專利名稱：場發(fā)射發(fā)光照明光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種日常照明光源，尤其涉及一種對環(huán)境友好無污染的冷陰極場發(fā)射光源。
背景技術(shù)：
直到目前，日常照明使用的光源大多采用白熾燈和熒光管。白熾燈的歷史悠久，制作工藝簡單，但是，白熾燈消耗的大部分電能轉(zhuǎn)化為熱能浪費(fèi)掉，而不是直接用于發(fā)光，所以其最大缺點(diǎn)是發(fā)光效率低下，已經(jīng)逐漸被效率較高的熒光燈取代。
普通熒光管包括一透明玻璃管，其內(nèi)壁涂覆有白色或彩色熒光材料，玻璃管內(nèi)還充有汞蒸汽。其原理是利用等離子放電激發(fā)汞汽體發(fā)出紫外光，而紫外光照射在熒光材料上發(fā)出白色光或彩色的光。熒光燈是一種熱陰極光源，發(fā)光效率比白熾燈高。但是，其缺點(diǎn)在于使用有毒性的汞。當(dāng)熒光燈管被打破之后，汞蒸汽流出外面將對環(huán)境和人體有害。出于環(huán)保考慮，有些國家和地區(qū)已經(jīng)決定在未來幾年后，禁止使用這種含汞的熒光燈。在這種情況下，用來取代普通熒光燈或白熾燈的無汞光源受到普遍歡迎。
因此，環(huán)保、對人體無害、高效率、節(jié)能的熒光燈需求和市場巨大，前景廣闊。
2003年6月18日公告的中國實用新型專利02234995.2號揭露一種無汞熒光燈，其包括石英玻璃燈管，其內(nèi)表面涂敷有熒光物質(zhì)，外表面形成有導(dǎo)電薄膜層；燈管內(nèi)部充有工作氣體氙氣，兩端設(shè)置有一對外電極。工作時，在外電極施加高頻交變電壓，發(fā)射電子撞擊管內(nèi)的工作氣體氙氣，產(chǎn)生紫外輻射，再激發(fā)管內(nèi)表面的熒光物質(zhì)發(fā)出可見光。
另外，美國專利第5,866,984號也揭示了類似的無汞紫外放電源的結(jié)構(gòu)。
但是，上述兩件專利文獻(xiàn)揭露的熒光燈仍是采用燈管內(nèi)充入氣體，利用氣體放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光的，能量轉(zhuǎn)換方式仍然是電--紫外光--可見光三個步驟，燈管內(nèi)雖然無汞，但卻需要填充其它惰性氣體以放電產(chǎn)生紫外線，如此一來仍存在以下缺點(diǎn)一是能耗仍會比較大，二是增加了成本，三是氣體容易泄漏，使得熒光燈發(fā)光變暗或無法發(fā)光。
場發(fā)射電子源以及利用該電子源轟擊熒光物質(zhì)而發(fā)光的場發(fā)射發(fā)光技術(shù)已經(jīng)在場發(fā)射平面顯示器領(lǐng)域得到應(yīng)用。這種場發(fā)射技術(shù)是在真空環(huán)境下，利用外加電場作用將尖端的電子激發(fā)出來。在傳統(tǒng)場發(fā)射電子源中，一般采用微細(xì)鉬金屬尖端、硅尖端作為電子發(fā)射端；隨著納米技術(shù)的發(fā)展，最近還采用碳納米管、納米線等材料作為電子發(fā)射端。理論上，由于碳納米管具有非常小的直徑，很大的長徑比，因此在外電場作用下其具有很大場增強(qiáng)因子。但是，在實際應(yīng)用中，例如平面型場發(fā)射顯示器中，碳納米管平面薄膜的整體宏觀場發(fā)射增強(qiáng)因子并未能達(dá)到單個碳納米管的數(shù)值，導(dǎo)致發(fā)射電壓較高，場發(fā)射電流密度小。
S.H.Jo等人在2004年8月2日公開出版的Applied Physics Letters雜志上發(fā)表了一篇名為“Field Emission of Carbon Nanotubes Grown On CarbonCloth”的文章，其中公開了一種在碳纖維(Carbon Fiber)織成的布(CarbonCloth)表面上生長的碳納米管，以及在碳纖維布表面上生長碳納米管的方法。據(jù)文章介紹，這種在碳纖維布表面上生長得到的碳納米管具有較強(qiáng)場發(fā)射性能，可以在低于0.4V/μm的電場作用下獲得1mA/cm2的場發(fā)射電流密度。
另外，S.H.Jo等人在2004年8月23日公開的Applied Physics Letters雜志中還發(fā)表一篇名為“Field Emission of Zinc Oxide Nanowires Grown OnCarbon Cloth”的文章，提及生長在碳纖維布表面上的ZnO納米線也具有較好的場發(fā)射特性。
上述在碳纖維織布上生長的碳納米管或ZnO納米管作為場發(fā)射陰極，可以獲得很大的場增強(qiáng)因子，具有較低的起始電壓和較低的閾值電壓。上述文章僅揭露其具有較好的場發(fā)射特性，并未詳細(xì)揭露如何應(yīng)用于日常照明的光源。
Jean-Marc Bonard等人在2001年4月30日公開的Applied Physics Letters雜志上發(fā)表一篇名為“Field Emission From Cylindrical Carbon NanotubeCathodePossibilities for Luminescent Tubes”的文章，其中揭露一種外形類似普通日光燈管的碳納米管場發(fā)射熒光管，它是在一根坎塔爾鐵鉻鋁系合金(Kanthal，F(xiàn)e-Al-Cr Alloy)金屬棒的圓柱形表面沉積鐵催化劑生長出多壁碳納米管，并用作場發(fā)射陰極。陽極采用圓柱形玻璃管，并在玻璃管內(nèi)表面涂有導(dǎo)電層及熒光層。此后，上述作者等人進(jìn)一步將該碳納米管熒光管發(fā)展為兩端封閉的燈管，發(fā)表在2004年的微電子雜志，具體請參見″A Fully SealedLuminescent Tube Based On Carbon Nanobube Field Emission″，Microelectronics Journal，35(2004)，329-336.

發(fā)明內(nèi)容相對于上述文章揭露的碳納米管場發(fā)射管狀結(jié)構(gòu)的照明光源，本發(fā)明之目的在于提供另一種不同結(jié)構(gòu)的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其具有對環(huán)境以及人體無害，發(fā)光效率高，能耗相對較低等特點(diǎn)。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種場發(fā)射發(fā)光照明光源，其包括一透明的、大致呈球形的中空殼體，其內(nèi)表面涂敷有一陽極層和熒光物質(zhì)，所述殼體內(nèi)部是真空密封的，并且殼體的內(nèi)部中心處設(shè)有一表面形成有納米電子發(fā)射體的陰極燈絲，所述陽極層與陰極燈絲分別通過導(dǎo)線連接至殼體外部的陽極電極與陰極電極。
其中，所述殼體為基本呈圓球形的玻璃殼體。
所述陽極層為ITO導(dǎo)電薄膜。
所述陰極燈絲為表面形成有納米電子發(fā)射體的金屬絲，該金屬絲繞成彎曲或彎折形狀。
所述納米電子發(fā)射體包括納米管，納米線和納米棒等一維納米材料。
所述納米管包括碳納米管。
所述殼體進(jìn)一步包括一頸部，該頸部與含有陽極電極、陰極電極的燈頭密封。
另外，一絕緣支持件固定于所述燈頭并支撐所述陰極燈絲，所述導(dǎo)線嵌入到該絕緣支持件中。
在另一個實施例中，進(jìn)一步包括一靠近所述陰極燈絲設(shè)置的帶有格子結(jié)構(gòu)的金屬柵網(wǎng)，形成場發(fā)射柵極。燈頭還包括柵極電極，所述柵網(wǎng)通過導(dǎo)體連接至該柵極電極。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)首先，本發(fā)明的光源不含汞或者其他有害物質(zhì)，所以對環(huán)境、人體無害；第二，本發(fā)明是冷陰極發(fā)射電子，相對于現(xiàn)有技術(shù)的熱陰極發(fā)射電子，本發(fā)明的發(fā)光效率更高，降低能耗；第三，場發(fā)射陰極繞成各種彎曲形狀，可以增加納米電子發(fā)射體的數(shù)量，即增加了電子發(fā)射點(diǎn)，從而提高場發(fā)射電流密度。

圖1是本發(fā)明場發(fā)射發(fā)光照明光源的燈絲結(jié)構(gòu)主意圖；圖2是圖1的燈絲結(jié)構(gòu)的右視圖；圖3是表面生長有碳納米管的金屬燈絲的SEM照片；圖4是本發(fā)明場發(fā)射發(fā)光照明光源的第一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明增加有柵極結(jié)構(gòu)的第二實施例的示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明提供一種不同于現(xiàn)有技術(shù)的、大致呈球狀結(jié)構(gòu)的、基于場發(fā)射的發(fā)光照明光源。該照明光源采用在類似普通白熾燈泡的球形透明玻璃表面涂上陽極導(dǎo)電層以及熒光物質(zhì)作為陽極，以表面形成有納米電子發(fā)射尖端的金屬細(xì)絲彎曲成一定形狀制作成為場發(fā)射陰極燈絲，將球形燈泡內(nèi)部抽真空、裝入場發(fā)射陰極燈絲構(gòu)成場發(fā)射照明光源。
燈泡的外形大致呈球形，可采用普通白熾燈常用的玻璃燈泡，并在其內(nèi)表面形成一層陽極層(例如ITO，即銦錫氧化物薄膜層)，以及一熒光層。燈泡留有一開口端，在裝入場發(fā)射陰極燈絲之后抽真空并密封。
場發(fā)射陰極燈絲采用直徑較小的金屬絲為基底，在金屬絲的全部或部分表面通過直接生長、涂覆、電鍍、電泳、沉積等方法形成包括各種材料的納米管、納米線、納米棒等一維納米材料在內(nèi)的納米電子發(fā)射體，例如碳納米管、硅納米線、氧化鋅納米棒等。另外，還可在金屬絲表面涂上粘結(jié)劑之后，再去粘結(jié)上述的納米材料，形成納米電子發(fā)射體。
燈絲的形狀最好是繞成彎曲或彎折形，例如波浪形，螺旋形，鋸齒形等形狀?？梢韵仍诮饘俳z的表面形成納米電子發(fā)射體之后，再將其彎曲成一定形狀作為場發(fā)射陰極燈絲；也可以先將金屬絲彎曲成一定形狀之后再在其表面形成納米電子發(fā)射體。
形成有納米電子發(fā)射體的燈絲用絕緣支柱固定于燈泡內(nèi)部中心位置，并通過導(dǎo)線連接至燈泡外，以便連接電源；燈泡內(nèi)表面的陽極層也可通過導(dǎo)線連接至燈泡外，與不同電位的電源連接，即可構(gòu)成場發(fā)射照明光源。
下面以碳納米管作為納米電子發(fā)射體為例子，結(jié)合說明書附圖及具體實施例對本發(fā)明的實施方式作詳細(xì)描述。
請先參閱圖1及圖2，是場發(fā)射陰極燈絲的示意圖，其包括金屬絲10及形成在其表面的納米電子發(fā)射體12，并且納米電子發(fā)射體12最好盡可能多的從金屬絲10的曲面表面伸出，以形成更多有效發(fā)射點(diǎn)。
圖3是表面生長有碳納米管的一根直徑50微米的銅金屬絲的SEM(掃描電子顯微鏡)照片。它在銅金屬絲的表面通過浸潤、鍍膜等方法形成數(shù)納米厚度的含鐵的催化劑層后，利用化學(xué)氣相沉積法生長得到碳納米管，然后彎曲成預(yù)定形狀，即可作為場發(fā)射陰極應(yīng)用于本發(fā)明的實施例中。
如圖4所示，本發(fā)明場發(fā)射照明光源的第一實施例是含有陰極燈絲20的場發(fā)射燈泡。所說的燈絲20即是前述形成有碳納米管12的金屬絲10彎曲形成波浪形狀的燈絲，所說的燈泡外形與相似，包括一中空、大致呈球體狀、具有一頸部開口(圖未標(biāo)示)的透明玻璃外殼40，與該頸部開口密封的燈頭(圖未標(biāo)示)，以及固定在燈頭并延伸到燈泡內(nèi)部的玻璃柱30，該玻璃柱30用來支撐和固定場發(fā)射陰極燈絲20。
其中，該玻璃外殼40內(nèi)部是真空的，其內(nèi)壁涂敷有一陽極層44和熒光層42。陽極層44是一層透明導(dǎo)電薄膜，一般采用ITO導(dǎo)電薄膜；熒光層42含有熒光物質(zhì)，包括白色熒光物質(zhì)，或彩色熒光物質(zhì)，當(dāng)電子轟擊熒光物質(zhì)時可發(fā)出白色或彩色可見光。另外，陽極層44除了覆蓋燈泡的球形內(nèi)壁以外，還可延伸覆蓋至該玻璃外殼40的頸部，并可在燈泡頸部的陽極層表面環(huán)繞設(shè)置一陽極引線環(huán)46，以便將提高電接觸面積和接觸可靠性；而熒光層42則僅需覆蓋電子轟擊范圍內(nèi)的球形內(nèi)壁即可，無需延伸至頸部。
燈頭起到密封燈泡開口、固定玻璃柱30和燈絲20以及引出陰極和陽極電極的作用。本實施例中，燈頭包括形成于頸部開口周圍側(cè)面并具有外螺紋形狀的陽極電極56，其通過陽極引線柱58連接至陽極引線環(huán)46，形成可靠電性連接；以及位于燈頭的底部并且突出于外面的陰極電極54。燈頭并不限于以上描述的結(jié)構(gòu)，就是說，燈頭也可采用其它合適的形狀或結(jié)構(gòu)，例如類似白熾燈的卡扣式燈頭結(jié)構(gòu)。為使兩電極之間絕緣，可在陰極電極54與陽極電極56之間設(shè)置一絕緣介質(zhì)52，例如玻璃或陶瓷塊，當(dāng)然，也可通過其它方式使二者之間絕緣。
應(yīng)注意的是，上述僅描述燈頭的電極以及電連接的基本組成，實際應(yīng)用時燈頭處可采用玻璃封接技術(shù)密封，所以燈頭內(nèi)可被玻璃或其它絕緣物質(zhì)填充(本實施例及附圖中未示出)。
彎曲繞成波浪形的場發(fā)射陰極燈絲20支撐在玻璃柱30的頂部，并且通過兩條陰極引線50分別將燈絲20的兩端連接至燈頭的陰極電極54，兩條陰極引線50嵌在玻璃柱30的內(nèi)部；燈絲20最好位于球形玻璃外殼40的中心位置，這樣可以使燈絲20上的碳納米管都能受到均勻的電場力的作用，從而使得電子發(fā)射均勻。
另外，為了能夠確保和維持燈泡內(nèi)部的真空度，在燈泡內(nèi)部還可進(jìn)一步設(shè)置一消氣劑(圖未示)。為了不影響電子發(fā)射和發(fā)光，消氣劑最好設(shè)置在頸部。
使用時，在陰極電極54與陽極電極56分別施加不同電壓，利用電場作用在碳納米管尖端發(fā)射出電子。例如可在陰極電極54施加負(fù)的直流或脈沖電壓，而陽極電極56接零電位，這樣在場發(fā)射燈絲20與陽極層44之間產(chǎn)生一個電場，迫使場發(fā)射陰極燈絲20表面的碳納米管12發(fā)射電子，電子轟擊熒光層42從而發(fā)出可見光。
請參閱圖5，本發(fā)明第二實施例的場發(fā)射燈泡是在第一實施例的基礎(chǔ)上進(jìn)行變化，即圍繞場發(fā)射陰極燈絲20增設(shè)柵網(wǎng)62，構(gòu)成三極型的場發(fā)射照明光源。
所述的柵網(wǎng)62可用金屬絲編織而成，視陰極燈絲20的形狀可編織成帶有格子結(jié)構(gòu)的球狀網(wǎng)格、環(huán)狀網(wǎng)格或弧面形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等。在本實施例中，該柵網(wǎng)62是編織成籠狀的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，將陰極燈絲20包圍，固定在玻璃柱30頂端；另外，玻璃柱30內(nèi)嵌入有導(dǎo)電的導(dǎo)線作為柵極引線64，柵網(wǎng)62通過該柵極引線64連接至燈頭端部，并與設(shè)置于燈頭端部的柵極電極60形成電連接。柵極電極60與陰極電極54、陽極電極56之間分別絕緣。
使用時，陰極電極54、陽極電極56及柵極電極60分別與不同電位的外接電源相連，即可形成三極型的場發(fā)射結(jié)構(gòu)，相對于二極型的場發(fā)射結(jié)構(gòu)，三極型具有更低的發(fā)射電壓。
以上是本發(fā)明的較佳實施例，但本發(fā)明的內(nèi)容并不限于以上實施例。本技術(shù)領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該能夠理解，本發(fā)明還可有其它變化，例如玻璃外殼40可以是圓球形，橢圓球形等形狀，陰極燈絲20可繞成不同彎曲形狀，陰極燈絲20表面的納米電子發(fā)射體也不限于碳納米管，包括其它納米管、納米線以及其它納米材料在內(nèi)的各種能夠在電場作用下發(fā)射電子的電子發(fā)射結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的燈頭的結(jié)構(gòu)不限于實施例所描述，只需能夠引出陽極電極和陰極電極即可。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)由于光源的內(nèi)部無需填充汞蒸汽或者其它氣體，所以不僅對環(huán)境無害，也不會對人體有害；本發(fā)明使用冷陰極，電子直接轟擊熒光物質(zhì)而發(fā)光，有利于提高發(fā)光效率，從而節(jié)省電能；另外，場發(fā)射陰極繞成各種彎曲形狀，可以增加納米電子發(fā)射體的數(shù)量，從而提高場發(fā)射電流密度。
權(quán)利要求
1.一種場發(fā)射發(fā)光照明光源，其包括一密封的中空殼體，其內(nèi)表面涂敷有一陽極層和熒光物質(zhì)；其特征在于所述殼體的內(nèi)部中心處設(shè)有一形狀彎曲的陰極燈絲，其表面形成有電子發(fā)射體；所述陽極層與該陰極燈絲分別通過導(dǎo)線連接至陽極電極與陰極電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其特征在于所述殼體為內(nèi)部真空，外形大致呈球形的透明玻璃殼體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其特征在于所述陽極層為ITO導(dǎo)電薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其特征在于所述陰極燈絲為金屬絲，且繞成彎曲或彎折形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其特征在于所述電子發(fā)射是一維納米材料，包括納米管，納米線和納米棒。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其特征在于所述納米管包括碳納米管。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其特征在于所述殼體進(jìn)一步包括一頸部，且有一燈頭與該頸部密封，所述陽極電極、陰極電極設(shè)置在該燈頭上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其特征在于一絕緣支持件固定于所述燈頭并支撐所述陰極燈絲，所述導(dǎo)線嵌入到該絕緣支持件中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其特征在于進(jìn)一步包括一靠近所述陰極燈絲設(shè)置的帶有格子結(jié)構(gòu)的金屬柵網(wǎng)，形成場發(fā)射柵極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的場發(fā)射發(fā)光照明光源，其特征在于燈頭還包括柵極電極，所述帶有格子結(jié)構(gòu)的金屬柵網(wǎng)通過一導(dǎo)體電連接至該柵極電極。
全文摘要
本發(fā)明屬于日常照明光源技術(shù)領(lǐng)域，提供一種場發(fā)射發(fā)光照明光源，其包括一透明的球形中空殼體，其內(nèi)表面涂敷有一陽極層和熒光物質(zhì)，所述殼體內(nèi)部是真空密封的，并且殼體的內(nèi)部中心處設(shè)有一表面形成有納米電子發(fā)射體的陰極燈絲，所述陽極層與陰極燈絲分別通過導(dǎo)線連接至殼體外部的陽極電極與陰極電極。所說的陰極燈絲采用金屬絲并繞成彎曲或彎折形狀，以提供更多有效的電子發(fā)射點(diǎn)。另外，在另一個實施例中，還可進(jìn)一步包括柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低場發(fā)射電壓。本發(fā)明具有環(huán)保，節(jié)省能源以及提供更多發(fā)射點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01J61/30GK1767140SQ20041005203
公開日2006年5月3日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者柳鵬, 魏洋, 盛雷梅, 潛力, 唐潔, 劉亮, 郭彩林, 杜秉初, 范守善 申請人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司