CN101661865B - 利用多孔硅弹道电子发射的平面光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用多孔硅弹道电子发射的平面光源。所述平面光源在前基板和后基板上均制作荧光粉层，前、后基板间以一定的间隔设置一些相互平行的支撑条，在每个支撑条的两个侧面及封接框的两条边的内侧面上制备底电极、多孔硅膜和顶电极或阳极，底电极、多孔硅膜和顶电极三者构成了可产生弹道电子发射的多孔硅阴极，在前、后基板围成的内部空间充入惰性气体。在所述平面光源的电极上施加适当的直流电压后，就会由多孔硅膜向气体空间发射电子，电子与惰性气体原子发生碰撞激发，产生真空紫外线(VUV)以激发荧光粉发光。

Description

利用多孔硅弹道电子发射的平面光源

技术领域

本发明属于光源制造领域，涉及一种平面光源，特别涉及一种利用多孔硅弹道电子发射以激发气体原子的平面光源。

背景技术

随着全球能源紧张和环境污染加剧，各国政府都十分重视节能和环境保护，在照明领域，研发高效节能、无环境污染的绿色光源成为了光源技术发展的一个重要方向。由于含汞荧光灯的技术成熟、光效较高(达到60-80lm/w)、规格型号齐全，目前仍被广泛用作照明光源和LCD背光源。近十几年来，尽管无汞光源技术(如高压钠灯、金属卤化物灯、白光发光二极管、Xe放电型荧光灯等)的研发和应用也取得了较大的进展，但由于它们各自存在的一些缺点，目前还无法获得大量应用。高压钠灯的光效高达120lm/W，但显色指数在20左右，只能用于不需很好分辨物体颜色和细节的场所的照明；金属卤化物灯由于制造工艺复杂、成本很高、售价昂贵，因而应用受到限制；大功率白光LED的光效为40-50lm/W，由于存在温升问题，寿命问题还未得到很好解决；Xe放电型荧光灯寿命很长，超过6万小时，但发光效率较低，约为30lm/w。

Xe放电型平面荧光灯的结构如图1所示，它由玻璃材料制成的前基板1和后基板2组成，前基板1的内侧面配置有荧光粉层6，后基板2的内侧面配置有两组电极，即X电极3和Y电极4，X电极3和Y电极4上覆盖有介质层5，介质层5表面覆盖有荧光粉层7，前基板1和后基板2间由支撑柱(未显示)来保持一定的距离，内部充入放电气体，在X电极3和Y电极4间施加一定的电压波形，则会在电极间产生气体放电，放电产生的真空紫外线(VUV)可激发荧光粉发出可见光。导致Xe放电型平面荧光灯发光效率低的主要原因为，它是利用惰性气体的放电来发光，而气体放电中大部分电能被用于气体原子的电离及离子加速上，这部分能量最后基本上都转化为热能损失掉，而用于激发气体原子来产生VUV的电能很少。

如果能实现在不发生气体放电的情况下，直接由电子激发气体原子以产生VUV来激发荧光粉发光，则可大大提高光源的发光效率。而要在不发生放电的情况下在气体空间中产生电子，则必须要有电子源，它能不断地向气体空间注入能量较高的电子。而多孔多晶硅就是一种性能较佳的电子源，可产生一种准弹道电子发射(又称为弹道电子发射)，其特点是具有表面电子发射能力、低电压工作、发射电子能量高、响应快速和电子发散角小，电子发射率可达3％，更为重要的是其发射性能对环境气压不敏感，可在一定的气体环境中工作。多孔多晶硅最初被日本松下公司用于场发射显示，后于2008年又将它用于平面光源。

松下公司设计的利用多孔硅弹道电子发射的平面光源，它由玻璃材料制成的前基板和后基板组成，前基板的内侧面配置有阳极，在阳极上覆盖有荧光粉层，后基板的内侧面配置有底电极8、多孔硅膜和顶电极，这三者一起构成了多孔硅阴极，前基板和后基板间由支撑柱(未显示)来保持一定的距离，内部充入纯Xe气。在底电极与顶电极及阳极间施加一定的直流电压，则会由多孔硅阴极向气体空间发射电子，这些电子与气体原子发生碰撞激发，从而产生VUV以激发荧光粉发光。由于这种无放电的光源的气体原子激发效率大大提高，有可能获得高的发光效率。由于多孔硅阴极要发射电子，因此在其表面不能涂敷荧光粉和制作反射层，荧光粉只能涂敷在平面光源的前基板上，并且厚度不能太厚，否者会降低可见光的透过率，这就导致了射向后基板的VUV和可见光不能被有效利用，而射向前基板1的VUV由于荧光粉较薄的原因也无法完全转变为可见光，这些因素制约了光源发光效率的进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用多孔硅弹道电子发射的平面光源，实现由多孔硅电子源向气体空间注入能量较高的电子以直接激发气体原子，并充分利用产生的VUV和可见光，从而提高平面光源的发光效率和亮度。

本发明的基本构思是：平面光源的前、后基板间以一定的间隔设置一些相互平行的支撑条，支撑条的两个侧面及封接条的内侧面上制备底电极、多孔硅膜和顶电极或阳极，在前、后基板上均涂敷有荧光粉，在前、后基板围成的内部空间充入惰性气体，在电极上施加一定的直流电压后，就会由多孔硅膜向气体空间发射电子，电子与惰性气体原子发生碰撞激发，产生VUV以激发荧光粉发光。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

包括由玻璃材料制成的相隔距离的前基板和后基板，在前、后基板的相对的两个表面上均涂敷有荧光粉，前、后基板的四周有封接框以密封前、后基板之间的空间，前、后基板之间设置有相互平行的若干支撑条，在每个支撑条的每个侧面及与支撑条平行的两条封接边的内侧面上依次设置底电极、多孔硅膜和顶电极，或设置有阳极，底电极、多孔硅膜和顶电极三者构成了产生弹道电子发射的多孔硅阴极。

其中在所述支撑条的一个侧面上制备多孔硅阴极，在另一个侧面上设置阳极，相邻支撑条的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极，在与支撑条平行的两条封接边的内侧面上设置多孔硅阴极或阳极，相邻的支撑条和封接边的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极，相邻的支撑条之间及相邻的支撑条和封接边之间按照3-25mm的距离等间距设置。

其中所述支撑条中的一部分的两个侧面上均制备多孔硅阴极，另一部分支撑条的两个侧面上均制备阳极，这两种支撑条交替放置，以使相邻支撑条的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极，在与支撑条平行的两条封接边的侧面上制备多孔硅阴极或阳极，相邻的支撑条和封接边的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极，相邻的支撑条之间及相邻的支撑条和封接边之间按照3-25mm的距离等间距设置。

在其中所述后基板的荧光粉层下设有反射层。

多孔硅膜的制备方法为：首先，在薄基片上采用等离子体增强化学气相沉积法制备厚度为1-2μm的多晶硅膜；然后，采用阳极氧化法对多晶硅膜进行腐蚀，制备出多孔硅膜；最后，采用电化学氧化法对多孔硅膜进行氧化。

其中所述底电极选用Al、W、Cr、Ni或Mo材料，顶电极选用Au或Pt材料，并采用磁控溅射或电子束真空蒸发镀膜工艺制备，顶电极的膜厚为520nm。

其中所述阳极采用氧化铟锡(ITO)、Ag、Al、Cr或Ni材料，并采用磁控溅射或电子束真空蒸发镀膜工艺制备，或者采用丝网印刷Ag浆料结合烧结工艺制作。

其中所述荧光粉层采用印刷法、旋涂法或喷涂法制作，其中前基板的荧光粉层厚度为6-20μm，后基板上的荧光粉层厚度为50-200μm，平面光源内部的气体采用纯氙气Xe或纯氪气Kr，或者是含Xe或含Kr的惰性混合气体。

由于本发明将多孔硅阴极和阳极设置在支撑条和封接边的侧面，因此，前、后基板的表面均可涂敷荧光粉。电子由多孔硅阴极发射出来，向阳极运动过程中，与气体原子发生碰撞，通过控制顶电极、阳极与底电极间的电压，使得发射出的电子的能量高于气体原子的激发能，但低于气体原子的电离能，则这些电子可直接激发气体原子而不引起电离，从而产生VUV，射向前、后基板的VUV均能有效地转变为白光，并且射向后基板的白光也能被荧光粉下的反射层反射到前基板方向。与现有技术相比，本发明的平面光源可提高光源的发光效率和亮度。

因为本发明的平面光源的前基板上只有一层荧光粉，后基板上也只有反射层和荧光粉，所以前、后基板的制作非常简单。根据本发明的平面光源的制造方法，带有多孔硅阴极和阳极的支撑条和封接边可在大面积的玻璃板或陶瓷片上制备，然后按照一定的尺寸裁出大量的支撑条和封接边，因此生产效率高，适合于平面光源的大批量生产。

附图说明

图1是本发明第一种实例的利用多孔硅弹道电子发射的平面光源的结构示意图，其中，图a是主视图，图b是俯视图；

图2是本发明第二种实例的利用多孔硅弹道电子发射的平面光源的结构示意图，其中，图a是主视图，图b是俯视图；

图3是本发明的一种实例的利用多孔硅弹道电子发射的平面光源中支撑条上多孔硅阴极的制备方法示意图。

下面结合附图对本发明内容作进一步的详细说明。

具体实施方式

按照图1所示，平面光源包括由玻璃材料制成的相隔一定距离的前基板1和后基板2，在它们1、2相对的两个表面上均涂敷有荧光粉6、7，在后基板2的荧光粉层7下设有反射层14，前、后基板1、2的四周有封接框以密封前、后基板1、2之间的空间，前、后基板1、2间以一定的间隔设置一些相互平行的支撑条13，在支撑条13的一个侧面上制备底电极8、多孔硅膜9和顶电极10，底电极8、多孔硅膜9和顶电极10三者构成了可产生弹道电子发射的多孔硅阴极，在另一个侧面上制备阳极11，相邻支撑条13的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极11，在与支撑条13平行的两条封接边12的内侧面上制备多孔硅阴极或阳极11，相邻的支撑条13及封接边12的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极11，相邻的支撑条13之间或相邻的支撑条13和封接边12之间按照3-25mm的距离等间距设置，支撑条13从封接框的一侧伸出，而与封接框的另一侧有1-3mm的距离作为排气和充气通道。

按照图2所示，平面光源包括由玻璃材料制成的相隔一定距离的前基板1和后基板2，在它们相对的两个表面上均涂敷有荧光粉6、7，在后基板2的荧光粉层7下设有反射层14，前、后基板1、2的四周有封接框以密封前、后基板1、2之间的空间，前、后基板1、2间以一定的间隔设置一些相互平行的支撑条13，在一部分支撑条13的两个侧面上均制备底电极8、多孔硅膜9和顶电极10，底电极8、多孔硅膜9和顶电极10三者构成了可产生弹道电子发射的多孔硅阴极，而在另一部分支撑条13的两个侧面上均制备阳极11，这两种支撑条13交替放置，以使相邻支撑条13的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极11，在与支撑条13平行的两条封接边12的侧面上制备多孔硅阴极或阳极11，相邻的支撑条13和封接边12的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极11，相邻的支撑条13之间或相邻的支撑条13和封接边12之间按照3-25mm的距离等间距设置，支撑条13从封接框的一侧伸出，而与封接框的另一侧有1-3mm的距离作为排气和充气通道。

利用多孔硅弹道电子发射的平面光源的制作方法包括在前基板1上制作荧光粉层6，在后基板2上制作反射层14，在反射层14上制作荧光粉层7，将用作支撑条13的厚度为0.2-2mm的薄基片的两个侧面上均制备多孔硅阴极或均制备阳极11，或者在一个侧面上制备多孔硅阴极，而在另一个侧面上制备阳极11，将用作封接框的薄基片的一个侧面上制备多孔硅阴极或制备阳极11，然后将这些薄基片按照2-8mm的宽度裁成等宽的条，均匀放置在前、后基板1、2间的适当位置，使得相互平行的相邻的支撑条13或相邻的支撑条13和封接边12的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极11。

按照图3所示，多孔硅阴极的制备方法为：

(1)在用作支撑条13或封接边12的薄基片上制备底电极8：底电极8选用Al、W、Cr、Ni、Mo等材料，并采用磁控溅射或电子束真空蒸发镀膜工艺制备；

(2)在底电极8上制备多孔硅膜9：首先，采用等离子体增强化学气相沉积法制备厚度为1-2μm的多晶硅膜；然后，采用阳极氧化法对多晶硅膜进行腐蚀，制备出多孔硅膜，腐蚀液为由氢氟酸HF和乙醇配制的混合溶液；最后，将带有多孔硅膜的薄基片放入H₂SO₄溶液或H₂SO₄溶液与其他酸溶液构成的混合液中，采用电化学氧化法对多孔硅膜进行氧化。

(3)再在多孔硅膜9上制备顶电极10：顶电极10选用Au、Pt等材料，并采用磁控溅射或电子束真空蒸发镀膜工艺制备，顶电极10的膜厚为5-20nm。

阳极11采用氧化铟锡(ITO)、Ag、Al、Cr、Ni等材料，并采用磁控溅射或电子束真空蒸发镀膜工艺制备，或着采用丝网印刷Ag浆料结合烧结工艺制作。

荧光粉层6、7采用印刷法、旋涂法或喷涂法制作，其中前基板1的荧光粉层6较薄，厚度为6-20μm，后基板2上的荧光粉层7较厚，厚度为50-200μm，平面光源内部的气体采用纯氙气Xe、纯氪气Kr，或者是含Xe或含Kr的惰性混合气体。

由于将多孔硅阴极和阳极设置在支撑条和封接边的侧面，因此，前、后基板的表面均可涂敷荧光粉。电子从多孔硅阴极发射出来，在向阳极运动过程中与气体原子发生直接碰撞激发，从而产生VUV，射向前、后基板的VUV均能转变为白光，并且射向后基板的白光也能被荧光粉下的反射层反射到前基板方向。与现有技术相比，本发明的平面光源可提高光源的发光效率和亮度。

根据本发明的平面光源的制造方法，带有多孔硅阴极和阳极的支撑条和封接边可在大面积的玻璃板或陶瓷片上制备，然后按照一定的尺寸裁出大量的支撑条和封接边，因此生产效率高，适合于平面光源的大批量生产。

虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明作出了详细的描述，但并非用上述实施例来限定本发明。本发明的利用多孔硅弹道电子发射的平面光源及制造方法不局限于上述几种形式，只要是按照本发明的技术方案，采用在支撑条和封接框的侧面制备多孔硅阴极和阳极，利用多孔硅膜的弹道电子发射以直接激发气体原子，从而达到提高平面光源的发光效率和亮度的目的，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用多孔硅弹道电子发射的平面光源，包括由玻璃材料制成的相隔距离的前基板(1)和后基板(2)，在前、后基板(1、2)的相对的两个表面上均涂敷有荧光粉(6、7)，前、后基板(1、2)的四周有封接框以密封前、后基板(1、2)之间的空间，其特征在于，前、后基板(1、2)之间设置有相互平行的若干支撑条(13)，在每个支撑条(13)的每个侧面及与支撑条(13)平行的两条封接边(12)的内侧面上依次设置底电极(8)、多孔硅膜(9)和顶电极(10)，或设置有阳极(11)，底电极(8)、多孔硅膜(9)和顶电极(10)三者构成了产生弹道电子发射的多孔硅阴极，相邻支撑条(13)的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极(11)，相邻的支撑条(13)和封接边(12)的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极(11)。

2.如权利要求1所述的平面光源，其特征在于，其中在所述支撑条(13)的一个侧面上制备多孔硅阴极，在另一个侧面上设置阳极(11)，相邻支撑条(13)的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极(11)，在与支撑条(13)平行的两条封接边(12)的内侧面上设置多孔硅阴极或阳极(11)，相邻的支撑条(13)和封接边(12)的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极(11)，相邻的支撑条(13)之间及相邻的支撑条(13)和封接边(12)之间按照3-25mm的距离等间距设置。

3.如权利要求1所述的平面光源，其特征在于，其中所述支撑条(13)中的一部分的两个侧面上均制备多孔硅阴极，另一部分支撑条(13)的两个侧面上均制备阳极(11)，这两种支撑条(13)交替放置，以使相邻支撑条(13)的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极(11)，在与支撑条(13)平行的两条封接边(12)的侧面上制备多孔硅阴极或阳极(11)，相邻的支撑条(13)和封接边(12)的相对的两个侧面上分别为多孔硅阴极和阳极(11)，相邻的支撑条(13)之间及相邻的支撑条(13)和封接边(12)之间按照3-25mm的距离等间距设置。

4.如权利要求1所述的平面光源，其特征在于，在其中所述后基板的荧光粉层(7)下设有反射层(14)。

5.根据权利要求1所述的平面光源，其特征在于，其中所述底电极(8)选用Al、W、Cr、Ni或Mo材料，顶电极(10)选用Au或Pt材料，并采用磁控溅射或电子束真空蒸发镀膜工艺制备，顶电极的膜厚为5-20nm。

6.根据权利要求1所述的平面光源，其特征在于，其中所述阳极(11)采用氧化铟锡(ITO)、Ag、Al、Cr或Ni材料，并采用磁控溅射或电子束真空蒸发镀膜工艺制备，或者采用丝网印刷Ag浆料结合烧结工艺制作。

7.根据权利要求1所述的平面光源，其特征在于，其中所述荧光粉层(6、7)采用印刷法、旋涂法或喷涂法制作，其中前基板的荧光粉层(6)厚度为6-20μm，后基板上的荧光粉层(7)厚度为50-200μm，平面光源内部的气体采用纯氙气Xe或纯氪气Kr，或者是含Xe或含Kr的惰性混合气体。

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