TWI486998B - 場發射陰極及其場發射照明燈具 - Google Patents

Description

場發射陰極及其場發射照明燈具

本發明為有關於一種場發射陰極及利用此場發射陰極構成的場發射照明燈具，藉由場發射陰極的離子吸附體，可吸收電場中的正離子，抑制電場中離子的轟擊作用，維持場發射電場的效率及增進場發射照明燈具的壽命。

第一代照明器具為傳統的白熾燈泡，由於白熾燈泡耗能過大，因此已逐漸全面禁用；第二代照明器具主要為日光燈、鹵素省電燈泡(如CFL)、水銀燈等，係使用電子激發封裝在真空玻璃內的汞或鹵素蒸氣，使其發出X(或UV)射線而激發螢光粉發光，由於此類照明器具含有汞或鹵素，因此對環境影響甚大，也將逐漸被替代；第三代照明器具稱為固態照明，主要為LED(或OLED)發光以構成照明器具，然而，LED與OLED等照明器具輸入的電能有70~80%轉為熱能消耗，僅有20~30%的電能用於發光，整體發光效率不足，而且LED(或OLED)係使用半導體製程製造，製造過程中耗費極大的資源與使用劇毒的化學藥劑，並非真正符合人類所需的新一代照明器具。由於場發射原理也可藉由電能產生光線，因此場發射燈源的發展日益受到重視。如第1圖所示，第1圖為習知的場發射照明燈具之示意圖。場發射照明燈具90係使用場發射陰 極元件93在真空的玻璃腔體91中，利用電源供應器95輸出電能，場發射陰極元件93與場發射陽極元件92間加上電壓後形成電場，由場發射陰極元件93發出電子束以激發場發射陽極元件92之螢光粉發出光線，其發光效率可達每瓦40至60流明以上，尤其構成簡單，更無半導體製程之耗能，若能充份發展，應可改善人類的照明。

場發射理論最早是在1928年由R.H.Fowler與L.W.Nordheim共同提出，在場發射陰極元件與場發射陽極元件間外加電場的情況下，場發射陰極元件的電子有可能直接穿遂脫離束縛，而不用越過原本的能障。目前各研究機構儘力發展奈米材料構成的場發射陰極元件93，可例如為滿佈尖狀的結構發展至奈米碳管931(carbon nanotube，CNT)或奈米氧化鋅等材料，主要係利用這些材料具有較佳的深寬比(aspect ratio)，而產生較高的場發射增強因子，以提升場發射的特性。

奈米碳管為單層或多層的奈米級厚度的石墨薄片(graphite sheet)，以中空圓筒狀所構成，由於奈米碳管的直徑很小，具有很高的深寬比，因此奈米碳管尖端有幾百倍至幾千倍的局部增強電場，使得奈米碳管可以克服約4.5eV的功函數(work function)而在至少約1~2V/μm就可以發射電子，且具有相當好的電子發射特性(electron-emitting)，藉以用於發光的領域上形成場發射照明燈具。當奈米碳管設置於電場的場發射陰極元件時，藉由電場的驅動力於奈米碳管的尖端發射出電子，電子經過真空的間距撞擊在場發射陽極元件的螢光粉而發出光線，構成場發射發光原理，其中場發射發光原理可應用於場發射照明燈具(field emission light,FEL)及場發射顯示器(field emission display,FED)等。

場發射照明燈係利用場發射陰極元件在真空的電場中，發出電子射向場發射陽極元件而發出光線；場發射陰極元件及場發射陽極元件在製造及封裝過程中，可能殘留水氣、空氣、膠料等物質，在真空環境中，這些物質會逐漸釋出，形成正離子與負離子，正離子會受電場中場發射陰極元件負電位的影響而向場發射陰極元件移動，形成離子轟擊(ion bombardment)現象，其將損及場發射陰極元件的表面，進而造成場發射陰極元件的衰退；更甚者，當離子濃度更高時，將形成電漿(plasma)現象，喪失場發射電場，場發射照明燈具即會損燬。

在習知的真空電場系統中，如真空量測儀器(Ionization gauge)為測定離子量或去除電場中的離子，常使用離子收集器(ion collector)，如美國專利US8,169,223、US7,906,971或台灣專利公開號TW201133533；在場發射陰極元件與場發射陽極元件構成的電場外側，增加一柵電極(gate electrode)，以減少因場發射陰極元件發出的電子束撞擊環境中之殘留氣體所產生之離子，該離子會受到場發射陽極元件與場發射陰極元件之電壓加速，對場發射陰極元件或場發射陽極元件形成電子轟擊，藉由該柵電極收集離子，避免場發射陰極元件或場發射陽極元件形成濺鍍現象而穿孔或受損；但此柵電極需要增設一個不同的電壓的供應，除增加電源供應器的複雜性，以及場發射照明燈組裝困難、成本增加外，若利用此原理設置在場發射照明燈具中，柵電極在場發射陰極元件與場發射陽極元件構成的電場外側(或內側)將會影響場發 射陽極元件發出的光線，造成場發射照明燈照度不足，而限制了場發射照明燈具的使用。

因此場發射照明燈具，場發射陽極元件主要為導電金屬層與螢光粉膠料，不論在製程中抽真空的程度如何，在封裝後出廠送到使用者手上，經一段點亮時間後，場發射陽極元件會釋出氫分子、水分子、鋅、硫、矽、膠料等，Sora Leea與Duk Young Jeon，在APPLIED PHYSICS LETTERS 88,2006年論文"Effect of degassed elements on the degradation behavior of carbon nanotube cathodes in sealed field emission-backlight units"證明了場發射背光板中場發射陽極元件會釋出硫與鋅的釋氣(out-gas)。又場發射陰極元件主要為奈米碳管，奈米碳管在封裝前接觸到空氣，會吸收水、氮氣及氧氣等，經一段點亮時間後，場發射陰極元件會釋出水分子、氫、碳、氮、氧等；這些物質在場發射照明燈具封裝過程中，利用抽真空雖可去除一部份，但在點亮過程中，則會繼續釋出這些物質，這些物質受到場發射陰極元件發出的電子束撞擊後會產生離子，在電場中將造成離子轟擊現象(ion bombardment)，進而降低場發射照明燈具的亮度甚至損及壽命；這個現象已於1993年S.Itoh,T.Niiyama及M.Yokoyama於J.Vac.Sci.Technol.B11,647，論文"Influences of gases on the field emission"提出。因此如何去除這些物質形成的離子，為場發射照明燈具急迫需要解決的課題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明主要目的為提出一種場發射 陰極，該場發射陰極主要用於場發射原理構成的照明燈具，如場發射燈泡(FEL bulb)、場發射燈管(FEL tube)、場發射平面燈(FEL panel)或場發射顯示器(field emi ssion display,FED)等，該場發射陰極包含：一個或複數個電子發射體(electron emitting parcel)及一個或複數個離子吸附體(ion absorbing parcel)，各該電子發射體係與各該離子吸附體電性相連接。

其中，電子發射體包含第一載體及奈米發射元，該奈米發射元為奈米材料，第一載體為導電材料所製成，於第一載體上塗佈、鋪設或成長出奈米發射元，用以在場發射照明燈具的電場中可發出電子；其中，對於不同應用，奈米發射元可為奈米碳管(carbon nanotube,CNT)、單壁奈米碳管(single-wall CNT)、石墨烯(graphene)、奈米碳纖維(carbon nano fiber,CNF)、奈米螺旋碳纖維(coli-CNF)、奈米螺旋碳管(coli-CNT)、奈米石墨碎片(nano graphite)、奈米碳號角(carbon nano-horn)、奈米碳絲板(caron nano-filament,wall)、富勒烯(fullerene)、奈米級類鑽石(nano diamond-like)、奈米級金屬粒(nano metal paricle)或其氧化物(nano metal oxide)(如奈米氧化鋅(nano-ZnO))等，不為所限。

其中，各該離子吸附體係由第二載體所構成，第二載體為導電材料；其中，第一載體之導電係數低於第二載體之導電係數。由於電子發射體係與離子吸附體電性相連接，因此在電場中，場發射陰極相對於場發射陽極為負電位，電子發射體的表面電壓將略高於離子吸附體的表面電壓，例如電子發射體的表面電壓相對於場發射陽極的表面電壓為-5,000V、離子吸附體的表面電壓相對於 場發射陽極的表面電壓為-5,050V；或對於不同的材料使用，電子發射體的表面電壓相對於場發射陽極的表面電壓及離子吸附體的表面電壓相對於場發射陽極的表面電壓可為不同的組合。藉此，在電場中帶正電的游離正離子，將被離子吸附體優先吸引，而撞擊在離子吸附體上，減少撞擊在電子發射體上，以降低正離子對奈米發射元的損害。

更進一步，本發明提出的一種場發射陰極，離子吸附體與電子發射體的互相配置方式可採用間隔設置；或者離子吸附體以螺旋方式設置在電子發射體的周圍，使離子吸附體及電子發射體互相以螺旋方式彼此纏繞連接。

又本發明提出的一種場發射陰極，在第一載體與第二載體的材料選擇上，為達較佳的電性效果，第一載體之導電係數應低於第二載體之導電係數；因此，第一載體之材料可為選自於由氧化鉻(chromium oxide)、導電陶瓷(conductive ceramic)、鈍化處理後的不鏽鋼(passivated treatment stainless steel)、石墨(graphite)及類鑽石所組成之族群，使其具有導電性，但導電係數略低；而該第二載體之材料可為選自於由碳化鉻(chromium carbide)、鎳、貴金屬(Noble Metal，如銀、金、鈀、鉑)、鐵鎳合金(iron-nickel alloy，如鐵鈷鎳合金(iron-cobalt-nickel alloy)、不鏽鋼)及銅所組成之族群。

再進一步，本發明提出的一種場發射陰極，為維持場發射照明燈具的陰極效率，離子吸附體的總表面積可小於或等於電子發射體的總表面積，即，在電子發射的方向，任一離子吸附體之截面的長度小於或等於相鄰於該離子吸附體之該電子發射體之截面的長 度。

本發明另一主要目的為提出一種場發射照明燈具，該發射照明燈具包含場發射陰極、場發射陽極與電源供應器，場發射陰極與場發射陽極封裝於真空的一玻璃腔體中，場發射陰極與場發射陽極係以真空相隔開，當電源供應器分別對場發射陽極及場發射陰極供給正電及負電時，場發射陰極與場發射陽極便構成場發射電場。

其中，該場發射陰極係由前述的場發射陰極所構成，包含：電子發射體及離子吸附體，該電子發射體係與該離子吸附體電性相連接，且當電源供應器賦予前述的電壓時，該離子吸附體之表面電壓低於該電子發射體之表面電壓，例如電子發射體之表面電壓相對於場發射陽極之表面電壓為-5,000V、離子吸附體之表面電壓相對於場發射陽極之表面電壓為-5,050V。

藉由離子吸附體之表面電壓低於該電子發射體之表面電壓，於場發射照明燈具之電場作用時，離子吸附體可吸附該玻璃腔體中的游離正離子；在發射照明燈具的電場中，帶正電的游離正離子，將被離子吸附體優先吸引，而撞擊在離子吸附體上，減少撞擊在電子發射體上，以降低正離子對電子發射體的損害。

再進一步，本發明提出的一種場發射照明燈具，為維持場發射照明燈具的陰極效率，可將離子吸附體的總表面積小於或等於電子發射體的總表面積，即，在電子發射的方向，任一離子吸附體之截面的長度小於或等於相鄰於該離子吸附體之該電子發射體之截面的長度。

更進一步，本發明提出的一種場發射照明燈具，可為燈泡形狀的場發射照明燈泡，或可為燈管形狀的場發射照明燈管；利用場發射陰極的離子吸附體吸附場發射照明燈泡或場發射照明燈管中的游離正離子，可維持真空度，並且減少產生離子轟擊現象。又本發明提出的一種場發射照明燈具，可設置複數個場發射陰極分別對應一個或複數個場發射陽極，並且可應用於平面形狀的場發射照明平面燈；其中，該場發射陰極為複數個，而該場發射陽極具有複數個凹槽，每個凹槽分別配置前述的場發射陰極，利用具有離子吸附體的場發射陰極，可吸附場發射照明平面燈中的游離正離子。

承上所述，依本發明之一種場發射陰極及利用該場發射陰極構成的場發射照明燈具，其可具有一或多個下述優點：

(1)本發明的一種場發射陰極及利用此場發射陰極構成的場發射照明燈具，由於場發射陰極之電子發射體係與離子吸附體電性相連接，因此在電場中，場發射陰極相對於場發射陽極為負電位，電子發射體的電壓將略高於離子吸附體的電壓；因此在電場中游離的正離子將優先被離子吸附體吸收，而撞擊在離子吸附體上，減少電子發射體被正離子轟擊(ion bombardment)的現象產生。

(2)本發明的一種場發射陰極及利用此場發射陰極構成的場發射照明燈具，藉由場發射陰極之離子吸附體吸收真空之玻璃腔體中的正離子，可維持場發射照明燈具的真空腔體中的真空度，維持場發射照明燈具發出光線的亮度，增進場發射照明燈具的半衰期壽命。

(3)在習知的場發射照明燈具封裝時，為降低真空腔體的真空度，採用加溫及長時間抽氣，及利用反覆加溫再抽真空的方式，期待能將場發射陰極及場發射陽極內的氣體抽出，惟此過程要耗費相當長的時間，且效果有限。藉由本發明之場發射陰極及利用此場發射陰極構成的場發射照明燈具，可減少反覆加溫再抽真空的次數，利用在場發射照明燈具點亮過程中，繼續吸收真空腔體中的離子，以維持真空腔體中的真空度。

(4)為維持高度真空，習知的真空系統(如真空量測儀器(Ionization gauge))常裝設極為複雜的離子收集器(ion collector)，該離子收集器需要額外的電源系統以供應離子收集器的電場及柵極的用電，但場發射照明燈具相對較小及便宜，不適宜再裝設入前述的離子收集器。藉由本發明的一種場發射陰極及利用此場發射陰極構成的場發射照明燈具，可利用單一的場發射照明燈具之電源供應器，不必再增設電源輸出，即可利用場發射陰極之離子吸附體吸收真空腔體中的正離子，可維持場發射照明燈具的真空腔體中的真空度。

1‧‧‧場發射照明燈具(field emission light、FEL)

11‧‧‧玻璃腔體(glass bulb)

12‧‧‧場發射陽極(field emission anode)

13‧‧‧場發射陰極(field emission cathode)

13a、13b…13n‧‧‧場發射陰極(field emission cathode)

130‧‧‧陰極基板(cathode substrate)

131‧‧‧奈米發射元(nano emission component)

132‧‧‧凹槽(groove)

21‧‧‧電子發射體(electron emitting parcel)

211‧‧‧第一載體(first substrate)

22‧‧‧離子吸附體(ion absorbing parcel)

221‧‧‧第二載體(second substrate)

3‧‧‧電源供應器(power supply)

311‧‧‧正極(positive pole)

312‧‧‧負極(negative pole)

39‧‧‧外接電源(input source)

90‧‧‧場發射照明燈具(field emission light、FEL)

91‧‧‧玻璃腔體(glass bulb)

92‧‧‧場發射陽極元件(field emission anode)

93‧‧‧場發射陰極元件(field emission cathode)

931‧‧‧奈米碳管(carbon nanotube)

95‧‧‧電源供應器(power supply)

e^-‧‧‧電子(electron)

i⁺‧‧‧正離子(positive ion)

i^-‧‧‧負離子(negative ion)

H₊‧‧‧陽極接線端(anode terminal)

H_-‧‧‧陰極接線端(cathode terminal)

V_E‧‧‧等電位線(equal voltage profile)

第1圖為習知的場發射照明燈具之示意圖；第2圖為場發射照明燈具中電子與離子的運動示意圖；第3圖為本發明之場發射陰極及其場發射照明燈具示意圖；第4圖為本發明之場發射陰極配置示意圖；第5圖為本發明之電子與正離子的路徑示意圖；第6圖為本發明之第一實施例示意圖； 第7圖為本發明之第二實施例示意圖；第8圖為本發明之第三實施例示意圖；第9圖為本發明之第四實施例示意圖；以及第10圖為本發明應用於平面型場發射照明燈具示意圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式及實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

如第2圖，第2圖為場發射照明燈具中電子與離子的運動示意圖。場發射照明燈具1係由場發射陰極13、場發射陽極12，封裝在玻璃腔體11中，並由電源供應器3供應電壓電流，在場發射陰極13與場發射陽極12間形成電場，電源供應器3係將外接電源(input source)39經過變壓及升壓後由正極(positive pole)311與負極312(negative pole)輸出，並且分別經由陽極接線端H₊(anode terminal)、陰極接線端H_-(cathode terminal)分別與場發射陽極12、場發射陰極13電性連接。

場發射的發光原理係以電場之場發射陰極13產生穿隧效應(Quantum Tunneling)，當電源供應器3施加足夠之電壓於場發射陰極13與場發射陽極12時，將會使場發射陰極13表面附近之真空能階降低，而發射出電子e^-，接著電子e^-便撞擊到場發射陽極12的螢光粉而發光。場發射的原理為：當沒有電場E存在時(E=0)，場發射陰極13的表層電子的須具備足夠的能量(大於q φ)，才有機會克服位能障壁，進而將電子e^-逸出表層，其中q為電子電量，φ為位能差(真空能階與費米能階之差量)。但當電源供應器3施加電壓構成電場時(E>0)，則會造成真空區的位能分佈改變， 使得電子e^-的穿遂位能障壁變小，此時電子e^-即有較大的機會直接穿透位能障壁而到達場發射陰極13外側；而外加的電場愈大，穿遂位能障壁愈小，使得電子e^-穿透而逸出的機率愈大。

場發射原理可由Fowler-Nordheim方程式表示：

此式可進一步簡化為近似之Fowler-Nordheim方程式：

其中，N(ε,T)為電子的供應函數(即電子的濃度)、t(ε)為穿隧機率、ε _h為一個穿隧電子的最高能量狀態、ε _l為一個穿隧電子的最低能量狀態、J為場發射陰極元件表面電子發射點的發射電流密度(單位為mA/cm²)，E為垂直表面的電場(單位為V/μm)、A與B為校正係數、、v(y)=0-95-y ²、α為發射面積(單位為cm²)、β為場增強因子(單位為cm^-1)、Φ為場發射陰極元件表面材料的工作函數(單位為eV)。

由上式可知，場發射電流與場發射陰極13表面材料的工作函數、電場及場增強因子有關；若場發射陰極13表面材料的工作函數越低，電子e^-也越容易從陰極發射出來。同樣地，當電場越大時，電子e^-也越容易從場發射陰極13表面發射出來。近年來，奈米材 料由於具有導電性、長徑比大、耐高溫等特性，因此可降低場發射陰極13的工作函數，而被認為最適合當成場發射陰極13的奈米發射元131。常用的奈米發射元131可為奈米碳管(carbon nanotube,CNT)、單壁奈米碳管(single-wall CNT)、石墨烯(graphene)、奈米碳纖維(carbon nano fiber,CNF)、奈米螺旋碳纖維(coli-CNF)、奈米螺旋碳管(coli-CNT)、奈米石墨碎片(nano graphite)、奈米碳號角(carbon nano-horn)、奈米碳絲板(caron nano-filament,wall)、富勒烯、奈米級類鑽石、奈米級金屬等。

在第2圖中，當場發射照明燈具1的電場形成後，如果電場中有離子存在，將造成離子轟擊(ion bombardment)，嚴重的離子轟擊係因電場中形成電漿(plasma)所產生的。電漿(Plasma)是一種遭受部份離子化的氣體(Partially Ionized Gases)，藉著在場發射陰極13與場發射陽極12上施以電壓後，當離子化的氣體達到一定濃度時，場發射陰極13與場發射陽極12表面或電場間的氣體，受電子e^-撞擊產生二次離子(Secondary ions)，其分別為正離子i⁺與負離子i^-。在電場下，正離子i⁺與負離子i^-將獲得足夠的能量，而繼續撞擊氣體分子或撞擊場發射陰極13與場發射陽極12，造成解離(Dissociation)的離子化(Ionization)及激發(Excitation)等反應，而產生更多的離子、原子、原子團(Radicals)及更多的離子。其中，尤其以正離子i⁺撞擊在場發射陰極13表面，將造成奈米發射元131的損壞，使場發射照明燈具1降低半衰期的壽命。

場發射照明燈具1之場發射陰極13，當使用奈米材料時，由於奈 米材料的比表面積甚大，一但接觸到空氣，將立即非常快速吸收空氣中的水份、氧、氮等；場發射照明燈具1在封裝過程中，為使玻璃腔體11真空度降至10^-5~10^-6torr以下，必須採用高度真空機進行抽真空，但當抽真空時，因壓力降低水分子會凝結成固體，無法抽出。當場發射照明燈具1之電源供應器3賦予電場電壓時，場發射陰極13開始發射出電子，使得場發射陰極13溫度上升，而將水分子、氧、氮等開始釋出，此即場發射陰極13的釋氣(out-gas)現象。又，場發射陽極12係由導電層與螢光粉層所構成，當塗佈螢光粉層時，先將螢光粉與膠料混合成漿料，才能塗佈與固著在導電層上；膠料可為有機材料或無機材料，當場發射照明燈具1之電源供應器3賦予電場電壓時，場發射陰極13開始發射出電子e^-，射向場發射陽極12，使得場發射陽極12受電子撞擊造成溫度上升，並且受電子e^-撞擊而將膠料、導電層的水分子、氧、矽、金屬等等開始釋出，此即場發射陽極12的釋氣(0ut-gas)現象。

表一為習知場發射照明燈具在不同電壓的電場中，經過12小時後，場發射陰極表層上的元素分析的結果。

由表一可知，在施以1000V電場12小時後，場發射陰極表層受到離子轟擊作用，場發射陰極表層出現了O、Na、Si、S、Zn等非場發射陰極表層應有的元素，顯示發生了離子轟擊作用；當施以更強的電場時(3000V)，場發射陰極表層的奈米碳管含量受到離子轟擊作用而受損而降低，含水量(可由氧含量推估)因較高的電壓致使溫度升高而釋出或受離子轟擊而釋出，其顯示含量相較1000V電場為低，而場發射陽極的螢光粉(主要為硫化鋅結構)與膠料(含Si)受到電場電子e^-轟擊，將Si、S、Zn釋出，並形成帶電正離子i⁺而產生離子轟擊現象，轟擊場發射陰極，而在場發射陰極表層被檢驗出。

由表二可知，在施以1000V電場12小時後，場發射陽極表層受到電子e^-及負離子i^-轟擊作用，場發射陽極表層出現了O、S、Zn等含量產生減少現象；當施以更強的電場時(3000V)，場發射陽極表層的O、S、Zn等含量受到離子轟擊作用而更降低，顯示這些物質釋出至玻璃腔體11形成的真空腔體中，甚至形成帶電正離子i⁺而產生離子轟擊現象，轟擊場發射陰極，而在場發射陰極表層被 檢驗出O、S、Zn等物質，由此可證明習知場發射照明燈具因受離子轟擊作用，造成壽命降低的原因。

為進一步說明本發明之場發射陰極13及利用此場發射陰極13構成的場發射照明燈具1，以下列實施例進行說明。

如第3圖，係本發明之場發射陰極13及利用此場發射陰極13構成的場發射照明燈具1之示意圖，該場發射陰極13主要用於場發射原理構成的照明燈具，如場發射燈泡(FEL bulb)、場發射燈管(FEL tube)、場發射平面燈(FEL panel)或場發射顯示器(field emission display,FED)等，在圖中僅以場發射燈泡作舉例，相同技術概念可應用於場發射燈管、場發射平面燈(請參考第5實施例)或場發射顯示器等，惟本發明不限於此。

圖中，場發射陰極13係由複數個電子發射體21(electron emitting parcel)及複數個離子吸附體22(ion absorbing parcel)，各電子發射體21係與各離子吸附體22電性相連接，複數個電子發射體21係相互以一間隔設置於陰極基板130(cathode substrate)上，且各個電子發射體21之間更分別鄰接複數個離子吸附體22，另參見第6圖。

陰極基板130可為具導電性的金屬材質或為非金屬材質，若陰極基板130為不導電的非金屬材質，則在該陰極基板130形成一金屬導電層(conductive metal layer)，例如披覆一金屬導電層或電鍍、無電鍍形成一金屬導電層。具體應用上，對於非金屬材質的陰極基板130，可使用矽材質的基板(silicon substrate)、玻璃材質的基板(glass substrate)、氧化鋁陶瓷材質的基板 (alumina ceramic substrate)、鍍有氧化銦錫材質的基板(ITO substrate)；若陰極基板130為金屬材質，可使用鐵鎳合金材質基板、鐵鈷鎳合金材質基板、鎳材質基板、鎳銅材質基板、銅材質基板、貴金屬材質基板、銅合金材質基板、無電電鍍或摻雜有鎳金屬之矽材質基板、無電電鍍或摻雜有鎳金屬之玻璃材質基板、無電電鍍或摻雜有鎳金屬之氧化鋁陶瓷基板等，不為所限。

另參見第3圖、第4圖及第6圖，第4圖為本發明之場發射陰極配置示意圖。第6圖為本發明之第一實施例示意圖。此場發射陰極配置示意圖是以場發射燈泡(FEL bulb)為作舉例，配合燈泡的形狀，場發射陽極12鋪設在玻璃腔體(glass bulb)內部，場發射陰極13設置在燈泡的中心，離子吸附體22與電子發射體21係以相互間隔的方式設置，即，離子吸附體22是一節一節的設置在電子發射體21之間。

其中，電子發射體21係在金屬導電材質的陰極基板130上先形成導電的第一載體211，再於第一載體211上塗佈、鋪設或成長出奈米發射元131，用以在場發射照明燈具1的電場中可發出電子，在以下的實施例，奈米發射元131可採用熱裂解氣相沈積法(thermal chemical vapor deposition,TCVD)等方法，成長出奈米碳管，但奈米碳管中仍有少部份的單壁奈米碳管、奈米碳纖維等其他可能存在的奈米碳結構。

離子吸附體22係由第二載體221所構成，第二載體221亦為導電材料；但為能使離子吸附體22在電場中可以吸收正離子，第一載體211之導電係數低於第二載體221之導電係數。例如電子發射體21之表面電壓相對於場發射陽極12之表面電壓為-5,0)0)0)V、離子吸 附體22之表面電壓相對於場發射陽極12之表面電壓為-5,000V。藉此，在電場中的游離帶正電的正離子i⁺，將被離子吸附體22優先吸引，而撞擊在離子吸附體22上，減少撞擊在電子發射體21上，以降低正離子i⁺對奈米發射元131的損害。

請參閱第3圖及第5圖，第5圖為電場中電子e^-與正離子i⁺的路徑示意圖，當場發射照明燈具1之電源供應器3施加足夠之電壓於場發射陰極13與場發射陽極12時，場發射陰極13之電子發射體21產生穿隧效應(Quantum Tunneling)，電子發射體21之奈米發射元131發射出電子e^-，電子e^-的路徑於圖中為虛線(-----)。由於電子e^-係帶負電，因此會受到場發射陽極12的吸引。由每一段的電子發射體21發出的電子e^-，經過真空的空間而撞擊到場發射陽極12的螢光粉而發光。在第5圖中，為了較明白繪示及說明，電子e-撞擊在場發射陽極12上而產生游離的正離子i⁺，但正離子i⁺，仍可能在電子e^-運動過程中撞擊電場中的物質而產生。

第5圖中，離子吸附體22係與電子發射體21間隔設置，因電子發射體21的第一載體211之導電係數低於離子吸附體22的第二載體221之導電係數，當電源供應器3經由正極311(positive pole)與負極312(negative pole)賦予場發射陰極13負電壓、場發射陽極12正電壓時，將使離子吸附體22之表面電壓低於該電子發射體21之表面電壓，例如電子發射體21之表面電壓相對於場發射陽極12之表面電壓為-5,000V、離子吸附體22之表面電壓相對於場發射陽極12之表面電壓為-5,050V，兩者相差約-50V，此僅下列實施例之說明之一，但不以此為限。由於離子吸附體22相對於場發射陽極12的電壓差較大，電場中的游離的正離子i⁺，將會受到離子 吸附體22吸引，沿著電場中的等電位線(equal voltage profile)V_E的垂直方向，而產生動能朝向離子吸附體22移動；正離子i⁺的路徑於圖中為鏈線(－．．－．．－)，大部份的正離子i⁺被離子吸附體22的負電位而吸附，轉換成原子附著在離子吸附體22上。因此，藉由此作用，可將電場中因場發射陰極13與場發射陽極12產生的釋氣，以及因離子轟擊作用產生的正離子i⁺，吸附在離子吸附體22上而減少數量，以減少正離子i⁺對場發射陰極13之奈米發射元131的損害，維持了場發射照明燈具1的真空度及半衰期壽命。

在本發明中，為能使離子吸附體22有較佳的吸附正離子效果，離子吸附體22係與電子發射體21可採用間隔設置，因電子發射體21的第一載體211之導電係數低於離子吸附體22的第二載體221之導電係數，在第一載體211與第二載體221的材料選擇上，為達到較佳的電性效果，第一載體211之材料可為選自於由氧化鉻、導電陶瓷、鈍化處理後的不鏽鋼、石墨及類鑽石所組成之族群，亦即第一載體211之材料可為上述材料之一者或組合，使其具有導電性，但導電係數略低；而該第二載體221之材料可為選自於由碳化鉻(chromium carbide)、鎳、貴金屬(如銀、金、鈀、鉑)、鐵鎳合金(如鐵鈷鎳合金、不鏽鋼)及銅所組成之族群，亦即第二載體221之材料可為上述材料之一者或組合。在後續的實施例將說明其製作成形的方式。

如第6圖，場發射陰極13之軸向為Z方向，通常與場發射陽極12為平行，電子發射的方向為X方向；又為達到較佳的效果，在X方向，離子吸附體22之面積不應超過電子發射體21之面積，以免過份 減少電子發射體21發出電子的數量；即，在X方向，任一離子吸附體22之截面的長度L₂應小於或等於相鄰之該電子發射體21之截面的長度L₁。

進一步對於離子吸附體22與電子發射體21之構成與製作的方法及具體應用方式，以下列實施例說明之，但不以此為限。

<實施例1>

請參看第6圖，係本實施例之電子發射體21與離子吸附體22構成的示意圖，在本實施例中，在X方向，離子吸附體22之截面的長度L₂大致等於電子發射體21之截面的長度L₁。

在本實施例中，陰極基板130採用具導電性的金屬材質之鐵鈷鎳合金(不鏽鋼)材質的基板，但不以此為限。場發射陰極13的製作方式如下：(1)先將金屬細絲狀的陰極基板130進行化學鈍化處理，使陰極基板130披覆一層鈍化層，這層鈍化層的導電係數低於原鐵鈷鎳合金的導電係數，此鈍化層即為第一載體211；(2)以噴砂處理將鄰接於長度為L₁的第一載體211的鈍化層去除，去除的長度為L₂，以形成長度為L₂的第二載體221；由此一節一節的噴砂，以形成相互間隔的第一載體211及第二載體221；(3)使用耐高溫物質將第二載體221遮蔽，採用熱裂解氣相沈積法(thermal chemical vapor deposition,TCVD)等方法，在第一載體211上成長出奈米碳結構以形成奈米發射元131；(4)剝除第二載體221上的耐高溫物質，形成一節一節具有L₁長度 的電子發射體21與L₂長度的離子吸附體22，其中，電子發射體21的第一載體211為鈍化後的鐵鈷鎳合金，其導電係數低於離子吸附體22的第二載體221之噴砂後露出底材的鐵鈷鎳合金。

對於不同應用，陰極基板130可採用導電材料，如前述(1)，將金屬細絲狀的陰極基板130，先進行黑鉻(氧化鉻)處理，披覆一層氧化鉻，使陰極基板130披覆一層氧化鉻層，這層氧化鉻層的導電係數低於原底材的導電材料，此氧化鉻層即為第一載體211。接著以噴砂處理將鄰接於長度為L₁的第一載體211的氧化鉻層去除，去除的長度為L2，以形成長度為L₂的第二載體221；由此一節一節的噴砂，以形成相互間隔的第一載體211及第二載體221。

同樣的，對於不同應用，陰極基板130可採用導電材料所製成，在此陰極基板130先披覆一層導電陶瓷、石墨、類鑽石等導電係數略低的導電物質構成第一載體211，再一節一節的以機械或化學方法剝除導電陶瓷、石墨、類鑽石等，露出陰極基板130之底材長度為L₂的第二載體221。

<實施例2>

請參看第7圖，係本實施例之電子發射體21與離子吸附體22構成的示意圖，在本實施例中，陰極基板130採用具較低導電度的材質為基板，如鐵基金屬、導電陶瓷、石墨、類鑽石等，但不以此為限。場發射陰極13的製作方式如下：(1)先將陰極基板130，以防鍍漆或非金屬物質遮蔽一節一節長度為L₁的陰極基板130，此即第一載體211；再將遮蔽第一載體211後的陰極基板130進行碳化鉻、鎳、貴金屬、銅等電鍍或化學鍍 處理，使陰極基板130未被遮蔽的部分披覆一層碳化鉻、鎳、貴金屬或銅等，此即為長度為L₂的第二載體221；(2)使用耐高溫物質將第二載體221遮蔽，採用熱裂解氣相沈積法(thermal chemical vapor deposition,TCVD)等方法，在第一載體211上成長出奈米碳結構以形成奈米發射元131；(3)剝除第二載體221上的耐高溫物質，形成一節一節且相互間隔設置之具有L₁長度的電子發射體21與L₂長度的離子吸附體22，其中，電子發射體21的第一載體211為具較低導電度的鐵基金屬、導電陶瓷、石墨、類鑽石等，其導電係數低於離子吸附體22的第二載體221之碳化鉻、鎳、貴金屬或銅等材質。

<實施例3>

請參看第8圖，係本實施例之電子發射體21與離子吸附體22構成的示意圖，在本實施例中，陰極基板130係在金屬或非金屬上，進行碳化鉻、鎳、貴金屬(如銀、金、鈀、鉑)、銅等電鍍或化學鍍處理，或者直接使用鎳、貴金屬(如銀、金、鈀、鉑)、鐵鎳合金(如鐵鈷鎳合金、不鏽鋼)、銅等金屬。

場發射陰極13的製作方式如下：(1)先將陰極基板130，遮蔽一節一節長度為L₂的陰極基板130，此即第二載體221；再將陰極基板130未被遮蔽的部分披覆氧化鉻、導電陶瓷、石墨、類鑽石等導電係數較低的物質，以形成長度為L₁的第一載體211；(2)使用耐高溫物質將第二載體221遮蔽，採用熱裂解氣相沈積法 (thermal chemical vapor deposition,TCVD)等方法，在第一載體211上成長出奈米碳結構以形成奈米發射元131；(3)剝除第二載體221上的耐高溫物質，形成一節一節且相互間隔設置之具有L₁長度的電子發射體21與L₂長度的離子吸附體22，其中，電子發射體21的第一載體211為具較低導電度的氧化鉻、導電陶瓷、石墨、類鑽石等，其導電係數低於離子吸附體22的第二載體221之碳化鉻、鎳、貴金屬(如銀、金、鈀、鉑)、銅等材質。

<實施例4>

請參看第9圖，係本實施例之電子發射體21與離子吸附體22構成的示意圖，如前述的第1、2、3實施例，可使用螺旋狀的剝除或遮蔽方式，取代一節一節的剝除或遮蔽方式，以形成螺旋狀的離子吸附體22與電子發射體21，惟本發明不限於此，只要是在電子發射的方向(X方向)離子吸附體22之截面的長度小於或等於相鄰於離子吸附體22之電子發射體21之截面的長度，皆應屬本發明所請求保護之範圍。

<實施例5>

請參考第10圖，係本發明場發射陰極13應用於平面形狀的場發射照明平面燈的實施例示意圖。

本實施例場發射陽極12係以鋁材質的鋁板沖壓製成具有複數個連續的凹槽132，每個凹槽132可為拋物面或為夾角度60~120°的W形狀平面所構成，不為所限，圖示係以W形狀的鋁板為作舉例；本實施例場發射陽極12，係固定於玻璃腔體11內，螢光粉以刷塗的 方式塗佈在場發射陽極12的每一凹槽132內部。

場發射陰極為複數個13a、13b、…、13n，每一個場發射陰極分別置於場發射陽極12的每一凹槽中，並分別電性連接至陰極接線端H-，以供電源輸入使用；場發射陰極13、場發射陽極12封裝在玻璃腔體11內，以分別電性連接至電源供應器3之負極312及正極311。

各場發射陰極13a、13b、…、13n之陰極基板130係由不鏽鋼絲所製成，先將整支的不鏽鋼絲進行碳化鉻電鍍，使整支的不鏽鋼絲披覆上一層導電性佳且耐腐蝕的碳化鉻電鍍層；以玻璃套管遮蔽一節一節長度為L₂的第二載體221，露出一節一節長度為L₁的第一載體211(請一併參考第6圖至第8圖)；使用噴砂將第一載體211上的碳化鉻電鍍層去除，露出底材不鏽鋼，再將整支的陰極基板130經化成處理(chemical conversion treatment)，使不鏽鋼材質的第一載體211進行鈍化處理。其中，玻璃套管為二個半圓柱形的套管，其長度為L₂，利用彼此嵌合，可遮蔽陰極基板130上的第二載體221。

接下來採用熱裂解氣相沈積法(thermal chemical vapor deposition,TCVD)等方法，在第一載體211上成長出奈米碳結構以形成奈米發射元131：接著剝除第二載體221上的玻璃套管，以形成一節一節且相互間隔設置之具有L₁長度的電子發射體21與L₂長度的離子吸附體22，其中，電子發射體21的第一載體211為具較低導電度的鈍化後的不鏽鋼，其導電係數低於離子吸附體22的第二載體221之碳化鉻鍍層。

場發射陰極13a、13b、…、13n係設置在場發射陽極12的每一凹槽之大約中央附近的位置，各場發射陰極13a、13b、…、13n激發出電子時，可利用離子吸附體22將電場中的正離子吸附，維持場發射照明燈具1的真空腔體中的真空度，且減少產生離子轟擊現象，提高場發射照明燈具1的壽命。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧場發射照明燈具

11‧‧‧玻璃腔體

12‧‧‧場發射陽極

13‧‧‧場發射陰極

131‧‧‧奈米發射元

21‧‧‧電子發射體

22‧‧‧離子吸附體

3‧‧‧電源供應器

311‧‧‧正極

312‧‧‧負極

39‧‧‧外接電源

H₊‧‧‧陽極接線端

H_-‧‧‧陰極接線端

Claims (9)

1. 一種場發射陰極，用於場發射照明燈具，該場發射陰極包含：一個或複數個電子發射體及一個或複數個離子吸附體，各該電子發射體係與各該離子吸附體電性相連接；其中，各該電子發射體包含一第一載體及一奈米發射元，該奈米發射元為奈米材料並鋪設於該第一載體上，用以在該場發射照明燈具的一電場中發射電子；其中，各該離子吸附體係由一第二載體所構成；其中，該第一載體之導電係數低於該第二載體之導電係數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陰極，其中各該離子吸附體與各該電子發射體係相互間隔設置、螺旋方式設置或其組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陰極，其中該第一載體之材料為選自於由氧化鉻、導電陶瓷、鈍化處理後的不鏽鋼、石墨及類鑽石所組成之族群。
4. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陰極，其中該第二載體之材料為選自於由碳化鉻、鎳、貴金屬、鐵鎳合金及銅所組成之族群。
5. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陰極，其中在該電場中電子發射的方向，各該離子吸附體之截面的長度小於或等於相鄰於各該離子吸附體之各該電子發射體之截面的長度。
6. 一種場發射照明燈具，包含：至少一場發射陰極、至少一場發射陽極、一電源供應器，其中，該場發射陰極與該場發射陽極封裝 於真空的一玻璃腔體中；其中，該電源供應器具有一正極及一負極，以各別電性連接該場發射陽極及該場發射陰極，用以供應電源；其中，該場發射陰極係由申請專利範圍第1項之場發射陰極所構成，包含：一電子發射體及一離子吸附體，該電子發射體係與該離子吸附體電性相連接；其中，該離子吸附體之表面電壓低於該電子發射體之表面電壓；於該場發射照明燈具之電場作用時，該離子吸附體用以吸附該玻璃腔體中的游離正離子。
7. 如申請專利範圍第6項所述之場發射照明燈具，其中該場發射陰極在該電場中電子發射的方向，該離子吸附體之截面的長度小於或等於相鄰於該離子吸附體之該電子發射體之截面的長度。
8. 如申請專利範圍第6項所述之場發射照明燈具，其中該場發射照明燈具為燈泡形狀或燈管形狀。
9. 如申請專利範圍第6項所述之場發射照明燈具，其中該場發射照明燈具為平面形狀；其中，該場發射陽極具有複數個凹槽；該場發射陰極之數量為複數個，且分別配置於該場發射陽極的該些凹槽中。