CN101303962A - 光源装置与背光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可以应用在背光模块的光源装置及背光源装置。该光源装置包括光源装置有阴极结构、阳极结构、荧光层、二次电子产生层与低压气体层。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。二次电子产生层是在阴极结构上。二次电子产生层可产生额外的二次电子来撞击荧光层进而增加发光效率。

Description

光源装置与背光模块
技术领域
本发明涉及一种光源装置，且特别涉及一种可用于液晶背光模块的平面光源装置。
背景技术
在日常生活中光源装置的使用非常广泛。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。此种灯泡式的光源基本上是点状的。后续管状的光源也接着被发展出来。经过长时间的研发与改变，平面光源的装置亦被提出，并广泛使用于平面显示器上。
有许多种机制可产生光源。图1绘示传统平面光源装置机制的剖面示意图。请参阅图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(PlasmaDischarge)方式促使气体104被游离以产生电子110。电子110被电场加速且撞击到在电极结构102上对应红、绿、蓝的荧光层108a、108b、108c。由于荧光层的作用产生可见光112而射出。于此，电极结构100是出光面，其一般是采用由玻璃基板以及铟锡氧化物(ITO)的透明导电层所组成的透光材料。
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。传统平面光源装置包括玻璃基板120、阴极结构层122、多个圆锥形导电体124、栅层126、阳极结构层128与一荧光层130。阴极结构层122设置在玻璃基板120上。在阴极结构层122上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。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)，通过阴阳极之间的高电场使电子由阴极逸出，之后撞击在涂布于阳极上的荧光粉使其发亮。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。此种平面型的荧光灯需要利用支架将阴阳极隔开，同时需要仔细调整阴阳极之间的垂直距离。由于可容许误差很小，在大面积的应用上将增加许多结构设计与成品率的成本考量，整体发光亮度的均匀性也很难控制。另外，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，可在无须要求很高的真空度下容易地制造成一平面光源，并且具有较佳亮度与发光效率，且可以在较低工作电压运作。
本发明提供一被光源模块，是利用上述光源装置达成。
本发明提出一种光源装置，包括：阴极结构，具有透光特性，做为一出光面。阳极结构，位于阴极结构对向，具有光反射特性。荧光层位于阴极结构与阳极结构之间。低压气体层，填充于阴极结构与阳极结构之间，而低压气体层具有诱导阴极均匀发射电子的作用。其中低压气体层有大的电子平均自由路径，允许电子在一操作电压下可直接撞击该荧光层，以产生所要的光。
本发明又提出一种光源装置，包括阴极结构，具有透光特性；阳极结构，位于阴极结构对向，具有透光特性。放电层位于阴极结构与阳极结构的至少其中之一上。荧光层位于阴极结构与阳极结构之间。低压气体层，填充于阴极结构与阳极结构之间，且低压气体层具有诱导阴极均匀发射电子作用。低压气体层有大的电子平均自由路径，使电子在一操作电压下可直接撞击该荧光层。
本发明又提出一种背光源装置，包括至少一电源控制器，提供至少一操作电压；以及发光单元，包括至少一发光面板，该发光面板受该操作电压控制。其中该发光面板包括：阴极结构；阳极结构，位于该阴极结构对向；荧光层，位于该阴极结构与该阳极结构之间；以及一低压气体层，填充于该阴极结构与该阳极结构之间。该低压气体层具有诱导阴极均匀发射电子的作用，其中该低压气体层有大的电子平均自由路径，使电子在一操作电压下可直接撞击该荧光层。
为让本发明的上述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绘示根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。
图4绘示根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。
图5绘示根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。
图6绘示根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。
图7绘示根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。
图8绘示根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。
图9绘示根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。
图10绘示根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。
图11绘示依据本发明实施例，一背光模块结构示意图。
图12-13绘示依据本发明实施例，另一背光模块结构示意图。
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                 302a、302b：阴极结构
304a、304b：阳极结构      306：荧光层
308：二次电子产生层       310：低压气体层
312：边壁结构             314：反射层
320：电子                 322：正离子
324：二次电子             330：光
402a、402b：阴极结构      404a、404b：阳极结构
406：荧光层        408：放电层
410：低压气体层    412：边壁结构
414：反射层        420：电子
430：光            1100、110a、110b、110c：发光面板
1101：发光模块     1102、1102a、1102b、1102c：电源控制器
1104：散热机构     1106：增亮光学膜
1108：扩散模块
具体实施方式
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。
第一实施例
图3所绘示是根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。请参阅图3，光源装置包括阴极结构302a、阳极结构304a、荧光层306、二次电子产生层308与低压气体层310。
阴极结构302a的材料为玻璃基板上蒸镀金属层或透明导电材料。阳极结构304a位于阴极结构302a的对向。阳极结构304a为透光结构，其材料例如是铟锡氧化物(ITO)、氟掺杂氧化锡(FTO)或其他透明导电氧化层(TCO)材料。阴极结构302a与阳极结构304a基本上例如可以包括基板以及基板上的电极层。阴极结构302a与阳极结构304a的实际结构可以依实际设计而变化，此为本领域技术人员可以了解，在此不继续描述。
荧光层306配置在阴极结构302a与阳极结构304a之间，一般例如配置在阳极结构304a上。
二次电子产生层308配置在阴极结构302a上。二次电子产生层308的材料可以是氧化镁(MgO)、氧化铽(Tb2O3)、氧化镧(La2O3)或氧化铈(CeO2)等。
低压气体层310配置在阴极结构302与阳极结构304之间，其中填入低压气体，例如是在8×10-1～1×10-3torr的范围内，其例如使电子平均自由路径约大于5mm。
在一实施例中，图3所示的光源装置还包括边壁结构312，其将阴极结构302a与阳极结构304a隔离一距离，同时也封闭出低压气体层310，以填入低压气体。
本发明实施例利用稀薄气体使电子轻易导出以均匀产生足够量的电子320，又利用场发射的机制，允许被游离的电子320撞击荧光层306，以产生所要的光。由于在气体中有游离的正离子322会撞击二次电子产生层308，当正离子撞击二次电子产生层308时可产生额外的二次电子324来撞击荧光层306进而增加发光效率。
在本实施例中，阳极结构304a是透光结构，因此，当电子320撞击荧光层306时，所产生的光330会穿过阳极结构304a，此种光源装置又称为穿透式光源装置。此外，在穿透式光源装置中，阴极结构302a可为具有高反射性的金属，其可提高反射率并增加亮度与发光效率。
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，因此选用的气体无特殊需求，故可以是各类气体或混合气体。使用的气体例如大气(atmospheric air)、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氢(H2)、二氧化碳(CO2)等。由于填入的气体是属低～中度真空，因此其平均电子自由路径足够大，使电子在电场下可直接撞击荧光层306的材料上，以发出所要的光。
图3的实施例可以另一形式来实施，如图4所示。图4所绘示是根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。请参阅图4，光源装置包括阴极结构302b、阳极结构304b、荧光层306、二次电子产生层308、低压气体层310、边壁结构312与反射层314。
图4所示的光源装置是类似于与图3所示的光源装置。两者不同之处在于，图4所示的光源装置还包括反射层314，其配置在阳极结构304b与荧光层306之间。再者，阴极结构302b是透光结构，其材料例如是铟锡氧化物、氟掺杂氧化锡或其他透明导电氧化层材料。阳极结构304b为可透光或不透光的材料。
当利用气体放电机制所产生的电子320以及正离子322撞击二次电子产生层308所产生额外的二次电子324撞击荧光层306时，所产生的光330会由反射层314反射穿过阴极结构302b，此种光源装置又称为反射式光源装置。此外，在反射式光源装置中，阳极结构304b为玻璃上蒸镀透明导电材料，而反射层314可为高反射性的金属或高反射金属蒸镀高反射光学膜，其可提高反射率并增加亮度与发光效率。
第二实施例
图5所绘示是根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。请参阅图5，光源装置包括阴极结构402a、阳极结构404a、荧光层406、放电层408与低压气体层410。
阴极结构402a的材料为玻璃基板上蒸镀金属层或透明导电材料。阳极结构404a位于阴极结构402a的对向。阳极结构404a为透光结构，其材料例如是铟锡氧化物、氟掺杂氧化锡或其他透明导电氧化层材料。阴极结构402a与阳极结构404a基本上例如可以包括基板以及基板上的电极层。阴极结构402a与阳极结构404a的实际结构可以依实际设计而变化，此为本领域技术人员可以了解，在此不继续描述。
荧光层406配置在阴极结构402a与阳极结构404a之间，一般例如配置在阳极结构404a上。
放电层408配置在阴极结构402a上。放电层408的材料可以是金属、纳米碳管、纳米碳壁、纳米碳材、柱状氧化锌(ZnO)、氧化锌薄膜等易放电材料。
低压气体层410配置在阴极结构402a与阳极结构404a之间，其中填入低压气体，例如是在8×10-1～1×10-3torr的范围内，其例如使电子平均自由路径约大于5mm。
在一实施例中，光源装置还包括边壁结构412，其将阴极结构402a与阳极结构404a隔离一距离，同时也封闭出低压气体层410，以填入低压气体。
本发明利用稀薄气体使电子轻易导出，均匀产生足够量的电子420，又利用高电压，允许被游离的电子420撞击荧光层406，以产生所要的光。在本实施例中，由于放电层408是易放电材料，所以可降低工作电压。
在本实施例中，阳极结构404a是透光结构，其材料例如是铟锡氧化物、氟掺杂氧化锡或其他透明导电氧化层材料。因此，当电子420撞击荧光层406时，所产生的光430会穿过阳极结构404a，此种光源装置又称为穿透式光源装置。此外，在穿透式光源装置中，阴极结构402a可为具有较佳高反射性的金属，其可提高反射率并增加亮度与发光效率。
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，因此选用的气体无特殊需求，可以是各类气体或混合气体。使用的气体例如大气、氦、氖、氩、氪、氙、氢、二氧化碳等。由于填入的气体是中～低度真空，因此其平均电子自由路径足够大，使电子在电场加速下可直接撞击荧光层406的材料上，以发出所要的光。
图5的实施例可以另一形式来实施，如图6所示。图6所绘示是根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。图6所示光源装置的结构与功能是类似于图5所示光源装置的结构与功能，因此不再重复说明。请参阅图6，图6的光源装置与图5的光源装置不同之处在于，放电层408配置在阳极结构404a与荧光层406之间。
图5的实施例可以另一形式来实施，如图7所示。图7所绘示是根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。图7所示光源装置的结构与功能是类似于图5所示光源装置的结构与功能，因此不再重复说明。请参阅图7，图7的光源装置与图5的光源装置不同之处在于，放电层408分别配置在阴极结构402a上以及阳极结构404a与荧光层406之间。
图5的实施例可以另一形式来实施，如图8所示。图8所绘示是根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。请参阅图8，光源装置包括阴极结构402b、阳极结构404b、荧光层406、放电层408、低压气体层410、边壁结构412与反射层414。
图8所示的光源装置是类似于与图5所示的光源装置。两者不同之处在于，图8所示的光源装置还包括反射层414，其配置在阳极结构层上。再者，阴极结构402b是透光结构，其材料例如是铟锡氧化物、氟掺杂氧化锡或其他透明导电氧化层材料。阳极结构404b为可透光或不透光的材料。
当电子420撞击荧光层406时，所产生的光430会由反射层414反射穿过阴极结构402b，此种光源装置又称为反射式光源装置。在反射式光源装置中，阳极结构404b较佳为具有高反射性的金属，其可提高反射率并增加亮度与发光效率。
图8的实施例可以另一形式来实施，如图9所示。图9所绘示是根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。图9所示光源装置的结构与功能是类似于图8所示光源装置的结构与功能，因此不再重复说明。请参阅图9，图9的光源装置与图8的光源装置不同之处在于，放电层408配置在反射层414与荧光层406之间。
图8的实施例可以另一形式来实施，如图10所示。图10所绘示是根据本发明一实施例的光源装置的剖面示意图。在本实施例中，图10所示光源装置的结构与功能是类似于图8所示光源装置的结构与功能，因此不再重复说明。请参阅图10，图10的光源装置与图8的光源装置不同之处在于，放电层408分别配置在阴极结构402b上以及反射层414与荧光层406之间。
前述之一些实施例，如果有配合光反射的机制，因此出光面是单面。然而，如果不采用光反射的机制，则当选择阴极结构与阳极结构例如都通过透明导电材料，达成二者都是光穿透的特性，则可以达到双面出光的效果。虽然光强度较弱，但是出光面是双面。而如果在任一出光面之外部加设一反射层，也可以改变成单一出光面。例如，透明基板之一面是透明电极结构，另一面设置有反射层，例如是蒸镀金属反射层。
第三实施例
进一步而言，利用上述的光源装置可以制作成显示器用的背光模块。图11绘示依据本发明实施例，一背光模块结构示意图。参阅图11，本发明实施例的背光模块是架构在前述的发光装置上所组成的发光面板1100，其操作电压由电源控制器1102来提供。另外，例如也可以再增加一散热机构1104，设置在发光面板1100的背后。由于本发明的发光装置容易制成大面积的平面光源，因此，相对也简化背光模块的结构与操作，且增加发光效率。
另外依据背光模块的需要，可以再增加一片增亮膜(BEF，BrightnessEnhance Film)或是反射式增亮膜(DBEF，Dual BEF，以增加光的方向性与亮度。图12绘示依据本发明实施例，另一背光模块结构示意图。以图11的结构为基础，例如在发光面板1100的出光面设置增亮光学膜1106。增亮光学膜1106例如包括BEF或是DBEF。另外，如果需要的话可以再增加其他的光学膜片，其例如在置增亮光学膜1106与发光面板1100之间再增加一扩散模块，使发光强度均匀。
上述实施例的发光模块是以单一发光面板所形成的。然而，发光模块也可以是由多个发光面板单元组成阵列结构。图13绘示依据本发明实施例，另一背光模块结构示意图。参阅图13，发光模块1101例如是由多个发光面板单元1100a、1100b、1100c…所组成，其更例如是以阵列方式组成。分别的发光面板单元1100a、1100b、1100c例如可由不同的电源控制器1102a、1102b、1102c…所控制。于此实施例，由于光源是多个发光面板单元所组成，原始的发光强度会不均匀，因此配合扩散模块1108的使用，使光源混合均匀。接着再利用增亮光学膜1106，使扩散的光尽量往出光面射出，提高光亮度。
另外，为增加发光强度，例如也可以利用多个发光面板单元堆叠而成。另外，当作为背光模块使用时，为了有单一出光面，例如在最外背面可以形成一反射面，更例如利用电极本身达成或是另增一反射层达到反射效果。
综上所述，本发明第一实施例所提出的光源装置具有二次电子产生层。由于在气体中有游离的正离子会撞击阴极，因此当正离子撞击阴极结构上的二次电子产生层时可产生额外的二次电子进而增加发光效率。
本发明第二实施例所提出的光源装置在其阴极结构与阳极结构上皆可配置放电层来降低工作电压。
本发明第三实施例，利用上述的实施例组成背光模块，以提升背光模块的效能。
本发明的光源装置可应用于液晶显示(liquid crystal display，LCD)背光模块上。此光源装置可增加发光强度与发光均匀性，并且进而省略使用冷阴极荧光灯(Cold Cathode Fluorescence Lamp，CCFL)所需的导光板与扩散片等成本。本发明的光源装置结合等离子体与场发射两种光源的优点。本发明的光源装置利用稀薄气体诱导阴极均匀发射电子特性，将电子从阴极结构中轻易导出，此可避免场发射光源阴极制作困难的缺点。
本发明的光源装置乃针对目前的个人计算机、家用电视、车用电视或其他相关用途的薄型LCD背光模块用途的器件，此种形式的场发射发光装置具有节省能、响应时间短、高发光效率、容易制造、环保(不含汞)等优点。
相较于传统的场发射光源装置，本发明的光源装置因阴极结构只需为平面金属或导电薄膜结构，不需特别处理，也可不配置任何材料，所以结构较为简单。再者，本发明不需进行高真空封装，可简化生产工艺并有利于大面积生产。穿透式结构中的阴极金属结构/高反射材料与反射式结构中的阳极金属结构/高反射材料将可提高反射率并增加亮度与发光效率。
本发明所发出的光波长视荧光粉种类而定，可因应照明或显示器等不同用途设计不同波长范围的光源或背光模块。本发明可设计平面或曲面型的背光模块。在本发明中，反射式的反射层可避免光导现象，进而增加亮度与发光效率，若配合接地的电路设计，还可消除荧光粉中的电荷累积。
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 (30)

1.一种光源装置，包括：
阴极结构，具有透光特性，做为一出光面；
阳极结构，位于该阴极结构对向，具有光反射特性；
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，该低压气体层具有诱导阴极均匀发射电子的作用，
其中该低压气体层有大的电子平均自由路径，允许电子在一操作电压下可直接撞击该荧光层，以产生所要的光。
2.如权利要求1所述的光源装置，其中该二次电子产生层包括容易产生电子的材料。
3.如权利要求2所述的光源装置，其中该容易产生电子的材料包括氧化镁、氧化铽、氧化镧或氧化铈。
4.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8×10-1～10-3torr的范围内。
5.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。
6.如权利要求1所述的光源装置，还包二次电子产生层，位于在该阴极结构上。
7.如权利要求1所述的光源装置，其中该阳极结构包括电极层与光反射层。
8.如权利要求1所述的光源装置，其中该阳极结构是金属材料，同时具有光反射特性。
9.一种光源装置，包括：
阴极结构，具有透光特性；
阳极结构，位于该阴极结构对向，具有透光特性；
放电层，位于该阴极结构与该阳极结构的至少其中之一上；
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，该低压气体层具有诱导阴极均匀发射电子作用，
其中该低压气体层有大的电子平均自由路径，使电子在一操作电压下可直接撞击该荧光层。
10.如权利要求9所述的光源装置，其中该放电层位于该阴极结构上。
11.如权利要求9所述的光源装置，其中该放电层位于该阳极结构上。
12.如权利要求9所述的光源装置，其中该放电层位于该阴极结构以及该阳极结构上。
13.如权利要求9所述的光源装置，其中放电层包括容易放电的材料。
14.如权利要求13所述的光源装置，其中该容易放电的材料包括金属。
15.如权利要求13所述的光源装置，其中该容易放电的材料包括纳米碳管、纳米碳壁或纳米碳材。
16.如权利要求13所述的光源装置，其中该容易放电的材料包括柱状氧化锌或氧化锌薄膜。
17.如权利要求9所述的光源装置，其中该低压气体层的气压是在8×10-1～10-3torr的范围内。
18.如权利要求9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。
19.如权利要求9所述的光源装置，还包括反射层，位于该荧光层与该阳极结构之间。
20.一种背光源装置，包括：
至少一电源控制器，提供至少一操作电压；以及
发光单元，包括至少一发光面板，该发光面板受该操作电压控制，其中该发光面板包括：
阴极结构；
阳极结构，位于该阴极结构对向；
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，该低压气体层具有诱导阴极均匀发射电子的作用，
其中该低压气体层有大的电子平均自由路径，使电子在一操作电压下可直接撞击该荧光层。
21.如权利要求20所述的背光源装置，还包括散热机构，配置在该发光面板的背面。
22.如权利要求20所述的背光源装置，还包括增亮光学膜，配置在该发光面板的出光面。
23.如权利要求20所述的背光源装置，其中该发光面板还包括二次电子产生层，位于在该阴极结构上。
24.如权利要求20所述的背光源装置，其中该发光面板还包括放电层，位于该阴极结构与该阳极结构的至少其中之一上。
25.如权利要求20所述的背光源装置，其中该发光单元包括多个该发光面板。
26.如权利要求20所述的背光源装置，还包括增亮光学膜，配置在该发光面板的出光面的一边。
27.如权利要求20所述的背光源装置，还包括扩散模块，在该发光面板与该增亮光学膜之间。
28.如权利要求20所述的背光源装置，其中该阴极结构与该阳极结构的其一具有光穿透性，而其另一具有光反射性。
29.如权利要求20所述的背光源装置，其中该至少一发光面板是由多个发光面板组成一阵列，分别发光构成一发光面。
30.如权利要求20所述的背光源装置，其中该至少一发光面板，是由多个发光面板构成堆叠结构。
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