ИСТОЧНИК СВЕТА Российский патент 2013 года по МПК H01J63/00 B82Y99/00 

Изобретение относится к энергосберегающим светотехническим приборам. Преимущественной сферой его применения являются бытовые и промышленные системы освещения помещений, наружного освещения, подсветки ЖК экранов с активной матрицей, динамические и статические информационные экраны, экраны дисплеев.

Известен осветительный прибор, который представляет собой стеклянную газоразрядную лампу, внутренняя сторона которой покрыта люминесцентным слоем - люминофором (см. патент RU №2354085, МПК: Н05В 41/295, опубл. 27.04.2009). Люминофор возбуждается ультрафиолетовым излучением, источником которого является заполняющая лампу газовая среда с присутствием паров ртути при протекании через нее потока электронов, и реагирует свечением в видимой области спектра. Светоотдача современных люминесцентных ламп составляет 50-90 Лм/Вт (соответствует энергетической эффективности 8 - 13%), что в несколько раз превышает аналогичные параметры стандартных ламп накаливания (см. Диденко А.Н., Зверев Б.В. СВЧ - энергетика. М.: Наука, 2000, с.103).

Вместе с высокой энергетической эффективностью люминесцентные лампы характеризуются хорошим цветовым спектром и отсутствием критичности к температуре окружающей среды. Последнее преимущество является весьма важным, поскольку исключает необходимость применения специальных систем охлаждения для обеспечения заданного теплового режима осветительного прибора.

Светодиоды, которые обладают высоким КПД, тем не менее не могут быть признаны достойной альтернативой люминесцентным лампам, поскольку уступают им как по качеству цветового спектра, так и по степени критичности к температуре окружающей среды. Более того, по мере повышения мощности источника света указанные различия только усугубляются.

Основным недостатком люминесцентных ламп является наличие в их рабочей атмосфере высокоядовитых паров ртутьсодержащих соединений, что делает люминесцентные лампы экологически небезопасными, создает проблемы при их утилизации после выхода из строя, а также может приводить к возникновению чрезвычайных ситуаций заражения помещений в случаях разрушения ламп.

Известны катодолюминесцентные лампы, принцип действия которых основан на использовании эффекта полевой эмиссии электронного потока с катодного электрода, ускорения его электронного потока в электрическом поле прибора и оседания электронного потока на анодный электрод, покрытый люминофором, с генерацией светового потока (см. патент RU №2260224, МПК: H01J 1/28, H01J 63/04, опубл. 10.09.2004). Катод в такой лампе выполнен в виде пучка углеродных волокон с фибриллами на торцах длиной 25-100 нм и диаметром 2-5 нм, заключенного в проводящую оболочку по длине, кроме конца пучка волокон, эмитирующего электроны.

Сохраняя все преимущества люминесцентных ламп, катодолюминесцентные лампы лишены основного недостатка люминесцентных, являясь экологически безопасными.

Вместе с тем для рассматриваемого источника света характерны как неравномерность распределения интенсивности свечения поверхности люминофора, так и нестабильность этого распределения во времени, что отрицательно сказывается на потребительских качествах дампы. Причиной такого поведения источника света является существенная нелинейность зависимости тока автоэмиссии от напряженности электростатического поля. Поэтому исходная неравномерность свечения является следствием сложности достижения сбалансированного токоотбора со всей поверхности эмиттера. К тому же в результате малых изменений взаимного положения углеродных волокон с фибриллами (например, из-за действия пондеромоторных сил) происходит существенное перераспределение электростатического поля в микро- и нанокрестности элементарных центров эмиссии и, соответственно, локальное изменение плотности тока эмиссии и перераспределение плотности тока на поверхности анодного электрода, покрытого люминофором.

Применение распределенного автоэмиссионного эмиттера, содержащего наноразмерные центры эмиссии, способствует устранению этого недостатка. Так, в низковольтном катодолюминесцентном матричном экране, описанном в патенте RU №2258974, МПК: H01J 31/12, H01J 1/30, опубл. 20.08.2005, распределенные катодные электроды выполняются на плоской диэлектрической пластине, противолежащей другой пластине с системой анодных электродов, покрытых люминофором. Для обеспечения полевой эмиссии на катодные электроды нанесены углеродные нанотрубки.

Наиболее близким аналогом - прототипом по технической сущности является известный катодолюминесцентный источник света в виде вакуумного прибора с полевой эмиссией, анодные и катодные электроды которого расположены внутри вакуумной оболочки, противолежат друг другу и выполнены в виде развитых выпукло/вогнутых поверхностей, причем поверхность анодных электродов покрыта люминофором, а поверхность катодных электродов покрыта слоем наноразмерных токопроводящих структур - углеродных нанотрубок, образующих шероховатую эмитирующую поверхность.

Недостаток этой конструкции связан с существованием разброса как длины нанотрубок, так и их направления по отношению к катодной поверхности. Взаимная экранировка соседних произвольно направленных нанотрубок приводит к критичности эмиттера по отношению к уровню приложенного ускоряющего напряжения. Устранение этого недостатка и обеспечение однородности эмиссии ведет к необходимости удовлетворения жесткого требования идентичности нанотрубок. Практическая реализация его существенно усложняет технологию изготовления.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении активизации существующих и образовании дополнительных центров автоэмиссии на проводящих наноструктурных частицах эмиттерного слоя, в уменьшении интенсивности нагружения эмитирующих наноразмерных структур, в устранении критичности автоэмиссионной структуры источника света к разбросу размеров наноразмерных токопроводящих структур и, соответственно, к повышению потребительских качеств источника света, а также в упрощении технологических процессов при его изготовлении.

Указанный технический результат достигается тем, что в источнике света, содержащем вакуумную оболочку, внутри которой в виде развитых поверхностей выполнены катодные электроды с эмиттерным слоем в виде покрытия наноразмерных токопроводящих структур и анодные электроды со слоем люминофора, эмиттерный слой выполнен в виде гетерогенной структуры, в которой выполнены дополнительные концентраторы электростатического поля в виде совокупности наноразмерных и/или микроразмерных диэлектрических структур, причем между поверхностями наноразмерных токопроводящих структур и наноразмерных диэлектрических структур выполнены наноразмерные зазоры.

Кроме того в источнике света вакуумная оболочка выполнена в виде стеклянного цилиндра, внутренняя поверхность стеклянного цилиндра покрыта последовательно прозрачным электропроводящим слоем и люминофором, а катодный электрод выполнен в виде цилиндрического стержня, поверхность которого покрыта эмиттерным слоем в виде гетерогенной структуры, при этом катодный электрод расположен вдоль оси цилиндра; в источнике света на поверхность слоя люминофора нанесена тонкая металлическая пленка, прозрачная для электронов; в источнике света между катодным электродом и анодным электродом расположена вытягивающая металлическая сетка, обеспечивающая эмиссию электронов пониженным напряжением.

В данном техническом решении используется обнаруженный и исследованный авторами эффект усиления напряженности электрического поля в неоднородных структурах «металл-диэлектрик». В основе этого эффекта лежит известное физическое явление скачка нормальной составляющей напряженности электростатического поля на границе двух диэлектрических сред с различными значениями диэлектрической проницаемости. На примере двумерной структуры ранее было показано, что неоднородное диэлектрическое включение с типичными для автоэмиссионной электроники геометрическими параметрами (десятки нанометров) и относительной диэлектрической проницаемостью ε=6, помещенное на электрод диода, обеспечивает усиление напряженности электростатического поля на уровне 1,4-2,6 раза.

В отличие от случая помещения непрерывного неограниченного слоя диэлектрика в диод, когда напряженность поля меняется на границе скачком, оставаясь постоянной в каждой из подобластей - и в диэлектрике, и в вакууме, локальная диэлектрическая неоднородность изменяет характер скачка напряженности поля на границе. Электростатическое поле перестает быть однородным в каждой из подобластей. Вблизи границы сопряжения «диэлектрик-вакуум» наблюдаются как зоны повышения напряженности поля (выше первоначальной средней напряженности поля), так и зоны его ослабления (ниже первоначальной средней напряженности поля). Этот эффект визуально проявляется в «выталкивании» эквипотенциалей из объема диэлектрика в направлении внешнего поля и является следствием поляризации связанных зарядов диэлектрика.

Из-за поляризации диэлектрика во внешнем поле на поверхности диэлектрического включения возникает граничный заряд, который и является причиной возникновения локальных неоднородностей напряженности электростатического поля в малой окрестности диэлектрического включения. Поэтому внедрение в эмиттерный слой нано- и/или микроразмерных частиц диэлектрического материала приводит к образованию дополнительных концентраторов электростатического поля и обеспечивает появление дополнительных центров автоэмиссии с наноразмерных токопроводящих структур как на поверхности эмиттерного слоя, так и внутри него. Совокупность наноразмерных токопроводящих структур, внедренных нано- и/или микроразмерных частиц диэлектрического материала и зазоров между поверхностями токопроводящих и диэлектрических частиц образуют гетерогенную структуру, характеризующуюся существенным увеличением числа автоэмиссионных центров при пониженном уровне рабочего потенциала.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, примером конкретного исполнения и описанием.

На фиг.1 схематично изображен источник света.

На фиг.2 схематично изображен катодный электрод.

На фиг.3 схематично изображена гетерогенная структура.

На фиг.4 схематично изображен источник света с металлической пленкой.

На фиг.5 схематично изображен источник света с металлической сеткой.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - источник света;

2 - вакуумная оболочка;

3 - катодный электрод;

4 - эмиттерный слой;

5 - анодные электроды;

6 - электропроводящий слой;

7 - люминофор;

8 - гетерогенная структура;

9 - наноразмерные токопроводящие структуры;

10 - наноразмерные диэлектрические структуры;

11 - наноразмерные зазоры между токопроводящими структурами и диэлектрическими структурами;

12 - металлическая пленка;

13 - металлическая сетка;

14 - катодный узел.

Источник света 1 состоит из вакуумной оболочки 2. Вакуумная оболочка 2 может быть выполнена любой геометрической формы, например, в виде лампочки, цилиндра и т.д. Внутри вакуумной оболочки 2 в виде развитых поверхностей расположен, по крайней мере, один катодный электрод 3 с эмиттерным слоем 4 в виде покрытия наноразмерных токопроводящих структур 9, содержащий дополнительные концентраторы электрического поля в виде внедренных нано - и/или микроразмерных частиц диэлектрического материала - наноразмерные диэлектрические структуры 10 в совокупности с наноразмерными токопроводящими структурами 9 образуют гетерогенную структуру 8. В гетерогенной структуре 8 выполнены наноразмерные зазоры 11 между наноразмерными токопроводящими структурами 9 и наноразмерными диэлектрическими структурами 10.

На поверхности вакуумной оболочки 2, по крайней мере, частично прозрачной для прохождения света расположены анодные электроды 5, на электропроводящий слой 6 которых нанесен слой люминофора 7 (см. фиг.1). Эмиттерный слой 4 выполнен в виде гетерогенной структуры 8 (см. фиг.2 и фиг.3).

Вакуумная оболочка 2 может быть выполнена, по крайней мере, в виде стеклянного цилиндра, внутренняя поверхность стеклянного цилиндра покрыта последовательно прозрачным электропроводящим слоем 6 и люминофором 7, а катодный электрод 3 выполнен в виде цилиндрического стержня, поверхность которого покрыта эмиттерным слоем 4 в виде гетерогенной структуры 8, при этом катодный электрод 3 расположен вдоль оси цилиндра.

Источник света работает следующим образом.

Для варианта конструкции источника света без металлической сетки 13 (диодный вариант) на катодный электрод 3 через вывод подается потенциал U_к, а на электропроводящий слой 6 анодного электрода 5 через вывод подается потенциал U_а, причем U_к<U_а. При этом под воздействием электрического поля эмитируемые из катодного электрода 3 автоэмиссионные электроны бомбардируют люминофор 7 на анодном электроде 5. Под действием бомбардировки электронами происходит свечение люминофора.

Для варианта конструкции источника света с металлической сетки 13 (триодный вариант) на катодный электрод 3 через вывод подается потенциал U_к, на металлическую сетку 13 подается потенциал U_с, и на электропроводящий слой 6 анодного электрода 5 через вывод подается U_а, причем U_к<U_с<U_а. Под воздействием электрического поля сетки 13 с поверхности катодного электрода 3 вытягиваются электроны и под действием более высокого потенциала на анодном электроде 5 электроны движутся мимо металлической сетки 13 в направлении анодного электрода 5 и бомбардируют люминофор 7 на анодном электроде 5. Под действием бомбардировки электронами происходит свечение люминофора 7 - люминофор 7 испускает свет.

Пример конкретного исполнения.

Был изготовлен источник света 1, вакуумная оболочка 2 которого выполнена из стеклянной колбы грушевидной формы, на часть которой нанесена методом напыления, например, алюминия, металлическая пленка 6, и катафоретическим способом нанесен люминофор 7. Автоэлектронный катодный электрод 3 с эмиттерным слоем 4 сформирован на поверхности основания катодного электрода 3 катодного узла 14. При этом эмиттерный слой 4 содержит наноразмерные токопроводящие структуры 9, смешанные с наноразмерными диэлектрическими структурами 10 в определенной пропорции. Проводят послойное электрофоретическое высаживание наноразмерных токопроводящих структур 9 и наноразмерных диэлектрических структур 10.

Использование описываемой конструкции источника света с автоэлектронной эмиссией по сравнению с известными конструкциями источников света с автоэлектронной эмиссией позволяет получить следующие преимущества:

- локализация поля в окрестности диэлектрических частиц обеспечивает активацию существующих и образование дополнительных центров автоэмиссии на проводящих наноструктурных частицах эмиттерного слоя, при этом используется выявленный эффект локализации электростатического поля в окрестности граничной поверхности нано- и микроразмерных диэлектрических частиц; максимальный коэффициент усиления напряженности внешнего поля составляет 2,0÷3,5 раза при изменении относительной диэлектрической проницаемости в диапазоне 4-40 и размера диэлектрической частицы в диапазоне 20÷2000 нм. На расстоянии 0,2 d (d - поперечный размер частицы, измеренный в направлении вектора напряженности) приложенного внешнего поля обеспечивается коэффициент усиления внешнего поля не ниже 1,5;

- одновременно достигается снижение пороговой разности потенциалов для обеспечения требуемого уровня автоэмиссионного тока эмиттера, уменьшение интенсивности нагружения эмитируемых наноразмерных структур, замедляются процессы деградации эмиттера и повышается его долговечность, обеспечивается защита эмитируемых наноразмерных структур от ионной бомбардировки, снижается разрушающее влияние пондеромоторных сил, повышается стабильность работы источника света.

Изобретение относится к энергосберегающим светотехническим приборам. Преимущественной сферой его применения являются бытовые и промышленные системы освещения помещений, наружного освещения, подсветки ЖК экранов с активной матрицей, динамические и статические информационные экраны, экраны дисплеев. Технический результат заключается в обеспечении активизации существующих и образовании дополнительных центров автоэмиссии на проводящих наноструктурных частицах эмиттерного слоя, в уменьшении интенсивности нагружения эмитирующих наноразмерных структур, в устранении критичности автоэмиссионной структуры источника света к разбросу размеров наноразмерных токопроводящих структур и, соответственно, к повышению потребительских качеств источника света, а также в упрощении технологических процессов при его изготовлении. Достигается тем, что в источнике света, содержащем вакуумную оболочку, внутри которой в виде развитых поверхностей выполнены катодные электроды с эмиттерным слоем в виде покрытия наноразмерных токопроводящих структур и анодные электроды со слоем люминофора, эмиттерный слой выполнен в виде гетерогенной структуры, в которой выполнены дополнительные концентраторы электростатического поля в виде совокупности наноразмерных и/или микроразмерных диэлектрических структур, причем между поверхностями наноразмерных токопроводящих структур и наноразмерных диэлектрических структур выполнены наноразмерные зазоры. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Источник света, содержащий вакуумную оболочку, внутри которой в виде развитых поверхностей выполнены катодный электрод с эмиттерным слоем в виде покрытия наноразмерных токопроводящих структур и анодные электроды со слоем люминофора, отличающийся тем, что эмиттерный слой выполнен в виде гетерогенной структуры, в которой выполнены дополнительные концентраторы электростатического поля в виде совокупности наноразмерных диэлектрических структур, причем между поверхностями наноразмерных токопроводящих структур и наноразмерных диэлектрических структур выполнены наноразмерные зазоры.

2. Источник света по п.1, отличающийся тем, что вакуумная оболочка выполнена в виде стеклянного цилиндра, внутренняя поверхность стеклянного цилиндра покрыта последовательно прозрачным электропроводящим слоем и люминофором, а катодный электрод выполнен в виде цилиндрического стержня, поверхность которого покрыта эмиттерным слоем в виде гетерогенной структуры, при этом катодный электрод расположен вдоль оси цилиндра.

3. Источник света по п.2, отличающийся тем, что на поверхность слоя люминофора нанесена тонкая металлическая пленка, прозрачная для электронов.

4. Источник света по п.2, отличающийся тем, что между катодным электродом и анодным электродом расположена вытягивающая металлическая сетка, обеспечивающая эмиссию электронов пониженным напряжением.