的吸气剂微粒为非蒸散型吸气剂，其激活温度为300～500℃。
13.如权利要求12所述的场发射照明光源的制造方法，其特征在于：在步骤(一)中，所述的玻璃微粒为低熔点玻璃微粒，其熔点在350～600℃之间，微粒直径为10～100纳米。
14.如权利要求12所述的场发射照明光源的制造方法，其特征在于：在步骤(一)中，所述的阳极导电层是通过蒸镀的方法在玻璃外壳内壁上形成，所述的荧光层通过沉积的方法在阳极导电层上形成。
15.如权利要求14所述的场发射照明光源的制造方法，其特征在于：在步骤(二)中，所述的有机载体为松油醇、邻位苯二甲二丁酯和乙基纤维素的混合剂。
16.如权利要求15所述的场发射照明光源的制造方法，其特征在于：在步骤(二)中，所述的浆料中吸气剂微粒的质量百分比浓度为40～80％。
17.如权利要求16所述的场发射照明光源的制造方法，其特征在于：在步骤(二)中，所述的混合过程为在60～80℃之间进行3～5小时。
18.如权利要求17所述的场发射照明光源的制造方法，其特征在于：在步骤(三)中，所述的涂敷过程在灰尘度小于1000/m3的环境中进行。
19.如权利要求18所述的场发射照明光源的制造方法，其特征在于：在步骤(四)中，所述的烘干和焙烧过程在真空或惰性气体保护的情况下进行。
20.如权利要求19所述的场发射照明光源的制造方法，其特征在于：在实施步骤(五)之前，可预先对所述的阴极的电子发射层表面进行摩擦，部分纳米材料末端经过摩擦后露出电子发射层表面。
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