CN100576426C - 双向交互放大电子/光子源 - Google Patents
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Abstract
一种基于场致发射、阴极发光和光增强场致发射的电子/光子源，包括壳体内的真空室，还包括配置在所述真空室内的阳极和阴极。而且，阴极被配置成当在阳极和阴极之间施加电压时发射电子，所述阳极被配置成当接收从所述阴极发射的电子时以第一波长范围发射光，波长范围转换材料被配置成接收所发射的所述第一波长范围的光并以第二波长范围发射光。本发明以新的方式使得可以通过两步将从阴极发射的电子转换成可见光。本发明已显示出是有益的，并使得可以选择新的发射材料，该新的发射材料可以以电子到可见光的转换以一步完成的早期使用的材料的成本的一小部分来制造。
Description
技术领域
本发明涉及在壳体内包括真空室的电子/光子源。本发明还涉及对应的用于制造这样的电子/光子源的方法。
背景技术
现代节能照明设备中使用的技术使用汞作为有效组份之一。由于汞危害环境，因此进行了大范围研究以克服与节能、无汞照明相关联的复杂的技术困难。
用来解决该问题的方法是使用场致发射光源技术。场致发射是当邻近发射材料的表面的电场使发射材料表面存在的势垒宽度变窄时发生的现象。这允许发生量子隧道效应，从而电子穿过势垒并从材料发射出去。
在现有技术的设备中，在具有例如玻璃壁的真空室中配置阴极，其中该真空室在其内侧涂覆有阳极导电层。而且，在阳极导电层上淀积发光层。当在阴极和阳极导电层之间施加电位差时，电子从阴极发射，并向阳极导电层加速。当电子打在发光层上时，电子使该发光层发射光子，该过程被称为阴极发光，其不同于传统荧光照明设备例如传统荧光管中采用的光致发光。
US 6,573,643公开了这样的设备，其中阳极导电层例如可包括铟锡氧化物且发光层包括磷光材料。该磷光材料从阴极接收电子并以可见波长发射光子。
接收电子并以可见波长发射光子的这样的磷光材料非常昂贵且难以制造，因此导致昂贵的照明设备。
因此本发明的目的是提供一种对上述一些问题提供解决方案的新的改进的场致发射光源。
发明内容
本发明提供了一种基于场致发射、阴极发光和光增强场致发射的电子/光子源以及对应的用于制造这样的电子/光子源的方法满足了上述需求。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种电子/光子源，其包括壳体内的真空室，还包括配置在所述真空室内的阳极和阴极。而且，阴极被配置成当在阳极和阴极之间施加电压时发射电子，所述阳极被配置成当接收到从所述阴极发射的电子时以第一波长范围发射光，波长范围转换材料被配置成接收所发射的所述第一波长范围的光，并以第二波长范围发射光。
本发明的该第一方面以一种新方式使得可通过两步将从阴极发射的电子转换成可见光。第一步包括将电子转换成第一波长范围的光，而第二步包括将所述第一波长范围的所述光转换成第二波长范围。这特别有利，且使得可以选择新的发射材料，该新的发射材料可以以电子到可见光的转换以一步完成的现有技术中所使用的材料的成本的一小部分来制造。表述“波长范围”应理解为大部分、例如80％的光含量(light content)所在的波长范围。该波长范围具有更低的起始点和更高的结束点。以相同的方式，术语波长转换材料应理解为当以所述第一波长范围接收光时将光从第一波长范围转换到第二波长范围的发射材料。
在本发明的优选实施例中，阳极还包括透明基板，透明基板一侧被透明导电材料覆盖，该透明导电材料夹在所述基板和发射材料之间。作为例子，发射材料在从阴极接收电子时以约100nm-400nm，更优选地为约200nm-400nm以及最优选地为约250nm-400nm的第一波长范围发射光。第二波长范围优选地为约350nm-900nm，更优选地为约400nm-800nm，且最优选地为约450nm-650nm。这一般意味着配置在阳极上的发射材料在第一步将发射紫外光，波长范围转换材料接收该光并将其转换成人眼可见的光。
透明导电材料可从广范围的材料中选择，但优选地使用铟锡氧化物(ITO)或氧化锌(ZnO)或甚至单壁碳纳米管中之一，因为即使所应用的层处于100nm-1000nm的间隔内，这些透明材料也具有有优势的导电能力。
在本发明的另一优选实施例中，发射材料是ZnO。ZnO的使用显示出更有利，因为ZnO的室温阴极发光光谱在约380nm处具有强强度峰值，且在+/-20nm内具有80％的光含量。作为另外的特征，当在场致发射光源中用作阴极时，由于能够在相对低的温度生成ZnO纳米尖端，ZnO的使用显示了良好的结果。这意味着可将阳极和阴极二者构造为可互换的组件。这将大大减小光源的制造成本。而且，优选地使用对380nm最敏感的红色、绿色、蓝色荧光粉作为波长范围转换材料。作为替选，可使用蓝色及黄色荧光粉的混合物。
如本领域技术人员所能理解的，有三种有利的方法在电子/光子源中配置波长范围转换材料。第一种是覆盖壳体的内侧，第二种是覆盖真空室的外侧，第三种是将波长范围转换材料夹在基板和透明导电材料之间。使用上述三种方式中的任何一种配置波长范围转换材料都可行，因而这可根据光源的设计实现。
在本发明的又一优选实施例中，透明基板是玻璃、石英或塑料中之一。由于石英对所述UV光高度透明，因此石英的使用在实验研究中显示出有优势的结果，而塑料的使用将减少材料和制造成本。
本发明的另一方面提供一种照明系统，该照明系统包括直流或交流控制电子装置和根据上述实施例的场致发射光源。照明系统可以是封闭单元或者是包括上述组件的配置。
本发明的又一方面提供一种制造电子/光子源、优选地场致发射光源的方法，该方法包括以下步骤：提供壳体内的真空室；在所述真空室内配置阳极和阴极；在所述场致发射光源内配置用来接收从所述阳极发射的第一波长范围的光并以第二波长范围发射光的波长范围转换材料。如上结合本发明的第一方面所述，该方法提供选择新的发射材料的有利可能性，该新的发射材料可以以电子到可见光的转换以一步完成的现有技术中所使用的材料的成本的一小部分来制造。
在研究所附权利要求和以下说明书后本发明的其它特征和优点将更明显。本领域技术人员应认识到本发明的不同特征可组合以产生与以下所述不同的实施例。
附图说明
现在参照附图更详细说明本发明，在附图中：
图1示出场致发射荧光管的侧视图。
图2示出现有技术场致发射荧光管的部分截面。
图3示出根据本发明实施例的电子/光子源的部分截面。
图4示出ZnO纳米尖端的场发射扫描电子显微镜图像。
图5示出ZnO纳米尖端的阴极发光光谱。
图6示出根据本发明另一实施例的部分截面。
具体实施方式
图1示出现有技术场致发射荧光管100，其中阴极101被管102围绕。阳极(未示出)连接到电接触106。
图2示出现有技术场致发射荧光管100的部分截面。管102包括玻璃结构103和透明且导电的阳极层104，该阳极层104夹在玻璃结构103和发射层105之间。导电阳极层连接到电接触106。而且，当发射层105被导电层104和阴极101之间的电位差所引起的电子120撞击时，该发射层105被使得以可见波长130的光发光。
图3示出根据本发明的优选实施例的电子/光子源的部分截面。
图3也示出了阴极101以及透明且导电的阳极层104。阴极材料可以是例如但又不限于ZnO的锐利尖端或碳纳米管。透明且导电的阳极层104夹在发射材料107和透明基板108之间。透明基板108用作被抽空的封闭室。
当在阴极101和阳极层104之间出现电位差时，发射材料107被来自阴极101的电子120撞击并以第一波长131例如紫外波长范围内的波长(一般为约200nm-400nm)发射光。第一波长131的光穿过透明基板108并将轰击波长范围转换材料109，使该波长范围转换材料109以第二波长130发射光，该第二波长130优选地为可见波长例如约400nm-700nm范围内的波长。在本发明优选实施例中，透明导电层104由铟锡氧化物(ITO)制成且透明基板108由石英制成。
如上所述，当选择发射材料107时，ZnO是特别有利的选择，因为当被电子撞击时其将在约380nm发光。这使得选择波长范围转换材料109更容易。现在转到图4，其中示出了在蓝宝石上的ZnO纳米尖端的场发射扫描电子显微镜图像。该尖端锐利且密集分布。而且，图5示出ZnO纳米尖端的阴极发光光谱。可以看出，在约380nm处观察到强尖峰。本领域技术人员应理解所示的具有精确尖端的纳米尖端结构在构造阳极和阴极是可互换组件的场致发射光源时可以是有利的。
这样的设计在图6中示出。本发明的该实施例仍以管结构示出，但是其当然可以是任何可行的照明设备设计的形状，其中波长范围转换材料109配置在外壁103上，外壁103优选地由玻璃制成并形成遮蔽壳体。真空室由透明基板108形成，其中在其内侧淀积了作为两个电隔离部分的两个可互换的阳极/阴极组件。这两个组件各自包括透明导电层，在该透明导电层上生长如图4所示的ZnO纳米尖端107。基于(从电源150)所施加的电压极性，这两个隔离组件用作阳极或阴极。图6所示的设计的功能性与图3所示的设计的两步光转换功能性一致。如本领域技术人员所能理解的，当讨论本发明的基本物理性质时，当在阴极上产生负高电场时，将发生场致发射。电子将撞击波长转换材料并产生UV光子。向前发射的UV光子将执行波长转换，而向后发射的UV光子将撞击阴极并引起光增强场致发射。因此，图6所示的结构将不仅从ZnO纳米尖端107(其此时用作阳极)向波长范围转换材料109发射光子，还“帮助”此时起作用的阴极发射更多的电子(当被从ZnO纳米尖端107发射的光(光子)撞击时)，从而用作放大器并因此形成双向交互放大电子/光子源。
在本发明又一实施例中，电源150可以是高频电源，其中例如两侧的107(见图6)基于与交流源相关联的极性可交替用作阳极或阴极。
尽管详细说明了本发明及其优点，应理解在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可作出各种改变、替换和变更。例如本发明不限于优选实施例中所述的管结构，而是可例如设计为球形或现在或将来的照明源结构的任何其它形状。
Claims (18)
1.一种场致发射光源，包括：
-配置在壳体(103)内的真空室，从而形成双壁结构；以及
-配置在所述真空室内的阳极(104)和阴极(101)，
其中所述阴极(101)被配置成当在所述阳极(104)和所述阴极(101)之间施加电压时发射电子(120)，所述阳极(104)被配置成当接收到从所述阴极(101)发射的电子(120)时以第一波长范围(131)发射光，所述场致发射光源还包括波长范围转换材料(109)，该波长范围转换材料(109)适于接收所发射的所述第一波长范围(131)的光，并以第二波长范围(130)发射光。
2.根据权利要求1所述的场致发射光源，其中所述阳极包括透明基板(108)，该透明基板(108)一侧覆盖透明导电材料(104)，该透明导电材料(104)被夹在所述透明基板(108)和发射材料(107)之间。
3.根据权利要求2所述的场致发射光源，其中所述发射材料(107)是ZnO。
4.根据前述权利要求中任一项所述的场致发射光源，其中所述阳极和所述阴极是相似的可互换组件。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的场致发射光源，其中所述波长范围转换材料(109)覆盖所述壳体的内侧。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的场致发射光源，其中所述波长范围转换材料(109)覆盖所述真空室的外侧。
7.根据权利要求2-3中任一项所述的场致发射光源，其中所述波长范围转换材料(109)夹在所述透明基板(108)和所述透明导电材料(104)之间。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的场致发射光源，其中所述第一波长范围为100nm-450nm。
9.根据权利要求8所述的场致发射光源，其中所述第一波长范围为250nm-420nm。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的场致发射光源，其中所述第二波长范围为350nm-900nm。
11.根据权利要求10所述的场致发射光源，其中所述第二波长范围为400nm-800nm。
12.根据权利要求11所述的场致发射光源，其中所述第二波长范围为450nm-650nm。
13.根据权利要求1-3中任一项所述的场致发射光源，其中所述波长范围转换材料(109)是红色、绿色和蓝色荧光粉的混合物或蓝色及黄色荧光粉的混合物。
14.根据权利要求2-3中任一项所述的场致发射光源，其中所述透明基板(108)是玻璃、石英或塑料中之一。
15.根据权利要求2-3中任一项所述的场致发射光源，其中所述透明导电材料(104)是ITO、ZnO或单壁碳纳米管中之一。
16.根据权利要求2-3中任一项所述的场致发射光源，其中所述透明基板(108)构成所述真空室的壁。
17.一种照明系统，包括直流或交流控制电子装置和根据前述权利要求中任一项所述的场致发射光源。
18.一种用于制造场致发射光源的方法，包括以下步骤：
-提供壳体内的真空室，
-在所述真空室内配置阳极和阴极，以及
-在所述场致发射光源内配置波长范围转换材料(109)，该波长范围转换材料(109)用来接收从所述阳极发射的第一波长范围(131)的光并以第二波长范围(130)发射光。
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