用于场发射装置的一种场发射阴极结构制造方法及图纸

本发明专利技术总的来说涉及用于场发射装置的一种场发射阴极结构，特别适于通过在场发射阴极结构的透气部分下侧布置吸气剂元件来增强场发射装置的可靠性并延长场发射装置的寿命。本发明专利技术还涉及包括这种场发射阴极结构的场发射照明装置和场发射照明系统。

A field emission cathode structure for field emission device

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于场发射装置的一种场发射阴极结构
本专利技术总的来说涉及用于场发射装置的一种场发射阴极结构，特别适于通过在场发射阴极结构的透气部分下侧布置吸气剂元件来增强场发射装置的可靠性并延长场发射装置的寿命。本专利技术还涉及包括这种场发射阴极结构的场发射照明装置和场发射照明系统。
技术介绍
现代节能照明设备所采用的技术使用汞为活性成分之一。由于汞对环境的危害，人们进行了广泛的研究，以克服与节能、无汞照明相关的复杂技术难题。解决该问题的一种方法是采用场发射光源技术。场发射是一种非常高的电场施加到导电材料表面时发生的现象。这个场将给电子足够的能量，以使电子从材料中发射(进入真空)。在现有技术的场发射光源中，阴极被布置在通常是具有玻璃壁的灯泡的真空室中，其中该真空室的内部被涂有导电阳极层。此外，在阳极上沉积发光层。当在阴极和阳极之间施加足够大的电位差从而产生足够高的电场强度时，电子从阴极发射并向阳极加速。当电子撞击通常包括光粉(例如磷光体材料)的发光层时，光粉将发射光子。这个过程被称为阴极发光。场发射光源领域的研究和开发的最新进展使得场发射光源小型化成为可能，使得其可以制造为相对较小的照明芯片，而不是现有技术的灯泡形场发射光源来。同一申请人在WO2016096717中公开了一种基于芯片的场发射光源的示例，并通过引用将其全部并入本文。在WO2016096717中，公开了场发射光源可以使用晶圆级制造的概念以低成本大批量制造，即使用与IC和MEMS使用的类似方法。根据WO2016096717，多个场发射光源均各自包括一个包括多个纳米结构的场发射阴极、一个间隔元件和一个阴极发光阳极，且所有这些都布置在同一晶圆基板上。具体地，根据WO2016096717，大量场发射光源同时在大玻璃基板(在本文中也称为晶圆)上制造。随后放置多个间隔元件，使得每个间隔元件围绕每个场发射阴极，且间隔元件壁和阴极之间具有一定的最小距离。最后，将包含阳极的多个小玻璃片(通常为圆形)密封在间隔元件上，以便为每个单独的场发射光源形成空腔。该密封在真空环境下完成。或者，用另一个大玻璃基板(其尺寸与第一个类似)代替多个小玻璃片。此外，为了长时间保持真空水平，在每个空腔内放置一个吸气剂元件。应当注意，在此简短的描述中，阳极和阴极的位置是完全可以互换的。场发射光源设置吸气剂元件是非常重要的，以在任何长时间内都能工作。在场发射光源的工作过程中，当施加足够大的电场时，阴极将发射电子电流。所述电子穿过阴极和阳极之间的真空空间。如果空间中存在过多的剩余气体分子，则电子可能会撞击这些分子，且其中一些分子可能被电离。如果撞击次数过多，就会发生电弧现象。这种电弧可能对场发射光源有害。即使不发生这种电离分解，上述事件也会至少产生一个次级事件，即剩余气体分子可能因此带正电荷。如果发生这种情况，所述分子会被阴极吸引。如果足够多的这样的分子覆盖在阴极上，它们将开始限制阴极发射电子的能力，即剩余气体分子通过引入一个额外的势垒来抑制电子发射。剩余气体分子始终在一定程度上存在。此外，随着时间的推移，这些分子将通过表面解吸、从形成空腔的材料中脱气、从所述材料中渗透和扩散而增加。场发射光源在工作时，不可避免地会出现场发射光源的自加热现象，尤其是在阳极上。其热量会加速这些过程，将剩余气体分子添加到场发射光源腔中。从大范围场发射光源的经验来看，要避免这种现象，必须有小于1x10-4torr的压力。初始压力应为1x10-6torr，以保证场发射光源有足够的使用寿命。应该注意的是，要准确地评估在芯片级场发射光源中形成的非常小的腔体中的实际压力是非常困难的。吸气剂元件原则上是一种特殊的合金，它将与各种剩余气体分子(如H2、O2、N2、碳氢化合物)发生反应。具体地说，来自意大利SAESgetterS.p.A.的一种叫做HPTF的高性能吸气剂元件是以小细条的形式提供的，因此适合在这样一个小的空腔中使用。所述吸气剂元件必须放在空腔内。同时，场发射光源的工作电压通常为5-10千伏，且相应的电场很高。吸气剂元件的放置必须考虑到这些电势，以避免产生寄生电流，或在吸气剂元件的帮助下产生电弧。通常情况下，一条吸气剂元件被放置在靠近间隔元件的位置，但分别远离阳极和阴极的接触条。此外，所述吸气剂元件还必须被机械连接，以使其不会在空腔内移动。此过程增加了复杂性及成本；增加了所生产的场发射光源的尺寸和复杂性。因此，迫切需要提供与场发射光源中的吸气剂元件的定位相关的改进，以至少部分地解决所提出的现有技术问题。
技术实现思路
根据本专利技术的一个方面，用于场发射装置的场发射阴极结构至少部分缓解了上述问题，所述场发射阴极结构包括具有第一和第二侧的基板、布置在所述基板的第一侧顶部并覆盖所述基板的第一侧的一部分的吸气剂元件、以及布置在吸气剂元件的至少一部分的顶部的至少部分可渗透结构，以及设置为覆盖至少部分可渗透结构的一部分的电子发射源。因此，通过本专利技术，可以将吸气剂元件放置在由场发射阴极组成的至少部分可渗透的结构下，由此，如上所述的剩余气体分子被允许“穿过”由场发射阴极组成的至少部分可渗透的结构。因此，吸气剂元件不必被放置在“空腔内的某处”，而是按照本专利技术“堆叠”的要求，例如直接位于阴极下方。因此，在本专利技术的一个实施例中，吸气剂元件可以被视为夹在基板和至少部分渗透结构之间，其中，例如，至少部分渗透结构基本上封装了吸气剂元件。根据本专利技术，所述至少部分可渗透结构设置有电子发射源，所述电子发射源被布置为覆盖所述至少部分可渗透结构的一部分。在本专利技术的一个实施例中，所述电子发射源可以包括多个纳米结构。所述纳米结构可依次优选地包括ZnO纳米结构和碳纳米管中的至少一个。多个ZnO纳米结构适于具有至少1um的长度。在另一实施例中，纳米结构可有利地具有3-50μm范围内的长度和5-300nm范围内的直径。优选地，阴极的至少部分可渗透结构可以包括突出元件以实现第一电场放大效应。相同的第一放大效应也可以通过使用金属丝形成至少部分可渗透结构的一部分来实现。上述纳米结构通常被布置成“覆盖”突出元件或金属丝。根据本专利技术，所述至少部分渗透结构可以包括基本上平行和/或以网格或网状排列的多条金属丝，从而进一步增强至少部分渗透结构的渗透效果。根据本专利技术的一个实施例，上述网格线可以具有来自金属丝形状以及与例如编织网中常见的纵向波形相似的金属丝纵向波形的第一场放大效应。使用金属丝网后的一个优点是，吸气剂元件可以机械地“保持在”至少部分渗透结构的下方，因此不让其与组成场发射装置的其它相关组件进行例如电接触。此外，它可以优选且容易地与阴极材料形成电连接。这意味着任何正离子化的剩余气体分子将不仅被吸引(库仑吸引)到阴极(在那里它可能引起发射猝灭的问题)，还将被吸引到将它吸收的吸气剂元件那里。优选地，吸气剂元件和电子发射源彼此电连接。根据本专利技术，当足够大的电场施加到材料上时发生场发射。对于平坦的表面，典型的场强约为几千兆伏/米。在实际应用中，这些电压太高，因此需要采取一些步骤来增强局本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于场发射装置的场发射阴极结构，其特征在于包括：/n-具有第一和第二侧的基板；/n-被布置在基板第一侧顶部并覆盖基板第一侧的一部分的吸气剂元件；/n-被布置在所述吸气剂元件的至少一部分的顶部的至少部分可渗透结构；以及/n-被布置成覆盖所述至少部分可渗透结构的一部分的电子发射源。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170705 SE 1750878-91.一种用于场发射装置的场发射阴极结构，其特征在于包括：
-具有第一和第二侧的基板；
-被布置在基板第一侧顶部并覆盖基板第一侧的一部分的吸气剂元件；
-被布置在所述吸气剂元件的至少一部分的顶部的至少部分可渗透结构；以及
-被布置成覆盖所述至少部分可渗透结构的一部分的电子发射源。


2.如权利要求1所述的场发射阴极结构，其特征在于电子发射源包括多个纳米结构。


3.如权利要求2所述的场发射阴极结构，其特征在于所述多个纳米结构包括ZnO纳米结构和碳纳米管中的至少一个。


4.如权利要求3所述的场发射阴极结构，其特征在于所述多个ZnO纳米结构适于具有至少1um的长度。


5.如前述任一权利要求所述的场发射阴极结构，其特征在于吸气剂元件处在基板和至少部分可渗透结构之间。


6.如前述任一权利要求所述的场发射阴极结构，其特征在于至少部分渗透结构封装吸气剂元件。


7.如前述任一权利要求所述的场发射阴极结构，其特征在于吸气剂元件通过在基板的部分上布置一层吸气剂材料而形成。


8.如权利要求7所述的场发射阴极结构，其特征在于吸气剂材料是非蒸发吸气剂材料。


9.如权利要求7和8任一所述的场发射阴极结构，其特征在于吸气剂材料包括钽(Ta)、锆(Zr)、钛(Ti)、铪(Hf)和/或它们的合金中的至少一种。


10.如权利要求7-9任一所述的场发射阴极结构，其特征在于吸气剂材料层的厚度是大约20-100μm。


11.如前述任一权利要求所述的场发射阴极结构，其特征在于基板是平面的。


12.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳斯·迪伦，帕特里克·霍尔曼，希尔米沃尔坎·德米尔，维杰库玛尔·萨尔玛，西蒂·谭，
申请(专利权)人：光学实验室公司瑞典，南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE