TWM448782U - 場發射陰極元件及其場發射燈源 - Google Patents

Description

場發射陰極元件及其場發射燈源

本創作係有關一種場發射陰極元件及其場發射燈源，尤指一種可應用於以奈米螺旋碳材為主的電子場發射陰極元件，及由此場發射陰極元件所構成的場發射燈源。

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，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，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，更且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照明光線，場發射發光燈源的發展日益受到重視，如第1圖，由於場發射發光燈源91係使用場發射陰極發射元件95在真空的玻璃管92中，加上電壓後形成電場，而由場發射陰極發射元件95發出電子束以激發陽極元件94之螢光粉941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。

奈米碳管(carbon nanotube，CNT)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，使得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，具有相當好的電子發射特性(electron-emitting)，電子發射特性可用於發光的領域上形成場發射發光元件。當奈米碳管設置於電場的陰極時，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陽極的螢光粉而發出光線，構成場發射發光原理；場發射發光原理可應用於場發射發光元件(field emission light, FEL)及場發射顯示器(field emission display, FED)等。如J.-M. Bonard, R. Gaal, S. Garaj等人在2002年J. of Applied physics, Vol.91, No.2之期刊中揭露奈米碳結構(carbon nanostructure)、多層或單壁奈米碳管(multi- single-wall carbon nano-tube)、奈米碳錐體(carbon nano-cone)等具有良好的場發射特性；又如美國專利公開號US20030001477、美國專利US7276843等，亦揭露可使用單壁奈米碳管、圓柱圈狀石墨烯(cylindrical graphene)、石墨纖維(graphitic nanofibers)及奈米螺旋碳纖維(carbon nano-coil)於場發射陰極發射元件(cathode emitter)；中國專利CN 200620115629.1揭露使用導電纖維編織繩成長奈米碳管當成場發射燈的陰極元件。

在結構上，中國專利CN201010226072.X與CN201010226065.X揭露以場發射原理設計的投射燈，採用陰極元件的形狀使其與陽極元件的形狀相適配，如相對於陽極元件的圓形投射面，陰極元件的基材也製成圓形球面，或如相對於陽極元件的弧形反射面，陰極元件的基材也製成網狀的弧形；但其陰極元件採用金剛石薄膜、四角形奈米氧化鋅或直徑10~20nm長度5~15nm的奈米碳管，此類物質的啟動電壓較低，再配合較大的陰極元件發射面積，其電子能量較低或較不易分配均勻，光度有限，尚難發展為可實用的照明光源。

有鑑於習知技術的缺點，本創作的發明人經長時間研究，場發射陰極元件的電子發射源若改採用螺旋奈米碳纖維(CNF)與螺旋奈米碳管(CNC)，可提高電子場發射效率且在較高的啟動電壓下可維持較佳的壽命，可以提高場發射效應，再配合陰極元件與陽極元件的配置，可提供較佳的均勻性，進一步提高場發射燈源的發光流明數與光線的品質。

本創作主要的目的係提出一種場發射陰極元件，係用於一場發射燈源，當為場發射燈源的陰極；場發射燈源包含玻璃或石英等可真空密封且透光的玻璃外殼、用以接收電子的場發射陽極元件及可發射電子的場發射陰極元件及一電源供應器，該場發射陽極元件與該場發射陰極元件係以真空條件為10^-5 torr以上之真空度，封裝於該玻璃外殼內，該場發射陰極元件係與該場發射陽極元件相互配置。該場發射陽極元件及該場發射陰極元件經一電源供應器導入電源後構成一場發射電場，由於場發射電場之作用，在電場強度足夠的條件下，由該場發射陰極元件可發出電子、經過真空的相隔空間而由該場發射陽極元件所接收，形成電路迴路；該場發射陰極元件係由一陰極導線與一陰極燈絲所構成；該陰極導線係連接該陰極燈絲，並連接至該玻璃外殼外部，供為電源輸入使用。本創作之該場發射陰極元件係與該場發射陽極元件係相互配置，使該場發射電場各部份的電場距離為大致相同，以使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於40%，可產生大致相同的電場強度，使該場發射陰極元件可發出均勻的電子束、該場發射陽極元件的均勻性與有效利用率更高。

該陰極燈絲包含一陰極基板、一複合奈米碳材層；其中該陰極基板為鎳、鉻、鐵、銅、鈷或其合金所製成，或者在其表面鋪設或電鍍有一金屬導電層，該金屬導電層材質為鎳、鉻、鐵、銅、鈷或其合金。

其中該複合奈米碳材層由一螺旋奈米碳材及其他的各種奈米碳材(如直鏈狀的奈米碳管、直鏈狀的奈米碳纖維以及少量的石墨晶體、石墨烯(graphene)或各種形態的石墨(graphite)等)所組成，係附著在該陰極基板之該金屬導電層表面；該螺旋奈米碳材係包含一螺旋奈米碳管(coli-CNT)(為螺旋狀的奈米碳管)與一螺旋奈米碳纖維(coli-CNF)(為螺旋狀的奈米碳纖維)，並與其他的各種奈米碳材附著在該陰極基板表面。對於較佳的實施例，該螺旋奈米碳材與其他的奈米碳材係以沉積方式成長在該陰極基板表面；對於其他較佳的實施例，該螺旋奈米碳材與其他的奈米碳材係混合無機黏膠類的物質(如矽氧化合物SiOx等)包覆在該陰極基板表面。

更進一步，該陰極燈絲之該陰極基板形狀可為螺旋彈簧的形狀，當配合該場發射陽極元件所配置的位置與方式，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於40%。或者，該陰極燈絲之該陰極基板形狀可為金屬網構成圓形錐狀體、金屬網構成圓柱體、金屬絲旋繞構成錐狀的螺旋體、金屬網構成的圓弧面或平面，當並配合該場發射陽極元件相互配置，使該場發射電場各部份的電場距離為大致相同，使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於30~40%以上。

本創作另一個主要的目的係提出一種場發射燈源，包含一玻璃外殼、一場發射陽極元件、一場發射陰極元件及一電源供應器；該場發射陽極元件與該場發射陰極元件係以真空條件為10^-5 torr以上真空度時，封裝於該玻璃外殼內，藉由真空環境下在該場發射陽極元件與該場發射陰極元件之間形成電場；

其中，該場發射陽極元件包含一螢光粉層及一導電層，該螢光粉層係由螢光粉所組成，用以接受該場發射陰極元件發出的電子而激發出光線，對於不同的應用，螢光粉可為一般照明用或添加紅光波段或紫外光波段的螢光粉，供為植物生長照明使用的植物燈，不為所限；該導電層係由導電物質所構成，用以將該場發射陰極元件發出的電子導出而形成導電迴路。

該場發射陰極元件係由一陰極導線與一陰極燈絲所構成，該陰極燈絲包含一陰極基板、一複合奈米碳材層；其中各該陰極基板可為鎳、鉻、鐵、銅、鈷或其合金所製成，或者在其表面有一金屬導電層，該金屬導電層材質為鎳、鉻、鐵、銅、鈷或其合金；其中該複合奈米碳材層由一螺旋奈米碳材及其他的各種奈米碳材所組成，係附著在該陰極基板之該金屬導電層表面；該螺旋奈米碳材係包含螺旋奈米碳管(coli-CNT)與螺旋奈米碳纖維(coli-CNF)；各該陰極導線係連接各該陰極燈絲，並分別連接至該玻璃外殼外部，供為電源輸入使用。

其中，該電源供應器具有一陰極輸出端及一陽極輸出端，該陰極輸出端連接至該場發射陰極元件之該陰極導線、該陽極輸出端連接至該場發射陽極元件，該陰極輸出端相對於陽極輸出端輸出電壓為負4KV以上的電壓、電流輸出範圍為有效場發射陰極單位面積之電流(電流密度)為0.5~2.0mA/cm² ，其中，有效場發射陰極的面積為該場發射陰極元件在電場中可發射出電子的區域之面積，通常即為陰極燈絲的面積；用以在該場發射陽極元件與該場發射陰極元件產生一電場，由該場發射陰極元件發出電子經由該電場撞擊該場發射陽極元件之該螢光粉層，而發出光線，電子則由該導電層電導至該電源供應器構成供電迴路。

本創作再一個主要的目的係提出一種場發射陰極元件，係用於一場發射燈源上；該場發射陰極元件係由複數個陰極導線與複數個陰極燈絲所構成；各該陰極導線係連接各該陰極燈絲，並分別連接至該玻璃外殼外部，供為電源輸入使用；各該陰極燈絲如前所述。

更進一步，為將各該陰極燈絲電性隔開，該場發射陰極元件進一步可包含一陰極燈絲支撐架，該陰極燈絲支撐架為非電導材料所製成，例如以玻璃材質所製成，用以支撐各該陰極燈絲，並將各該陰極燈絲電性隔開，裝設在該場發射燈源內，使各該陰極燈絲相對於該場發射陽極元件的有效電場區域內發出電子束。其中，該場發射陰極元件係與該場發射陽極元件相互配置，使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於40%。

更進一步，各該陰極燈絲之形狀可為圓形或矩形之一，且該複數個陰極燈絲可構成圓弧面或平面其一。

本創作又一個主要的目的係提出一種場發射燈源，包含一玻璃外殼、一場發射陽極元件、一場發射陰極元件及一電源供應器；該場發射陰極元件係由複數個陰極導線與複數個陰極燈絲所構成，每一個該陰極導線連接一個該陰極燈絲，各該陰極燈絲如前所述。

其中，該電源供應器具有複數個陰極輸出端及一陽極輸出端，各該陰極輸出端連接至該場發射陰極元件之各該陰極導線、該陽極輸出端連接至該場發射陽極元件，各該陰極輸出端相對於陽極輸出端輸出電壓為負4 KV以上的電壓、電流輸出範圍為有效場發射陰極之電流密度為0.5~2.0mA/cm² 的電流；用以在該場發射陽極元件與該場發射陰極元件產生一電場，使該場發射陰極元件發出電子經由該電場撞擊該場發射陽極元件之該螢光粉層，而發出光線。較佳的，該電源供應器可對各陰極輸出端以時序週期的方式，分別對各陰極輸出端輸出負4 KV以上的電壓、電流輸出範圍為有效場發射陰極之電流密度為0.5~2.0mA/cm² ，將可降低該電源供應器的功率，而降低該電源供應器的製作成本，並可增加場發射陽極元件的壽命。

藉此，本創作之場發射陰極元件及其場發射燈源，係可用於各種目的的照明燈源，具有下列優點：

(1)本創作的場發射陰極元件，其陰極燈絲上附著有複合奈米碳材層，係包含螺旋奈米碳管(coli-CNT)與螺旋奈米碳纖維(coli-CNF)，螺旋奈米碳管(coli-CNT)與螺旋奈米碳纖維(coli-CNF)可在螺旋處形成更多的奈米角(nano corner)，奈米角類似於奈米碳管的尖端，可發出電子束。藉由螺旋奈米碳管與螺旋奈米碳纖維之頂端或螺旋處可在電場中可發出更多的電子束，由於可發出電子的地方遠高於習知的奈米碳管，將可提供更均勻、場發射特性更好的陰極元件。可供場發射燈源使用，使場發射燈源可發出更均勻、流明數高於習知場發射燈源技術的光線，改善習知場發射燈源技術流明數過低的缺點。

(2)本創作的場發射陰極元件，其可調整複合奈米碳材之螺旋奈米碳管(coli-CNT)與螺旋奈米碳纖維(coli-CNF)相對於其他奈米碳材的比例(數量分率)，使其具有不同的場發射起始電壓(field emission applied voltage，Vc)，在相同的電流密度下，陰極元件可使用高的場發射起始電壓提供更高的電子束強度，或可調整陰極元件為較低的場發射起始電壓，即調整場發射的電壓與電流(I/V曲線)，以產生不同功能的場發射電場，當提供給場發射燈源使用時，可利用不同的電壓與電流產生能量更高或數量更均勻的電子束，提供更大的應用彈性。

(3)本創作的場發射陰極元件及其場發射發光燈源，可藉由控制不同的電壓提升場發射發光燈源的輝度，但仍能維持低電流而不傷害到螢光粉層的特性，持續擁有高發光效率。

(4)本創作的場發射發光燈源，係將場發射陰極元件及場發射陽極元件以真空封裝處理後，即可形成一穩定發光燈源，而不使用汞或鹵素等其他有害物質，具有環保的價值。再由於場發射的特性，場發射發光燈源發出的光線具有高演色性、高明亮性的優點，可用於照明光源、農業植栽光源或各種電子產品光源等領域，具有很大的應用價值。

為使本創作更加明確詳實，茲列舉較佳實施例並配合下列圖示，將本創作之結構及技術特徵詳述如後:

為說明根據本創作的主要技術特徵所衍生的各實施例，玆列舉較佳實施例，並分別說明如後，然而，本創作的各項實施方式應不為此所限。

＜第一實施例＞

請參考第2圖係本創作場發射陰極元件5及其場發射燈源1的實施例示意圖，本實施例係為燈泡狀的場發射燈源1，藉由玻璃外殼2將場發射陰極元件5、場發射陽極元件4封裝在玻璃外殼2內，由E27接頭將場發射陰極元件5、場發射陽極元件4以電性連接至電源供應器3(未繪示於圖中)；玻璃外殼2為玻璃所製或可為石英所製，其形狀或尺寸不限制，若為降低開模成本則可使用傳統燈具的燈泡，其形狀或尺寸可如傳統燈泡A19、A21或A23；場發射陽極元件4係設置在玻璃外殼2內壁之2/3以下的位置，做為場發射燈源1的陽極，玻璃外殼2空留上端1/3位置未設置場發射陽極元件4，讓光線可以無阻擋的射出；場發射陰極元件5係設置在中央，做為場發射燈源1的陰極；場發射燈源1內部抽真空至10^-5 Torr以上真空度，並可設置一集氣劑(getter) (未於圖上繪示)，用以吸收殘留或因使用而產生的氣體，以維持真空度；對於更高的真空度要求，可抽真空至10^-5 ~10^-6 Torr以上真空度。

場發射燈源1之場發射陽極元件4係由導電層42與螢光粉層41所構成，導電層42可使用氧化銦錫透明導電膜(ITO)或鋁、錫等金屬薄膜或奈米氧化鋅、奈米氧化錫所製成，在本實施例係由鋁薄膜所製成；螢光粉層41主要由螢光粉塗佈在導電層42上所構成，在本實施例係使用三色P22螢光粉，ZnS:Ag(藍)、(Zn,Cd)S:Ag(綠)、Y₂ O₃ :Eu³⁺ (紅)所構成，可發出白光可見光，但不以此為限。

在場發射燈源1之場發射陰極元件5係與場發射陽極元件4係相互配置，且以真空相隔離，當電源供應器3於場發射陽極元件4導入負電壓(相對於場發射陽極元件4導入零電位)，在場發射陰極元件5係與場發射陽極元件4之間形成一場發射電場，當輸入場發射陽極元件4的負電壓達到場發射起始電壓(field emission turn-on voltage，Vc)時達到足夠的電場強度條件下，由於場發射電場之作用由場發射陰極元件5可發出電子、經過真空的相隔空間而由場發射陽極元件4所接收，形成電路迴路；場發射陰極元件5發出的電子撞擊在場發射陽極元件4上激發場發射陽極元件4上的螢光粉層41之P22螢光粉而發出白色可見光線。

場發射陰極元件5係由一陰極導線56與一陰極燈絲51所構成，陰極導線56係與陰極燈絲51連接經由場發射燈源1下端之封蓋(未於圖上繪示)穿出至玻璃外殼2外部，供為電源輸入使用。

陰極燈絲51由陰極基板54與複合奈米碳材層53所構成，本實施例之陰極基板54為不鏽鋼(鎳、鉻、鐵、鈷合金)所製成金屬絲，其金屬導電層55即為不鏽鋼；對於其他可使用的材質例如在導電陶瓷上電鍍一層鎳或銅形成金屬導電層55，不為所限。如第3圖，複合奈米碳材層53係由螺旋奈米碳材及其他的各種奈米碳材(如直鏈狀的奈米碳管、直鏈狀的奈米碳纖維以及少量的石墨晶體、石墨烯(graphene)或各種形態的石墨(graphite)等)所組成，係以熱氣相沉積法(thermal chemical vapor, TCVD deposition)成長在陰極基板54之金屬導電層55表面；螺旋奈米碳材係包含有螺旋奈米碳管(coli-CNT)(為螺旋狀的奈米碳管)與螺旋奈米碳纖維(coli-CNF)(為螺旋狀的奈米碳纖維)，並與其他的各種奈米碳材附著在陰極基板54表面，螺旋奈米碳管與螺旋奈米碳纖維為螺旋形，如螺旋奈米碳管與螺旋奈米碳纖維可為麻花狀如第4(A)圖，或可為彈簧狀如第4(B)圖，不為所限。

在本實施例，陰極燈絲51係由形狀為不鏽鋼金屬絲狀的陰極基板54，以旋繞構成錐狀的螺旋體，在表面成長出複合奈米碳材層53所構成，其錐狀的螺旋體形狀的陰極基板54可為前後直徑相同的螺旋體形狀，或者如第2圖所示，採用底部直徑較小、頂部直徑較大的螺旋彈簧形狀；在第2圖中，為配合場發射陽極元件4在玻璃外殼2的位置與形狀，陰極燈絲51係製成底部直徑較小、頂部直徑較大的螺旋彈簧形狀，可使陰極燈絲51與場發射陽極元件4距離在巨觀上大致相同，可使該場發射電場之有效作用區內各區域的電場強度差異小於20%，可產生大致相同的電場強度，使該場發射陰極元件5在電場中可發出均勻的電子束。在本實施例中，場發射陰極元件5之有效場發射陰極面積(陰極燈絲51)為6cm² ，電源供應器3陽極輸出端31相對於陰極輸出端32輸出電壓為可調的-4~-9 KV的電壓、電流為3mA~12mA，可提供高亮度的場發射燈源1。

＜第二實施例＞

請參考第5圖係本創作場發射陰極元件5及其場發射燈源1的實施例示意圖，本實施例係為燈管狀的場發射燈源1，藉由玻璃外殼2將場發射陰極元件5、場發射陽極元件4封裝在玻璃外殼2內，場發射陰極元件5、場發射陽極元件4以電性分別連接至電源供應器3之陰極輸出端32及陽極輸出端31；玻璃外殼2形狀或尺寸不限制，在本實施例採用直徑為5/8英吋(約16公釐)的T5燈管；場發射陰極元件5係設置在玻璃外殼2內壁，當為場發射燈源1的陽極；場發射陽極元件4係設置在中央，當為場發射燈源1的陰極；場發射燈源1內部抽真空至10^-5 Torr以上真空度，並可設置一集氣劑(getter) (未於圖上繪示)，用以吸收殘留或使用而產生的氣體，以維持真空度；對於更高的真空度要求，可抽真空至10^-5 ~10^-6 Torr以上真空度。

場發射燈源1之場發射陽極元件4係由導電層42與螢光粉層41所構成，導電層42係可使用可透光的氧化銦錫透明導電膜(ITO)所製成，相同第一實施例，螢光粉層41主要由P22螢光粉塗佈在導電層42上所構成。

場發射陰極元件5係由一陰極導線56與一陰極燈絲51所構成，陰極導線56係與陰極燈絲51連接穿出至玻璃外殼2外部，供為電源輸入使用。

陰極燈絲51由陰極基板54與複合奈米碳材層53所構成，本實施例之陰極基板54為導電陶瓷，在陰極基板54上電鍍一層鎳形成金屬導電層55。複合奈米碳材層53之組成如同第一實施例，在此不再贅述。但本實施例採用已先合成的螺旋奈米碳材與其他的奈米碳材，先混入二氧化矽(SiO₂ )，再包覆在陰極基板54上的金屬導電層55表面；對於不同的應用，也可採用無機黏膠類的物質，如其他矽氧化合物SiOx等，不為所限。

在本實施例，陰極燈絲51係由形狀為螺旋彈簧形狀的陰極基板54上浸入混有已預先合成的螺旋奈米碳材與其他的奈米碳材之二氧化矽(SiO₂ )膠液中，再經烘乾後形成複合奈米碳材層53，其螺旋彈簧形狀為前後直徑相同的螺旋彈簧形狀，可使陰極燈絲51與場發射陽極元件4距離在巨觀上大致相同，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於25%，可產生均勻的電場強度，使該場發射陰極元件5在電場中可發出均勻的電子束，提供流明數更高的照明燈源。

電源供應器3具有陰極輸出端32用以對應連接陰極導線56、陰極輸出端31用以對應連接陽極導線46，電源供應器可對陰極輸出端32相對於陽極輸出端31輸出直流、交流或脈衝電壓的電源，使場發射陰極元件5發出電子束撞及場發射陽極元件4，而發出光線，電子則經由陽極導線46回到電源供應器3，構成供電迴路。

＜第三實施例＞

請參考第6圖係本創作場發射陰極元件5及其場發射燈源1的實施例示意圖，本實施例類同於第一實施例亦為燈泡狀的場發射燈源1。

場發射燈源1之場發射陽極元件4係由導電層42與螢光粉層41所構成，係先在玻璃外殼2內部塗佈螢光粉形成螢光粉層41、再於螢光粉層41上噴塗導電層42；在本實施例導電層42係使用氧化銦錫透明導電膜(ITO)所製成，螢光粉層41亦使用三色P22螢光粉。

場發射陰極元件5係由一陰極導線56與一陰極燈絲51所構成，陰極導線56係與陰極燈絲51連接經由場發射燈源1下端之封蓋(未於圖上繪示)穿出至玻璃外殼2外部，供為電源輸入使用。

本實施例之陰極基板54為鎳銅合金製成的圓形錐狀體之金屬網，其形狀係配合貼附在玻璃外殼2內部的場發射陽極元件4的形狀，係使用熱氣相沉積法(TCVD)在鎳銅合金金屬網上成長出複合奈米碳材層53，複合奈米碳材層53之組成同第一實施例所示。藉由圓形錐狀體之陰極燈絲51與場發射陽極元件4距離在巨觀上大致相同，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於25%；在本實施例中，場發射陰極元件5之有效場發射陰極面積(陰極燈絲51)為8cm² ，電源供應器3陽極輸出端31相對於陰極輸出端32輸出電壓為可調的-4~-9 KV的電壓、電流為4mA~16mA，可產生相較於第一實施例更均勻的電子束，提供流明數更高的照明燈源。

＜第四實施例＞

請參考第7圖係本創作場發射陰極元件5及其場發射燈源1的實施例示意圖，本實施例類似於第二實施例，亦為燈管狀的場發射燈源1。

在本實施例之場發射陽極元件4之螢光粉層41係使用三色P22螢光粉添加含金屬有機物的釔鋁石榴石之O.Y.A.G螢光粉所構成，可發出白光混有較強的紫光，以供給植物成長的植物培養燈使用。

場發射陰極元件5係由一陰極導線56與一陰極燈絲51所構成，陰極導線56係與陰極燈絲51連接經由場發射燈源1下端之封蓋(未於圖上繪示)穿出至玻璃外殼2外部，供為電源輸入使用。

本實施例之陰極基板54為不鏽鋼絲(鐵鈷鎳鉻合金)製成的圓柱體之金屬網，其形狀係配合貼附在玻璃外殼2內部的場發射陽極元件4的形狀，係使用熱氣相沉積法(TCVD)在金屬網上成長出複合奈米碳材層53，複合奈米碳材層53之組成同第一實施例所示。藉由圓柱體之陰極燈絲51與場發射陽極元件4距離在巨觀上大致相同，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於20%，可產生相較於第一、二實施例更均勻的電子束，提供流明數更高的照明燈源供植物培養燈使用。

＜第五實施例＞

請參考第8圖本創作場發射陰極元件5及其場發射燈源1的實施例示意圖。

本實施例係為投射燈狀的場發射燈源1，藉由玻璃外殼2將場發射陰極元件5、場發射陽極元件4封裝在玻璃外殼2內，由E27接頭將場發射陰極元件5、場發射陽極元件4以電性連接至電源供應器3；玻璃外殼2為玻璃所製成，分成上玻璃外殼21及下玻璃外殼22，其形狀或尺寸不限制，若為降低開模成本或與傳統燈具可共用，其形狀或尺寸可如傳統投射燈泡PAR系列(如PAR-20、PAR-30S、PAR-30L、PAR-38等)；場發射陽極元件4係設置在上玻璃外殼21內壁，場發射陰極元件5係設置在中央，當為場發射燈源1的陰極，組裝時，先將場發射陽極元件4與集氣劑組裝於下玻璃外殼22，再蓋上設有場發射陽極元件4之上玻璃外殼21，將其密封後抽真空至10^-5 ~10^-6 Torr以上真空度。

場發射燈源1之場發射陽極元件4相同於第三實施例，但螢光粉層41係使用三色P22螢光粉，餘不再贅述。

在場發射燈源1之場發射陰極元件5係與場發射陽極元件4係相互配置，場發射陰極元件5係由一陰極導線56與一陰極燈絲51所構成，陰極導線56係與陰極燈絲51連接經由下玻璃外殼22穿至玻璃外殼2外部之E27接頭，供為電源輸入使用。陰極燈絲51由陰極基板54與複合奈米碳材層53所構成，本實施例之陰極基板54為鎳銅合金，其金屬導電層55即為鎳銅合金；對於其他可使用的材質例如使用不鏽鋼網，不為所限。複合奈米碳材層53係以熱氣相沉積法成長在陰極基板54之金屬導電層55表面。在本實施例，陰極燈絲51係由鎳銅合金所製成金屬網，形狀為金屬網構成的圓弧面或可使用平面，不為所限，於第8圖中係繪示金屬網構成的圓弧面，使陰極燈絲51與場發射陽極元件4距離在巨觀上大致相同，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於20%，可產生大致相同的電場強度，使該場發射陰極元件5在電場中可發出更均勻的電子束，提供更高流明數的照明光源；在本實施例中，場發射陰極元件5之有效場發射陰極面積為8cm² ，電源供應器3陽極輸出端31相對於陰極輸出端32輸出電壓為可調的-4~-9 KV的電壓、電流相對於其他實施例可提供更高的電流4~16mA，提供更高流明數的照明光源。

＜第六實施例＞

請參考第9圖係本創作場發射陰極元件5及其場發射燈源1的實施例示意圖。本實施例係為燈管狀的場發射燈源1，場發射陰極元件5係由複數個陰極導線56a、56b、56n與複數個陰極燈絲51a、51b、51n所構成；各陰極導線56a、56b、56n係連接各陰極燈絲51a、51b、51n，並分別連接至該玻璃外殼2外部，供為電源輸入使用；場發射陰極元件5藉由玻璃外殼2將場發射陰極元件5、場發射陽極元件4封裝在玻璃外殼2內，場發射陰極元件5、場發射陽極元件4以電性分別連接至電源供應器3之各陰極輸出端32a、32b、32n及陽極輸出端31。

場發射燈源1之場發射陽極元件4係由導電層42與螢光粉層41所構成，如同第三實施例，在此不再贅述。各陰極燈絲51a、51b、51n之陰極基板54係由不鏽鋼絲所製成，在不鏽鋼絲表面以熱氣相沉積法成長複合奈米碳材層53，如同第一實施例，在此不再贅述。陰極燈絲51a、51b、51n以陰極燈絲支撐架52所支撐，如第10圖，陰極燈絲51a、51b、51n係相對於場發射陽極元件4設置在玻璃外殼2之大約中央附近的位置。陰極燈絲支撐架52係由非電導材料所製成，以避免各陰極燈絲51a、51b、51n相互導電而減低電場效果，在本實施例，陰極燈絲支撐架52為玻璃所製成，有複數個支撐槽可容置陰極燈絲51a、51b、51n，圖示之陰極燈絲支撐架52為實心的玻璃柱所製成，也可使用空心玻璃或格狀的玻璃所製成，或前後固定於玻璃外殼2上，不為所限。經由陰極燈絲支撐架52之支撐，可使各陰極燈絲51a、51b、51n與場發射陽極元件4距離在巨觀上大致相同。陰極燈絲51a、51b、5n配合陰極燈絲支撐架52，使與場發射陽極元件4距離在巨觀上大致相同，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於25%。

請參閱第13圖，係為本實施例使用於燈管狀的場發射燈源1之電源供應器3之塊解圖，在圖中，電源供應器3包含輸入調變模組33、控制模組34及輸出調變模組35，用以於該陰極電源輸出端32輸出一高壓脈衝電壓，該高壓脈衝電壓之電壓為V_O ，陰極電源輸出端32至該陽極電源輸出端31之電流A_O ，其中V_O = -5~-9 KV係藉由使用者或其他控制裝置，此V_O 為可調的(diming)；在本實施例中，電流A_O 為配合輸出電壓幅度之穩定的電流，其波形如第14圖。

輸入調變模組33包含輸入隔離電路331、橋式整流器332及調壓器333，該輸入隔離電路331可接受市電的交流電輸入如90~264VAC、50~60HZ之輸入電源39，並將輸入電源39與電源供應器3之各電路予以隔離，構成一次側隔離；橋式整流器332係藕接於輸入隔離電路331，用以將市電轉成直流電，例如轉換至V_i =200VDC；調壓器333係藕接於橋式整流器332，以調變輸出不同的直流電之電壓V_i ，輸出至該控制模組34。

控制模組34包含脈衝寬度調變電路341、控制電路342、輸出整流濾波電路343及回授電路344，係可使用切換式電源技術(switching power)將直流電源轉換成脈衝；其中，脈衝寬度調變電路341(PWM電路)係將該輸入調變模組33連結輸入的直流電(如200VDC)，轉變為以脈衝寬度可調變的電壓信號；控制電路342用以控制該脈衝寬度，以轉變為設定頻率之脈衝電壓；輸出整流濾波電路343用以將該脈衝電壓進行濾波，形成一低壓脈衝電壓，回授電路344則用以控制低壓脈衝電壓的頻率與穩定度。

該輸出調變模組35包含變壓電路352與輸出隔離電路351，用以將該低壓脈衝電壓V_k 調變至預定的高壓脈衝電壓V_O ，以負電壓送至陰極輸出端32，並構成二次側隔離，波形圖如第9圖。輸出隔離電路351用以隔離變壓電路352之高壓脈衝電壓V_O 與場發射燈源1，避免電流回沖。該高壓脈衝電壓之有效負載時間Te，係可依據場發射燈源1的特性需求而控制；其中，T為該高壓脈衝電壓之脈衝週期；有效負載時間Te為該場發射驅動電源輸出之該高壓脈衝電壓V_O 超過該場發射燈源之啟動電壓Vc之時間。進一步，變壓電路352可使用二級變壓所構成，分別為第一級的第一級變壓電路3521與第二級的第二級變壓電路3522，用以逐段升壓至電壓V_O 。

電源供應器3具有複數個陰極輸出端32a、32b、32n(未於第13圖上繪示，參見第9圖)用以對應連接陰極導線56a、56b、56n；請參閱第11圖，係為本實施例場發射燈源1之底座接頭23示意圖，藉由底座接頭23之P接點可連接陽極導線46與電源供應器3之陽極輸出端31，藉由底座接頭23之N₁ 、N₂ 、…、Nn接點分別連接各陰極導線56a、56b、56n與電源供應器3之各陰極輸出端32a、32b、32n。請參考第14圖，電源供應器可對各陰極輸出端32a、32b、32n相對於陽極輸出端31輸出不同時序的負4KV以上的電壓(V₀ )、穩定電流，例如在第一時序區間輸出負4KV以上的電壓、穩定電流給陰極輸出端32a、第二時序區間輸出負4KV以上的電壓(V₀ )、穩定電流給陰極輸出端32b、第n時序區間輸出負4KV以上的電壓(V₀ )、穩定電流給陰極輸出端32n；輸出電壓(V₀ )若超過場發射起始電壓之有效負載時間可為Te=1/5 T ~2/3T，T為電壓輸出的週期；有效負載時間Te為該場發射驅動電源輸出之該高壓脈衝電壓之電壓V_O 超過該場發射燈源之啟動電壓Vc之時間；在本實施例係採用N=4，Te/T=1/N，在第一時序區間使陰極燈絲51a發出電子撞擊在場發射陽極元件4的對應區域而發出光線、在第二時序區間使陰極燈絲51b發出電子撞擊在場發射陽極元件4的對應區域而發出光線、在第四時序區間使陰極燈絲51n發出電子撞擊在場發射陽極元件4的對應區域而發出光線；由此間斷性的使場發射陽極元件4的對應區域發出光線，並使螢光粉層41之螢光粉得以有休息時間，可不致於過份減低發出光線的亮度，更可讓螢光粉避免持續受激而增加壽命。

＜第七實施例＞

請參考第12圖係本創作場發射陰極元件5之陰極燈絲支撐架52實施例示意圖。本實施例之陰極燈絲支撐架52可應用於投射燈狀的場發射燈源1，用以支撐陰極燈絲51a、51b、51n。投射燈狀的場發射燈源1如同第五實施例。

在本實施例，場發射陰極元件5係由複數個陰極導線56a、56b、56n與複數個陰極燈絲51a、51b、5n所構成；陰極燈絲支撐架52為非電導材料如玻璃條所製成，其上有複數個凹槽，用以容置並固定陰極燈絲51a、51b、5n。

陰極燈絲51a、51b、5n係由鎳銅合金金屬絲所製成圓形或矩形燈絲，在鎳銅合金金屬絲表面以熱氣相沉積法成長複合奈米碳材層53。陰極燈絲51a、51b、51n配合陰極燈絲支撐架52形成圓弧面或平面，使與場發射陽極元件4距離在巨觀上大致相同，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於25%。

電源供應器3具有複數個陰極輸出端32a、32b、32n用以對應連接陰極導線56a、56b、56n，如同第六實施例，電源供應器3以時序週期的方式，分別對各陰極輸出端32a、32b、32n輸出負4 KV以上的電壓(V₀ )、穩定的電流；由使用不同時序對各陰極輸出端32a、32b、32n輸出，將可降低該電源供應器3的功率，而降低該電源供應器3的製作成本，並使螢光粉層41之螢光粉得以有休息時間，可不致於過份減低發出光線的亮度，更可讓螢光粉避免持續受激而增加壽命。

以上所示僅為本創作之優選實施例，對本創作而言僅是說明性的，而非限制性的。在本專業技術領域具通常知識人員理解，在本創作權利要求所限定的精神和範圍內可對其進行許多改變，修改，甚至等效的變更，但都將落入本創作的保護範圍內。

1‧‧‧場發射燈源
2‧‧‧玻璃外殼
21‧‧‧上玻璃外殼
22‧‧‧下玻璃外殼
23‧‧‧底座接頭
3‧‧‧場發射燈源驅動電源
31‧‧‧陽極輸出源
32、32a、32n‧‧‧陰極輸出源
33‧‧‧輸入調變模組
331‧‧‧輸入隔離電路
332‧‧‧橋式整流器
333‧‧‧調壓器
34‧‧‧控制模組
341‧‧‧脈衝寬度調變電路
342‧‧‧控制電路
343‧‧‧輸出整流濾波電路
344‧‧‧回授電路
35‧‧‧輸出調變模組
351‧‧‧輸出隔離電路
352‧‧‧變壓電路
3521‧‧‧第一級變壓電路
3522‧‧‧第二級變壓電路
353‧‧‧分流器
354‧‧‧隔離二極體
355‧‧‧相位器
39‧‧‧輸入電源
4‧‧‧場發射陽極元件
41‧‧‧螢光粉層
42‧‧‧導電層
5‧‧‧發射陰極元件
51、51a、51b、51c、51n‧‧‧陰極燈絲
52‧‧‧極燈絲支撐架
53‧‧‧複合奈米碳材
54‧‧‧陰極基板
55‧‧‧金屬導電層
56、56a、56b、56c、56n‧‧‧極導線
91‧‧‧場發射燈源
92‧‧‧玻璃管
93‧‧‧電源供應器
94‧‧‧場發射陽極元件
941‧‧‧螢光粉
95‧‧‧發射陰極發射元件
P‧‧‧陽極電源輸入端
N₁、N₂、N₃、…、N_n‧‧‧陰極電源輸入端
Vc‧‧‧啟動電壓
V_O‧‧‧高壓脈衝電壓
T‧‧‧高壓脈衝電壓之脈衝週期
Te‧‧‧有效負載時間

第1圖係為習知場發射發光燈源之示意圖；
第2圖係本創作第一實施例之場發射陰極元件及場發射燈源示意圖；
第3圖係本創作各種奈米碳材之形貌圖；
第4圖係本創作各種螺旋奈米碳纖維與螺旋奈米碳管的TEM形貌圖；
第5圖係本創作第二實施例之場發射陰極元件及場發射燈源示意圖；
第6圖係本創作第三實施例之場發射陰極元件及場發射燈源示意圖；
第7圖係本創作第四實施例之場發射陰極元件及場發射燈源示意圖；
第8圖係本創作第五實施例之場發射陰極元件及場發射燈源示意圖；
第9圖係本創作第六實施例之場發射陰極元件及場發射燈源示意圖；
第10圖係本創作第六實施例之陰極燈絲支撐架示意圖；
第11圖係本創作第六實施例之場發射燈源底座示意圖；
第12圖係本創作第七實施例之陰極燈絲支撐架示意圖；
第13圖係本創作第六實施例之電源供應器塊解圖；以及
第14圖係本創作第六實施例之電源供應器輸出電壓的時序示意圖。

1‧‧‧場發射燈源

2‧‧‧玻璃外殼

3‧‧‧電源供應器

31‧‧‧極輸出端

32a~32n‧‧‧陰極輸出端

4‧‧‧場發射陽極元件

41‧‧‧螢光粉層

42‧‧‧電層

5‧‧‧發射陰極元件

51a、51b、51n‧‧‧陰極燈絲

53‧‧‧複合奈米碳材

54‧‧‧陰極基板

56a、56b、56n‧‧‧陰極導線

Claims (9)

1. 一種場發射陰極元件，係用於一場發射燈源上，該場發射燈源包含一玻璃外殼、一場發射陽極元件及一場發射陰極元件，該場發射陽極元件與該場發射陰極元件係以真空封裝於該玻璃外殼內，該場發射陽極元件及該場發射陰極元件經導入電源後構成一場發射電場；該場發射陰極元件包含一陰極導線、一陰極燈絲；該陰極導線係連接該陰極燈絲，並連接至該玻璃外殼外部，供為電源輸入使用；
   該陰極燈絲包含一陰極基板、一複合奈米碳材層；其中該陰極基板表面至少有一金屬導電層，該金屬導電層材質為鎳、鉻、鐵、銅、鈷或其合金；
   其中，該複合奈米碳材層係由各種不同型態奈米碳所混合構成，並附著在該金屬導電層表面；該複合奈米碳材層包含有一螺旋奈米碳材，該螺旋奈米碳材為一螺旋奈米碳管與一螺旋奈米碳纖維之混合物；
   其中，該場發射陰極元件係與該場發射陽極元件相互配置，使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於40%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陰極元件，其中，該陰極燈絲形狀為螺旋彈簧的形狀。
3. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陰極元件，其中，該陰極燈絲之形狀為金屬網構成圓形錐狀體或圓柱體兩者之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陰極元件，其中，該陰極燈絲之形狀為金屬絲旋繞構成錐狀的螺旋體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陰極元件，其中，該陰極燈絲之形狀為金屬網構成的圓弧面或平面其一。
6. 一種場發射陰極元件，係用於一場發射燈源上，該場發射燈源包含一玻璃外殼、一場發射陽極元件、一場發射陰極元件及一電源供應器，該場發射陽極元件與該場發射陰極元件係以真空封裝於該玻璃外殼內；該場發射陽極元件及該場發射陰極元件經由該電源供應器導入電源後構成一場發射電場；該場發射陰極元件係包含複數個陰極導線與複數個陰極燈絲；各該陰極導線係連接各該陰極燈絲，並分別連接至該玻璃外殼外部，供為電源輸入使用；各該陰極燈絲包含一陰極基板、一複合奈米碳材層；其中該陰極基板表面至少有一金屬導電層，該金屬導電層材質為鎳、鉻、鐵、銅、鈷或其合金；該複合奈米碳材層係由各種不同型態奈米碳所混合構成，並附著在該金屬導電層表面；該複合奈米碳材層包含有一螺旋奈米碳材，該螺旋奈米碳材為一螺旋奈米碳管與一螺旋奈米碳纖維之混合物；其中，該場發射陰極元件係與該場發射陽極元件相互配置，使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於40%。
7. 如申請專利範圍第6項所述之場發射陰極元件，其中，該場發射陰極元件進一步包含一支撐架，該支撐架為非電導材料所製成，用以支撐各該陰極燈絲。
8. 如申請專利範圍第6項所述之場發射陰極元件，其中，各該陰極燈絲之形狀為圓形或矩形之一，且該複數個陰極燈絲構成圓弧面或平面其一。
9. 一種場發射燈源，包含一玻璃外殼、一場發射陽極元件、一場發射陰極元件及一電源供應器；該場發射陽極元件與該場發射陰極元件係真空封裝於該玻璃外殼內；其中，該場發射陽極元件包含一螢光粉層及一導電層，該螢光粉層係由螢光粉所組成，用以接受該場發射陰極元件發出的電子而激發出光線；該導電層係由導電物質所構成，用以將該場發射陰極元件發出的電子導出而形成導電迴路；該場發射陰極元件包含一個或複數個陰極導線與一個或複數個陰極燈絲，係為申請權利範圍第1項至第8項之任一項所構成；各該陰極導線係連接各該陰極燈絲，並分別連接至該玻璃外殼外部，供為電源輸入使用；其中，該電源供應器具有一個或複數個陰極輸出端及一陽極輸出端，各該陰極輸出端連接至該場發射陰極元件之各該陰極導線、該陽極輸出端連接至該場發射陽極元件，各該陰極輸出端相對於該陽極輸出端輸出電壓為負4 KV以上的電壓、電流輸出範圍為有效場發射陰極單位面積之電流為0.5~2.0mA/cm² ；用以在該場發射陽極元件與該場發射陰極元件產生一電場，由該場發射陰極元件發出電子經由該電場撞擊該場發射陽極元件之該螢光粉層，而發出光線，電子則由該導電層電導至該電源供應器構成供電迴路。