CN102884605B - 场致发射阴极 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种场致发射阴极，所述场致发射阴极包括：至少部分导电的基底结构；和空间分布在所述基底结构处的多个导电的微米级部分，其中，所述多个微米级部分中的至少一部分各自设置有多个导电的纳米结构。本发明的优点包括降低功耗以及增加例如包括所述场致发射阴极的场致发射照明装置的光输出。

Description

场致发射阴极

技术领域

本发明涉及场致发射阴极的装置。更具体地讲，本发明涉及场致发射照明装置的阴极。

背景技术

现在存在一种用更节能的替代物来代替传统灯泡的趋势。已经示出了形式上与传统灯泡相似的荧光光源，通常将其称作紧凑型荧光灯(CLF)。众所周知，所有的荧光光源包含少量的汞，由于汞暴露的健康影响而引起问题。此外，由于对汞的处置的严格监管，荧光光源的回收利用变得复杂和昂贵。

此外，期望提供一种荧光光源的替代物。在WO 2005074006中提供了这样一种替代物的一个例子，它公开了一种不包含汞或任何其他对健康有害的材料的场致发射光源。所述场致发射光源包括阳极和阴极，所述阳极由透明导电层和涂覆在圆柱形玻璃管的内表面上的荧光体层组成。荧光体在被电子激发时发光。阳极和阴极之间的电压引起电子发射。为了实现高的发光，期望施加4-12kV范围的电压。

例如，因为不必需要使用汞，所以在WO 2005074006中公开的场致发射光源提供了一种对于更环保的照明的有希望的途径。但是，总是希望改进灯的设计以延长寿命和/或提高灯的发光效率。

发明内容

根据本发明的一方面，如下所述的场致发射阴极至少部分满足上述要求，所述场致发射阴极包括：至少部分导电的基底结构和空间分布在基底结构处的多个导电的微米级部分，其中，所述多个微米级部分中的至少一部分各自设置有多个导电的纳米结构。

在本文档的上下文中，术语纳米结构被理解为表示具有一个或多个100纳米(nm)或更小的尺寸的结构元件以及这种元件的空间布置。术语纳米结构包括纳米管、纳米球、纳米棒、纳米纤维和纳米线，其中，纳米结构可以是纳米网络的一部分。此外，术语纳米球表示具有至多3∶1的纵横比的纳米结构，术语纳米棒表示具有至多200nm的最长尺寸并具有从3∶1至20∶1的纵横比的纳米结构，术语纳米纤维表示具有大于200nm的最长尺寸并具有大于20∶1的纵横比的纳米结构，术语纳米线表示具有大于1,000nm的最长尺寸的纳米纤维。

此外，关于纳米结构的定义包括术语纵横比，所述纵横比表示物体的最长轴与该物体的最短轴的比，其中，所述轴不必是垂直的。术语横截面宽度是横截面的最长尺寸，并且横截面高度是垂直于所述宽度的尺寸。术语纳米网络表示相互连接的多个单独的纳米结构。

与现有技术中包括在实质上平坦的表面上生长的纳米结构的装置相比，根据本发明的纳米结构反而设置在空间分布的微米级部分上。此外，这具有如下所述的优点：例如，可在场致发射应用中使用本场致发射阴极时提供改进的电子发射。可从以下所述的事实来获得所述改进的电子发射：每个单独的纳米结构的长度对与布置的纳米结构结合的微米级部分提供的总长度的影响更小。因此，微米级部分将是总长度的主要贡献者，而纳米结构将实质上只向微米级部分提供本质上的尖端，以在场致发射应用中实现高的电子发射。在场致发射阴极包括在场致发射装置中的情况下，对电子发射的改进还降低了功耗，而且在场致发射装置是场致发射光源和/或场致发射显示器的情况下，还允许增加光输出。

为了实现改进的电子发射，优选地，所述纳米结构包括导电的氧化物、硼化物、氮化物、碳化物、金属合金、硅化物中的至少一个的纳米结构。最优选地，所述纳米结构包括ZnO纳米结构。此外，所述多个纳米结构的至少一部分具有多边形柱体或圆柱体的形状，并且具有5-500纳米之间的直径和长达500纳米的长度。

所述至少部分导电的基底结构可包括连接到微米级部分的相互连接的可寻址的导体的矩阵(或网络)。在导体中间，例如可设置绝缘段，该绝缘段允许微米级部分的组或“簇”被独立寻址。可以根据心中的特定应用以不同形式设置基底结构，例如，将基底结构布置为包括线，或者将其设置为包括网格、打孔的或实心薄片中的至少一个。

如上所述，微米级部分被空间分布在基底结构处。优选地，为了改进电子发射，按照大于所述多个微米级部分的平均直径的距离来分布所述微米级部分。优选地，以如下所述的方式来选择微米级部分的形状：所述多个微米级部分的至少一部分具有多边形柱体或圆柱体的形状，具有5-500微米之间的直径和长达10毫米的长度，或者至少具有至少3∶1的纵横比。

根据心中的应用，优选地，所述多个微米级部分的至少一部分包括导电或半导电的、透光的或反光的材料。

优选地，根据本发明的场致发射阴极形成场致发射装置的一部分，而且，所述场致发射装置除了包括上述场致发射阴极之外，还包括阳极结构和例如包括透明玻璃部分的容器形式的真空外壳。例如，所述场致发射装置可包括在场致发射光源、场致发射显示器、X射线源中的至少一个中。

所述场致发射阴极和所述阳极结构都被布置在所述真空外壳的内部。另外，优选地，所述阳极结构可至少部分地被荧光体层覆盖，并且包括具有反射涂层的导热材料。例如，这种装置被同一申请人在EP09180339中公开，并且通过引用将其全部结合在此。

此外，优选地，所述阳极结构用于接收在阳极结构和场致发射阴极之间施加电压时从场致发射阴极发射的电子，并且用于将荧光体层产生的光从真空外壳(例如通过上述容器的玻璃部分)反射出去。优选地，所述电压在2-12kV的范围内。

例如，可以由电源提供所述电压，所述电源可与场致发射装置一起被包括，例如，与所述场致发射装置一起布置(诸如例如在场致发射装置是场致发射光源的情况下布置在插座内)或者布置在所述场致发射装置的附近。所述电源可以被连接到场致发射阴极和阳极结构并用于提供用于对场致发射照明装置供电的驱动信号。所述驱动信号可设置有第一频率，其中，将第一频率选择在与场致发射照明装置的共振处的半功率宽度相对应的范围内。根据本发明，将选择第一频率从而实现场致发射照明装置的共振处的半功率宽度理解为表示将第一频率选择为以场致发射照明装置的共振频率为中心，并具有包含总功率的一半的范围。换一种说法，将第一频率选择在如下所述的频率范围内的某处：在所述频率范围内，驱动信号具有大于其振幅的最大值的确定一半的功率。这由申请人在EP09180155中进一步讨论，该申请通过引用被全部结合在此。

当研究所附的权利要求以及下面的说明书时，本发明的另外的特征和优点将变得更明显。技术受众认识到：在不脱离本发明的范围的情况下，可结合本发明的不同特征来产生除下面描述的实施例之外的实施例。

附图说明

从下面的详细描述以及附图中，将会更容易地理解本发明的各个方面(包括其具体特征和优点)，其中：

图1示出了根据本发明的场致发射阴极的一般概念；

图2a和图2b示出了本发明的场致发射阴极的不同概念的实施例，图2c示出了场致发射阴极的详细示图；

图3a和图3b示出了根据本发明的当前优选实施例的包括场致发射阴极的发射照明装置的不同实施例；以及

图4示出了场致发射照明装置的另一实施例。

具体实施方式

现在将参照附图在下面更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明当前优选的实施例。然而，本发明可以以很多不同形式被实现，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施例；而是为了彻底性和完整性而提供这些实施例，并且这些实施例将向技术受众完全传达本发明的范围。相同的标号始终指代相同部件。

现在将参照附图(特别是将参照图1)描述根据本发明的场致发射阴极100的一般概念。所述场致发射阴极100包括至少部分导电的基底结构102和多个导电并且间隔开的微米级部分104，所述微米级部分104从基底结构102伸出并且优选地(但不是必须)被形成为多边形柱体或圆柱体。优选地，在每个微米级部分104的尖端设置多个导电的纳米结构106。不仅可在微米级部分104的尖端设置有纳米结构106，而且可以在(例如)柱形微米级部分104的侧面以及可能在微米级部分104之间的空间处(例如在基底结构102上)也设置有纳米结构106。

如上所述，优选地，微米级部分104可具有5-500微米之间的直径和可长达10毫米的长度，或者至少具有至少3∶1的纵横比。微米级部分104可以从基底结构102以直角延伸或者可以如图1所示以稍微不同的角度从基底结构102延伸。微米级部分104本身(从长度来看)还可以是直的和/或稍微弯曲。不同的组合当然是可能的并且在本发明的范围内。

纳米结构106优选地或至少包括ZnO纳米结构，并且使用适合于与基底结构102和微米级部分104的材料选择结合的事先已知的生长方法中的任何一种来在微米级部分104上生长纳米结构106。纳米结构106还可包括或者代替包括ZnO纳米结构而包括导电的氧化物、硼化物、氮化物、碳化物、金属合金、硅化物中的至少一个的纳米结构。另外，多个纳米结构的至少一部分具有多边形柱体或圆柱体的形状，并具有5-500纳米之间的直径和长达500纳米的长度。

图2示出了根据本发明的场致发射阴极的两个概念实施例。在图2a中示出的第一实施例示出了场致发射阴极202，所述场致发射阴极202还包括在本实施例中具有双绞线204形式的基底结构102。在双绞线204中间设置了例如在本实施例中具有(优选地比双绞线204更细的)多个微米尺寸的金属导线206的形式的多个微米级部分104。在导线206的外部尖端上设置了纳米结构(比如ZnO纳米结构208)(在图2a中看不到)。

如图2b示出的根据本发明的场致发射阴极210的第二实施例示出了平坦的基底结构210，所述平坦的基底结构210设置有例如导线206的微米级部分的“簇”214，所述簇214按10至100根导线分组。当然可提供更大或更小的簇214。与图2a类似，图2b的导线206设置有ZnO纳米结构208(在图2b中看不到)。然而，ZnO纳米结构208当然可以以不同方向延伸。

然而，在图2c中，可看到在导线206的尖端上布置的ZnO纳米结构208的详细示图。如可看到的那样，ZnO纳米结构208在实质上与微米级部分206延伸的方向相同的方向延伸。

应该注意到，微米级部分104/206可以至少部分地与基底结构102/204/212具有相同的材料，并且所述微米级部分104/206还可以是从基底结构102/204/212的直接材料延伸。在其他实施例中，微米级部分104/206可以与基底结构102/204/212具有不同的材料，其中，例如，基底结构102/204/212可以只部分地导电而微米级部分104/206全部导电。当然，相反的组合也是可以的。也就是说，基底结构102/204/212可以包括导体和绝缘体的混合，从而允许例如微米级部分104/206的分离的簇是单独可寻址的，从而在场致发射应用中可单独被控制。

现在转到图3a和图3b，所述图3a和图3b示出了根据本发明当前优选实施例的两种不同概念的场致发射照明应用，图3a中的场致发射照明应用302基于使用透明的场致发射阳极的概念，比如在透明外壳(比如真空圆柱形玻璃管306)上设置ITO层304。对于光的发射，荧光体层308在向着上面关于图2a讨论的场致发射阴极202的方向被设置在ITO层304的内部。场致发射照明装置302还包括基底310和插座312，从而允许场致发射照明装置302用于例如改进传统灯泡。优选地，基底310包括控制单元，所述控制单元用于向阴极202提供控制驱动信号(即高电压)。

在场致发射照明应用302工作期间，在阴极202和阳极层(例如ITO层304)之间施加电场。通过施加电场，阴极202发射电子，所述电子朝着荧光体层308被累积。当发射的电子与荧光体层308的荧光颗粒撞击时，荧光体层308可提供发光。从荧光体层308提供的光将通过透明ITO/阳极层304和玻璃圆柱体306透射。优选地，所述光是白色，但是彩色光当然也是可以的并且在本发明的范围内。所述光还可以是UV光。

在图3b中示出的第二种类型的场致发射照明应用314中，所述场致发射照明应用314与图3a的场致发射照明应用302相似，它包括一个或多个场致发射阴极202。所述一个或多个阴极202被设置在相似的真空圆柱形玻璃管306中，并且还包括基底310和插座312。然而，场致发射照明应用314的概念是基于反射光，而非布置透明的阳极层。相反地，阳极316实质上被布置在圆柱形玻璃管306内正中央，并且设置有反射涂层(或者包括反射材料，比如包括金属或者由金属结构制成)。在阳极316的上面，然后设置具有与关于图3a讨论的荧光体层308相似的特征的荧光体层318。在上面引用的EP09180339中进一步详细讨论了图3b中示出的场致发射照明应用314的反射阳极的概念。

因此，在场致发射照明应用314工作期间，阳极316被制成反射光而非如图3a中示出的场致发射照明应用302的情况那样透射光。例如，这允许工作期间的高散热。热量将被传导得离开阳极316到达用作热库(thermal bath)的阳极触点。

最后，在图4中描述了平坦场致发射照明装置400，所述平坦场致发射照明装置400包括基于关于图2b中示出的概念的场致发射阴极。实质上，平坦场致发射照明装置400包括如图3a所示的分层结构，例如，包括比如玻璃层402(具有相似特性的材料当然是可以的并且在本发明的范围内)的透明层、透明阳极层(比如ITO层404)和荧光体层406。

所述场致发射阴极可包括导电的并且可寻址的矩阵基底结构，在所述矩阵基底结构中，布置以与关于图2b的相似方式设置的微米级部分206的多个簇。微米级部分206又被设置有多个纳米结构(例如，包括ZnO纳米结构)。

平坦场致发射照明装置400的操作与图3a的场致发射照明装置302相似，然而，荧光体层可以被分割并包括发射不同颜色的光的不同类型的荧光体。此外，如所提到的那样，基底结构可以是可寻址矩阵类型，并且可以与分割的荧光体层406一起用于例如同时发射不同颜色的光。因此，平坦场致发射照明装置400可被用作多颜色显示器。

尽管已经参照本发明的特定示例性实施例描述了本发明，但是很多不同替换、修改等对本领域技术人员来说是显而易见的。从对附图、本公开和所附权利要求的研究中，技术受众在实施所要求权利的发明时，可以理解和实现对公开的实施例的改变。此外，在权利要求中，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”并不排除多个。

Claims (12)

1.一种场致发射阴极，包括：

-至少部分导电的基底结构；和

-空间分布在所述基底结构处的多个导电的微米级部分，其中：

所述多个微米级部分的至少一部分具有多边形柱体或圆柱体的形状、至少3∶1的纵横比、5-500微米之间的直径和长达10毫米的长度；

所述多个微米级部分中的至少一部分各自设置有多个导电的纳米结构，所述纳米结构是具有大于1000nm的长度以及大于20∶1的纵横比的纳米线；并且

所述纳米结构设置在所述微米级部分的外部尖端上。

2.根据权利要求1所述的场致发射阴极，其中，所述纳米结构包括导电的氧化物、硼化物、氮化物、碳化物、金属合金、硅化物中的至少一个的纳米结构。

3.根据权利要求1所述的场致发射阴极，其中，所述纳米结构包括ZnO纳米结构。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的场致发射阴极，其中，所述基底结构包括线。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的场致发射阴极，其中，所述基底结构包括网格和打孔的或实心的薄片中的至少一个。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的场致发射阴极，其中，以超过所述多个微米级部分的平均直径的距离来分布所述微米级部分。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的场致发射阴极，其中，所述多个微米级部分的至少一部分包括导电或半导电的、透光的或反光的材料。

8.一种场致发射装置，所述装置包括：

-阳极结构，和

-真空外壳，所述真空外壳的内部布置有阳极和根据前述权利要求中的任一项所述的场致发射阴极。

9.根据权利要求8所述的场致发射装置，其中，所述阳极结构至少部分地被荧光体层覆盖，并且所述阳极结构包括具有反射涂层的导热材料。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的场致发射装置，其中，所述阳极结构用于接收在阳极结构和场致发射阴极之间施加电压时由场致发射阴极发射的电子，并且用于将荧光体层产生的光从真空外壳反射出去。

11.根据权利要求8或9中的任一项所述的场致发射装置，还包括电源，所述电源被连接到所述场致发射阴极和所述阳极结构之间并用于提供用于对所述场致发射装置供电的驱动信号，所述驱动信号具有第一频率，其中，将第一频率选择在与所述场致发射装置的共振处的半功率宽度相对应的范围内。

12.根据权利要求8或9中的任一项所述的场致发射装置，其中，所述场致发射装置包括在场致发射光源、场致发射显示器、X射线源中的至少一个中。