电子发射式发光装置及其封装方法 【技术领域】
本发明涉及一种发光元件及其封装方法，且特别是涉及一种电子发射式发光装置及其封装方法。
背景技术
目前量产的发光装置包括气体放电光源以及场发射光源。气体放电光源应用于例如等离子体面板或气体放电灯上，主要利用阴极与阳极之间的电场，使充满于放电腔内的气体游离，通过气体导电的方式使电子撞击气体后产生跃迁并发出紫外光，而同样位于放电腔内的荧光层吸收紫外光后便发出可见光。场发射光源应用于例如纳米碳管场发射显示器等，主要是提供超高真空的环境，并且在阴极上制作纳米碳材的电子发射端(electron emitter)，以利用电子发射端中高深宽比的微结构帮助电子克服阴极的功函数(workfunction)而脱离阴极。此外，在铟锡氧化物(ITO)制成的阳极上涂布荧光层，以通过阴极与阳极之间的高电场使电子由阴极的纳米碳管逸出。如此，电子可在真空环境中撞击阳极上的荧光层，以发出可见光。
然而，上述两种发光结构皆有其缺点。举例而言，因考虑受到紫外光照射后的衰减问题，因此对于气体放电光源内的材料选用需有特殊要求。此外，因为气体放电的发光机制历经两道过程才能发出可见光，故能量的损耗较大，如果过程中需产生等离子体，则更为耗电。另一方面，场发射光源需要在阴极上成长或涂布均匀的电子发射端，但目前大面积生产此类阴极结构的技术尚未成熟，且遇到电子发射端的均匀度与生产良率不佳的瓶颈。此外，场发射光源的阴极与阳极的间距需控制精确，超高真空度的封装困难，也相对增加制作的成本。
另外，在发光装置的设计上，薄型化及发光均匀化也是目前发光装置在研发上的重点。
【发明内容】
本发明提供一种电子发射式发光装置，其可发出均匀的光，并且可以满足薄型化的要求。
本发明另提供一种电子发射式发光装置的封装方法，其可以方便且快速的将气体通入。
本发明提出一种电子发射式发光装置，其包括第一基板、第二基板、气体、密封胶以及荧光层。第一基板上配置有阴极，且所述阴极具有图案设计。第二基板位于第一基板的对向，且第二基板上配置有阳极。密封胶位于第一基板与第二基板的边缘，以将第一基板与第二基板组装在一起。气体配置于阴极与阳极之间，利用气体放电用以诱导阴极发出多个电子，其中气体所存在的环境的气压介于10托尔(torr)至10-3托尔(torr)。荧光层配置于电子的移动路径上，以与电子撞击作用而发出光线。
在本发明的实施例中，上述的阴极包括导电层以及位于导电层表面上的多个导电图案。
在本发明的实施例中，上述的第一基板具有多个凹纹，且第一基板的表面上覆盖有共形的导电层以构成阴极。
在本发明的实施例中，上述的密封胶内分布有多个第一间隙物。
在本发明的实施例中，上述的电子发射式发光装置还包括多个第二间隙物，其分布于阴极与阳极之间。
在本发明的实施例中，上述的第一基板与第二基板为平面或是曲面。
在本发明的实施例中，上述的荧光层位于阳极表面。
在本发明的实施例中，上述的阳极的材料包括透明导电材料(TransparentConductive Oxide，TCO)。
在本发明的实施例中，上述的阳极或阴极的材料包括金属。
在本发明的实施例中，上述的电子发射式发光装置还包括诱发放电结构，其配置于阳极与阴极至少其中之一上。
在本发明的实施例中，上述的诱发放电结构包括金属材、纳米碳管(carbon nanotube)、纳米碳壁(carbon nanowall)、纳米孔隙碳材(carbonnanoporous)、柱状氧化锌(ZnO)、氧化锌(ZnO)材等。
在本发明的实施例中，上述的电子发射式发光装置还包括二次电子源材料层(secondary electron source material layer)，配置于阴极上。
在本发明的实施例中，上述的二次电子源材料层的材料包括氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)、三氧化二铽(Tb2O3)、三氧化二镧(La2O3)或二氧化铈(CeO2)。
在本发明的实施例中，上述地气体包括惰性气体、氢气、二氧化碳、氧气或空气。
本发明另提出一种电子发射式发光装置的封装方法。此方法首先提供电子发射式发光装置，其包括第一基板以及第二基板，且第一基板上已形成有阴极，第二基板上已形成有阳极，阳极及阴极至少其中之一上已形成有荧光层。在第一基板与第二基板之间形成密封胶，且密封胶具有开口。接着，在密封胶的开口装设通气管，并且将通气管与管路连接，其中管路与抽气装置以及与填充气体装置连接。之后，将电子发射式发光装置加热，并开启抽气装置使电子发射式发光装置内的气体抽出。之后，关闭抽气装置，且开启填充气体装置，以将气体填充至电子发射式发光装置中。最后烧断通气管，以密封住密封胶的开口。
在本发明的实施例中，上述的电子发射式发光装置被加热至摄氏300～400度。
在本发明的实施例中，上述的第一基板上的阴极为具有图案设计的阴极。
在本发明的实施例中，上述的第一基板与第二基板为平面或是曲面。
在本发明的实施例中，上述的密封胶内分布有多个间隙物。
基于上述，由于本发明的电子发射式发光装置的阴极具有图案的设计，因此可以分散两电极之间的电场边缘效应，进而增加发光装置的发光均匀度，并且可减少电子发射式发光装置的整体厚度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
【附图说明】
图1是根据本发明的实施例的电子发射式发光装置的剖面示意图。
图2A及图2B是根据本发明的实施例的电子发射式发光装置中的阴极的剖面示意图。
图3至图6是根据本发明的数个实施例的电子发射式发光装置的剖面示意图。
图7及图8是根据本发明的实施例的曲面式电子发射式发光装置的剖面示意图。
图9A至图9C是根据本发明的实施例的电子发射式发光装置的封装方法的示意图。
附图标记说明
202：电子
202’：二次电子
204：离子
208：第二基板
210：阳极
218：第一基板
218a：凹纹
220：阴极
220a：导电层
220b：导电图案
230：气体
240：荧光层
222：二次电子源材料层
252、254：诱发放电结构
250：密封胶
250a、230a：间隙物
251：开口
302：加热装置
304：通气管
306：抽气装置
308：填充气体装置
310、312：阀门
320：管线
【具体实施方式】
本发明所提出的电子发射式发光装置兼具传统气体放电光源与场发射光源的优点，且克服了这两种传统发光结构的缺点。更详细地说，本发明的电子发射式发光装置不需形成电子发射端，而是利用稀薄的气体放电将电子由阴极轻易导出，并使电子直接与撞击荧光层反应而发出光线。相较于已知的气体放电光源，本发明的电子发射式发光装置内所填充的气体的量仅需要能将电子由阴极导出即可，且并非利用紫外光照射荧光层来产生光线，因此不需担心元件内的材料被紫外光照射的衰减问题。由实验与理论验证我们得知，本发明的电子发射式发光装置内的气体较为稀薄，因此电子的平均自由路径可以达到约5mm或5mm以上。换言之，大部分的电子在撞击气体的分子前便会直接撞击到荧光层，而发出光线。此外，本发明的电子发射式发光装置不需经由两道过程来产生光线，因此发光效率较高，也可减少能量损耗。
此外，本发明的电子发射式发光装置内填充稀薄的气体，因此不需超高真空度环境，可避免进行超高真空度封装时所遇到的困难。另外，经由实验获知，本发明的电子发射式发光装置通过气体的帮助，可以使启始电压(turnon voltage)降至约0.4V/μm，远低于一般场发射光源高达1～3V/μm的启始电压值。再者，依据Child-Langmuir方程式，将本发明的电子发射式发光装置的实际相关数据代入计算，可以得出本发明的电子发射式发光装置的阴极暗区分布范围约在10～25厘米(cm)之间，远大于阳极与阴极的间距。换言之，在阳极与阴极之间几乎不会产生等离子体状态的气体，因此可以确定本发明的电子发射式发光装置并非利用等离子体机制发光，而是利用气体导放电的方式导出阴极的电子，再由电子直接与荧光层作用而发光。
请参考图2，其绘示本发明的电子发射式发光装置的剖面示意图。如图2所示，电子发射式发光装置200主要包括第一基板218、第二基板208、密封胶250、气体230以及荧光层240，其中第一基板218上具有阴极220，且第二基板208上具有阳极210。
第一基板218、第二基板208例如是透明基板，其材料例如是玻璃、聚合物或是其他合适的透明材料。
阳极210例如是由透明导电材料(Transparent Conductive Oxide，TCO)所制成，以使所产生的光线可穿过阳极210射出电子发射式发光装置200，其中可以选用的透明导电材料例如是铟锡氧化物(ITO)或铟锌氧化物(IZO)等常见的材料。当然，在其他实施例中，阳极210也可以是由金属或其他具有良好导电性的材料制作而成。此外，阴极220亦可由透明导电材料或是金属所制成，其中可以选用的透明导电材料例如是铟锡氧化物或铟锌氧化物等常见的材料。值得注意的是，阴极220与阳极210至少其中之一为透明导电材料，以使所产生的光线可由阴极220、阳极210或是两者穿出。
一般来说，在两平行板电极的边缘之间会产生较高密度的电力线分布与电场，其称为电场的边缘效应(edge effect)。而且当两电极之间的距离越接近的时候，电场边缘效应将会更加的严重而使放电不均匀，也就是造成发光不均匀的情形。如果要对发光装置进行薄化将势必考虑到边缘效应所带来的问题。因此，本发明特别在电子发射式发光装置的阴极作图案设计，以分散边缘效应。换言之，本发明在阴极上设计图案，由于每一阴极的图案的边缘也会有边缘效应，因此可以分散所产生的电场边缘效应，使得电场边缘效应不再集中于发光装置的四个边缘。而在阴极设计图案的方法可以是如图2A或图2B所示的实施例。
请先参照图2A，在此实施例中，使阴极具有图案设计的方法是先在第一基板218上形成导电层220a，之后再于导电层220a表面上的多个导电图案220b，因而阴极220的表面即具有高低起伏的图案。形成导电图案220b的方法例如是先进行沉积程序再进行蚀刻程序而形成，或者是直接以掩模进行沉积程序而形成。导电图案220b可以是条状、块状、岛状形式且可以为任意形状。导电层220a与导电图案220b的材料例如是透明导电材料或金属，且两者的材料可以是相同或是不相同。
在另一实施例中，使阴极20具有图案设计的方法如图2B所示。先在第一基板218的表面形成凹纹218a，之后再于第一基板218的表面形成共形的导电层220，以构成具有图案设计的阴极220。而在第一基板218的表面形成图案218a的方法例如是以超音波加工程序对第一基板217进行刻凹纹。类似地，在第一基板217上所刻出的凹纹218a可以是条状、块状或是点状形式的凹纹且可为任意形状。
请再回到图1，电子发射式发光装置除了上述的阴极220以及阳极210之外，还包括荧光层240、密封胶250以及气体230。
荧光层240配置于电子202的移动路径上，以与电子202作用而发出光线。在本实施例中，荧光层240例如是被涂布在阳极210的表面。此外，通过选择荧光层240的种类，可以使电子发射式发光装置发出可见光、红外线或紫外线等不同类型的光线。
密封胶250位于第一基板218与第二基板208的边缘，以将第一基板218与第二基板208组装在一起。密封胶250可为紫外光密封胶、热固化密封胶或是其他合适的密封胶。另外，根据本发明的实施例，在密封胶250中还包括分布有间隙物250a，用以加强密封胶250的支撑强度。此外，根据电子发射式发光装置的尺寸大小，可以选择是否要在电子发射式发光装置内部放置支撑物230a，以支撑第一基板218与第二基板208之间的间隙。
值得一提的是，由于本发明在阴极220设计有图案以分散两电极之间的电场边缘效应，其除了可以使发光均匀度提升之外，还可以达到薄化发光装置的目的。更详细而言，由于本发明可使两电极之间的电场边缘效应分散，因而将阴极与阳极之间的距离缩小也不会造成发光不均匀的情形。因此，本发明的电子发射式发光装置不需使用玻璃边框，而可直接使用密封胶250将两基板218、208组装在一起，进而使电子发射式发光装置整体厚度大幅减少。
气体230填充于阳极210(荧光层240)、阴极220与密封胶250之间，且气体230受到电场作用后会产生适量的带正电离子204，用以诱导阴极220发出多个电子202。值得注意的是，本发明的气体230所存在的环境的气压介于10托尔(torr)至10-3托尔(torr)，优选者，此气压介于2x10-2托尔(torr)至10-3托尔(torr)，气压的大小与阴极与阳极之间的距离有关。此外，本发明所使用的气体230可以是惰性气体、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)或空气等解离后具有良好导电性能的气体，上述的惰性气体包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)。
除了图1所绘示的实施例之外，本发明为了提高发光效率，还可以在阴极上形成容易产生电子的材料，用以提供额外的电子源。图2所绘示的电子发射式发光装置与图1的发光装置相似，不同之处在于其阴极220上还包括形成有二次电子源材料层(secondary electron source material layer)222。此二次电子源材料层222的材料可以为氧化镁(MgO)、三氧化二铽(Tb2O3)、三氧化二镧(La2O3)、氧化铝(Al2O3)或二氧化铈(CeO2)。由于气体230会产生游离的离子204，且离子204带正电荷，会远离阳极210而朝向阴极220移动，因此当离子204撞击阴极220上的二次电子源材料层222时，便可产生额外的二次电子202’。较多的电子(包括原有的电子202与二次电子202’)与荧光层240作用，便有助于增加发光效率。值得注意的是，此二次电子源材料层222不仅有助于产生二次电子，还可以保护阴极220避免受到离子204的过度轰击。
此外，本发明亦可以选择在阳极或阴极其中之一或同时在阳极与阴极上形成类似场发射光源的电子发射端的结构，用以降低电极上的工作电压，更容易产生电子。图4～6即分别绘示本发明多种具有诱发放电结构的电子发射式发光装置，其中以相同的标号表示类似的构件，而对于这些构件不会重复说明。
图4所示的电子发射式发光装置与图1的发光装置的结构相似，不同之处在于其阴极220上形成有诱发放电结构252，其例如是金属材、纳米碳管(carbon nanotube)、纳米碳壁(carbon nanowall)、纳米孔隙碳材(carbonnanoporous)、柱状氧化锌(ZnO)、氧化锌(ZnO)材等所构成的微结构。此外，气体230位于阳极210与阴极220之间，而荧光层240配置于阳极210表面。通过诱发放电结构252可以降低阳极210与阴极220之间工作电压，更容易产生电子202。电子202与荧光层240作用，便可以产生光线。
图5所绘示的电子发射式发光装置与图4所绘示者类似，较明显的差异处乃是改为在阳极210上配置诱发放电结构254，而此诱发放电结构254如同前述，可为金属材、纳米碳管(carbon nanotube)、纳米碳壁(carbon nanowall)、纳米孔隙碳材(carbon nanoporous)、柱状氧化锌(ZnO)、氧化锌(ZnO)材料等所构成的微结构。此外，荧光层240则是配置于诱发放电结构254上。
图6则是绘示兼具诱发放电结构254与252的一种电子发射式发光装置，其中诱发放电结构254配置于阳极210上，荧光层240配置于诱发放电结构254上，而诱发放电结构252配置于阴极220上。气体230则位于阳极210与阴极220之间。
上述的多种具有诱发放电结构252与/或254的电子发射式发光装置还可以整合如图2所绘示的二次电子源材料层222的设计，而在阴极220上形成二次电子源材料层，若阴极220上已形成有诱发放电结构254，则可以使二次电子源材料层覆盖诱发放电结构254。如此，不仅可以降低阳极210与阴极220之间的工作电压，使电子202的产生更为容易，也可以通过二次电子源材料层增加电子202的数量，提高发光效率。
上述各实施例所描述的电子发射式发光装置皆为平面形式的发光装置，然本发明不限于此。在其他的实施例中，电子发射式发光装置亦可以是曲面形式，如图7以及图8所示。在图7以及图8的电子发射式发光装置中仅绘示出第一基板218、第二基板208以及密封胶250并省略绘示两基板218、208上的膜层以易于说明。事实上，第一基板218、第二基板208上已形成有如上各实施例所述的阴极、阳极及荧光层，在其他的实施例中，还有诱发放电结构及/或二次电子源材料层。在图7与图8中，第一基板218与第二基板208为非平面基板，而是具有曲率的基板。因而后续形成在第一基板218与第二基板208上的膜层将同样顺着基板的弯曲度弯曲。因此，最后将两基板组装在一起之后即可形成曲面型式的电子发射式发光装置。
图9A至图9C为根据本发明的实施例的电子发射式发光装置的封装方法的示意图。请参照图9A，首先提供电子发射式发光装置，其包括第一基板218以及第二基板208。为方便说明，图9A与图9B仅绘示出第一基板218以及第二基板208而省略绘示两基板218、208上的膜层。事实上，第一基板218、第二基板208上已形成有如上各实施例所述的阴极、阳极及荧光层，在其他的实施例中，还有诱发放电结构及/或二次电子源材料层等等。
接着，在第一基板218与第二基板208之间形成密封胶250，且密封胶250具有开口251。如同先前实施例所述，密封胶250内亦可包含有间隙物，在两基板218、208之间亦可以分散有间隙物。
之后，请参照图9B，在密封胶250的开口251装设通气管304。上述的通气管304例如是玻璃管。接着，将通气管304与管路320连接，其中所述管路320与抽气装置306以及与填充气体装置308连接。而在通气管304与抽气装置306之间的管路320上还设置有阀门310，在通气管304与填充气体装置308之间的管路320上还设置有阀门312。
之后，在电子发射式发光装置的周围装设加热装置302，以对电子发射式发光装置进行加热，加热装置302例如是线圈电阻式加热装置，且上述的加热温度例如是摄氏200～400度。之后，开启阀门210并且启动抽气装置306，以使电子发射式发光装置内的气体抽出。之后，关闭阀门310以及抽气装置306，然后开启阀门312并且启动填充气体装置308，以将气体填充至电子发射式发光装置中。上述的气体例如是惰性气体、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)、氧气(O2)或空气等解离后具有良好导电性能的气体，上述的惰性气体包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)。
最后，烧断通气管304，以密封住密封胶250的开口251，如图9C所示。烧断的通气管304a将形成用以密封的塞子，以使电子发射式发光装置内的气体无法散出。如此，即完成电子发射式发光装置的封装。
本发明所提出的电子发射式发光装置的阴极具有图案设计，藉以分散两电极之间的电场边缘效应。因此，本发明的电子发射式发光装置的发光均匀度优选。另外，由于本发明可分散两电极之间的电场边缘效应，因此即使将两电极之间的距离拉近，也不会使发光均匀度受到影响，因而可减少电子发射式发光装置的整体厚度。
虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。