CN100530518C - 场发射照明光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种场发射照明光源，其包括：一导电阴极；一阳极层，其与该导电阴极相隔一定距离从而形成一内部空间；一设置在该阳极层表面的荧光层；一绝缘层，位于所述导电阴极面向所述内部空间的一侧；及多个电子发射端，用以发射电子；其中，每个电子发射端包括一柱状体及一锥形尖端，该柱状体形成在绝缘层上，该锥形尖端为金属铌，形成在柱状体顶部，所述柱状体与绝缘层由相同材料的氮化硅制成，且柱状体与绝缘层构成一体成型结构。本发明场发射端结构稳定，可承受较高电场作用，提高光亮度及强度，可广泛用于照明设备，如汽车头灯等。

Description

场发射照明光源

【技术领域】

本发明是涉及一种照明光源，特别是涉及一种场发射发光照明光源。

【背景技术】

人工照明光源一般可分为白热灯、放电灯及固态光源，包括白炽灯、荧光灯管、LED、卤素灯及高压气体放电灯(High IntensityDischarge，HID)等各种照明光源。其中，白炽灯是钨丝通电后发热发光，同时产生大量热量，其发光效率较低(约8-15lm/w)，亮度有限，一般用于日常生活照明；荧光灯管是采用放电激发汞蒸汽发出紫外线打到荧光材料上发出可见光，一般用于普通日常生活照明，其优点是发光效率高(达到80lm/w)，缺点是含有汞，对环境及人体有害，因而不符合环保要求；LED是一种固态光源，包括各种红光LED、黄光LED、蓝光LED及白光LED，其优点包括反应速度快、体积小、无污染，缺点是发光效率低(约20-30lm/w)，目前应用于车内照明、装饰彩灯等；卤素灯及HID灯是目前汽车头灯的主流，尤其是HID灯，其可发出色温接近白昼阳光的光线(HID灯的色温约4300K-10000K，阳光色温6000K)，且HID较卤素灯光线发射更远等优点，但是，HID需将低电压转换为23000伏高电压，激发氙气发出电弧光，然后将电压稳定在8000伏，持续供应氙气灯泡发光，故，其需要配合特殊电压电流转换设备方可工作，例如美国专利第6,710,551号及6,781,327号。

场发射光源是一种新兴光源，其发光原理是在电场作用下，低电势处金属尖端、碳纳米管等电子发射体发射出电子，轰击高电势处的荧光体而发出可见光，该光源节能、环保，请参阅″A Fully SealedLuminescent Tube Based on Carbon Nanotube Field Emission″，MirkoCroci，et al，Microelectronics Journal，vol.35，p329-336(2004)。

2001年1月17日公开的中国发明专利申请第00107813.5号揭露一种使用碳纳米管的场发射白光源及其制造方法。此白光源主要包括：用作阴极的金属薄膜，形成在金属薄膜上的导电聚合物薄膜图案，碳纳米管基本垂直固结在导电聚合物薄膜图案上并且一端露出外面以发射电子，以及具有荧光体的透明电极。使用时，碳纳米管发射电子轰击荧光体，从而发出可见光。这种基于场发射的白光源具有电能转换效率高，发光效率较高，无污染等优点，但是，上述场发射白光源因碳纳米管是依赖粘着力固定于导电聚合物薄膜之上，故，当场发射电场强度增强时，碳纳米管可能由于电场作用力而脱离导电聚合物薄膜，从而产生损坏。

有鉴于此，提供一种结构稳定，可承受较高电场作用而不产生损坏，且发光亮度较高的场发射照明光源实为必要。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是提供一种场发射照明光源，其具有结构稳定，可承受强电场作用而不易损坏的特点。

本发明解决上述技术问题的技术方案是提供一种场发射照明光源，其包括：一导电阴极；一阳极层，其与该导电阴极相隔一定距离从而形成一内部空间；一荧光层，设置在该阳极层表面，当被电子轰击时发出可见光；一绝缘层，位于所述导电阴极面向所述内部空间的一侧；及多个电子发射端，用以发射电子；其中，每个电子发射端包括一柱状体及一锥形尖端，该柱状体形成在绝缘层上，该锥形尖端为金属铌，形成在柱状体顶部，所述柱状体与绝缘层由相同材料的氮化硅制成，且柱状体与绝缘层构成一体成型结构。

所述所述柱状体包括圆柱或棱柱体，其为圆柱体时直径范围是10～100纳米。

所述锥形尖端顶部直径范围是0.5～10纳米。

所述电子发射端的高度范围是100～2000纳米。

所述锥形尖端用溅镀、磁控溅射或离子束溅射方式形成在柱状体顶部。

另外，在该绝缘层与该导电阴极之间还包括一成核层，该成核层是由硅材料组成。该导电阴极由铜、银或金制成。

与现有技术相比较，本发明场发射照明光源的电子发射端是由直径小于100纳米的绝缘柱状体及尖端顶部直径小于10纳米的锥形金属尖端组成，其中绝缘柱状体是与其绝缘层为一整体，金属铌尖端用溅镀方式形成在柱状体顶部，结构稳定不易脱落，可承受更大电场作用，且电场集中在所述锥形金属尖端发射电子，可提高电子发射密度，另，金属铌具有良好场发射性能，从而可获得稳定、均匀、高亮度的照明光源。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例的剖面示意图。

图2是本发明第二实施例的剖面示意图。

图3是本发明电子发射体的局部放大示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明作详细说明。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种场发射照明光源1，其包括依次叠合形成在一金属基底10表面上的导电层11、一成核层12、以及氮化硅层13；多个纳米电子发射体规则排列在该氮化硅层13表面，各纳米电子发射体分别由柱状体18和锥形尖端19组成，柱状体18和氮化硅层13形成一整体，且由同种材料氮化硅制成；一顶层17，其和所述纳米电子发射体的锥形尖端19间隔开一定距离，一阳极层16形成在顶层17靠近锥形尖端19的表面，一荧光层15形成在阳极层16的表面；另外，多个侧壁14将场发射照明光源10密封并支撑顶层17，从而形成一内部真空空间。

金属基底10包括铜、银等金属材料，其表面光滑平整，以利于形成导电层11、成核层12或氮化硅层13。金属基底10具有良好机械性能，不易破碎，便于实际应用。

导电层11厚度非常薄，优选厚度为1微米以下。导电层11作为阴极，由导电性良好的金属材料形成，例如铜、银及金。由于金属基底10也具有良好的导电性能，可兼作导电阴极，因此金属基底10与导电层11通常为一体。

所述成核层12由硅组成，由硅沉积在金属基底11表面或导电层表面而成，厚度非常薄，优选厚度为1微米以下。该成核层12有利于形成氮化硅层13，即为氮化硅层13提供成核条件。另，成核层12是可选择层。

所述电子发射体的柱状体18与氮化硅层13由相同材料组成，锥形尖端19由铌金属组成。其中，柱状体18和氮化硅层13是一整体，可先通过化学气相沉积法、电浆辅助化学气相沉积法、离子束溅射等方法形成一厚度较厚的氮化硅层，再以化学蚀刻等方法形成柱状体18，并保留一部分即形成氮化硅层13；锥形尖端19是用溅射法、磁控溅射或离子束溅射等方法沈积而成，与柱状体18紧密结合。

荧光层15包括荧光材料，当有电子轰击时产生可见光。

阳极层16可由ITO(铟锡氧化物)导电薄膜组成。

顶层17是透明层，可由透明玻璃制成。

请同时参阅图3，图3是一纳米电子发射体的放大示意图，其中，柱状体18是直径d2为10-100纳米的圆柱体；锥形尖端19底部较大直径与圆柱体直径相等，即为d2，上部较小直径d1在0.5-10纳米范围内；纳米电子发射体的整体高度h(即柱状体18与锥形尖端19总高度)在100-2000纳米范围内。

使用时，施加不同电压在导电层(或金属基底11)和阳极层16上，从而在上述真空空间内形成电场，在该电场作用下，纳米电子发射体的锥形尖端19发射电子轰击荧光层15而发出可见光。由于纳米电子发射体的柱状体18与氮化硅层13是一整体，锥形尖端19与圆柱体紧密结合，故，其可承受较大电场作用力而不损坏。因此，本发明场发射照明光源可承受更强电场，场发射电流提高，可发出更高亮度可见光。

请参见图2，是本发明第二实施例的场发射照明光源2剖示图。其结构及制备方法与第一实施例相似。该场发射照明光源2包括一非金属基底20，该非金属包括硅或二氧化硅，硅或二氧化硅易抛光，适合于在其表面形成较薄的后续导电层21；一导电层21、成核层22分别依次形成在该非金属基底20表面，其中导电层21由导电金属铜、银或金组成，成核层22由硅材料组成，成核层22为可选择层；一氮化硅层23形成在该导电层22表面，并且该氮化硅层23向外延伸出多个柱状体18，氮化硅层23和柱状体18由S iN制成；多个由铌金属组成的锥形尖端19分别形成在柱状体18顶部，用以发射电子。其中，如图3所示，柱状体18是直径d2为10-100纳米的圆柱体；锥形尖端19底部较大直径与圆柱体直径相等，即为d2，上部较小直径d1在0.5-10纳米范围内；其整体高度h(即柱状体18与锥形尖端19总高度)在100-2000纳米范围内。另外，还包括顶层17，其与所述纳米电子发射体的锥形尖端19间隔开一定距离，一阳极层16形成在顶层17靠近该锥形尖端19的表面，一荧光层15形成在阳极层16的表面；另外，多个侧壁14将场发射照明光源20密封并支撑所述顶层17，从而形成一内部真空空间。

使用时，施加不同电压至导电层21及阳极层16，从而形成强电场作用在锥形尖端19，迫使其发射电子轰击在荧光层15发出可见光。该场发射照明光源可承受强电场作用而发出高亮度可见光，并且不易受电场作用而损坏发射端。

Claims (12)

1.一种场发射照明光源，其包括：

一导电阴极；

一阳极层，其与该导电阴极相隔一定距离从而形成一内部空间；

一荧光层，设置于该阳极层表面，当被电子轰击时发出可见光；

一绝缘层，位于所述导电阴极面向所述内部空间的一侧；及

多个电子发射端，用以发射电子，每个电子发射端包括一柱状体和一锥形尖端，该柱状体形成于绝缘层上，该锥形尖端为金属铌，形成于柱状体顶部；

其特征在于，所述柱状体与绝缘层由相同材料的氮化硅制成，且柱状体与绝缘层构成一体成型结构。

2.如权利要求1所述之场发射照明光源，其特征在于，该锥形尖端是用溅镀、磁控溅射或离子束溅射方式形成于柱状体顶部。

3.如权利要求1所述之场发射照明光源，其特征在于，该柱状体包括圆柱体或棱柱体。

4.如权利要求3所述之场发射照明光源，其特征在于，该圆柱体的直径范围是10～100纳米。

5.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于，该锥形尖端顶部直径范围是0.5～10纳米。

6.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于，该多个电子发射端的高度范围是100～2000纳米。

7.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于，该导电阴极形成于一基底表面。

8.如权利要求7所述的场发射照明光源，其特征在于，该基底的材料包括金属、硅或二氧化硅。

9.如权利要求1所述的场发射照明光源，其特征在于，在该绝缘层和该导电阴极之间还包括一成核层。

10.如权利要求9所述的场发射照明光源，其特征在于，该成核层是由硅材料制成。

11.如权利要求1～10项中任一项所述的场发射照明光源，其特征在于，该导电阴极由铜、银或金制成。

12.如权利要求1～10项中任一项所述的场发射照明光源，其特征在于，进一步包括密封形成所述内部空间的多个侧壁。

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