雙向交互放大電子/光子源的製作方法

2024-02-19 14:07:15

專利名稱：雙向交互放大電子/光子源的製作方法
技術領域：
本發明涉及在殼體內包括真空室的電子/光子源。本發明還涉;sjit應 的用於製造這樣的電子/光子源的方法。
背景技術：
現代節能照明設備中使用的技術使用汞作為有效組份之一。由於汞危 害環境，因此進行了大範圍研究以克服與節能、無汞照明相關聯的複雜的 技術困難。用來解決該問題的方法是使用場致發射光源技術。場致發射是當鄰近 發射材料的表面的電場使發射材料表面存在的勢壘寬度變窄時發生的現 象。這允許發生量子隧道效應，從而電子穿過勢壘並從材料發射出去。在現有技術的設備中，在具有例如玻璃壁的真空室中配置陰極，其中 該真空室在其內側塗覆有陽極導電層。而且，在陽極導電層上澱積發光層。當在陰極和陽極導電層之間施加電位差時，電子從陰fc^L射，並向陽極導電層加速。當電子打在發光層上時，電子使該發光層發射光子，該過程被稱為陰極發光，其不同於傳統螢光照明i殳備例如傳統螢光管中採用的光致 發光。US 6， 573， 643公開了這樣的設備，其中陽極導電層例如可包括錮 錫氧化物且發光層包括磷光材料。該磷光材料從陰極接收電子並以可見波 長發射光子。接收電子並以可見波長發射光子的這樣的磷光材料非常昂貴且難以 製造，因此導致昂貴的照明設備。因此本發明的目的是提供一種對上述一些問題提供解決方案的新的 改進的場致發射光源。發明內容獨立權利要求1和15所限定的基於場致發射、陰極發光和光增強場 致發射的電子/光子源以及對應的用於製造這樣的電子/光子源的方法滿 足了上述需求。從屬權利要求限定了根據本發明的有利實施例。根據本發明的第一方面，本發明提供了一種電子/光子源，其包括殼 體內的真空室，還包括配置在所述真空室內的陽極和陰極。而且，陰極被 配置成當在陽極和陰極之間施加電壓時發射電子，所述陽極被配置成當接 收到從所述陰M射的電子時以第一波長範圍發射光，波長範圍轉換材料 被配置成接收所發射的所述第一波長範圍的光，並以第二波長範圍發射 光。本發明的該第 一 方面以 一種新方式使得可通過兩步將從陰極發射的 電子轉換成可見光。第一步包括將電子轉換成第一波長範圍的光，而第二 步包括將所述第一波長範圍的所述光轉換成第二波長範圍。這特別有利， 且4吏得可以選,的發射材料，該新的發射材料可以以電子到可見光的轉 換以一步完成的現有技術中所使用的材料的成本的一小部分來製造。表述 "波長範圍"應理解為大部分、例如80%的光含量(light content)所 在的波長範圍。該波長範圍具有更低的起始點和更高的結束點。以相同的 方式，術語波長轉換材料應理解為當以所述第一波長範圍接收光時將光從 第 一波長範圍轉換到第二波長範圍的發射材料。在本發明的優選實施例中，陽核Ji包括透明M，透明基tl一側被透 明導電材料覆蓋，該透明導電材料夾在所述基仗和發射材料之間。作為例 子，發射材料在從陰極接收電子時以約lOOnm- 400nm，更優選地為約 200nm - 400nm以及最優選地為約250nm- 400nm的第一波長範圍發射光。 第二波長範圍優選地為約350nm- 900nm，更優選地為約400nm- 800nm， 且最優選地為約450nm- 650nm。這一般意味著配置在陽極上的發射材料在第一步將發射紫外光，波長範圍轉換材料接收該光並將其轉換成人眼可 見的光。透明導電材料可從廣範圍的材料中選擇，但優選地使用銦錫氧化物 (ITO)或氧化鋅(ZnO)或甚至單壁碳納米管中之一，因為即使所應用的 層處於lOOnm- 1000nm的間隔內，這些透明材料也具有有優勢的導電能 力。在本發明的另一優選實施例中，發射材料是ZnO。 ZnO的使用顯示出 更有利，因為ZnO的室溫陰極發光光鐠在約380nm處具有強強JLJ^值，且 在+ /-20nm內具有80。/。的光含量。作為另外的特徵，當在場致發射光源中用作陰極時，由於能夠在相對低的溫度生成ZnO納米尖端，Zn0的使用 顯示了良好的結果。這意味著可將陽極和陰極二者構造為可互換的組件。 這將大大減小光源的製造成本。而且,優選地使用對38Onm最敏感的紅色、 綠色、藍色螢光粉作為波長範圍轉換材料。作為替選，可使用藍色及黃色 螢光粉的混合物。如本領域技術人員所能理解的，有三種有利的方法在電子/光子源中 配置波長範圍轉換材料。第一種是覆蓋殼體的內側，第二種是覆蓋真空室 的外側，第三種是將波長範圍轉換材料夾在基板和透明導電材料之間。使 用上述三種方式中的任何一種配置波長範圍轉換材料都可行，因而這可根 據光源的設計實現。在本發明的又一優選實施例中，透明141是玻璃、石英或塑料中之一。 由於石英對所述UV光高度透明，因此石英的4吏用在實驗^研究中顯示出有 優勢的結果，而塑料的使用將減少材料和製造成本。本發明的另一方面提供一種照明系統，該照明系統包括直流或交流控 制電子裝置和根據上述實施例的場致發射光源。照明系統可以是封閉單元 或者是包括上述組件的配置。本發明的又一方面提供一種製造電子/光子源、優選地場致發射光源 的方法，該方法包括以下步驟提供殼體內的真空室；在所述真空室內配 置陽極和陰極；在所述場致發射光源內配置用來接收從所述陽M射的第 一波長範圍的光並以第二波長範圍發射光的波長範圍轉換材料。如上結合 本發明的第一方面所述，該方法提供選擇新的發射材料的有利可能性，該 新的發射材料可以以電子到可見光的轉換以一步完成的現有技術中所使 用的材料的成本的一小部分來製造。在研究所附權利要求和以下說明書後本發明的其它特徵和優點將更 明顯。本領域淨支術人員應i人識到本發明的不同特徵可組合以產生與以下所 述不同的實施例。


現在參照附圖更詳細說明本發明，在附圖中圖1示出場致發射螢光管的側視圖。圖2示出現有技術場致發射螢光管的部分截面。圖3示出根據本發明實施例的電子/光子源的部分截面。 圖4示出Zn0納米尖端的場發射掃描電子顯微鏡圖像。 圖5示出Zn0納米尖端的陰M光光鐠。 圖6示出根據本發明另一實施例的部分截面。
具體實施方式
圖1示出現有技術場致發射螢光管100,其中陰極101被管102圍繞。 陽極(未示出)連接到電接觸106。圖2示出現有技術場致發射螢光管100的部分截面。管102包括玻璃 結構103和透明且導電的陽極層104,該陽極層104夾在玻璃結構103和 發射層105之間。導電陽極層連接到電接觸106。而且，當發射層105被 導電層104和陰極101之間的電位差所引起的電子120撞擊時，該發射層 105被使得以可見波長130的光&光。在圖3中，圖1中的場致發射螢光管的部分截面示出了根據本發明的 優選實施例。圖3也示出了陰極101以及透明且導電的陽極層104。陰極材料可以 是例如但又不限於ZnO的銳利尖端或碳納米管。透明且導電的陽極層104 夾在發射材料107和透明^i^L 108之間。透明基敗108用作被抽空的封閉 室。當在陰極101和陽極層104之間出現電位差時，發射材料107被來自 陰極101的電子120撞擊並以第一波長131例如紫外波長範圍內的波長 (一般為約200nm- 400nm)發射光。第一波長131的光穿過透明a 108 並將轟擊波長範圍轉換材料109,使該波長範圍轉換材料109以第二波長 130發射光，該第二波長130優選地為可見波長例如約400nm - 700咖範 圍內的波長。在本發明優選實施例中,透明導電層104由銦錫氧化物(ITO) 製成且透明基板108由石英製成。如上所述，當選擇發射材料107時，ZnO是特別有利的選擇，因為當 被電子撞擊時其將在約380nm發光。這使得選擇波長範圍轉換材料109 更容易。現在轉到圖4，其中示出了在藍寶石上的ZnO納米尖端的場發射 掃描電子顯微鏡圖像。該尖端銳利且密集分布。而且，圖5示出ZnO納米 尖端的陰M光光鐠。可以看出，在約380nm處觀察到強尖峰。本領域技這樣的設計在圖6中示出。本發明的該實施例仍以管結構示出，但是 其當然可以是任何可行的照明設備設計的形狀，其中波長範圍轉換材料 109配置在外壁103上，外壁103優選地由玻璃製成並形成遮蔽殼體。真 空室由透明a 108形成，其中在其內側澱積了作為兩個電隔離部分的兩 個可互換的陽極/陰極組件。這兩個組件各自包括透明導電層，在該透明 導電層上生長如圖4所示的ZnO納米尖端107。基於(從電源150)所施 加的電壓極性，這兩個隔離組件用作陽極或陰極。圖6所示的設計的功能 性與圖3所示的設計的兩步光轉換功能性一致。如本領域技術人員所能理 解的，當討論本發明的基本物理性質時，當在陰極上產生負高電場時，將 發生場致發射。電子將撞擊波長轉換材料並產生UV光子。向前發射的UV 光子將執行波長轉換，而向後發射的UV光子將撞擊陰極並引起光增強場 致發射。因此，圖6所示的結構將不僅從ZnO納米尖端107 (其此時用作 陽極)向波長範圍轉換材料109發射光子，還"幫助"此時起作用的陰極 發射更多的電子(當被從ZnO納米尖端107發射的光(光子)撞擊時)， 從而用作放大器並因此形成雙向交互放大電子/光子源。在本發明又一實施例中，電源150可以是高頻電源，其中例如兩側的 107 (見圖6)基於與交流源相關聯的極性可交替用作陽極或陰極。儘管詳細說明了本發明及其優點，應理解在不脫離由所附權利要求限 定的本發明的精神和範圍的情況下可作出各種改變、替換和變更。例如本 發明不限於優選實施例中所述的管結構，而是可例如設計為球形或現在或 將來的照明源結構的任何其它形狀。
權利要求
1.一種電子/光子源，包括殼體內的真空室，其特徵在於所述光源還包括配置在所述真空室內的陽極(104)和陰極(101)，所述陰極(101)被配置成當在所述陽極(104)和陰極(101)之間施加電壓時發射電子(120)，所述陽極(104)被配置成當接收到從所述陰極(101)發射的電子(120)時以第一波長範圍(131)發射光，波長範圍轉換材料(109)被配置成接收所發射的所述第一波長範圍(131)的光，並以第二波長範圍(130)發射光。
2. 根據權利要求l所述的電子/光子源，其中所述陽極包括透明141 (108),該透明基板(108) —側覆蓋透明導電材料(104),該透明導電材料(104 )被夾在所述基板(108 )和發射材料(107 )之間。
3. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述陽極和 所述陰極是相似的可互換組件。
4. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述波長範 圍轉換材料(109)覆蓋所述殼體的內側。
5. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述波長範 圍轉換材料(109 )覆蓋所述真空室的外側。
6. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述波長範 圍轉換材料(109 )夾在所述基板(108 )和所述透明導電材料(l(M )之 間。
7. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述第一波 長範圍為約lOOnm- 450nm，優選地為約250nm- 420nm。
8. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述第二波 長範圍為約350nm- 900咖，更優選地為約400nm- 800nm，最優選地為約 450nm- 650nm。
9. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述波長範 圍轉換材料(109)是紅色、綠色和藍色螢光粉的混合物或藍色及黃色熒 光粉的混合物。
10. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所U射 材料(107)是ZnO。
11. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述透明基板(108)是玻璃、石英或塑料中之一。
12. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述透明 導電材料(104)是IT0、 ZnO或單壁碳納米管中之一。
13. 根據前述權利要求中任一項所述的電子/光子源，其中所述透明 (108 )構成所述真空室的壁。
14. 一種照明系統，包括直流或交流控制電子裝置和根據前述權利要 求中任一項所述的電子/光子源。
15. —種用於製造電子/光子源的方法，包括以下步驟 -提供殼體內的真空室， -在所述真空室內配置陽極和陰極，以及—在所述場致發射光源內配置波長範圍轉換材料(109 )，該波長範圍 轉換材料(109 )用來接iJ^所述陽^L射的第一波長範圍(131)的光並以 第二波長範圍(130)發射光。
全文摘要
一種基於場致發射、陰極發光和光增強場致發射的電子/光子源，包括殼體內的真空室，還包括配置在所述真空室內的陽極和陰極。而且，陰極被配置成當在陽極和陰極之間施加電壓時發射電子，所述陽極被配置成當接收從所述陰極發射的電子時以第一波長範圍發射光，波長範圍轉換材料被配置成接收所發射的所述第一波長範圍的光並以第二波長範圍發射光。本發明以新的方式使得可以通過兩步將從陰極發射的電子轉換成可見光。本發明已顯示出是有益的，並使得可以選擇新的發射材料，該新的發射材料可以以電子到可見光的轉換以一步完成的早期使用的材料的成本的一小部分來製造。
文檔編號H01J63/04GK101223627SQ200680025930
公開日2008年7月16日 申請日期2006年6月28日 優先權日2005年6月30日
發明者胡秋紅 申請人:光實驗室瑞典股份公司