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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine flache
Beleuchtungseinheit und betrifft ganz allgemein die Herstellung
von flachen, ausgedehnten Lichtquellen von geringer Dicke, wie man
sie verwendet für die rückwärtigen Beleuchtung von
Anzeigevorrichtungen (Flüssigkristall-Bildschirmen), die rückwärtige Beleuchtung
von photographischen Filmen, usw..
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Bisher wurden vom Fachmann für flache Lichtquellen
einer gewissen Ausdehnung meistens zwei unterschiedliche Techniken
angewandt.
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Die erste Technik besteht in der Verwendung von
fluoreszierenden Quellen und vor allem die Verwendung von Quellen
in Form von Röhren, die man in mehr oder weniger großer Anzahl
nebeneinander anordnet. Man verwendet praktisch fluoreszierende
Röhren des Typs Entladungsröhren, die man Seite-an-Seite anordnet,
was zu beleuchtenden Flächen führt, deren Gleichmäßigkeit
unvollständig ist und deren Dicke mindestens bei 1 cm liegt, wenn
man die minimalen Abmessungen der im Handel erhältlichen Röhren
zugrunde legt.
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Die zweite Technik besteht in der Verwendung von
Quellen des elektrolumineszierenden Typs. Im Gegensatz zu den
fluoreszierenden Quellen gibt es elektrofluoreszierende Quellen,
die aus Platten bestehen, aber diese Vorrichtungen haben einen
sehr schlechten Wirkungsgrad, und die Wärme die sie abgeben, um
eine Beleuchtung einer gewissen Stärke zu erzielen, ist ziemlich
groß. Zudem ist die Lebensdauer solcher Vorrichtungen begrenzt.
Die zwei vorhergehenden Nachteile haben bisher die Verwendung der
elektrolumineszenten Quellen stark eingeschränkt außerhalb sehr
spezifischer Anwendungen wie die nächtlichen Verwendungen.
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Die vorliegende Erfindung hat eine flache Lichtquelle
zum Gegenstand, die leicht herzustellen ist unter Verwendung
einfacher Mittel und zu einer Vorrichtung von geringer Dicke führt
(ungefähr 2mm) mit großer Helligkeit (mehrere tausend Candela pro
Quadratmeter), mit einer sehr guten Beleuchtungs-Gleichmäßigkeit
und einer sehr großen Lebensdauer.
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Die flache Lichtquelle, Gegenstand der Erfindung, ist
dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
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- eine Vakuumzelle, begrenzt durch eine Seitenwand und zwei
flache, parallele und isolierende Wände,
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- auf jeder der vorhergehenden ebenen Wände und innerhalb der
Zelle eine leitende Elektrode, bedeckt mit einer
Isolationsschicht, wobei wenigstens einer der beiden Aufbauten
Wand - Elektrode - Isolationsschicht transparent ist,
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- auf einer der Isolationsschichten eine Schicht eines
kathodolumineszenten Materials,
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- in der Nähe der Seitenwand und außerhalb der beiden leitenden
Elektroden eine Elektronenquelle und
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- eine Spannungsquelle, die ermöglicht, wechselweise an die beiden
leitenden Elektroden zwei unterschiedliche Potentiale anzulegen,
so daß die von der genannten Elektronenquelle emittierten
Elektronen wechselweise gesammelt werden durch die genannten
Elektroden.
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Wie man sieht nutzt die erfindungsgemäße flache
Lichtquelle den Kathodolumineszenzeffekt, wie er zum Beispiel
schon in Kathodenröhren unserer Fernsehapparate genutzt wird. Ein
Material wird als kathodolumineszent bezeichnet, wenn es unter der
Wirkung eines Bombardements durch Elektronen einer bestimmten
kinetischen Energie eine Lichtstrahlung emittiert. Solche
kathodolumineszenten Stoffe werden oft irrtümlicherweise
"Phosphore" genannt.
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Erfindungsgemäß bedeckt ein herkömmliches
kathodolumineszentes Material die Innenseite von einem der Beläge des flachen
Kondensators, wobei die entsprechende Elektrode gebildet wird
durch ein leitendendes Material, bedeckt durch eine elektrisch
isolierende Schicht, wie im übrigen die Elektrode des
entgegengesetzten Belags des flachen Kondensators.
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Wenn die erfindungsgemäße Quelle hergestellt wird, um
von einer einzigen ihrer flachen Wände aus zu beleuchten, muß
zumindest die entsprechende Wand sowie die Elektrode und das auf
dieser Wand angebrachte isolierende Material transparent sein,
d.h. durchlässig für das durch die Kathodolumineszenz emittierte
Licht. Wenn diese Quelle hergestellt wird, um mit ihren beiden
flachen Wänden zu beleuchten, müssen diese, sowie die Elektroden
und die isolierenden Materialien transparent sein.
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Im Innern der Vakuumzelle, die die Kondensatorbeläge
enthält, ist eine Elektronenquelle eines an sich bekannten Typs
angeordnet (Glühdraht, Spitzen, usw.), die ermöglicht, nach
Anlegen einer hohen Spannung an den als Anode gewählten Belag, den
flachen Kondensator zu laden durch Speichern von Elektronen, die
sich in Form einer negativen Elektronenwolke in der Nähe dieser
Elektrode lokalisieren, wobei das auf der Elektrode abgeschiedene
isolierende Material eben diese negativen elektrischen Ladungen
daran hindert, in die Anode zu strömen. Wenn die Ladung des
Kondensators auf diese Weise hergestellt ist und man die
Elektronen in Schwingung versetzt durch eine Spannungsquelle, die
wechselweise den beiden leitenden Elektroden zwei unterschiedliche
Potentiale verleiht, so daß die Elektronen wechselweise gesammelt
werden durch die Elektroden, dann schwingen die Elektroden mit der
Frequenz des angelegten Signals zwischen den Belägen, in der Zone,
die diese trennt, somit eine Erregung des kathodolumineszenten
Materials bewirkend, auf das sie bei jeder Periode stoßen und
dabei eine Lichtemission verursachen. Bei stabilen
Betriebsbedingungen verbraucht die Elektronenquelle, die sich in der
Vakuumzelle befindet, praktisch keinen Strom mehr, außer um
ständig die Verluste an Elektronen durch elektrische Defekte in
den Isolatoren zu kompensieren, um diese auf einer konstanten
Anzahl zu halten.
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Die verwendete Elektronenquelle kann eine heiße Quelle
sein (Glühdraht), oder einer kalte Quelle (Photoemission,
Feldeffekt).
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Erfindungsgemäß entspricht die Anzahl schwingender
Elektronen in der Lichtquelle der Kapazität des so verwirklichten
flachen Kondensators und wird folglich völlig bestimmt durch die
Abmessungen des Kondensators, die Dicke der Isolatoren und der an
die Beläge gelegten Spannungen. Sie hängt insbesondere nicht ab
von den Emissions-Charakteristika der verwendeten
Elektronenquelle. Anders ausgedrückt hängt bei Dauerbetrieb die Lichtwahrnehmung
eines Beobachter nur von der Schwingungsfrequenz ab, da die in
jeder Periode emittierte Lichtmenge konstant ist. Dies
gewährleistet
die Gleichmäßigkeit der durch Kathodolumineszenz erzeugten
Beleuchtung.
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Einer der Vorteile der erfindungsgemäßen flachen
Lichtquelle beruht auf der Tatsache, daß ihre Struktur vollkommen
kompatibel ist mit der Herstellung von flachen Quellen mit
geringer Dicke (bis 2mm) und sehr großer Oberfläche (z.B. mehrere
Quadratdezimeter ohne Schwierigkeiten).
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Da die Elektronen, die zwischen den beiden Belägen der
Quelle oszillieren, vielmal genutzt werden, kann die Energie, die
verbraucht wird, um sie mit Hilfe der Elektronenquelle zu
erzeugen, sehr klein gehalten werden.
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Die erfindungsgemäße flache Lichtquelle kann mit sehr
großer Helligkeit ausstrahlen, die einstellbar ist, zugleich
mittels der an die Beläge gelegten Spannung und der Frequenz der
Quelle, zwei Parametern, die annähernd linear diese Helligkeit
beeinflussen.
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Schließlich ist ein nicht zu vernachlässigender Vorteil
dieser Lichtquelle ihre sehr hohe Lebensdauer, die praktisch der
des kathodolumineszierenden Materials entspricht, das die besten
Betriebsbedingungen hat (Potentialunterschied in der Gößenordnung
von 1 bis mehreren Kilovolt und gute elektrische Isolation).
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Die Erfindung wird noch besser verstanden durch die
nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen flachen Lichtquelle, das beispielhaft ist und
keinesfalls einschränkend und sich auf die Figuren 1 bis 3
bezieht:
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- die Figur 1 stellt das allgemeine Prinzipschaltbild
einer erfindungsgemäßen flachen Lichtquelle dar,
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- die Figur 2 zeigt die Ladephase des flachen
Kondensators mittels der Hilfselektronenquelle; - die Figur 2a
zeigt die Verteilung der Ladungen, je nach dem, ob man die obere
Elektrode (linker Teil) oder die untere Elektrode (rechter Teil)
als Anode gewählt hat; - die Figur 2b zeigt die Verteilung der
Elektronendichte auf der durch die obere Elektrode gebildeten
Anode und, - die Figur 2c zeigt die Verteilung der
Elektronendichte, wenn man die untere Elektrode als Anode gewählt
hat,
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- die Figur 3 stellt das Prinzip der Lichtemission bei
Umkehrung der Potentiale zwischen den beiden leitenden Elektroden
der Quelle dar.
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In Figur 1 ist eine Vakuumzelle 1 dargestellt, begrenzt
durch eine Seitenwand 2 und zwei flache, parallele und
transparente Wände, z.B. aus Glas, oben 3 beziehungsweise unten 4,
die Elemente einer erfindungsgemäßen flachen Lichtquelle, die
umfaßt: eine transparente leitende Elektrode 5, angeordnet im
Innern der Zelle 1 auf der Wand 3; eine leitenden Elektrode 6 im
Innern der Zelle 1 auf der Wand 4; zwei schichten aus isolierendem
Material 7 und 8, die jeweils die leitenden Elektroden 5 und 6
bedecken, und auf einem der Beläge, hier dem unteren Belag, eine
Schicht aus kathodolumineszentem Material 9. Ein
Spannungsgenerator 10 ermöglicht die Steuerung des Potentials der
Elektroden 5 und 6.
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Die Vorrichtung wird vervollständigt durch die
Elektronenquelle 11, z.B. des Typs mit Glühfaden, an deren Klemmen
man die Spannungen V1s und V2s legt.
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In dem Beispiel der Figur 1 werden die flachen
Seitenwände 3 und 4 hergestellt durch auf der Seitenwand 2 dicht
versiegelte Glasplatten.
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Das obere Glassubstrat 3 wird durch den transparenten
Leiter 5 bedeckt, gebildet aus zinndotiertem Indiumoxid, mit einer
Dicke von ungefähr 10&supmin;&sup5;cm (1000 Angström), und die isolierende
Schicht 7, die den Leiter 5 bedeckt, ist eine Siliciumoxidschicht
von ungefähr 5 Mikrometern.
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Das untere Glassubstrat 4 ist bedeckt durch einen
metallischen Leiter 6. Wenn, wie dies meist der Fall ist, der
Leiter 6 nicht transparent zu sein braucht, kann er erzeugt werden
mittels einer Aluminiumabscheidung mit einer Dicke von ungefähr
10&supmin;&sup5;cm (1000 Angström). Auf dem Leiter 6 befindet sich eine dünne,
isolierende Schicht 8, hergestellt, wie die homologe Schicht 7,
mittels einer Siliciumoxidabscheidung von ungefähr 5 um Dicke. Auf
der Isolationsschicht 8 befindet sich eine Schicht 9 aus
kathodoluminieszentem Material, aufgebracht entweder durch
Siebdruck mittels eines Pulvers, oder direkt durch
Dünnschichtabscheidung, mit einer Dicke in der Größenordung von
1 um. Der Fachmann kennt die im Rahmen der Erfindung verwendbaren
lumineszenten Stoffe ganz genau, und er kann z.B. das
europiumdotierte oxisulfid Y&sub2;O&sub2;S verwenden, um eine Lichtemission
im Rotbereich zu erhalten, oder das mit Kupfer und mit Aluminium
dotierte Zinksulfid ZnS, um eine Lichtemission im Grünbereich zu
erhalten, und das mit Silber dotierte Zinksulfid ZnS, um eine
Lichtemission im Blaubereich zu erhalten.
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Erfindungsgemäß kann die Elektronenemissionsquelle 11
durch jede bekannte Einrichtung verwirklicht werden, wie zum
Beispiel die durch thermoelektrischen Effekt emittierenden
Glühdrähte, die mittels Feldeffekt emittierenden Mikrospitzen und
die mittels Photoemissionseffekt emittierenden Dünnschichten.
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Der in Figur 1 dargestellte Aufbau ist versehen mit
elektrischen Anschlüssen nach außen, die erlauben:
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1) - die transparenten elektrischen Leiter 5, angeordnet auf der
oberen Wand 3 der Quelle, auf ein Potential zu bringen, das
man mit Vsup bezeichnet;
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2) - den metallischen Leiter 6, aufgebracht auf die untere Wand 4,
auf ein elektrisches Potential zu bringen, das man mit Vinf
bezeichnet;
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3) - die Elektronenquelle 11 mit einem oder mehreren potentialen
zu verbinden, die kleiner sein müssen als Vsup oder Vin. Für
den Fall, daß die Quelle gebildet wird durch einen Glühdraht,
verbinden sie zwei Anschlüsse (was der Fall der Figur 1 ist),
die an den Potentialen V1s bzw. V2s liegen, mit der
Außenseite. Für den Fall, daß die Quelle gebildet wird durch
Mikrospitzen, sind wieder zwei Anschlüsse erforderlich, aber
einer wird genutzt für die die Mikrospitzen tragende Kathode,
und der andere für das Steuergate für die
Elektronengewinnung.
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Für den Fall, daß die Elektronenquelle 11 gebildet wird
durch eine Photoemissionsschicht, ist nur eine einzige Verbindung
nach außen erforderlich.
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In allen Fällen kann der Fachmann auf jeden Fall die
Elektronenquelle 11 nutzen um, nachdem er eine der beiden
Elektroden 5 oder 6 als Anode gewählt hat, die Ladung des flachen,
durch diese beiden Elektroden gebildeten Kondensators zu
erreichen.
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Die Erläuterungen in der Folge des Textes beziehen sich
auf den häufigsten Fall, welcher der ist, in dem die
Elektronenquelle gebildet wird durch einen Glühdraht, dessen zwei
Enden auf die potentiale V1s bzw. V2s gebracht werden.
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Im Beispiel der Figur 1 ist nur eine der Einheiten Wand
3 - Leiterelektrode 5 - Isolationsschicht 7 transparent, und die
Quelle strahlt nur auf einer Seite aus. Man könnte auch, ohne den
Rahmen der Erfindung zu verlassen, eine flache Quelle herstellen,
die auf beiden Seiten ausstrahlt, indem man die beiden Wände 3 und
4, die beiden Elektroden 5 und 6 und die beiden
Isolationsschichten 7 und 8 aus transparentem Material herstellt.
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Nun wird die Funktionsweise der soeben beschriebenen
flachen Lichtquelle mit Bezugnahme auf die Figur 1 beschrieben,
wobei man im Gedächtnis behält, daß diese Betriebsweise zwei
Schritte umfaßt, nämlich:
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- zunächst einen Schritt, den man als statischen
Betriebszustand bezeichnet, und während dem die Spannungsquelle 10
die Elektroden 5 und 6 auf konstante Potentiale bringt und die
Elektronenquelle 11 benutzt wird, um den durch die leitenden
Elektroden gebildeten Kondensator zu laden. Während dieser Ladung
im statischen Betriebszustand sendet die Quelle keine
Lichtstrahlung aus. Dieser statische Betriebszustand wird
beschrieben mit Bezug auf die Figuren 2 (2a, 2b, 2c).
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- anschließend wird ein Betriebszustand beschrieben,
mit Bezug auf die Figur 3, den man als dynamischen Betriebszustand
bezeichnet und der in Wirklichkeit den Betriebsperioden der
Lichtausstrahlungsquelle entspricht.
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Bei Betrieb im statischen Zustand, während dem man den
durch die Beläge 5 und 6 gebildeten Kondensator lädt, liefert die
Spannungsquelle 10 konstante Potentiale Vsup und Vinf. In Figur 2a
sind die beiden Möglichkeiten dargestellt, die sich dem Benutzer
anbieten, nämlich: auf der linken Hälfte die Verwendung der oberen
Elektrode als Anode, wobei diese letztere auf ein Potential Vsup
in der Größenordnung von 1 Kilovolt (Vsup = VAnode) gebracht wird,
und die untere Elektrode 6 auf eine Ruhespannung Vinf gebracht
wird, die wenig abweicht von 0 (Vinf = VRuhe); auf der rechten
Seite derselben Figur 2a die umgekehrt option, bei der man die
untere Elektrode als Anodenelektrode verwendet (Vinf = VAnode) und
die obere Elektrode an eine Ruhespannung legt (Vsup = VRuhe)
Beide Vorgehensweisen sind im wesentlichen gleichwertig, abgesehen
davon, daß es im allgemeinen vorzuziehen ist, die Option des
linken Teils der Figur 2a zu wählen, die der Akkumulation der
elektronischen Ladungen auf dem Belag des Kondensators entspricht,
der kein kathodolumineszentes Material enthält.
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Wenn man zurückkommt auf den Fall des linken Teils der
Figur 2a, spielt der obere Leiter 5 die Rolle der Anode, und wenn
man die Elektronenquelle in Betrieb setzt, sammelt sie, wie auf
der Zeichnung symbolisch angedeutet, die Elektronen, die emittiert
werden durch diese Quelle 11, die mit den Potentialen V1s= 0 Volt
und V2s= 5 Volt arbeitet. Unter diesen Bedingungen ist die Quelle
11 praktisch auf dem gleichen Potential wie die untere Elektrode 6
und es ist die obere Elektrode 5, die die Rolle der Anode spielt
und die Wolke der Elektronen e sammelt, emittiert durch die
Quelle 11. Die Figur 2b zeigt den Verlauf 12 der Dichte dieser
Elektronen in der Nähe der oberen Wand 3. Die so durch den oberen
Leiter 5 gesammelten Elektronen werden durch diesen nicht
eliminiert, da nämlich die Schicht 7 sie daran hindert, direkt in
den Kondensatorkreis zu strömen. Diese Elektronen sammeln sich
folglich in der Grenzschicht zwischen dem Vakuum der Zelle 1 und
der Isolierschicht 7 an, bis das lokale Potential den gleichen
Wert erreicht, wie das Potential der Emissionsquelle. Wenn dieser
Zustand hergestellt ist, ist das Potential in der Nähe der
Isolationsschicht annähernd das, das angelegt ist zwischen der
Elektronenemissionsquelle 11 und dem oberen Leiter 5, der die
Rolle der Anode spielt. Dieses Potential hat in dem gewählten
Beispiel die Größenordnung von 1 Kilovolt, was die für die
Isolationsschichten 7 und 8 gewählten Dicken von 5 Mikrometer
rechtfertigt.
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Somit ist am Ende dieser Ladephase des Kondensators die
Anzahl der durch den oberen Anodenleiter 5 im
Gleichgewichtszustand gesammelten Elektronen zugleich proportional zur
Potentialdifferenz zwischen der Quelle 11 und der Kollektorelektrode 5 und
zum Kehrwert der Dicke des Isolators 7, wie es die Kapazität des
so gebildeten Kondensators selbst ist.
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Der rechte Teil der Figur 2a sowie die Figur 2c zeigen
die symetrische Option, bei der der Benutzer die obere Elektrode 5
in Ruhe versetzt und sich dafür entschieden hat, die untere
Elektroden 6 auf ein Potential von 1 Kilovolt zu bringen, um sie
zur Anode zu machen. Dieser Anwendungsmodus wird nicht weiter
beschrieben, da er genau symetrisch zum vorhergehenden ist und
sich für den Fachmann ohne Schwierigkeit daraus ableiten läßt.
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Unter Bezug auf Figur 3 wird nun der dynamische
Betriebszustand der Quelle beschrieben, d.h. der Betriebszustand,
während dem man nach der vorhergehenden statischen Ladephase
periodisch die Potentiale der Leiterelektroden 5 und 6 umkehrt, um
durch Aufprall der negativen elektrischen Ladungen auf der
kathodolumineszenten Schicht 9 den Lichtemissionseffekt zu
erzielen.
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Wenn man, ausgehend vom Zustand der auf der linken
Seite der Figur 2a dargestellten Potentiale, die jeweils an den
oberen und den unteren Leiter 5 und 6 angelegten Potentiale
umkehrt, erhält man das Schema der Figur 3, in dem die
Elektronenwolke sich in Richtung der unteren Elektrode 6 bewegt
und auf die kathodolumineszente Schicht 9 prallt und dabei die
Emission von Photonen h ν in Richtung Außenseite der Quelle
verursacht. Die Elektronen, die im Moment der Umkehrung der
Ladungszonen auf das kathodolumineszente Material prallen, lösen
die Emission von Licht aus, und es genügt, wenn die
Spannungsquelle 10 wechselweise den Elektroden 5 und 6 die
Potentiale VAnode und VRuhe liefert, um den Vorgang periodisch zu
machen und die kontinuierliche Lichtemission zu bewirken.
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Wenn man mit Q/mm² die in der Nähe der
Kollektorelektrode pro Quadratmillimeter gespeicherte Ladung bezeichnet,
mit f die Umkehrfrequenz der Potentiale der Spannungsquelle 10
zwischen der oberen und der unteren Elektrode, kann sich der auf
das kathodolumineszente Material geleitete Strom i=Qf schreiben.
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In einem praktischen Anwendungsbeispiel der Erfindung
verleiht man den Dicken der Isolationen 7 und 8 eine Abmessung von
5 Mikrometer, hergestellt aus Siliciumdioxid mit Index =5 (silice
d'indice =5); eine Potentialdifferenz von 1 Kilovolt zwischen den
beiden Leiterelektroden und eine Wechselfrequenz von 1 kHz für die
Spannungsquelle führt zu einer Ladung Q pro Quadratmillimeter von
ungefähr 10&supmin;&sup8; Coulomb und einem Ladestrom pro Quadratmillimeter
von ungefähr 10 Mikroampere.
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So wird eine Helligkeit von mehreren tausend Candela
pro Quadratmeter erzielt, unter Berücksichtigung der normalen
Umwandlungswirkungsgrade der üblicherweise verwendeten
kathodolumineszenten Materialien.
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Im übrigen kann der vorhergehend beschriebene statische
Betriebszustand als eine dem dynamischen Betriebszustand
vorausgehende Phase wegelassen werden. Die für den Betrieb
erforderliche Ladung Q baut sich dann progressiv auf im Laufe des
dynamischen Betriebs.