TWI544511B - 場發射發光系統之電力控制 - Google Patents

Description

場發射發光系統之電力控制

本發明與一種場發射發光裝置有關。更具體而言，本發明與一種可依序致動螢光體層之選擇部分以進行發光的場發射發光裝置有關。本發明也與一種對應的場發射發光系統有關。

目前有一種以更具能量效率之替代方式來取代傳統燈泡的趨勢。已知有螢光燈光源(其也具有與傳統燈泡類似的形式)且通常被稱為螺旋式螢光省電燈泡(Compact Fluorescent Lamps，CFLs)。如已廣為所知者，所有的螢光燈光源都含有少量汞暴露，其具有因汞暴露而影響健康的問題。此外，由於汞棄置的嚴格規定，螢光燈光源的回收即變得複雜又昂貴。

因此，需要提供一種螢光燈光源之替代方式，這種替代方式的一項實例係說明於WO 2005074006中，其揭露了一種不含汞或任何其他有害健康物質之場發射光源。該場發射光源包括一陽極與一陰極。陽極是由一透明導電層以及塗佈在一圓柱玻璃管內表面之一螢光體層所組成，螢光體在受電子激發時會發光，電子發射是由陽極與陰極之間的電壓所產生。為了達到高度發光，希望能施加4至12kV範圍之電壓。

WO 2005074006中所揭露之場發射光源對更具環境友善性之照明提供了一種可靠方式，例如因為不需要使用汞；然而，為延長使用壽命及/或為增加燈泡的照明效率，總是需要改良燈泡的設計。

先前技術中的場發射發光裝置一般係配置為，在操 作期間陰極會發射出電子，其係加速朝向場發射發光裝置的完整螢光體層。當發射之電子與螢光體顆粒碰撞時，螢光體層即提供發光。發光過程會伴隨有熱的產生，熱會減少場發射發光裝置的使用壽命。

根據本發明之一態樣，一種場發射發光裝置係至少部分符合上述內容，其包含一陽極結構，至少部分由一螢光體層所覆蓋；一淨空波封，其內部配置有一陽極結構；以及一場發射陰極，其中該場發射發光裝置係配置以接收一驅動訊號以啟動該場發射發光裝置以及依序致動該螢光體層的選擇部分而發光。

與先前技術的場發射發光裝置相比較，根據本發明場發射發光裝置是配置為，不同於使電子加速至整個螢光體層，而是只有螢光體層中的選擇部分被依序致動而發光，藉此例如可使陽極層的選擇部分在再次被致動以前先行冷卻。因此本發明之一優勢為，可增加場發射發光裝置的使用壽命，藉此也可降低末端使用者的發光成本，因為場發射發光裝置的更換率可較低。

螢光體層的選擇部分係包含螢光體層的大量複數個部分，因此，場發射發光裝置係因而配置為使得一次可致動一個以上的選擇部分，且該大量複數個部分中的每一個係根據一預先定義方式來加以致動，以例如使用一電源供應器和控制單元來依序致動該些部分。該預先定義方式當然也可為隨機，只要在總時間的一部分時只致動全部螢光體層中的一單一部分即可。此外，螢光體層的該些部分係至少部分重疊。

在一較佳具體實施例中，場發射發光裝置也可配置 為使得選擇部分可以「掃掠(sweep)」方式被致動。在此一具體實施例中，場發射發光裝置更包含至少一閘極電極，該至少一閘極電極係可經排列被致動為使得該場發射陰極發射之電子的方向係基於施加至該至少一閘極電極的控制電壓(也稱為施加至場發射陰極的電壓位能)而定。場發射裝置也可包含另外的閘極電極。

螢光體層的該些部分之依序致動較佳係以一預定頻率進行，例如該預定頻率係根據螢光體層的發射衰減率而決定。一般而言，適合場發射裝置之螢光體層的發射衰減率係發生於微秒範圍中，因此其代表一「高」預定頻率。考量到在發光處所產生的熱，該預定頻率較佳係選擇為高於10kHz，且較佳為高於30kHz。

根據場發射發光裝置的結構、且一旦決定了陰極與陽極材料之選擇，即決定了場發射發光裝置的配置與物理尺寸；場發射發光裝置的物理性質亦可決定。就電路的觀點而言，這些性質中部分係與電子構件(如具有預定電阻、電容與電感之二極體、電容器與電感器)的性質相同。因此，場發射發光裝置整體上係以不同方式顯示為類似於這些構件，最重要者的是在不同驅動條件下之一共振電路，例如DC驅動、「低」頻驅動與共振頻率驅動。任何低於共振頻率之頻率即定義為低頻率。藉由調整燈泡內部及/或外部的電容及/或電感，即可選擇所需之共振頻率、以及輸入電壓與電流間之一相位關係。其係由申請人進一步揭示於EP09180155中，該文獻係藉由引用形式而併入本文。 因此，較佳為可選擇預定頻率，使其落於與場發射發光裝置之共振半功率寬度相應的範圍內。

較佳為，場發射陰極與陽極結構皆配置在一淨空波封之內部。此外，陽極結構係較佳為配置以於一電壓被施加在陽極結構與場發射陰極之間時接收場發射陰極所發出的電子，並產生光。陽極結構可為透明，且因此可使光通過陽極結構而離開波封，或是反射而藉此使所產生的光反射離開波封。此外，波封較佳是由玻璃所製成，且驅動電壓較佳為在2-12kV之範圍內。此外，電源供應器可電氣連接、或實體接觸於場發射裝置，像是例如在一插座/基部/側部(在場發射裝置為一場發射光源的例子中)處、或是放置在場發射裝置附近。

根據本發明之另一態樣，提供了一種場發射發光系統，其包含一第一與一第二場發射光源、以及一電源供應器與控制單元，其連接至該第一與該第二場發射光源、且配置以提供一驅動訊號而起動該第一與第二場發射光源，其中該電源供應器與控制單元係進一步配置以提供驅動訊號，以依序啟動該第一與該第二場發射光源。

如上所述，場發射發光系統包含一第一與一第二光源，且配置為使得各第一與第二光源係依序致動而進行發光。如上述說明者，藉由在總時間的一部分下僅致動一個光源，即可增加場發射發光系統的使用壽命，同時考量各場發射光源的螢光體層之發射衰減率的積極效果，藉此亦可降低末端使用者的發光成本，因為場發射發光系統可以較低更換率來進行替換。場發射發光系統當然也可包含兩個以上的場發射光源，其可同時各被依序致動、或同時致動複數個。

此外，本發明概念也可利用複數個可各別控制之場發射陰極而實施，其提供了與上述類似的優勢。

同時，發光系統可緊密地整合為一單一構件，例如成為一照明器具、或顯示器之背光源。此外，根據本發明之場發射發光裝置或系統較佳係形成為任何需要發光之應用的部件，例如包括場發射顯示器、X射線來源。

因此應注意本發明之主要控制概念也可應用至以螢光體為基礎之其他「即時啟動」光源。

當研讀如附申請專利範圍與下述說明時，即可明顯得知本發明之其他特徵及其優勢。該領域技術人士係可理解本發明之不同特徵係可加以組合，以產生不同於下述說明之具體實施例，其皆不背離本發明之範疇。

現將參照如附圖式來更完整說明本發明，圖式中係繪示了本發明目前較佳具體實施例。然而，本發明係可具現為多種不同形式，且不應被解釋為僅限於本文所提出的具體實施例；反而是，這些具體實施例係為使該領域技術人士可通盤、完整且完全涵蓋本發明之範疇而提供。相同的元件符號係代表全文中相同的元件。

現參照圖式、且特別是第一圖，其說明了根據本發明一目前較佳具體實施例之場發射發光裝置100的側視圖。場發射發光裝置100包含一基板102，在基板102上係已設有複數個尖銳的射極，而形成一場發射陰極104。尖銳射極係例如包含ZnO奈米結構，包括例如奈米壁、奈米管等。尖銳射極也包含碳奈米結構。與場發射陰極104相鄰者係設有一第一閘極電極106與一第二閘極電極108。

場發射發光裝置100更包含一外耦合基板，例如其具有玻璃波封110之形式，在其上係已設有一透明場發射陽極，例如一ITO層112。為了發光，在ITO層112內部上設有一螢光體層114，其面向場發射陰極104。基板102係可為、或可包含可藉由控制單元與電源供應器116而在場發射陰極104與場發射陽極(ITO層112)之間施加電場之裝置(例如具導電性)。場發射發光裝置100係進一步配置以使閘極電極106、108以及控制單元與電源供應器116之間產生連接。

藉由在場發射發光裝置100的運作期間施加與電壓範圍2-15kV相應之電場，陰極104發射出電子，其係加速朝向螢光體層114。當發射電子與螢光體層114的螢光體顆粒碰撞時，螢光體層114可提供發光。在螢光體層114所產生的光將傳送通過透明ITO/陽極層112與玻璃波封110。該光較佳為白色，但也可以是有色光。該光也可以是UV光。

此外，藉由控制控制單元與電源供應器116而於閘極電極106、108和場發射陰極104(相關於在陽極112與陰極104之間所提供之2-15kV)之間施加一微小電位差(介於數百伏特範圍內)，其可調整發射的電子與該螢光體層114之發光部分，使得僅有螢光體層114的選擇部分可同時被依序致動。

藉由以控制單元與電源供應器116的方式來進一步各別控制閘極電極106、108，即可另外「掃掠」陽極112之方向中提供的電子束，使得例如光可在方向118或120中發出。

現轉參第二圖，其說明了第一圖所示之場發射發光裝置的一區段之透視圖。除第一圖所揭露者外，透視 圖係指出場發射發光裝置100可設為平坦形式。場發射發光裝置100可另包含大量複數個閘極電極106、108、202、204與206，其係經「定址」(addressed)及各別控制及/或成行，藉此而進一步增加螢光體層114的區段性和序列性致動的可行性，因而只有這些部分的螢光體層114將發光。

第三圖說明了根據本發明之一替代場發射發光裝置300，其包含一圓柱玻璃波封310，在其內部設有一場發射陰極306(例如集中設置)。場發射陰極306可包含一傳導性基板，在基板上係已設有複數個尖銳射極，例如包含ZnO奈米結構，包括例如奈米壁、奈米管等。尖銳射極也可包含碳奈米結構(例如CNT等)。為提供依序致動螢光體層314的選擇部分之可行性，場發射陽極的功能性(在第一圖中為ITO層112)係分別提供為兩個個別的場發射陽極312、322，其係可各別受控制。這兩個個別的場發射陽極312、322係例如是排列為迂迴結構，如第三圖中所示。

因此，在場發射發光裝置300的運作期間，係可根據預定方式來施加電場以產生光，包括在一第一模式中在場發射陰極306與場發射陽極312之間施加電場，而在另一模式中在場發射陰極306與場發射陽極322之間施加電場，並在又一模式中在場發射陰極306與兩個場發射陽極312、322之間施加電場，藉此可依序致動螢光體層314的選擇部分以發出光。當然在場發射發光裝置300中可設有兩個以上的場發射陽極，包括例如三個、或四個場發射陽極。

最後轉參第四圖，其也提供一場發射發光系統400作為本發明之一種替代具體實施例。場發射發光系統 400包含複數個場發射光源402、404、406、408、410與412，其排列於一照明器具/反射器414中。各場發射光源402、404、406、408、410與412較佳為包含一場發射陽極與一場發射陰極，其係配置在一淨空波封中，其中該場發射陽極包含一螢光體層。場發射發光系統400更包含一控制單元與電源供應器416，其係例如是排列在照明器具/反射器414的基部中，且藉由連接至電器主件之電氣連接器418而設有一能量供應源。

在場發射發光系統400的運作期間，例如該控制單元與電源供應器416之一驅動訊號係同時間僅致動其中一個場發射光源402、404、406、408、410與412，以依序啟動例如每一個場發射光源402、404、406、408、410與412。場發射光源402、404、406、408、410與412也可根據一預定方式而被致動，其中在一單一時間時僅致動選擇之複數個場發射光源402、404、406、408、410與412。如上所述，來自控制單元與電源供應器416之驅動訊號係可例如包含一頻率分量，其係基於螢光體層之發射衰減率而加以選擇。

雖然本發明以參照其特定示例之具體實施例而加以說明，但該領域技術人士係可明顯得知其許多不同的替代方式、修飾例等。該領域技術人士也可從對圖式、說明書與如附申請專利範圍之研讀，來理解及產生所揭露之具體實施例的變化例而實施所主張之發明。

舉例而言，驅動訊號可具有任何適當形式，包括例如AC、DC、脈衝式DC或具有一控制週期比之AC/DC。在利用複數個場發射光源及/或複數個陽極來 產生光的例子中，適合使用一相偏移驅動訊號，因此發射會稍微重疊於不同的陽極/光源之間而進行。其他類型的驅動訊號當然是可行的，且也落於本發明之範疇內。

此外，在申請專利範圍中，用語「包含」並不排除其他元件或步驟，而用語「一」亦不排數複數態樣。

100‧‧‧場發射發光裝置

102‧‧‧基板

104‧‧‧場發射陰極

106‧‧‧第一閘極電極

108‧‧‧第二閘極電極

110‧‧‧玻璃波封

112‧‧‧透明ITO/陽極層

114‧‧‧螢光體層

116‧‧‧控制單元與電源供應器

118‧‧‧方向

120‧‧‧方向

202‧‧‧閘極電極

204‧‧‧閘極電極

206‧‧‧閘極電極

300‧‧‧替代場發射發光裝置

306‧‧‧場發射陰極

310‧‧‧圓柱玻璃波封

312‧‧‧場發射陽極

314‧‧‧螢光體層

322‧‧‧場發射陽極

400‧‧‧場發射發光系統

402‧‧‧場發射光源

404‧‧‧場發射光源

406‧‧‧場發射光源

408‧‧‧場發射光源

410‧‧‧場發射光源

412‧‧‧場發射光源

414‧‧‧照明器具/反射器

416‧‧‧控制單元與電源供應器

418‧‧‧電氣連接器

從上述實施方式說明及如附圖式，即可快速了解本發明之各種態樣，包括其特定特徵與優點，其中：第一圖說明了本發明之場發射發光裝置的一種當前較佳具體實施例的側視圖；第二圖說明第一圖中所示之場發射發光裝置的一區段之透視圖；第三圖說明根據本發明之一替代場發射發光裝置；以及第四圖提供了根據本發明一示例具體實施例之概念性場發射發光系統。

100‧‧‧場發射發光裝置

102‧‧‧基板

104‧‧‧場發射陰極

106‧‧‧第一閘極電極

108‧‧‧第二閘極電極

110‧‧‧玻璃波封

112‧‧‧透明ITO/陽極層

114‧‧‧螢光體層

116‧‧‧控制單元與電源供應器

118‧‧‧方向

120‧‧‧方向

Claims (5)

1. 一種場發射發光裝置，其包含：一陽極結構，其至少部分由一螢光體層所覆蓋；一淨空波封，其內部配置有該陽極結構；以及一場發射陰極；以及至少一閘極電極，其中該場發射發光裝置係配置以接收一驅動訊號以啟動該場發射發光裝置以及依序致動該螢光體層的選擇部分而發光，其中該陽極結構較佳係配置以接收由該場發射陰極所發射之電子，且該至少一閘極電極係用於控制該場發射陰極所發射之電子的方向，其中該螢光體層的各該等部分係以一預定頻率而依序被致動，其中該預定頻率係高於10kHz，其中該至少一閘極電極用於依序致動該螢光體層之部分。
2. 如申請專利範圍第1項之場發射發光裝置，其中該預定頻率係基於該螢光體層的一發光衰減率而加以選擇。
3. 如申請專利範圍第1項之場發射發光裝置，其中該預定頻率係選擇為位於與該場發射發光裝置的共振處之半功率寬度對應的一範圍內。
4. 如申請專利範圍第1項之場發射發光裝置，更包含複數個可各別控制之場發射陰極。
5. 如申請專利範圍中第1項之場發射發光裝置，其 中該場發射發光裝置係包含於一場發射光源、一場發射顯示器、一X射線來源之至少其中一者中。