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CN1988108A - 场发射阴极及照明装置 - Google Patents

场发射阴极及照明装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种场发射阴极及采用该场发射阴极的场发射照明装置。该场发射阴极包括从碳纳米管阵列中抽拉出的碳纳米管丝，该阴极可以由单根单根碳米管丝形成，或者多根缠绕在一起的多根碳纳米管丝形成，又或者是单根或多根碳纳米管丝缠绕于一金属棒形成。该场发射照明装置包括该阴极及与其相对的阳极。该场发射照明装置的能量转化只经历了电－光一个过程，能量转化效率高。另外，该场发射照明装置更加环保。

Description

场发射阴极及照明装置
【技术领域】
本发明涉及一种照明装置，尤其涉及一种场发射照明装置及应用于该场发射照明装置的阴极。
【背景技术】
照明与人们的日常生活密切相关，通常采用的照明技术有白炽灯、荧光灯、LED照明等，其中使用较普遍的照明光源为荧光灯。
荧光灯是放电灯的一种，其是在一玻璃管中充入容易放电的氩气及少量汞蒸气，玻璃管内壁涂敷有荧光物质，玻璃管两端设有用钨丝制作的二螺旋或三螺旋钨丝圈电极，电极上涂敷有用于发射电子的物质。其发光原理如下：荧光灯两端电极加电压时，电流流过电极并对电极加热，电极上就会开始放电，放电产生的流动电子与管内的汞原子碰撞，发出紫外线，该紫外线激发玻璃管内壁的荧光物质产生可见光。随着荧光物质的不同，可以发出多种多样的光色。
但是，荧光灯照明技术采用了对人体有害的汞蒸气，不利于环保。另一方面，荧光灯放光过程中能量转化经过了电-光(电子与汞原子碰撞产生紫外线)及光-光(紫外线激发荧光物质产生可见光)两个过程，能量转化效率比较低。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种利于环保而又能量转化效率高的场发射阴极及场发射照明装置。
一种场发射阴极，其包括单根或多根包含多个碳纳米管的碳纳米管丝。
一种场发射照明装置，其包括所述的场发射阴极及与该阴极相对的阳极。
相较于现有技术，所述的阴极的碳纳米管丝表面有多根碳纳米管伸出，其应用于场发射照明装置时，碳纳米管丝表面的碳纳米管尖端在电场作用下放出电子，撞击阳极表面的荧光层发出可见光，达到照明效果，其能量转化只经过了电-光一个过程，能量转化效率高。而且所述的照明装置在较低真空度下，也有不错的发光效果。
相较于现有技术，所述的场发射照明装置不含有对人体有害的物质，更加环保。
【附图说明】
图1是本发明实施例场发射照明装置的立体剖面图；
图2是抽拉碳纳米管丝的示意图；
图3是碳纳米管丝的显微照片；
图4至图7是本发明场发射照明装置的其它形式阴极的放大示意图；
图8是本发明实施例场发射照明装置的发光效果照片；
【具体实施方式】
下面将结合附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，为本发明场发射照明装置的实施例。
该场发射照明装置1包括一发光管11以及设置于发光管11中心轴且位于发光管11的腔体110内的阴极13。
该发光管11的最外层为一透明玻璃管111。该玻璃管111的内表面设置有阳极112，其常由透明导电材料氧化铟锡制成。该阳极112的表面形成有荧光层113。一阳极接线柱12穿过该玻璃管111表面，其一端与该阳极112电连接，另一端与电源(图未示)的正极相连。本实施例的发光管11的直径为43毫米(mm)(发光管11的厚度相对于直径很薄，可忽略不计)，长度为80mm。该发光管11的开口两端分别设置有密封盖15，用于将发光管11形成的腔体110密封。
可以理解，发光管11的尺寸可以根据实际需要进行变更，并不限于本实施例。另外，该发光管11还可以为在玻璃管111的内表面先涂敷一层荧光层，然后在荧光层表面蒸镀一层镜面铝层，该阳极接线柱12的一端与该镜面铝层电连接。当然，该发光管11还可以为其它形式，并不限于本实施例。
同样可以理解，该发光管11与密封盖15也可以为一体结构，并不限于本实施例。
该阴极13由一碳纳米管丝131形成。在阴极13两端所对应的位置分别有一阴极接线柱14穿设于发光管11的密封盖15上，该阴极接线柱14一端与该碳纳米管丝131的尾端通过粘接剂相连，另一端与电源的负极连接。因碳纳米管丝较细(宽度仅为200微米(μm)左右)，为便于说明，本实施例的阴极13的碳纳米管丝131并未按实际比例画出。
可以理解，阴极13两端也可以采取一端加电，并不限于本实施例。
制备上述的碳纳米管丝131，本实施例提供一下一种方法：
请参阅图2，制得碳纳米管阵列20后，用一镊子(图未示)夹住一束碳纳米管，施加0.1毫牛(mN)的力抽拉，由于范德华力的作用，碳纳米管束端部首尾连接在一起；沿抽拉方向一碳纳米管丝131形成，其宽度为200微米。
要获得能抽拉碳纳米管丝131的碳纳米管阵列20，最好满足以下三个条件：
1.基底表面平整光滑；
2.生长速率高；
3.反应前体分压低。
经大量实验表明，催化剂和反应炉的温度差越大，生长速率越高，通常至少要控制催化剂与反应炉的温度差在50℃以上。在实验时，催化剂的温度可通过乙炔的流量来控制。反应前体的分压可通过改变通入的乙炔与氩的比例来控制，通常反应前体的分压不高于0.2，最好不高于0.1。
碳纳米管丝131的宽度可由抽拉工具的尖端尺寸控制，尖端尺寸越小，获得的碳纳米管丝131宽度越小。碳纳米管丝131的长度由碳纳米管阵列20的面积决定，通常1平方厘米(cm2)的碳纳米管阵列可抽拉出长度为10米(m)的碳纳米管丝。抽拉碳纳米管丝131的力的大小由碳纳米管丝131的宽度决定，宽度越大，所需的力越大。
可以理解，生长碳纳米管阵列所用的氩体还可用其它惰性气体。催化剂可用其它过渡金属，如钴，镍等。乙炔可用其它碳氢化合物代替，如甲烷，乙烯等。
请参阅图3，是通过以上方法形成的碳纳米管丝131的显微照片。从照片中可以看出，在碳纳米管丝131的表面会有多个碳纳米管1310伸出，形成了场发射照明装置1的发射尖端。其中，该碳纳米管1310的直径范围为0.4～30纳米(nm)。
本实施例场发射照明装置1工作时腔体110内的气压需要在10-4帕(Pa)量级范围内；阳极112与阴极13之间施加值为6000伏(V)，频率为1000赫兹(Hz)，宽度为2毫秒(ms)的脉冲电压。场发射照明装置1的照明原理如下：该阴极13的碳纳米管丝131表面的碳纳米管1310受电场激发后发出电子并撞击荧光层113，使荧光层113受激发而发出可见光，光线透过该阳极112和玻璃管111到达外界，从而达到照明的效果。
本发明之场发射照明装置1的阴极13还可以为其它形式，比如将缠绕在一起的多根碳纳米管丝131作为场发射阴极33(请参阅图4)、将单根碳纳米管丝131缠绕于一金属棒132表面作为场发射阴极53(请参阅图5)、将缠绕在一起的多根碳纳米管丝131缠绕于金属棒132表面作为场发射阴极73(请参阅图6)、将多根碳纳米管丝131粘接于金属棒132表面作为场发射阴极93(请参阅图7)等。该金属棒为导电性佳的材料，一般为铜。值得注意的是，将碳纳米管丝131缠绕或粘接在金属棒132表面形成场发射阴极时，要保证该碳纳米管丝131的分布密度符合场发射条件。
请参阅图8，是本实施例场发射照明装置1的实物发光效果照片，从照片可以看出，该照明装置具有与荧光灯相近的很好的照明效果。
可以理解，本发明的场发射照明装置之形状多由阳极形状来决定，其还可以为其它形状，比如多棱柱或球形等，并不限于本实施例的圆柱形结构。
相较于现有技术，本实施例的场发射照明装置1采用了场发射发光原理，发光过程中只经历了电-光(电子直接激发荧光层113达到发光效果)的能量转化过程，能量转化效率较高。另外，本实施例相对现有技术更加环保。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种场发射阴极，其特征在于，该阴极包括单根或多根包含多个碳纳米管的碳纳米管丝。
2.如权利要求1所述的场发射阴极，其特征在于，所述的碳纳米管丝是从碳纳米管阵列中抽拉形成。
3.如权利要求1所述的场发射阴极，其特征在于，所述的多根碳纳米管丝缠绕在一起。
4.如权利要求1所述的场发射阴极，其特征在于，所述的阴极进一步包括一金属棒，所述单根的碳纳米管丝缠绕于该金属棒表面。
5.如权利要求1所述的场发射阴极，其特征在于，所述的阴极进一步包括一金属棒，所述多根碳纳米管丝缠绕或粘接在该金属棒表面。
6.如权利要求1所述的场发射阴极，其特征在于，所述的碳纳米管的直径范围为0.4～30纳米。
7.一种场发射照明装置，其特征在于，该场发射照明装置包括权利要求1至6任一项所述的场发射阴极及与该阴极相对的阳极。
8.如权利要求7所述的场发射照明装置，其特征在于，所述的阳极表面设置有荧光层。
9.如权利要求7所述的场发射照明装置，其特征在于，所述的场发射照明装置外形为圆柱、多棱柱或球形的结构，其内部为一腔体，所述的阴极设置于该圆柱、多棱柱或球形的结构的主轴。
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