CN1879191A - 具有一体化的吸气剂和低功函数的适用于冷阴极灯的阴极 - Google Patents
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Abstract
公开了适用于冷阴极灯的阴极(11；20；30)的若干实施方案，该阴极的表面至少局部涂覆吸气材料(15；26；31)层，该吸气材料层可以降低阴极的功函数值从而降低灯的功耗。
Description
本发明涉及适用于冷阴极灯的阴极，该阴极具有一体化的吸气剂并具有降低的功函数值，这可以减少其中利用该阴极的灯的功耗。
冷阴极灯是一种放电灯。放电灯是所有那些在气体装置中放电从而产生发光的灯。通过在位于灯相对端的两个电极(称为阴极)上施加电位差引发和维持放电。放电灯的家族还包括所谓的热阴极灯，但优选冷阴极灯，因为它们的耐用时间显著更长(工作时间为40000-50000小时，而热阴极灯为12000-15000小时)。
冷阴极灯的阴极可以是金属条或完整金属圆柱的形状。然而优选的几何形状是空心形状：在该情形中阴极具有空心圆柱的形状，在面对放电区的一端敞开，而在相反一端封闭。在本领域内众所周知，空心阴极相对于其它形状阴极的首要优点是灯运行所需的电位差较低(约5-10％)；另一个优点是阴极“溅射”现象的强度较低，这种现象指可沉积到邻近表面上的阴极材料原子或离子的发射，其中沉积到灯的玻璃壁，会减少灯的光输出。空心阴极特别适合用于微型灯，例如用于液晶显示器(通常称为LCD)的背光源。专利US 4,437,038和US 4,885,504和日本专利申请公开2000-133201中公开了具有空心阴极的灯的实例。
当打开冷阴极灯时，由于电场作用发生第一次电子发射，如果该电场足够高，则能够从形成阴极的材料中提取电子；为点亮阴极灯施加到空心阴极灯电极上的电位差的典型值为数千伏特(V)量级，例如约1000V至2000V；本领域中将这个点亮电压称为“启动电压”。当放电开始时(通常在不到1秒钟之后)，阴极变热同时热离子效应引起发射。灯工作时，将施加至阴极上的电位差调节到数百伏特的值，例如约300至600V。
任何情况下，灯的功耗与从阴极材料中提取电子所需的能量值有关，点亮阶段和放电形成以后都是如此；这个能量值被称为“功函数”，在文献中以希腊字母Ф表示，并且是每一种材料的典型值(尽管它可能根据某些参数而变化例如电子发射的晶面，或发射表面的玷污状态)。最终，灯的功耗直接取决于其阴极的功函数。
冷阴极灯的阴极可以由金属制成：例如铌和钽，然而这两种金属均过于昂贵不适合实际使用；功函数值约为4.2至4.6电子伏特(eV)的钨；功函数值约为4.7至5.3eV的镍；或更常用的钼，它具有约4.4至4.9eV的功函数值。在空心阴极的情形中，特别是小尺寸阴极的情形中，使用的金属应当具有良好的机械延展性：钨基本上不适合用作这些阴极，尽管钼具有工业应用，但是由于加工困难，由这种金属制成的阴极相当昂贵。尽管镍具有功函数值相对较高的缺点，由于它具有良好的延展性和低成本，因此优选镍。
灯制造商一直要求降低灯和灯设备的功耗，不但固定设备中的应用如此，通过能量储备有限的电池或蓄电池提供能量的便携应用更是如此。例如在便携计算机的情形中，显示屏通常是通过一个或两个直径为数毫米的线形冷阴极荧光灯在背后照亮的LCD型显示器；该屏幕的发光较多地消耗计算机的蓄电池，这限制了使用时间。其它用途的LCD屏幕(例如家用电视屏幕)可以包含四到十个荧光灯。
为了降低阴极的功函数，进而降低灯的功耗，已知方法是在该阴极的表面上沉积功函数低于下层金属的发射材料。
冷阴极灯制造商的另一个需要是确保其中发生放电的气氛的组成恒定。实际上，一些杂质会改变灯的工作性质：例如，氧会夺取荧光灯工作必需的汞，而氢可能改变放电的电参数，特别是会提高启动电压。为此目的，已知方法是向灯的内部加入吸气材料，这种材料能够化学束缚发生放电的气体中的杂质。广泛用于这种目的的吸气材料是，例如专利US 3,203,901中公开的锆-铝合金；专利US 4,306,887中公开的锆-铁合金；专利US 4,312,669中公开的锆-钒-铁合金；和专利US 5,961,750中公开的锆-钴-混合稀土的合金(混合稀土，下文中也用MM表示，是可能加入钇和/或镧的稀土金属的混合物)。
尽管在一些情形中简单地以吸气材料粉体形成的球粒形式向灯中引入吸气剂，但是更优选以装置的形式引入，其中吸气材料位于容器中或金属支架之上，并且所述装置被固定在所述灯的任何组件上：原因在于未固定的吸气剂通常不在灯的受热区域因此其吸气功效降低，此外它可能干扰光发射。专利US 5,825,127中公开了一个灯用吸气装置的实例。例如，可以将该吸气装置固定(通常使用焊点)在阴极载体(support)上，而在一些情形中，向灯中加入专用载体：总之，任何情形中灯的制造过程需要额外的步骤。此外，在微型灯的情形中，例如用于背光LCD的微型灯，难以在灯内部适当地安置吸气装置，而且该装置的组装操作可能引起极大的困难。以本申请者名义的国际专利申请WO 03/044827公开了一种空心阴极，其中将吸气材料直接沉积在阴极本身表面的一些区域上；根据该国际申请的教导，吸气材料可以选自钛、钒、钇、锆、铌、铪和钽，或选自基于锆或钛与选自过渡金属和铝的一种或多种元素的合金。
欧洲专利申请EP-A-0675520公开了一种内部局部涂覆铝和锆的粉体组成的沉积物的空心阴极，前一种金属的作用是降低阴极功函数而第二种金属的作用是作为杂质的吸气剂。在包含所述材料的浆料中对构成阴极结构的金属圆柱进行局部浸渍形成该沉积物，其中该浆料的悬浮介质由水-丙酮的混合物形成并且包含粘结剂。根据该文献的教导，只对阴极的内侧进行涂覆，以避免(如果它甚至出现在外表面上)将出现在外表面上的发射混合物材料的溅射。此外，由于相同的原因，优选避免阴极末端转向灯内部的圆柱表面所对应的阴极内部区域存在发射沉积物。然而，通过这种方法形成的沉积物的问题是粉体的损失不可忽略，这会引起阴极的功能随时间而降低。
本发明的目的是提供上述问题的解决办法。特别地，本发明的目的是提供至少局部镀覆有单一材料沉积物的阴极，该材料可以降低包含该阴极的灯的功耗并且可集成有吸气功能。
使用至少局部涂覆吸气材料的适用于冷阴极灯的阴极实现了这个目的，其中该阴极包含至少部分涂覆吸气材料层的含金属(metallicbearing)的部件，其特征在于所述吸气材料选自：
包含锆、钴和选自钇、镧或稀土元素的一种或多种成分的合金，在重量百分比组成的三元系状态图(ternary diagram)中，它们位于由以下点限定的多边形内：
a)Zr 81％-Co 9％-A 10％
b)Zr 68％-Co 22％-A 10％
c)Zr 74％-Co 24％-A 2％
d)Zr 88％-Co 10％-A 2％
其中A是选自钇、镧、稀土金属的元素或它们的混合物；
由钇和铝组成的包含至少70wt％钇的合金；且
由钇和钒组成的包含至少70wt％钇的合金。
下面参照附图进一步对本发明进行详述，其中：
图1是其中存在本发明阴极的灯的末端的剖开视图。
图2和图3是依照本发明一个优选实施方案的两个阴极的截面视图。
图4和图5是表现依照本发明的两个阴极的吸气特性的曲线图。
本发明者发现至少局部涂覆如上述配制的吸气材料的阴极，除在阴极上结合吸气功能以外，还通过降低阴极本身的功函数实现了降低电子发射所需能量的作用。
可以有利地在任何形状的阴极上实现依照本发明的吸气材料的沉积，例如条形，完整(full)或空心的圆柱形的阴极。
图1显示了包含阴极11的灯10末端的剖开图；它给出了阴极为简单金属条12的情形的例子，该金属条通过使穿过灯的玻璃底壁14的金属丝13变细得到。金属条12的部分表面覆盖有本发明的吸气材料15。用吸气材料涂覆未预先变细的导线13末端可以得到与图1完全类似但是为完整圆柱形的阴极。
如上文所述，阴极的优选形状为空心形式。众所周知，在空心阴极中放电主要发生在腔体内部，因此腔体内部必需为涂覆部分，而阴极外部可以进行涂覆或不进行涂覆。对外部也进行涂覆的优点是可提高吸气材料的量，从而可提高从灯内部的气氛去除杂质的能力；由于在空心阴极中放电主要发生在腔体内部，阴极外表面上的吸气材料部分主要起吸气的作用，而内部的材料还起到降低阴极功函数的作用。在以截面图说明该阴极的图2和图3中，显示了依照本发明的空心阴极的两种可能实施方案。阴极20由具有封闭端22的圆柱形部分21构成，支柱23与该封闭端22固定，该支柱通常是钎焊在图1情形所示灯末端的玻璃中的金属丝；限定腔体25的阴极内表面24涂覆有吸气材料26；为了显示一些细节，图2中显示了表面24的局部涂层，但是该涂层应当是完整的。制作阴极金属部分的优选材料是镍，可以容易地对其进行机械加工；底导线(backing wire)23优选由热膨胀与灯外壳玻璃相似的材料制成，以便减小封接期间和灯开启/关闭阶段由于热冲击导致玻璃破裂的风险；可能的材料是钼。可以通过例如钎焊或卷边将支柱23固定到部件22上。
在阴极30的情形中，具有吸气材料31的涂层不但存在于腔体内部而且存在于金属部件32的外表面；该阴极的其它部分与图2完全类似。
以本申请人名义的专利US 5,961,750中描述的合金是适用于本发明的吸气材料。特别优选使用重量百分组成为Zr 80％-Co 15％-MM5％的合金，由本申请人生产和销售的名为St 787的合金。混合稀土是若干稀土混合物的商品名称，它可以具有不同的组成：通常含量最大的元素是铈、镧和钕，含有少量其它稀土元素。然而，混合稀土的精确组成并不重要，因为上述元素具有相似的化学行为，因此当一种元素的含量改变时不同类型混合稀土的化学性质基本不变。
其它适用于本发明的吸气材料是包含至少70wt％钇的Y-V或Y-Al合金，这两种合金能够特别有效地降低成品灯中的氢分压。
吸气材料层的厚度可以在几微米(μm)至几百μm之间，取决于制造该材料层的技术(如下文所述)。在空心阴极的情形中，该厚度还是腔体直径的函数：在阴极的腔体直径约为1毫米的情形中，只要存在的吸气材料足以有效实施杂质吸收功能，优选吸气剂层的厚度尽可能的小。
可以通过不同方法在阴极的金属部分上沉积吸气材料层(26；31)。
根据第一个实施方案，可以通过阴极沉积得到吸气材料层，这种技术在薄膜加工领域中更多被称为“溅射”。众所周知，这种技术中将需要镀覆的载体(该情形中的空心阴极)和待形成的层的材料的圆柱体放置在适当的腔室内，该圆柱体通常被称为“靶”；在腔室内形成真空然后引入压力约10-2-10-3mbar的稀有气体，通常引入氩气；在载体和靶之间(将后者保持在阴极电位)施加电位差，在氩气中产生等离子，形成被电场加速朝向靶的Ar+离子，从而通过碰撞对靶进行侵蚀；从靶上脱离的粒子(原子或原子“束”)沉积在可到达的表面上，其中包括载体的表面，从而形成薄的层；运用该技术的原理和说明相关的更多细节，可参照本领域的多种文献。因为一定时间内沉积层的厚度不是很大，所以溅射技术的生产率不是很高，因此需要产生厚度不大于20μm的吸气剂层时优选这种技术，因而优选用于例如小直径空心阴极的情形。在这种情形中可以实现对阴极金属部件的表面的局部镀覆，这包括使用所述部件的适当载体，在溅射过程中所述载体也对其实施掩蔽：例如可以按如下方法制造图2的阴极，在溅射过程中，使用圆柱形载体，将待涂覆的空心阴极放置在该载体内，从而所述载体与圆柱部分21的外表面接触因而只露出表面24。
另一种制造依照本发明具有吸气剂涂层的阴极的方法是通过电泳技术；以本申请人名义的专利US 5,242,559中公开了通过这种方法制造吸气材料层的原理，可参考该文献了解该技术的更多细节。在该情形中，可以通过将所述部件部分或全部浸入涂覆液中可简便地获得阴极金属部件的局部或整体涂层，此外在该情形中还可以通过使用所述金属部件的适当载体对内部或外部两个表面中的一个进行选择性涂覆。这种技术适合于制造厚度大于溅射技术所得层的吸气剂层，可以方便且快速地形成厚度最高达几百微米的层。
最后，另一种可用技术是喷涂技术，其中使用适当液体介质中的吸气剂颗粒的悬浮液，通过压缩气体(通常为空气)将该悬浮液喷涂在需要涂覆的部件上，使由此得到的沉积物干燥并通过热处理进行固化。例如，以本申请人名义的专利US 5,934,964中公开了利用该技术获得吸气剂沉积。
通过下列实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
在钨丝上形成厚约1μm的合金层，该合金包含锆、钴和混合稀土。通过溅射由St787合金靶获得该层；如在本领域中公知的，不同的元素具有不同的溅射效率，因此由多组分的靶开始，得到的层的最终组成通常与靶不同，在这种情形中，与St 787合金的组成相比，钨丝上所得层的组成富含锆而钴较少。依照ASTM F 83-71标准规程，在如此得到的金属丝上进行功函数的测量；具体地，采用依照该规程的称为“肖特基(schottky)法”的第二种可用方法。此外测量一段相同钨丝的功函数，然而在该情形中没有依照本发明的涂层。
两次测试产生的结果如下，未镀覆钨的功函数值Ф约为4.5eV，而依照本发明的涂覆钨丝的功函数值约为3eV，Ф值减小了大约33％。未镀覆钨丝约4.5eV的测量值与文献中给出的4.2-4.6eV的范围一致，证实该测量精确。
实施例2
重复实施例1的测试，差别在于该情形中使用钇-钒合金薄膜覆盖钨丝，使用重量百分组成为Y 96％-V4％的靶通过溅射产生该薄膜。测得的功函数值约为3.1eV，相对于纯钨减小了大约30％。
实施例3
重复实施例1的测试，这一次使用镍丝，在一段纯金属丝和一段由St 787合金靶溅射进行镀覆的相同金属丝上测量Ф值。在该情形中未镀覆镍的测量值为约4.9eV而依照本发明的镀覆金属丝的测量值为约3.1eV，Ф值减小了大约37％。此外在该情形中，对镍测得的Ф值与文献中给出的数值范围4.7-5.3eV一致。
实施例4
对按照实施例1所述制造的包括镀覆St 787合金薄膜的钨丝的试样进行氢气吸附测试。将该试样放入玻璃灯泡中，将灯泡抽真空，并在400℃下加热30分钟对试样进行活化(通过置于玻璃灯泡外部的线圈进行感应加热)；然后使试样冷却到25℃，随后依照标准ASTM F798-82中所述的规程进行该测试，氢气压力为4×10-6mbar。图4中的曲线1显示了测试的结果，吸附速率(用S表示并以每秒钟吸附的气体的立方厘米cc度量，以每平方厘米的合金归一化)是吸附气体量的函数(用Q表示并以气体的立方厘米数与百帕(ettoPascal)hPa表示的压力的乘积来度量，以每平方厘米的合金归一化)。
实施例5
重复实施例4的测试，这一次使用一氧化碳作为测试气体。图4中的曲线2显示了测试的结果。
实施例6
对按照实施例2所述制造的包括镀覆Y-V合金薄膜的钨丝的试样进行氢气吸附测试。将该试样放入玻璃灯泡中，将灯泡抽真空，并在500℃下加热10分钟对试样进行活化然后使其冷却到25℃；按照实施例4中的方法进行氢气吸附测试。图5中的曲线3显示了测试的结果。
实施例7
重复实施例6的测试，这一次使用一氧化碳作为测试气体。图5中的曲线4显示了测试的结果。
测试证明利用依照本发明的吸气剂对金属阴极进行涂覆可以显著降低该阴极的功函数值；如实施例4至7的测试结果所示，本发明的阴极还表现出良好的气体吸附性能。
Claims (8)
1.具有一体化的吸气剂并具有减小功函数值的适用于冷阴极灯的阴极(11；20；30)，该阴极包含至少部分涂覆有吸气材料层(15；26；31)的含金属的部件(12；21；22；32)，其特征在于所述吸气材料选自：
-包含锆、钴和选自钇、镧或稀土元素的一种或多种成分的合金，在重量百分比组成的三元系状态图中，它们位于由以下点限定的多边形内：
a)Zr 81％-Co 9％-A 10％
b)Zr 68％-Co 22％-A 10％
c)Zr 74％-Co 24％-A 2％
d)Zr 88％-Co 10％-A 2％
其中A是选自钇、镧、稀土金属的元素或它们的混合物；
-由钇和铝组成的包含至少70wt％钇的合金；且
-由钇和钒组成的包含至少70wt％钇的合金。
2.根据权利要求1的阴极，其中所述含金属的部件由选自镍、钼、钨、铌和钽的金属制成。
3.根据权利要求2的阴极，其中所述含金属的部件的形状为条形、完整圆柱形或空心圆柱形。
4.制造根据权利要求1的阴极的方法，其中通过阴极沉积形成吸气材料层。
5.根据权利要求4的方法，其中所述吸气材料层的厚度小于20μm。
6.根据权利要求4的方法，其中所述含金属的部件(21；22；32)为空心圆柱形并且在阴极沉积过程中使用适当形状的载体元件通过掩蔽对所述部件的内表面和外表面之一或它们两者进行局部镀覆。
7.制造根据权利要求1的阴极的方法，其中通过电泳沉积形成吸气材料层。
8.根据权利要求7的方法，其中通过将所述空心圆柱形部件部分浸入包含用于沉积的吸气剂颗粒的液体悬浮液中并可能对所述表面之一进行掩蔽，对该部件内表面和外表面中之一或它们两者进行局部镀覆。
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