CN101211748B

CN101211748B - 光源装置

Info

Publication number: CN101211748B
Application number: CN2007101424504A
Authority: CN
Inventors: 陈世溥; 李中裕; 林依萍; 林韦至; 卓连益
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2006-12-31
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: CN102226982A; CN101211748A

Abstract

本发明公开了一种光源装置。该光源装置包括阴极结构、阳极结构、荧光层、以及低压气体层。荧光层位于阴极结构与阳极结构之间。低压气体层是填充于阴极结构与阳极结构之间，有诱导阴极均匀发射电子的作用。此低压气体层有电子平均自由路径，允许大部分电子在操作电压下直接撞击该荧光层。

Description

光源装置

技术领域

本发明涉及一种光源装置。且特别涉及一种平面光源装置，例如是可以产生所要的光的平面光源装置。

背景技术

光源装置在日常生活中的使用非常广泛。传统的光源装置例如灯泡是通过灯丝，于通电后由于高温而产生可见光源。此种灯泡是的光源基本上是点状的。接着管状的光源也接着被发展出来。经过长时间的研发与改变，平面光源的装置也被提出，例如广泛使用于平面显示器上。

要产光源的机制有多种。图1绘示传统平面光源装置机制的剖面示意图。参阅图1，此发光机制是藉二电极结构100、102与电源106连接，在操作电压下产生电场，并利用气体放电，又称为等离子体放电(Plasma Discharge)方式促使气体104被游离，通过气体导电的方式使电子110撞击气体后产生跃迁并发出紫外光，撞击到在电极结构102上对应不同颜色的荧光层108a、108b、108c，例如红、绿、蓝荧光层吸收紫外光后便发出可见光112。于此，电极结构100是出光面，因此一般要采用透光材料，其例如利用由玻璃基板以及铟锡氧化物(ITO)的透明导电层所组成。

另一种光源的产生机制是场发射(Field Emission)机制如图2所示。图2绘示另一传统平面光源装置机制的剖面示意图。在玻璃基板120上设置有阴极结构层122。在阴极结构层122设置有多个圆锥形导电体124。在圆锥形导电体124上设置有栅层126(Gate layer)。在栅层126上对应圆锥形导电体124有多个孔洞。另一阳极结构层128有透明阳极层设置在玻璃基板上。另外荧光层130设置在阳极结构层128上。通过阴阳极之间的高电场使电子132从圆锥形导电体124的尖端逸出，经电场加速后撞击在荧光层130上使其发出可见光。

上述两种传统发光机制各有优缺点。气体放电的方式容易产生且结构简单，但是缺点是其过程需要产生等离子体且发光机制为能量二次转换，因此很耗电。场发射的光源是冷光源的一种，其原理类似阴极射线管(CRT)，电子在高速真空中直接撞击荧光粉以发出可见光。其优点是亮度高且较省电，又容易做成平面结构，而缺点是须在阴极上成长或涂布均匀的发射(Emission)材料，例如需要形成有针状(spindle)结构，或是要使用纳米碳管。利用有大的深宽比(Aspect Ratio)的微结构使电子能克服阴极的功函数(work function)以脱离阴极到真空的空间中。如此的方式，有困难达到大面积均匀形成此阴极结构。另外，场发射之间的阴极与阳极的距离需要准确控制，因此其边壁结构(Spacer)的规格要求很高，且真空的封装也是问题之一。

发明内容

本发明提供一种光源装置，可以容易制造成平面光源，无须要求很高的真空度，利用荧光材料的选择例如也可以产生紫外光源、红外光、可见光等。

本发明提供一种光源装置，包括阴极结构；阳极结构，其中该阴极结构与该阳极结构是面状结构，以达到面状的光源；荧光层，位于该阴极结构的第一表面上，面向该阴极结构；光转换层，位于该阳极结构的第二表面上，接收由该荧光层被激发出的第一波长光；低压气体层，填充于该阴极结构与该阳极结构之间，有诱导阴极均匀发射电子的作用。其中、该低压气体层有电子平均自由路径，允许至少足够数量的电子在操作电压下直接撞击该荧光层。

本发明又提供一种光源装置，包括阴极结构，是线状；阳极结构，是长管状，其中位于该阳极结构的内部空间，相对应该长管状延伸。荧光层位于该阴极结构与该阳极结构之间。低压气体层，填充于该阴极结构与该阳极结构之间，有诱导阴极均匀发射电子的作用。其中、该低压气体层有电子平均自由路径，允许至少足够数量的电子在操作电压下直接撞击该荧光层。

本发明又提供一种光源装置，包括阴极结构，是至少一线状阴极；阳极结构；荧光层，位于该阴极结构与该阳极结构之间；以及低压气体层，填充于该阴极结构与该阳极结构之间，有诱导阴极均匀发射电子的作用。其中、该低压气体层有电子平均自由路径，允许至少足够数量的电子在操作电压下直接撞击该荧光层。

本发明又提供一种光源装置，包括阴极结构，是至少一线状阴极；阳极结构；基板结构，具有至少一曲面凹沟，其中该阴极结构相对在该曲面凹沟上方延伸，且位于该基板结构的该曲面凹沟上。荧光层位于该阴极结构与该阳极结构之间。低压气体层填充于该阴极结构与该阳极结构之间，有诱导阴极均匀发射电子的作用。其中、该低压气体层有电子平均自由路径，允许至少足够数量的电子在操作电压下直接撞击该荧光层。

本发明又提供一种光源装置，包括阴极结构；阳极结构；荧光层，位于该阴极结构与该阳极结构之间；基板。其中该阴极结构与该阳极结构位于该基板上的两边，且荧光层位于该基板上，介于该阴极结构与该阳极结构之间。低压气体层，填充于该阴极结构与该阳极结构之间，有诱导阴极均匀发射电子的作用。其中、该低压气体层有电子平均自由路径，允许至少足够数量的电子在操作电压下直接撞击该荧光层。

本发明又提供一种光源装置，包括：阴极结构；阳极结构，具有二个单元设置在该阴极结构的两侧；荧光层，位于该阴极结构与该阳极结构之间；低压气体层，填充于该阴极结构与该阳极结构之间，有诱导阴极均匀发射电子的作用。其中、该低压气体层有电子平均自由路径，允许至少足够数量的电子在操作电压下直接撞击该荧光层。又、上述的光源装置可以重复排列，形成无限延展的区域。

本发明又提供一种光源装置，包括：阴极结构；曲面状阳极结构；荧光层，位于该阴极结构与该阳极结构之间；以及低压气体层，填充于该阴极结构与该阳极结构之间，有诱导阴极均匀发射电子的作用。其中该低压气体层有电子平均自由路径，允许至少足够数量的电子在操作电压下直接撞击该荧光层。

本发明又提供一种光源装置，包括第一基板；第二基板，其与第一基板一起用以构成封闭空间。至少一阴极结构位在封闭空间内的第一基板上。至少一阳极结构位在封闭空间内的第一基板上。荧光层由多个单体组成，位在第一基板上且位于阴极结构与阳极结构之间，以构成至少一发光区域。低压气体层填充于封闭空间内，有诱导阴极均匀发射电子的作用。低压气体层有电子平均自由路径，允许至少足够数量的电子在操作电压下直接撞击该荧光层。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示传统平面光源装置机制的剖面示意图。

图2绘示另一传统平面光源装置机制的剖面示意图。

图3绘示依据本发明实施例，发光机制的剖面示意图。

图4绘示依据本发明一实施例，平面发光装置剖面示意图。

图5A～B绘示依据本发明另一些实施例，平面发光装置剖面示意图。

图6绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。

图7绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。

图8A-8B绘示依据本发明另一些实施例，平面发光装置剖面示意图。

图9绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。

图10绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。

附图标记说明

100、102：电极结构 104：气体

106：电源 108a、108b、108c：荧光层

110：电子 112：可见光

120：玻璃基板 122：阴极结构层

124：圆锥形导电体 126：栅层

128：阳极结构层 130：荧光层

132：电子

200、240、254、266、276、286、290：阴极结构层

202、246、252、262、272、282、296：阳极结构层

204、244、258、264、274、284、294：荧光层

206：透明层 208：低压气体

210、300：射出光 242、256、292：边壁结构

250、270、278、280、288：基板260：管壁

262：电极导电层 283：凹陷区域

285：阳极结构层 289：反射层

298：光转换材料 580：基板

582：阳极层 584：荧光层

586：阴极线 588：基板

具体实施方式

本发明提出一种光源装置，利用电子发射特性的基本机制，通过气体的真空度的控制，也可以达到发光的效果。因此，本发明的光源装置可以容易制造成均匀的平面光源。更利用荧光材料的选择例如也可以产生平面紫外光源，或是其他的波长如可见光、红外光等。

本发明提出的光源装置利用气体传导的特性，将足够数量的电子从阴极导出。这些电子在稀薄的气体中飞行。由于稀薄气体的平均电子自由路径较长，仍有足够数量的电子会直接撞击到例如在阳极上的荧光粉材料，使其发光。此种荧光粉会被电子激发而发光。如果需要紫外光，则可以调整会发出紫外光的荧光粉的元素比例，促使发出例如波长为100nm～400nm的光。另外也可以利用电压的改变来控制发光强度。本发明的光源装置至少可以达到低成本、发光均匀、结构简单的优点。

以下举一些实施例，用以举例说明本发明的特征，但是本发明不受限于所举的这些实施例。图3绘示依据本发明实施例，发光机制的剖面示意图。参阅图3，发光装置之一实施例包括阴极结构层200以及阳极结构层202。于此，阴极结构层200与阳极结构层202基本上例如可以包括基板以及基板上的电极层，其实际结构可以依实际设计而变化。例如，阴极结构层200以及阳极结构层202都是面状的结构，由于本发明发光机制容易配合电极结构的设计，可以达到大面积的面发光效能，与点状光源的设计有不同程度的发光效果。由于大面积的发光，例如就显示器的背光源而言，有助于达到均匀大面积的光源。荧光层204设置在阴极结构层200与阳极结构层202之间，一般例如设置在阳极结构层202上。另外也可以有透明层206，例如石英或玻璃，将发光区域定义出来。在阴极结构层200与阳极结构层202之间也填入低压气体208，例如是在10^-1～10^-3torr的范围内，其例如使电子平均自由路径约大于5mm。于此，气体当然是被封闭于一空间中，如何封闭气体也是利用一般传统技艺即可达成，不予详述。另外，有关电压的输出入元件也是利用一般传统技艺即可达成，不予详述。

要注意的是，所填入的气体是用来诱导阴极均匀发射电子之用，因此选用的气体以较易被游离的气体为较佳，然而也可以是其他各类气体。使用的气体例如大气(atmospheric air)、N₂、O₂、He、Ne、Ar、Kr、Xe、H₂、CO₂等等。由于填入的气体是中度真空，因此其平均电子自由路径仍足够大，使足够数量的电子被电场加速到足够能量，以撞击荧光层204的材料上，以发出所要的光。

换句话说，本发明利用气体放电的机制以均匀产生足够量的电子，又利用场发射的机制，允许被游离的电子撞击荧光层204，以产生所要的光。光的波长会随荧光层204的材料不同而有不同。又，荧光层204也不限制在单层结构或是单色光。例如荧光层204可以是多层结构的叠层结构或是混层结构，可以将不同荧光层发出的色光混合成另一色光。又或是不同色光的荧光层相互水平邻近，而无须叠层也是其变化。其变化都在荧光层的变化设计的范畴内。

图4绘示依据本发明一实施例，平面发光装置剖面示意图。参阅图4，以平面发光装置为例，包括阴极结构240、阳极结构246。荧光层244设置在阴极结构240与阳极结构246之间，优选地是在阳极结构246的一面上。边壁结构242将阴极结构240与阳极结构246隔离一距离，同时也封闭出一空间，以填入低压气体208。利用前述的机制，当对阴极结构240与阳极结构246施加适当的工作电压以产生所要的电场，以对电子加速而撞击荧光层244。因此，所要的光源210从阳极结构246射出。阳极结构246例如是透光的，其阳极导电材料例如是ITO，而支撑的基板例如是石英或是玻璃。又为使产生的光不外漏，阴极结构240的表面也可以设置有反射层，因此阴极结构240具有反射功能。其更例如阴极结构240的阴极材料可以使用有反射能力的金属。又如果阴极结构240的阴极材料也采用导电透明材料，则可以增加反射面或是反射层，配合基板达成。换句或说，阴极结构240可设计成具有光反射功能，以增加光的使用效率，其实际设计可依需要而变化。

又，阴极结构的表面，可以是金属，纳米碳材料，氧化锌等益于放电的材料。阳极结构的阳极材料例如是透明导电材料，例如ITO、FTO、TCO等材料。

图5A绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。参阅图5A，依照相同的设计原则，利用上下的基板250，以及边壁结构256可以构成封闭空间，以填入所要的低压气体。然而，于此实施例的阳极结构252与阴极结构254皆是设置在下基板250上，以形成横向的电场。于此结构，荧光层258也设置在阳极结构252与阴极结构254之间区域的下基板250上。荧光层258例如设计成圆球面状或是圆柱面状的单体相邻接触，分布在阳极结构252与阴极结构254之间之下基板250上。又为了使产生的光能向单一边射出，例如下基板250也可以设计成具有反射的功能。

又例如依照图5A的结构，可以做一些进一步的变化设计。5B绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。参阅图5B，通过多个阳极结构252与阴极结构254的设置，可以构成多个光区域。这些发光区域，依实际的设计需要，可以发出相同频率范围的光，例如、紫外光、红外光、白光或是其他的单色光。又或是，这些发光区域发出不同频率范围的光，以混合成所要的光。图5B的阳极结构252与阴极结构254例如是交换配置，阴极结构254允许与二个阳极结构252共用构成二区域。但是，阳极结构252与阴极结构254也可以是个别一对的设置，分别定义出发光区域。

图6绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。参阅图6，依照相同的设计原则，也可以设计出管状的发光装置，例如直线灯管或是弯曲灯管。阳极结构包括电极导电层262及荧光层264是设置于管壁260上。管壁260会形成封闭空间，以填入低压气体。阴极结构266是线状结构，依照灯管的形状延伸。例如灯管的剖面是圆形时，阴极结构就设置在圆心上。阴极结构例如是金属、纳米碳管、纳米碳壁、纳米碳材、或是氧化锌等易放电材料。阳极结构例如是透明导电材料。

图7绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。参阅图7，平面发光装置包括下基板270与上基板278用以构成封闭空间，该基板可以是玻璃或是石英。于此实施例的设计是阴极结构与阳极结构排置不同，而基本机制仍不变。在下基板270之内部表面会设置有一个或多个凹沟，其横剖面的形状为曲线，且优选为圆弧。在凹沟表面设置有阳极结构层272以及荧光层274。阴极结构276例如是线状对应位于凹沟上方，例如位于圆弧的圆心处。阴极结构276的材料例如与图6的阴极结构266相同。阳极结构层272也具有反射光的功能。如此，平面光源可以由多个阳极结构层272与阴极结构276所构成。又如前述，如果阳极结构层272例如是金属，则其本身就具有反射功能。如果阳极结构层272例如是导电透明材料，则也有其他变化。例如，如果阴极的电压是负电位，则阳极可以在正电位，例如相对负电压的地电位，因此下基板270与阳极结构层272就是整合一体的金属层，也具有导电且具有反射功能。于此，在维持所需要的电场条件下其所需要的相对电压差而言，如果阴极是处于足够大的负电位，则阳极可以处在小电压值下操作，更例如可以操作在前述的地电压(0V)，而不必是处在高的正电压下操作。如此，阳极的结构设计也可以因应变化甚或简化。又，如果下基板270与阳极结构层272是透明材料，也可以在凹沟面设置反射层，又或是在下基板270外表面(即是图式的下表面)设置全面的反射层。其它多种变化不于此一一列举。至于上基板278的设置可以是透明材料或是光反射材料。又，上基板278与下基板270密合时，可以保持低压气体。取决于密封的方式，低压气体可以是共用或是分别密封在个别的凹沟中。其细部的设计变化不受限于所举的实施例。

于此，荧光层如前述可以是单层结构或是多层结构外，由于多个发光单元是分离的位置，其也可以是阵列的设置，分别发出不同或相同的色光，而后再混合成光源。

图8A绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。参阅图8A，此实施例也是利用线状的阴极结构286与先前的描述相同。然而，阳极结构层282是平板状，设置在基板280上。优选地、阳极结构层282是在基板280的凹陷区域283。在阳极结构层282上有荧光层284。前述的导电气体例如是由基板288与基板280被封闭在一空间内。此实施例的阳极结构层282构成平面，但是多个阴极结构286设置于阳极结构层282上方构成平面光源。

于此，依照所需要的发光方向，例如阳极结构层282可以有反射功能结构的金属板，将产生的光往阴极结构286反射。另外，如果阳极结构层282是透明导电材料，则基板280可以具有反射的功能，或是在阳极结构层282的另一面增加反射层。于此设计，基板288是光穿透的透明材料形成出光面。另外，如果基板280是透明材料，则基板288设计为具有反射功能的基板，例如是反射板或是具有反射层的基板，则出光面是在基板280。换话说，依照相同的发光机制，其阴极结构可以是线状的设计，而出光面则依照需要而决定。反射功能的结构，可以并入发光装置中的适当位置，依照所要的方向反射。

又，配合电极结构的设置，基板288与基板280的边缘，例如通过突出的部分直接密合，以构成封闭的空间，而无须另外的边壁结构。基板的突出的部分可以例如设置在二基板280、288其一或是两者。

上述图8A的实施例的阳极结构层282配合基板280，是设计成具有光反射的功能，因此射往阳极结构层282方向的部分荧光会被反射。如此、所发出的光是往基板288射出。然而，图8A也可以有其他的设计变化。例如、图8B绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。参阅图8B，阳极结构层285与基板280都采用透光的材料，其中阳极结构层285例如是透明导电氧化物。在基板288设置有反射层289。如此，从荧光层284所发出的部分光会经由反射层289的反射，与另一部分光合并往基板280的方向射出。上述仅是可能的设计变化的其中的一些实施例。

图9绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。本实施例的发光机制与先前描述的发光机制相似，但是增加光转换层的使用。参阅图9，平面发光装置包括阴极结构290以及阳极结构296。阳极结构296的内表面有荧光层294。又边壁结构292设置在阴极结构290与阳极结构296之间，其依照设计更例如可以是设置在阴极结构290与荧光层294之间。与图4所述相同，阴极结构290优选为具有光反射能力的结构，例如电极材料本身是具有反射能力的金属，或是如果基板是透光的话，可以另外在阴极结构290外侧设置反射层。通过边壁结构292的使用，阴极结构290与阳极结构296隔开一距离，且构成封闭空间以填入低压气体。阳极结构296例如是透明电极层。

于此实施例，在阳极结构296之外表面又设置光转换层298。光转换层298的作用是可以将荧光层294发出的射出光转换成不同波长的光300，光转换层材料可以是纳米结构材料。例如是紫外光，其再被光转换材料298转换成可见光，于是光源装置可以直接当作照明装置来使用。又例如是绿光，其被光转换材料298转换成红外光，于是光源装置可以用于医疗用途。又例如光转换层298也可以采用纳米金属，通过光学特性将某一种色光遮蔽，以转换出所要的光。

又，图10的结构是曲面状绘示。要达到曲面的设计，其阳极结构与阴极结构做一些变化设计，做成所要的曲面。图10绘示依据本发明另一实施例，平面发光装置剖面示意图。参阅图10，例如采用图8的延伸设计，变化成曲面的发光。其机制一样，但是阳极结构配合基板580可以设计成例如曲面。阳极层582及荧光层584配合曲面的形状做变化。至于阴极结构的阴极线586与基板588也做适当调整，构成曲面发光设计。本实施例仅是曲面设计的另一种设计。

于此要注意的是，上述所举的多种实施例是单独描述，但是其个别描述的技术特征也可以取其至少一部分，做其他组合变化，不必限定于所举的多个实施例的个别设计。

本发明的光源装置，可以设置在其他多种不同装置或系统作为其所需要的光源，例如使用于曝光机、清洗工艺的紫外光，生医或环保用途的元件等等。本发明的光源的波长范围可以在红外线，可见光、或是紫外光的范围。

本发明通过荧光机制发光，可以达到省电的效果，具有其独特性。本发明的结构简单，阴极只需为平面结构，不需要特别处理，也可以不设置其他材料。本发明不需要高真空封装，可以简化生产工艺，有利于大面积生产。阴极的金属结构可提高反射率，以增加亮度与发光效率。光源装置所发出的光波长可视荧光材料而定，以因应不同设计所需的不同波长范围。光源装置可设计成平面、线型或是点光源，或是并用。依照相同机制，经适当的形状设计，可以设计出平面或灯管的结构。而发出的光波长可以通过荧光材料的选择，可以发出红外线，可见光、或是紫外光，有多种应用。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种光源装置，包括：

阴极结构；

阳极结构，其中该阴极结构与该阳极结构分别是

面状结构，以达到面状的光源；

荧光层，位于该阳极结构的第一表面上，面向该阴极结构；

光转换层，位于该阳极结构的第二表面上，接收由该荧光层被激发出的第一波长光；以及

低压气体层，填充于该阴极结构与该阳极结构之间，有诱导阴极均匀发射电子的作用；

其中该低压气体层有电子平均自由路径，允许至少足够数量的电子在操作电压下直接撞击该荧光层。

2.如权利要求1所述的光源装置，其中该低压气体层的气压是在10^-1～10^-3torr的范围内。

3.如权利要求1所述的光源装置，还包括边壁结构，用以将该阴极结构与该阳极结构隔开，且构成密闭空间以构成该低压气体层。

4.如权利要求1所述的光源装置，其中该光转换层接收该第一波长光后，转换成第二波长光。