用于场发射装置的成形阴极制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种场发射照明装置，包括阳极和阴极，其中，阴极的形状基于真空外壳的形状来选择，真空外壳内设置阳极和阴极。当操作场发射照明装置时，本发明专利技术的阴极形状允许在阳极和阴极之间提供的电场的改良均匀性。本发明专利技术也涉及一种用于选择此种阴极形状的相应方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于场发射装置的成形阴极
本专利技术涉及一种场发射照明装置。本专利技术进一步地涉及一种选择场发射阴极用于此场发射照明装置的方法。
技术介绍
传统白炽灯泡目前正由具有较高能源效率以及较少环境影响的其他光源所取代。替代性光源包括发光二极管(LED)装置以及荧光光源。然而，制造LED装置相对昂贵和复杂，且荧光光源已知含有汞，因此由于与汞暴露相关的健康风险造成潜在健康问题。此外，由于汞含量，使得荧光光源的回收既复杂又昂贵。一种引人注目的替代光源以场发射照明的形式出现。传统场发射照明装置包括一个阳极结构和一个场发射阴极，所述阳极结构由一个透明导电层和一个光转换层组成，例如涂布在真空外壳内表面的一层荧光体，以例如透明玻璃管的形式提供。当该荧光体层受到该阴极所发射的电子激发时，会发出光线。先前已知的场发射照明装置通常为管状，且几乎不为传统灯泡状。因此，需要提供具有适合改装例如传统白炽灯以及对应紧密型荧光光源的外形尺寸的场发射照明装置。
技术实现思路
与上述提及的场发射照明装置所需特性相关，本专利技术的一般性目的在于实现场发射照明装置的改良性能，例如通过发射光的改良分布。本专利技术是基于在真空外壳内阴极的一个替代形状和位置可在阴极的外表面上，最重要地在阴极表面的上半部，提供一个更均匀的电场来实现的，这将反过来在用于转换电子能量至例如可见光的电子至光转换层上提供一个碰撞电子更均匀的分布。从而，形状和位置的选择和/或调整使得从场发射照明装置的发射光线均匀空间分布。根据本专利技术的第一个方面，这些和其他目的通过场发射照明装置来实现，所述场发射照明装置包括灯泡状真空外壳，其包括沿着场发射照明装置的光轴布置的场发射阴极以及沿着真空外壳内侧布置的阳极结构，所述阳极结构包括透明导电层和电子至光转换层；以及提供在真空外壳底端的底座结构，所述底座结构包括电源，其电集成在底座结构内部且连接至阳极结构和阴极，其中，电源配置为应用电压以致电子从阴极发射至阳极结构，其中，场发射阴极具有基于真空外壳的形状而选择的形状，并朝向底座结构布置在真空外壳的较低部分内，以致阴极和阳极结构之间沿着光轴的距离大于其他任意轴，因而阴极和阳极结构之间的距离随着与光轴的渐增圆心角而减小，因此改进电场的均匀性。本专利技术的上下文中，光轴定义为在其周围有自光学系统(即是根据本专利技术所专利技术的场发射照明装置)输出的旋转对称的光线。基于真空外壳的(预)定形状来选择场发射阴极的形状和位置的影响可能是提供与场发射照明装置发射光线的均匀性相关的改良。真空外壳的外形尺寸(即是形状)通常取决于设计考虑，可能涉及用于改装照明装置的外形尺寸，例如改装灯泡。如此，阴极结构的预定形状和调整导致阴极的表面和阳极结构之间的距离沿着光轴为最大且阴极的表面和阳极结构之间的最短距离随着与光轴的渐增圆心角而减小。商业上可行的光源必须优选地具有一个相对长使用寿命。在场发射的
，场发射照明装置的使用寿命至少部分地由电子至光转换层，例如照明粉体(例如所谓的荧光体层)的衰减来决定，特别地是由于每单位面积累计的电荷，即是随时间的撞击电流密度。因此，所需使用电子至光转换层所覆盖面积尽可能大的阳极结构。另外，如此商业上可行的光源通常包括可能在照明装置的底座上以相同“单元”提供的必要电子元件。更进一步，如上所提及，照明装置优选地具有与如今商业上已有的光源相似的外形尺寸，通常地为灯泡。从而，正如所专利技术的场发射照明装置的外形尺寸优选地与如今可用灯泡相似，且同时阳极结构的面积需要最大化，得到的真空外壳将通常地形成为在朝向底座结构的较低端可能具有圆柱形延伸的一个半球面，以促进空间用于例如所谓的泵似主干(真空外壳的底部)用于在操作外壳之前将其抽真空并经常供应电连接馈通至阳极和阴极。按照上述讨论，阴极的最自然位置通常地在球体的中心。如在本实施例中所专利技术照明装置的设计，因此将不同于一个完整的球体，结果是在阴极上的电场将不均匀。电流遵循福勒-诺德海姆方程式(Fowler-Nordheimequation)：其中，Ar为有效发射面积，a为第一福勒-诺德海姆常数；b为第二福勒-诺德海姆为以eV(电子伏特)为单位的功函数，β为无量纲增强因子从而，电场中的改变将导致电流的改变。为了在合理施加电压(通常地低于10kV)得到场发射，可在一个实施例中使用专门设计结构以局部性地增强电场强度。普遍经验规律为需要1GV/m(十亿伏/米)用于得到场发射。在本专利技术中，可以例如在一个实施例中通过一个或优选两个步骤得到。宏观场，此处所定义，通过基本的宏观几何形状和施加电压来提供。在本专利技术中一般定义为球面对称电场，(尽管用全球面对称)给定：其中，V为施加电压，R为外球面(阳极)的半径，以及r为内球面(阴极)的半径。V通常在1-20kV的范围内，且优选为在1-10kV范围内，r和R例如由真空外壳的所需形状尺寸所决定(如上所讨论)。为了简化，以上宏观电场现在进一步地简单指代为“场”或“电场”。为了达到有效场强度来得到场发射，在本专利技术的一个实施例中，宏观场优选地通过附加降至纳米级的几何形状来放大。第一(及在一些情形下可选的)步骤为通过在阴极球面上附加微观突出来局部地增强阴极表面上的宏观电场。第二步骤为使用纳米结构。以下进一步简要描述这两者。由于光输出通常可以被视为与电流成比例(在特定限度内)，若需要均匀的光输出，保持阴极表面上宏观电场的均匀性至关重要。在阴极表面的非均匀电场强度可能通常地导致电子的非均匀发射，这将导致电子至光转换层的不均匀辐射，并进而导致不均匀性光输出。为了以可行的方式得到此，在阴极表面相关面积(通常大约阴极的上半部分)上方的宏观场需要优选为尽可能的均匀。可替代地，根据本专利技术，可能谨慎控制阴极表面的相关部分上方的微观突出的大小分布。如上所讨论，电子至光转换层可以例如包括一个配置为从撞击电子转换能量至光的荧光体层。可替代地，也可以引入或替代使用量子点用于撞击电子转换能量至光。根据本专利技术的一个实施例，阴极和阳极结构之间的距离在0.1至100mm之间变化，优选为介于0.2至70mm之间，以及最优选为介于0.5mm至40mm之间。此外，此大小的场发射照明装置可以例如相当于一个标准A19灯泡，使得适合现今使用的许多照明配件。其他类型预定形状当然是可能的且在本专利技术的范围内。根据本专利技术的另外一个实施例，阴极基本上形成为椭球面，其在具有与光轴对齐的法线的平面上具有一个基本上为圆形的横截面，对齐法线(a)的半轴与其他两个半轴(b)之间的比值使得比值b/a位于1.05至2之间的范围内。将阴极制成平坦的球面形状可以在真空外壳内提供均匀电场强度，由于阴极基本上为椭球面的形状，即是与以上讨论相当一致。在本专利技术的一个实施例中，阴极形状的选择在阴极表面的所有相关点上提供电场强度，所述电场强度差异小于50％，更优选地小于20％，且最优选地小于10％。阴极形状的选择通常提供电子轨迹，所述电子轨迹导致在阳极结构中产生一个均匀电流密度。根据本专利技术的又另一个实施例，场发射照明装置可以进一步地包括导电结构，所述导电结构布置在真空外壳和底座结构之间(即是通常在真空外壳的外部)。根据本专利技术，导电结构相对于阴极的电位Vc布置为电位Vp以使得Vp-Vc为正值，并基于阳极结构的电位Va使得(Vp-Vc)/(Va-V本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场发射照明装置，包括：‑灯泡形真空外壳，包括：‑场发射阴极，沿着场发射照明装置的光轴布置，以及‑阳极结构，沿着真空外壳的内侧布置，所述阳极结构包括透明导电层和电子至光转换层，以及‑底座结构，设置在真空外壳的底端，底座结构包括电集成在底座结构内的电源以及连接至阳极结构和阴极，其中，电源配置为施加电压以致电子从阴极至阳极结构发射，其中，场发射阴极具有基于真空外壳的预定形状而选择的形状且朝向底座结构布置在真空外壳的较低部分，其中，阴极表面和阳极结构之间沿着光轴的距离为最大且阴极表面和阳极结构之间的最短距离随着与光轴的渐增圆心角而减小。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.25 EP 13160768.11.一种场发射照明装置，包括：-灯泡形真空外壳，包括：-场发射阴极，沿着场发射照明装置的光轴布置，以及-阳极结构，沿着真空外壳的内侧布置，所述阳极结构包括透明导电层和电子至光转换层，-底座结构，设置在真空外壳的底端，底座结构包括电集成在底座结构内的电源，电源连接至阳极结构和场发射阴极，其中，电源配置为施加电压以致电子从场发射阴极至阳极结构发射，-其中，场发射阴极具有基于真空外壳的预定形状而选择的形状，-其中，场发射阴极布置在真空外壳的较低部分朝向在真空外壳的底端的底座结构，-其中，场发射阴极表面和阳极结构之间沿着光轴的距离为最大且场发射阴极表面和阳极结构之间的最短距离随着与光轴的渐增圆心角而减小，以及-其中，场发射阴极形状的选择在场发射阴极表面的所有点上提供差异小于50％的电场强度。2.根据权利要求1所述的场发射照明装置，其中，场发射阴极表面与阳极结构之间的距离在0.1至100mm之间变化。3.根据权利要求1所述的场发射照明装置，其中，场发射阴极具有为椭球面的外形尺寸，其在具有与光轴对齐的法线的平面上具有一个为圆形的横截面，对齐法线的半轴与其他两个半轴之间的比值介于1.05至2之间。4.根据权利要求1所述的场发射照明装置，其中，场发射阴极形状的选择提供电子路径，所述电子路径导致在阳极结构中产生一个均匀电流密度。5.根据权利要求1所述的场发射照明装置，其中，场发射照明装置进一步包括：-导电结构，所述导电结构布置在真空外壳和底座结构之间。6.根据权利要求5所述的场发射照明装置，其中，导电结构相对于场发射阴极的电位Vc布置为电位Vp以使得Vp-Vc为正值，并基于阳极结构的电位Va使得(Vp-Vc)/(Va-Vc)在0至2的范围内。7.根据权利要求1所述的场发射照明装置，其中，场发射阴极进一步包括：-突出底座结构的阵列，其布置在场发射阴极的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳斯·迪伦，
申请(专利权)人：光学实验室公司瑞典，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE