專利名稱：具有一體化的吸氣劑和低功函數(shù)的適用于冷陰極燈的陰極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于冷陰極燈的陰極，該陰極具有一體化的吸氣劑并具有降低的功函數(shù)值，這可以減少其中利用該陰極的燈的功耗。
冷陰極燈是一種放電燈。放電燈是所有那些在氣體裝置中放電從而產(chǎn)生發(fā)光的燈。通過在位于燈相對端的兩個電極(稱為陰極)上施加電位差引發(fā)和維持放電。放電燈的家族還包括所謂的熱陰極燈，但優(yōu)選冷陰極燈，因為它們的耐用時間顯著更長(工作時間為40000-50000小時，而熱陰極燈為12000-15000小時)。
冷陰極燈的陰極可以是金屬條或完整金屬圓柱的形狀。然而優(yōu)選的幾何形狀是空心形狀在該情形中陰極具有空心圓柱的形狀，在面對放電區(qū)的一端敞開，而在相反一端封閉。在本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知，空心陰極相對于其它形狀陰極的首要優(yōu)點是燈運行所需的電位差較低(約5-10％)；另一個優(yōu)點是陰極“濺射”現(xiàn)象的強度較低，這種現(xiàn)象指可沉積到鄰近表面上的陰極材料原子或離子的發(fā)射，其中沉積到燈的玻璃壁，會減少燈的光輸出?？招年帢O特別適合用于微型燈，例如用于液晶顯示器(通常稱為LCD)的背光源。專利US 4,437,038和US 4,885,504和日本專利申請公開2000-133201中公開了具有空心陰極的燈的實例。
當(dāng)打開冷陰極燈時，由于電場作用發(fā)生第一次電子發(fā)射，如果該電場足夠高，則能夠從形成陰極的材料中提取電子；為點亮陰極燈施加到空心陰極燈電極上的電位差的典型值為數(shù)千伏特(V)量級，例如約1000V至2000V；本領(lǐng)域中將這個點亮電壓稱為“啟動電壓”。當(dāng)放電開始時(通常在不到1秒鐘之后)，陰極變熱同時熱離子效應(yīng)引起發(fā)射。燈工作時，將施加至陰極上的電位差調(diào)節(jié)到數(shù)百伏特的值，例如約300至600V。
任何情況下，燈的功耗與從陰極材料中提取電子所需的能量值有關(guān)，點亮階段和放電形成以后都是如此；這個能量值被稱為“功函數(shù)”，在文獻中以希臘字母Ф表示，并且是每一種材料的典型值(盡管它可能根據(jù)某些參數(shù)而變化例如電子發(fā)射的晶面，或發(fā)射表面的玷污狀態(tài))。最終，燈的功耗直接取決于其陰極的功函數(shù)。
冷陰極燈的陰極可以由金屬制成例如鈮和鉭，然而這兩種金屬均過于昂貴不適合實際使用；功函數(shù)值約為4.2至4.6電子伏特(eV)的鎢；功函數(shù)值約為4.7至5.3eV的鎳；或更常用的鉬，它具有約4.4至4.9eV的功函數(shù)值。在空心陰極的情形中，特別是小尺寸陰極的情形中，使用的金屬應(yīng)當(dāng)具有良好的機械延展性鎢基本上不適合用作這些陰極，盡管鉬具有工業(yè)應(yīng)用，但是由于加工困難，由這種金屬制成的陰極相當(dāng)昂貴。盡管鎳具有功函數(shù)值相對較高的缺點，由于它具有良好的延展性和低成本，因此優(yōu)選鎳。
燈制造商一直要求降低燈和燈設(shè)備的功耗，不但固定設(shè)備中的應(yīng)用如此，通過能量儲備有限的電池或蓄電池提供能量的便攜應(yīng)用更是如此。例如在便攜計算機的情形中，顯示屏通常是通過一個或兩個直徑為數(shù)毫米的線形冷陰極熒光燈在背后照亮的LCD型顯示器；該屏幕的發(fā)光較多地消耗計算機的蓄電池，這限制了使用時間。其它用途的LCD屏幕(例如家用電視屏幕)可以包含四到十個熒光燈。
為了降低陰極的功函數(shù)，進而降低燈的功耗，已知方法是在該陰極的表面上沉積功函數(shù)低于下層金屬的發(fā)射材料。
冷陰極燈制造商的另一個需要是確保其中發(fā)生放電的氣氛的組成恒定。實際上，一些雜質(zhì)會改變燈的工作性質(zhì)例如，氧會奪取熒光燈工作必需的汞，而氫可能改變放電的電參數(shù)，特別是會提高啟動電壓。為此目的，已知方法是向燈的內(nèi)部加入吸氣材料，這種材料能夠化學(xué)束縛發(fā)生放電的氣體中的雜質(zhì)。廣泛用于這種目的的吸氣材料是，例如專利US 3,203,901中公開的鋯-鋁合金；專利US 4,306,887中公開的鋯-鐵合金；專利US 4,312,669中公開的鋯-釩-鐵合金；和專利US 5,961,750中公開的鋯-鈷-混合稀土的合金(混合稀土，下文中也用MM表示，是可能加入釔和/或鑭的稀土金屬的混合物)。
盡管在一些情形中簡單地以吸氣材料粉體形成的球粒形式向燈中引入吸氣劑，但是更優(yōu)選以裝置的形式引入，其中吸氣材料位于容器中或金屬支架之上，并且所述裝置被固定在所述燈的任何組件上原因在于未固定的吸氣劑通常不在燈的受熱區(qū)域因此其吸氣功效降低，此外它可能干擾光發(fā)射。專利US 5,825,127中公開了一個燈用吸氣裝置的實例。例如，可以將該吸氣裝置固定(通常使用焊點)在陰極載體(support)上，而在一些情形中，向燈中加入專用載體總之，任何情形中燈的制造過程需要額外的步驟。此外，在微型燈的情形中，例如用于背光LCD的微型燈，難以在燈內(nèi)部適當(dāng)?shù)匕仓梦鼩庋b置，而且該裝置的組裝操作可能引起極大的困難。以本申請者名義的國際專利申請WO 03/044827公開了一種空心陰極，其中將吸氣材料直接沉積在陰極本身表面的一些區(qū)域上；根據(jù)該國際申請的教導(dǎo)，吸氣材料可以選自鈦、釩、釔、鋯、鈮、鉿和鉭，或選自基于鋯或鈦與選自過渡金屬和鋁的一種或多種元素的合金。
歐洲專利申請EP-A-0675520公開了一種內(nèi)部局部涂覆鋁和鋯的粉體組成的沉積物的空心陰極，前一種金屬的作用是降低陰極功函數(shù)而第二種金屬的作用是作為雜質(zhì)的吸氣劑。在包含所述材料的漿料中對構(gòu)成陰極結(jié)構(gòu)的金屬圓柱進行局部浸漬形成該沉積物，其中該漿料的懸浮介質(zhì)由水-丙酮的混合物形成并且包含粘結(jié)劑。根據(jù)該文獻的教導(dǎo)，只對陰極的內(nèi)側(cè)進行涂覆，以避免(如果它甚至出現(xiàn)在外表面上)將出現(xiàn)在外表面上的發(fā)射混合物材料的濺射。此外，由于相同的原因，優(yōu)選避免陰極末端轉(zhuǎn)向燈內(nèi)部的圓柱表面所對應(yīng)的陰極內(nèi)部區(qū)域存在發(fā)射沉積物。然而，通過這種方法形成的沉積物的問題是粉體的損失不可忽略，這會引起陰極的功能隨時間而降低。
本發(fā)明的目的是提供上述問題的解決辦法。特別地，本發(fā)明的目的是提供至少局部鍍覆有單一材料沉積物的陰極，該材料可以降低包含該陰極的燈的功耗并且可集成有吸氣功能。
使用至少局部涂覆吸氣材料的適用于冷陰極燈的陰極實現(xiàn)了這個目的，其中該陰極包含至少部分涂覆吸氣材料層的含金屬(metallicbearing)的部件，其特征在于所述吸氣材料選自包含鋯、鈷和選自釔、鑭或稀土元素的一種或多種成分的合金，在重量百分比組成的三元系狀態(tài)圖(ternary diagram)中，它們位于由以下點限定的多邊形內(nèi)a)Zr 81％-Co 9％-A 10％b)Zr 68％-Co 22％-A 10％c)Zr 74％-Co 24％-A 2％d)Zr 88％-Co 10％-A 2％其中A是選自釔、鑭、稀土金屬的元素或它們的混合物；由釔和鋁組成的包含至少70wt％釔的合金；且由釔和釩組成的包含至少70wt％釔的合金。
下面參照附圖進一步對本發(fā)明進行詳述，其中

圖1是其中存在本發(fā)明陰極的燈的末端的剖開視圖。
圖2和圖3是依照本發(fā)明一個優(yōu)選實施方案的兩個陰極的截面視圖。
圖4和圖5是表現(xiàn)依照本發(fā)明的兩個陰極的吸氣特性的曲線圖。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)至少局部涂覆如上述配制的吸氣材料的陰極，除在陰極上結(jié)合吸氣功能以外，還通過降低陰極本身的功函數(shù)實現(xiàn)了降低電子發(fā)射所需能量的作用。
可以有利地在任何形狀的陰極上實現(xiàn)依照本發(fā)明的吸氣材料的沉積，例如條形，完整(full)或空心的圓柱形的陰極。
圖1顯示了包含陰極11的燈10末端的剖開圖；它給出了陰極為簡單金屬條12的情形的例子，該金屬條通過使穿過燈的玻璃底壁14的金屬絲13變細得到。金屬條12的部分表面覆蓋有本發(fā)明的吸氣材料15。用吸氣材料涂覆未預(yù)先變細的導(dǎo)線13末端可以得到與圖1完全類似但是為完整圓柱形的陰極。
如上文所述，陰極的優(yōu)選形狀為空心形式。眾所周知，在空心陰極中放電主要發(fā)生在腔體內(nèi)部，因此腔體內(nèi)部必需為涂覆部分，而陰極外部可以進行涂覆或不進行涂覆。對外部也進行涂覆的優(yōu)點是可提高吸氣材料的量，從而可提高從燈內(nèi)部的氣氛去除雜質(zhì)的能力；由于在空心陰極中放電主要發(fā)生在腔體內(nèi)部，陰極外表面上的吸氣材料部分主要起吸氣的作用，而內(nèi)部的材料還起到降低陰極功函數(shù)的作用。在以截面圖說明該陰極的圖2和圖3中，顯示了依照本發(fā)明的空心陰極的兩種可能實施方案。陰極20由具有封閉端22的圓柱形部分21構(gòu)成，支柱23與該封閉端22固定，該支柱通常是釬焊在圖1情形所示燈末端的玻璃中的金屬絲；限定腔體25的陰極內(nèi)表面24涂覆有吸氣材料26；為了顯示一些細節(jié)，圖2中顯示了表面24的局部涂層，但是該涂層應(yīng)當(dāng)是完整的。制作陰極金屬部分的優(yōu)選材料是鎳，可以容易地對其進行機械加工；底導(dǎo)線(backing wire)23優(yōu)選由熱膨脹與燈外殼玻璃相似的材料制成，以便減小封接期間和燈開啟/關(guān)閉階段由于熱沖擊導(dǎo)致玻璃破裂的風(fēng)險；可能的材料是鉬。可以通過例如釬焊或卷邊將支柱23固定到部件22上。
在陰極30的情形中，具有吸氣材料31的涂層不但存在于腔體內(nèi)部而且存在于金屬部件32的外表面；該陰極的其它部分與圖2完全類似。
以本申請人名義的專利US 5,961,750中描述的合金是適用于本發(fā)明的吸氣材料。特別優(yōu)選使用重量百分組成為Zr 80％-Co 15％-MM5％的合金，由本申請人生產(chǎn)和銷售的名為St 787的合金?；旌舷⊥潦侨舾上⊥粱旌衔锏纳唐访Q，它可以具有不同的組成通常含量最大的元素是鈰、鑭和釹，含有少量其它稀土元素。然而，混合稀土的精確組成并不重要，因為上述元素具有相似的化學(xué)行為，因此當(dāng)一種元素的含量改變時不同類型混合稀土的化學(xué)性質(zhì)基本不變。
其它適用于本發(fā)明的吸氣材料是包含至少70wt％釔的Y-V或Y-Al合金，這兩種合金能夠特別有效地降低成品燈中的氫分壓。
吸氣材料層的厚度可以在幾微米(μm)至幾百μm之間，取決于制造該材料層的技術(shù)(如下文所述)。在空心陰極的情形中，該厚度還是腔體直徑的函數(shù)在陰極的腔體直徑約為1毫米的情形中，只要存在的吸氣材料足以有效實施雜質(zhì)吸收功能，優(yōu)選吸氣劑層的厚度盡可能的小。
可以通過不同方法在陰極的金屬部分上沉積吸氣材料層(26；31)。
根據(jù)第一個實施方案，可以通過陰極沉積得到吸氣材料層，這種技術(shù)在薄膜加工領(lǐng)域中更多被稱為“濺射”。眾所周知，這種技術(shù)中將需要鍍覆的載體(該情形中的空心陰極)和待形成的層的材料的圓柱體放置在適當(dāng)?shù)那皇覂?nèi)，該圓柱體通常被稱為“靶”；在腔室內(nèi)形成真空然后引入壓力約10-2-10-3mbar的稀有氣體，通常引入氬氣；在載體和靶之間(將后者保持在陰極電位)施加電位差，在氬氣中產(chǎn)生等離子，形成被電場加速朝向靶的Ar+離子，從而通過碰撞對靶進行侵蝕；從靶上脫離的粒子(原子或原子“束”)沉積在可到達的表面上，其中包括載體的表面，從而形成薄的層；運用該技術(shù)的原理和說明相關(guān)的更多細節(jié)，可參照本領(lǐng)域的多種文獻。因為一定時間內(nèi)沉積層的厚度不是很大，所以濺射技術(shù)的生產(chǎn)率不是很高，因此需要產(chǎn)生厚度不大于20μm的吸氣劑層時優(yōu)選這種技術(shù)，因而優(yōu)選用于例如小直徑空心陰極的情形。在這種情形中可以實現(xiàn)對陰極金屬部件的表面的局部鍍覆，這包括使用所述部件的適當(dāng)載體，在濺射過程中所述載體也對其實施掩蔽例如可以按如下方法制造圖2的陰極，在濺射過程中，使用圓柱形載體，將待涂覆的空心陰極放置在該載體內(nèi)，從而所述載體與圓柱部分21的外表面接觸因而只露出表面24。
另一種制造依照本發(fā)明具有吸氣劑涂層的陰極的方法是通過電泳技術(shù)；以本申請人名義的專利US 5,242,559中公開了通過這種方法制造吸氣材料層的原理，可參考該文獻了解該技術(shù)的更多細節(jié)。在該情形中，可以通過將所述部件部分或全部浸入涂覆液中可簡便地獲得陰極金屬部件的局部或整體涂層，此外在該情形中還可以通過使用所述金屬部件的適當(dāng)載體對內(nèi)部或外部兩個表面中的一個進行選擇性涂覆。這種技術(shù)適合于制造厚度大于濺射技術(shù)所得層的吸氣劑層，可以方便且快速地形成厚度最高達幾百微米的層。
最后，另一種可用技術(shù)是噴涂技術(shù)，其中使用適當(dāng)液體介質(zhì)中的吸氣劑顆粒的懸浮液，通過壓縮氣體(通常為空氣)將該懸浮液噴涂在需要涂覆的部件上，使由此得到的沉積物干燥并通過熱處理進行固化。例如，以本申請人名義的專利US 5,934,964中公開了利用該技術(shù)獲得吸氣劑沉積。
通過下列實施例對本發(fā)明進行進一步的說明。
實施例1在鎢絲上形成厚約1μm的合金層，該合金包含鋯、鈷和混合稀土。通過濺射由St787合金靶獲得該層；如在本領(lǐng)域中公知的，不同的元素具有不同的濺射效率，因此由多組分的靶開始，得到的層的最終組成通常與靶不同，在這種情形中，與St 787合金的組成相比，鎢絲上所得層的組成富含鋯而鈷較少。依照ASTM F 83-71標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，在如此得到的金屬絲上進行功函數(shù)的測量；具體地，采用依照該規(guī)程的稱為“肖特基(schottky)法”的第二種可用方法。此外測量一段相同鎢絲的功函數(shù)，然而在該情形中沒有依照本發(fā)明的涂層。
兩次測試產(chǎn)生的結(jié)果如下，未鍍覆鎢的功函數(shù)值Ф約為4.5eV，而依照本發(fā)明的涂覆鎢絲的功函數(shù)值約為3eV，Ф值減小了大約33％。未鍍覆鎢絲約4.5eV的測量值與文獻中給出的4.2-4.6eV的范圍一致，證實該測量精確。
實施例2重復(fù)實施例1的測試，差別在于該情形中使用釔-釩合金薄膜覆蓋鎢絲，使用重量百分組成為Y 96％-V4％的靶通過濺射產(chǎn)生該薄膜。測得的功函數(shù)值約為3.1eV，相對于純鎢減小了大約30％。
實施例3重復(fù)實施例1的測試，這一次使用鎳絲，在一段純金屬絲和一段由St 787合金靶濺射進行鍍覆的相同金屬絲上測量Ф值。在該情形中未鍍覆鎳的測量值為約4.9eV而依照本發(fā)明的鍍覆金屬絲的測量值為約3.1eV，Ф值減小了大約37％。此外在該情形中，對鎳測得的Ф值與文獻中給出的數(shù)值范圍4.7-5.3eV一致。
實施例4對按照實施例1所述制造的包括鍍覆St 787合金薄膜的鎢絲的試樣進行氫氣吸附測試。將該試樣放入玻璃燈泡中，將燈泡抽真空，并在400℃下加熱30分鐘對試樣進行活化(通過置于玻璃燈泡外部的線圈進行感應(yīng)加熱)；然后使試樣冷卻到25℃，隨后依照標(biāo)準(zhǔn)ASTM F798-82中所述的規(guī)程進行該測試，氫氣壓力為4×10-6mbar。圖4中的曲線1顯示了測試的結(jié)果，吸附速率(用S表示并以每秒鐘吸附的氣體的立方厘米cc度量，以每平方厘米的合金歸一化)是吸附氣體量的函數(shù)(用Q表示并以氣體的立方厘米數(shù)與百帕(ettoPascal)hPa表示的壓力的乘積來度量，以每平方厘米的合金歸一化)。
實施例5重復(fù)實施例4的測試，這一次使用一氧化碳作為測試氣體。圖4中的曲線2顯示了測試的結(jié)果。
實施例6對按照實施例2所述制造的包括鍍覆Y-V合金薄膜的鎢絲的試樣進行氫氣吸附測試。將該試樣放入玻璃燈泡中，將燈泡抽真空，并在500℃下加熱10分鐘對試樣進行活化然后使其冷卻到25℃；按照實施例4中的方法進行氫氣吸附測試。圖5中的曲線3顯示了測試的結(jié)果。
實施例7重復(fù)實施例6的測試，這一次使用一氧化碳作為測試氣體。圖5中的曲線4顯示了測試的結(jié)果。
測試證明利用依照本發(fā)明的吸氣劑對金屬陰極進行涂覆可以顯著降低該陰極的功函數(shù)值；如實施例4至7的測試結(jié)果所示，本發(fā)明的陰極還表現(xiàn)出良好的氣體吸附性能。
權(quán)利要求
1.具有一體化的吸氣劑并具有減小功函數(shù)值的適用于冷陰極燈的陰極(11；20；30)，該陰極包含至少部分涂覆有吸氣材料層(15；26；31)的含金屬的部件(12；21；22；32)，其特征在于所述吸氣材料選自-包含鋯、鈷和選自釔、鑭或稀土元素的一種或多種成分的合金，在重量百分比組成的三元系狀態(tài)圖中，它們位于由以下點限定的多邊形內(nèi)a)Zr 81％-Co 9％-A 10％b)Zr 68％-Co 22％-A 10％c)Zr 74％-Co 24％-A 2％d)Zr 88％-Co 10％-A 2％其中A是選自釔、鑭、稀土金屬的元素或它們的混合物；-由釔和鋁組成的包含至少70wt％釔的合金；且-由釔和釩組成的包含至少70wt％釔的合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的陰極，其中所述含金屬的部件由選自鎳、鉬、鎢、鈮和鉭的金屬制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的陰極，其中所述含金屬的部件的形狀為條形、完整圓柱形或空心圓柱形。
4.制造根據(jù)權(quán)利要求1的陰極的方法，其中通過陰極沉積形成吸氣材料層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述吸氣材料層的厚度小于20μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述含金屬的部件(21；22；32)為空心圓柱形并且在陰極沉積過程中使用適當(dāng)形狀的載體元件通過掩蔽對所述部件的內(nèi)表面和外表面之一或它們兩者進行局部鍍覆。
7.制造根據(jù)權(quán)利要求1的陰極的方法，其中通過電泳沉積形成吸氣材料層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中通過將所述空心圓柱形部件部分浸入包含用于沉積的吸氣劑顆粒的液體懸浮液中并可能對所述表面之一進行掩蔽，對該部件內(nèi)表面和外表面中之一或它們兩者進行局部鍍覆。
全文摘要
公開了適用于冷陰極燈的陰極(11；20；30)的若干實施方案，該陰極的表面至少局部涂覆吸氣材料(15；26；31)層，該吸氣材料層可以降低陰極的功函數(shù)值從而降低燈的功耗。
文檔編號H01J61/09GK1879191SQ200480033411
公開日2006年12月13日 申請日期2004年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月14日
發(fā)明者A·科拉扎, V·馬薩羅 申請人:工程吸氣公司