SE520550C2

SE520550C2 - Light source for illumination uses a field emission cathode comprising an elongate wire-shaped carrier with conductive surface irregularities in the form of tips

Info

Publication number: SE520550C2
Application number: SE9903226A
Authority: SE
Inventors: Jan Kjellman; Magnus Lindmark
Original assignee: Nanolight Internat Ltd
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2003-07-22
Also published as: SE9903226L; SE9903226D0

Abstract

A light source comprises a phosphor layer excited to luminescence by electron bombardment from a field emission cathode. The field emission cathode comprises an elongate wire-shaped carrier with a cylindrical surface and a diameter of 0.5-5 mm. The cylindrical surface has conductive surface irregularities in the form of tips with a radial extension of less than 10 mum. A light source (10) comprises an evacuated container with walls (20). The walls comprise an outer glass layer (23) coated on the inside with a phosphor layer (24) forming a luminescent layer, and a conductive layer (25) forming an anode. The phosphor layer is excited to luminescence by electron bombardment from a field emission cathode (40) inside the container. The field emission cathode comprises an elongate wire-shaped carrier with a cylindrical surface and a diameter of 0.5-5 mm. A portion of the cylindrical surface is provided with conductive surface irregularities in the form of tips with a radial extension of less than 10 mum.

Description

20 25 30 520 550 2 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. 20 25 30 520 550 2 located between the cathode and the luminescence layer. The cathode comprises carbon fibers, arranged in bundles, preferably in a matrix, on a substrate. The contents of U.S. Patent No. 5,588,893 are incorporated herein by reference.

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.In the latter known light source, however, electrons are emitted only in a direction perpendicular to the substrate. In addition, the document does not contain any information on how the light source is to be produced in a profitable way.

Ovan nämnda US, A, 5 88 893 (Kentucky Research and Investment Company Limi- ted) visar en fältemissionskatod 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.The above-mentioned US, A, 5 88 893 (Kentucky Research and Investment Company Limited) shows a field emission cathode of the above-mentioned type. The cathode shown comprises carbon fibers, arranged in bundles, preferably in a matrix, on a substrate. The document also shows a method involving treatment of the emission surfaces to obtain a cathode with a higher efficiency than previous cathodes.

Vidare visar WO, A1, 98/57344 (LightLab AB) och WO, Al,98/57345 (LightLab AB) ljuskällor med cylindrisk geometri och användning av faltemission. För att erhålla det nödvändiga elektriska fältet för fältemission innefattar de nämnda ljuskälloma galler eller modulatorelektroder anordnade nära katodemas faltemissionsytor. I dessa ljuskällor måste ett relativt kraftigt elektriskt fält skapas mellan elektroden och gallret och avståndet mellan fáltemissionsytoma och gallret måste vara litet och likformigt för att uppnå ett tillräcklig elektrisk fält för fältemission och en god fördelning av från katoden emitterade elektroner.Furthermore, WO, A1, 98/57344 (LightLab AB) and WO, A1, 98/57345 (LightLab AB) show light sources with cylindrical geometry and the use of field emission. In order to obtain the necessary electric field for field emission, the said light sources comprise gratings or modulator electrodes arranged near the field emission surfaces of the cathodes. In these light sources, a relatively strong electric field must be created between the electrode and the grid and the distance between the field emission surfaces and the grid must be small and uniform to achieve a sufficient electric field for field emission and a good distribution of electrons emitted from the cathode.

Ett ytterligare dokument, WO, A1, 97/07531 (Slizars et. Al.) visar en belysningsap- parat, som innefattar en fältemissionskatod. Katoden är uppbyggd av en eller ﬂera fibrer. Fib- rema 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 kon- struktion enligt detta dokument och med en ﬁber kommer att vara overksam om fibern brister.A further document, WO, A1, 97/07531 (Slizars et. Al.) Discloses a lighting apparatus which includes a field emission cathode. The cathode is made up of one or more of your fibers. The fibers are very thin and have a diameter of less than 100 microns and preferably less than 10 microns. The diameters are selected to obtain field emission at reasonable voltages. A construction according to this document and with a ﬁ ber will be inoperative if the fiber breaks.

Eftersom fibern är mycket tung synes sannolikheten för att den brister vara stor. Sannolikhe- ten minskas emellertid förmodligen något genom anordnande av mer än en ﬁber parallellt, för redundans. Elektronemissionsytan är emellertid mycket liten beroende på den lilla ﬁberdia- metem.Since the fiber is very heavy, the probability of it failing seems to be high. However, the probability is probably reduced somewhat by arranging more than one ﬁ in parallel, for redundancy. However, the electron emission area is very small due to the small ﬁ berdiameter.

Tidigare kända fältemissionskatoder är ofta av en komplicerad och spröd konstruk- tion, speciellt i vad avser monteringen och fastsättningen av filtemissionskroppar. Det har i samband med katoder, som innefattar standardkolfibrer och ett galler, visat sig att de elektris- ka fält, som verkar mellan katoden och ett galler eller en anod kan åstadkomma så att indivi- duella 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 O:\SL\DOK\Word-d0k\l100l2500ny.d0c 10 15 20 25 30 520 550 3 katoden och gallret till dess det bränns av efter en viss tid, beroende på den resulterande strömmen genom fibrema.Previously known field emission cathodes are often of a complicated and brittle construction, especially with regard to the assembly and attachment of felt emission bodies. In connection with cathodes which comprise standard carbon fibers and a grid, it has been found that the electric fields acting between the cathode and a grid or an anode can cause individual fibers to detach from their carrier if they are not safe. attached to it. Once the fibers are free, they will in most cases be attracted to the grid and cause a short circuit between the cathode and the grid until it is burned off. after a certain time, depending on the resulting current through the fibers.

SAMMANFATTNING AV UPPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ljuskälla respektive en fältemis- sionskatod, som åstadkommer ett koncentrerat elektriskt falt vid faltemissionsytan (ytorna) och varmed åtminstone några av de ovanstående nackdelarna elimineras eller minskas.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the invention is to provide a light source and a field emission cathode, respectively, which provide a concentrated electric field at the field emission surface (s) and thereby eliminate or reduce at least some of the above disadvantages.

Dessa och andra syften uppnås genom de särdrag, som anges i de bifogade själv- ständiga patentkraven.These and other objects are achieved by the features set forth in the appended independent claims.

Genom särdragen i patentkraven 1 och 21 erhålls en ljuskälla respektive en fält- emissionskatod med en lång livslängd, med hög verkningsgrad och stabilitet, vilken kan åstadkommas till låg kostnad.The features of claims 1 and 21 provide a light source and a field emission cathode, respectively, with a long service life, with high efficiency and stability, which can be achieved at low cost.

Genom särdragen i patentkraven l och 21 erhålls en ljuskälla respektive en faltemis- sionskatod med ett tillräckligt elektriskt fält för faltemission med god fördelning och hög emission av elektroner från katoden.The features of claims 1 and 21 provide a light source and a field emission cathode, respectively, with a sufficient electric field for field emission with good distribution and high emission of electrons from the cathode.

Genom särdragen i patentkraven 1 och 21 erhålls också en ljuskälla respektive en fältemissionskatod, i vilken faltemission kan erhållas utan användning av ett galler eller en extraktionselektrod.The features of claims 1 and 21 also provide a light source and a field emission cathode, respectively, in which field emission can be obtained without the use of a grid or an extraction electrode.

Genom särdragen i patentkravet l erhålls vidare en ljuskälla utan någon uppstart- ningsperiod, dvs. när strömmen slås på så kommer ljuset omedelbart tack vare användningen av en faltemissionskatod. En ljuskälla utan behov av material med negativa miljöeffekter er- hålls.The features of claim 1 further provide a light source without any start-up period, ie. when the power is turned on, the light comes on immediately thanks to the use of a field emission cathode. A light source without the need for materials with negative environmental effects is obtained.

Genom särdragen i patentkravet l erhålls vidare en ljuskälla med en faltemissions- katod av en enkel och robust konstruktion.The features of claim 1 further provide a light source with a field emission cathode of a simple and robust construction.

Genom särdragen i patentkravet 21 erhålls vidare en ljuskälla med en tillräckligt stor aktiv ljusemissionsyta. Den effektiva användningen av ytan gör det möjligt att erhålla en ljus- källa med en hög ljusemission i relation till det åstadkomna värmet.The features of claim 21 further provide a light source with a sufficiently large active light emitting surface. The efficient use of the surface makes it possible to obtain a light source with a high light emission in relation to the heat produced.

Genom särdragen i patentkravet 14 erhålls vidare en fáltemissionskatod av enkel och robust konstruktion.The features of claim 14 further provide a field emission cathode of simple and robust construction.

Genom särdragen i patentkraven 21-23 erhålls en faltemissionskatod, som vidare åstadkommer en hög emission och likformig fördelning av emitterade elektroner, speciellt via ett cylindriskt ytornråde, som omger katoden. Dessutom uppnås en katod med låg interferens mellan de faltemitterande ytorna.The features of claims 21-23 provide a field emission cathode which further provides a high emission and uniform distribution of emitted electrons, especially via a cylindrical surface area surrounding the cathode. In addition, a cathode with low interference is achieved between the field emitting surfaces.

Ytterligare särdrag och fördelar kommer att framgå av de osjälvständiga patentkra- ven och den följ ande detaljerade beskrivningen.Additional features and advantages will become apparent from the dependent claims and the following detailed description.

O;\SL\DOK\Word 10 15 20 25 30 520 550 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. 1 visar schematiskt en längsgående sektion av en utföringsforrn av en ljuskälla enligt föreliggande uppﬁnning, Fig. 2 visar schematiskt ett tvärsnitt vid II-II i Fig. 1.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 schematically shows a longitudinal section of an embodiment of a light source according to the present invention, Fig. 2 schematically shows a cross section at II-II in Figs. 1.

Fig. 3 visar schematiskt katoden och anoden fig.2, Fig. 4 visar schematiskt ett tvärsnitt av en alternativ utföringsform av en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning, Fig. 5 visar schematiskt ett tvärsnitt av en ytterligare alternativ utföringsform av en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning, Fig. 6 visar schematiskt ett tvärsnitt av ännu en alternativ utföringsform av en ljus- källa enligt föreliggande uppfinning, och Fig. 7 visar schematiskt en möjlig förrn av en ljuskälla enligt föreliggande uppfin- ning.Fig. 3 schematically shows the cathode and the anode Fig. 2, Fig. 4 schematically shows a cross section of an alternative embodiment of a light source according to the present invention, Fig. 5 schematically shows a cross section of a further alternative embodiment of a light source according to the present invention, Figs. Fig. 6 schematically shows a cross-section of yet another alternative embodiment of a light source according to the present invention, and Fig. 7 schematically shows a possible embodiment of a light source according to the present invention.

BESKRIVNING Av DEN FÖREDRAGNA UTFöRiNGsFoRMEN Med hänvisning till Fig. 1 visas i ett schematiskt längdsnitt en utföringsforni av en ljuskälla enligt föreliggande uppfinning, vilken är allmänt betecknad med talet 10, och speci- ellt är avsett för belysningsändamål. Den innefattar en behållare uppvisande väggar, av vilka en betecknas med talet 20. Denna vägg 20 har ett yttre glasskikt och visas vara cylindrisk.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Referring to Fig. 1, a schematic longitudinal section shows an embodiment of a light source according to the present invention, which is generally designated by the number 10, and is specifically intended for lighting purposes. It comprises a container having walls, one of which is denoted by the number 20. This wall 20 has an outer glass layer and is shown to be cylindrical.

Cylindem 20 har en ände 21, vilken är övertäckt av ett ändlock 60. En ej visad tätning är an- ordnad mellan ändlocket och cylindem 20 i syfte att åstadkomma en lufttät tätning av behålla- ren. Vid cylindems 20 andra ände 22 är anordnat ett ändlock 61, liknande det som är anordnat vid änden 21 och likaså försett med en tätning. Altemativt kan vid änden 22 vara anordnad en cirkulär vägg såsom en fortsättning på cylinderväggen 20, likaså med ett yttre skikt av glas.The cylinder 20 has an end 21, which is covered by an end cap 60. A seal (not shown) is arranged between the end cap and the cylinder 20 in order to provide an airtight seal of the container. At the other end 22 of the cylinder 20 is provided an end cap 61, similar to that provided at the end 21 and also provided with a seal. Alternatively, a circular wall may be provided at the end 22 as a continuation of the cylinder wall 20, as well as with an outer layer of glass.

Behållaren är förseglad i syfte att upprätthålla det vakuum (approximativt 106 torr) som ska- pas när behållaren evakueras.The container is sealed in order to maintain the vacuum (approximately 106 torr) created when the container is evacuated.

Inuti behållaren och företrädesvis koaxiellt med denna finns en katod 40. Denna ka- tod är en kallkatod, speciellt en fältemissionskatod. Dess konstruktion och funktion kommer att förklaras ytterligare nedan.Inside the container and preferably coaxially with it there is a cathode 40. This cathode is a cold cathode, especially a field emission cathode. Its construction and function will be further explained below.

Ljuskällan är försedd med elektriska anslutningar 51, 52 samt organ (ej visat) för fastsättning av katoden 40. Katoden 40 kan vara lödd vid locken 60, 61 eller kan även vara vidhäftande förbunden med locken 60, 61 genom ett bindemedel, företrädesvis ett elektriskt ledande bindemedel. Den kan även vara fastklämd vid locken 60, 61 medelst klämorgan eller O:\SL\DOK\W0rd-d0k\llO012500ny.doc 10 15 20 25 30 520 550 5 omgripen av griporgan. Det är även möjligt att en cirkulär vägg, vilken är en fortsättning av cylinderväggen 20, är försedd med stödjande, fasthållande eller gripande organ.The light source is provided with electrical connections 51, 52 and means (not shown) for attaching the cathode 40. The cathode 40 may be soldered to the covers 60, 61 or may also be adhesively connected to the covers 60, 61 by an adhesive, preferably an electrically conductive binder. It can also be clamped to the lids 60, 61 by means of clamping means or surrounded by gripping means. It is also possible that a circular wall, which is a continuation of the cylinder wall 20, is provided with supporting, holding or gripping means.

Den cylindriska delen 20 av de behållarväggar som omger katoden 40 består av ett yttre glasskikt 23, ett fosforskikt 24 (elektroluminiscensfosfor) samt ett inre ledande skikt 25, som bildar en anod. Fosforskiktet är ett luminiscensskikt, som vid elektronbombardemang emitterar synligt ljus. Anoden är företrädesvis tillverkad av ett reflekterande elektriskt ledande material, exempelvis aluminium. Genom att anordna ett aluminiumskikt som täcker fos- forskiktet, undviks de skadliga effektema beträffande vakuum genom eventuell förångning av fosfom.The cylindrical part 20 of the container walls surrounding the cathode 40 consists of an outer glass layer 23, a phosphor layer 24 (electroluminescent phosphor) and an inner conductive layer 25, which forms an anode. The phosphor layer is a luminescence layer, which emits visible light during electron bombardment. The anode is preferably made of a reflective electrically conductive material, for example aluminum. By arranging an aluminum layer covering the phosphor layer, the harmful effects of vacuum are avoided by possible evaporation of phosphoma.

De elektriska anslutningsorganen 51, 52 ansluter katoden 40 resp. anoden 25 till en matningskrets (ej visad). Dessa anslutningsorgan innefattar företrädesvis ledande klämstift, som sträcker sig genom locket 60 och är isolerade från varandra. Det elektriska anslutnings- organet 52 skulle vidare 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 ﬁörseglade. Vid den andra änden 22 av behållarväggen 20 kan vara anordnat ett ändlock 61 liknande ändlocket 60, för att stödja katoden 40. Detta änd- lock 61 kan emellertid vid den andra änden 22 vara framställt utan elektriskt förbindningsor- gan.The electrical connection means 51, 52 connect the cathode 40 resp. the anode 25 of a supply circuit (not shown). These connecting means preferably comprise conductive clamping pins which extend through the cover 60 and are insulated from each other. The electrical connector 52 would further comprise conductive fingers or the like which are in contact with the anode layer 25 disposed within the container. The openings of the electrical connectors 51, 52 at the end cap 60 are airtight and sealed. At the other end 22 of the container wall 20, an end cap 61 similar to the end cap 60 may be provided, to support the cathode 40. However, this end cap 61 may be made at the other end 22 without an electrical connector.

Katoden 40 innefattar en relativt tunn tråd eller stång, av elektriskt ledande material, exempelvis en nickeltråd. Tråden eller stången har företrädesvis ett cirkulärt tvärsnitt och dess diameter är inom millimeterornrådet, omkring en till ett fåtal mm, exempelvis 0,5-5 mm eller 1,5-2 mm. Detta ger en stark och hållbar katod, som har en yta, vilken är tillräcklig för hög emission av elektroner. Trådens area är likaså tillräcklig för den ström som skall ledas därige- nom.The cathode 40 comprises a relatively thin wire or rod, of electrically conductive material, for example a nickel wire. The wire or rod preferably has a circular cross-section and its diameter is within the millimeter range, about one to a few mm, for example 0.5-5 mm or 1.5-2 mm. This gives a strong and durable cathode, which has a surface which is sufficient for high emission of electrons. The area of the wire is also sufficient for the current to be conducted therethrough.

Fig. 2 visar ljuskällan enligt Fig. l i ett tvärsnitt taget vid Il-II.Fig. 2 shows the light source according to Fig. 1 in a cross section taken at II-II.

Vid drift påläggs en likspänning mellan katoden 40 och anoden 25 medelst en mat- nings- och reglerkrets (ej visad), som skulle kunna vara belägen i ett hölje, anslutet till växel- strömsnätet, 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 elektriskt fält mellan katoden 40 och anoden 25.During operation, a direct voltage is applied between the cathode 40 and the anode 25 by means of a supply and control circuit (not shown), which could be located in a housing, connected to the AC mains, for example via an ordinary lamp socket. The supply circuit applies the voltages to the conductive terminal terminals 51-52, to which it is connected. Preferably, terminal 52 has ground potential and terminal 51 is negative. When the voltage is applied, an electric field is created between the cathode 40 and the anode 25.

Beroende på geometrin hos ljuskällan enligt uppfinningen erhålles en gynnsam fór- delning av det elektriska fältet. Det elektriska fältet är starkast där ett starkt elektriskt fält er- fordras för erhållande av fältemission, nämligen runt katoden. Följande formel ger den elek- O:\SL\DOK\Word-dok\l l00l2500ny.doc 10 15 20 25 30 520 550 6 u. t. triska fältstyrkan i en struktur enligt uppfinningen, med en central ledare koaxiellt omgiven av en cirkulär cylindrisk ledare: V E(r) = Ä lnl R.Depending on the geometry of the light source according to the invention, a favorable distribution of the electric field is obtained. The electric field is strongest where a strong electric field is required to obtain field emission, namely around the cathode. The following formula gives the electric field strength of a structure according to the invention, with a central conductor coaxially surrounded by a circular cylindrical conductor: VE (r) = Ä lnl R.

I 1 . . . , där E (r) är den elektriska faltstyrkan vid radien r med avseende på den centrala axeln hos den centrala ledaren, V0 är den mellan ledarna (katod och anod i ljuskällan) pâlagda spänningen, RO är innerradien för den cylindriska ledaren (anoden) och Ri är ytterra- dien hos den inre ledaren (katoden). I Fig. 3 som schematiskt visar katoden och anoden i Fig. 2, visas variabler hos formeln. Som framgår av formeln kan uppnås ett mycket starkt elek- triskt fält nära katoden med på lämpligt sätt valda dimensioner. Speciellt kommer en liten radie för katoden (r) att ge ett stort elektriskt filt nära katoden. De elektriska fáltlinjema kommer att koncentreras runt katoden och det kan ses som om katoden vore omgiven av en virtuell extraktionselektrod.I 1. . . , where E (r) is the electric field strength at the radius r with respect to the central axis of the central conductor, V0 is the voltage applied between the conductors (cathode and anode in the light source), RO is the inner radius of the cylindrical conductor (anode) and Ri is the outer radius of the inner conductor (cathode). In Fig. 3 which schematically shows the cathode and the anode in Fig. 2, variables of the formula are shown. As can be seen from the formula, a very strong electric field can be achieved near the cathode with appropriately selected dimensions. In particular, a small radius of the cathode (s) will provide a large electric blanket near the cathode. The electric field lines will be concentrated around the cathode and it can be seen as if the cathode were surrounded by a virtual extraction electrode.

För att erhålla faltemission från katoden är denna täckt av ett fältemissionsmaterial, såsom ett skikt av kol-nanorör. Det elektriska fältet förstärks då ytterligare runt fältemis- sionsspetsama och en förstärkningsfaldor (förfåltet) av 1000 och till och med mera kan erhål- las. Detta kan ses såsom en förstärkning av verkan av nämnda virtuella extraktionselektrod.To obtain field emission from the cathode, it is covered by a field emission material, such as a layer of carbon nanotubes. The electric field is then further amplified around the field emission tips and a reinforcement fold (pre-field) of 1000 and even more can be obtained. This can be seen as an amplification of the action of said virtual extraction electrode.

Under beaktande av denna förstärkningsfaktor (ca 1000) så är det elektriska fältet, som erfor- dras for att verksamt extrahera elektroner (genom fältemission) från ett skikt av nanorör, ca 1 kV/mm.Taking this gain factor (approx. 1000) into account, the electric field required to efficiently extract electrons (by field emission) from a layer of nanotubes is approx. 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 Forró, A Châtelain, Proceedings of the 19359 ECS symposium, 1998, and “Field emission properties of multiwalled carbon nanotubes” of J M Bonard, F Maier, T Stöckli, A Châtelain, W A de Heer, J P Salvetat, L Forró, Ultramicroscopy 73 (1998) 7-15, vilka artiklar inbegripes häri genom referens.For further explanation and discussion of nanotubes, see the articles “Field emission from carbon nanotubes: a comparative study” by JM Bonard, JP Salvetat, T Stöckli, L Forró, A Châtelain, Proceedings of the 19359 ECS symposium, 1998, and “Field emission properties of multiwalled carbon nanotubes ”of JM Bonard, F Maier, T Stöckli, A Châtelain, WA de Heer, JP Salvetat, L Forró, Ultramicroscopy 73 (1998) 7-15, which articles are incorporated herein by reference.

Oregelbundenhetema bildas genom kol-nanorör, som appliceras på (den cylindriska) ytan av tråden eller stången som är inbegripen i katoden. Nanorören har en mycket liten längd, mindre än ca 10 um och påverkar inte variabeln r i formen, eftersom diarnetem hos tråden eller stången hos katoden är vald i mm-orrtrådet, omkring en till ett fåtal mm, t.ex. 0,5- 5 mm eller 1,5-2 mm. Nanorörens spetsar har en krökningsradie i området 0,1-100 nanometer.The irregularities are formed by carbon nanotubes which are applied to the (cylindrical) surface of the wire or rod included in the cathode. The nanotubes have a very small length, less than about 10 μm and do not affect the variable r in the mold, since the diarnetem of the wire or the rod of the cathode is selected in the mm groove wire, about one to a few mm, e.g. 0.5-5 mm or 1.5-2 mm. The tips of the nanotubes have a radius of curvature in the range 0.1-100 nanometers.

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 multipelvägg- \\FSERVER\USERS\SL\DOK\Word-dok\1l00l2500ny,d0c 10 15 20 25 30 520 550 7 nanorör avsatta i form av en ﬁlm, lämpliga, och kan påföras genom en enkel process. Dessa nanorör är lämpliga att avsätta eller deponera på en tråd och de kommer att vara lärnpligt ori- enterade genom processen, varvid deras respektive längsgående axlar är väsentligen vinkel- räta till trådens längsgående axel. Vidare ger applicering av nanorör genom en katalytisk pro- cess eller altemativt en CVD-process god likforrnighet och låg tillverkningskostnad. Nyligen utförda laboratoriemätningar bekräftar att förstärkningsfaktorn är ca 1000 vid katalytiskt av- satta nanorörﬁlmer och att strömmar upp till 10 mA/cm* erhålls.The applied carbon nanotubes can be of different types, for example single-wall nanotubes or open or closed multiple-wall nanotubes. In this case, catalytically deposited multiple wall nanotubes deposited in the form of an ﬁ lm are suitable, and can be applied by a simple process. . These nanotubes are suitable for depositing or depositing on a wire and they will be teachably oriented through the process, their respective longitudinal axes being substantially perpendicular to the longitudinal axis of the wire. Furthermore, application of nanotubes through a catalytic process or alternatively a CVD process provides good uniformity and low manufacturing cost. Recent laboratory measurements confirm that the gain is about 1000 at catalytically deposited nanotubes and that currents up to 10 mA / cm * are obtained.

När fältstyrkan är tillräcklig för att åstadkomma fältemission av elektroner från fáltemissionsytorna (spetsarna) hos katodens 40 fältemissionsmaterial (nanorören), kommer elektronerna att accelerera och passera mot anoden 25. Beroende på elektronernas höga ki- netiska energi och beroende på det förhållandet, att anodskiktet är relativt tunt (mindre än 0,1 um), kommer elektronerna 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 av- ledas. Elektronbombardemanget kommer att åstadkomma uppvärmning, förutom ljus, beträf- fande den cylindriska väggen 20. Glasskiktet kommer att ombesörja avledningen av värmet.When the field strength is sufficient to effect field emission of electrons from the field emission surfaces (tips) of the field emission material (nanotubes) of the cathode 40, the electrons will accelerate and pass towards the anode 25. Due to the high kinetic energy of the electrons and the relatively thin (less than 0.1 μm), the electrons will pass through the anode to enter the phosphor layer while still having sufficient kinetic energy to excite phosphoma to luminescence, emitting visible light. The electrons will then return to the anode to be diverted. The electron bombardment will provide heating, in addition to light, to the cylindrical wall 20. The glass layer will provide the heat dissipation.

Spänningen är inom området kV, typiskt omkring 4-8 kV. Spänningen beror mycket på typen av använt fosfor. Nya typer av fosfor utvecklas ständigt och på grund därav 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.The voltage is in the range kV, typically around 4-8 kV. The voltage depends a lot on the type of phosphorus used. New types of phosphorus are constantly evolving and because of this the voltage must be adapted to the specific type of phosphorus used. Changing the type of phosphorus and thereby the voltages will cause changes in the currents and the heating of the cylinder wall.

Om som exempel ett fosforskikt 24, vilket behöver bombarderas med elektroner om omkring 8 kV i syfte att erhålla en god verkningsgrad, och katoden 40 har en diameter om omkring l mm, i syfte att säkerställa att nanorörskiktet har en tillräckligt stor yta för att emit- tera den ström som erfordras för högljudsintensitet, ger ovan angivna formel ett elektriskt fält om omkring 4 kV/mm vid katodytan med en innerdiameter hos anoden 25 om 55 mm. Med en katoddiameter om 1,5 mm erhålls 3,7 kV/mm vid katodens yta om innerdiametern hos anoden 25 är 28 mm. En fältstyrka om omkring 4 kV/mm har valts i dessa exempel för att säkert be- finna sig ovanför erfordrade 1 kV/mm.For example, a phosphor layer 24, which needs to be bombarded with electrons of about 8 kV in order to obtain a good efficiency, and the cathode 40 has a diameter of about 1 mm, in order to ensure that the nanotube layer has a sufficiently large surface area to emit the current required for loud intensity, the above formula gives an electric field of about 4 kV / mm at the cathode surface with an inner diameter of the anode 25 of 55 mm. With a cathode diameter of 1.5 mm, 3.7 kV / mm is obtained at the surface of the cathode if the inner diameter of the anode 25 is 28 mm. A field strength of about 4 kV / mm has been chosen in these examples to be safely above the required 1 kV / mm.

För exemplet ovan med en katoddiameter om 1,5 mm och en innerdiameter hos ano- den om 28 mm, ger en längd av 20 mm (anod och katod) en elektronemissionsyta om omkring 1 cmz. Från denna yta kan emitteras elektroner motsvarande en ström om 10 mA. Mot- svarande fosforyta är omkring 20 cmz, vilket följaktligen ger en strömtäthet om 0,5 mA/cm* vid fosforytan. Detta är en alltför hög densitet för kontinuerlig drift (för en högspänning om 3 O:\SL\DOK\Word-dok\1l0012500ny.doc 10 15 20 25 30 520 550 8 kV motsvarar detta 80 W för en 20 mm lång cylindrisk lampa).For the example above with a cathode diameter of 1.5 mm and an inner diameter of the anode of 28 mm, a length of 20 mm (anode and cathode) gives an electron emission surface of about 1 cm 2. Electrons corresponding to a current of 10 mA can be emitted from this surface. The corresponding phosphor surface is about 20 cm 2, which consequently gives a current density of 0.5 mA / cm * at the phosphor surface. This is too high a density for continuous operation (for a high voltage of 3 O: \ SL \ DOK \ Word-dok \ 1l0012500ny.doc 10 15 20 25 30 520 550 8 kV this corresponds to 80 W for a 20 mm long cylindrical lamp) .

Med en ljuskälla enligt uppfinningen ﬁnns därför ej något problem med att erhålla strömstyrkor och följaktligen ljusintensiteter väl motsvarande de som erhålls från ett klassiskt ﬂuorescerande lysrör. Som framgår av exemplen kan ytterdianietern hos en ljuskälla enligt uppfinningen bringas väl motsvara den hos ett klassiskt ﬂuorescerande ljusrör. Som framgår av beskrivningen börjar ljuskällan enligt uppfinningen emittera ljus omedelbart när en spän- ning påläggs mellan anoden och katoden.With a light source according to the invention there is therefore no problem with obtaining currents and consequently light intensities well corresponding to those obtained from a classical orescending fluorescent lamp. As can be seen from the examples, the outer dianieter of a light source according to the invention can be made to correspond well to that of a classical fluorescent light tube. As can be seen from the description, the light source according to the invention begins to emit light immediately when a voltage is applied between the anode and the cathode.

Tack vare geometrin hos ljuskällan enligt uppfinningen behöver ej dimensionstoler- anserna vara särskilt exakta, speciellt i jämförelse med ljuskällor uppvisande ett galler. Detta framgår av ovan angivna formel och bidrar till låga tillverkningskostnader.Due to the geometry of the light source according to the invention, the dimensional tolerances do not have to be particularly precise, especially in comparison with light sources having a grid. This is evident from the above formula and contributes to low manufacturing costs.

Fig. 4 visar en altemativ utföringsforrn av en ljuskälla enligt uppfinningen i tvärsnitt.Fig. 4 shows an alternative embodiment of a light source according to the invention in cross section.

Det som skiljer sig från fig. 2 är arrangemanget av väggens 20' skikt. Den innefattar ett yttre glasskikt 23', vilket vid åtminstone en större del av dess insida är täckt med ett elektriskt le- dande transparent material bildande anoden 25'. Anoden 25' uppbär därvid fosforskiktet 24 vid insidan. Anoden är framställd av exempelvis ITO (indium thin oxide). För att upprätta direkt elektrisk kontakt med anoden 25' kan ledande fingrar vara anordnade såsom ovan om- närnnts och några områden av anoden 25' är därför ej övertäckta med fosfor. Alternativt kan på fosforskiktet anbringas ledande ytor som står i kontakt med anoden. Dessa ytor är små för att ej störa driften av ljuskällan, men tillräckligt stora för att upprätthålla elektrisk kontakt med de ledande fingrama.What differs from Fig. 2 is the arrangement of the layer 20 'of the wall. It comprises an outer glass layer 23 ', which at at least a larger part of its inside is covered with an electrically conductive transparent material forming the anode 25'. The anode 25 'then carries the phosphor layer 24 at the inside. The anode is made of, for example, ITO (indium thin oxide). In order to establish direct electrical contact with the anode 25 ', conductive fingers may be arranged as mentioned above and some areas of the anode 25' are therefore not covered with phosphor. Alternatively, conductive surfaces which are in contact with the anode can be applied to the phosphor layer. These surfaces are small so as not to interfere with the operation of the light source, but large enough to maintain electrical contact with the conductive fingers.

Det i ﬁg. 4 visade arbetssättet hos denna utföringsform är väsentligen detsamma som för utföringsformen visad i fig. 2. Efter att ha lärnnat katoden 40 kommer emellertid elektron- ema först att träffa fosforskiktet och excitera detta till luminescens, varefter de kommer att dräneras bort av anoden. Eftersom elektronerna först träffar fosforskiktet och ej behöver passera genom anodskiktet innan de träffar fosforskiktet, kan den pålagda spänningen mellan katoden och anoden vara omkring 1-2 kV lägre än i utföringsformen visad i fig. 2.That i ﬁ g. The mode of operation of this embodiment shown in Fig. 4 is substantially the same as for the embodiment shown in Fig. 2. However, after learning the cathode 40, the electrons will first hit the phosphor layer and excite it to luminescence, after which they will be drained away by the anode. Since the electrons first hit the phosphor layer and do not have to pass through the anode layer before they hit the phosphor layer, the applied voltage between the cathode and the anode may be about 1-2 kV lower than in the embodiment shown in Fig. 2.

I de föregående utföringsfonnema har katoden 40 visats vara anordnad koncentriskt med behållarens vägg 20. Den kan emellertid vara icke koncentriskt eller en excentriskt anordnad som visas i fig. 5. I detta fall är katodens 40 mitt lokaliserad på ett avstånd d från den cylindriska behållawäggens 20 mitt 26. Genom detta arrangemang kommer det elektriska fältet att öka vid delar av behållaren och minska vid andra delar. Härigenom erhålls en möjlighet att styra ljusintensiteten så att ökade ljusintensiteter kan uppnås i vissa riktningar.In the foregoing embodiments, the cathode 40 has been shown to be arranged concentrically with the wall 20 of the container. However, it may be non-concentric or an eccentric device as shown in Fig. mid 26. By this arrangement, the electric field will increase at parts of the container and decrease at other parts. This provides an opportunity to control the light intensity so that increased light intensities can be achieved in certain directions.

Det elektriska fältet runt katoden, extraktionsfältet kommer emellertid ej att väsentligen än- dras tack vare excentriciteten vid moderata avstånd d. Om cylinderväggens 20 innerdiameter O:\SL\DOK\Word-dok\ l 100 l 2500ny.doc 10 15 20 25 30 520 550 9 är 20 mm och katodens ytterdiameter är 2 mm, kommer ett avstånd d om 5 mm att orsaka högre strömtätheter vid delar av cylinderväggen som befinner sig närmast katoden 40, men det elektriska fältet runt katoden kommer fortfarande att vara tillräckligt för fältemission runt katoden 40. För små avstånd d (t.ex. omkring 0,1 mm) är effekterna i det närmaste obeﬁnt- liga. Detta innebär att exakt koncentricitet ej är nödvändigt för erhållande av homogen ljusavgivning.However, the electric field around the cathode, the extraction field, will not change substantially due to the eccentricity at moderate distances d. If the inner diameter of the cylinder wall 20 is 0: 550 9 is 20 mm and the outer diameter of the cathode is 2 mm, a distance d of 5 mm will cause higher current densities at parts of the cylinder wall which are closest to the cathode 40, but the electric field around the cathode will still be sufficient for field emission around the cathode 40. For small distances d (eg about 0.1 mm) the effects are almost insignificant. This means that exact concentricity is not necessary to obtain homogeneous light emission.

I fig. 6 visas en ytterligare uttöringsforrn av uppfinningen där katoden 40, dvs. bära- ren (tråd eller stång) av ytoregelbundenheterna (nanorören), har ett icke-cirkulärt tvärsnitt.Fig. 6 shows a further embodiment of the invention in which the cathode 40, i.e. the carrier (wire or rod) of the surface irregularities (nanotubes), has a non-circular cross-section.

Det visade tvärsnittet är elliptiskt, men kunde vara vilket som helst som uppvisar en jämn kurva, dvs. en kurva som ej uppvisar några skarpa höm. I detta fall kan det elektriska fältet, strömtätheterna och ljusintensitetema styras på ett sätt liknande det i den föregående ut- föringsformen enligt fig. 5.The cross section shown is elliptical, but could be any that has a smooth curve, ie. a curve that does not show any sharp corners. In this case, the electric field, the current densities and the light intensities can be controlled in a manner similar to that in the previous embodiment according to Fig. 5.

I de föregående utföringsforrnema har behållaren visats vara en rät cylinder. Andra former är emellertid möjliga. I fig. 7 visas en behållare med formen av ett böjt rör. Röret kan vara böjt till en cirkulär form eller halvcirkulär form, såsom visat.In the foregoing embodiments, the container has been shown to be a straight cylinder. However, other forms are possible. Fig. 7 shows a container in the shape of a bent tube. The tube may be bent into a circular shape or semicircular shape, as shown.

Eftersom nanorör är ledande behöver kärnan eller bäraren (tråden eller stången) hos katoden 40 ej vara ledande. Den kan vara tillverkad av ett halvledande eller ett isolerande material. I sådant fall appliceras nanorören i ett kontinuerligt skikt, och elektriska förbindnin- gar anordnas till detta skikt. Detta gäller samtliga föregående utföringsfonner.Since nanotubes are conductive, the core or carrier (wire or rod) of the cathode 40 need not be conductive. It can be made of a semiconductor or an insulating material. In such a case, the nanotubes are applied in a continuous layer, and electrical connections are provided to this layer. This applies to all previous embodiments.

I utföringsformema enligt ovan har använts ett fosforskikt och ett anodskikt.Vid an- vändning av ett ledande fosfor, kan detta skikt emellertid även tjänstgöra som anod, varvid det speciella anodskiktet kan utelämnas.In the embodiments as above, a phosphor layer and an anode layer have been used. However, when a conductive phosphor is used, this layer can also serve as an anode, whereby the special anode layer can be omitted.

Fastän uppfinningen beskrivits genom ovan angivna exempel kan naturligtvis en fackman inse att många andra variationer är möjliga inom omfattningen för patentkraven än de som uttryckligen beskrivits.Although the invention has been described by the above examples, one skilled in the art will, of course, appreciate that many variations are possible within the scope of the claims other than those expressly described.

Det är att märka att fastän utföringsformema innefattar vissa detaljer för den elek- triska anslutningen och för att uppbära delarna i ljuskällan, kan dessa utformas på många an- dra sätt, såsom inses av en fackman på området och begränsar ej omfattningen av uppfinnin- gen.It is to be noted that although the embodiments include certain details for the electrical connection and for supporting the parts in the light source, these may be designed in many other ways, as will be appreciated by one skilled in the art and do not limit the scope of the invention.

O:\SL\DOK\Word-dok\l l00l2500ny.docO: \ SL \ DOK \ Word-dok \ l l00l2500ny.doc

Claims

10 15 20 25 30 520 550 10 Patent claims

A light source (10), comprising an evacuated container with walls (20), at least a part thereof comprising an outer glass structure (23, 23 '), which on at least a part thereof is coated on the inside with a layer of phosphor (24, 24 °), which forms a luminescence layer, and a conductive layer (25,25 '), which forms an anode, the phosphor layer (24,24') being excited to luminescence by electron bombardment from a field emission cathode (40 ), which is located in the interior of the container, characterized in that the field emission cathode (40, 40 ') comprises an elongate carrier having the shape of a cylindrical surface having a first longitudinal axis, that at least a part of the cylindrical surface is provided with conductive surface irregularities in the form of carbon nanotubes, each having a second longitudinal axis substantially perpendicular to the first longitudinal axis, and having free ends and forming tips having an extent which is less than about 10 p.m.

Light source according to claim 1, characterized in that the cylindrical surface has a diameter in the range 0.5 - 5 mm,

Light source according to claim 1, characterized in that the elongate carrier is made of a conductive material.

Light source according to Claim 1, characterized in that the elongate carrier is made of a semiconducting material.

Light source according to claim 1, characterized in that the elongate carrier is made of an insulating material.

Light source according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the container has a cylindrical shape and a diameter in the range from 8 to 80 mm.

Light source according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the elongate carrier is arranged coaxially in the container.

Light source according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the elongate carrier is arranged eccentrically in the container.

Light source according to any one of claims 1-7, the stretched carrier has a substantially circular cross-section.

Light source according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the elongate carrier has a non-circular cross-section with a smooth curve, e.g. elliptical. O: \ SL \ DOK \\ Word <10k \ l l00l2500ny.doc characterized avattdenlång-A 10 15 20 25 30 520 550 11

Light source according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the elongate carrier comprises a wire.

Light source according to any one of claims 1-9, characterized in that the elongate carrier comprises a rod.

Light source according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the tips have a radius of curvature in the range 0.1-100 nanometers.

Light source according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the nanotubes are arranged on the carrier in the form of an ﬁ ch with deposited nanotubes.

Light source according to one of Claims 1 to 14, characterized in that the tips are substantially uniformly distributed around the carrier.

Light source according to one of Claims 1 to 15, characterized in that the luminescent layer (24) is arranged between the glass layer (23) and the anode (25) and in that the anode (25) is made of a reflective material for reflecting the light emitted from the luminescence layer (24).

Light source according to one of Claims 1 to 15, characterized in that the anode is arranged between the glass structure and the luminescence layer and the anode is made of a transparent material.

Light source according to one of Claims 1 to 15, characterized in that the phosphor layer is made of a conductive phosphor and the phosphor layer also forms the anode.

Light source according to one of Claims 1 to 18, characterized in that the container has the shape of a straight cylinder.

Light source according to one of Claims 1 to 18, characterized in that the container has the shape of a curved tube, curved e.g. in a circular or semicircular curve.

Field emission cathode (40, 40 °), for use in a light source and intended to be at least partially surrounded by an anode and comprising an elongate, electrically conductive means, characterized in that said elongate, electrically conductive means is in the form of a cylindrical surface having a first longitudinal axis, and that at least a part of the cylindrical surface is provided with conductive surface irregularities in the form of carbon nanotubes, each of which has a second longitudinal axis which is substantially perpendicular to the first longitudinal axis, and which have free ends and form tips which have an extent which is less than about 10 μm.

Field emission cathode according to claim 21, characterized in that the cylindrical surface has a diameter in the range 0.5 - 5 mm, O: \ SL \ DOK \ Word-d0k \ 1lO0l2500ny.doc 10 15 20 25 520 550 12

Field emission cathode according to one of Claims 21 and 22, characterized in that the elongate wire-shaped carrier is made of a conductive material.

Field emission cathode according to one of Claims 21 and 22, characterized in that the elongate wire-shaped carrier is made of a semiconducting material.

Field emission cathode according to one of Claims 21 and 22, characterized in that the elongate wire-shaped carrier is made of an insulating material.

Field emission cathode (40) according to one of Claims 21 to 25, characterized in that the cathode is to be surrounded at least in part by an anode which has a cylindrical shape with a diameter in the range from 8 to 80 mm.

Field emission cathode (40) according to any one of claims 21-26, characterized in that the elongate carrier has a substantially circular cross-section.

Field emission cathode (40) according to any one of claims 21-27, characterized in that the elongate carrier has a non-circular cross-section with a smooth curve, e.g. elliptical.

Field emission cathode according to any one of claims 21-28, characterized in that the elongate carrier comprises a wire.

Field emission cathode according to any one of claims 21-28, characterized in that the elongate stretcher comprises a rod.

Field emission cathode according to one of Claims 21 to 30, characterized in that the tips have a radius of curvature in the range 0.1-100 nanometers.

Field emission cathode according to claim 31, characterized in that the nanotubes are arranged on the carrier in the form of a film with deposited carbon nanotubes.

Field emission cathode according to any one of claims 21-32, characterized in that the tips are substantially uniformly distributed around the carrier. O: \ SL. \ DOK \ Word-dok \ 1 l0012500ny.doc