SE515377C2 - Ljuskälla innefattande en fältemissionskatod - Google Patents

Description

30 515 377 2 kolfibrer, anordnade i buntar, företrädesvis i en matris, på ett substrat. Innehållet i US, A, 5 588 893 inbegripes häri genom referens.

I den sistnämnda kända ljuskällan emitteras emellertid elektroner endast i en riktning vinkelrätt mot substratet. Dessutom finns det i dokumentet ingen uppgift om hur ljuskällan skall framställas på ett lönsamt sätt.

Ovan nämnda US, A, 5 88 893 (Kentucky Research and Investment Company Limited) visar en fáltemissionskatod av det ovan nämnda slaget. Den visade katoden innefattar kolfibrer, anordnade i buntar, företrädesvis i en matris, på ett substrat. Dokumentet visar även ett förfarande innefattande behandling av emissionsytoma for att erhålla en katod med högre verkningsgrad än tidigare katoder.

Vidare visar WO, A1, 98/57344 (LightLab AB) och WO, A1,98/57345 (LightLab AB) ljuskällor med cylindrisk geometri och användning av fältemission. För att erhålla det nödvändiga elektriska fältet for fältemission innefattar de nämnda ljuskälloma galler eller modulatorelektroder anordnade nära katodernas fältemissionsytor. I dessa ljuskällor måste ett relativt kraftigt elektriskt fält skapas mellan elektroden och gallret och avståndet mellan fáltemissionsytoma och gallret måste vara litet och likforrnigt för att uppnå ett tillräcklig elektrisk fält for fältemission och en god fördelning av från katoden emitterade elektroner.

WO, Al, 97/07531 belysningsapparat, som innefattar en fältemissionskatod. Katoden är uppbyggd av en eller Ett ytterligare dokument, (Slizars et. Al.) visar en flera fibrer. Fibrema är mycket tunna och har en diameter mindre än 100 mikron och företrädesvis mindre än 10 mikron. Diametrama är valda for att erhålla fältemission vid rimliga spänningar. En konstruktion enligt detta dokument och med en fiber kommer att vara overksam om fibem brister. Eftersom fibern är mycket tung synes sannolikheten for att den brister vara stor. Sarmolikheten minskas emellertid förmodligen något genom anordnande av mer än en fiber parallellt, for redundans. Elektronemissionsytan är emellertid mycket liten beroende på den lilla fiberdiametern.

Tidigare kända fältemissionskatoder är ofta av en komplicerad och spröd konstruktion, speciellt i vad avser monteringen och fastsättningen av fältemissionskroppar.

Det har i samband med katoder, som innefattar standardkolfibrer och ett galler, visat sig att de elektriska fält, som verkar mellan katoden och ett galler eller en anod kan åstadkomma så att individuella fibrer lossar från sin bärare om de inte är säkert fastsatta vid denna. När fibrema väl är fria kommer de i de flesta fall att attraheras av gallret och åstadkomma en kortslutning mellan katoden och gallret till dess det bränns av efter en viss tid, beroende på den resulterande strömmen genom fibrema.

\\Fserver\users\RMH\DOK\word-dok\1 100 l44-forelägg-lb. doc 10 15 20 25 30 515 377 3 SAMMANFATTNING AV UPPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ljuskälla respektive en fältemissionskatod, som åstadkommer ett koncentrerat elektriskt fält vid fåltemissionsytan (ytorna) och varmed åtminstone några av de ovanstående nackdelarna elimineras eller minskas.

Dessa och andra syften uppnås genom de särdrag, som anges i de bifogade självständiga patentkraven.

Genom särdragen i patentkraven l och 14 erhålls en ljuskälla respektive en fält- emissionskatod med en lång livslängd, med hög verkningsgrad och stabilitet, vilken kan åstadkommas till låg kostnad.

Genom särdragen i patentkraven 1 och 14 erhålls en ljuskälla respektive en fältemissionskatod med ett tillräckligt elektriskt fält fór fáltemission med god fördelning och hög emission av elektroner från katoden.

Genom särdragen i patentkraven l och 14 erhålls också en ljuskälla respektive en fáltemissionskatod, i vilken faltemission kan erhållas utan användning av ett galler eller en extraktionselektrod.

Genom särdragen i patentkravet 1 erhålls vidare en ljuskälla utan någon uppstartningsperiod, dvs. när strömmen slås på så kommer ljuset omedelbart tack vare användningen av en fältemissionskatod. En ljuskälla utan behov av material med negativa miljöeffekter erhålls.

Genom särdragen i patentkravet 1 erhålls vidare en ljuskälla med en fältemissionskatod av en enkel och robust konstruktion.

Genom särdragen i patentkravet 5 erhålls vidare en ljuskälla med en tillräckligt stor aktiv ljusemissionsyta. Den effektiva användningen av ytan gör det möjligt att erhålla en ljuskälla med en hög ljusemission i relation till det åstadkomna värmet.

Genom särdragen i patentkravet 14 erhålls vidare en fältemissionskatod av enkel och robust konstruktion.

Genom särdragen i patentkraven 14-21 erhålls en fältemissionskatod, som vidare åstadkommer en hög emission och likforrnig fördelning av emitterade elektroner, speciellt via det sfäriska område, som omger katoden.

Vidare särdrag och fördelar kommer att framgå av de osjälvständiga patentkraven och den följ ande detaljerade beskrivningen.

\\Fservcr\users\RMl-l\DOK\word-dok\1 100 l44-lbrelägg-lb. dot: 10 15 20 25 30 515 577' 4 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Figur 1 visar schematiskt en längsgående sektion av en utföringsforrn av en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning, figur 2 visar schematiskt katoden och anoden, såsom åskådliggöres i figur l, figur 3 visar schematiskt en längsgående sektion av en altemativ utföringsform av en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning, och figur 4 visar schematiskt en längsgående sektion av en ytterligare altemativ utföringsfonri av en lj uskälla enligt föreliggande uppfinning.

BESKRIVNING AV DE FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMERNA Enligt figur l visas i en schematisk längsgående sektion en utföringsforin av en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning, vilken generellt identifieras med beteckningen 10 och speciellt är avsedd för belysningsändamål. Den innefattar en behållare med väggar, av vilka en identifieras med beteckningen 20. Denna vägg 20 har en yttre glasstruktur och visas vara sfärisk. Sfáren 20 har en ände 21, som är täckt med ett ändlock 60. En tätning (icke visad) är anordnad mellan ändlocket och sfåren 20 för erhållande av en lufttät försegling av behållaren. Behållaren är förseglad för att bibehålla det vakuum (approximativt l0'6 torr), som skapas när behållaren evakueras.

Inuti behållaren och företrädesvis centralt däri finns en katod 40. Denna katod är en kallkatod, speciellt en fältemissionskatod. Dess konstruktion och funktion kommer att förklaras ytterligare nedan.

Ljuskällan är försedd med elektriska anslutningar 51, 52 samt organ 70 för stödjande av katoden 40. Katoden 40 hålls på plats av en tunn ledande stav 70, som sträcker sig till ändlocket 60. Staven 70 skulle kunna låsas till locket 60 medelst låsorgan eller gripas genom grepporgan.

Den sfäriska delen 20 av de behållarväggar, som omger katoden 40, består av en yttre glasstruktur 23, ett fosforskikt 24 (elektronluminisensfosfor) samt ett inre ledande skikt 25, som bildar en anod. Fosforskiktet är ett luminescensskikt, som vid elektron- bombardimang emitterar synligt ljus. Anoden är företrädesvis tillverkad av ett reflekterande, elektriskt ledande material, exempelvis aluminium. Genom att anordna ett aluminiumskikt, som täcker fosforskiktet, undviks de skadliga effekterna beträffande vakuum genom eventuell förångning av fosfom.

De elektriska anslutningsorganen 51, 52 ansluter katoden 40 respektive anoden 25 till en matningskrets (icke visad). Dessa anslutningsorgan innefattar företrädesvis ledande klämstift, som sträcker sig genom locket 60 och är isolerade från varandra. Det elektriska \\Fserver\users\RMH\DOK\word-dok\l I00l44-förelägg-lbdoc 10 15 20 25 30 515 377 s anslutningsorganet 52 skulle vidare kunna innefatta ledande fingrar eller liknande, som är i kontakt med anodskiktet 25, anordnat inuti behållaren. Öppningama fór de elektriska anslutningsorganen 51, 52 vid ändlocket 60 är lufttätt förseglade.

Katoden 40 innefattar en relativt liten sfär av elektriskt ledande, elektriskt halvledande eller isolerande material, exempelvis av nickel. Dess radie är inom millimeterområdet, cirka en till tio millimeter. Detta ger en stark och hållbar katod, som har en yta, vilken är tillräcklig för hög emission av elektroner.

Vid drift påläggs en DC-spänning mellan katoden 40 och anoden 25 medelst den nämnda matningskretsen (icke visad), som skulle kunna vara belägen i ett hölje, som är anslutet till AC-nätet, exempelvis via en vanlig lamphylsa. Matningskretsen påtrycker spänningama på de ledande klämanslutningar 51-52, vartill den är ansluten. Företrädesvis har anslutning 52 jordpotential och anslutning 51 är negativ. När spänningen påläggs skapas ett elektrisk fält mellan katoden 40 och anoden 25.

Beroende på geometrin hos ljuskällan enligt uppfinningen erhålls en gynnsam fördelning av det elektriska fältet. Det elektriska fältet är starkast där ett stark elektrisk fält erfordras, för erhållande av fältemission, nämligen runt katoden. Den följande formeln ger den elektriska fältstyrkan i en struktur enligt uppfinningen, med en central sfärisk katod, som omges av en sfärisk ledare såsom en anod: R R E(Ri) = ° ° R” -É- , där E (R¿) är den elektriska fältstyrkan vid den centrala sfären, V0 är . 0 i den mellan de två sfärema pålagda spänningen, R, är radien för den inre sfären (katoden) och RO är den inre radien för den yttre sfären (anoden). I figur 2, som schematiskt visar katoden och anoden enligt figur 1, är forrnelns variabler angivna. Såsom framgår av formeln kan ett mycket kraftigt elektrisk fält erhållas nära katoden med lämpligt valda mått. Speciellt kommer en liten radie för katoden (litet Ri) att ge ett stort elektrisk fält nära katoden. De elektriska fältlinjerna kommer att koncentreras runt katoden och det kan ses som om katoden vore omgiven av en virtuell extraktionselektrod.

För att erhålla fältemission från katoden är denna täckt av ett fältemissionsmaterial, såsom ett skikt av kol-nanorör. Det elektriska fältet förstärks då ytterligare runt fält- emissionsspetsama och en förstärkningsfaktor (för fältet) av 1000 och till och med mera kan erhållas. Detta kan ses såsom en förstärkning av verkan av nämnda virtuella extraktionselektrod. Under beaktande av denna fórstärkningsfaktor (cirka 1000) så är det elektriska fältet, som erfordras för att verksamt extrahera elektroner (genom fältemission) från ett skikt av nanorör, cirka 1 kV/mm.

\\Fserver\users\RMl-l\DOK\word-dok\l l00l44-förelägg-lbdoc 10 15 20 25 30 515 577 6 För ytterligare förklaring och diskussion av nanorör hänvisas till artiklama ”Field emission from carbon nanotubes: a comparative study” av .I M Bonard, .l P Salvetat, T Stöckli, L Forró, A Châtelain, Proceedings of the 193m ECS symposium, 1998, and ”Field emission properties of multiwalled Châtelain, W A de Heer, J P Salvetas, L Forró, Ultramicroscopy 73 (1998) 7-15, vilka artiklar inbegripes häri genom referens.

Oregelbundenhetema bildas genom kol-nanorör, som appliceras på den sfåriska katodens yta. Nanorören har en mycket kort längd, mindre än cirka 10 um, och påverkar inte formelns variabel Ri, eftersom sfärens radie är vald i mm-området, cirka 1-10 mm.

Nanorörens spetsar har en krökringsradie i området 0,1-100 nanometer.

De påiörda kol-nanorören kan vara av olika slag, exempelvis enkelvägg-nanorör eller öppna eller slutna multipelvägg-nanorör. I detta fall är katalytiskt avsatta multipelvägg- nanorör, avsatta i form av en film, lämpliga och kan påföras genom en enkel process. Dessa nanorör är lämpliga att avsätta på en sfar och de kommer att vara lämpligt orienterade genom processen, varvid deras respektive längsgående axlar är väsentligen vinkelräta mot sfärens yta. Vidare ger applicering av nanorör genom en katalytisk process eller altemativt en CVD- process god likformighet och låg tillverkningskostnad. Nyligen utförda laboratoriemätningar bekräftar att förstärkningsfaktom är cirka 1000 vid katalytiskt avsatta nanorörfilmer och att strömmar upp till 10 mA/cmz erhålls.

När fältstyrkan är tillräcklig för att åstadkomma fältemission av elektroner från fältemissionsytoma (spetsama) hos katodens 40 fáltemissionsmaterial (nanorören) kommer elektronema att accelerera och passera mot anoden 25. Beroende på elektronemas höga kinetiska energi och beroende på det förhållandet, att anodskiktet är relativt tunt (mindre än 0,1 mikron) kommer elektronema att passera genom anoden för att komma in i fosforskiktet under det att de fortfarande har tillräcklig kinetisk energi för att excitera fosfom till luminescens, varvid synligt ljus emitteras. Elektronema kommer sedan att återvända till anoden för att avledas. Elektronbombardemanget kommer att åstadkomma uppvärmning, förutom ljus, beträffande den sfäriska väggen 20. Glaset kommer att ombesörja avledningen av värmet. Spänningen är inom området kV, normalt cirka 4-8 kV. Spänningen beror mycket på typen av använd fosfor. Nya typer av fosfor utvecklas ständigt och på grund av detta måste spänningen anpassas till den specifika typ av fosfor, som används. Ändring av fosfortypen och därigenom av spänningama kommer att åstadkomma ändringar i strömmama och uppvärmningen av cylinderväggen.

För att ange ett exempel antages det fall, varvid den utvändiga sfaren har en radie av cirka 30 mm, vilket motsvarar en standardglödlampa: om innerradien väljs så att den är 2,5 \\Fserver\users\RMH\DOK\word-dok\1 l00l44-iörelágg-lbdoc 10 15 20 25 30 51 5 3 7 7 7 mm så kommer den elektriska faltstyrkan vid innersfárens yta att vara 3500 V/m för en påtryckt spänning av 8000 volt. Det är lätt att erhålla en ström av exempelvis 5 mA från nanorörskiktet på ytan av den inre sfären (0,8 cmz), vilket vid fosforskiktet på ytan av den yttre sfåren (110 cmz) kommer att ge en strömdensitet av cirka 45 mikroamper/cmz.

De ovanstående beräkningama gives såsom exempel på en perfekt symmetrisk geometri. I verkligheten måste man naturligtvis ta hänsyn till det förhållande, att den centrala sfären hålls på plats av en tunn ledande stav och att den yttre sfären har en förlängning till hylsan (jämför figurerna 1, 3 och 4).

Dessutom kan man även betrakta fall, varvid inte hela ytan av den inre sfåren är täckt med fosfor, såsom visas vid utföringsforinen i figur 3.

Vidare är det även möjligt att flytta den inre sfären till ett icke centralt läge i den yttre sfären för att öka ljusintensiteten i vissa riktningar. Detta följer av den i figur 4 visade utföringsfonnen.

Beroende på geometrin hos ljuskällan enligt uppfinningen så är måttoleransema inte kritiska, speciellt ijämförelse med ljuskällor med ett galler. Detta framgår av den ovanstående formeln och bidrar till låga tillverkningskostnader.

Enligt ett altemativt arrangemang, som inte visas på ritningen, skulle glassfären, på åtminstone en huvuddel av sin insida, vara täckt av ett elektriskt ledande transparent material, som bildar anoden. Katoden uppbär då ett fosforskikt på insidan. Anoden är tillverkad av exempelvis indium-tenn-oxid eller indiumoxid. För att åstadkomma direkt elektrisk kontakt med anoden kan ledande fingrar anordnas, såsom nämnts ovan, och vissa områden av anoden är därför inte täckta med fosfor. Altemativt kan elektriskt ledande ytor, som är i kontakt med anoden, appliceras på fosforskiktet. Dessa ytor är små för att inte störa driften av ljuskällan men av tillräcklig storlek för att upprätta elektrisk kontakt med de ledande fingrama.

För att minska förekommande stömingar hos det elektriska fältet i behållaren kan det även vara fördelaktigt att omge den elektriskt ledande stav, som håller fast den inre sfären, med ett separat hölje. Detta hölje antar då formen av enjordad metallcylinder.

Slutligen bör noteras att larnpklotet och den centrala kulan även skulle kunna utformas på annat sätt än såsom en sfär, exempelvis såsom en ellipsoid, för att påverka ljusdistributionen i olika riktningar. Även om uppfinningen beskrivs med de ovanstående exemplen så skulle naturligtvis en fackman lätt kunna inse att många andra variationer än de som explicit visats är möjliga inom ramen för patentkraven.

\\Fserver\users\RMH\DOK\word-dok\l l0Ol44-förelägg-lbdoc 515 377 s Även om utfóringsforrnerna innefattar vissa detaljer för den elektriska anslutningen och för stödjandet av ljuskållans olika delar så bör noteras att de kan utformas på många andra sätt, såsom också torde inses av en fackman inom området, samt att de inte begränsar uppfinningens ram.

\\Fserver\users\RMl-l\DOK\word-dok\l 100 l44-förelägg-lhdoc

Claims (21)

10 15 20 25 30 515 577 Patentkrav

1. Ljuskälla (10), innefattande en evakuerad behållare med väggar (20), varvid åtminstone en del därav innefattar en yttre glasstruktur (23), som på åtminstone en del därav är belagd på insidan med ett skikt av fosfor (24), som bildar ett luminescensskikt, samt ett ledande skikt (25), som bildar en anod, varvid fosforskiktet (24) exciteras till luminescens genom elektronbombardemang från en fältemissionskatod (40), som är belägen i behållarens inre, kännetecknad avatt - fáltemissionskatoden (40) innefattar en bärare, som åtminstone delvis antar formen av en sfär, och att - åtminstone en del av sfärens yta är försedd med ledande ytoregelbundenheter i form av spetsar, som har en radiell utsträckning, vilken är mindre än cirka 10 pm.

2. Ljuskälla (10) enligt kravet 1, varvid bäraren är tillverkad av ett ledande material.

3. Ljuskälla (10) enligt kravet 1, varvid bäraren är tillverkad av ett halvledande material.

4. Ljuskälla (10) enligt kravet 1, varvid bäraren är tillverkad av ett isolerande material.

5. Ljuskälla (10) enligt något av kraven 1-4, varvid behållaren åtminstone delvis antar formen av en sfár med en radie inom området l-10 cm.

6. Ljuskälla (10) enligt något av kraven l-5, varvid bäraren är anordnad i behållarens mitt.

7. Ljuskälla (10) enligt något av kraven 1-5, varvid bäraren är excentriskt anordnad i behållaren.

8. Ljuskälla (10) enligt något av kraven 1-7, varvid spetsarna har en krökningsradie inom området 0,1 -1 00 nanometer.

9. (10) Ljuskälla enligt något av kraven l-8, varvid - bärarens yta är åtminstone partiellt täckt med kol-nanorör, vart och ett med en längsgående axel, som är väsentligen vinkelrät mot bärarens yta, och - nanorörens fria ändar utgör nämnda spetsar.

10. Ljuskälla (10) enligt något av kraven l-9, varvid spetsarna är väsentligen likformigt fördelade på nämnda del av ytan av sfären, som är försedd med ytoregelbundenheter.

11. ll. Ljuskälla (10) enligt något av kraven 1-10, varvid \\Fserver\users\RMH\DOK\word-dok\l l00l44-förelägg-lbdoc 10 15 20 25 30 515 377 10 luminescensskiktet (24) är anordnat mellan glasstrukturen (23) och anoden (25), och anoden (25) är tillverkad av ett reflekterande material för reflektion av det ljus, som emite- ras från luminescensskiktet (24).

12. (10) Ljuskälla enligt något av kraven 1-11, varvid anoden är anordnad mellan glasstrukturen och luminescensskiktet, och anoden är tillverkad av ett transparent material.

13. Ljuskälla (10) enligt något av kraven 1-12, varvid fosforskiktet är tillverkat av en ledande fosfor och fosforskiktet även bildar anoden.

14. Fältemissionskatod (40), för användning i en ljuskälla och avsedd att åtminstone partiellt omges av en anod samt innefattande ytterligare organ, kännetecknad avatt - nämnda ytterligare organ innefattar ledande ytoregelbundenheter i form av spetsar med en radiell utsträckning, som är mindre än cirka 10 pm, och anordnade på åtminstone en del av en bärare, som inkluderar en sfärisk yta.

15. Ljuskälla enligt kravet 14, varvid nämnda bärare är tillverkad av ett ledande material.

16. Ljuskälla enligt kravet 14, varvid bäraren är tillverkad av ett halvledande material.

17. Ljuskälla enligt kravet 14, varvid bäranden är tillverkad av ett isolerande material.

18. Fältemissionskatod (40) enligt något av kraven l4-l7, varvid - katoden åtminstone delvis skall omges av en anod, vilken åtminstone delvis antar formen av en sfár med en radie inom området 1-10 cm.

19. Fältemissionskatod enligt något av kraven 14-18, varvid - spetsarna har en krökningsradie inom området 0,1-100 nanometer.

20. Fältemissionskatod enligt något av kraven 14-19, varvid - bärarens yta åtminstone delvis är täckt med kol-nanorör, vart och ett med en längsgående axel, som är väsentligen vinkelrät mot bärarens yta, och - de fria ändama av nämnda nanorör utgör nämnda spetsar.

21. Fältemissionskatod enligt något av kraven 14-20, varvid spetsama är väsentligen likfonnigt fördelade på nämnda del av ytan och nämnda stär är försedd med ytoregelbundenheter. \\Fserver\users\RMl-l\DOK\word-dok\1 l00144-forelagg-lhdoc