一种石墨烯阴极荧光灯

摘要

本发明公开石墨烯作为场致发光光源的应用，以及采用石墨烯的新型阴极荧光灯。所述石墨烯阴极荧光灯，包括单端开口的透明玻璃管及开口端的玻璃芯柱，阳极，设置在透明玻璃管内的阴极和栅极；玻璃管内壁依次有一层阳极导电膜，荧光层，阳极导电膜和阳极接线柱连接；阴极由场发射阴极、阴极座，阴极电极构成，所述场发射阴极具有负电子亲和势的分型石墨烯材料制成；阳极和阴极之间有一网状金属栅极；阴极电极和阴极座为一个整体，与阳极电极，栅极电极固定在端玻璃芯柱上。

权利要求

1.一种石墨烯阴极荧光灯，包括透明的玻璃管，玻璃管开口端设有用于封闭玻璃管的玻璃芯柱，玻璃管内为真空；其特征在于：采用场致发光光源，即在玻璃管内设有场发射阳极、场发射阴极和场发射栅极；场发射阳极由依次连接的阳极导电膜、阳极接线柱和阳极电极构成，场发射阴极由依次连接的场发射阴极、阴极座和阴极电极构成，场发射栅极由相互连接的栅极金属网和栅极电极构成，场发射阳极电极、阴极电极和栅极电极固定在玻璃芯柱上并从玻璃芯柱中穿出；所述阳极导电膜沿轴向覆盖于玻璃管内壁，在阳极导电膜表面设有荧光层；所述场发射阴极为石墨烯材料制成的长条形并沿轴向设于玻璃管中部；栅极金属网为长条形，其断面为圆弧形，位于场发射阴极和荧光层之间并靠近场发射阴极将其-3半包围罩住；玻璃管内的真空度低于3×10 Pa；所述阳极导电膜在圆周方向覆盖玻璃管内壁，覆盖角度为α，0<α<180°。

2.根据权利要求1所述的石墨烯阴极荧光灯，其特征在于：在玻璃芯柱内壁及玻璃管靠近玻璃芯柱部分内壁设有吸气剂层。

3.根据权利要求1所述的石墨烯阴极荧光灯，其特征在于：所述石墨烯材料为具有负电子亲和势的分型石墨烯材料。

4.根据权利要求1所述的石墨烯阴极荧光灯，其特征在于：所述阳极导电膜为金属铝或金属银导体。

说明书

一种石墨烯阴极荧光灯

技术领域

[0001] 本发明涉及石墨烯的新用途，具体涉及石墨烯作为场致发光光源的应用，以及基于该应用而设计的一种新型荧光灯。

背景技术

[0002] 石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学(relativistic quantum physics)才能描绘。石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。 这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。由于石墨烯问世时间仅有六年多，对其研究仅限于理论层面，其产业化的应用并未发掘。

[0003] 目前常见的照明光源，按发光原理划分，主要分为白炽灯，低压气体放电灯、高压气体放电灯，场致发光光源四类。白炽灯通过热能激发钨灯丝的原子自发跃迁发光，其光效低，寿命短；低压气体放电灯通过钨灯丝加热发射电子轰击汞蒸气辐射紫外光，紫外光激发荧光粉发光，高压气体放电灯通过在汞和其它金属化和物混合蒸气中产生电弧放电发光，高压和低压气体放电灯本身都含有汞等有毒物质，光源损坏后，汞排放到环境中，对环境是极大的污染。场致发光光源通过电场的能量转换发光，具有绿色环保、开发光效高等特点，因此，场致发光光源已成为电光源产品发展的方向。

[0004] 碳纳米管被发现后，人们尝试利用碳纳米管的场发射性能制作电光源阴极的场发射体，其具备的节能、环保等优势引起业界的关注。西门子、东芝、三星等公司均把碳纳米管阴极照明灯作为新型照明光源的发展方向，投入大量人力、物力进行相关研究，但受制于碳纳米管本身在场发射稳定性、均匀性、寿命等方面的性能限制以及制备工艺成熟度的影响，这些研究尚处于实验室研制阶段。因此，寻找一种新的具有更强场发射能力，发射电流更为稳定、均匀性更好的场发射材料，成为场发射冷阴极荧光灯发展的重要方向。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提出石墨烯在产业上的一种新的用途。本发明的另一个目的是基于上述新用途而提供一种光效高、节能效果好、发光均匀性好，寿命长的一种石墨烯阴极荧光灯。

[0006] 石墨烯新的用途是作为场致发光光源的场发射阴极材料。所述石墨烯为具有负电子亲和势的分型石墨烯材料。

[0007] 基于石墨烯新的用途而发明的一种石墨烯阴极荧光灯，包括透明玻璃管，玻璃管开口端设有用于封闭玻璃管的玻璃芯柱，玻璃管内为真空；其特征在于：采用场致发光光源，在玻璃管内设有阳极、阴极和栅极；阳极由依次连接的阳极导电膜、阳极接线柱和阳极电极构成，阴极由依次连接的场发射阴极、阴极座和阴极电极构成，栅极由相互连接的栅极金属网和栅极电极构成，阳极电极、阴极电极和栅极电极固定在玻璃芯柱上并从玻璃芯柱中穿出；所述阳极导电膜沿轴向覆盖于玻璃管内壁，在阳极导电膜表面设有荧光层；所述场发射阴极为石墨烯材料制成的长条形并沿轴向设于玻璃管中部；栅极金属网为长条形，其断面为圆弧形，位于场发射阴极和荧光层之间并靠近场发射阴极将其半包围罩住。

[0008] 在玻璃芯柱内壁及玻璃管靠近玻璃芯柱部分内壁设有吸气剂层。

[0009] 所述石墨烯材料为具有负电子亲和势的分型石墨烯材料。

[0010] 玻璃管内的真空度为低于3×10-3Pa的低真空状态。

[0011] 所述阳极导电膜为金属铝或金属银导体；荧光层为一层或多层均匀荧光粉层；所述阴极座为金属铜。

[0012] 阳极导电膜在圆周方向覆盖玻璃管内壁，覆盖角度为α，0<α<180°。

[0013] 相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

[0014] １、本发明迈出了石墨烯从理论研究到实际应用的第一步。

[0015] ２、基于上述新用途而提供的石墨烯阴极荧光灯具有光效高、节能效果好、发光均匀性好，寿命长等特点。所述场发射阴极为石墨烯材料制成的长条形并沿轴向设于玻璃管中部，由金属网栅极极将其半包围罩住。相比于现在以碳纳米管为阴极的场发射阴极荧光灯，具有负电子亲和势的分型石墨烯材料（Fractal Graphene with NEA，简称FGN）启动场强阈值低，仅为0.22-0.40 伏/微米，电子发射能力强；具有良好的电子发射均匀性，结构稳定（生长温度在1300℃以上），耐压能力强（超过3万伏）。

[0016] 同时，本发明采用电子直接激发荧光粉发光，光源本身不含汞等有毒物质，使用过程及损坏后都不会对环境造成污染。

附图说明

[0017] 图1为本发明石墨烯阴极荧光灯结构示意图；

[0018] 图2为本发明石墨烯阴极荧光灯横截面结构示意图；

[0019] 图3为本发明玻璃管玻璃芯柱端结构示意图。

[0020] 其中，11-玻璃管；12-阳极导电膜；13-荧光层；14-阳极接线柱；21-场发射阴极；22-阴极座；23-阴极电极；31-栅极金属网；32-栅极电极；4-吸气剂层；51-玻璃芯柱；52-排气孔；53-阳极电极。

具体实施方式

[0021] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

[0022] 石墨烯新的用途是作为场致发光光源的场发射阴极材料。所述石墨烯为具有负电子亲和势的分型石墨烯材料；该具有负电子亲和势的分型石墨烯材料可采用申请人于2010年11月13日申请的名称为“具有负电子亲和势的分形石墨烯材料及其制备方法和应用”、申请号为“201010505469.2”的专利申请文献所披露的材料，在此不赘述。

[0023] 基于石墨烯新的用途而发明的一种石墨烯阴极荧光灯，其结构见图1、图2和图3，它包括一端开口的透明玻璃管11，玻璃管11为条形管状结构，玻璃管11开口端设有用于封闭玻璃管的玻璃芯柱51，玻璃芯柱51由玻璃材料制成。玻璃管11内抽成真空，真空度-3为低于3×10 Pa的低真空状态。具体实现方法为：在玻璃芯柱51上设置一排气孔52，该排气孔52一端与玻璃管内密封空间连通，另一端延伸出玻璃芯柱外，真空泵通过排气孔抽气，使玻璃管11内形成真空，排气后排气孔52被密封。在玻璃芯柱51内壁及玻璃管11靠近玻璃芯柱部分内壁设有吸气剂层4，吸气剂层4可以消耗排气密封后玻璃管11内残余气体以及光源使用过程中产生的气体，维持玻璃管11的低真空度。

[0024] 在玻璃管内设有阳极、阴极和栅极。阳极由依次连接的阳极导电膜12、阳极接线柱14和阳极电极53构成；阴极由依次连接的场发射阴极21、阴极座22和阴极电极23构成，场发射阴极21焊接在阴极座22上，阴极电极23和阴极座22为一个整体，阴极座22为金属铜。栅极由相互连接的栅极金属网31和栅极电极32构成，阳极电极53、阴极电极23和栅极电极32固定在玻璃芯柱51并从玻璃芯柱51中穿出。所述阳极导电膜12沿轴向覆盖于玻璃管11内壁，在阳极导电膜12表面设有荧光层13。所述场发射阴极21为石墨烯材料制成的长条形并沿轴向设于玻璃管中部；栅极金属网31位于场发射阴极21和荧光层13之间并靠近场发射阴极21将发射阴极21半包围罩住，栅极金属网31的横截面为圆弧形。
所述石墨烯材料为具有负电子亲和势的分型石墨烯材料。

[0025] 阳极导电膜12覆盖玻璃管11的范围根据场发射灯管所需的发光方向和发光空间立体角度而定。例如，当场发射灯管所需的发光方向为右侧，发光的空间立体角度为α时，阳极导电膜覆盖在玻璃管的左侧且覆盖范围为玻璃管沿轴线方向，且角度为α的部分，其0
中0<α<180。参见图2。阳极导电膜12由导电性好，且不透明的金属材料制成，如铝或银，同时阳极导电膜12也作为反射层，反射阳极导电膜表面荧光层13产生的可见光。荧光层
13为均匀依次涂覆在导电金属膜表面的一层或多层荧光粉层，阳极导电膜12表面设置一阳极接线柱14，阳极接线柱14与固定于玻璃芯柱51上的阳极电极53用金属导丝连接。

[0026] 工作原理：在电源作用下透明玻璃管内的阳极导电膜12、栅极金属网31和场发射阴极21的电压分别为V2、V1、V0，且V2＞V1＞V0，玻璃管内产生自阳极导电膜12向场发射阴极21方向的电场，场发射阴极21在电场作用及低真空条件下发射电子，电子沿电场方向以一定速度穿过栅极金属网31向阳极导电膜12移动，轰击阳极导电膜12表面的荧光层13发光，荧光层13发出的光经过不透明阳极导电膜12反射以一定的角度射出透明玻璃管11。由于栅极金属网31与场发射阴极21之间的距离远小于阳极导电膜12与场发射阴极21之间的距离，根据公式E=V/d（E：电场，V：电势，d：距离），场发射阴极21的发射由电场决定，栅极金属网31可控制场发射阴极21的电子发射情况（工作电流），荧光层13由一层或多层荧光粉层组成，调节荧光层的组成以调节光源光谱，以适应各种照明场合。

[0027] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。