CN1619762A - 阴极冷光灯源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阴极冷光灯源，至少包含：一场发射阴极场电子源，一阳极其提供光反射表面，有一阴极发冷光材料层于阳极反射表面上方；一透明体做为容置空间将阴极与阳极封置于其中并抽真空，以使阴极发冷光材料层于阳极上方由电子激发所发出的冷光，经阳极反射后从透明灯管处放出。

Description

阴极冷光灯源

技术领域

本发明涉及一种阴极冷光灯源，尤指一种灯的发光源与发光源的内部结构排列。

背景技术

人类活动在不同的场所通常使用不同类型的光源。多数情况下光源操作的基本原则是将电流转换为光。依据各种不同目的，就会遭遇辐射强度、方向性、光谱分布、及其它特性的特殊需求。其中对任何光源而言，最为重要的参数就是转换为光的能源效率。因此，各种光源的参数在一个宽广的范围内就有各式的变化，依据光发射的物理基础而定。特别是电能转换为可见光的效率以各种电子冷光而言与光射出的各式不同波长相关。因其发光的物理机制不尽相同，造成效率的转换形成一极宽的范围。举例而言，在可见光白炽灯源中，转换效率甚至只有1％的效果，因其转换效率是根据其中许多不同波长的光源效率合成所得，当短波长(蓝光)的效率为0.01％而长波长(红光及远红外光)的效率为15％时，则产生此结果。在许多气体放电光源中，其电能转换光能的效率约为1％至20％，需依据其放电及材质放光的特性。而在气体放电光源中有部分是利用特殊的UV光源照射，使气体接受UV光的能量达到光致发光的机制，其部分能量转换效率可高达60％，相较于电能转光能的总效率还要高上10％。尽管光致发光的光源有相对高的转换效率，但却仍有许多缺点，其中最大的缺点即是在光源内加入了水银，加入水银的功效在于取代UV光源，以电子束激发水银使其放出冷光，其效率约可达到35-40％。此外，阴极发光光源的总转换效率为一函数与建立所需求电子束的能量总合相关联。

阴极冷光源可以是各式各样的冷光灯、指示器、电视映像管、真空发光装置及其相似品。一般而言，电子束在上述的装置都是由于由一高温的阴极放射出热电子，例如像是英国专利第#2,009,492及RF专利像是#2,089,007，电能转换为可见光能的效率如此之低，说明相当大的能量是转换为热能而加热阴极。还有，上述装置的电场应用都被复杂的制程本身及整体尺寸及置于上述装置的操作条件所限制。另一方面使用其它种以电子激发的发光装置，如：光子放射、二次电子放射、及其它相类似的装置，对电能转换为可见光能的效率提升而言，仍是失败的。

以使用电场(或自发性发射源)以产生电子束的另一种方法。不同于一般热离子、光电子、及其它种促进发射场放射电子的发生装置，在阴极(发射器)处不需吸收电能，即可提供所需的高效率转换光源。然而，使用场放射阴极和得一够高的电流密度以提供电子束将与在阴极表面处则将有一极大的电场强度(电位梯度)(108-109V/m)有关系；要达到如此高的电场强度，则需要够大的电压及/或极细的尖端点状或是线状阴极才能达到对局部电场放大有所贡献。

因此，于尖端与边缘的微米与次微米的范围下所能提供的电压值很容易受到实际情况的影响。这样就很容易在它们的制程中增加成本。更进一步说，由于微米尺寸的尖端构造对环境的高敏感性，造成电子发射呈极不稳定状态；因此，在这样的环境下，将显著妨碍场发射阴极被广泛应用于仪器或装置。

在现有技术中，阴极冷光灯源使用导电材料所做的灯丝做为场发射阴极(cf.WO97/07531)，在此类型的灯中，阴极封装在真空玻璃灯泡内，其内表面有一透明导电材质做为阳极。一具有被电子束激发而产生光的磷发光层涂布于阳极上。然而其本身于结构上存在一缺点，即为了达到实际应用中所要求的电子发射及阴极与阳极之间的高跨压值以达到足够电场强度，就需将灯丝的直径做到极端纤细(从1μ到15μ)。在此情形下这样的灯丝所具的机械强度往往太低以使得在阴极制作上成为一大问题。另一缺点为阴极冷光灯其电子束激发磷光层效率较高之处为磷发光层面向阴极所在，而此处为于灯泡向内处，因此一相当比例的光束被靠近灯泡的透明外部表面的电子激发磷光层所吸收。光被吸收的结果将导致部分能量损失及使得这一型的灯泡转换效率受影响。

在现有技术中的碳材料，在相当低的电场强度(106-107V/m)就可观察到场发射。这是因其奈米尺寸的关系以及附于奈米碳特殊的电子特性的关系(请参考WO 00/40508 A1)。使用此种材料作为电子发射器(阴极)，可以显著的降低产生电子束所需在阴极与阳极之间的跨压值。

更多的阴极冷光灯源之一是采用圆柱型热离子二极管，其场发射阴极似乎是以直径1mm金属线涂布以奈米碳管于其上(请参考.J.-M.Bonard，T.Stoeckli，O.Noury，A.Chatelain，App.Phys.Lett.78，2001，2775-2777)，使用此奈米碳管于组件中可减少电压所需的值。然而，使用奈米碳管的灯泡缺点之一是在奈米碳管制作过程中包含使用金属性的催化剂，因此在加工过程中会携带金属微粒而使得最后有金属微粒附着其上。这样的结果将需要对奈米碳管做化学性的再处理以去除金属微粒以达到高效率的电子放射。另一此类灯的固有缺点为电子激发的问题也是磷发光层涂布于圆柱型玻璃灯管的内部表面配置问题。当光线朝透明灯管表面处前进时，部分的放射光被磷发光层吸收，因此对总电能转换成光的效率有所损害。

发明内容

本发明的目的是提供一阴极发冷光光源使其在电能转换光能的方面具有高效率。

本发明的另一目的在于简化灯源内部结构以及制程技术。

本发明目的可以被达成的首要原因是阳极具有一可反射光的表面与阴极相对。另一因素则为灯源内部的特别的排列结构。本发明至少包含：一抽真空的容置空间，其至少有部分是透明的表面，该容置空间中容置至少一阳极其表面面向阴极的一侧有光反射涂层及涂布电子激光材料层；及至少一阴极用以产生场发射的电子束。

于本发明中例举了三个实施例。第一实施例为灯源封置于圆柱型灯管内部，其具有反射特性的阳极会与部分灯管表面重叠，光则会从透明灯管部分透出，而阴极则为一导线其安排沿着长轴延伸固定。

第二实施例为球型灯泡，其具有反射特性的阳极与部分球型灯泡表面重叠，而阴极则为一导线的尖端接近球形，其固定于近球型灯泡中心位置。

第三实施例以一透明体做为封装基座将灯源封置于其中并抽真空，其内部包括一个或一个以上的圆柱型凹槽或半球型凹槽轮廓，是由电性导体的光反射性材料也可是绝缘的材料例如像是玻璃再涂布具有良好反射特性的金属所制成的阳极。而阴极可为一导线横越过圆柱型凹槽阳极的上方或为点状位在半球型凹槽阳极的上方中心处。

附图说明

图1为绘示依据本发明一较佳实施例的阴极冷光灯示意图，(A)横剖面图(B)纵剖面图(C)侧视图。

图2为绘示依据本发明一较佳实施例的阴极冷光灯示意图。

图3为绘示依据本发明一较佳实施例的阴极冷光灯示意图，(A)圆柱型沟槽侧视图(B)圆柱型沟槽俯视图(C)球面型沟槽侧视图(D)球面型沟槽俯视图。

图4为第3实施例封装后的剖面示意图。

图5(A)为绘示灯管的电压对电流相对关系，图5(B)为以Fowler-Nordheim坐标表示。

图6为显示灯管的流明与阳极和阴极间电压的相对关系图。

1：圆柱型玻璃灯管                2：反射性铝金属层

3：电极                          4：电子激发磷光层

5：金属线                        6：碳膜层

7：电极                          8：光行进方向

9：透明表面                      10：球型玻璃灯泡

11：反射性铝金属层               12：电子激发磷光层

13：阴极                         14：碳膜层

15：电极                         16：电极

17：光行进方向                   18：阳极平板

19：圆柱型凹槽                   20：球型凹槽

21：凹槽相连                         22：凹槽以绝缘层相隔

23：导线型阴极                       24：点状型阴极

25：玻璃或石英纤维                   26：阳极

27：阴极                             28：介电纤维

29：容置空间                         30：电极

31：电极                             32：光行进方向

具体实施方式

请参阅图1所示的本发明的第一实施例的阴极冷光灯概要说明图。

第一实施例的阴极冷光灯包括有一圆柱型的玻璃灯管1，于灯管内部部分表面之上有一反射性铝金属层2或其它具有良好反射特性的金属形成于其上，反射性金属层为电的良导体与灯管外表面的电极3电性连接。反射性金属层2上有一电子激发磷光层4。灯管1容置一场发射阴极。场发射阴极为一圆柱形金属线5涂布一层具有高效能场电子发射特性的碳膜层6，碳膜层6包含奈米尺寸的石墨结晶与奈米碳管。有关由奈米级石墨结晶及奈米碳管组成的碳膜层6的相关使用及研究报导请参见WO 00/40508 A1的报导。阴极的长端沿灯管1的长轴并且电性连接至灯管1的外部表面电极7的安排是有其道理的。而场发射阴极与灯管1的直径大小则取决于通过阳极与阴极的操作电压大小可以达到阴极表面的有效电场可以建立一所需的电流值。例如：在前述WO 00/40508A1中提到，在电压4kV或以上施加于阴极直径d为1mm.阳极直径D为20mm时，依据公知的公式：F＝V/[d*1n(D/d)]，电场强度(F)可达到或超过1.25×10⁶ V/m或以上。当电压超过4kV伏特，在灯管1内部空间，电子将从阴极加速至涂布电激发磷光材质层4的阳极，而发出冷光。阳极上反射性金属层会将其冷光导引而反射至透明表面9(无金属层涂布灯管之处)放光，即放光的方向为箭头8所指的方向。灯管1可进一步再使用一些电极(未图标)以进一步聚焦、偏折、及调变以控制电子束行进的方向。一旦这些电极位置固定于灯管内部；灯管将进一步抽真空到一定程度的真空状态并且以密封垫将玻璃灯管密封。为了维持其灯管内部的真空状态以延长灯管的寿命，我们会放入一些真空管内残余气体的吸收剂于灯管内部。

请参阅图2所示的本发明的第二实施例的阴极冷光灯概要图。阴极冷光灯包括一球型的玻璃灯泡10，于部分的灯管内部表面之上有一反射性金属涂布层11做为阳极。阳极表面涂布电激发光的磷光材料层。而阴极13是金属线尖端有一接近球形的表面，为金属线表面涂布一层碳膜层14，一如前述。此金属线与电极16相连接于球边缘处，阴极球的部分涂布碳膜且位于灯泡10的中心。阴极13和阳极电性连接到玻璃灯泡的外表面的电极15。一如第一实施例产生的冷光是由灯泡中无涂布金属层之处射出(光行进方向17)。而球型灯泡因其几何特性，使应用于电压与电荷密度的公式也有所改变，其公式为：F＝2VD/[d*(D-d)](阳极直径为D、阴极直径为d)。依据球型结构的照射器与灯管结构的照射器两公式相对照所得的结果，球型结构相对圆柱型结构可以使用较小的电场强度或使用较小尺寸的灯电极(lamp electrode)就可达到在阴极表面所需的场强度。

依据本发明的第三实施例，阴极冷光灯也可以变化为平面型的装置而有许多的阳极与阴极。图3为平面型灯的发光结构的概要图。平面型灯包括一阳极平板(或平板阳极)18有一个或一个以上的圆柱型凹槽19或球型凹槽20轮廓，阳极平板可以是由电性导体的光反射性材料也可是绝缘的材料例如像是玻璃再涂布具有良好反射特性的金属所制成。金属层可以是连续的如标号21所示，也可以像是包含电性隔离的部分如标号22所示。反射性金属层上有一电激发光磷材质层。而阴极则如之前两实施例所提，可为一导线23或为点状24其上涂布一碳膜层以提供所需要的电子发射特性。这些导线23位在平板阳极的上方以使得受到电子放出时可以产生冷光的效果。玻璃或石英纤维25使用机械方法放置以确保和阳极有一距离。阴极导线(cathode wire)或带点状阴极的绝缘线(threadswith spire-shaped cathodes)再垂直固定于玻璃或石英纤维25于其间。这些电子发射的且绝缘的线再预先绑成网状。网状阴极及绝缘线置于平板阳极而形成二极管结构。

一旦像导线的阴极相对阳极被固定，整体结构就组合为一结构而封在一有透明表面的空间内。图4为一平板阴极冷光灯剖面图；表示已封装好的第三实施例，其结构至少包含：提供发光组件的阳极26及阴极27与将阳极及阴极隔离开的介电纤维28。紧密封装灯容置空间29至少包含一导线连接连接电极30、阳极26、其它的电极31及一透明窗使光束(如箭头方向32)可经由此透明窗出来。

图5为依据本发明第一实施例的电压与安培特性关系图。此图所示的圆柱型阴极发光灯管，以镍(Ni)做为阴极的金属线涂布一碳膜层、直径为1mm，长度为40mm，阳极直径为20mm(玻璃管内径)，金属层所占面积为长40mm、宽20mm。图5A为电流(I)与电压(V)的相对关系，图五B为以Fowler-Nordheim坐标表示。在此实施例中呈现线性关系属于典型的场发射电子发射特性。(图五B中Y坐标为取自然对数的I/V²其源自于I/V)。

图6则显示灯管的流明(B)与阳极与阴极之间电压(V)之间关系图。此灯管中的电激发光磷光材质层所使用的化学合成物为Gd2O2S：Tb(可由日亚(NICHIA)公司购得)。

从图5与图6所得的证明，符合本发明特性的阴极冷光灯，及改善电能效率可提高亮度达30％以上，和目前所知的任何光源相比较。

本发明的产业利用性：

与传统许多已知的光源相比较，阴极冷光源为一种新型的发光源组件，可达到相当高的能源转换为光的效率，且可替代许多已知光源。并有更多的优点，其具有极高流明而只有极小热能释放，而在环保方面的优点，例如在阴极冷光灯的制程中没有毒素及违害环境的材料，只要选择适当的电子激光材料及已知的灯源就可产生足够的高能量效率。可用于液晶显示器及指示器，其具有低能量消耗及高流明。最后，考量灯源的阳极对电性的隔离，可能适合于显示器、指示器及相似的设备的视讯效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的专利要求范围，凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含专利要求范围内。

Claims (6)

1.一种光源组件，其特征在于，至少包含：

一抽真空的容置空间，其至少有部分是透明的表面，该容置空间中容置至少一阳极其表面面向阴极的一侧有光反射涂层及涂布电子激光材料层；及

至少一阴极用以产生场发射的电子束。

2.按照权利要求1所述的光源组件，其特征在于，其中该容置空间是圆柱形，该阴极显著沿着容置空间的长轴向，该光反射涂层部分形成在圆柱形的表面上，剩下的部分则是透明的，用以让在该容置空间的光由该透明的容置空间射出。

3.按照权利要求1所述的光源组件，其特征在于，其中该容置空间是球形，该阴极是尖点形状且显著位于球形容置空间的中心点，光反射涂层部分形成在球形的表面上，剩下的部分则是透明的，用以让在该容置空间的光由该透明的容置空间部分射出。

4.按照权利要求1所述的光源组件，其特征在于，其中所述阳极表面是以电导性材料涂布在容置空间的部分表面。

5.按照权利要求1所述的光源组件，其特征在于，其中所述许多阳极有一近半圆柱形状且位于显著平板的基座上或由显著平板所形成于其中，阴极则是像许多非导线，该非导线沿着阳极。

6.按照权利要求1所述的光源组件，其特征在于，其中所述许多阳极有一近半球形状且位于显著平板的基座上或由显著平板所形成于其中，阴极则是像许多点形，且位于该阳极的中心点。

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