CN101211746B - 场发射灯管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种场发射灯管，包括一透明玻璃管、阳极和设置在玻璃管内的阴极，阴极设有包含碳纳米管的电子发射层，阳极包括形成在玻璃管内壁上的碳纳米管透明导电膜、形成在碳纳米管透明导电膜上的荧光层和至少一条沿玻璃管轴向延伸的导电线。本发明还涉及一种制造上述场发射灯管的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种场发射灯管及其制造方法，特别涉及一种阳极具有透明导电膜的场发射灯管及其制造方法。
背景技术
日光灯管为日常生活必需品，其包括一透明玻璃管，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。日光灯管是一种热阴极光源，发光效率比白炽灯高。但是，这种灯管内使用的汞蒸汽有毒，当灯管被打破之后，汞蒸汽流出外面将对环境和人体有害。
为了解决上述问题，一种冷阴极的场发射灯管被提供，其包括阴极和与阴极对应设置的阳极。阴极表面设有包含碳纳米管的电子发射层，阳极与电子发射层对应设置荧光层。当在阴极和阳极之间施加一定电压时，阴极电子发射层的碳纳米管发射电子，阳极的荧光层在电子的轰击下发光。该种场发射灯管能耗低，发光效率高，对环境和人体无危害。
传统技术上，该种冷阴极的场发射灯管在荧光层下设置透明导电膜，该透明导电膜与阴极的阴极发射体共同作用形成外加电场，同时，荧光层发出的光透过透明导电膜向外发散，因而，使用在冷阴极场发射灯管中的透明导电膜应具有导电性及透光性。目前工业上使用的透明导电膜多为氧化铟锡薄膜，该种氧化铟锡薄膜是采用磁控溅射的方法蒸镀而形成。该种制备氧化铟锡薄膜的方法虽然可以实现大批量生产，但是所需的生产材料和制备过程的成本均较高。
因此，有必要提供一种场发射灯管，其阳极采用的透明导电膜具有较好的导电性及透光性；同时，该场发灯管的制造方法较为简单、效率较高、成本较低。
发明内容
下面将以实施例说明一种场发射灯管及其制造方法，该场发射灯管的阳极采用的透明导电膜具有较好的导电性及透光性；同时，该场发灯管的制造方法较为简单、效率较高、成本较低。
一种场发射灯管，包括一透明玻璃管、阳极和设置在玻璃管内的阴极，阴极设有包含碳纳米管的电子发射层，阳极包括形成在玻璃管内壁上的碳纳米管透明导电膜、形成在碳纳米管透明导电膜上的荧光层和至少一条沿玻璃管轴向延伸的导电线。
一种场发射灯管的制造方法，主要包括以下步骤：提供一个透明玻璃管，该玻璃管的内壁上形成碳纳米管透明导电膜、形成在碳纳米管透明导电膜上的荧光层和至少一条导电线；及提供阳极电极、阴极电极、阴极发射体和封装件并将其装设在玻璃管上从而形成场发射灯管。
本实施例场发射灯管中阳极的透明导电膜由碳纳米管形成，因碳纳米管具有良好的导电特性，所以本实施例场发射灯管中的透明导电膜在具有较好透光性的同时也具有较好的导电性能；另外，本实施例场发射灯管内壁上形成至少一条导电线，在透明导电膜中有电流通过时，该导电线可以降低透明导电膜的电位差，使场发射灯管的发光均匀。同时，本实施例场发射灯管的制造方法较为简单、效率较高且制造成本较低。
附图说明
图1是本发明实施例场发射灯管的结构示意图。
图2是图1中玻璃管的轴截面的剖视图。
图3是图1沿III-III方向的剖视放大图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本实施例场发射灯管10及其制造方法。
请参阅图1，本实施例场发射灯管10包括一个透明玻璃管20、阳极30、阴极40和两个封装件50。
玻璃管20为条形管状结构，具有两个开口端22。封装件50设置在玻璃管20的开口端处从而在玻璃管20内部形成一密封空间，其可由玻璃材料或其它材料制成，当封装件50为玻璃材料时，优选现有的玻璃芯柱作为封装件50。其中，一个封装件50上设置一排气管52，该排气管52的一端与玻璃管20的密封空间相连通，另一端延伸出封装件50之外形成排气孔54。排气孔54可以通过外接真空泵(图中未显示)排气从而在玻璃管20内形成真空，排气后排气孔54被密封。
阳极30包括形成在玻璃管20内壁上的碳纳米管透明导电膜32、形成在碳纳米管透明导电膜32上的荧光层34和阳极电极36。其中，碳纳米管透明导电膜32中的碳纳米管的长度优选为1～100微米，最优地，碳纳米管的长度约为10微米；碳纳米管的直径优选为1～100纳米。荧光层34覆盖在碳纳米管透明导电膜32上，其靠近阳极电极36的边缘与碳纳米管透明导电膜32靠近阳极电极36的边缘相隔一定的距离从而形成一个碳纳米管透明导电膜32的裸露区320。优选地，该裸露区320下设置石墨乳38，该石墨乳38可以有效确保碳纳米管透明导电膜32与阳极电极36的电性导通。荧光层34选用高效、低应用电压及长余辉的荧光层，荧光层34的荧光材料根据实际需要可选用白色荧光材料或彩色荧光材料。
阳极电极36包括阳极引线弹簧片360、阳极引线柱362和阳极引线364。其中，阳极引线弹簧片360设置在碳纳米管透明导电膜32的裸露区320上并与碳纳米管透明导电膜32电性导通。阳极引线柱362固定在一个封装件50上且与玻璃管20轴向平行设置。该阳极引线柱362的一端通过阳极引线364与阳极引线弹簧片360电性导通，另一端延伸出封装件50外作为阳极20的外接电极366。阳极电极36设置的目的在于提供阳极20与外界电性导接的外接电极366，因此，阳极电极36的结构也可采用其它形式，例如，阳极电极36可仅为一导电柱或导电丝，其一端连接碳纳米管透明导电膜32且另一端延伸出封装件50作为阳极20的外接电极366；或者阳极电极36包括一个阳极引线弹簧片连接碳纳米管透明导电膜32和一端与阳极引线弹簧片连接导通、另一端延伸出封装件50作为阳极20的外接电极366的导电柱或导电丝。
请配合参阅图2，阳极30进一步包括至少一条导电线39，其可设置在玻璃管20的内壁与碳纳米管透明导电膜32之间，还可以设置在碳纳米管透明导电膜32与荧光层34之间。该导电线39靠近阳极电极36的末端通过透明导电膜32的裸露区320与阳极电极36电性导通。当导电线39为多条时，该多条导电线39沿玻璃管20的轴向延伸且彼此间隔分布。该导电线39可为银线或氧化铟锡线，其宽度优选为10～1000微米。图2中显示的阳极30设置两条沿玻璃管20轴向延伸并对称分布的导电线39，且该导电线39设置在玻璃管20的内壁与碳纳米管透明导电膜32之间。
阴极40包括阴极发射体42和阴极电极44。请配合参阅图3，阴极发射体42包括一根狭长的导电体420和形成在导电体420表面的电子发射层422。其中，导电体420为柱状结构或丝状结构，其直径优选0.1～2毫米，由导电金属或其合金制成，优选地，导电体420由镍制成。该导电体420的一端通过一镍管46与一封装件50的顶部相固定，另一端与阴极电极44固定。该阴极电极44固定在具有排气管52的封装件50上，其为一导电柱。该阴极电极44一端与阴极发射体42相连接，另一端延伸出封装件50作为阴极40的外接电极440。可选择地，一弹簧(图中未显示)设置在阴极发射体42和阴极电极44之间，当阴极发射体42在接通或关闭电源从而受热或冷却时，阴极发射体42将产生热胀或冷缩，此时，弹簧可起到调节和平衡的作用。阴极电极44的作用在于提供阴极40与外界电性导接的外接电极440，该阴极电极44的结构可采用其它的形式，例如阴极发射体42的末端可直接延伸出封装件50之外作为阴极的外接电极440。电子发射层422包含玻璃426、和若干分散在玻璃内的可发射电子的碳纳米管424和导电金属颗粒428。其中，碳纳米管的长度优选为1～100微米，直径优选为1～100纳米。
两个吸气剂装置70设置在具有排气管52和固定阴极电极44的封装件50上。吸气剂装置70中的吸气剂可以消耗玻璃管20内残留的气体以及在场发射灯管10的使用过程中荧光层34放出的气体，从而确保场发射灯管10在使用中具有良好的真空度。
使用时，在碳纳米管透明导电膜32和阴极40的电子发射层422之间提供一个电场，碳纳米管424在电场作用下发射电子，电子加速撞击阳极的荧光层34，当荧光层34采用彩色荧光材料时，会发出彩色光，当荧光层34采用白色荧光材料时，会发出白色光。另外，在碳纳米管透明导电膜32中有电流通过时，该导电线39可以有效降低碳纳米管透明导电膜32的电位差，从而防止场发射灯管10的发光呈现有梯度的不均匀，进而使场发射灯管10的发光均匀。
上述场发射灯管10的制造方法主要包括以下步骤：
步骤(一)，提供一个透明玻璃管20，该玻璃管的内壁上形成碳纳米管透明导电膜32、形成在碳纳米管透明导电膜32上的荧光层34和至少一条导电线39。
其中，制造上述玻璃管20的方法主要包括以下步骤：
在玻璃管20内壁沿轴向涂覆至少一条宽度为10～1000微米的导电浆料，并烘干以形成导电线39；其中，导电浆料中含有一定量的有机载体和导电金属微粒，导电金属微粒由导电材料制成，如银微粒或氧化铟锡微粒，其可预先采用球磨机进行球磨，直径优选为0.05～2微米，该导电浆料的形成是将导电金属微粒和玻璃微粒在有机载体中进行充分混合而形成。有机载体主要为由作为溶剂的松油醇、作为增塑剂的少量邻苯二甲酸二丁酯和作为稳定剂的少量乙基纤维素形成的混合剂。混合过程优选为60～80℃下混合3～5小时。为了更好的分散导电金属微粒和玻璃微粒，可以进一步使用低功率的超声波对含有导电金属微粒的有机溶剂进行超声波震荡，然后再对其进行离心处理。当石墨乳38被设置时，在涂覆导电浆料后，在玻璃管20的一端涂上石墨乳38，该石墨乳38压至导电浆料的一端。
将玻璃管20置入炉中在氮气或惰性气体的保护下退火；即在氮气或惰性气体的保护下，先加热至320℃左右保温约10分钟，再升温至430℃左右保温约30分钟，最后降至室温取出玻璃管20，该过程的目的在于去除导电浆料中的有机载体。
在形成导电线39的玻璃管20上形成碳纳米管浆料层并烘干；
在烘干的碳纳米管浆料层上形成一荧光粉层；
将形成碳纳米管浆料层和荧光粉层的玻璃管20在氮气或惰性气体的保护下升温至320℃左右保温约20分钟，再降至室温，从而得到具有碳纳米管透明导电膜32、荧光层34和导电线39的玻璃管20。
其中，上述在玻璃管20上形成碳纳米管浆料层的方法为：将玻璃管20一端封闭并将玻璃管20的封闭端向下竖直放置；将碳纳米管浆料倒入玻璃管20内；打开玻璃管20的封闭端，碳纳米管浆料在重力的作用下自然流下，部分碳纳米管浆料通过吸附作用在玻璃管20内壁上形成所需的碳纳米管浆料层。形成碳纳米管浆料层的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1000mg/m3。
其中，上述碳纳米管浆料的制备方法包括以下步骤：
制备有机载体；其中，该有机载体为由作为溶剂的松油醇、作为增塑剂的少量邻苯二甲酸二丁酯和作为稳定剂的少量乙基纤维素形成的混合剂；有机载体的制备过程为：首先在油浴加热及搅拌的条件下将乙基纤维素溶解到松油醇中，然后加入邻苯二甲酸二丁酯在同样油浴加热的条件下持续搅拌一定时间即可得到有机载体。其中，优选地，松油醇、乙基纤维素和邻苯二甲酸二丁酯在混合剂中的质量百分比分别约为90％、5％和5％；加热温度为80～110℃，最优为100℃；持续搅拌时间为10～25小时，最优为24小时。
将粉末状碳纳米管在二氯乙烷溶液中用破碎机分散后再进行超声分散形成碳纳米管溶液；其中，碳纳米管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，长度优选为1～100微米，直径优选为1～100纳米。碳纳米管与二氯乙烷的比例优选为：每两克碳纳米管需要约500毫升的二氯乙烷。破碎机分散的时间优选为5～30分钟，最优为20分钟；超声分散的时间优选为10～40分钟，最优为30分钟。
过滤碳纳米管溶液；其中，碳纳米管溶液可以选用筛网过滤，最优地，选用400目的筛网过滤碳纳米管溶液从而可得到优选直径和长度的碳纳米管。
将碳纳米管溶液加入有机载体中同时利用超声充分分散；其中，溶液中的碳纳米管与有机载体的质量比优选为15：1；超声分散的时间优选为30分钟。
在水浴条件下加热混有碳纳米管溶液的有机载体直到得到具有合适浓度的碳纳米管浆料为止；其中，碳纳米管浆料中碳纳米管的浓度可影响所得到的碳纳米管透明导电膜的透光性能及导电性能。当浆料中碳纳米管的浓度较高时，得到的碳纳米管透明导电膜的透光率较低而导电性能较好；反之，当浆料中碳纳米管的浓度较低时，得到的碳纳米管透明导电膜的透光率较高而导电性能较弱。优选地，当在上述制备过程中选用2克碳纳米管、约500毫升的二氯乙烷和碳纳米管与有机载体的质量为15：1时，在水浴加热下将混有碳纳米管溶液的有机载体蒸发得到200毫升的碳纳米管浆料。其中，水浴加热温度优选为90℃。
上述制造玻璃管20的方法中将导电线39形成在玻璃管20内壁与碳纳米管透明导电膜32之间，改变上述步骤的顺序即可以将导电线39形成在碳纳米管透明导膜32与荧光层34之间。
步骤(二)，提供阳极电极36、阴极电极44、阴极发射体42和封装件50并将其装设在玻璃管20上从而形成场发射灯管10。
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 (14)
1.一种场发射灯管，包括透明玻璃管、阳极和设置在透明玻璃管内的阴极，所述的阴极包括电子发射层，所述的阳极包括荧光层，其特征在于：所述的阳极进一步包括形成在所述的透明玻璃管内壁与所述的荧光层之间的碳纳米管透明导电膜和至少一条沿透明玻璃管轴向延伸的导电线。
2.如权利要求1所述的场发射灯管，其特征在于：所述的导电线的宽度为10～1000微米。
3.如权利要求2所述的场发射灯管，其特征在于：所述的导电线为氧化铟锡线。
4.如权利要求2所述的场发射灯管，其特征在于：所述的导电线为银线。
5.如权利要求3或4所述的场发射灯管，其特征在于：所述的导电线设置在所述的碳纳米管透明导电膜和所述的荧光层之间。
6.如权利要求3或4所述的场发射灯管，其特征在于：所述的导电线设置在所述的透明玻璃管内壁与所述的碳纳米管透明导电膜之间。
7.一种场发射灯管的制造方法，包括：
提供一个透明玻璃管，该透明玻璃管包括形成在该透明玻璃管内壁上的一荧光层、形成在该透明玻璃管和该荧光层之间的一碳纳米管透明导电膜和至少一导电线，该至少一导电线与该碳纳米管透明导电膜电连接；及
提供阳极电极、阴极电极、阴极发射体和封装件并将其装设在该透明玻璃管上从而得到所述的场发射灯管。
8.如权利要求7所述的场发射灯管的制造方法，其特征在于：所述的透明玻璃管的制造方法包括：
在该透明玻璃管内壁沿轴向涂覆至少一条宽度为10～1000微米的导电浆料，并烘干以形成所述导电线；
将该透明玻璃管在氮气或惰性气体的保护下退火；
在形成所述导电线的该透明玻璃管上形成碳纳米管浆料层并烘干；
在所述烘干的碳纳米管浆料层上形成所述荧光粉层；及
将形成所述碳纳米管浆料层和所述荧光粉层的该透明玻璃管在氮气或惰性气体的保护下升温至320℃保温20分钟，再降至室温，从而得到具有所述碳纳米管透明导电膜、所述荧光层和所述导电线的透明玻璃管。
9.如权利要求8所述的场发射灯管的制造方法，其特征在于：所述的导电浆料中含有一定量的有机载体和导电金属微粒，所述的导电金属微粒直径为0.05～2微米。
10.如权利要求9所述的场发射灯管的制造方法，其特征在于：所述的导电浆料的形成是将所述的导电金属微粒和玻璃微粒在所述的有机载体中进行充分混合而形成，混合过程在60～80℃下进行，混合时间为3～5小时。
11.如权利要求10所述的场发射灯管的制造方法，其特征在于：所述的导电金属微粒为银微粒。
12.如权利要求10所述的场发射灯管的制造方法，其特征在于：所述的导电金属微粒为氧化铟锡微粒。
13.如权利要求11或12所述的场发射灯管的制造方法，其特征在于：所述的将所述透明玻璃管在氮气或惰性气体的保护下退火的过程为：在氮气或惰性气体的保护下，先加热至320℃保温10分钟，再升温至430℃保温30分钟，最后降至室温取出所述透明玻璃管。
14.如权利要求7所述的场发射灯管的制造方法，其特征在于：所述透明玻璃管的内壁上依次形成有碳纳米管透明导电膜、至少一导电线和荧光层。
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