TWI336898B - Two-way reciprocal amplification electron/photon source - Google Patents

Description

1336898 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電子/光子源，其包含一位於一外殼内 。卩之真空室。本發明亦係關於一種用於製造此電子/光子源 之相應方法。 【先前技術】 現代省能照明裝置中所使用之技術將汞用作為作用組份 中之者。由於汞危害環境，因而進行廣泛研究以克服與 φ 省能無汞照明相關聯之複雜技術困難β 用於解決此問題之一途徑係藉由使用場發射光源技術。 場發射係一在一最接近發射材料表面之電場使一存在於該 發射材料表面處之電位障之寬度變窄時所發生之現象。此 允許發生量子穿隧效應，藉以電子穿過該電位障並自該 材料發射。 在先前技術裝置中，一陰極係配置於一真空室中，該真 空室具有（例如）玻璃壁，其中該室於其内部塗覆有一陽極導 籲 電層。此外，一發光層沈積於該陽極導電層上。當一電位 差施加於該陰極與該陽極導電層之間時，電子自該陰極發 射出並經加速朝向該陽極導電層。由於電子撞擊發光層， 因而使得發光層發射光子，此過程被稱為陰極發光，其與 習知螢光照明裝置（諸如習知螢光管）所採用之光致發光不 同。 此裝置在美國專利第6,573,643號中揭示，其中陽極導電 層（例如）可由氧化銦錫組成，且發光層係由磷光材料組成。 U2357.doc 1336898 此磷光材料接收來自一陰極之電子並發射具有一可見波長 之光子。 此接收電子並發射具有一可見波長之光子的磷光材料非 常昂貴且難以製造’從而導致昂貴的照明裝置。 因此，本發明之一目標在於提供一種新穎改良場發射光 源’其提供一針對於上述某些問題之解決方法。 【發明内容】 以上需求係由如獨立項1及15所界定之一種基於場發 射、陰極發光及光增強場發射之電子/光子源及一種用於製 造此電子/光子源之相應方法來滿足。附屬項界定根據本發 明之有利實施例。 根據其第一態樣，本發明提供一種電子/光子源，其包含 一位於一外设内部之真空室，且進一步包含配置於該真空 室内部之一陽極及一陰極。此外，該陰極經配置以在一電 壓施加於該陽極與該陰極之間時發射電子，該陽極經配置 以在接收到自該陰極發射之電子時發射在一第一波長範圍 内之光，且一波長範圍轉換材料經配置以接收該具有該第 一波長範圍冬發射光並發射在一第二波長範圍内之光。 以一新穎方式，本發明之此第一態樣能夠以兩個步驟將 自陰極發射之電子轉換為可見光。第一步驟由將電子轉換 為在一第一波長範圍内之光構成，而第二步驟由將該具有 該第一波長範圍之光轉換為一第二波長範圍構成。此係特 別有利的，且能夠選擇以與先前技術使用之材料相關聯之 成本的一小部分而製得之新發射材料，在先前技術使用之 112357.doc -6 - 1336898 ㈣中電子至可見光之轉換在一個步驟内完成。表達·，波長 祀圍"應理解為大部分（例如8G%)之光含量位於其中之波長 範圍。此波長範圍具有一下起始點及—上結束點。以相同 方式，術語，，波長轉換材料"應理解為於接收到在一第一波 長範圍内之光時將光自該第一波長範圍轉換至一第二波長 範圍之發射材料。

在本發明之一較佳實施例中1陽極進-步由-側由一 透明導電材料覆蓋之-透明基板組成，該透明導電材料夹 在該基板與-發射材料之間。作[實例’該發射材料將 在接收到來自該陰極之電子時發射在第—波長範圍内之 光’該第-波長範圍為約刚nm至彻nm，更佳地為約2〇〇 nm至400 nm，且最佳地為約25〇細至彻⑽。第二波長範 圍較佳地為約350 nm至900 nm，更佳地為約4〇〇 nm至 800nm，且最佳地為約45〇細至65〇 nm。此一般意味著配 置於陽極上之發射材料在第—步驟中將發射紫外光，該紫 外光由將紫外光轉換為人眼可見之光的波長範圍之波長範 圍轉換材料接收。 該透明導f材料可自一較廣範圍之材料中選擇，但較佳 地係使用氧化銦錫（ITO)或氧化鋅（Zn0)或甚至單壁碳奈米 管中之一者，此係因為此等透明材料之有利傳導能力（即使 施加層具有100 nm至1000 nm之間距）。 在本發明之另一較佳實施例中，發射材料為Zn〇。由於 ZnO之至恤陰極發光頻譜具有一位於約處之高強度 峰值且在+/-20 nm内具有80%之光含量，因而已展示使用 112357.doc 1336898

ZnO更為有利。作為—額外特徵，歸因於能夠在相對較低 溫度下生長Zn〇奈米頂端，因而用作為一場發射光源中之 陰極時，使用ZnO展示了極好結果。此意味著能夠將陽 . 似陰極建構為可互換組件。此將大大降低光源之製造成 • 本。此外，較佳使用對38〇 nm最敏感之紅綠藍磷光體作為 波長範圍轉換材料。作為一替代方案，可使用藍黃碟光體 之推合物。 如熟習此項技術者所瞭解，在電子/光子源中配置該波長 ® ⑽圍轉換材料存在三種有利方式。第-種係藉由覆蓋外殼 之内部，第二種係藉由覆蓋真空室之外部，且第三種係藉 由將波長範圍轉換材料夾在基板與透明導電材料之間。使 用以上二種方法中之任一者來配置波長範圍轉換材料係可 行的’且因此根據光源之設計來實施。 在本發明之再一較佳實施例中，透明基板為玻璃、石英 或塑膠中之一者。由於石英對於。▽光為高度透明的，因而 使用石英在實驗性試驗中已展示有利結果，而使用塑膠將 _ 肖減材料及製造成本。 本發明之另一態樣提供一種照明系統，其包含一直流或 父流控制電子設備及一根據上述實施例之場發射光源。一 照明系統可為一包含所述組件之封閉單元或配置。 本發明之再一態樣提供一種用於製造一電子/光子源（較 佳地’ 一場發射光源）之方法’其包含以下步驟：提供一位 於一外殼内部之真空室；將一陽極及一陰極配置於該真空 室内部；及在該場發射光源内部配置一波長範圍轉換材 112357.doc • 8 - 1336898 料’其中該波長範圍轉換材料經配置以接收自該陽極發射 之具有一第一波長範圍之光及發射在一第二波長範圍内之 光。如上相對於本發明之第一態樣進行描述，此方法提供 選擇以與先前技術使用之材料相關聯之成本的一小部分而 製得之新發射材料的有利可能性，在該先前技術使用之材 料中電子至可見光之轉換在一個步驟内完成。 本發明之進一步特徵及優點將在研究附加之申請專利範 圍及以下描述時變得顯而易見。熟習此項技術者意識到本 發明之不同特徵可經組合以建立除以下描述之外的其他實 施例。 【實施方式】 圖1說明一先前技術場發射螢光管10〇，其中一陰極ι〇1 由一管102包圍。一陽極（未圖示）經連接至一電接觸1〇6。 圖2展示該先前技術場發射螢光管ι〇〇之一部分橫截面。 該管102由一玻璃結構103及一透明導電陽極層1〇4構成，該 陽極層104夾在該玻璃結構103與一發射層ι〇5之間。該導電 陽極層連接至一電接觸106。此外，當由導電層1〇4與陰極 1 〇 1之間的一.電位差引起之電子120撞擊時，可使發射層1 〇5 發出具有一可見波長之光130。 圖3係圖1之場發射螢光管之部分橫截面，其展示根據本 發明之一較佳實施例。一陰極101再次與一透明導電陽極層 104 —起展示。陰極材料可為例如（但不限於）Zn〇尖端或奈 米碳管。透明導電陽極層104夾在—發射材料1〇7與—透明 基板108之間。透明基板108充當一封閉真空室© H2357.doc -9- 1336898 _電位差發生於該陰極1〇1與該陽極層104之間時，該發 射材料107由來自陰極101之電子12〇撞擊並導致發射具有 一第一波長之光131，該光諸如在紫外線波長範圍内（通常 約200 nm至400 nm)。該具有第一波長之光131運行穿過該 透明基板108，並將轟擊一波長範圍轉換材料1〇9，從而導 致该波長範圍轉換材料109發射具有一第二波長之光13〇， 其較佳地具有一可見波長，諸如在約4〇〇 11〇1至7〇〇 nm之範 圍内。在本發明之一較佳實施例中，透明導電層1〇4由氧化 銦錫（ITO)組成，且透明基板108由石英組成。 如早先提及之，當選擇發射材料1〇7時，Zn0為一特別有 利之替代物，由於其在由電子撞擊時可發射具有約38〇 nm 之光。此使得更易於選擇波長範圍轉換材料1〇9。現轉向圖 4，其中展示ZnO奈米頂端於藍寶石上之一場發射掃描電子 顯微影像。該等頂端為尖銳且密集分佈的。此外，圖5展示 ZnO奈米頂端之陰極發光頻譜。如可見，在約38〇 nm處觀 察到一高峰。熟習此項技術者將瞭解所展示之具有恰當頂 端之奈米頂端結構在構建其中陰極與陽極為可互換組件之 場發射光源時為有利的。 圖6展示此設計。本發明之此實施例亦展示為一管狀結 構’但當然其可為任一可行形狀之照明裝置設計，其中_ 波長範圍轉換材料109已配置於外壁1 〇3上，該外壁1 〇3較佳 由玻璃製成並形成一屏蔽外殼。一真空室由一透明基板1〇8 形成’其中在内部其經沈積作為兩個電絕緣段（兩個可互換 陰極/陽極組件）。此等兩個組件每一者由一透明導電層構 112357.doc -10- 1336898 成該透明導電層上生長有Zn0奈米頂端107(如圖4所示）。 該等兩個絕緣組件充當一陽極或一陰極，其視電壓之施加 極!·生（自電源15G)而定。如圖6所示之設計之功能性與如圖3 所示之設計之兩步驟光轉換功能性一致。在討論本發明背 後之基本物理學時熟習此項技術者瞭解，當在陰極產生一 負高電場時，將發生場發射。此等電子將撞擊波長轉換材 料並產生UV光子。前向發射uv光子將進行波長轉換，而後 向發射UV光子將撞擊陰極並導致光增強場發射。因此，如 圖6所不之結構不但可自ZnO奈米頂端1〇7(當前充當陽極） 發射光子至波長範圍轉換材料丨〇9，而且亦"幫助"當前作用 之陰極發射更多電子（當由自Zn〇奈米頂端1〇7發射之光（光 子）撞擊時），藉此用作為一放大器，並因此形成一雙向倒易 放大電子/光子源。 在本發明之再一實施例中，電源丨5〇可為一高頻電源，其 中例如兩側上之1〇7(見圖6)可交替充當陽極或陰極，其視與 父電源相關聯之極性而定。 儘管已詳細描述了本發明及其優點，但應瞭解在不偏離 由附加之申請專利範圍界定之本發明精神及範疇之情況 下，此外可作出各種變化、取代及替代。舉例而言，本發 明並非限於如較佳實施例中所述之管狀結構，而可（例如） 經設計為一球狀體或任何其他形狀之當今或未來照明源結 構。 【圖式簡單說明】 圖1說明一場發射螢光管之側視圖； 112357.doc 1336898 圖2說明一先前技術場發射螢光管之部分橫截面； 圖3說明根據本發明之一實施例之電子/光子源之部分橫 截面； 圖4說明ZnO奈米頂$《-場發射掃描電子顯微影像 圖5說明ZnO奈米頂端之陰極發光頻谱；及 圖6說明根據本發明之另一實施例之部分橫載面。 【主要元件符號說明】 100 場發射螢光管

101 陰極 102 管 103 玻璃結構 104 透明導電陽極層/陽極/透明導電材 105 發射層 ’ 106 電接觸 107 發射材料 108 透明基板

109 波長範圍轉換材料 120 電子 130 具有 131 具有 150 電源 第二波長範圍之，光 第一波長範圍之光 112357.doc

Claims (1)

1336898 擊8月2§修正替換頁 第095124030號專利申請案 / 中文申請專利範圍替換本(99年8月） 十、申請專利範圍： 1 · 種電子/光子源’其包含一位於一外殼内部之真空室， 且特徵在於該電子/光子源進一步包含配置於該真空室内 : 部之一陽極（104)及一陰極（1 〇 I )，其中該陰極（1 ο 1)經配置 • 以在一電壓施加於該陽極（104)與該陰極（101)之間時發 射電子（120) ’該陽極04)經配置以在接收到自該陰極 U 01)發射之電子（120)時發射在一第一波長範圍内之光 (131) ’且一波長範圍轉換材料（109)經配置以接收該具有 該第一波長範圍之發射光（13丨）並發射在一第二波長範圍 内之光（130)。 2. 如清求項1之電子/光子源，其中該陽極由——側被一透明 導電材料（1 04)所覆盍之透明基板（1 〇8)组▲，且該透明導 電材料（104)夾在該基板Π〇8)與一發射材料（1〇7)之間。 3. 如請求項1或2之電子/光子源，其中該陽極及該陰極為相 似可互換組件。 4. 如清求項丨之電子/光子源，其中該波長範圍轉換材料（1卯） 覆蓋該外殼之内部。 5·如請求項1之電子/光子源，其中該波長範圍轉換材料（丨〇9) 、 覆蓋該真空室之外部。 ,6_如請求項2之電子/光子源，其中該波長範圍轉換材料（1〇9) 夾在該基板（108)與該透明導電材料（104)之間。 如μ求項1之電子/光子源，其中該第一波長範圍為約1 〇〇 nm至 450 nm ° 吻农項1之電子/光子源，其中該第一波長範圍為約2 $ 〇 112357-990820.doc 1336898 1¼¾¾正刪 nm至 420 nm。 · 9.如請求項i之電子/光子源，其中該第二波長範圍為約35〇 nm至 900 nm ° 1 〇.如請求項1之電子/光子源，其中該第二波長範圍為約4〇〇 nm至 800 nm ° 11.如叫求項1之電子/光子源，其中該第二波長範圍為約45〇 nm至 650 nm 〇 12·如請求項i之電子/光子源，其中該波長範圍轉換材料（1〇9) 為一紅、綠及藍磷光體之摻合物或_藍、黃磷光體之摻 合物。 13. 如請求項2之電子/光子源，其中該發射材料（ι〇乃為h〇。 14. 如請求項2之電子/光子源，其中該透明基板（ι〇8)為玻 璃、石英或塑膠中之一者。 15. 如請求項2之電子/光子源，其中該透明導電材料（ι〇4)為 ΐτο、Zn〇或單壁碳奈米管中之一者。 16. 如請求項2之電子/光子源，其中該透明基板（1〇8)構成該 真空室之壁。 1 7. —種照明系統，其包含直流或交流控制電子設備及一 请求項1至16之任一項中之電子/光子源。 18. -種用於製造一電子’光子源之方法，其包含以下步驟 -於一外殼内部提供一真空室， -於該真空室之内部配置一陽極及一陰極及 -於該電子/光子源之内部配置一波長範圍轉換材 (1〇9)，該波長範圍轉換材料〇〇9)經配置以接收自該陽 112357-990S20.doc 1336898 8. 27Γ ' 一 - 蜗一-»·一 ^^一-j 發射之具有一第一波長範圍之光（131)並發射在一第二波 長範圍内之光（130)。 112357-990820.doc