TWI276138B - Array-like flat lighting source - Google Patents
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Description
1276138 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種陣列式平面發光源,特別是指一種具有陣 列式場發子元件結構的發光源。 【先前技術】 自1991年奈米碳管被發現後,相較於傳統以鎢絲做為場發射 源(field emitter),其具有較優良之場發射特性,奈米碳管作為陰 極材料,目前已應用於製作奈米碳管場發射元件(carb〇Iinan〇tube Held emission element)與奈米碳管場發射顯示器(carb〇I1 ann〇tube field emission display)。奈米碳管場發射元件應用在照明用途上, 若能將其發光效率提升至80-1001m/W,則可取代曰光燈而普遍 化。第一圖係一種具有奈米碳管場發射子的習知平面光源的截面 示意圖,其包括有:一陰極基板100 ; 一陽極基板600係平行疊 放於前述陰極基板1〇〇上方;一支撐層(spacer)5〇〇係置於前述陰 極基板100與陽極基板600之間,以維持兩者之間有一預定的垂 直距離及維持兩者間的空間真空度。陰極基板1〇〇係為一玻璃基 板’陰極黾極層200形成其上方,而一催化層(catalyst layer)3〇〇 形成於陰極電極層200上方,以利於奈米碳管成長於其上面。複 數個奈米碳管400係形成於前述催化層3〇〇上方,以供做陰極場 發射子(cathode field emitter)。陽極基板6〇〇係為一玻璃基板,一 氧化銦錫(Indium Tin Oxide)陽極電極層7〇〇係形成於前述陽極基 板600下方,而一螢光層8〇〇形成於氧化銦錫(Indiurn Tin 〇xide) 陽極電極層700下方。前述奈米碳管4〇〇在氧化銦錫(Indium Tin Oxide)陽極電極層700的電壓吸引下,發射出電子,而撞擊螢光 層800,使螢光層800受激發放光。螢光層8〇〇之發光穿經陽極 基板600,以形成面光源。 1276138 前述以奈米碳管做為場發射子的習知平面光源具有以下一些 缺點。例如,包圍電子發射面積(electron-emitting area)的外部奈 米碳管400具有邊緣效應(edge effect),使得螢光層800的周圍發 光亮度大於中心發光亮度,造成前述平面光源的發光強度不均 勻,而降低其發光特性。再者,前述奈米碳管400通常係以弧光 放電(arc discharge)或雷射I虫刻(laser ablation)方法形成,上述兩種 方法並不適合於以低成本量產奈米碳管,奈米碳管的結構亦難控 制。因此,前述平面光源要製作成大尺寸面光源會有困難。 據此,亟待提供一種改良的具有場發射特性的平面光源,以 克服上述之缺失。 【發明内容】 本發明之主要目的係提供一種具場發射特性的陣列式平面 發光源,其場發射子元件可呈任何陣列形式排列,以提高發光均 勻度。 本發明之另一目的係提供一種具場發射特性的陣列式平面 發光源,其場發射子元件結構係採組合式,可克服大發光面積發 光源製造困難度。 本發明之又一目的係提供一種具場發射特性的陣列式平面 發光源,其係採無支撐層(spacer free)方式,以於發光源組件封裝 後,仍能維持發光源内部良好真空度。 本發明之再一目的係提供一種具場發射特性的陣列式平面 發光源,其場發射子元件結構具有檢修配線設計,以使單一電極 線形成開路時,場發射子元件仍能正常工作,進而提高本發明發 光源的製造良率及其使用壽命。 為達成上述目的,本發明提供一種陣列式平面發光源,其包 括:一基板,係具有複數個陣列排列的凹溝於其上,前述基板供 1276138 做一陰極基板;複數個場發射子元件(field emitter element),係分 別設置於每一前述凹溝中及每一場發射子元件係耦接至一第一 電壓源;一透光基板,具有一表面與一底面,係疊放於前述基板 上方,使兩者間構成一封閉空間,前述透光基板係供做一陽極基 板;一透明導電層,係形成於前述透光基板的底面上,此透明導 電層係耦接至一第二電壓源,其中第二電壓源的電壓高於第一電 壓源的電壓;及一發光層,係形成於前述透明導電層下方。前述 場發射子元件在第二電壓源的電壓吸引下射出電子,撞擊前述發 光層,使發光層放光,穿經前述透光基板,以形成一平面光源。 本發明前述陣列式平面發光源之陰極基板及陽極基板構形 係互相匹配,以使兩者組裝時形成一封閉空間於兩者間。前述陰 極基板及陽極基板之間無需設有支撐層(spacer) ’因此在封裝發光 源組件時,無須考慮支撐層熱膨脹係數問題,可使本發明發光源 組件封裝製程簡單化。再者,陰極基板及陽極基板可使用相同材 質,由於兩者熱膨脹係數相同,故於發光源組件封裝後,有助於 發光源内部結構真空度的維持。 另一方面,本發明提供一種陣列式場發射子結構,其包括: 一基板,係具有複數個陣列排列的凹溝於其上;及複數個場發射 子元件,係分別設置於每一前述凹溝中及每一場發射子元件係耦 接至一第一電壓源。 本發明可依各種不同亮度要求的照明用途,設計出各種不同 陣列形式的場發射子結構。再者,本發明係採取場發射子元件及 基板分開製作,再予以組合形成陣列式場發射子結構。因此,本 發明陣列式場發射子結構有利於製作大發光面積的發光源。 【實施方式】 本發明提供一種陣列式平面發光源,可適用於目前的照明、 1276138 顯示器之背光源、相機用閃光用途之器件。本發明之陣列式平面 發光源具有節省能源、響應時間短、高發光效率且環保(不含汞) 等優點’可以提供市場另一種發光源之選擇。更明確言,本發明 係和1供種具有場發射特性(field emission characteristic)的陣列 式平面發光源,其中陰極基板及陽極基板之一係採用U型結構, 使陰極基板與陽極基板組裝時,兩者間可構成一封閉空間。因 此’ s ‘述發光源各組件在真空封裝時,陰極基板與陽極基板之 間無需使用支撐層(spacer)。在前述真空封裝製程中,即無需考慮 支撐層的熱膨脹係數,可使封裝製程簡單化,降低製造成本。再 陰★土板及陽極基板可使用相同材質,由於具有相同熱膨脹 1二5:#裝後可使發光源内部結構保持良好的真空度。陰極 ί 谁ld emi⑽)結構為陣列結構’前述每一場發射 片狀或棒狀電極而構成,其中片狀或棒狀電極 基板上呈陣列式的溝射,將前述場發射子安裝於陰極 陰極場發射子的密度可以同2列式場發射子結構。此外, 電極之前述每一場發射子再光亮度之要求而做調整。結合 若電極線其中之—形成_ p 2 ’亚且具有檢修配線設計, 作。 仍可確保場發射子結構可以正常工 與財㈣陰極職射子製作 裝,故前述場發射子結構製造= 寺各種零件製備齊全後再行組 不受溫度等參數影塑,可以队^壬中,碳材附著於陰極電極時將 本發明之陣列θ式陰極成本並使製程簡单化。 源,將藉由以下具體實施例配二子結構及其形成之平面發光 第二Α圖係、本發明陣列圖式’巧詳細說明如下, 截面示意圖。在第一且X十子結構之第一具體實施例的 …A例令’陣列式場發射子結構2〇呈 I2?6138 一極式陰極結構(diode structure),係包括:一基板21,供做一陰極 基板,其具有複數個陣列排列的凹溝211於其上,基板21可以是 一玻璃基板或塑膠基板或由其它適合的材質形成,而凹溝211截 面可以呈弧狀或U型狀;及複數個場發射子元件22,係分別設置 於每一凹溝211中,前述場發射子元件22可以碳材附著於片狀、 棒狀或管狀導電材料而形成,碳材可選用例如奈米碳材、鑽石或 類鑽石等材料。前述片狀、棒狀或管狀導電材料即構成陰極電 極。第二B圖係陣列式場發射子結構20的俯視圖,前述的場發射 子元件22係經電極線212串聯一起,再耦接至一第一電壓源(未 示出)。 第二C圖係第二Α圖之陣列式場發射子結構20的一變化例 截面示意圖,其與第二A圖之陣列式場發射子結構20不同處在 於將基板21a以物理或化學方法蝕刻或模板成u型結構。 第三A圖係本發明陣列式場發射子結構之第二具體實施例的 截面示意圖。在第二具體實施例中,陣列式場發射子結構3〇呈 二極式陰極結構(triode structure),係包括:一基板31,供做一陰 極基板,其具有複數個陣列排列的凹溝311於其上,基板31可以 ^ 玻璃基板或塑膠基板或由其它適合的材質形成,而凹溝311 截面可以呈弧狀或U型狀;複數個場發射子元件32,係分別設置 於每一凹溝311中,前述場發射子元件32可以碳材附著於片狀、 棒狀或管狀導電材料而形成,碳材可選用例如奈米碳材、鑽石或 類鑽石等材料,前述片狀、棒狀或管狀導電材料即構成陰極電 極’衩數個閘極電極33,係分別形成於每一對相鄰凹溝311之間, 並且耦接至一第三電壓源,閘極電極33係用以提供一驅動電壓 以驅使場發射子元件32發射電子。由於閘極電極33更接近場發 射子元件32,故陣列式場發射子結構30可使用較低的操作電壓, 即第三電壓源的電壓可低於第二A圖陣列式場發射子結構2〇的 !276138 操作電壓。閘極電極33係由導電材料形成,例如高熔點金屬材 料(refractory metal),如鉑(molybdenum),銳(niobium),鉻 (chromium),給(hafnium)或它們的組成物或碳化物(carbides)。 第三B圖係陣列式場發射子結構3〇的俯視圖,前述的場發射 子元件32係經電極線312串聯一起,再耦接至第一電壓源(未示 出),而餉述第三電壓源的電壓係高於第一電壓源的電壓。 第一 A圖所示的二極式陣列式場發射子結構2〇的製程較為 容易’但操作電壓較高’而第三A圖所示的三極式陣列式場發射 子結構30將有助於操作電壓的降低。 第二C圖仏第三a圖之陣列式場發射子結構扣的一變化例 截面tf思圖,其與第三A圖之陣列式場發射子結構%不同處在 於將*基板31二以物理或化學方法餘刻或模板成U型結構。 …第五®係t發明陣列式場發射子結構的第三具體實施例之俯 視不忌® H具體實施例中’陣列式場發射子結構為一 ,二極ίΪΐ結構’並且陰極電極具有檢修配線的設計;陣列式 場發射子、、,吉構5 0係包括美把ς ^ 及複數個呈一列陣列安排的場發 射子元仵52 ;基板5 1可以县笙一 7 n 〆 疋弟二Α圖或第二C圖的構形,而場 發射子兀件52係相同於第-Δ面 q电,卢 —圖之場發射子元件22,並且經電 再耦接至弟一電壓源,並且前述場發射子 το件52係以群組方式分別連 ^ λ ^ 助導線54a~54d再_至第—電至 =,辅助導線人制如,前述辅 群組之場發射子元件52係彼;二配線之用。各 -Χ-Γ ^ 。 串、。刖述輔助導線54a〜54d的設 计可以確保包極線53單一部 at你。 丨伤斷裂時,場發射子元件52仍能正 常工作。 另外,陣列式場發射子結 出),即在基板51的每一對相=50可以王三極式陰極結構(未示 第六圖係本發明陣列外凹槽之間形成有一閘極電極。 备射子結構的第四具體實施例之 1276138 俯視不意圖。在第四具體實施例中,陣列式場發射子結構6〇為 一種二極式陰極結構,並且陰極電極具有檢修配線的設計;陣列 式場發射子結構60係包括基板61及複數個呈兩列陣列安排的場 %:射子元件62a及62b ;基板61可以是第二a圖或第二C圖的 構形,而場發射子元件62a及02b係相同於第二A圖之場發射子 兀件22,並且分別經電極線63a及63b串聯在一起,再耦接至第 一電壓源,並且前述場發射子元件62a及62b係以群組方式分別 連接至辅助導線6如〜64d及65a〜65d,前述輔助導線6如〜64d及 65a 65d再叙接至第一電廢源,以供做檢修配線之用。各群組之 琢為射子元件62a或62b係彼此串聯。前述輔助導線64a〜64d及 65a〜65d的設計可以確保電極線63a或63b單一部份斷裂時,場 發射子元件62a或62b仍能正常工作。 另外,陣列式場發射子結構60可以呈三極式陰極結構(未示 出),即在基板61的每一對相鄰凹槽之間形成有一閘極電極。 第四A圖係使用第二a圖場發射子結構2〇的陣列式平面發 光源4〇的截面示意圖。陣列式平面發光源40係包括:陣列式場 發射子結構20,供做為陰極發射源;一呈倒u型的透光基板41, 具有一表面及一底面,其例如可以是一玻璃基板,係疊放於基板 21上方’使兩者間構成一封閉空間45 ; —透明導電層42,係形 成於透光基板41的底面上,前述透明導電層42係耦接至一第二 電壓源’其中第二電壓源的電壓高於第一電壓源的電壓,前述透 明導電層42可以由氧化銦錫(ITO, Indium Tin oxide)形成;及一 發光層43 ’係形成於前述透明導電層42下方,其中發光層43可 以疋 3?光層或一磷光層。前述場發射子元件22在第二電壓源 的琶Μ吸引下射出電子,撞擊前述發光層43,使發光層43放光, 穿經透光基板41,以形成一平面光源。由於透光基板41係呈倒 U型’故當陣列式平面發光源40各組件封裝時無需使用支撐層 1276138 (spacer),以使基板21與透光基板41之間保持一定垂直距離,因 此可使本發明發光源的封裝製程更為容易。再者,基板21及透 光基板41可使用相同材質,例如皆使用玻璃材質,由於熱膨脹 係數相同,有利於保持陣列式平面發光源40内部結構的真空度。 另一方面,可加設一吸氣器(getter) 46於基板21,使其連通於前 述容間45,藉吸氣器46吸收容間45内的水氣及其它氣體分子, 以提高容間45的真空度。 第四B圖係使用第三A圖場發射子結構30的陣列式平面發 光源44的截面示意圖,其與第四A圖的陣列式平面發光源40不 同處僅在於其場發射元件結構為三極式陰極結構,而閘極電極33 耦接的第三電壓源的電壓係高於第一電壓源的電壓,而低於第二 電壓源的電壓。 第四C圖係使用第二C圖場發射子結構20a的陣列式平面發 光源的截面示意圖。陣列式平面發光源47係包括:具有U型基 板21a的陣列式場發射子結構20a,供做為陰極發射源;一透光 基板41a,具有一表面與一底面,例如可以是一玻璃基板,係疊 放於基板21a上方,使兩者間構成一封閉空間45 ; —透明導電層 42,係形成於透光基板41a的底面上,前述透明導電層42係耦接 至一第二電壓源,其中第二電壓源的電壓高於第一電壓源的電 壓,前述透明導電層42可以由氧化銦錫(ITO, Indium Tin oxide) 形成;及一發光層43,係形成於前述透明導電層42下方,其中 發光層43可以是一螢光層或一磷光層。前述場發射子元件22在 第二電壓源的電壓吸引下射出電子,撞擊前述發光層43,使發光 層43放光,穿經透光基板41a,以形成一平面光源。由於基板21a 係呈U型,故當陣列式平面發光源47各組件封裝時無需使用支 樓層(spacer),以使基板21a與透光基板41a之間保持一定垂直距 離,因此可使本發明發光源的封裝製程更為容易。再者,基板21a 12 1276138 及透光基板41a可使用相同材質,例如皆使用玻璃材質,由於熱 膨脹係數相同,有利於保持陣列式平面發光源47内部結構的真 空度。另一方面,可加設一吸氣器(getter) 46於基板21a,使其連 通於前述空間45,藉吸氣器46吸收空間45内的水氣及其它氣體 分子,以提高空間45的真空度。 第四D圖係使用第三C圖場發射子結構30a的陣列式平面發 光源48的截面示意圖,其與第四C圖的陣列式平面發光源47不 同處僅在於其場發射元件結構為三極式陰極結構,而閘極電極33 耦接的第三電壓源的電壓係高於第一電壓源的電壓,而低於第二 電壓源的電壓。 本發明之發光源可藉由不同陣列排列的場發射子元件結構 達到各種不同照明用途的發光亮度之要求。 此外,如第五圖及第六圖所示具有檢修配線的場發射子結構 50及60亦可取代第四A圖至第四D圖的場發射子結構20, 20a, 30, 30a。如此一來,由於陣列式平面發光源具有檢修配線設計,可確 保單一電極線斷裂時陰極場發射子仍能正常工作,進而增加本發 明發光源的製造良率及使用壽命。 以上所述僅為本發明之具體實施例而已,並非用以限定本發 明之申請專利範圍;凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成 之等效改變或修飾,均應包含在下述之申請專利範圍内。 13 1276138 【圖式簡單說明】 弟 S奋/、有示米石反管場發射子的習知平面光源的截面示 意圖; 第二A圖係本發明場發射子結構之第一具體實施例的截面示 意圖; 第二B圖係第二a圖場發射子結構俯視圖; 第一 C圖係第二a圖場發射子結構之一變化例的截面示意 圖; 第二A圖係本發明場發射子結構之第二具體實施例的截面示 意圖; 第二B圖係第三a圖場發射子結構俯視圖; .第三C圖係第三a圖場發射子結構之一變化例的截面示意 的截第:使用第二A圖場發射子結構的㈣ 的截第:示=使用第U圖場發射子結構的陣列式平 的截第:示:係使用第二C圖場發射子蝴 的截第::係使用第三啊 四具體實施例的俯 視圖 視圖第五:係本發明陣列式場發射子結構之第三㈣ 第六圖係本發明陣列式場發射子結構之第 主要元件符號說明: 14 1276138 20, 20a-…陣列式場發射子結構 21,21 a 基板 22-…場發射子元件 211 ——凹溝 212 ----電極線 30, 30a-…陣列式場發射子結構 31, 31a----基板 32-…場發射子元件 33----閘極電極 311--—凹溝 312----電極線 40-—·陣列式平面發光源 41,41a.----透光基板 42-…透明導電層 43…-發光層 44, 47, 48-…陣列式平面發光源 45…-封閉空間 46-…吸氣器 50——陣列式場發射子結構 51----基板 52——場發射子元件 53----電極線 54a〜54d…-輔助導線 60——陣列式場發射子結構 61 —基板 62a, 62b-…場發射子元件 63a,63b----電極線 15 1276138 64 a〜64d 輔助導線 65a〜65d----輔助導線 100…-陰極基板 200-…陰極電極層 300…-催化層 400-…奈米碳層 500----支樓層 600— 1¾極基板 700-…陽極電極層 800-…螢光層
Claims (1)
1276138 十、申請專利範圍: 1·-種陣列式平面發光源,其包括: .,板,於該基板上形成複數個陣列排列的凹溝; -凹溝中1射子疋件(fieid emiiier e】emem),係分別設置於每 二母一該場發射子元件軸至-第-電歷源; 電壓源的電壓;及一 弟一電壓源的電壓高於該第- u a 1小少力乂 π ―孩遷明導電層下方。 述請專利顧第1項所述之陣列式平面發光源,1中上 -電_電==:=:;:源的電壓係高於該第 其中J 3.如冑料利範圍帛i項賴之陣料平面發 述之基板係呈u型。 "、 、、4·如申請專利範11第2項所述之㈣式平面 述之基板係呈U型。 久“、 5·如申請專利範圍第 述之透光基板係呈倒U型 1項所述之陣列式平面發_ 其中上 項所述之陣列式平面發光源 其中上 其中上 其中上 、1 2θ如申請專利範圍第1項所述之陣列式平面發光源 述之場發射子元件係由包覆碳材的導電材料構成。Λ、 、、^•如申請專利範圍第2項所述之陣列式平面發光源 述之%發射子元件係由包覆碳材的導電材料構成。’、 17 1 ·如申請專利範圍第2 2 述之透光基板係呈倒U型。 1276138 其令上 9·如申請專利範圍第7項所述之陣列式平面 述之自下列任—者:奈^材、鑽石|_二 、,山.十4利範㈣8項所述之_騎面 述之碳材係選自下列任一者. Λ、’/、__ί; H•如“主垂I 奈未厌材 '鑽石及類鑽石。 °月專利乾圍第1項所述之陣列式平 述之發光層係為螢光層及鱗光層任一者。面…,其令上 述之式—其中上 述之 助導線係輕接至該第一„源,及前==而該輔 子元件係彼此串聯。 f、、且中的该專場發射 14. 如申請專利範圍第2項所述之陣 述之場發射子元件係以群組方式分別搞接至_姑先源’其中上 助導線編至該第-《源,及前述每—;=線:而該輔 子元件係彼此串聯。 、、中的5亥等場發射 15. 一種陣列式場發射子結構,其包括: -基板’㈣絲板均成魏 複數個場發射子元件,係分別設置於每== 籌槽」及 發射子7G件係耦接至一第—電壓源。、/ «中及母一該場 16. 如申請專利範圍第15項所 中上述之每-對相鄰的前述溝槽之間 以㈣射子結構,其 極係耗接至一第二電壓源,直中-閘極电極,該閘極電 電壓源、的電壓。 〃 —電_、的«高於該第— Π.如申請專利範圍第15項 . 中上述之場發射子元件係由包覆碳材的^ =場發射子結構,其 Ϊ8·如申請專利範圍第16項 鱼包料構成。 員所返之陣列式場發射子結構,其 18 1276138 中上述之場發射子元件係由包覆碳材的導電材料構成。 19. 如申請專利範圍第15項所述之陣列式場發射子結構,其 中上述之碳材係選自下列任一者··奈米碳材、鑽石及類鑽石。 20. 如申請專利範圍第16項所述之陣列式場發射子結構,其 中上述之碳材係選自下列任一者··奈米碳材、鑽石及類鑽石。 21. 如申請專利範圍第15項所述之陣列式場發射子結構,其 中上述之場發射子元件係以群組方式分別耦接至一輔助導線,而 該輔助導線係耦接至該第一電壓源,及前述每一群組中的該等場 發射子元件係彼此串聯。 22. 如申請專利範圍第16項所述之陣列式場發射子結構,其 φ 中上述之場發射子元件係以群組方式分別耦接至一輔助導線,而 該輔助導線係耦接至該第一電壓源,及前述每一群組中的該等場 發射子元件係彼此串聯。 23. 如申請專利範圍第15項所述之陣列式場發射子結構,其 中上述之基板係呈U型構形。 24. 如申請專利範圍第16項所述之陣列式場發射子結構,其 中上述之基板係呈U型構形。 19
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