SE515377E - Ljuskälla innefattande en fältemissionskatod - Google Patents

Abstract

Ljuskälla, innefattande en fältemissionskatod, samt en fältemissionskatod.- Ljuskällan innefattar en evakuerad behållare med väggar, inkluderande en yttre glasstruktur (24), som på åtminstone en del därav är belagd på insidan med ett skikt av fosfor (24), s som bildar ett luminescensskikt, samt ett ledande skikt (25), som bildar en anod. Fosforn (24) exciteras till luminesccns genom elektronbombardemang från en fältemissionskatod (40), belägen vid insidan av behållaren. Fältemissionskatoden (40) innefattar en bärare som åtminstone partiellt antar formen av en sfär, och- åtminstone en del av sfärens yta är försedd med ledande ytoregelbundenheter i form av spetsar med en radiell utsträckning, som är mindre än cirka 10 μm.

Description

UPPFINNINGENS OMRÅDE Föreliggande uppfinning hänför sig till en ljuskälla enligt inledningen i patentkrav 1, speciellt en ljuskälla för belysning. Vidare hänför sig föreliggande uppfinning till en faltemissionskatod enligt inledningen i patentkrav 13.

UPPFINNINGENS BAKGRUND En allmän typ av ljuskällor är lysröret. Det har mänga fördelar men har också flera allvarliga nackdelar. Exempelvis finns det alltid en fördröjning efter det att strömmen har slagits till fram till det att det arbetar och ger fullt ljus. Det behöver komplicerad styrutrustning, som kräver utrymme. För att erhålla ljus med en källa av detta slag är det olyckligtvis nödvändigt att använda material med negativa miljöeffekter. Det är exempelvis en stor nackdel att kvicksilver måste användas vid denna typ av ljuskällor.

Elektronluminescensljuskällor representerar en annan intressant typ av ljuskällor. Dessa ljuskällor, som inkluderar ett evakuerat hölje, innehållande ett galler och en upphettad katod, för emission av elektroner, är kända från GB, A, 2 070 849 (The General Electric Company Limited), GB, A, 2 097 181 (The General Electric Company PLC), GB, A, 2 126 006 (The General Electric Company plc) och GB, A, 2 089 561 (The General Electric Company Limited). Insidorna av höljena är täckta med ett skikt av fosfor av en typ, som reagerar för elektroner. Dessa elektronluminescenslampor har väsentligen formen av en elektrisk glob.

Eftersom dessa ljuskällor alla har en uppvärmd katod så måste katoden uppvärmas med speciella organ innan emissionen av ljus böqar.

Användningen av elektroner, som exciterar fosfor till luminescens har den verkan, att mer värme åstadkommes än i jämförbara lysrör. Det är därför fördelaktigt om den aktiva ytan, för emissionen av ljus och för den nödvändiga värmeavledningen, är stor. De elektronluminescenslampor, som visas i de nämnda dokumenten, har inte optimala ytor.

För att eliminera nackdelarna och problemen med lysrören och elektronluminescensljuskälloma utvecklades ljuskällor med fältemissionskatoder.

En ljuskälla av detta slag visas i US, A, 5 588 893 (Kentucky Research and Investment Company Limited). En faltemissionskatod är anordnad inuti en evakuerad glasbehållare med ett luminescensskikt anordnat på dess inre yta. En modulator eller extraktionselektrod är belägen mellan katoden och luminescensskiktet. Katoden innefattar 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 föltemissionskatod 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 för att erhålla en katod med högre verkningsgrad än tidigare katoder.

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

Ett ytterligare dokument, WO, A1, 97/07531 (Slizars et. Al.) visar en belysningsapparat, som innefattar en fältemissionskatod. Katoden är uppbyggd av en eller flera fibrer. Fibrerna är mycket tunna och har en diameter mindre än 100 mikron och företrädesvis mindre än 10 mikron. Diametrarna är valda för att erhålla fältemission vid rimliga spänningar. En konstruktion enligt detta dokument och med en fiber kommer att vara overksam om fibern brister. Eftersom fibern är mycket tung synes sannolikheten för att den brister vara stor. Sannolikheten minskas emellertid förmodligen något genom anordnande av mer än en fiber parallellt, för redundans. Elektronemissionsytan är emellertid mycket liten beroende på den lilla fiberdiametem.

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 fibrerna 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 fibrerna.

SAMMANFATTNING AV UPPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ljuskälla respektive en iältemi ssionskatod, som åstadkommer ett koncentrerat elektriskt fält vid fUltemissionsytan (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 1 och 13 erhålls en ljuskälla respektive en fåltemissionskatod med en lång livslängd, med hög verkningsgrad och stabilitet, vilken kan åstadkommas till låg kostnad.

Genom särdragen i patentkraven 1 och 13 erhålls en ljuskälla respektive en fältemissionskatod med ett tillräckligt elektriskt fält för fältemission med god fördelning och hög emission av elektroner från katoden.

Genom särdragen i patentkraven 1 och 13 erhålls också en ljuskälla respektive en fältemissionskatod, i vilken fältemission 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 använd-ningen 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 verkan av ytan gör det möjligt att erhålla en ljuskälla med en hög ljusemission i relation till det åstadkomna värmet.

Genom särdragen i patentkravet 13 erhålls vidare en fältemissionskatod av enkel och robust konstruktion.

Genom särdragen i patentkraven 13-19 erhålls en fältemissionskatod, som vidare åstadkommer en hög emission och likformig fördelning av emitterade elektroner, speciellt via ett sfäriskt område, som omger katoden.

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

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Figur 1 visar schematiskt en längsgående sektion av en utföringsform av en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning, figur 2 visar schematiskt katoden och anoden, såsom åskådliggöres i figur 1, flgur 3 visar schematiskt en längsgående sektion av en alternativ utföringsform av en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning, och flgur 4 visar schematiskt en längsgående sektion av en ytterligare alternativ utföringsform av en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning.

BESKRIVNING AV DE FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMERNA Enligt figur 1 visas i en schematisk längsgående sektion en utföringsform 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. Sfären 20 har en ände 21, som är täckt med ett ändlock 60. En tätning (icke visad) är anordnad mellan ändlocket och sfären 20 för erhållande av en lufttät försegling av behållaren. Behållaren är förseglad för att bibehålla det vakuum (approximativt 10<-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 SI, 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 elektronbombardimang 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 fosforn.

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 anslutningsorganet 52 skulle vidare kunna innefatta ledande fingrar eller liknande, som är i kontakt med anodskiktet 25, anordnat inuti behållaren, öppningarna för 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 spänningarna 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: Image available on "Original document" där E (Ri) är den elektriska fältstyrkan vid den centrala sfären, Vo är den mellan de två sfärerna pålagda spänningen, Ri är radien för den inre sfären (katoden) och Ro är den inre radien for den yttre sfären (anoden). I figur 2, som schematiskt visar katoden och anoden enligt figur 1, är formelns 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 fältlinjema 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 fälteraissionsmaterial, såsom ett skikt av kol-nanorör. Det elektriska fältet förstärks då ytterligare runt fältemissionsspetsama 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 förstärkningsfaktor (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.

För ytterligare förklaring och diskussion av nanorör hänvisas till artiklarna ”Field emission from carbon nanotubes: a comparative study” av J M Bonard, J P Salvetat, T Stöckli, L Form, A Chåtelain, Proceedings of the 193ECS symposium, 1998, and ”Field emission properties of multiwalled Chåtelain, W A de Heer, J P Salvetas, L Forro, Ultramicroscopy 73 (1998) 7-15, vilka artiklar inbegripes häri genom referens.

Oregelbundenhetema bildas genom kol-nanorör, som appliceras på den sfäriska katodens yta Nanorören har en mycket kort längd, mindre än cirka 10 ?m, 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 påförda kol-nanorören kan vara av olika slag, exempelvis enkel vägg-nanorör eller öppna eller slutna multipelvägg-nanorör. I detta fall är katalytiskt avsatta multipelväggnanorör, avsatta i form av en film, lämpliga och kan påföras genom en enkel process. Dessa nanorör är lämpliga att avsätta på en sfär 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 alternativt 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/cm<2 >erhålls.

När faltstyrkan är tillräcklig för att åstadkomma fältemission av elektroner från fältemissionsytoma (spetsarna) hos katodens 40 faltemissionsmaterial (nanorören) kommer elektronerna att accelerera och passera mot anoden 25. Beroende på elektronernas höga kinetiska energi och beroende på det förhållandet, att anodskiktet är relativt tunt (mindre än 0,1 mikron) kommer elektronerna att passera genom anoden för att komma in i fosforskiktet under det att de fortfarande har tillräcklig kinetisk energi för att excitera fosforn till luminescens, varvid synligt ljus emitteras. Elektronerna 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 spänningarna kommer att åstadkomma ändringar i strömmarna och uppvärmningen av cylinderväggen.

För att ange ett exempel antages det fall, varvid den utvändiga sfären har en radie av cirka 30 mm, vilket motsvarar en standardglödlampa: om innerradien väljs så att den är 2,5 mm så kommer den elektriska fältstyrkan vid innersfårens yta att vara 3500 V/mm 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 cm<2>), vilket vid fosforskiktet på ytan av den yttre sfären (110 cm<2>) kommer att ge en strömdensitet av cirka 45 mikroamper/cm<2>.

De ovanstående beräkningarna 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 sfären är täckt med fosfor, såsom visas vid utföringsformen 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 utföringsformen.

Beroende på geometrin hos ljuskällan enligt uppfinningen så måste måttoleransema inte vara helt exakta, speciellt i jämförelse med ljuskällor med ett galler. Detta framgår av den ovanstående formeln och bidrar till låga tillverkningskostnader.

Enligt ett alternativt 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. Alternativt 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 fingrarna.

För att minska förekommande störningar 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 en jordad metallcylinder.

Slutligen bör noteras att lampklotet 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. Åven om utföringsformerna innefattar vissa detaljer för den elektriska anslutningen och för stödjandet av ljuskällans 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.

Claims (19)

Patentkrav

1. Ljuskälla, innefattande en evakuerad behällare med väggar, 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 av att - fältemissionskatoden (40) innefattar en bärare, som åtminstone delvis antar formen av en relativt liten sfär, och att - åtminstone en del av sfärens yta är försedd med ledande ytoregelbundenheter i form av kolnanorör, vart och ett med en längsgående axel, som är väsentligen vinkelrät mot bärarens yta, varvid nanorörens fria ändar utgör spetsar med en radieil utsträckning, vilken är mindre än cirka 10 pm.

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

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

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

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

6. Ljuskälla enligt något av kraven 1-5, varvid bäraren är anordnad i behållarens mitt.

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

8. Ljuskälla enligt något av kraven 1-7, varvid spetsarna har en krökningsradie inom området 0,1-100 nanometer.

9. Ljuskälla enligt något av kraven 1-8, varvid spetsarna är väsentligen likformigt fördelade på nämnda del av ytan av sfären, som är försedd med ytoregelbundenheter.

10. Ljuskälla enligt något av kraven 1-9, varvid - 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 emiteras från luminescensskiktet (24).

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

12. Ljuskälla enligt något av kraven 1-11, varvid - fosforskiktet är tillverkat av en ledande fosfor och fosforskiktet även bildar anoden.

13. Fältemissionskatod (40), för användning i en ljuskälla och avsedd att åtminstone partiellt omges av en anod samt innefattande ytterligare organ, kännetecknad av att - nämnda ytterligare organ innefattar ledande ytoregelbundenheter i form av kol-nanorör, vilka är anordnade på åtminstone en del av en bärare, som åtminstone delvis antar formen av en relativt liten sfär, och vilka vart och ett har en längsgående axel, som är väsentligen vinkelrät mot bärarens yta, varvid nanorörens fria ändar utgör spetsar med en radiell utsträckning, vilken är mindre än cirka 10 pm.

14. Ljuskälla enligt kravet 13, varvid nämnda bärare är tillverkad av ett ledande material.

15. Ljuskälla enligt kravet 13, varvid bäraren är tillverkad av ett halvledande material.

16. Ljuskälla enligt kravet 13, varvid bäranden är tillverkad av ett isolerande material.

17. Fältemissionskatod (40) enligt något av kraven 13-16, varvid katoden åtminstone delvis skall omges av en anod, vilken åtminstone delvis antar formen av en sfar med en radie inom området 1-10 cm.

18. Fältemissionskatod enligt något av kraven 13-17, varvid spetsarna har en krökningsradie inom området 0,1 - 100 nanometer.

19. Fältemissionskatod enligt något av kraven 13-18, varvid spetsarna är väsentligen likformigt fördelade på nämnda del av ytan av sfären, som är försedd med ytoregelbundenheter.