TWI461093B - 兩用式透光及發光裝置及可透光的發光結構 - Google Patents

Description

兩用式透光及發光裝置及可透光的發光結構

本發明是有關於一種面發光裝置，且特別是有關於一種兩用式透光及發光裝置及可透光的發光結構。

光源裝置在日常生活中的使用非常廣泛。傳統的點光源經過長時間的研發與改變，漸漸發展出低耗電、均勻發光的面發光裝置，可廣泛使用於平面顯示器、大樓外觀的廣告看板或建築用照明上。

近代建築大量採用可透光的玻璃作為綠建築的建材，擁有壽命長、方便維護保養的優點。玻璃建材的優點是白天可藉由太陽光輔助人工照明，除了節省照明用電外，也能提供較舒適自然的照明空間。採用玻璃建材除了要考慮開口率(透光)之外，還必須考慮隔熱問題。特別是，夏季約有70%的熱是透過玻璃窗與室外進行熱交換，冬季則約有40%的熱藉由玻璃室內散失到戶外。顯然玻璃建材的開口率越大，在夏季時越多的熱就會由戶外進入室內，在冬季時則是有越多的熱由室內散出戶外，這兩種情形都會使得室內空調用電的需求增加。在節能減碳、溫室效應與油價高漲的年代，開發能節省空調與照明用電的隔熱玻璃將是相當重要的議題，並可帶來很大的經濟與環境效益。

另外考慮情境方面的應用，由於白天時的自然光就是均勻的光線，人的視覺在這樣的環境下也會感覺比較自然與舒適，然而夜晚的光線遠比白天的光線不足，窗外一片漆黑的感覺常帶給居住者有不安定感受，因此若夜晚室內的照明效果，表現 有如白天時自然光照射在玻璃窗的感覺，將帶給居住者安定、平靜的情緒。

本發明提供一種兩用式透光及發光裝置，可讓白天的自然光穿透並提供夜間所需的照明效果。

本發明提供一種可透光的發光結構，可讓白天的自然光穿透並提供夜間所需的照明效果。

本發明提出一種兩用式透光及發光裝置，其包括一第一透明基板、一間隙側壁、一第二透明基板以及一可透光的發光結構。該間隙側壁在該第一透明基板與該第二透明基板之間以構成一密閉空間。可透光的發光結構包括一陰極結構、一陽極結構、一低壓氣體層以及一圖案化螢光層，其中該低壓氣體層容置於該密閉空間中，該陰極結構與該陽極結構分別相向地配置於該第一透明基板與該第二透明基板上，而該圖案化螢光層位於該陰極結構與該陽極結構之間，以使外界的自然光仍能穿透其間。

本發明又提出一種可透光的發光結構，其包括一陰極結構、一陽極結構、一圖案化螢光層以及一低壓氣體層。該陰極結構與該陽極結構相向地配置。圖案化螢光層位於該陰極結構與該陽極結構之間，且該圖案化螢光層可讓外界的自然光穿透其間。低壓氣體層填充於該陰極結構與該陽極結構之間，用以誘導該陰極結構發射足夠數量的電子。

在本發明之一實施例中，上述之陽極結構包括一第一圖案化金屬層，位於該圖案化螢光層與該第二透明基板之間。該第一圖案化金屬層的形狀包括條狀或網狀，而該圖案化螢光層的 形狀包括條狀、網狀或點狀。

在本發明之一實施例中，上述之陽極結構包括一第一透明導電層，位於該圖案化螢光層與該第二透明基板之間。該第一透明導電層的形狀包括條狀、網狀或面狀，而該圖案化螢光層的形狀包括條狀、網狀或點狀。

在本發明之一實施例中，上述之陰極結構包括一第二圖案化金屬層，其形狀包括條狀或網狀。

在本發明之一實施例中，上述之陰極結構包括一第二透明導電層，其形狀包括條狀、網狀或面狀。

在本發明之一實施例中，上述之第一透明基板上更包括一透明保護層，用以覆蓋該陰極結構。該透明保護層之材質包括氧化鎂(MgO)、氧化矽(SiO₂)、氧化鋱(Tb₂O₃)、氧化鑭(La₂O₃)、氧化鋁(Al₂O₃)或氧化鈰(CeO₂)。

在本發明之一實施例中，上述之陰極結構上更包括一電子放射層。該電子放射層之材質包括奈米碳管、奈米碳壁、奈米碳材、氧化鋅或鑽石膜。

在本發明之一實施例中，上述之低壓氣體層的氣壓是在10~10^-3torr的範圍內。

基於上述，本發明藉由圖案化螢光層發光並可讓白天的自然光穿透以節省照明用電，兼具透光及發光的功效，可應用在居家或大樓的窗戶或玻璃建材上。在白天其透光與隔熱的特性可節省大量空調與照明用電成本，到了夜晚其發光的特性又能充當照明之用，因此用途廣泛。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明提出一種兩用式透光及發光裝置，其利用平面電子發射式光源(Flat electron emission lamp/FEEL)的發光機制，利用低氣壓環境下的氣體放電將足夠數量的電子從陰極導出，並使這些電子在稀薄的低壓氣體中被電場加速飛行。由於電子在低壓氣體的平均電子自由路徑(mean free path)較長，仍有足夠數量的電子會直接撞擊到在陽極上的螢光粉，並將電子的動能轉換為光能而達到發光的效果。

另外，利用FEEL的發光機制可達到一般光源無法做到的特性與優勢，例如FEEL具有透明與雙面發光的特性，所發出的光波長視螢光粉成分而定，可因應照明環境不同用途來設計不同波長範圍的光源。另外FEEL具有發光響應時間短、可線性調光等性能，方便在不同環境下的發光型態需求。在人體工學與視覺舒適性方面，其平面光源具有單位面積的光強度較低的優勢，不會產生令眼睛不適的眩光。與點光源相比較，不會產生刺眼的視覺殘留，更符合人體健康與室內照明的基本需求。在製程方面，FEEL無半導體或有機化學的污染產生，元件本身不含汞，屬於環保的綠色光源，符合未來的環保需求。綜合這些優點，FEEL的市場應用與產品加值的彈性很高。因此，本發明的發光機制除了可以提供夜間所需的照明之外，更可讓白天的自然光穿透而做為兩用式透光及發光裝置。本發明的透明基板的材料可以是硬性材料或是可撓曲材料。又發光裝置可以是平面或是曲面，其依實際需要而變化。以下舉一些實施例做說明，但是本發明不僅限於所舉的一些實施例。又所舉的一些實施例也可以互相做適當結合，不必是個別獨立的實施例。

圖1A~圖1C為本發明三個實施例之兩用式透光及發光裝置的剖面示意圖。請參閱圖1A~1C，兩用式透光及發光裝置20包括一第一透明基板200、一第二透明基板202、一間隙側壁204以及一可透光的發光結構210A、210B或210C。第一/第二透明基板200、202的材質例如是透明玻璃(或防紫外線玻璃)，而間隙側壁204在第一透明基板200與第二透明基板202之間構成一密閉空間C。此密閉空間C類似於建材上所用的氣密夾層玻璃的結構，具有良好的耐候能力(例如隔熱及保溫)，其內部只有相當稀薄的氣體，故氣體的熱傳導和對流幾乎不存在，因此擁有良好的隔熱及保溫效果。同時也有建材上所要求的隔音與低結露的效果。

在一實施例中，圖1A的可透光的發光結構210A採用平面電子發射式光源(FEEL)的發光機制，主要是由一陰極結構212、一陽極結構214、一低壓氣體層216以及一圖案化螢光層218所組成。其中，陰極結構212與陽極結構214例如藉由透明導電層來達到透光的效果。在另一實施例中，圖1B的可透光的發光結構210B主要是由一陰極結構212a、一陽極結構214、一低壓氣體層216以及一圖案化螢光層218所組成。其中，陰極結構212a例如藉由可透光的圖案化金屬層來達到透光的效果。此外，在另一實施例中，圖1C的可透光的發光結構210C主要是由一陰極結構212a、一陽極結構214a、一低壓氣體層216以及一圖案化螢光層218所組成。其中，陽極結構214a例如藉由可透光的圖案化金屬層來達到透光的效果。

在上述各個實施例中，除了陰極/陽極的材質不同(以不同的標號表示)之外，其餘的內容相同(以相同的標號表示)，今說明如下。陰極結構212或212a設置在第一透明基板200 上，而陽極結構214或214a設置在第二透明基板202上。間隙側壁204在第一透明基板200與第二透明基板202之間構成容置低壓氣體層216的密閉空間C，而低壓氣體層216的氣壓例如是在10~10^-3torr的範圍內。低壓氣體層216的氣體可為惰性氣體、大氣、氫氣(H₂)、二氧化碳(CO₂)或氧氣(O₂)。其中惰性氣體包括氮(N₂)、氦(He)、氖(Ne)、氫(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等。

在上述實施例中，透明導電層的材質例如是銦錫氧化物(ITO)、銦鋅氧化物(IZO)、氟摻雜氧化錫(FTO)、鋁摻雜氧化鋅(AZO)或是其他透明導電氧化物等具有透光性的材質。圖案化金屬層的材質例如是銅合金或鋁合金，其形狀可為條狀或網狀，其線寬及線條間距可依實際需求而定，與低壓氣體層216的氣壓、陰極/陽極結構的間距、材料及開口率等條件有關。此外，圖案化螢光層218例如以條狀、網狀或點狀的方式形成在透明導電層上，可以是單層螢光粉或多層不同螢光材料疊置所組成，以產生單一色光或混光(由多種色光混合成白光)。另外，圖案化螢光層218除了可見光材料外，也可以採用紅外光材料或紫外光材料。

由於圖案化螢光層218具有可透光的條狀、網狀或點狀圖案，且陰極/陽極結構也是透明導電層或可透光的圖案化金屬層，因此由圖案化螢光層218產生的螢光L1、L2或是外界的自然光均可穿透第一/第二透明基板200、202以及陰極/陽極結構，而達到透光及發光的效果。因此，本發明之兩用式透光及發光裝置在節能與照明方面，除了可讓白天的自然光穿透以節省照明用電之外，更可以提供夜間所需的照明，以當作室內照明或戶外照明之用。

在圖1A~圖1C中，陰極結構212或212a與陽極結構214或214a相向地配置且分別是可透光的導電結構。一般而言，圖案化螢光層218可位於陰極/陽極結構之間，較佳是設置在陽極結構214或214a上。低壓氣體層216填充於陰極/陽極結構之間，有誘導陰極均勻發射電子E1的作用。又，低壓氣體層216有一電子平均自由路徑，允許足夠數量的電子E1在一操作電壓下被加速朝向陽極結構214或214a移動，並直接撞擊圖案化螢光層218而發光。另外，在低壓氣體層216中有游離的正電離子P會朝向陰極結構206撞擊，而產生一些二次電子E2(secondary electrons)，以增加電子的數量。

請參考圖2A及圖2B的二實施例，第一透明基板200上可增設一層易產生二次電子的透明保護層220。此透明保護層220之材質例如是氧化鎂(MgO)、二氧化矽(SiO₂)、三氧化二鋱(Tb₂O₃)、三氧化二鑭(La₂O₃)、三氧化二鋁(Al₂O₃)或二氧化鈰(CeO₂)，用以覆蓋陰極結構212或212a，以增加二次電子的數量並兼具保護作用。接著，請參考圖2C的另一實施例，陰極結構212或212a上更可增設一電子放射層230，例如是奈米碳管(carbon nanotube)、奈米碳壁(carbon nanowall)、奈米孔隙碳材(carbon nanoporous)、柱狀氧化鋅(ZnO)、氧化鋅或鑽石膜等易放電材料，可協助陰極放電並降低其工作電壓。

在上述實施例，易放電材料設置在陰極結構212或212a上，但是其不是唯一的設置方式。在一未繪示實施例中，易放電材料亦可設置在陽極結構214或214a上，其也有助於放電效果。此外，陽極結構214或214a上也可以增設易產生二次電子的透明保護層，其覆蓋圖案化螢光層218，可防止圖案化螢光層218被離子轟擊導致燒壞螢光體，因此可以增加圖案化 螢光層218的壽命。換句話說，本發明所舉的多個實施例，都可以適當結合變化，無需限制在個別的實施例。

圖2A及圖2B的二實施例不同之處在於，陰極結構212為可使自然光L3完全穿透的面狀透明導電層，開口率為100%，而陰極結構212a為僅有部分自然光L3可穿透的圖案化金屬層，其形狀例如是條狀或網狀，故開口率小於100%，端視其線寬及線條間距而定。

接著，請參考圖3A及圖3B的二實施例，為了使自然光L3能穿透其間，圖案化螢光層218局部覆蓋第二透明基板202的一部分，而非全面覆蓋第二透明基板202。在圖3A中，陽極結構214位於圖案化螢光層218與第二透明基板202之間，例如是面狀的透明導電層，可讓自然光穿透，但部分自然光L3會被圖案化螢光層218遮蔽而無法穿透，故開口率仍小於100%。此外，在圖3B中，陽極結構214a位於圖案化螢光層218與第二透明基板202之間，例如是條狀或網狀的圖案化金屬層，但有部分自然光L3被陽極結構214a及圖案化螢光層218遮蔽，故開口率也是小於100%。

接著，請參考圖4A~4C的實施例，其繪示三種圖案化螢光層的形狀的俯視示意圖，但非用以限制本發明之實施型態。圖案化螢光層218的形狀可為條狀(平行或非平行的線條)、網狀(平行/垂直相交的線條)、點狀(陣列或隨機分佈的點)或者是三角形、圓形、正方形、長方形等任意幾何圖形之組合。至於陰極/陽極結構的形狀雖未繪示其形狀，但本領域具有通常知識者應可配合圖案化螢光層的實際形狀來設計不同的陰極/陽極結構，在此不再贅述。

綜上所述，本發明藉由圖案化螢光層發光，可以達到省電 的效果，並可兼具透光及發光的功效。陰極/陽極結構只需為平面結構，結構簡單，不需要特別處理。低壓氣體層不需要高真空封裝，可以簡化生產製程，有利於大面積生產。此外，本發明在情境、照明與節能方面有很大的改善，除了可提供更好的情境照明外，也兼具節能效果。以商業大樓的玻璃外牆為例，在白天其透光與隔熱的特性可節省大量空調與照明用電成本，到了夜晚其雙面發光的特性又可作為大樓外觀的字幕圖案廣告用途或建築用照明，可說是白天節能、晚上有經濟收益的商業模式。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

20‧‧‧兩用式透光及發光裝置

200‧‧‧第一透明基板

202‧‧‧第二透明基板

204‧‧‧間隙側壁

210A、210B、210C‧‧‧可透光的發光結構

212、212a‧‧‧陰極結構

214、214a‧‧‧陽極結構

216‧‧‧低壓氣體層

218‧‧‧圖案化螢光層

E1‧‧‧電子

E2‧‧‧二次電子

P‧‧‧正電離子

C‧‧‧密閉空間

L1、L2‧‧‧螢光

L3‧‧‧自然光

220‧‧‧透明保護層

230‧‧‧電子放射層

圖1A~圖1C為本發明三個實施例之兩用式透光及發光裝置的剖面示意圖。

圖2A~圖2C為本發明三個實施例之陰極結構的剖面示意圖。

圖3A及圖3B為本發明二個實施例之陽極結構的剖面示意圖。

圖4A~4C的實施例繪示三種圖案化螢光層的形狀的俯視示意圖。

20‧‧‧兩用式透光及發光裝置

200‧‧‧第一透明基板

202‧‧‧第二透明基板

204‧‧‧間隙側壁

210A‧‧‧可透光的發光結構

212‧‧‧陰極結構

214‧‧‧陽極結構

216‧‧‧低壓氣體層

218‧‧‧圖案化螢光層

E1‧‧‧電子

E2‧‧‧二次電子

P‧‧‧正電離子

C‧‧‧密閉空間

L1、L2‧‧‧螢光

Claims (22)

1. 一種兩用式透光及發光裝置，包括：一第一透明基板；一間隙側壁；一第二透明基板，其中該間隙側壁在該第一透明基板與該第二透明基板之間構成一密閉空間；以及一可透光的發光結構，包括一陰極結構、一陽極結構、一低壓氣體層以及一圖案化螢光層，其中該低壓氣體層容置於該密閉空間中，該陰極結構與該陽極結構分別相向地配置於該第一透明基板與該第二透明基板上，而該圖案化螢光層位於該陰極結構與該陽極結構之間，以使外界的自然光仍能穿透其間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該陽極結構包括一第一圖案化金屬層，位於該圖案化螢光層與該第二透明基板之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該第一圖案化金屬層的形狀包括條狀或網狀，而該圖案化螢光層的形狀包括條狀、網狀或點狀。
4. 如申請專利範圍第1項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該陽極結構包括一第一透明導電層，位於該圖案化螢光層與該第二透明基板之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該第一透明導電層的形狀包括條狀、網狀或面狀，而該圖案化螢光層的形狀包括條狀、網狀或點狀。
6. 如申請專利範圍第1項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該陰極結構包括一第二圖案化金屬層，其形狀包括條 狀或網狀。
7. 如申請專利範圍第1項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該陰極結構包括一第二透明導電層，其形狀包括條狀、網狀或面狀。
8. 如申請專利範圍第1項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該第一透明基板上更包括一透明保護層，用以覆蓋該陰極結構。
9. 如申請專利範圍第8項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該透明保護層之材質包括氧化鎂(MgO)、氧化矽(SiO₂)、氧化鋱(Tb₂O₃)、氧化鑭(La₂O₃)、氧化鋁(Al₂O₃)或氧化鈰(CeO₂)。
10. 如申請專利範圍第1項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該陰極結構上更包括一電子放射層。
11. 如申請專利範圍第10項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該電子放射層之材質包括奈米碳管、奈米碳壁、奈米碳材、氧化鋅或鑽石膜。
12. 如申請專利範圍第1項所述之兩用式透光及發光裝置，其中該低壓氣體層的氣壓是在10~10^-3torr的範圍內。
13. 一種可透光的發光結構，包括：一陰極結構；一陽極結構，其中該陰極結構與該陽極結構相互平行並相隔一間距；一圖案化螢光層，位於該陰極結構與該陽極結構之間，且該圖案化螢光層可讓外界的自然光穿透其間；以及一低壓氣體層，填充於該陰極結構與該陽極結構之間，用以誘導該陰極結構發射足夠數量的電子。
14. 如申請專利範圍第13項所述之可透光的發光結構，其中陽極結構包括一第一圖案化金屬層，其形狀包括條狀或網狀。
15. 如申請專利範圍第13項所述之可透光的發光結構，其中該陽極結構包括一第一透明導電層，其形狀包括條狀、網狀或面狀。
16. 如申請專利範圍第13項所述之可透光的發光結構，其中該圖案化螢光層的形狀包括條狀、網狀或點狀。
17. 如申請專利範圍第13項所述之可透光的發光結構，其中該陰極結構包括一第二圖案化金屬層，其形狀包括條狀或網狀。
18. 如申請專利範圍第13項所述之可透光的發光結構，其中該陰極結構包括一第二透明導電層，其形狀包括條狀、網狀或面狀。
19. 如申請專利範圍第13項所述之可透光的發光結構，更包括一透明保護層，用以覆蓋該陰極結構。
20. 如申請專利範圍第19項所述之可透光的發光結構，其中該透明保護層之材質包括氧化鎂(MgO)、氧化矽(SiO₂)、氧化鋱(Tb₂O₃)、氧化鑭(La₂O₃)、氧化鋁(Al₂O₃)或氧化鈰(CeO₂)。
21. 如申請專利範圍第13項所述之可透光的發光結構，其中該陰極結構上更包括一電子放射層。
22. 如申請專利範圍第21項所述之可透光的發光結構，其中該電子放射層之材質包括奈米碳管、奈米碳壁、奈米碳材、氧化鋅或鑽石膜。