CN101714496B - 利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源。所述平面气体激发光源包括由玻璃材料制成的前基板(1)和后基板(2)；所述前基板(1)或后基板(2)上设置有能产生表面电子发射的电子源；所述前基板(1)和后基板(2)中至少一个涂覆有荧光粉层(4)；所述电子源由上电极(7)、绝缘膜(6)和下电极(5)构成；所述下电极(5)平铺在后基板(2)表面，绝缘膜(6)平铺在下电极(5)表面，上电极(7)平铺在绝缘膜(6)表面。本发明的平面气体激发光源与现有的无汞Xe放电型平面荧光灯相比，本发明的平面气体激发光源可提高发光效率，降低工作电压。同时，本发明的平面气体激发光源结构简单，适合于大批量生产。

Description

利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源

技术领域

本发明属于电光源制造领域，涉及平面光源，特别涉及一种利用由多层薄膜构成的电子源产生表面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荧光粉层，后基板的内侧面配置有两组电极，即X电极和Y电极，在它们之上覆盖有介质层，介质层表面覆盖有荧光粉层，前基板和后基板间由支撑柱来保持一定的距离，内部充入放电气体，在X电极和Y电极间施加一定的电压波形，则会在电极间产生气体放电，放电产生的紫外线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辉光放电来发光，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紫外线的电能很少。并且目前Xe放电型平面荧光灯的工作电压一般较高，为1000-2500V。

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紫外线而激发荧光粉发光，则可大大提高平面荧光灯的发光效率，并且可有效降低器件工作电压。而要在不发生放电的情况下在气体空间中产生电子，则必须要有可不断地向气体空间注入较高能量电子的电子源。

金属-绝缘体-金属(MIM)和金属-绝缘体-半导体-金属(MISM)多层薄膜可构成性能优良的电子源，它们能产生场助热电子发射，具有表面电子发射能力、低电压工作、发射均匀性好和电子发散角小等特点，更为重要的是其抗污染能力强，实验已证实它们可在很低的真空度甚至一定的气体环境下工作。目前，MIM和MISM多层薄膜一般作为场发射阴极应用于场发射显示器(FED)中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种将气体放电发光技术和场电子发射技术相结合的一种新型平面光源，该平面光源中设有多层薄膜构成的电子源，电子源在电场的作用下产生表面电子发射，向气体空间注入能量较高的电子以直接激发气体原子，从而提高平面光源的发光效率和亮度，并实现低电压工作。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术解决方案：

本发明的基本构思是：平面气体激发光源包括由玻璃材料制成的前基板和后基板，在前、后基板之一或两者上设有荧光粉层，在前基板或后基板上设置能产生表面电子发射的电子源，它由用金属、绝缘体和半导体材料制备的多层薄膜构成，前、后基板间充入惰性气体。平面气体激发光源利用电子源发射电子来激发气体原子辐射紫外线，从而激发荧光粉发光。具体方案如下：

一种利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源，包括由玻璃材料制成的前基板1和后基板2，其特征在于：所述前基板1或后基板2上设置有能产生表面电子发射的电子源；所述前基板1和后基板2中至少一个涂覆有荧光粉层4；所述电子源由上电极7、绝缘膜6和下电极5构成；所述下电极5平铺在后基板2表面，绝缘膜6平铺在下电极5表面，上电极7平铺在绝缘膜6表面。

所述前基板1和后基板2之间充有惰性气体，电子源置于惰性气体中。

所述绝缘膜6材料从三氧化二铝、二氧化硅、氧化镁、五氧化二钽、氮化硅、二氧化铪和氧化锆中选择，膜厚为3-500nm。

所述绝缘膜6具有多晶或非晶结构。

所述上电极7和绝缘膜6之间设置有半导体膜8；所述电子源由上电极7、半导体膜8和绝缘膜6和下电极5构成。

所述半导体膜8材料从硫化锌、氧化锌、氧化镁锌、硫化镁、硫化镉、硒化锌、硒化镉中选择，膜厚为3-100nm。

所述下电极5选用Al、W、Cr、Ni、Mo等材料制作，上电极7选用Au、Pt、Ir等材料制作。

上述技术方案可以是以下两种：

第一种技术方案：

平面气体激发光源包括由玻璃材料制成的前基板和后基板，在前基板或后基板上设置能产生表面电子发射的电子源，它具有金属-绝缘体-金属的多层膜结构，即前基板或后基板上依次设置下电极、绝缘膜和上电极，而在与电子源相对的基板上设置阳极，阳极上设置有荧光粉层，前、后基板间充入惰性气体。

所述绝缘膜6材料从三氧化二铝、二氧化硅、氧化镁、五氧化二钽、氮化硅、二氧化铪和氧化锆中选择，膜厚为3-500nm。

所述绝缘膜6具有多晶或非晶结构。

第二种技术方案：

平面气体激发光源包括由玻璃材料制成的前基板和后基板，在前基板或后基板上设置能产生表面电子发射的电子源，它具有金属-绝缘体-半导体-金属的多层膜结构，即前基板或后基板上依次设置下电极、绝缘膜、半导体膜和上电极，而在与电子源相对的基板上设置阳极，阳极上设置有荧光粉层，前、后基板间充入惰性气体。

所述绝缘膜6材料从三氧化二铝、二氧化硅、氧化镁、五氧化二钽、氮化硅、二氧化铪和氧化锆中选择，膜厚为3-500nm。

所述绝缘膜6具有多晶或非晶结构。

所述半导体膜8材料从硫化锌、氧化锌、氧化镁锌、硫化镁、硫化镉、硒化锌、硒化镉中选择，膜厚为3-100nm。

以上两种方案中所述下电极选用Al、W、Cr、Ni、Mo等材料制作，上电极选用Au、Pt、Ir等材料制作，阳极为透明的ITO电极。

MIM结构多层膜构成的电子源的电子发射机理为，下电极中的电子在上、下电极间强电场的作用下，依靠隧道效应穿过下电极金属和绝缘层之间的势垒，进入到绝缘层的导带中。在其中经过各种散射和陷阱效应，不断失去能量，同时又从电场中得到能量。到达上电极时，一部分电子的能量超过表面势垒而发射到真空或气体空间中。

MISM结构多层膜构成的电子源可在交流和直流两种模式下发射电子。交流模式中，在驱动电压的负半周，电子在上、下电极间强电场的作用下从上电极注入到绝缘层和半导体层之间的界面上，而在正半周中，界面态电子又回到半导体层中，并且得到加速，最终一部分电子穿过上电极而发射到真空或气体空间中。直流模式中，下电极中的电子在上、下电极间强电场的作用下，穿过绝缘层，进入半导体层并得到加速，到达上电极时，一部分电子的能量超过表面势垒而发射到真空或气体空间中。

本发明的平面气体激发光源的工作过程为在下电极、上电极和阳极间施加适当的电压后，电子源向气体空间发射电子，电子向阳极运动过程中与气体原子发生碰撞激发，通过控制上电极、阳极与下电极间的电压，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，从而产生紫外线，再由紫外线激励荧光粉发出可见光。与现有的无汞Xe放电型平面荧光灯相比，本发明的平面气体激发光源可提高发光效率，降低工作电压。同时，本发明的平面气体激发光源结构简单，适合于大批量生产。

附图说明

图1是本发明的第一种实例的利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源的结构示意图；

图2是本发明的第二种实例的利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明内容作进一步的详细说明。

以下将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在以下的附图中，相同的附图标记表示相同的构成元件。

参照图1所示，平面气体激发光源由用玻璃材料制成的前基板1和后基板2组成，在后基板2上设置能产生表面电子发射的电子源，它具有金属-绝缘体-金属(MIM)的多层膜结构，即后基板2上依次设置下电极5、绝缘膜6和上电极7，在前基板1上设置阳极3，阳极3表面设置有荧光粉层4，前、后基板1、2间充入含有氙气或含有氪气的惰性气体。绝缘膜6材料从三氧化二铝、二氧化硅、氧化镁、五氧化二钽、氮化硅、二氧化铪和氧化锆中选择，膜厚为3-500nm，它们具有多晶或非晶结构。

参照图2所示，平面气体激发光源由用玻璃材料制成的前基板1和后基板2组成，在后基板2上设置能产生表面电子发射的电子源，它具有金属-绝缘体-半导体-金属(MISM)的多层膜结构，即后基板2上依次设置下电极5、绝缘膜6、半导体膜8和上电极7，在前基板1上设置阳极3，阳极3表面设置有荧光粉层4，前、后基板1、2间充入含有氙气或含有氪气的惰性气体。绝缘膜6材料从三氧化二铝、二氧化硅、氧化镁、五氧化二钽、氮化硅、二氧化铪和氧化锆中选择，膜厚为3-500nm，它们具有多晶或非晶结构。半导体膜8材料从硫化锌、氧化锌、氧化镁锌、硫化镁、硫化镉、硒化锌、硒化镉中选择，膜厚为3-100nm。

以上所述平面气体激发光源的下电极5选用Al、W、Cr、Ni、Mo等材料制作，上电极7选用Au、Pt、Ir等材料制作，阳极3为透明的ITO电极。

本发明的平面气体激发光源依靠MIM薄膜结构和MISM薄膜结构的表面发射型电子源发射电子来直接激发惰性气体中的氙原子或氪原子，从而产生紫外线，再由紫外线激励光致发光荧光粉发光。与现有技术相比，这种发光方式由于避免了气体原子电离和离子在电场中的加速所带来的能量损耗，因而可提高发光效率，降低工作电压。同时，本发明的平面气体激发光源结构简单，适合于大批量生产。

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。本发明的利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源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MIM薄膜结构和MISM薄膜结构电子源，利用表面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，降低工作电压的目的，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源，包括由玻璃材料制成的前基板(1)和后基板(2)，其特征在于：所述后基板(2)上设置有能产生表面电子发射的电子源；所述前基板(1)和后基板(2)中至少一个涂覆有荧光粉层(4)；在前基板(1)上设置阳极(3)；

所述电子源具有金属-绝缘体-金属的多层膜结构，由上电极(7)、绝缘膜(6)和下电极(5)构成；所述下电极(5)平铺在后基板(2)表面，绝缘膜(6)平铺在下电极(5)表面，上电极(7)平铺在绝缘膜(6)表面；

或者具有金属-绝缘体-半导体-金属的多层膜结构，由上电极(7)、半导体膜(8)、绝缘膜(6)和下电极(5)构成；后基板上依次设置下电极(5)、绝缘膜(6)、半导体膜(8)和上电极(7)；

所述前基板(1)和后基板(2)之间充有惰性气体，电子源置于惰性气体中；

电子源向气体空间发射电子，电子向阳极运动过程中与气体原子发生碰撞激发，通过控制上电极、阳极与下电极间的电压，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，这些电子直接激发气体原子而不引起电离，从而产生紫外线，再由紫外线激励荧光粉发出可见光。

2.如权利要求1所述一种利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源，其特征在于：所述绝缘膜(6)材料从三氧化二铝、二氧化硅、氧化镁、五氧化二钽、氮化硅、二氧化铪和氧化锆中选择，膜厚为3-500nm。

3.如权利要求1所述一种利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源，其特征在于：所述绝缘膜(6)具有多晶或非晶结构。

4.如权利要求1所述一种利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源，其特征在于：所述半导体膜(8)材料从硫化锌、氧化锌、氧化镁锌、硫化镁、硫化镉、硒化锌、硒化镉中选择，膜厚为3-100nm。

5.如权利要求1所述一种利用多层薄膜型电子源的平面气体激发光源，其特征在于：所述下电极(5)选用Al、W、Cr、Ni、Mo材料制作，上电极(7)选用Au、Pt、Ir材料制作。

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