KR19990028976A - Fluorescent lamps - Google Patents
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Abstract
냉음극 섬유의 직경이 약 100 미크론보다 작은 섬유 냉음극 전계 방사체; 이 섬유 냉음극 전계 방사체에 의해 방출된 전자의 흡인용 양극; 영구 광을 발생시키는 냉음극 전계 방사체로부터 방출된 전자와 접촉할 수 있는 인광체; 및 밀폐부 내에 냉음극 전계 방사체, 양극, 및 인광체를 함유한 약 10-5토르보다 작은 진공 밀폐부를 포함한 조명 장치가 제공된다.Fiber cold cathode field emitters having a cold cathode fiber diameter of less than about 100 microns; An anode for sucking electrons emitted by the fiber cold cathode electric field emitter; A phosphor capable of contacting electrons emitted from a cold cathode field emitter that generates permanent light; And a vacuum enclosure of less than about 10 -5 Torr containing a cold cathode field emitter, an anode, and a phosphor in the enclosure.
Description
형광 조명은 수년 동안 상업용 건축물에 표준 조명법으로 이용되어 왔다. 이는 가정용 수준으로 사용되고 있으나, 일반적으로 큰 지역을 경제적으로 조명할 필요가 있는 곳에 적용된다. 백열 텅스텐 조명이 보다 덜 효율적이고 형광 조명보다 더 비싸지만, 백열 전구는 편리성 및 경제성(ascetics)이 우수하기 때문에 가정용 조명의 기본적인 조명법이 되고 있다.Fluorescent lighting has been the standard lighting method for commercial buildings for many years. It is used at home level, but is generally applied where it is necessary to economically illuminate a large area. While incandescent tungsten lighting is less efficient and more expensive than fluorescent lighting, incandescent bulbs are becoming the basic lighting method for home lighting because of their convenience and economics.
형광 조명이 매우 효율적인 조명법이라 하더라도, 몇몇 결함을 갖고 있다. 이들 결함 중에는 생태학적인 것도 있다. 형광 조명관(fluorescent light tubes)는 이제 수은의 매우 유독한 규제된 물질을 함유하기 때문에, U.S. Environmental Protection Agency(EPA)에 의해 유해 물질로 분류되고 있다. 이러한 문제는 광으로부터 수은의 잠재적인 여과 문제 및 광의 분쇄에 의한 수은과의 반응을 위한 이들 광으로의 화학제의 첨가에 대해 기술하는 U.S. Patent Nos. 5,229,686호 및 5,229,687호 등에서의 현상을 초래한다. 또한, 전부 그런 것은 아니지만, 대부분의 형광 조명 시스템에 요구되는 밸러스트 저항기는 그 물질들이 EPA에 의해 규제된 발암성이 매우 높은 물질인 폴리클로라네이티드 바이페닐 오일(PCB's)을 함유할 수 있다.Although fluorescent lighting is a very efficient method of illumination, it has some drawbacks. Some of these deficiencies are ecological. Fluorescent light tubes now contain very toxic regulated substances of mercury, so U.S. Classified as hazardous by the Environmental Protection Agency (EPA). This problem addresses U.S. Patent No. 5, which describes potential filtration problems of mercury from light and the addition of chemicals to these lights for reaction with mercury by crushing light. Patent Nos. It causes a phenomenon in 5,229,686 and 5,229,687 and the like. In addition, but not all, ballast resistors required for most fluorescent lighting systems may contain polychlorinated biphenyl oils (PCB's), which are materials whose carcinogenicity is highly regulated by EPA.
일반적으로, 형광 전구에서의 광의 발생은 몇몇 단계를 거친다. 먼저, 튜브 내의 액체 수은(liquid mercury)이 전자적으로 가열되어 적어도 수은의 일부를 휘발시키게 된다. 그 후, 전기 전류가 수은 증기를 통과하여 수은을 플라즈마 상태로 여기시킨다. 여기된 수은 플라즈마는 자외선(UV)을 방출한다. 최종적으로, UV광은 인광체가 UV 광에너지를 방출된 가시광으로 변환시키는 전구 내의 인광체에 충돌(strike)한다. 이러한 광 발생 경로는 어떤 성능 결함을 갖는다. 종래의 백열 텅스텐 조명 시스템과 비교해 보면, 형광 조명 시스템에서는 수은 증기를 제공하기 위해 수은이 먼저 가열되어야 하기 때문에 시동이 느리다. 또한, 형광 광은 수은 증기에 흐르는 전류를 기동시켜 유지하는데 요구되는 트랜스포머 및 밸러스트 저항기 전자 장치에 기인하여 음향 잡음을 형성하는 것으로 공지되어 있다. 형광 조명으로부터 출력된 빛의 진동은 시스템이 냉각되고 처음에 켜질 때 발생할 수 있음으로 인해, 사람에게 혼란을 준다. 더구나, 형광 조명 시스템은 종래의 조광(dimming) 기술과는 호환되지 않는 것으로, 이러한 종래의 조광 기술은 더욱 이색적인 전자 장치를 이용하여 값비싸고 조광가능한 형광 조명을 필요로 하는 광의 밝기 출력을 조절하는데 사용된다.In general, the generation of light in a fluorescent bulb takes several steps. First, liquid mercury in the tube is heated electronically to volatilize at least some of the mercury. An electric current then passes through the mercury vapor to excite the mercury in the plasma state. The excited mercury plasma emits ultraviolet (UV) light. Finally, the UV light strikes the phosphor in the bulb where the phosphor converts the UV light energy into emitted visible light. This light generation path has some performance deficiency. Compared with the conventional incandescent tungsten lighting system, the fluorescent lighting system is slow to start because mercury must first be heated to provide mercury vapor. Fluorescent light is also known to form acoustic noise due to the transformer and ballast resistor electronics required to activate and maintain the current flowing in the mercury vapor. Vibration of light output from fluorescent lights can be confusing to a person because it can occur when the system is cooled and initially turned on. Moreover, fluorescent lighting systems are incompatible with conventional dimming techniques, which use more exotic electronics to adjust the brightness output of light that requires expensive and dimmable fluorescent lighting. do.
I.Brodie, U.S. 4,818,914호에서는 한 표면에서부터 나온 바늘형 부재의 배열로 형성된 음극, 관통하는 개구의 배열로 형성된 가속기 전극, 인광체로 된 층, 및 양극 전극을 포함한 램프를 개시하고 있다. 음극 및 가속기 전극 양단과, 음극 및 양극 양단에 인가된 전압으로 음극으로부터의 전계 방출 및 양극에 의한 전자 수집 결과를 얻게 된다. 인광체로 된 층 상에서의 전자의 충돌로 광 방출 결과를 얻게 된다. Dworsky et al., U.S. 5,180,951호에는 실질적으로 평면인(평평한) 다결정성 다이아몬드막 전자 방사체로 구성된 균일한 광원을 개시하고 있다. Y. Taniguichi et al., WO 94/28571호에는 도전성 필라멘트 상에 피착된 비결정성 다이아몬드막 및 방출된 전자에 의해 충돌할 때 광을 방사하는 막 층을 포함하는 형광 튜브 광원을 개시한다. 비결정성 다이아몬드막은 복수의 분산 배치된 전자 방출 위치로 구성되는 것으로 전해지며, 각각의 부 위치(sub site)는 부 영역들 간의 전자가 다른 복수의 부 영역을 갖는다.I. Brodie, U.S. 4,818,914 discloses a lamp comprising an anode formed from an array of needle-like members emerging from one surface, an accelerator electrode formed from an array of penetrating openings, a layer of phosphor, and an anode electrode. The voltage applied across the cathode and accelerator electrodes, and across the cathode and anode, results in field emission from the cathode and electron collection by the anode. The impact of electrons on the phosphor layer results in light emission. Dworsky et al., U.S. 5,180,951 discloses a uniform light source composed of a substantially planar (flat) polycrystalline diamond film electron emitter. Y. Taniguichi et al., WO 94/28571 discloses a fluorescent tube light source comprising an amorphous diamond film deposited on a conductive filament and a film layer that emits light upon impact by emitted electrons. The amorphous diamond film is said to be composed of a plurality of dispersedly arranged electron emission positions, and each sub site has a plurality of sub regions in which electrons between sub regions are different.
본 발명의 목적은 섬유 전계 방출 요소를 사용하여 수은이 없는 형광 조명을 제공하기 위한 것이다.It is an object of the present invention to provide mercury free fluorescent illumination using fiber field emission elements.
본 발명의 다른 목적은 대체로 순간적으로 턴온하는 형광 조명을 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a fluorescent light which is generally turned on instantaneously.
본 발명의 또 다른 목적은 저 전압, 저 전력 백라이트(배면광)를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to provide a low voltage, low power backlight (back light).
<발명의 요약>Summary of the Invention
본 발명의 상기 및 다른 목적을 달성하기 위해, 여기에서 구체화되어 광범위하게 기술된 바와 같이, 본 발명은 상기 냉음극 섬유의 직경이 약 100 미크론보다 작은 섬유 냉음극 전계 방사체, 섬유 냉음극 전계 방사체에 의해 방출된 전자의 반응용 양극, 영구 광(persistent light)을 발생시키는 냉음극 전계 방사체로부터 방출된 전자와 접촉할 수 있는 인광체, 밀폐 용기(enclosure) 내에 냉음극 전계 방사체, 및 양극 및 인광체를 함유한 약 10-5토르보다 적은 진공 밀폐 용기를 포함한 조명 장치를 제공한다. 영구 광은 와트당 적어도 20 루멘스의 광도(luminous intensity)를 갖는 것이 바람직하다.In order to achieve the above and other objects of the present invention, as embodied and broadly described herein, the present invention relates to a fiber cold cathode electric field emitter, a fiber cold cathode electric field emitter having a diameter of the cold cathode fiber smaller than about 100 microns Containing a reactive anode of the electrons emitted by it, a phosphor capable of contacting electrons emitted from a cold cathode field emitter that generates permanent light, a cold cathode field emitter in a sealed enclosure, and an anode and a phosphor Provide a lighting device including a vacuum hermetically sealed container of less than about 10 -5 Torr. The permanent light preferably has a luminous intensity of at least 20 lumens per watt.
본 발명은 조명(lighting)에 관한 것으로, 특히, 냉음극 전계 방사체(cathode field emitter)와 결합하여 적절한 인광체(phosphor)를 사용하는 조명 제품(lighting articles)에 관한 것이다. 본 발명은 에너지부와 접촉하여 얻은 결과이다(Contract No. W-7405-ENG-36).TECHNICAL FIELD The present invention relates to lighting, and in particular, to lighting articles that use an appropriate phosphor in combination with a cathode field emitter. The present invention is the result obtained by contacting the energy part (Contract No. W-7405-ENG-36).
도 1은 본 발명의 조명 장치에 따른 연장된 튜브 디바이스의 도시도이다.1 shows an elongated tube device according to the lighting device of the invention.
도 2는 본 발명의 조명 장치에 따른 평판 디바이스의 분해도이다.2 is an exploded view of a flat panel device according to the lighting apparatus of the present invention.
도 3은 본 발명의 조명 장치에 따른 전구 디바이스의 도시도이다.3 shows a light bulb device according to the lighting device of the invention.
도 4는 본 발명의 조명 장치에 따른 광 빔 생성 디바이스의 도시도이다.4 is an illustration of a light beam generating device according to the lighting apparatus of the present invention.
도 5는 본 발명의 조명 장치에 따른 테스트 디바이스의 도시도이다.5 shows a test device according to the lighting device of the invention.
도 6은 본 발명의 조명 디바이스에 대한 구동기 회로의 도시도이다.6 is a diagram of a driver circuit for the lighting device of the present invention.
도 7은 표준 광 전구 소켓에 사용되는 전구 디바이스의 도시도이다.7 is an illustration of a light bulb device used in a standard light bulb socket.
본 발명은 전계 방출 조명 장치 및 섬유 전계 방출 조명(FFEL) 장치에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to field emission illumination devices and fiber field emission illumination (FFEL) devices.
본 발명의 조명 장치는 인광체, 예를 들어, 음극 발광 물질로부터 출력된 광을 발생시키기 위해 전계 방출을 이용한다.The lighting device of the present invention utilizes field emission to generate light output from a phosphor, for example a cathode luminescent material.
전계 방출 조명 장치는 섬유 냉음극 전계 방사체를 포함한다. 전계 방출 전자 방출 물질은 섬유 형태로 제공될 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 섬유 음극의 전계 방출 전자 방출 물질로는 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 또는 유리형 탄소인 것이 바람직하다. 다이아몬드가 특히 양호하다. 섬유 음극은 1개 이상의 다이아몬드, 기본적으로 다이아몬드로 구성되는 다이아몬드형 탄소 또는 유리형 탄소 복합 섬유, 및 비 다이아몬드 코어 섬유 상의 다이아몬드형 탄소 또는 유리형 탄소로 형성된다. 비 다이아몬드 코어는 도전성 또는 반도체 물질로 구성될 수 있다. 대안적으로, 코어는 도전성 또는 반도체 물질의 막 코팅으로 둘러싸인 비 도전성 물질로 구성될 수 있다. 다이아몬드 섬유 내의 코어 물질은 예를 들어, 흑연 등의 도전성 탄소 또는 텅스텐 등의 금속일 수 있거나, 예를 들어, 실리콘, 동, 몰리브덴, 티타늄 또는 탄화실리콘이 될 수 있다. 다른 실시예에서, 코어는 더욱 복잡한 구조, 예를 들어, 도전성 또는 반도체 물질의 얇은 코팅으로 둘러싸인 비도전성 물질로 구성될 수도 있다. 다이아몬드, 다이아몬드형 또는 유리형 탄소층이 외장(sheath)에 코팅된다. 예로서, 비도전성 코어는 나일론이나 케블러(KEVLAR-)(케블러은 E.I.du Pont de Nemours and Company, Wilmington, DE의 상표명이다) 등의 합성 섬유, 또는 폴리에스테르나 세라믹 또는 유리 등의 무기 물질이 될 수 있다. 다른 실시예에서, 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 또는 유리형 탄소 전구체(precursor)는 비 다이아몬드 코어 상에 코팅될 수 있거나, 코어는 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 또는 유리형 탄소 전구체가 될 수 있으며, 전구체의 적절한 처리에 의해 다이아몬드, 다이아몬드형 탄소 또는 유리형 탄소가 형성된다.The field emission illuminator comprises a fiber cold cathode field emitter. The field emission electron emitting material can be any material that can be provided in the form of a fiber. The field emission electron-emitting material of the fiber cathode is preferably diamond, diamond-like carbon or glassy carbon. Diamond is particularly good. The fibrous cathode is formed of one or more diamonds, diamond-like carbon or glassy carbon composite fibers consisting essentially of diamond, and diamond-like or glassy carbon on non-diamond core fibers. Non-diamond cores may be composed of conductive or semiconductor materials. Alternatively, the core may be composed of a non-conductive material surrounded by a film coating of conductive or semiconductor material. The core material in the diamond fiber may be, for example, conductive carbon such as graphite or a metal such as tungsten, or may be, for example, silicon, copper, molybdenum, titanium or silicon carbide. In other embodiments, the core may be composed of a more complex structure, for example a nonconductive material surrounded by a thin coating of conductive or semiconducting material. A diamond, diamond or glassy carbon layer is coated on the sheath. For example, the non-conductive core may be nylon or Kevlar (KEVLAR- ) (Kevlar May be a synthetic fiber such as EIdu Pont de Nemours and Company, Wilmington, DE) or an inorganic material such as polyester, ceramic or glass. In other embodiments, diamond, diamond-like carbon or glassy carbon precursors may be coated on non-diamond cores, or the cores may be diamond, diamond-like carbon or glassy carbon precursors, and the appropriate treatment of the precursors This forms diamonds, diamond-like carbons or glassy carbons.
특히, 전계 방출 조명 장치는 Valone에 의한 1994년 2월 14일자 "Diamond-Graphite Field Emitters"라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 번호 제08/196,343호, 또는 Valone 등에 의한 1994년 2월 14일자 "Diamond Fiber Field Emitters"라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 08/196,340호의 일부 계속 출원중에 있는 Blancher 등에 의한 1995년 2월 13일자 "Diamond Fiber Field Emitters"라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 08/387,539호에 기재된 유형일 가능성이 있는 섬유 냉음극 전계 방사체를 포함하며, 이들 명세서는 참고로 여기에 인용되어 있다. 또한, 냉음극 전계 방사체는 강한 이온 빔 처리에 노출함으로써 처리된 적절한 흑연 섬유나 Freidmann에 의한 1995년 8월 14일자 "Method for Creation of Controlled Field Emission Sites"라는 명칭으로 출원된 미국 특허 예비 출원 60/002,277호에 기재된 바와 같이 레이저에 노출함으로써 처리된 적절한 흑연 섬유, 또는 1995년 2월 13일자로 출원된 미국 특허 출원 08/387,539호에 기재된 바와 같은 다이아몬드 코팅되거나 다이아몬드형 코팅된 니켈 코팅 KEVLAR섬유, 또는 유리형 탄소, 약 1380㎝-1및 1598㎝-1로 라만 피크(Raman peaks)를 나타내는 비결정성 물질을 함유한 섬유 등의 임의의 다른 적절한 방출 섬유 물질이 될 수 있다. 여기에서, "다이아몬드형 탄소"는 유리형 탄소와 유리형 탄소의 미시적 함유량을 갖는 탄소뿐만 아니라 다이몬드형 탄소와 같이 위 자료에 언급된 물질을 지정하는데 사용되며, 이들은 모두 전계 방출 물질과 같이 그 성능에 있어 다이아몬드형이다.In particular, the field emission illuminator is U.S. Patent Application No. 08 / 196,343 filed "Fiamond-Graphite Field Emitters" filed February 14, 1994, or "Diamond" filed February 14, 1994, Valone et al. Part of U.S. Patent Application 08 / 196,340, filed under the name Fiber Field Emitters, described in U.S. Patent Application 08 / 387,539, filed February 13, 1995, entitled "Diamond Fiber Field Emitters." Fibrous cold cathode field emitters, which may be of the type, which are incorporated herein by reference. Cold cathode field emitters are also described in US Patent Preliminary Application 60 / filed under the name "Method for Creation of Controlled Field Emission Sites" dated August 14, 1995 by Freidmann or appropriate graphite fibers treated by exposure to strong ion beam treatment. Suitable graphite fibers treated by exposure to a laser as described in 002,277, or diamond coated or diamond-coated nickel coated KEVLAR as described in US Patent Application 08 / 387,539, filed February 13, 1995. Fibers, or any other suitable emitting fiber material, such as glassy carbon, fibers containing amorphous material exhibiting Raman peaks at about 1380 cm −1 and 1598 cm −1 . Here, "diamond type carbon" is used to designate the materials mentioned in the above data, such as diamond type carbon as well as carbon with microscopic content of free carbon and glass type carbon, all of which have the same performance as field emission materials. It is diamond-shaped.
부가적으로, 섬유 냉음극은 일반적으로, 활성화된 표면을 갖는 도전성 물질이 될 수 있으며, 즉, 적절한 치수 즉, 약 100 미크론보다 작은 것이 일반적이며, 바람직하게는 약 15 미크론보다 작고, 더욱 바람직하게는 약 10 미크론보다 작은 비교적 낮은 바이어스 전압에서 전자가 빠지게 할 수 있다. 위 적정 물질들 중에는 예를 들어, 플래시 가열에 의한 섬유의 처리에 기초한 활성화된 표면에 적당하게 마그네슘 산화물 등의 얇은 섬유를 포함할 수도 있다.In addition, the fibrous cold cathode may generally be a conductive material having an activated surface, ie it is generally suitable dimensions, ie smaller than about 100 microns, preferably smaller than about 15 microns, more preferably Can drain electrons at a relatively low bias voltage of less than about 10 microns. Among the titrants may include, for example, thin fibers, such as magnesium oxide, as appropriate on the activated surface based on the treatment of the fibers by flash heating.
일반적으로, 섬유 음극의 섬유 각각의 직경은 약 100 미크론보다 작고, 양호하게는 약 15 미크론보다 작으며, 더욱 양호하게는 약 10 미크론보다 작은 직경을 갖는다. 더 작은 직경 섬유는 전계 방출을 발생시키는데 필요한 전압을 감소시킨다. 바람직하게는, 직경은 1 미크론을 초과한다. 일반적으로, 냉음극 섬유의 직경은 현재 이용가능한 조명 장치에 공통적으로 사용되는 금속 필라멘트의 치수보다 실질적으로 더 작다. 단일 섬유가 섬유 음극으로서 사용될 수 있으므로, 일반적으로 전자 방출의 여분을 제공하기 위해 섬유 음극과 같은 단일 섬유보다 더 많은 것을 사용하는 것이 바람직하다.Generally, the diameter of each of the fibers of the fiber cathode is less than about 100 microns, preferably less than about 15 microns, and more preferably less than about 10 microns. Smaller diameter fibers reduce the voltage needed to produce field emission. Preferably, the diameter is greater than 1 micron. In general, the diameter of the cold cathode fibers is substantially smaller than the dimensions of the metal filaments commonly used in currently available lighting devices. Since a single fiber can be used as the fiber cathode, it is generally desirable to use more than a single fiber, such as a fiber cathode, to provide redundancy of electron emission.
본 발명의 조명 장치에 사용되는 인광체는 전자 방출에 의해 충돌되는 것에 따른 가시광을 발생시키는데 적당한 임의의 형태인 것이 일반적이다. 예를 들면, 인광체는 아연 산화물: 아연, 아연 황화물, 카드뮴 황화물, 아연 카드뮴 황화물, 아연 셀레나이드, 아연 카드뮴 셀레나이드 이티륨 실리케이트: 세슘, 아연 인산염: 마그네스(magnaese), 또는 적절한 여기에 따른 광을 방출하는 다른 공지된 물질이 될 수 있다. 인광체들의 혼합물이나 화합물이 사용될 수도 있다.The phosphor used in the lighting device of the present invention is generally in any form suitable for generating visible light as it is impacted by electron emission. For example, the phosphor may be zinc oxide: zinc, zinc sulfide, cadmium sulfide, zinc cadmium sulfide, zinc selenide, zinc cadmium selenide yttrium silicate: cesium, zinc phosphate: magnese, or light according to appropriate excitation. It may be another known material that emits. Mixtures or compounds of phosphors may be used.
본 발명에 사용되는 인광체는 영구 광을 생산할 수 있는데 즉, 인광체의 특정점에서 나온 광은 여기되는 것과 같이 시간에 따라 쉽게 사라져가지 않는다. 부가적으로, 여기된 인광체에서 나온 출력은 와트당 적어도 20 루멘스의 광도로 영구 가시광을 발생시킬 수 있다.Phosphors used in the present invention can produce permanent light, that is, light from a particular point of the phosphor does not disappear easily over time as it is excited. In addition, the output from the excited phosphor can generate permanent visible light at a brightness of at least 20 lumens per watt.
본 발명의 조명 장치는 섬유 냉음극 전계 방사체, 인광체, 및 냉음극 전계 방사체로부터 방출된 전자의 흡인용 양극을 포함하며, 이들은 모두 진공(evacuated) 밀폐 용기 내에 포함되어 있는 것이 일반적이다. 표준 수은 증기 형광 조명과는 달리, 본 발명의 조명 장치는 순간적으로 수은의 가열을 필요로 하지 않고 턴온할 수 있다. 플라즈마의 보존을 필요로 하지 않으며, 본 발명의 조명 장치에 의해 발생되는 광은 섬유에 인가된 전압의 조정으로 즉각적으로 쉽게 희미해지거나 밝아질 수 있다. 보다 많은 전압이 인가될 때, 추가 광 출력 즉, 더 밝은 광을 발생시키는 인광체 물질에 의해 더 많은 전자가 방출되어 충돌한다. 더 적은 전압이 인가되지만 섬유 전계 방사체에 대한 최소 턴온 전압 이상될 때, 광 출력의 감소 즉, 더욱 희미해진 광을 초래하는 인광체 물질에 의해 더 적은 전자가 방출되어 충돌한다.The lighting device of the present invention comprises a fiber cold cathode field emitter, a phosphor, and an anode for sucking electrons emitted from the cold cathode field emitter, all of which are generally contained in an evacuated hermetically sealed container. Unlike standard mercury vapor fluorescent lighting, the lighting device of the present invention can be turned on instantaneously without the need for heating of mercury. No preservation of the plasma is required, and the light generated by the illumination device of the present invention can be readily dim or brighten immediately by adjusting the voltage applied to the fiber. When more voltage is applied, more electrons are emitted and collide by the phosphor material, which produces additional light output, ie brighter light. When less voltage is applied but above the minimum turn-on voltage for the fiber field emitter, less electrons are emitted and impinge on the phosphor material resulting in a decrease in light output, i.
진공 밀폐 용기는 통상적으로 최소 약 10-5토르와 같이 낮은 저압을 유지한다. 이러한 진공 밀폐 용기는 예를 들면, 유리 전구 또는 적절한 스페이서 물질이 개재된 여러 장의 유리 종이일 수 있다.Vacuum sealed containers typically maintain low pressure, such as at least about 10 -5 Torr. Such a vacuum sealed container may be, for example, a glass bulb or several sheets of glass paper interposed with a suitable spacer material.
본 발명의 조명 장치는 지향적(directed)이고 형태화가능한 인가 전계에 의해 유도된 전자 방출을 이용한다. 이는 비-지향적인 광원을 야기하는 플라즈마를 사용하는 조명과 대조적이다. 이는 전통적인 연장 튜브에 대한 제한없이 실용적이지만 다채롭게 본 조명 장치의 구성을 이룰 수 있게 한다. 조명 장치가 어떠한 형태를 이루더라도, 섬유 음극 섬유로부터의 전자 방출은 활용된 섬유의 길이를 따라 발생되고 섬유의 끝부분에서는 발생되지 않는다.The lighting device of the present invention utilizes electron emission induced by a directed and formable applied electric field. This is in contrast to illumination using plasma, which results in a non-directional light source. This makes it possible to achieve the construction of the present lighting device in a practical but colorful manner without limitations on traditional extension tubes. Whatever the shape of the lighting device, electron emission from the fiber cathode fiber is generated along the length of the fiber utilized and not at the end of the fiber.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에서, 조명(10)은 진공가능한 밀폐 용기로서 유리관(12)을 포함한다. 유리관(12)의 내부나 내면은 양극 및 인광체 등의 투명 도전체 또는 음극 발광 물질(13)로 코팅될 수 있다. 섬유 음극 소자(14), 섬유 전계 방사체는 유리관(12) 내에 위치한다. 엔드 캡(16)은 섬유 음극 소자(14)와, 투명 도전체 코팅이나 양극에 접속된 전극들을 포함한다. 섬유 음극 소자는 단일 섬유로 구성될 수 있으며 다수의 섬유를 포함할 수도 있거나 더 두꺼운 단일 섬유를 포함할 수 있다. 일반적으로, 다수의 섬유를 구성하는 단일 섬유 또는 각각의 섬유는 약 1 미크론 내지 약 20 미크론의 직경을 가지며, 바람직하게는 약 5 미크론 내지 약 10 미크론을 갖는 것이다. 유리관은 도시된 바와 같이 원형 실린더가 될 수 있거나 구성된 표면을 가질 수 있다.In one embodiment of the invention shown in FIG. 1, the illumination 10 comprises a glass tube 12 as a vacuumable sealed container. The inside or the inner surface of the glass tube 12 may be coated with a transparent conductor such as an anode and a phosphor or a cathode light emitting material 13. The fiber cathode element 14, the fiber field emitter, is located in the glass tube 12. The end cap 16 includes a fiber cathode element 14 and electrodes connected to a transparent conductor coating or anode. The fibrous cathode device may consist of a single fiber and may comprise a plurality of fibers or may comprise a single thicker fiber. In general, a single fiber or each fiber constituting a plurality of fibers has a diameter of about 1 micron to about 20 microns, preferably about 5 microns to about 10 microns. The glass tube may be a circular cylinder as shown or may have a configured surface.
도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 조명(20)은 상부에 섬유 음극 소자 어레이(24)가 있는 평판(22)을 가진 평판 설계로 되어 있다. 투명한 제2 평판(26)은 음극 소자 어레이(24)에 대면하는 평판(26)의 표면상에 투명 도전체(28)의 코팅부와, 투명 도전체 코팅부(28) 상에 인광체 또는 음극 발광 물질(30)의 코팅부를 포함한다. 스페이서 판(26)은 평판(22) 및 평판(26)을 분리시키고 섬유 음극 소자 어레이(24), 투명 도전체 코팅부(28) 및 인광체나 음극 발광 물질(30)를 위한 진공 가능 밀폐 용기를 제공한다. 도전체 전극들은 투명 도전체 코팅부(28) 및 섬유 음극 소자 어레이(24)에 접속된다.In another embodiment of the present invention shown in FIG. 2, the illumination 20 is of a flat design with a flat plate 22 having a fiber cathode element array 24 thereon. The transparent second flat plate 26 has a coating of the transparent conductor 28 on the surface of the flat plate 26 facing the cathode element array 24, and phosphor or cathodic light emission on the transparent conductor coating 28. A coating of material 30. The spacer plate 26 separates the plate 22 and the plate 26 and includes a vacuum-capable sealed container for the fiber cathode element array 24, the transparent conductor coating 28, and the phosphor or cathode light emitting material 30. to provide. Conductor electrodes are connected to the transparent conductor coating 28 and the fiber cathode element array 24.
도 3에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에서, 전구형 조명(40)은 투명 도전체(44)의 내부 코팅부 및 인광체나 음극 발광 물질(46)의 코팅부를 갖는 유리구(glass globe: 42)를 포함한다. 섬유 음극 소자(48), 섬유 전계 방사체는 유리구(42) 내에 위치한다. 도전체들은 섬유 음극 소자(48) 및 투명 도전체 코팅부나 양극(44)에 접속된다. 섬유 음극 소자(48)는 단일 섬유로 구성되거나 다수의 섬유를 포함할 수 있다. 일반적으로, 다수의 섬유를 구성하는 단일 섬유나 개개의 섬유는 약 1 미크론 내지 약 20 미크론의 직경을 가질 수 있으며, 바람직하기로는 약 5 미크론 내지 약 10 미크론이다.In another embodiment of the invention shown in FIG. 3, the bulb-like light 40 has a glass globe having an inner coating of the transparent conductor 44 and a coating of the phosphor or cathode light emitting material 46. 42). The fibrous cathode element 48, the fibrous field emitter, is located within the glass sphere 42. The conductors are connected to the fiber cathode element 48 and to the transparent conductor coating or anode 44. The fiber cathode element 48 may consist of a single fiber or may comprise a plurality of fibers. In general, a single fiber or individual fibers that make up a plurality of fibers may have a diameter of about 1 micron to about 20 microns, preferably about 5 microns to about 10 microns.
도 4a 및 4b에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에서, 광 빔 출력(52)을 생성할 수 있는 조명(50)은 반사물 물질(56), 투명 도전성 물질(58), 및 인광체나 음극 발광 물질(60)의 오목한 내면에 코팅부를 갖는 반구형 유리 지지부(54)를 포함한다. 섬유 음극 소자(62), 섬유 전계 방사체는 유리 반구(hemisphere)(54) 내에 위치한다. 도전체는 섬유 음극 소자(62) 및 투명 도전체 코팅부나 양극(58)에 접속된다. 유리 지지부(54)의 형태를 변화시킴으로써 더욱 집중된 광 빔이 생성된다. 예를 들면, 포물선 지지부가 이러한 결과를 수행할 것이다.In yet another embodiment of the present invention shown in FIGS. 4A and 4B, the illumination 50 capable of producing light beam output 52 includes reflector material 56, transparent conductive material 58, and phosphor or cathode. Hemispherical glass support 54 having a coating on the concave inner surface of luminescent material 60. The fibrous cathode element 62, the fibrous field emitter, is located in the glass hemisphere 54. The conductor is connected to the fiber cathode element 62 and the transparent conductor coating portion or the anode 58. By varying the shape of the glass support 54, a more concentrated light beam is produced. For example, a parabolic support will accomplish this result.
도 5는 진공 밀폐부를 형성하기 위해 엔드 캡(72 및 74)으로 씌워진 클리어(clear) 플라스틱, 예를 들어, 루사이트(Lucite) 플라스틱관(70)을 포함한 섬유 음극의 전계 방출 변수를 검사하는데 사용된 간단한 테스트 장치를 도시한다. 엔드 캡(72)은 진공 펌프에 접속된 개구(76)를 포함한다. 인광체나 음극 발광 물질(80)로 코팅된 접지 동 스크린 메시(78)는 진공 밀폐 용기 내에 부유 상태로 있다. 섬유 음극 소자(82)는 접지된 동 스크린 메시(78) 내에 위치한다. 도전체들은 섬유 음극 소자(82) 및 동 스크린 메시나 양극(78)에 접속된다. 이 테스트 장치는 방출 섬유의 방출 균일성을 결정하는 데 유용한지를 입증할 수 있다.FIG. 5 shows a clear plastic, eg, Lucite, covered with end caps 72 and 74 to form a vacuum seal. ) Shows a simple test apparatus used to examine field emission parameters of fiber cathodes, including plastic tubes 70. End cap 72 includes an opening 76 connected to a vacuum pump. Ground copper screen mesh 78 coated with phosphor or cathode luminescent material 80 is suspended in a vacuum sealed container. The fiber cathode element 82 is located in the grounded copper screen mesh 78. The conductors are connected to the fiber cathode element 82 and the copper screen mesh or anode 78. This test apparatus can demonstrate whether it is useful for determining the release uniformity of the release fiber.
도 6은 본 발명의 조명 장치에 사용되는 전류 제한 회로를 도시한다. 전류 제한 회로(90)는 방출 섬유나 섬유 음극 소자(96)에 직렬로 저항기(92) 및 유도자(94)를 포함한다. 전원(98)은 정류 전압 스텝 업 회로(rectifying voltage step-up: 100)를 통하여 음극 소자(96)에 직렬로 양극(102) 및 전류 제한 회로(90)에 접속된다.6 shows a current limiting circuit used in the lighting apparatus of the present invention. The current limiting circuit 90 includes a resistor 92 and an inductor 94 in series with the emitting fiber or fiber cathode element 96. The power source 98 is connected to the anode 102 and the current limiting circuit 90 in series with the cathode element 96 via a rectifying voltage step-up circuit 100.
도 7에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에서, 조명(120)은 나사형 기반(base)을 가진 표준 광 전구로 형성되어 있다. 유리 전구(121)의 내면은 투명 도전성 산화물(122) 및 인광체나 음극 발광 물질(123)로 코팅되어 있다. 전계 방출 전자 방출 섬유(124)로 구성된 섬유 음극 전계 방사체는 전구의 중심 영역에 있다. 섬유 방사체는 3각형 구조로 도시되어 있으나 다른 구조, 예를 들어, 원형이나 4 이상의 측면을 갖는 도형일 수도 있다. 섬유 방사체는 비 방출 전류 캐리어(125)에 의해 지지된다. 방출된 전자는 화살표(126)로 도시된다. 나사형 기반(127)은 본질적으로 표준 백열 전구에 사용되는 것과 동일한 것이다.In another embodiment of the invention shown in FIG. 7, the illumination 120 is formed from a standard light bulb with a threaded base. The inner surface of the glass bulb 121 is coated with a transparent conductive oxide 122 and a phosphor or a cathode light emitting material 123. The fiber cathode field emitter, consisting of the field emission electron emission fibers 124, is in the central region of the bulb. The fiber radiator is shown in a triangular structure but may be other structures, for example circular or figures having four or more sides. Fiber emitters are supported by non-emitting current carriers 125. The emitted electrons are shown by arrow 126. Threaded base 127 is essentially the same as that used in standard incandescent bulbs.
본 발명의 조명 장치의 동작에 있어서, 음극으로부터의 인치당 약 1.5와트의 전력 밀도는 일반적으로 충분한 전자 방출을 발생시키는데 요구될 수 있다. 일반적으로, 섬유 음극 상의 바이어스 전압이 적어도 1500볼트일 경우, 인치당 방출 전류는 적어도 약 1㎃이어야 한다.In operation of the lighting device of the present invention, a power density of about 1.5 watts per inch from the cathode may generally be required to produce sufficient electron emission. In general, when the bias voltage on the fiber cathode is at least 1500 volts, the emission current per inch should be at least about 1 mA.
본 발명은 단지 예시의 목적으로 의도된 다음 실시예에 더욱 구체적으로 기술되어 있다.The invention is described in more detail in the following examples which are intended for illustrative purposes only.
조명 장치는 단일의 강도 높은 이온 빔 처리에 노출된 탄소 섬유를 사용하여 도 5에 도시된 바와 같이 기본적으로 조립되어 있다. 탄소 섬유는 다음과 같이 준비되었다.The lighting device is basically assembled as shown in FIG. 5 using carbon fibers exposed to a single high intensity ion beam treatment. Carbon fiber was prepared as follows.
흑연 실(yarn)로부터의 미처리된 흑연 섬유(Hercules, Inc., Wilmington, DE로부터 상용가능한 IM7 흑연 섬유)는 프레임을 통하여 전개되고, 강한 이온 빔의 경로에 위치한 프레임은 1993년 10월 Rej 등의 Rev. Sci. Instrum. 64(10), pp.2753-2760의 교시에 따라 동작한다. 그 전압은 약 300 ㎸이다. 이온 빔의 초점으로부터 프레임의 거리는 약 6 인치 내지 18 인치 사이에서 변화한다. 이온 빔의 에너지 밀도는 약 2 J/㎠ 내지 약 10 J/㎠로 추정된다. 이온 빔의 펄스 시간은 약 1㎲이다. 1펄스 후, 프레임은 회전(180°)하며, 섬유의 반대측은 강한 이온 빔의 단일 펄스에 노출된다. 결과로 발생된 섬유는 테스트되어 우수한 전계 방출 전자 방사체로 입증된다.Untreated graphite fibers from the graphite yarn (IM7 graphite fibers commercially available from Hercules, Inc., Wilmington, DE) were developed through the frame, and the frame located in the path of the strong ion beam was released in October 1993 by Rej et al. Rev. Sci. Instrum. 64 (10), pp.2753-2760. The voltage is about 300 kW. The distance of the frame from the focus of the ion beam varies between about 6 inches and 18 inches. The energy density of the ion beam is estimated to be about 2 J / cm 2 to about 10 J / cm 2. The pulse time of the ion beam is about 1 ms. After one pulse, the frame rotates (180 °) and the opposite side of the fiber is exposed to a single pulse of a strong ion beam. The resulting fibers are tested and proved to be good field emission electron emitters.
섬유는 도 5에 도시된 도전체 "A"에 부착된다. 아연 산화물: 아연 인광체는 동 메시 스크린 상에 코팅된다. 약 3.5keV의 전위차는 음극 및 양극 즉, 도전체 "A" 및 "B"에 인가된다. 2-3 ㎃의 전류는 영구 광 방출과 함께 섬유의 1인치(2.5㎝) 길이 상에서 얻을 수 있다. 인치(2.5㎝)당 약 10와트는 조명용으로 얻어진다.The fibers are attached to the conductor "A" shown in FIG. Zinc Oxide: Zinc phosphor is coated on copper mesh screen. A potential difference of about 3.5 keV is applied to the cathode and anode, i.e., conductors "A" and "B". A current of 2-3 kW can be obtained on the 1 inch (2.5 cm) length of the fiber with permanent light emission. About 10 watts per inch (2.5 cm) is obtained for illumination.
본 발명은 상세한 설명을 참고로 설명되었으나, 이는 본 발명의 범위를 제한하려는 의도로 해석되어서는 안되며, 수반하는 청구 범위 내의 범위에 포함되어져야 한다.Although the invention has been described with reference to the detailed description, it should not be construed as limiting the scope of the invention, but rather should be included within the scope of the appended claims.
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