CN1790607A - 场发射照明光源及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种场发射照明光源，其包括：一导电阴极；一透明外壳，其与该导电阴极相隔一定距离并形成一真空的内部空间；一荧光层，其形成于该透明外壳内表面；及多个靠近导电阴极层的电子发射体，用以发射电子轰击荧光层而发出可见光；其中该电子发射体各包括一柱状体及一尖端，该柱状体由绝缘材料组成，该尖端由导电材料组成，该尖端形成于柱状体顶部，与阴极隔开一定距离并绝缘。本发明场发射照明光源可广泛用于照明设备，如汽车头灯等。本发明还提供该场发射照明光源的制备方法。

Description

场发射照明光源及其制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种照明光源及其制备方法，特别涉及一种场发射发光照明光源及其制备方法。

【背景技术】

人工照明光源一般可分为白炽灯、放电灯及固态光源，包括白炽灯，荧光灯管，LED，卤素灯，高压气体放电灯(High Intensity Discharge，HID)等各种照明光源。其中，白炽灯是钨丝通电后发热发光，同时产生大量热量，其发光效率较低(约8-151m/w)，亮度有限，一般用于日常生活照明；荧光灯管采用放电激发汞蒸汽发出紫外线打到荧光材料上发出可见光，一般用于普通日常生活照明，其优点是发光效率高(达到801m/w)，缺点是含有汞，对环境及人体有害，因而不适合环保要求；LED是一种固态光源，包括各种红光LED、黄光LED、蓝光LED及白光LED，其优点包括反应速度快、体积小、无污染，缺点是发光效率低(约20-301m/w)，目前应用于车内照明、装饰彩灯等；卤素灯及HID灯是目前汽车头灯的主流，尤其是HID灯，其可发出色温接近白昼阳光的光纤(HID灯的色温约4300K-10000K，阳光色温6000K)，且HID较卤素灯具有更远的视线等优点，但是，HID需将低电压转换为23000伏高电压，激发氙气发出电弧光，然后将电压稳定在8000伏，持续供应氙气灯泡发光，因此，其需要配合特殊电压电流转换设备方可工作，例如美国专利第6,710,551号及6,781,327号。

发射光源是一种新兴光源，其发光原理是在电场作用下，低电势处金属尖端、碳纳米管等电子发射体发射出电子，轰击高电势处的荧光体而发出可见光。

结合图1所示，请参阅″A Fully Sealed Luminescent Tube Based on CarbonNanotube Field Emission″，Mirko Croci，et al，Microelectronics Journal，vol.35，p329～336(2004)，其揭露一种场发射日光灯1，该目光灯1包括一金属丝阴极10、形成于金属丝表面的电子发射体碳纳米管11、一玻璃外壳14、形成于玻璃外壳内表面的透明阳极层13以及形成于阳极层13表面的荧光层12。使用时，碳纳米管11发射电子轰击荧光层12，从而发出可见光。此种基于场发射灯具有电能转换效率高，发光效率较高，无污染等优点，但是，该场发射灯的电子发射体形成于阴极表面，施加电压时，二者之间无电势差，激发电子发射体发射电子、形成高亮度光源所需的能量较大，不利于节约能源。

有鉴于此，提供一种节能、且发光亮度较高的场发射照明光源实为必要。

【发明内容】

本发明所要解决的第一技术问题是提供一种场发射照明光源，其具有节能、发光亮度高的特点。

本发明所要解决的第二技术问题是提供上述场发射照明光源的制备方法。

本发明解决上述第一技术问题的技术方案是提供一种场发射照明光源，其包括：一导电阴极；一透明外壳，其与该导电阴极相隔一定距离并形成一真空的内部空间；一荧光层，其形成于该透明外壳内表面；及多个靠近导电阴极层的电子发射体，用以发射电子轰击荧光层而发出可见光；其中该电子发射体分别包括一柱状体及一尖端，该柱状体由绝缘材料组成，该尖端由导电材料组成，该尖端形成于柱状体顶部，与阴极隔开一定距离并绝缘。

所述柱状体是由碳化硅、氮化硅或类金刚石碳制成。所述柱状体包括圆柱或棱柱体，其为圆柱体时直径范围是10～100纳米。

所述尖端由导电金属或类石墨碳组成，其顶部直径范围是0.5～10纳米。

所述电子发射体的高度范围是100～2000纳米。

所述透明外壳与荧光层之间还可包括一阳极层，可在阳极层与阴极层之间施加电压，加速电子轰击荧光层。

另外，于该导电阴极层与电子发射体之间还包括一成核层，该成核层用于催化沉积电子发射体，根据电子发射体的柱状体材料的不同选择不同材料的成核层。

导电阴极层与成核层之间还可以包括一功能层，该功能层为铜或者氮化铜，其具有良好机械强度，可改善场发射光源装置的机械性能。

该导电阴极由铜、银或金制成。导电阴极为金或银等机械强度较小的金属时，功能层尤为重要。

本发明解决第二技术问题的技术方案是提供一种场发射照明光源的制备方法，其包括下列步骤：提供一阴极；在所述阴极表面形成一预定厚度的绝缘材料层；于上述绝缘层表面形成另一预定厚度的导电材料层；蚀刻上述导电层及绝缘层，形成多个电子发射体；提供一透明外壳；在外壳内表面形成一荧光层，将荧光层与多个电子发射体对准进行封装，形成场发射光源。

所述绝缘材料层采用化学气相沉积法、电浆辅助化学气相沉积法或离子束溅射等方法沉积而成。

所述导电材料层采用溅射法、磁控溅射法或离子束溅射法沉积而成。

相较于先前技术，本发明场发射照明光源的电子发射体是由绝缘柱状体及形成于柱状体顶部的导电尖端组成，电子发射尖端与导电阴极之间隔开一定距离并绝缘，从而可使电子发射尖端与阴极之间形成电势差，以一较小电压即可激发尖端发射高能量电子并轰击荧光层，从而可发出高亮度光并节能。

【附图说明】

图1是先前技术中场发射灯的剖面示意图；

图2是本发明场发射照明光源的剖面示意图；

图3是本发明电子发射体的局部放大示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明作详细说明。

请参阅图2，本发明提供一种场发射照明光源2，其包括一导电阴极层21、多个纳米电子发射体、一荧光层25、一阳极层26及一透明外壳27。其中电子发射体形成于导电阴极层21上，各电子发射体分别包括柱状体28及尖端29。透明外壳27与所述电子发射体的尖端29间隔开一定距离。阳极层26形成于该透明外壳27靠近电子发射体一侧的表面。荧光层25形成于该阳极层26靠近电子发射体一侧的表面。

该场发射照明光源2还包括一基底20，其用于支撑阴极层21。阴极层21与电子发射体之间还依次包括一功能层22和一成核层23。功能层22用于增强阴极层21的机械强度。成核层23用于催化沉积电子发射体的绝缘柱状体28。多个侧壁24将该场发射照明光源2密封并支撑所述透明外壳27，从而形成一内部真空空间。

所述基底20可以为金属基底，包括铜、银等金属材料，要求其表面光滑平整，以利于形成导电阴极层21。金属基底具有良好机械性能，不易破碎，便于实际应用。

所述基底20亦可以为非金属基底，该非金属包括硅或二氧化硅，易抛光，适合于在其表面形成较薄的后续导电阴极层21，并可提高生产效率、降低制备成本。

所述导电阴极层21由导电性良好的金属材料形成，例如铜、银及金。

所述功能层22为可选择层，其由铜或氮化铜沉积于导电阴极层21表面而成，厚度非常薄，优选厚度为1微米以下。其主要作用是加强导电阴极层21的机械性能，特别是导电阴极层21为金或银等机械强度不够时，该功能层22尤为重要。

所述成核层23有利于沉积后续电子发射体的绝缘柱状体28，即为柱状体层提供成核条件，根据所需沉积的绝缘柱状体28的不同，应选择不同材料的成核层23。如绝缘柱状体为类金刚石碳材料时，成核层23应选择铁、钴、镍等过渡金属材料；如果绝缘柱状体由碳化硅或氮化硅等硅是材料组成时，成核层23一般可以选择硅。该成核层23沉积于导电阴极层21表面，厚度非常薄，优选厚度为1微米以下。该成核层12是可选择层。

本发明所述电子发射体的柱状体28是由绝缘的类金刚石碳材料组成，所述锥形尖端29是由导电的类石墨碳材料或铌、钼等金属组成。该电子发射体的形成方法包括：先藉由化学气相沉积法、电浆辅助化学气相沉积法、离子束溅射等方法形成一预定厚度的绝缘材料层，再藉由溅射法、磁控溅射或离子束溅射等方法沉积一另一预定厚度的导电材料层，再以化学蚀刻等方法形成所述绝缘柱状体28及尖端29。该尖端29位于该柱状体28的顶部，与柱状体28紧密结合，且与阴极层21隔开一定距离并绝缘。

所述荧光层25包括有荧光材料，当有电子轰击时产生可见光。

所述阳极层26可由ITO(铟锡氧化物)导电薄膜组成，该ITO(铟锡氧化物)为透明材料，采用化学气相沉积法、电浆辅助化学气相沉积法、离子束溅射等方法形成于透明外壳内表面。阳极层26有利于电子加速轰击到荧光层25上，可提高光源亮度。

所述透明外壳27可由透明玻璃制成。

请一并参阅图3，一纳米电子发射体的放大示意图，其中，柱状体28为直径d2为10-100纳米的圆柱体；尖端29为圆锥形或圆台形，其底部较大直径与圆柱体直径相等，即为d2，上部较小直径d1为0.5-10纳米范围内；纳米电子发射体的整体高度(即柱状体18与锥形尖端19总高度)h为100～2000纳米范围内。

使用时，提供能量激发尖端29发射电子，例如，施加不同电压于导电阴极层21及阳极层26，从而在真空空间内形成电场，在电场作用下，纳米电子发射体的尖端29发射电子轰击荧光层25而发出可见光。由于纳米电子发射体加的尖端29位于该柱状体28的顶部，与柱状体28紧密结合，且与阴极层21隔开一定距离并绝缘，因此在电场力作用下，尖端29与导电阴极层21之间具有电势差，有利于在较小电场力作用下尖端29即可发射高能量电子，从而轰击荧光层25发出高亮度可见光。

本发明所提供的场发射照明光源还可以为其它形状，例如，将本发明场发射照明光源的透明外壳设计为管状，阴极为一金属丝或条状金属，设置于管状透明外壳内，功能层或成核层可选择地形成于阴极表面，电子发射体形成于阴极或功能层或成核层上，阳极层、荧光层依次形成于外壳内表面，最后将外壳两端封装即可。此种管状场发射照明光源的阴极层下不需要设置基底层。该管状场发射照明光源与先前技术的不同的处在于其电子发射体包括绝缘柱状体及导电尖端，电子发射尖端与阴极隔开一段距离并绝缘。

本发明所提供的场发射照明光源的制备方法包括下列步骤：提供一阴极；在所述阴极表面形成一预定厚度的绝缘材料层；在上述绝缘层表面形成另一预定厚度的导电材料层；蚀刻上述导电层及绝缘层，形成多个电子发射体；提供一透明外壳；于外壳内表面形成一荧光层，将荧光层与多个电子发射体对准进行封装，形成场发射光源。

所述绝缘材料层采用化学气相沉积法、电浆辅助化学气相沉积法或离子束溅射等方法沉积而成。

所述导电材料层采用溅射法、磁控溅射法或离子束溅射法沉积而成。

与现有技术相比，本发明场发射照明光源的电子发射体是由绝缘柱状体及形成于柱状体顶部的导电尖端组成，电子发射尖端与导电阴极之间隔开一定距离并绝缘，从而可使电子发射尖端与阴极之间形成电势差，以一较小电压即可激发尖端发射高能量电子并轰击荧光层，从而可发出高亮度光并节能。

Claims (10)

1.一种场发射照明光源，其包括：

一导电阴极；

一透明外壳，其与该导电阴极相隔一定距离并形成一真空的内部空间；

一荧光层，其形成于该透明外壳内表面；

及多个靠近导电阴极层的电子发射体，用以发射电子轰击荧光层而发出可见光；

其特征在于：该电子发射体分别包括一柱状体及一尖端，该柱状体由绝缘材料组成，该尖端由导电材料组成，该尖端形成于柱状体顶部，与阴极隔开一定距离并绝缘。

2.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于该透明外壳为管状，该阴极设置于管状透明外壳内。

3.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于该绝缘柱状体材料包括类金刚石碳材料、碳化硅或氮化硅。

4.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于该尖端材料包括类石墨碳材料、钼或铌。

5.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于该阴极层表面还包括一功能层，增强阴极层的机械强度。

6.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于该柱状体底部还包括一成核层。

7.如权利要求1～6项中任一项所述的场发射照明光源，其特征在于透明外壳与荧光层之间进一步包括一阳极层。

8.一种场发射照明光源的制备方法，其包括下列步骤：

提供一阴极；

于所述阴极表面形成一预定厚度的绝缘材料层；

于上述绝缘层表面形成另一预定厚度的导电材料层；

蚀刻上述导电层及绝缘层，形成多个包括一绝缘柱状体及一导电尖端的电子发射体；

提供一透明外壳；

于外壳内表面形成一荧光层；

将荧光层与多个电子发射体对准进行封装，形成场发射光源。

9.如权利要求8所述的场发射照明光源制备方法，其特征在于该绝缘材料层采用化学气相沉积法、电浆辅助化学气相沉积法或离子束溅射法沉积而成。

10.如权利要求8所述的场发射照明光源制备方法，其特征在于该导电材料层采用溅射法、磁控溅射法或离子束溅射法沉积而成。

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