场发射显示交通信号标志的制作方法

专利名称：场发射显示交通信号标志的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种场发射显示交通信号标志，即与场发显示器(FieldEmission Display；FED)相关的应用技术，即一种具有碳纳米管阴极的场发射发光构件的构造技术，尤指一种以碳纳米管为电子发射源层(阴极)的场发射光源构件构造技术以用于交通信号标志面板。
背景技术：
经济部能源会编列4.3亿预算推动“LED交通信号标志灯节能示范计划”。经济部表示，未来全台LED交通信号标志灯的比率将由8％提高为32％，不止提高行车安全与环保，每年还节省用电8000万度。
能源会指出，LED交通信号标志灯比传统白炽信号标志灯省电达89％，且辨识性高，兼具有节约能源、增进交通安全与环保三重效益。2003年元月统计全台25县市交通信号标志灯共64.6万盏，已更换的LED交通信号标志灯约5.2万盏，仅占8％。能源会在“扩大公共建设方案”中编列4.3亿元预算，研究提出“LED交通信号标志灯节能示范计划”，汰换使用年限过长的交通信号标志灯。
这种以多个LED灯取代公知的单一白热灯的优点是可将热电功率降低至15W以下，低发热，环境操作温度可以在-20～60℃，多配置的LED灯还可配合电路设计，作为红灯、黄灯、绿灯交通信号标志灯以达到提示路人的目的。
虽然LED灯具有以上省电等多项优点，不过，由于所述信号标志灯具是由多颗LED灯组所构成，因此当使用一段时数后，由于各个LED灯组织寿命差异，往往造成各该灯组呈现的亮度有所差异，甚至部分灯组已无法发光，导致信号标志灯所呈现亮度均匀性不佳，影响路人的感观，进而难以达到提示路人的警示目的。
近年来碳纳米管电子发射源的场发射显示器的应用发展成熟，可通过所述场发射显示组件满足高亮度，低耗能，动态画面呈现效果。所述结构场发射显示面板可配和显示需求，图案化设置阳极荧光粉涂层，与阴极电子发射源涂层，配合前申请人的驱动电路与电源供应模块专利配置，可作为一高亮度，低功耗，环境适应性高，及可动态画面呈现的交通显示信号标志。
由于碳纳米管(Carbon nanotubes)自1991年被Iijima提出后(Nature 354，56(1991))具备极高的电子特性，并且已被多种电子组件内所使用，而碳纳米管可以有很高的长宽比(aspect ratio)大于500以上，和高的刚性其杨氏系数多在1000GPn以上，而碳纳米管的尖端或缺陷处均在原子级规模露出，以上这些特性因此被认为一种理想的场电子发射源(electron field emitter)材料，例如一种场发射显示器的阴极板上的电子发射源的利用。由于碳纳米管具备以上所示的物理特性，因此也可被设计为多种制作方式如网印、喷涂或薄膜工艺等以图案(pattern)化于电子组件使用。
本文所述的场发显示器(可用于场发射光源构件)是一种利用电场使阴极电子发射源(Cathode electron emitter)产生电子，通过该电子激发阳极板的荧光粉体，使荧光粉体产生光子发光，其特色是轻、薄、有效显示区域尺寸的大小可依制程及产品需求制作。可用于图像显示也可以简化后的构造用于交通信号标志的光源，且所呈现的画面均匀性佳，并共同呈现一寿命展示，不致有部分显示像素亮度差异的现象。
请参考图1所示一种简易的公知场发射显示器1a，其结构至少包含阳极3a与阴极4a，单元结构5a有单元阳极51a及单元阴极52a，其间设置有阻隔壁(rib)53a，提供阳极与阴极间真空区域的间隔，及作为阳极与阴极之间的支撑，参阅图1所示，一阳极3a至少包含一阳极玻璃基板31a，一阳极导电层32a，一荧光粉体层(phosphors layer)33a；而一阴极4a至少包含一阴极玻璃基板41a，一阴极导电层42a，一电子发射源层43a(具有碳纳米管)；其中阳极3a与阴极4a的间隔是由阻隔壁53a配置，其功能为保持阴极板与阳极板之间的真空区域的维系，并提供一外加电场，使阴极板上的电子发射源层43a产生电子并射向阳极板上的荧光粉体激发而使荧光粉体发光。该二极结构的场发射显示器，阴极与阳极的间隙可介于50μm至200μm之间，所需要的驱动电场强度大多无须超过10V/μm，或驱动电压(Turn on Voltage)大于150V以上，即可使阴极产生电子，至于荧光粉的发光效率则依选用的该荧光粉材料特性而定。
在此须针对荧光粉体层(phosphors layer)33a及电子发射源层43a的制作方式做一说明；一般而言，若场发射显示器做为显示屏幕，则细致的显示像素是必要的，因此阴极与阳极的涂层可为网印或曝光显影(类似半导体制程)的具有精度制作方式来制作，但此类涂布方式用于光源构造为低单价构造物，因此以溶液喷涂阴极与阳极的涂层方式(用喷液体的喷嘴喷)会是比较符合成本的方式，如喷涂碳纳米管混合液(阴极涂层)或喷涂荧光粉体混合液，可使制造成本降低许多。
又为满足交通信号标志的显示需求，亮度至少需1000nits以上，以所述亮度需求，公知技术的场发射发光组件需三极以上方能满足亮度需求，然以所述三极结构制作过程复杂，成本高不利于低成本的光源组件，然若采取公知的二极结构，除非有特殊的电源结构，或高效率的阴阳极板，二极结构的发热或亮度不足仍难以满足市场的需求。
但是，以碳纳米管制作为浆料的方式实施于场发射显示器1a以制作为阴极的电子发射源层43a，也仍得考虑是否有阳极发热的现象，此现象在直流驱动发光时特别明显，此问题仍待克服。

发明内容
鉴于以公知技术制作的交通信号标志显示板发光构造，需有低成本及亮度需求，本实用新型在公知的场发射显示器加入交流电驱动电路，及阴阳极喷涂式涂层，以克服下列问题提供一高亮度面板，以增加显示效果；可用于室外环境，环境要求限制低；以现有技术易于取得驱动IC(integral circuit)；喷涂方式制作成本低；及可提供一亮度均匀，省电且图案多样化。
本实用新型的主要目的，是提供一种可提供一散热良好，能抵抗发光组件热集中的较佳构造用于场发射显示器，以使交通信号标志显示板的用途需求得以满足。
本实用新型又一目的，是提供用于交通信号标志面板的场发射显示器光源构造，通过以现有技术易于取得驱动IC(integral circuit)，避免开发新控制电路的成本。
为达到上述目的，本实用新型提供一种具有交流电驱动的具有碳纳米管阴极的交通信号标志面板光源构造，通过一交变电路设置于阴阳极玻璃基板上，再通过外部驱动IC(inegral circuit)控制，及各种相关附加构造，使得公知的种种问题可以克服。
本实用新型一种交通信号标志的场发射发光构件包含交通信号标志本体，具有场发射显示装置；其中该场发射显示装置，包括有阳极构造，具有荧光粉体层；阴极构造，具有碳纳米管层；阻隔壁，以维系阴阳极保持一特定间隙；及交变电路，具有电压施加端，可承受一预定交流频率与一预定交流电压的电流，施加于该电压施加端与该阴极间；其中该阳极构造及阴极构造平面发光显示图像依交通信号标志预定需要而有矩阵发光点显示或区域发光带显示；其中该荧光粉体层具有一预定范围的阳极喷涂层厚度；其中该碳纳米管层具有一预定范围的阴极喷涂层厚度；其中该阻隔壁具有一预定范围的厚度。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该荧光粉体层的阳极喷涂层厚度范围为每层3-5μm，且该碳纳米管层的阴极喷涂层厚度范围为每层3-5μm，且该阻隔壁厚度范围为50-120μm。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该预定交流电压范围为正负150V到正负900V之间，该预定交流频率为12kHz到14kHz之间。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该荧光粉体层及碳纳米管层为喷涂方式所涂布。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中进一步包含导光板构造，设于阳极构造的外侧以加强亮度。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该荧光粉体层为一种可呈现红光、黄光或绿光的荧光粉体所构成。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该荧光粉体层为一种P-22系列硫化锌为主要成分的荧光粉体所构成。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该荧光粉体层为白色荧光粉体所构成。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该白色荧光粉体为电子激发发光所产生的波长范围至少包含可见光光谱范围。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该白色荧光粉体至少为一种硫化锌为基质主要成分为ZnS:Ag+(Zn，Cd)S:Cu，Al或一种Y2O2S:Tb，或一种由阴极射线管常用的硫化锌三色荧光粉依特定比例搭配调制的成份。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该碳纳米管层包含有经改质后的碳纳米管，具有高电子发射率。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该场发射显示装置具有驱动电路，包括有一输出接口，用以连接至该阴极构造；至少一光耦合开关，连接于该输出接口，以隔绝保护驱动电路和控制该阴极构造动作；一处理单元，连接于所述光耦合开关以处理数字数据；及一直流电源，连接于该处理单元，以提供该处理单元工作所需的电力。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该处理单元具有一数据缓存器以提供数字数据的储存空间。
根据本实用新型的场发射显示交通信号标志，其中该处理单元具有一数据缓存器，其中该处理单元为一8051单芯片处理器。
本实用新型的具有交流电驱动的具有碳纳米管阴极的光源构件，通过一交变电路设置于阴阳极玻璃基板上，再通过外部驱动IC(integral circuit)控制，及使用喷涂方法涂布阳极荧光粉体层及阴极碳纳米管层，据此以本方法制作可提供以下的优点一、可提供一散热良好，能抵抗发光组件热集中的较佳构造；二、以现有技术易于取得驱动IC(integral circuit)；三、喷涂方式制作成本低；及四、可提供一亮度均匀，省电且图案多样化。


图1为场发射显示组件结构示意图；图2为本实用新型场发射显示交通信号标志驱动电路示意图；图3为本实用新型场发射显示交通信号标志的场发射显示组件剖面示意图；图4为本实用新型场发射显示交通信号标志的场发射显示组件驱动电路的电路图；图5为本实用新型交通信号标志面板的场发射光源构件外观构造示意图。
其中，附图标记说明如下1a 场发射显示器 3a 阳极31a 阳极玻璃基板 32a 阳极导电层33a 荧光粉体层4a 阴极41a 阴极玻璃基板 2a 阴极导电层443a 电子发射源层 5a 单元结构51a 单元阳极 52a 单元阴极53a 阻隔壁1 场发射显示器驱动电路 10 输出接口12 控制栅14 光耦合开关16 处理单元 18 直流电源2 场发射显示交通信号标志(显示单元)20 阳极构造 22 阴极构造24 荧光层26 发射层28 绝缘层3 交流电源具体实施方式
本实用新型是全面亮所以不用区段显示，保留的处理单元作为控制灯信号时程之用，或是闪黄灯或是转弯灯信号之用。
配合图4，请参考图2，为本实用新型区段显示的场发射显示器驱动电路示意图。其中，场发射显示器驱动电路1包括有一输出接口10、一交流电源3、至少一光耦合开关14、一处理单元16及一直流电源18。直流电源18提供处理单元16工作所需的电力，并且，处理单元16用来处理存放在内部数据缓存器的数字数据或程序数据，以控制灯号的时程，当数据处理完后，随即输出一控制信号并传送到所述光耦合开关14，该处理单元16可以为一8051单芯片处理器。
通过控制信号驱动该光耦合开关14，上述光耦合开关14用以作隔绝保护该处理单元16。
配合图3，请再参考图2，所述显示单元2的阳极构造20连接有一交流电源3，当所述显示单元2的阴极构造22为接地时，连接于所述阴极构造22的发射层26会产生电子，再通过所述阳极构造20与所述阴极构造22间的交流电源3，用以加速电子激发设置在所述阳极构造20上的荧光层24，并且，使得荧光层24的荧光体发光。且利用设置于所述阴极构造22上的绝缘层28来阻隔所述发射层26间产生的电子，避免相互间电子的干扰。上述说明中，发射层26其结构为一金属微尖端或一碳纳米管。
配合图3，请再参考图2，当该输出接口10控制该阴极构造22为浮接时，该显示单元2由于阳极构造20与阴极构造22间无法建立驱动电场，而导致电子无法从阴极构造22产生，因此，该显示单元2便无法显示发光。
配合图3，请再参考图2，由于该显示单元2的阳极栅20连接交流电源3，因此，当交流电源3在正电场且该显示单元2的阴极构造22若为接地时，该显示单元2会显示发光。反之，若所述区段显示单元2的阴极构造22若为浮接，则所述区段显示单元2不会显示发光，因此，本实用新型区段显示的场发射显示器驱动电路于阳极构造20加入高频率的交流电源3，并控制所述阴极构造22的接地或浮接，进而使得所述显示单元2得以动态呈现画面。
再者，当交流电源3在负电场时，可以释放正电场时所累积在阳极构造20上的电荷，以改善因连续累积发光而产生的热能以延长使用寿命，上述中，交流电源3为高频、高压的交流电源。
请配合图3，请再参考图2，本实用新型供一种交通信号标志面板的场发射光源构件，其包含交通信号标志本体，具有场发射显示装置；其中该场发射显示装置，包括有阳极构造20，具有荧光粉体层，以受阴极构造发出的电子撞击而发光；又有阴极构造22，具有碳纳米管层，受电偏压时可放出电子束；及交变电路，具有电压施加端，一般与阳极构造相连接，而以阴极构造4为0V的电位，可承受一预定交流频率与一预定交流电压的电流，施加于该电压施加端与该阴极间；其中该阳极构造及阴极构造平面发光显示图像可依交通信号标志预定需要而有矩阵发光点显示或区域发光带显示；其中该阳极构造与阴极构造间进一步包含一栅极，以强化发光强度；显示单元可具有驱动端电路而连到外界驱动电源；本实用新型可为二极(阴极对阳极发射电子束)构造或可三极(栅极介于阴阳极中间)构造。由于控制逻辑与一般的半导体二极管极为相似，因此驱动IC应极易开发，可就现有IC成品设计改做即可使用。且为成本考虑时，以喷涂方式涂布阳极的荧光粉体层与阴极的碳纳米管层时，其中该荧光粉体层具有一预定范围的阳极喷涂层厚度；且其中该碳纳米管层具有一预定范围的阴极喷涂层厚度。
本实用新型的截面构造大致与图1公知构造相同，所不同之处仅在于使用交变电路与指定使用喷涂方式制作荧光粉体层及碳纳米管层。因此本实用新型能较公知的装置更具亮度及低成本。
本实用新型的具有碳纳米管阴极的交通信号标志面板模块，并且可进一步包含下列细部特性；本实用新型其中该荧光粉体层的阳极喷涂层厚度范围可为每层3-5μm(可为多层喷涂)，且该碳纳米管层的阴极喷涂层厚度范围可为每层3-5μm(可为多层喷涂)；为保持阴阳极于一特定间隙，以网印图案化印制阻隔壁，阻隔壁的厚度范围为可为50-120μm(可为多层堆叠印制)；另外其中该预定交流电压配合阴阳极的间隙，范围可为正负150V到正负900V之间以形成一交流电场，范围可为正负3V/μm到正负6V/μm之间，而该预定交流频率可为12kHz到14kHz之间；其中该荧光粉体层及碳纳米管层为喷涂方式所涂布，如对于荧光粉体层厚度可以根据产品特性需求予以调整，多喷涂几次即可调整喷涂厚度；其中该阻隔壁是以网印印制，配合驱动电场的需求以重复堆叠印制，使阻隔壁可以累积一特定厚度；且有鉴于光源利用的集中效果，本实用新型进一步可包含导光板构造，设于阳极构造的外侧，以加强亮度(如手电筒一般)；此外其中该导光板颜色可为白色，以加强反射亮度；又基于各个不同色光交通信号标志器发光所呈现的颜色，其中该荧光粉体层为一种可呈现红光、黄光或绿光的荧光粉体所构成，本实用新型中该荧光粉体层可为常用真空组件使用的P-22系列的硫化锌主要成分及氧化钇的荧光粉体，已呈现各色光信号标志所需的光谱。或是可为白色荧光粉体所构成，以使显像能力加强，所使用的白色荧光粉所产生的波长范围包含可见光光谱范围，可以为一种硫化锌为基质主要成分为ZnS:Ag+(Zn，Cd)S:Cu，Al或一种Y2O2S:Tb，或一种由阴极射线管常用的硫化锌为主成分的三色荧光粉依特定比例搭配调制，再根据各信号标志色光需求以搭配各色滤光片或滤光外罩使用；而考虑改善碳纳米管的导电与发射电子特质，其中该碳纳米管层可包含有经改质后的碳纳米管，具有高电子发射率。一般改质后的碳纳米管会具有特性的改善，如导电特性或电子发射率，且特定的界面附着能力也可能通过改质达到。
本实用新型三极结构场发射显示静态信号标志灯(绿灯及红灯)；阳极绿灯及黄灯荧光粉是以一种P-22系列的硫化锌为主要成分的荧光粉，红灯荧光粉是以一种P-22系列氧化钇荧光粉；栅极为一种多孔隙金属网罩，设置于阴极与阳极之间，其功能为汲取阴极电子发射源的电子，各所述孔隙以提供电子束通过的信道，该栅极网罩临阳极的一侧可以蒸镀或溅镀设置一反射层，以反射并提高阳极荧光粉的发光亮度，其网罩为一种合金材料，其膨胀系数与阴阳极的玻璃基板近似，以配合封装过程的热膨胀；阴极的电子发射源是以高效率碳纳米管粉体，碳管内径5～25nm，碳管层数分布25层以下为佳；阴极与栅极的间隙是以固定间隔配置阻隔壁(rib)，可以为一种以玻璃粉体为主成分的涂料以网印印制，其阴极与栅极的间隙或是阻隔壁的厚度可以为20～100μm支撑；栅极与阳极也以固定间隔配置支撑装置(spacer)，支撑装置为一特定形状的支撑结构其高度可以为1～2mm，其目的可以使阴极与阳极间保持一特定距离，使阳极可提供一特定高电压，使栅极汲引的电子束经由阳极提供的高压加速以撞击荧光粉体而发光；所谓的阻隔壁与支撑装置其功能也为提供阴极、阳极与栅极支撑及维系的真空区域；电路结构，驱动电路是以一种高频交流电源模块提供于阴极与栅极间，另外提供一固定高压3KV以上给阳极为加速电子束之用。(封装结构略)通过以上的详细揭示验证，本实用新型的优点如下；
1.为交变电源驱动，具有高亮度，可达1000-2000nits以上，室外使用不论日夜皆可清楚显示液晶影像，且使用寿命长。
2.可为低消耗功率，其功率视发光区块数量而定，一般可小于10W。
3.环境适应性高，可作为工业等级用途。
4.制造成本低，喷涂工艺为低成本制作过程。
以上所述，仅为本实用新型的较佳可行实施例，非以此即局限本实用新型的专利范围，故凡应用本实用新型说明书及附图内容所进行的等效结构变化，均同理皆包含于本实用新型的范围内。
权利要求1.一种场发射显示交通信号标志，其特征在于包括有交通信号标志本体，具有场发射显示装置；其中该场发射显示装置，包括有；阳极构造，具有荧光粉体层；阴极构造，具有碳纳米管层；阻隔壁，维系阴阳极构造于一间隙；及交变电路，具有电压施加端，能够承受一定交流频率与一定交流电压的电流，施加于该电压施加端与该阴极构造间；其中该阳极构造及阴极构造平面发光显示图像可依交通信号标志需要而有矩阵发光点显示或区域发光带显示；其中该阳极构造与阴极构造间进一步包含一栅极，以强化发光强度；其中该荧光粉体层具有一定范围的阳极喷涂层厚度；其中该碳纳米管层具有一定范围的阴极喷涂层厚度；其中该阻隔壁具有一定范围的厚度。
2.如权利要求1所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该荧光粉体层的阳极喷涂层厚度范围为每层3-5μm，该碳纳米管层的阴极喷涂层厚度范围为每层3-5μm，以及该阻隔壁厚度范围为50-120μm。
3.如权利要求1所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该一定交流电压范围为正负150V到正负900V之间，该一定交流频率为12kHz到14kHz之间。
4.如权利要求1所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于进一步包含导光板构造，设于阳极构造的外侧以加强亮度。
5.如权利要求4所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该荧光粉体层为一种可呈现红光、黄光或绿光的荧光粉体所构成。
6.如权利要求5所述的场发射显示动态交通信号标志，其特征在于该荧光粉体层为一种P-22系列硫化锌为主要成分的荧光粉体所构成。
7.如权利要求1所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该荧光粉体层为白色荧光粉体所构成。
8.如权利要求7所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该白色荧光粉体为被电子激发后至少产生可见光的荧光粉体。
9.如权利要求7所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该白色荧光粉体至少为一种硫化锌为基质主要成分为ZnS:Ag+(Zn，Cd)S:Cu，Al、一种Y2O2S:Tb，或一种由阴极射线管常用的硫化锌三色荧光粉依特定比例搭配调制的成份。
10.如权利要求1所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该碳纳米管层包含有经改质后的碳纳米管，具有高电子发射率。
11.如权利要求1所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该场发射显示装置具有驱动电路，包括有一输出接口，连接至该阴极构造；至少一光耦合开关，连接于该输出接口，隔绝保护驱动电路并控制该阴极构造动作；一处理单元，连接于所述光耦合开关以处理数字数据；及一直流电源，连接于该处理单元，以提供该处理单元工作所需的电力。
12.如权利要求11所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该处理单元具有一数据缓存器以提供数字数据的储存空间。
13.如权利要求10所述的场发射显示交通信号标志，其特征在于该处理单元具有一数据缓存器，其中该处理单元为一8051单芯片处理器。
专利摘要本实用新型提供一种场发射显示交通信号标志，其包括有交通信号标志本体，具有场发射显示装置；其中该场发射显示装置，包括有阳极构造，具有荧光粉体层；阴极构造，具有碳纳米管层；阻隔壁，维系阴阳极构造于一特定间隙；及交变电路，具有电压施加端，可承受一预定交流频率与一预定交流电压的电流，施加于该电压施加端与该阴极构造间。从而为一般交通信号标志面板的构造提供一种场发射显示构件，其可以交流电驱动场发射光源构件技术，及使用喷涂方法涂布阳极荧光粉体层及阴极碳纳米管层，据此，可提供一散热良好，能抵抗发光组件热集中的较佳构造；以现有技术易于取得驱动IC；喷涂方式制作成本低；可提供一亮度均匀，省电且图案多样化。
文档编号H01J31/12GK2828965SQ200520003050
公开日2006年10月18日 申请日期2005年2月6日 优先权日2005年2月6日
发明者陈国荣, 吴智豪, 姚伟淇, 钟易蓉 申请人:东元电机股份有限公司