TWM448783U - 場發射陽極元件及其場發射燈源 - Google Patents

Description

場發射陽極元件及其場發射燈源

本創作係有關一種場發射陽極元件及其場發射燈源，尤指一種可應用於以具有奈米導電層的電子場發射陽極元件，及由該場發射陽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。

在習知的技術上，場發射發光燈源之場發射陽極可分成二類，第一類係使用燈管(或燈泡)之玻璃外殼為場發射陽極，如第1圖所示，一般構造為將玻璃外殼為陽極基板，在陽極基板上鋪設導電層，並在導電層上設置螢光粉，例如美國專利US7843121、US7052352揭露之場發射照明光源係在照明光源之玻璃燈泡材質的基板上設置一陽極元件94，先於基板上塗佈ㄧ層氧化銦錫薄膜，接著再塗佈一層螢光粉941形成螢光粉層於氧化銦錫薄膜上方；當場發射照明光源賦予電壓後，場發射陰極發射元件95與陽極元件94之間形成電場，由場發射陰極發射元件95發出電子後撞及陽極元件94之螢光粉941而發光，電子則經由氧化銦錫薄膜導出。對於不同的實施例，例如美國專利US6015326，可使用金屬氧化物，如氧化鋅、氧化鈦或氧化鎢等以替代氧化銦錫薄膜，於該金屬氧化物上再塗佈一層螢光粉941。第二類係將場發射陽極94與玻璃管92燈管(或燈泡)之玻璃外殼分開成為不同元件，陽極基板942採用金屬材質，於金屬材質的陽極基板942上鋪設螢光粉941，或如台灣專利TW I230961，係採用金屬網狀材，於金屬網狀材上鋪設螢光粉941。

由於場發射陽極的螢光粉為不導電，螢光粉容易累積電荷而降低電場效果且螢光粉會發生庫倫老化效應，降低場發射燈的亮度與壽命。因此，為了增加場發射陽極的導電，中國專利公開號CN101989531揭露使用一條寬約500μm的銀導線，將銀導線週圍的電荷導出，此雖有利於電荷導出，但減少了螢光粉的作用面積、降低光度；又如美國專利US20100072879揭露在陽極表面鋪設非晶相碳(amorphous carbon)、石墨(graphite)、類鑽碳球(diamond-like carbon)、富勒烯(fullerenes)、奈米碳管(carbon nanotubes)、有機共聚塗料((co)polymer and organic coating compound)之保護物質；但非晶相碳、石墨、類鑽碳球之直徑過大，除阻擋光線外且導電性不佳，有機共聚塗料在場發射燈源受熱會分解而降低真空度，使光度衰減，且又未揭露奈米碳管、富勒烯這些奈米碳材的鋪設方式，未能達其導電的效果。

有鑑於習知技術的缺點，必須進一步對場發射陽極之組成及構造進行改良，以延長陽極結構之壽命並增加發光之效率。

本創作主要的目的係提出一種場發射陽極元件，係用於一場發射燈源，當為場發射燈源的陽極；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以真空間隔相隔離；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。

本創作提供之場發射陽極元件，其包含：一陽極基板、一螢光粉層及一奈米導電層；該陽極基板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，係由金屬、金屬膜、金屬網或透明導電膜之一或其組合所構成。該螢光粉層係由螢光粉所組成，塗佈於陽極基板表面，用以接受該場發射陰極元件發出的電子而激發出光線；

該螢光粉層在其外部披覆一奈米導電材料所形成的一奈米導電層；該奈米導電層係由膨脹石墨、石墨烯、奈米石墨薄片、奈米氧化鋅、奈米氧化錫之一或其組合所形成；其中，奈米氧化鋅、奈米氧化錫顆粒D₉₀ 直徑小於200nm，其中，D₉₀ 為該奈米導電物質的累計直徑分佈數達到90%時所對應的顆粒直徑。

場發射陽極元件的另一特徵係與場發射陰極元件相互配置，使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於45%。

更進一步，該場發射陽極元件可包含一介電層，係披覆於該奈米導電層之外層或者相對於該奈米導電層披覆於該螢光粉層之另一面；該介電層為選自矽氧化合物(SiOx)，如二氧化矽(SiO₂ )，不為所限。

其中該陽極基板可由鋁、銅、鐵、鎳、鐵基合金的金屬，以噴塗或印刷形成的金屬膜，或者使用鋁、銅、鐵、鎳、鐵基合金所製成的金屬網所構成。該陽極基板亦可由透明導電膜所構成，如氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋅鋁(AZO)、氧化鋅鎵(GZO)、奈米化氧化鋅、奈米化氧化錫之一或其組合等。

本創作另一主要目的乃在於提供一種場發射燈源，其包含：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；該場發射陽極元件如前所述，係包含一陽極基板、一螢光粉層及一奈米導電層，該奈米導電層係披覆於該螢光粉層之外層，係由膨脹石墨、石墨烯、奈米石墨薄片、奈米氧化鋅、奈米氧化錫之一或其組合所構成；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，該真空度條件為10^-5 torr以上真空度；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、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(電流密度)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，電子則由該陽極基板電導至該電源供應器構成供電迴路。

其中，該螢光粉層、該玻璃外殼與該陽極基板有下列不同的關係位置：

(1) 該陽極基板係設置於該螢光粉層與該玻璃外殼之間；

(2) 該螢光粉層係設置於該陽極基板與該玻璃外殼之間。

本創作再一目的乃在於提供一種場發射燈源，其包含：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，如前所述；該場發射陰極元件具有複數個場發射陰極燈絲，該電源供應器具有複數個陰極輸出端，該複數個陰極輸出端對應連接至每一個場發射陰極燈絲。

藉此，本創作之場發射陽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) 本發明之場發射陽極元件之螢光粉層係使用奈米導電物質鋪設於螢光粉層的表面，由於螢光粉為非電導體，當螢光粉受到場發射陰極元件發出的電子撞擊後，可藉由螢光粉上的奈米導電物質快速的將電荷導出，降低螢光粉的電荷累積，以增加場發射陽極元件之螢光粉的壽命；又由於電荷可以快速導出，則可提高電壓以增加電場的強度，並藉以提高場發射發光燈源的亮度。

(2) 本發明之場發射陰極元件係與場發射陽極元件相互配置，以場發射陽極元件與場發射陰極元件的形狀大致配合，使場發射電場在有效作用區域內的每一區域的電場強度大致相同；由此可使場發射陽極元件各區域均勻發光，藉以提高場發射發光燈源的亮度。

(3) 本發明之場發射陽極元件進一步含有凝結劑，該凝結劑作用之一為將螢光粉可以聚集緊密，以提高場發射電子撞擊螢光粉的效率。

(4) 本發明之場發射陽極之奈米導電物質層係由奈米導電物質所構成，由於奈米導電物質可使用極少的數量(如限制其奈米導電物質堆疊的層數或厚度)，使其具有導電導熱特性，且仍能維持透明度較高的奈米導電物質層，避免阻擋光線的透出，故可降低習知技術使用導電氧化物而阻擋螢光粉激發的光線的現象。

(5)本發明的場發射發光燈源，係將陰極元件及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圖係本創作場發射陽極元件4及其場發射燈源1的實施例之示意圖、係用於場發射燈泡，亦可用於場發射投射燈泡，但第2圖係以燈泡狀的場發射燈源為繪示。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，若為降低開模成本或與傳統燈具可共用，其形狀或尺寸可如傳統燈泡A19、A21或A23；場場發射陽極元件4係設置在玻璃外殼2內壁之2/3以下的位置，當為場發射燈源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，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係由陽極基板42、螢光粉層41、奈米導電層44、介電層45所構成，陽極基板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。奈米導電層44係由奈米導電材料披覆在螢光粉層41的外部表面所形成，可由膨脹石墨、石墨烯、奈米石墨薄片、奈米氧化鋅、奈米氧化錫之一或其組合所形成。膨脹石墨、石墨烯、奈米石墨薄片的物理性質為導電率(bulk conductivity)約為0.96~1.2x10^-6 Ω^-1 cm^-1 、熱導率(thermal conductivity)約為3000~5000 Wm^-1 K^-1 ，由於膨脹石墨、石墨烯、奈米石墨薄片的體積極小，可使用極少量(薄層)即可達到導熱與導電的效果，且由於膨脹石墨、石墨烯、奈米石墨薄片甚薄，接近透明，將不影響奈米導電物質層44的透光。又奈米氧化鋅與奈米氧化錫之導電率約為1.2x10^-4 Ω^-1 cm^-1 也可達到用量少、導熱與導電的效果佳的優點。

在本實施例奈米導電材料係使用奈米石墨薄片，奈米石墨薄片為厚度小於10 nm之奈米薄片，具有極佳的導電率與導熱率，可將螢光粉層41的電子與產生的熱能快速的導出。為維持導電導熱特性，又不影響其透明度，奈米石墨薄片可鋪設在10層以下，即控制厚度在100 nm以下。

本實施例之場發射陽極元件4進一步在奈米導電層44外表面鋪設一層介電層45，介電層45係由二氧化矽(SiO₂ )所組成，厚度最佳為10層的二氧化矽顆粒以下，或控制厚度在100 nm以下。

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。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4cm² ，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0.2mA~3.2mA。

場發射陽極元件4係由一陽極導線46與一陽極燈絲41所構成，陽極導線46係與陽極燈絲41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外部連接在E27接頭上，供為電源輸入使用。

陰極燈絲51可為直線狀、螺旋狀等各種型狀所製成，在本實施例，陰極燈絲51係由不鏽鋼金屬絲製成雙叉、三叉或四叉以上的Y形狀，於第2圖僅繪示雙叉的Y形狀；場發射陽極元件4則配合燈泡形狀設置在玻璃外殼2內壁，可使場發射陽極元件4與陰極燈絲51在巨觀上距離大致相同，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異約為30%，可產生大致相同的電場強度，使該場發射陽極元件4在電場中可發出均勻的光線。

＜第二實施例＞

請參考第3圖係本創作場發射陽極元件4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。

場發射陽極元件4係由陽極基板42、螢光粉層41、奈米導電層44、介電層45所構成；本實施例場發射陽極元件4，係在玻璃管內壁鋪設一層陽極基板42，陽極基板42係由一透明導電物質形成透明導電物質層，如塗佈ㄧ層如氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鋅鋁(AZO)、氧化鋅鎵(GZO)、奈米化氧化鋅、奈米化氧化錫的薄膜，在本實施例係塗佈一層氧化銦錫(ITO)當成可導電的陽極基板42。

在本實施例奈米導電層44可使用單層、雙層、多層的石墨烯所構成，在本實施例係使用多層(3-20層)的石墨烯鋪設在螢光粉層41表面所形成，由於石墨烯導電及導熱效果甚佳、透明度高，可降低阻擋螢光粉層41發出的光線。螢光粉層41及介電層45如同第一實施例，在此不再重複敘述。

陰極燈絲51可為直線狀、螺旋狀等各種型狀所製成，在本實施例，陰極燈絲51係由不鏽鋼金屬絲製成直線狀；場發射陽極元件4則配合燈泡形狀設置在玻璃外殼2內壁，可使場發射陽極元件4與陰極燈絲51在巨觀上距離大致相同，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異約為30%。

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。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2.5cm² ，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1.25mA~5.0mA。

＜第三實施例＞

請參考第4圖係本創作場發射陽極元件4及其場發射燈源1的實施例之示意圖，係用於場發射燈泡。燈泡形狀的玻璃外殼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之陰極燈絲51係由不鏽鋼金屬絲製成網狀的圓筒，以預定的間隔罩在場發射陽極元件4外部，當陰極燈絲51發出電子時，則向內射至場發射陽極元件4，場發射陽極元件4螢光粉層41發出的光線則透過網狀的場發射陰極元件5射出玻璃外殼2外部。

場發射陽極元件4係由陽極基板42、螢光粉層41、奈米導電層44所構成；本實施例場發射陽極元件4之陽極基板42為鋁管，設置於燈泡形狀的玻璃外殼2的中央，以陽極導線46(未於圖上繪示)連接至場發射燈源1的外部。螢光粉層41係鋪設在鋁管的陽極基板42表面；如同第一實施例，螢光粉層41也使用三色P22螢光粉411，在此不再重複敘述。

在本實施例奈米導電層44係使用D₉₀ =150 nm的奈米氧化鋅，其鋪設的厚度約為二層，由於奈米氧化鋅在厚度小於5層時，其透光度為80%以上，不致於完全阻擋螢光粉層41發出的光線。

由於場發射陰極元件5與場發射陽極元件4形狀大致相同、距離也大致相同，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於15%，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5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，係用於場發射投射燈泡。

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，做為場發射燈源1的陰極。組裝時，先將場發射陽極元件4與集氣劑(未於圖上繪示)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 Torr以上真空度。

場發射燈源1之場發射陽極元件4係先在上玻璃外殼21內部塗佈一層三色P22螢光粉當成螢光粉層41，為能有利於將螢光粉層41的電子導出，於螢光粉層41上鋪設奈米導電層44，奈米導電材料係使用厚度小於10 nm之奈米石墨薄片，為維持導電導熱特性，又不影響其透明度，奈米石墨薄片可鋪設在10層以下，即控制厚度在100 nm以下。

本實施例之場發射燈源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。本實施例之陰極燈絲51為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5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；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。

＜第五實施例＞

請參考第6圖、第7圖係本創作場發射陽極元件4及其場發射燈源1的實施例示意圖，係用於更高亮度需求的場發射燈管。

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。

場發射陽極元件4係由螢光粉層41、奈米導電層44與陽極基板42所構成；本實施例場發射陽極元件4，係在玻璃管內壁鋪設一層螢光粉層41；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。奈米導電層44則使用多層(3-20層)的石墨烯鋪設在螢光粉層41表面所形成，由於石墨烯導電及導熱效果甚佳、透明度高，可降低阻擋螢光粉層41發出的光線。在本實施例陽極基板42係使用氧化銦錫(ITO)透明導電膜。

各陰極燈絲51a、51b、…、51n之陰極基板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奈米碳材，陰極燈絲51a、51b、…、51n以陰極燈絲支撐架52所支撐，如第7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，各陰極燈絲51a、51b、…、51n單獨激發出電子時，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於10%。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、…、51n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10%。

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，請參閱第8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 、N₃ 、…、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9圖，電源供應器3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(V_O )，例如在第一時序區間輸出負4KV以上的電壓給陰極輸出端32a、第二時序區間輸出負4KV以上的電壓(V_O )給陰極輸出端32b、第n時序區間輸出負4KV以上的電壓(V_O )給陰極輸出端32n。輸出電壓(V_O )超過場發射起始電壓Vc之有效負載時間為Te，可為Te/T=10%~90%，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。

＜第六實施例＞

請參考第10圖係本創作場發射陽極元件4及其場發射燈源1的實施例示意圖，係用平面式的場發射燈源1。

場發射陽極元件4係由陽極基板42、螢光粉層41、奈米導電層44、介電層45所構成；本實施例係以鋁材質的鋁板沖壓製成陽極基板42，陽極基板42為具有複數個連續的凹槽，每個凹槽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形狀的鋁板為繪示；本實施例陽極基板42，係固定於玻璃外殼2內，螢光粉層41係使用三色P22螢光粉以刷塗的方式塗佈在陽極基板42的每一凹槽內部，奈米導電層44則使用多層(3-20層)的石墨烯鋪設在螢光粉層41表面所形成，介電層45係由二氧化矽(SiO₂ )所組成，控制厚度在100nm以下，鋪設在奈米導電層44表面，用以保護奈米導電層44。

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，分別置於場發射陽極元件4的每一凹槽中；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。

各陰極燈絲51a、51b、…、51n之陰極基板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奈米碳材，陰極燈絲51a、51b、…、51n以陰極燈絲支撐架52(未於圖上繪示)所支撐或固定於玻璃外殼2內，不為所限。陰極燈絲51a、51b、…、51n係設置在場發射陽極元件4的每一凹槽之大約中央附近的位置，各陰極燈絲51a、51b、…、51n單獨激發出電子時，可使該場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於40%。

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(未於圖上繪示)，並連接至各陰極燈絲51a、51b、…、51n，請參閱第8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。電源供應器3可同時對各陰極輸出端32a、32b、…、32n相對於陽極輸出端31輸出負4KV以上的直流電壓(V₀ )，使陰極燈絲51a、51b、…、51n發出電子撞擊在場發射陽極元件4的對應的每一凹槽的螢光粉層41而同時發出光線，提供最大的亮度。；在本實施例中，每個陰極燈絲51a、51b、…、51n之有效場發射陰極面積為4cm² ，電源供應器3陽極輸出端31相對於每個陰極輸出端32a、32b、…、32n輸出電壓為可調的-4~-9 KV的電壓、每個陰極輸出端32a、32b、…、32n迴路電流為2~8mA、電壓為-4KV~-9KV可調，在本實施例的平面式的場發射燈源1的每個陽極基板42凹槽配合電源供應器3對各陰極輸出端32a、32b、…、32n的週期，可為一次持續點亮或為輪流點亮(頻率約為20~60KHZ，人眼無法分辨螢休息時間)，使平面式的場發射燈源1提供更高流明數的照明。

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‧‧‧電源供應器
31‧‧‧陽極輸出端
32、32a～32n‧‧‧陰極輸出端
4‧‧‧場發射陽極元件
41‧‧‧螢光粉層
411‧‧‧螢光粉
42‧‧‧陽極基板
44‧‧‧奈米導電層
45‧‧‧介電層
46‧‧‧陽極導線
5‧‧‧發射陰極元件
51、51a、51b、51n‧‧‧陰極燈絲
52‧‧‧陰極燈絲支撐架
56、56a、56b、56n‧‧‧陰極導線
91‧‧‧場發射燈源
92‧‧‧玻璃管
94‧‧‧場發射陽極元件
941‧‧‧螢光粉
95‧‧‧場發射陰極元件
T‧‧‧週期
Te‧‧‧負載時間
Vc‧‧‧啟動電壓
Vo‧‧‧高壓脈衝電壓
P、N₁、N₂、N₃、N_n‧‧‧接點

第1圖係為習知場發射燈源之示意圖；
第2圖係本創作之第一實施例之場發射陽極元件及其場發射燈源示意圖；
第3圖係本創作之第二實施例之場發射陽極元件及其場發射燈源示意圖；
第4圖係本創作之第三實施例之場發射陽極元件及其場發射燈源示意圖；
第5圖係本創作之第四實施例之場發射陽極元件及其場發射燈源示意圖；
第6圖係本創作之第五實施例之場發射陽極元件及其場發射燈源示意圖；
第7圖係本創作之第五實施例之陰極燈絲支撐柱示意圖；
第8圖係本創作之第五實施例之場發射燈源底座接頭示意圖；
第9圖係本創作之第五實施例之電源供應器輸出電壓時序圖；以及
第10圖係本創作之第六實施例之場發射陽極元件及其場發射燈源示意圖。

1‧‧‧場發射燈源

2‧‧‧玻璃外殼

4‧‧‧場發射陽極元件

41‧‧‧螢光粉層

411‧‧‧螢光粉

42‧‧‧陽極基板

44‧‧‧奈米導電層

5‧‧‧場發射陰極元件

51‧‧‧陰極燈絲

Claims (10)

1. 一種場發射陽極元件，係用於一場發射燈源上，該場發射燈源包含一玻璃外殼、一該場發射陽極元件及一場發射陰極元件；
   其中，該場發射陽極元件包含一陽極基板、一螢光粉層及一奈米導電層，該陽極基板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與該場發射陰極元件形成導電迴路；
   其中，該螢光粉層係由一螢光粉塗佈於該陽極基板表面形成，用以接受該場發射陰極元件發出的電子而激發出光線；該奈米導電層係披覆於該螢光粉層之外層，係包含於下列群組物質：(1)一膨脹石墨、一石墨烯、一奈米石墨薄片之一或其組合；(2)一奈米氧化鋅、一奈米氧化錫之一或其組合，該奈米氧化鋅顆粒或該奈米氧化錫顆粒D₉₀ 直徑小於200nm；其中，D₉₀ 為奈米導電物質的累計直徑分佈數達到90%時所對應的顆粒直徑；
   其中，該場發射陰極元件係與該場發射陽極元件相互配置，使場發射電場之有效作用區的電場強度差異小於45%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陽極元件，其中，該場發射陽極元件進一步包含一介電層，係披覆於該奈米導電層之外層；該介電層為矽氧化合物(SiOx)所組成，其中，x為矽氧化合物中氧原子的數量，為1~4。
3. 如申請專利範圍第2項所述之場發射陽極元件，其中，該介電層係設置於該螢光粉層與該陽極基板之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之場發射陽極元件，其中，該陽極基板材質係為金屬、金屬膜、金屬網或透明導電膜之一或其組合所構成。
5. 如申請專利範圍第4項所述之場發射陽極元件，其中，若該陽極基板材質為金屬，其金屬係選自於鋁、銅、鐵、鎳、鐵基合金之一；若該陽極基板材質為金屬膜，其金屬膜之金屬係選自於鋁、銅、鐵、鎳、鐵基合金之一；若該陽極基板材質為金屬網，其金屬網之金屬係選自於鋁、銅、鐵、鎳、鐵基合金之一；若該陽極基板材質為透明導電膜，其透明導電膜係選自於氧化銦錫、氧化銦鋅、氧化鋅鋁、氧化鋅鎵、奈米化氧化鋅、奈米化氧化錫之一或其組合。
6. 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；
   其中，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；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；
   其中，該場發射陽極元件包含一陽極基板、一螢光粉層及一奈米導電層，即為申請權利範圍第1項至第5項之任一項所述之場發射陽極元件；
   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、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該陽極輸出端輸出電壓為-4~-9 KV的電壓、電流輸出範圍為有效場發射陰極單位面積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，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，電子則由該陽極基板電導至該電源供應器構成供電迴路。
7. 如申請專利範圍第6項所述之場發射燈源，其中，該場發射陰極元件具有複數個場發射陰極燈絲，該電源供應器具有複數個陰極輸出端，該複數個陰極輸出端對應連接至各該場發射陰極燈絲。
8. 如申請專利範圍第6項所述之場發射燈源，其中，該場發射陽極元件之該陽極基板係設置於該螢光粉層與該玻璃外殼之間。
9. 如申請專利範圍第6項所述之場發射燈源，其中，該場發射陽極元件之該螢光粉層係設置於該陽極基板與該玻璃外殼之間。
10. 如申請專利範圍第6項所述之場發射燈源，其中，該場發射陽極元件係設置於該場發射陰極元件之內部。