EP2272082A2 - Lampe plane a emission par effet de champ et sa fabrication - Google Patents

Lampe plane a emission par effet de champ et sa fabrication

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Publication number
EP2272082A2
EP2272082A2 EP09746001A EP09746001A EP2272082A2 EP 2272082 A2 EP2272082 A2 EP 2272082A2 EP 09746001 A EP09746001 A EP 09746001A EP 09746001 A EP09746001 A EP 09746001A EP 2272082 A2 EP2272082 A2 EP 2272082A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lamp
layer
wall
plate
face
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09746001A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Laurent Joulaud
François-Julien VERMERSCH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Original Assignee
Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Saint Gobain Glass France SAS, Compagnie de Saint Gobain SA filed Critical Saint Gobain Glass France SAS
Publication of EP2272082A2 publication Critical patent/EP2272082A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J63/00—Cathode-ray or electron-stream lamps
    • H01J63/06—Lamps with luminescent screen excited by the ray or stream

Definitions

  • the invention relates to the field of flat lamps and more particularly relates to a flat field emission lamp transmitting radiation in the visible and / or ultraviolet (UV) and its manufacture.
  • UV ultraviolet
  • flat discharge lamps that can be used as decorative or architectural lighting.
  • These flat lamps typically consist of two sheets of glass held at a small distance from one another, generally less than a few millimeters, and hermetically sealed so as to enclose a gas under reduced pressure in which an electric discharge occurs.
  • radiation generally in the ultraviolet range which excites a photoluminescent material which then emits visible light.
  • UV lamps are also based on this technology.
  • an anode in the form of an electroconductive layer based on mixed indium tin oxide (ITO) deposited on the internal face of the first glass sheet, supplied with a positive voltage and covered with a layer of phosphor capable of producing white light by electron bombardment,
  • ITO indium tin oxide
  • a cathode which is an electroconductive layer deposited on the internal face of the second glass sheet fed by a negative voltage, layer in the form of electrode strips ("patterned in English"),
  • microtips for the emission of electrons arranged on the electrode strips,
  • a Ti / Cr multilayer surmounted by a Fe or Ni catalyst for the growth of the emitting material
  • CNT carbon nanotubes
  • the present invention aims to provide a flat lamp
  • the present invention provides a field-emission flat lamp transmitting radiation in the visible and / or ultraviolet, comprising:
  • a first electrode called anode, extending in a plane parallel to the main surfaces and associated with the first wall, the first wall and anode assembly being (substantially) transparent or globally transparent in the visible and / or the UV, (at least) a luminophor material emitting visible and / or ultraviolet radiation by electron bombardment (in other words "cathodoluminescent"), the material being on the internal face of the first wall (for example deposited on this face) and closer of the internal space that the anode,
  • a second electrode called a cathode, extending in a plane parallel to the main surfaces
  • a material emitting said electrons having a shape factor of greater than 10, the material being on the cathode (directly or not on it), and preferably defining a plurality of so-called emitting zones,
  • an electron accelerator element interposed between the first and second walls, spaced from the first wall, extending in a plane substantially parallel to the main surfaces, and with a plurality of openings allowing said electrons to pass, said element comprising a dielectric plate; , essentially mineral and perforated, and / or a discontinuous dielectric layer based on enamel with openings opening on at least the main face, said free, opposite the inner face of the first wall,
  • the perforated plate or said enamel-based discontinuous layer being carrying on its free face a third electrode, forming an accelerating electrode, or said enamel-based discontinuous plate or layer having a polished surface creating a remanent electric field remanent electrons (a passive configuration),
  • the cathode being on the internal face of the second wall and / or when the openings of the perforated plate are chosen blind, in the bottom of the openings of the plate.
  • the lamp according to the invention is simpler and more economical by using the perforated mineral dielectric plate or the accelerating enamel layer (outer surface).
  • the perforated plate coated with an accelerating electrode it is possible to make a full layer (by any technique of deposition of layers: physical ⁇ PVD ', chemical or ⁇ CVD', by liquid ...) on a solid plate and then make the openings on the set. Alternatively, the openings can be made before coating by the accelerating electrode.
  • a polished enamel layer may be formed on the cathode (which is preferably on the inner face of the second wall).
  • the cathode itself may also be enamel conductive, including an enamel identical to that of the accelerating electrode.
  • enamel is understood to mean a layer at least partly vitreous, obtained by depositing and then firing a glass frit, optionally mixed with, for example, conductive inorganic fillers, if necessary.
  • the glass frit can be mixed before deposition with a binder or medium, usually organic, which will be removed during cooking.
  • the deposition of the vitreous layer according to the invention can be carried out by various selective deposition techniques, that is to say on certain predetermined areas spaced apart from each other (carrier spaces of the electron-emitting material), this to avoid any structuring , all masking, in particular photolithography type steps as already indicated.
  • a liquid deposit such as screen printing or inkjet, printing, pad printing ...
  • the apertures of the perforated plate and / or layer (s) of enamel may be relatively wide, especially micron or millimetric particularly in general lighting or backlight applications that do not require forming pixels, which gives greater freedom of manufacture.
  • the openings are preferably made by the face opposite to the accelerating layer.
  • the various existing processes often result in the formation of slightly tapered apertures, the base of the (widest) cone being located on the side through which the openings are made.
  • the openings of the perforated plate or enamel-based layer (s) may have an average, minimum and / or maximum width (thus a characteristic dimension in the plane of the plate) greater than or equal to
  • the plate may be perforated before or after poling the plate or the accelerating layer above depending on the methods used to form the openings.
  • a laser engraving for example, a laser engraving (femtosecond in particular), a mechanical cutting with a diamond saw, sandblasting, a high pressure jet (water or other liquid) is used.
  • a high pressure jet water or other liquid
  • a suitable chemical attack for example acid attack (HF) of the glass, by plasma etching ("RIE” etc.), ion bombardment (IBE etc.).
  • RIE plasma etching
  • IBE ion bombardment
  • the openings may be extended, elongated including substantially linear strips, and / or more specific, including geometric (round, square, rectangle, oval, ..).
  • the openings are not necessarily of the same size or shape. However, it is possible to prefer openings distributed substantially uniformly over the surface of the plate, for example a periodic network lines or rectangles or rounds, multiple networks (double periodic network), or even a pseudo periodic or aperiodic network.
  • One or more more or less extended zones of the plate and / or discontinuous enamel layer (s) may be devoid of openings to produce, for example, a differentiated illumination (dark zones and alternating light zones, for example). .
  • the openings are preferably of dimensions substantially equal to the dimensions of the emitting zones.
  • the spacing (average) between these openings may be micron, even more preferably at least one hundred microns, or even millimetric.
  • the spacing between two openings may be the same as or larger than the width of the openings.
  • the lateral edges (flanks) of the openings may be substantially straight, substantially perpendicular to the internal face of the second wall.
  • the mineral plate, especially glass, as the enamel layer according to the invention has good mechanical strength, thermal and supports electron bombardment and sealing while being inexpensive.
  • the lamp according to the invention can be large, for example at least 0.1 or even 1 m 2 .
  • the transmission factor of the lamp according to the invention (at least second wall side) around the peak of said visible radiation and / or UV is greater than or equal to 50%, even more preferably greater than or equal to 70%, and even greater than or equal to 80%.
  • the plate can be flexible, semi rigid, preferably rigid. It is a self-supporting piece, in one or more pieces, to distinguish a layer.
  • the mineral dielectric plate and hole according to the invention is also preferable to a metal grid because easier to insert, to seal if necessary.
  • an Invar® gate is used in practice, an expensive material based on nickel and iron.
  • the use of the mineral dielectric plate and perforated according to the invention also allows greater flexibility of manufacture: the deposition of the electron-emitting material can be achieved before or after mounting the plate, in particular before or after its adhesion on the second wall if necessary.
  • the plate may advantageously be based on a material chosen from a ceramic, a glass-ceramic, a glass in particular silicosodium-calcium.
  • the walls and / or the possibly perforated plate may be sheets of glass, in particular silicosodocalcique (in particular when the wall is not itself polished) this especially for a lamp.
  • the walls or the perforated plate may preferably be a suitable glass or quartz.
  • the plate may be thin, for example of thickness less than or equal to 1 mm, especially when it is attached to the second wall. In the case of a self-supporting glass plate, its thickness is preferably between 0.7 and 3 mm.
  • each layer may be lower, typically between 1 and 50 microns, especially between 5 and 20 microns, or between 10 and 15 micrometers.
  • the plate may preferably be in one piece or even discontinuous, in the form of a plurality of plate pieces which may be of any shape (geometric: rectangular, square, etc.), more or less elongated, pieces spaced apart others by continuous openings. These pieces of plate can be preferably distributed homogeneously.
  • the lamp must be hermetic, the peripheral sealing can be done in different ways:
  • a peripheral frame bonded to the walls (and / or to the plate if appropriate), for example heat-sealed or bonded with a film, preferably mineral, such as a glass frit, film of a few hundred ⁇ m or less thick, the frame may also optionally be used as spacer, replace one or spacers punctual.
  • the seal may preferably be made by (at least) a seal, especially (essentially) mineral.
  • the seal may be made for example between the first and second walls via their internal faces, the perforated plate being in the internal space and of smaller dimensions than the second wall.
  • the seal may also be made between the free face of the plate (which is optionally the inner face of the second wall) and the inner face of the first wall.
  • a plate material with a coefficient of thermal expansion close to or similar to that of the first wall is then of substantially identical dimensions or even greater than the dimensions of the walls.
  • the arrangement of the perforated plate may be variable.
  • the perforated plate is spaced from the second wall (by the vacuum) and openings are open on the face opposite to the free face (the opposite face being said lower face).
  • a double peripheral sealing is then provided: first sealing between the free face of the perforated plate and the internal face of the first wall and second sealing between the perforated lower face and the internal face of the second wall.
  • the plate may be typically spaced from the second wall by a distance of less than or equal to a few mm and the first wall by a distance of less than or equal to a few mm.
  • the optional accelerating electrode is preferably integrated in a glass (reinforced glass) or better still on the lower face, and preferably in the form of an electroconductive layer.
  • the openings may be blind, made on the plate preferably forming the second wall.
  • the second wall consists of the perforated plate with the blind openings (non-emergent on the lower face), preferably opening on (at least) one (same) edge of the second wall, and the cathode , in the form of an electroconductive layer, is in the bottom of the openings and fed by said edge (lateral or longitudinal) preferably hollowed out, this to facilitate the peripheral electrical connection.
  • the emitting material is then housed in the bottom of these openings, on the cathode if necessary forming a catalyst or optionally surmounted by a catalyst.
  • the blind openings in particular outlets, can be of any shape (polygonal, round, oval, etc.), and preferably in the form of grooves.
  • the grooves can be parallel or not, in profile
  • the grooves may be longer or shorter, in particular in one or even in several parts and preferably then open on two opposite or adjacent edges facilitate the peripheral electrical connection.
  • the lower face of the plate is secured to the inner face of the second wall by a connecting means, preferably substantially mineral.
  • connection may be peripheral, on localized (restricted) areas (by adhesive spots, etc.) but preferably this connection is distributed over the entire surface of the plate, for example a layer between the plate and the plate. second wall.
  • An essentially inorganic bonding means is thus preferred, thus having a good thermal and mechanical behavior, in particular a glass frit, such as a sintered frit or any other material, a solder or a solder (based on nickel, chromium, indium gold or tin). etc.), anodic sealing.
  • a glass frit such as a sintered frit or any other material
  • a solder or a solder based on nickel, chromium, indium gold or tin). etc.
  • connection between the second wall and the perforated plate preserves the hermeticity, and this connection is sealed with liquid water and / or steam.
  • peripheral sealing in the form of a seal and for the connection plate and second wall (punctual or extended), one can use the same material, for example a glass frit deposited for example by screen printing.
  • the openings are preferably also open on the face opposite to the free face (therefore the lower face) and the cathode
  • the inner face of the second wall comprises an outer electroconductive layer of a connecting material between the second wall and the perforated plate, and electroconductive to form at least partly the cathode and / or a growth catalyst of the layer emitting material.
  • This layer is thus at least bi-functional (bonding function coupled to an electrical function and / or growth catalyst). It is present under the emitting zone or zones and under the plate.
  • the outer layer which is preferably a monolayer directly on the inner face, may advantageously be made of a material chosen from nickel, chromium, iron, cobalt and their mixtures (especially NiCr).
  • the form factor corresponds to the ratio width (maximum if variable) on height (maximum if variable).
  • the material can be of various shapes: filamentary, tubular, conical.
  • the emitting material may have tips, especially metal, typically tungsten, micron or submicron.
  • These tips may preferably be oriented towards the first wall, in particular be substantially 90 ° from the first wall.
  • the emitting material may also be based on zinc oxide nanowires.
  • the typical dimensions of such nanowires are as follows: length ranging from 1 to 10 microns, preferably from 3 to 5 microns, diameter ranging from 50 to 500 nanometers, preferably from 100 to 300 nm.
  • the emitting material may also be based on amorphous carbon in layers, in particular graphitic or more preferably in the form of nanotubes.
  • the thickness of the carbon nanotube layer may typically be at 100 nm, of the order of one micron, or between 1 and 10 ⁇ m.
  • the width of the nanotubes is typically of the order of 10 nm.
  • the form factor is preferably greater than or equal to 100, or even greater than or equal to 1000.
  • the carbon nanotubes can be deposited by any known method at a temperature compatible with the selected substrate:
  • PECVD chemical-assisted plasma deposition
  • AP-PECVD atmospheric plasma
  • the accelerating electrode in the form of an electroconductive layer, in particular a metallic layer, which may preferably be on a sub-layer (alkali barrier, hung, etc.), in particular a layer based on silica or nitride silicon and / or covered by a protective overcoat, in particular a layer of silica or silicon nitride.
  • An electroconductive layer may preferably be chosen as a metal layer, for example a silver layer, in particular screen printed (silver enamel, etc.), or a conductive metal oxide layer.
  • This accelerating layer is not necessarily full, completely covering. It can be discontinuous, forming strips, conductive tracks, in particular be arranged in a grid. This accelerating layer may also be deposited under vacuum, in particular by magnetron sputtering, before or after the formation of the openings, or deposited by screen printing or by ink jet.
  • the accelerating electrode can be fed peripherally by the first wall via a metallized spacer or a paste or conductive adhesive.
  • a surface is polished, which in particular makes it possible to further reduce the operating voltage.
  • the glass plate (possibly forming the second wall) itself can be polished.
  • the plate (for example made of glass or quartz, and / or possibly forming the second wall) may comprise a polished layer. This layer may for example be based on silica.
  • the polished layer may also be a polished enamel.
  • the plate may also be optionally polished. The thickness of the polished layer may for example be of the order of one micron.
  • a silica layer deposited under vacuum, in particular by magnetron sputtering or evaporation, or by chemical vapor deposition (CVD), is chosen.
  • the silica layer is deposited before or after the formation of the openings.
  • the polished layer may also be enamel, especially from a vitreous material deposited by selective deposition techniques such as screen printing, inkjet, or printing, as already seen.
  • the poled layer, directly on the cathode, is a polished enamel.
  • an enamel-based layer formed by firing glass frit
  • an enamel-based layer formed by firing glass frit
  • Polyished material generally means a material having at at least one of its surfaces a remanent electric field.
  • a "polished surface” plate and / or reported layer) of the material is thus defined as being the surface area where the remanent electric field is created.
  • the remanent electric field is preferably oriented perpendicular to the surface of the material. It is usually created by a process of placing the heated material under a strong electric field.
  • Some glasses, crystals or polymers are especially polished (have underwent so-called “poling” treatment) to give them properties in nonlinear optics, in particular second harmonic generation.
  • the remanent field is linked to the migration of cations, in particular alkali (Li + , Na + , K + ...) or alkaline earth (Mg 2+ ) ions. , Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ ).
  • cations in particular alkali (Li + , Na + , K + ...) or alkaline earth (Mg 2+ ) ions.
  • Ca 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ alkaline earth
  • This local depletion of cations at the extreme glass surface creates an extremely intense internal electric field.
  • the poling also generates a very strong residual field, because it is confined to a very small thickness (sometimes of the order of a few micrometers).
  • the polished material is preferably chosen from glasses (in particular based on silica) and glass-ceramics.
  • Glass-based glass means glasses whose chemical composition comprises at least 50% by weight of SiO 2 .
  • the mineral materials are preferred in particular because of their behavior during sealing. Glasses, in particular based on silica, among which include silica glass (also called amorphous silica), are particularly advantageous.
  • the polished material (from a glass frit or a conventional layer) is a silica-based glass comprising less than 1% by weight of alkaline oxides, in particular a glass comprising silica and alkaline earth oxides such as CaO, MgO, SrO, BaO.
  • alkaline earth oxides such as CaO, MgO, SrO, BaO.
  • Pure silica has indeed a very high melting point (more than 1700 0 C), which requires the use of very expensive fusion processes.
  • the addition of alkaline earth oxides makes it possible to reduce the melting point, and to employ fusion processes conventionally used in glassmaking.
  • the presence of alkaline oxides also contributes to facilitating the fusion glass. Their total content is, however, preferably limited to less than 1% by weight, because their presence in large quantities contributes to reducing the life of the residual field.
  • the silica-based glass may also contain other oxides such as Al 2 O 3 or B 2 O 3 , the latter facilitating melting.
  • the silica-based glass may advantageously have one of the compositions described in application EP 1 433 758.
  • the poling creates at at least one surface (called polished surface) of the dielectric material a remanent electric field over a thickness preferably between 0.5 and 50 microns, especially between 5 and 20 microns.
  • the polishing treatment generally consists in creating a voltage of the order of a few hundred or thousands of volts by means of two plane electrodes between which (and in contact with which) is placed the material to be polished. Generally, the material is heated to a temperature of about 100 to about 500 0 C, typically of the order of 300 0 C, so as to promote the migration of the cations to the cathode.
  • the remanent electric field created by the poling is preferably between 0.01 and 1 GV / m, in particular between 0.1 and 1 GV / m.
  • the positions and types of electrodes can be variable.
  • the electrodes (anode and / or cathode and / or optional accelerating layer) may be in the form of layers. Unless otherwise indicated, in the present invention the term layer may refer to a monolayer or a multilayer.
  • the electroconductive layers may be deposited by any means known to those skilled in the art such as deposits by liquid means, in particular by screen printing or inkjet, vacuum deposition (magnetron sputtering, evaporation), by pyrolysis (powder or gas route).
  • the cathode can cover substantially entirely the inner face of the second wall (excluding emargetting).
  • the cathode may comprise one (or even consist of) an electroconductive layer.
  • the cathode may be continuous or discontinuous, especially only in the given emitting zone or zones, for example in the form of bands (solid or open), conductive tracks.
  • the cathode can in particular be arranged in a grid.
  • the cathode is not necessarily transparent or globally transparent.
  • non-transparent electrode material layer or wire
  • metal material such as tungsten, copper or nickel.
  • the cathode may be a metallic electroconductive layer optionally forming a catalyst for growth of the emitting layer material, in particular a material selected from nickel, chromium, iron, cobalt and mixtures thereof.
  • the cathode a (full) transparent layer (in the visible): - based on a thin pure or alloy metallic layer, in particular silver, possibly between two single or mixed conductive oxide layers and / or doped, forming a transparent multilayer,
  • conductive metal oxide such as fluorine doped tin oxide, mixed indium tin oxide (ITO).
  • the possible accelerating electrode may cover substantially the entire free face of the plate.
  • the accelerating electrode may be continuous or discontinuous, in the form of strips (solid or open), be arranged in a grid.
  • the accelerating electrode may be based on woven or non-woven son, solid tape or braided, for example partially embedded in the plate.
  • the accelerating electrode may be based on
  • (nano) metal particles in particular (nano) particles of gold and / or silver or conductive oxides, (nano) particles preferably in an even more preferably mineral binder. It may in particular be an enamel layer, comprising, after firing, a vitreous binder and
  • This electroconductive layer especially in the form of enamel, can be for example screen-printed or deposited by ink jet.
  • the anode can be made of any transparent conductive material that passes the visible and / or UV.
  • the anode can be:
  • - is associated with the inner face of the first wall, in particular deposited directly on this face or on a sub-layer,
  • the anode can thus cover substantially entirely the face (internal or external) of the first wall (excluding unmapping).
  • the anode can be thus continuous (full layer) or discontinuous, in the form of strips (full or open), arranged in grid (for a global transparency).
  • the electroconductive layer forming the anode is on a sub-layer (alkaline barrier, hooked etc.), in particular a layer of silica or silicon nitride.
  • the anode is preferably an electroconductive layer on the inner face of the first wall.
  • the anode may be in the form of a transparent electroconductive (full) layer or a relatively opaque, discontinuous layer (for overall transparency).
  • anode in the form of a (full) transparent layer (in the visible):
  • a thin pure or alloyed metallic layer in particular silver, optionally between two single or mixed conductive oxide and / or doped layers, forming a transparent multilayer,
  • the opaque electroconductive layer anode (in the visible and / or the UV) may be based on (nano) metal particles - in particular (nano) particles of gold and / or silver or conductive oxides, (nano) particles preferably in an even more preferably mineral binder.
  • This opaque and discontinuous electroconductive layer may for example be screen printed or deposited by ink jet.
  • the anode may alternatively be based on woven or non-woven yarns, joined or not, solid or braided ribbon, etc. for example partially incorporated in the first wall or in external dielectrics.
  • the anode may be based on a material transmitting UV radiation.
  • An electroconductive material transmitting UV radiation may be a very thin layer of gold, for example of the order of 10 nm, or of alkali metals such as potassium, rubidium, cesium, lithium or potassium, for example 0.1 to 1 micron, or be an alloy for example with 25% sodium and 75% potassium.
  • the material of the anode (and / or the cathode and / or any accelerating electrode) is absorbent or reflective to UV and / or visible light
  • the anode ((and / or the cathode and / or the possible accelerating electrode) is adapted to allow an overall transmission to said UV or visible radiation.
  • the ratio 11 on d1 being between 10% and 50%, to allow a UV or visible overall transmission of at least 50% of the side of the electrodes, the ratio ll / dl can also be adjusted according to the transmission of the associated wall.
  • a network of essentially elongated conductive patterns such as conductive lines (similar to very fine bands) or conducting wires themselves, these patterns being able to be substantially rectilinear or wavy, zigzag, etc.
  • This network can be defined by a given pitch pi (not minimal in case of plurality of steps) between patterns and a so-called width of 12 patterns (maximum in case of plurality of widths). Two sets of patterns can be crossed.
  • This network can be organized in particular as a grid, such as a fabric, a canvas, etc.
  • the width 12 and / or the pitch pi may preferably be less than or equal to 50%, preferably less than or equal to 10%, even more preferably less than or equal to 1%.
  • the pitch pi may be between 5 ⁇ m and 2 cm, preferably between 50 ⁇ m and 1.5 cm, even more preferably 100 ⁇ m and 1 cm, and the width 12 may be between 1 ⁇ m and 1 mm, preferably between 10 and 50 microns.
  • a conductive network can be used on a glass or on a plastic sheet, for example of the PET type, with a pitch pi of between 100 ⁇ m and 300 ⁇ m, and a width of 10 to 10 ⁇ m. 20 microns or a network of son embedded in at least a part in a interlayer lamination, with a pitch pi between 1 and 10 mm, in particular 3 mm, and a width 12 between 10 and 50 microns, especially between 20 and 30 microns.
  • the anode may be electrically powered to a positive potential V1 typically between 1000V and 3000V, preferably by a supply structure (commonly called "bus bar”) outside or less outward outside .
  • V1 typically between 1000V and 3000V
  • a supply structure commonly called "bus bar”
  • the cathode is electrically powered at a negative or even zero (grounded) continuous potential V2, preferably by an external or external power supply structure.
  • electromagnetic shielding can be provided.
  • a sufficient dielectric thickness is provided above the anode (only thickness of the first wall or thickness combined with an added transparent dielectric).
  • a transparent outer conductor element that is anode and electrically isolated from the anode and grounded, for example it is a single or multilayer transparent electroconductive layer) or a generally transparent grid associated with the anode. the outer face of the first wall, the anode being on the inner face. This layer can also have a low-emissive function or solar control.
  • Vl is between 1000 V and 3000 V
  • - Vl is between 500 V and 1500 V
  • - V2 is between -500 V and -1500 V.
  • the accelerating electrode may be electrically powered at a DC potential V3 typically between 100 V and 800 V.
  • the flat lamp may be provided with spacers, in particular glass, beads or other, distributed on the surface. It is possible to provide a spacer of the peripheral frame type, in particular for small lamp sizes, which peripheral frame can possibly be used for sealing.
  • the walls can be kept at a constant distance.
  • the walls can be of any shape: the outline of the substrates can be polygonal, concave or convex, in particular square or rectangular, or curve, radius constant or variable curvature, in particular round or oval.
  • the first and second walls may be a silicosodocalcic, borosilicate glass sheet.
  • the glass can be clear, extraclear.
  • the first wall may be of a dielectric material transmitting UV radiation.
  • the material for one or the walls may be chosen preferably from quartz, silica, magnesium fluoride (MgF 2 ) or calcium fluoride (CaF 2 ), a borosilicate glass, a glass with less than 0.05% Fe 2 O 3 .
  • magnesium or calcium fluorides transmit more than 80% or even 90% over the entire range of UVs, ie UVA (between 315 and 380 nm), UVB (between 280 and 315 nm), the UVC
  • VUV between about 10 and 200 nm
  • quartz and certain high-purity silicas transmit more than 80% or even 90% over the entire range of UVA, UVB and UVC,
  • silicosodocalcic glasses with less than 0.05% Fe 2 O 3 in particular Saint-Gobain's Diamant glass, Pilkington's Optiwhite glass and Schott's B270 glass, transmit over 70% or even 80% over the entire range of UVA.
  • a silica-based glass such as Planilux glass sold by Saint-Gobain Glass, has a transmission greater than 80% beyond 360 nm, which may be sufficient for certain embodiments and applications.
  • the spacing between the two walls may be fixed by the spacers to a value of the order of 0.3 to 5 mm, especially less than or equal to about 2 mm.
  • a technique for depositing spacers in vacuum insulating glass units is known from FR-A-2 787 133. According to this method, glue dots, in particular enamel deposited by screen printing, are deposited on a glass sheet. a diameter less than or equal to the diameter of the spacers, the spacers are rolled on said glass sheet preferably inclined so that a single spacer is glued on each point of glue. The second glass sheet is then applied to the spacers and the peripheral seal is deposited.
  • the spacers may be made of a non-conductive material. Preferably, they are made of glass, in particular of soda-lime type.
  • the lamp may be produced by first manufacturing a sealed enclosure where the intermediate air gap is at atmospheric pressure and then evacuating, preferably (at least) secondary.
  • one of the walls, preferably the first wall comprises in its thickness a hole obstructed by a sealing means, preferably mineral.
  • All or part of the inner face may be coated with the cathodoluminescent material.
  • the lighting zones may possibly constitute decorative motifs or constitute a display such as a logo or a mark.
  • the cathodoluminescent material may advantageously be selected or adapted to determine the color of the illumination in a wide range of colors.
  • phosphors For a lamp, one can choose the usual phosphors.
  • phosphors emitting in the UVC Mention may be made of materials doped with Pr or Pb such that: LaPO 4 : Pr; CaSO 4 : Pb etc.
  • phosphors emitting in UVA or near UVB there are also phosphors emitting in UVA or near UVB. Mention may be made of gadolinium doped materials such as YBO 3 : Gd; the
  • UVA For example, LaPO 4 : Ce; (Mg, Ba) AluOi 9 : Ce; BaSi 2 O 5 : Pb; the YPO 4 : This; (Ba, Sr, Mg) 3 Si 2 O 7 : Pb; SrB 4 O 7 : Eu.
  • Uniformity can be evaluated by contrast (the ratio of the difference between the maximum luminance and the minimum luminance and the sum of the maximum luminance and the minimum luminance). A contrast of less than 80% or even less than or equal to 50% is preferred.
  • the total efficiency of the lamp can be evaluated by the efficiency in Lumen / W is the ratio between the radiating power (optical or UV) and the electric power injected. A yield greater than or equal to 10 lumens / W is easily obtained.
  • the lamp (UV) according to the invention may have radiation
  • the other wall may be opaque, for example a glass-ceramic, or even be a non-glass dielectric, preferably with a neighbor expansion coefficient.
  • the lamp (UV) according to the invention may have a bidirectional radiation (first side wall). For example, a differentiated illumination can be produced.
  • the overall transmission in the visible and / or in the UV may be greater than 50%, in particular by sufficiently limiting the area of the emitting area (s) for example a surface area (s) Transmitter (s) less than or equal to 50% of the inner surface of the lamp.
  • the second wall assembly (glass for example) and cathode may further preferably have a global transmission in the visible of at least 70%.
  • the cathode may be transparent (in full layer) or generally transparent (in strips, grid etc.) as already described.
  • the lamp emitting in the visible according to the invention can be used for decoration, for a backlight display screens (LCD, television, monitor ..).
  • the invention aims for example the production of illuminating architectural or decorative elements and / or display function (identifying elements, logo or luminous mark), such as particularly flat luminaires, luminous walls in particular suspended, luminous slabs. ..
  • the lamp emitting in the visible according to the invention can in particular form:
  • an illuminating window portion (a transom, etc.) of a building or means of locomotion, in particular a train window, a porthole of a boat cabin or aircraft,
  • an illuminating roof including a means of locomotion land, air or sea,
  • the lamp can be laminated with a first counter-glass associated with the second wall by a lamination interlayer (PVB, PU, EVA ..) or with a second against glass associated with the second wall by a lamination interlayer (PVB, PU , EVA ).
  • a lamination interlayer PVB, PU, EVA ..
  • the UV lamp according to the invention can be used both in the industrial field for example for aesthetics, biomedical, electronics or foodstuffs than in the domestic field, for example for the decontamination of tap water, pool drinking water, air, drying
  • the UV lamp according to the invention can be used:
  • photochemical activation processes for example for a polymerization, in particular of glues, or a crosslinking or for the drying of paper,
  • fluorescent material such as ethidium bromide used in gel
  • nucleic acid or protein analyzes for the activation of fluorescent material, such as ethidium bromide used in gel, for nucleic acid or protein analyzes
  • the UV lamp according to the invention serves to promote the formation of vitamin D on the skin.
  • the UV lamp according to the invention can be used for the disinfection / sterilization of air, water or surfaces by germicidal effect, especially between 250 nm and 260 nm.
  • the UV lamp according to the invention is used in particular for the treatment of surfaces, in particular before deposition of active layers for the electronics. computing, optics, semiconductors ...
  • the UV lamp according to the invention can be integrated, for example, in household electrical equipment such as a refrigerator or kitchen tablet.
  • UV lamp
  • a coating having a given functionality coating (s) on the outer face (s) of one or more walls. It could be :
  • a coating with a function of blocking infrared wavelength radiation for example for electromagnetic compatibility
  • an anti-fouling coating photocatalytic coating comprising at least partially crystallized TiO 2 in anatase form
  • the polished surface plate and walls can also be supplied separately, sold as a kit and ready for assembly.
  • the invention thus also relates to the use of a perforated plate with a polished surface, especially chosen from a polished glass plate or a dielectric plate (glass, quartz, (ceramic) ceramic) with a base layer. of polished silica or polished enamel, in a field effect emission flat lamp, as an accelerating element for the electrons.
  • the invention thus also relates to the use of a discontinuous layer of polished enamel, in a plane lamp emission by field effect, as accelerator element of the electrons.
  • the invention also relates to the use of a perforated plate or a discontinuous enamel layer with a polished surface, especially chosen from a polished glass plate, a polished enamel layer, a dielectric plate with a polished silica layer or with a polished enamel layer, as an electron accelerating element in a field emission plain lamp.
  • the invention also relates to a method for manufacturing a lamp as described above comprising the connection of the second wall and the perforated plate with polished surface and with openings opening on the face opposite to the free face, by a binding material - preferably (essentially) inorganic and electroconductive - forming at least partly metal catalyst and / or cathode This material is preferably deposited both on the inner face of the second wall and on the opposite face of the plate.
  • the plate is bonded to the second wall
  • the first wall and the perforated plate, optionally with a polished surface, are assembled in parallel,
  • the inner space is sealed by means of a peripheral sealing material of the first wall and the plate or on the second wall.
  • the vacuum hole can be formed at the same time as the blind holes.
  • a low-melting alloy is proposed as a sealing material.
  • This material can be placed in the form of a piece of shape adapted to the outer end of the hole from the beginning of manufacture, it is evacuated through this piece, and then melted to seal it on the wall of the hole. way to obstruct the latter.
  • a preferred method according to the invention is to obstruct the hole with a sealing pellet covering the outer hole of the hole.
  • This pellet advantageously metallic, can be glued to the wall by welding.
  • the electron-emitting material is deposited on the internal face of the second wall through the openings opening on the face opposite to the free face of the plate, the plate placed on the internal face or preferably already tied to the inner face.
  • the method of manufacturing the lamp according to the invention is preferably such that it comprises successively:
  • the deposit on the cathode on the internal face of the second wall in a discontinuous manner, of a layer based on a glass frit, particularly by ink jet or screen printing, the firing to form the enamel layer ,
  • FIG. 1 represents a schematic side sectional view of a plane field effect lamp emitting in the visible in a first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic view from above of the glass plate holed on the glass sheet with an electron emitting material used in the first embodiment illustrated in FIG. 1;
  • FIG. 3 is a diagrammatic side sectional view of a visible field-effect flat-field lamp in a second embodiment
  • FIG. 3bis is a schematic partial side sectional view of a field-effect flat lamp emitting in the visible in a variant of the second embodiment
  • FIG. 4 represents a schematic view from above of the glass plate holed on the glass sheet with an electron-emitting material used in the second embodiment illustrated in FIG. 3;
  • FIG. 5 is a schematic top view of a glass plate pierced in pieces on a glass sheet with an electron-emitting material in another embodiment of the invention
  • Fig. 6 is a schematic side sectional view of a field-emitting, field-effect flat lamp in a third embodiment
  • FIG. 7a is a schematic view from above of the glass plate holed on the glass sheet with an electron emitting material used in the third embodiment illustrated in FIG. 6 and FIG. 7b is a variant thereof;
  • Fig. 8 is a schematic side sectional view of a field-emitting, field-effect flat lamp in a fourth embodiment.
  • FIG. 1 shows a flat field effect lamp 100 comprising two walls composed respectively of first and second glass sheets 1, 2 for example silicosodocalcic of approximately 3.15 mm thick, having an internal main face 11, 21 and an outer main face 12, 22.
  • the inner face 11 carries a conductive coating 3 forming an anode and a coating of cathodoluminescent material 5 for example one or phosphores to produce a white light.
  • the anode 3 is directly deposited on the inner face 11 or on a barrier sub-layer, for example made of silicon nitride (not shown).
  • the anode 3 is for example a silkscreened silver layer arranged to be generally transparent, for example a grid, or a (full) transparent electroconductive layer such as a multilayer to silver.
  • the anode 3 can be associated with the first sheet 1 in different ways: it can be deposited on the outer or inner face of an electrical insulating carrier element, this carrier element being assembled to the first sheet so that the This element may for example be a plastic film of the EVA or PVB type or a plurality of plastic films, for example made of PET, PVB and PU.
  • the anode 3 can also be in the form of a metal grid integrated in a plastic film or even in the first sheet then forming a reinforced glass or even in the form of son parallel to each other.
  • the cathode 3 may also be sandwiched between a first electrical insulator and a second electrical insulator, the assembly being assembled to the first sheet 1.
  • the anode may for example be interposed between two plastic sheets.
  • Another combination of electrical insulators is as follows: a sheet of PVB is taken as the first electrical insulator which will be used to bond the second electrical insulator and carrier of the anode such as a PET sheet, the anode being between the sheet of PVB and the PET sheet.
  • the inner face 21 carries a conductive coating 4 forming the cathode 4.
  • the cathode 4 is preferably directly deposited on the inner face 21 of the second sheet.
  • the anode 4 is for example a (full) layer based on NiCr, typically 50 to 100 nm thick.
  • This plate 6 is provided with a so-called free or upper main face 61 (face facing the first wall) and a so-called lower main face (facing the second wall) 62.
  • the perforated plate 6 and the second wall 2 are secured by the cathode 4 which is solder material. Alternatively, it can provide a bonding (peripheral or distributed on the surface) for example with a sealing frit.
  • the openings 63 of the plate open from the main faces 61, 62 and are uniformly distributed over the surface of the plate.
  • the openings 63 are, for example, an array of staggered rectangular patterns, about 1 mm wide and spaced about 1 mm apart, as shown in FIG.
  • the upper face 61 is covered with an electroconductive layer 7 forming an accelerating electrode, for example a silkscreened silver layer, optionally arranged in a grid.
  • the electroconductive layer 7 may also be an enamel layer comprising a vitreous binder and conductive metal charges (for example silver particles), typically with a thickness of between 10 and 15 microns. It can also be a thin layer, for example indium tin oxide (ITO), fluorine doped tin oxide (SnO 2 : F), aluminum doped zinc oxide. (ZnO: AI), made of metal such as silver or molybdenum, deposited by conventional techniques (PVD, CVD).
  • a solid glass plate 6 may be coated by a cathodic sputtering process of an electroconductive layer 7 made of indium tin oxide and then pierced by the face opposite to the layer 7 by a technique such as sanding, laser cutting (possibly assisted by hydrofluoric acid) or water jet to form openings 63.
  • the inner face 21 further comprises carbon nanotubes 8 deposited through the openings on the cathode 4 also forming growth catalyst of these nanotubes.
  • the anode 3 is connected to a power supply source, for example via a flexible foil, and an external supply structure 33 is formed, for example made of silkscreened silver enamel.
  • the anode 3 is at a continuous potential Vl of the order of 1000 V to 3000 V.
  • a transparent electroconductive layer 3 ' for example a conductive oxide, is grounded (V4 is equal to 0 V) is present on the outer face 12 of the first wall.
  • a feed structure 33 ' for example enameled with silkscreened silver, is formed for this layer 3'.
  • the first wall is laminated with a PVB 13 against a glass l '.
  • the cathode 4 is electrically powered via a flexible foil, and a sealing external supply structure 43 is formed, for example in screen printed silver enamel. To do this, the plate 6 may be slightly set back from the second plate 2.
  • the cathode 4 is at a DC potential V2 preferably equal to 0 V (grounded).
  • the accelerating electrode 7 is electrically powered, for example via a flexible foil, and an external supply structure 73, for example enameled with silkscreened silver, is formed. It is at a continuous potential V3 between 100 V and 800 V.
  • the first wall 1 and the perforated plate 6 are associated with facing their faces 11, 61 and are assembled by means of a sealing frit 9. The sealing is thus preferably chosen mineral.
  • the spacing between the latter 1, 6 may be imposed (at a value generally less than 5 mm) by glass spacers 10 'arranged (preferably homogeneously) between them.
  • the spacing is of the order from 0.3 to 5 mm, for example from 0.4 to 2 mm.
  • the spacers 10 ' may have a spherical shape, cylindrical, cubic or other polygonal cross-section for example cruciform.
  • the spacers may be coated with a phosphor identical to or different from the luminophore 5.
  • the first wall 1 has near the periphery a hole (not shown) throughout its thickness, a few millimeters in diameter whose outer orifice is obstructed by a sealing pellet (not shown) including copper welded on the outer face.
  • the spacers 10 ' are deposited and glued at predefined locations, for example by means of an automaton, and the wall 1 and the plate 6 are compared.
  • the sealing frit is then deposited and sealed at a high temperature.
  • the atmosphere contained in the sealed enclosure is then removed by means of a pump through the sealing hole.
  • the sealing pellet is presented in front of the opening of the sealing hole, around which a bead of solder alloy has been deposited.
  • a heat source is activated near the weld so as to cause softening of the weld, the wafer is gravitational plate against the orifice of the hole and is thus welded to the substrate 1 forming a hermetic plug.
  • the cathodoluminescent material can produce a uniform, white light. This material 5 can advantageously be selected or adapted to determine the color of the lighting in a wide range of colors.
  • the accelerating electrode may be a polished silica layer or a polished enamel layer typically of thickness between 10 and 15 microns.
  • the plate is replaced by a dielectric layer of enamel, typically of thickness between 10 and 15 microns.
  • an electroconductive layer of conductive enamel typically of thickness between 10 and 15 microns.
  • the first enamel layer can be fired before the second enamel layer is deposited.
  • the first enamel layer can only be dried before the deposition of the second enamel layer, the two layers then being subjected together to the baking treatment.
  • the structure 200 of the lamp basically takes the structure of Figure 1 apart:
  • the openings 63 ' are a network of rectangular patterns in rows and columns (see FIG. 4),
  • the chemical weight composition of the glass of the plate 6 ', of the aluminoborosilicate type devoid of alkaline oxides, is the following (in percents):
  • This type of composition has the advantage of having a lifetime of the remnant field greater than 2 years.
  • Figure 3a which is a partial sectional view of the lamp 200 '
  • the polished plate is replaced by a polished enamel layer 6 "typically of thickness between 10 and 15 micrometers. act for example of an enamel obtained from a lead-free glass frit marketed by Ferro under the reference VN 821.
  • the frit is mixed with a medium and then deposited by screen printing or inkjet before baking.
  • the poling creating a remanent electric field 70 may be substantially the entire thickness of the layer or surface.
  • the carbon nanotubes are also replaced by 8 "ZnO nanowires deposited on the cathode.
  • the poling is carried out by heating the glass or enamel at 300 ° C. and subjecting it to a static electric field of 3 kV. To do this the glass substrate or the enamel is kept in contact between two metal electrodes.
  • the surface remanent electric field is of the order of 0.9 GV / m, measured using the static electricity measuring device marketed under the reference JCI 140 CF by John Chubb Instrumentation.
  • the depth of the superficial zone, seat of the residual field, is estimated by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). This technique makes it possible to detect a very strong local depletion of calcium, on a surface area of about 10 micrometers.
  • SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry
  • the polished plate is discontinuous, in the form of plate pieces 6 distributed on the surface, the openings 63 then being continuous.
  • the area delimited by the pieces of plate is inscribed in the internal space. The seal is made between the first and second walls.
  • the structure 300 of the lamp basically takes up the structure of FIG. 3 apart from: - the plate 2 'is made of silicosodocalcic glass with blind holes
  • the plate 2 ' is coated on an internal surface 21 with a silica-based layer 60, deposited by spraying and then polished to form the remanent field 70' (as shown in the detail view of FIG. 6), - the openings blinds 23 'are in the form of parallel grooves emerging on a lateral edge of the second wall itself hollowed out 23,
  • the cathode 4 is discontinuous, being present in the bottom of the blind openings 23 'and on the hollow side edge 23 of electrical connection (see FIG. 7a) of the cathode 4, edge surmounted by the bus bar 43,
  • the seal 9 is formed between the inner face of the second wall and the inner face of the first wall (with separate joint heights in the hollowed-edge region of connection and the other peripheral areas).
  • the layer 60 may also be a polished enamel layer, especially whose thickness is typically between 10 and 15 microns. It may be for example an enamel obtained from a lead-free glass frit marketed by Ferro under the reference VN 821. The frit is mixed with a medium and then deposited by screen printing or inkjet before cooking. Poling is typically performed by heating the sample at 300 ° C. for 80 minutes under an electric field of 1 kV.
  • the structure 400 of the lamp basically takes the structure of Figure 3 apart:
  • the carbon nanotubes are replaced (in whole or in part) by 8 'tungsten microtips,
  • the cathode 4 ' is transparent, for example a conductive oxide layer
  • the plate 6 ' is in the internal space, of smaller dimension than the second wall, the sealing is between the two walls 1, 2,
  • the spacing between the openings 63 is at least twice the width of the openings 63 (the drawing n' being not to scale).
  • the light areas can also form a network of geometric patterns (lines, pads, rounds, squares or any other shape) and the spacings between patterns and / or pattern sizes can be variable.
  • UV lamps are produced by choosing a catholuminescent and a first wall (or even a second wall) of suitable materials.

Landscapes

  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)
  • Discharge Lamp (AREA)

Abstract

L'invention a pour objet une lampe plane à émission par effet de champ transmettant un rayonnement dans le visible et/ou l'ultraviolet (100) comportant : des première et deuxième parois diélectriques (1, 2) planes respectivement avec une anode (3) et une cathode (4), l'ensemble première paroi et anode étant transparent ou globalement transparent dans le visible et/ou l'UV, un matériau cathodoluminescent, un élément accélérateur d'électrons qui comporte une plaque diélectrique essentiellement minérale (6) et trouée et/ou une couche diélectrique discontinue à base d'émail (6"), les ouvertures étant débouchantes (63) sur au moins la face principale dite libre (61) de la plaque en regard de la face interne (21) de la première paroi, pour ledit bombardement électronique, ladite plaque trouée (6) ou ladite couche diélectrique discontinue à base d'émail (6") étant porteuse sur sa face libre (61) d'une troisième électrode (7) formant électrode accélératrice, ou ayant une surface polée, créant ainsi d'un champ électrique rémanent accélérateur des électrons. L'invention porte aussi sur sa fabrication.

Description

LAMPE PLANE A EMISSION PAR EFFET DE CHAMP ET SA FABRICATION
L'invention se rapporte au domaine des lampes planes et plus particulièrement concerne une lampe plane à émission par effet de champ transmettant un rayonnement dans le visible et/ou l'ultraviolet (dit UV) et sa fabrication.
Parmi les lampes planes connues figurent les lampes planes à décharge utilisables en tant que luminaire décoratif ou architectural. Ces lampes planes sont typiquement constituées de deux feuilles de verre maintenues avec un faible écartement l'une par rapport à l'autre, généralement inférieur à quelques millimètres, et scellées hermétiquement de manière à renfermer un gaz sous pression réduite dans lequel une décharge électrique produit un rayonnement généralement dans le domaine ultraviolet qui excite un matériau photoluminescent qui émet alors de la lumière visible.
Des lampes UV sont également basées sur cette technologie.
On connaît par ailleurs des lampes planes basées sur l'émission à effet de champ servant pour le rétroéclairage d'écrans à cristaux liquides (« LCD » pour « Liquid crystal display » en anglais). Le document US2007/0228928A1 propose ainsi une lampe à émission à effet de champ, laquelle comprend :
- une anode sous forme d'une couche électroconductrice à base d'oxyde mixte d'indium et d'étain (ITO) déposée sur la face interne de la première feuille de verre, alimentée par une tension positive et recouverte d'une couche de phosphore capable de produire de la lumière blanche par bombardement électronique,
- une cathode qui est une couche électroconductrice déposée sur la face interne de la deuxième feuille de verre alimentée par une tension négative, couche sous forme de bandes d'électrodes (« patterned en anglais »),
- des micropointes pour l'émission des électrons, disposées sur les bandes d'électrodes,
- et, un empilement formé d'une couche diélectrique recouverte d'une couche métallique formant une électrode accélératrice (« gâte » en anglais), l'empilement étant sous forme de bandes croisant les bandes d'anode.
Par ailleurs, le document intitulé « the vacuum packaging of a flat lamp using thermally grown carbon natubes » de D. Lee et autres, Vacuum 74 (2004) pages 105-111, Elsevier divulgue une lampe plane à émission par effet de champ (voir figure Ib), pour le rétroéclairage de dalle à cristaux liquides, avec
- comme parois, des feuilles de verre silicosodocalcique,
- des séries de phosphore émettant respectivement dans le rouge, vert, bleu, pour produire de la lumière blanche,
- comme anode, une couche d'ITO,
- comme cathode une multicouche Ti/Cr surmontée d'un catalyseur Fe ou Ni pour la croissance du matériau émetteur,
- comme matériau émetteur d'électrons des nanotubes de carbone (« CNT » en anglais) déposé à haute température sur le catalyseur,
- comme électrode accélératrice, une grille métallique intercalée dans l'espace interne parallèle aux feuilles de verre, connectée via la deuxième feuille de verre par report de contact, sous forme d'un réseau d'ouvertures hexagonale de 250 μm de diamètre et de largeur de maille de 30 μm (voir figure b). Avec cette technologie de type triode on diminue la tension appliquée. Les lampes planes à émission par effet de champ précitées présentent, certes des atouts en termes de compacité, de performances optiques mais restent cependant complexes voire onéreuses. Aussi, la présente invention a pour objet de proposer une lampe plane
(dans le visible et/ou l'UV) simplifiée, notamment de fabrication compatible avec les exigences industrielles (facilité et/ou rapidité de fabrication, faible taux de rebut) sans sacrifier ses performances optiques (uniformité et/ou efficacité) ni augmenter sa consommation électrique. A cet effet, la présente invention propose une lampe plane à émission par effet de champ transmettant un rayonnement dans le visible et/ou l'ultraviolet, comportant :
- des première et deuxième parois diélectriques (sensiblement) planes en regard et avec des surfaces principales maintenues (sensiblement) parallèles et espacées, la lampe étant scellée en périphérie délimitant ainsi un espace interne sous vide,
- une première électrode, dite anode, s'étendant dans un plan parallèle aux surfaces principales et associée à la première paroi, l'ensemble première paroi et anode étant (sensiblement) transparent ou globalement transparent dans le visible et/ou l'UV, (au moins) un matériau luminophore émetteur de rayonnement visible et/ou ultraviolet par bombardement d'électrons (autrement dit « cathodoluminescent »), le matériau étant sur la face interne de la première paroi (par exemple déposé sur cette face) et plus proche de l'espace interne que l'anode,
- une deuxième électrode, dite cathode, s'étendant dans un plan parallèle aux surfaces principales,
- un matériau émetteur desdits électrons ayant un facteur de forme supérieur à 10, le matériau étant sur la cathode (directement ou non dessus), et de préférence définissant une pluralité de zones dites émettrices,
- un élément accélérateur des électrons intercalé entre les première et deuxième parois, espacé de la première paroi, s'étendant dans un plan sensiblement parallèle aux surfaces principales, et avec une pluralité d'ouvertures laissant passer lesdits électrons, ledit élément comportant une plaque diélectrique, essentiellement minérale et trouée, et/ou une couche diélectrique discontinue à base d'émail avec les ouvertures débouchantes sur au moins la face principale, dite libre, en regard de la face interne de la première paroi,
- pour ledit bombardement des électrons, la plaque trouée ou ladite couche discontinue à base d'émail étant porteuse sur sa face libre d'une troisième électrode, formant électrode accélératrice, ou ladite plaque ou couche discontinue à base d'émail ayant une surface polée créant ainsi un champ électrique rémanent accélérateur des électrons (soit une configuration passive),
- la cathode étant sur la face interne de la deuxième paroi et/ou lorsque les ouvertures de la plaque trouée sont choisies borgnes, dans le fond des ouvertures de la plaque. La lampe selon l'invention est plus simple et économique par l'utilisation de la plaque diélectrique minérale trouée ou de couche(s) d'émail (à surface externe) accélératrice.
Pour former les ouvertures de la plaque (éventuellement revêtue), ou encore de la ou les couches d'émail discontinue(s), on peut aisément s'affranchir des techniques de photolithographie habituellement utilisées pour les écrans de l'art antérieur afin de former des pixels de petites tailles, technologie nécessaire pour graver l'empilement formé de la couche isolante, de la couche métallique accélératrice de l'art antérieur, couches déposées classiquement par dépôt physique en phase vapeur λPVD' (pulvérisation, évaporation...).
Pour former la plaque trouée revêtue d'une électrode accélératrice selon l'invention, on peut réaliser une pleine couche (par toute technique de dépôt de couches : physique λPVD', chimique ou λCVD', par voie liquide ...) sur une plaque pleine et faire ensuite les ouvertures sur l'ensemble. De manière alternative, les ouvertures peuvent être réalisées avant revêtement par l'électrode accélératrice.
Dans une configuration active, on peut former sur la cathode (qui est de préférence sur la face interne de la deuxième paroi) successivement - une couche d'émail diélectrique,
- une couche d'émail conductrice.
Dans une configuration passive, on peut former sur la cathode (qui est de préférence sur la face interne de la deuxième paroi) une couche d'émail polée. La cathode peut elle-même être également en émail conducteur, notamment un émail identique à celui de l'électrode accélératrice.
Selon l'invention, on entend par émail une couche au moins en partie vitreuse, obtenue par dépôt puis cuisson d'une fritte de verre, éventuellement mélangée à des charges par exemple minérales, si nécessaires conductrices.
La fritte de verre peut être mélangée avant dépôt avec un liant ou médium, généralement organique, lequel sera éliminé lors de la cuisson.
Le dépôt de la couche vitreuse selon l'invention peut être réalisé par diverses techniques de dépôt sélectives, c'est-à-dire sur certaines zones prédéterminées espacées entre elles (espaces porteurs du matériau émetteur d'électrons), ceci pour éviter toute structuration, tout masquage, en particulier des étapes de type photolithographie comme déjà indiqué. On choisit notamment un dépôt par voie liquide, telle que la sérigraphie ou le jet d'encre, l'impression, la tampographie...
Les ouvertures de la plaque trouée et/ou de couche(s) d'émail peuvent être relativement larges, notamment microniques voire millimétriques tout particulièrement dans les applications d'éclairage général ou de rétroéclairage qui ne nécessitent pas de former des pixels, ce qui donne une plus grande liberté de fabrication.
Les ouvertures sont de préférence réalisées par la face opposée à la couche accélératrice. Les différents procédés existants entraînent souvent la formation d'ouvertures légèrement coniques, la base du cône (la plus large) étant située du côté par lequel les ouvertures sont réalisées. En réalisant l'ouverture par la face opposée à la couche accélératrice, le matériau émetteur est donc soumis à un champ accélérateur plus fort.
Typiquement, les ouvertures de la plaque trouée ou de couche(s) à base d'émail peuvent avoir une largeur moyenne, minimale et/ou maximale (donc une dimension caractéristique dans le plan de la plaque) supérieure ou égale à
10 μm, voire supérieure ou égale à 100 μm ou même supérieure ou égale
1 mm.
La plaque peut être trouée avant ou après le poling de la plaque ou de la couche accélératrice sus jacente en fonction des méthodes utilisées pour former les ouvertures.
On utilise par exemple une gravure laser (femtoseconde notamment), une découpe mécanique notamment avec une scie diamantée, un sablage, un jet haute pression (eau ou autre liquide). Pour rectifier les bords éventuellement en V et obtenir des flancs
(sensiblement) droits, on peut par exemple compléter par une attaque chimique appropriée, par exemple attaque acide (HF) du verre, par gravure plasma (« RIE » etc.), bombardement ionique (IBE etc.).
Les ouvertures peuvent être étendues, allongées notamment des bandes sensiblement linéaires, et/ou plus ponctuelles, notamment géométriques (rond, carré, rectangle, ovale,..).
Les ouvertures ne sont pas nécessairement de taille ou de forme identique. On peut toutefois préférer des ouvertures réparties sensiblement uniformément sur la surface de la plaque, par exemple un réseau périodique de lignes ou de rectangles ou de ronds, des réseaux multiples (double réseau périodique), voire un réseau pseudo périodique ou apériodique.
Une ou plusieurs zones plus ou moins étendues de la plaque et/ou de couche(s) d'émail discontinue(s) peuvent être dépourvues d'ouvertures pour produire par exemple un éclairage différencié (zones sombres et zones lumineuses par exemple en alternance).
Les ouvertures sont de préférence de dimensions sensiblement égales aux dimensions des zones émettrices. L'espacement (moyen) entre ces ouvertures peut être micronique, encore plus préférentiellement d'au moins une centaine de μm, voire millimétrique. L'espacement entre deux ouvertures peut être identique ou supérieur à la largeur des ouvertures. Les bords latéraux (flancs) des ouvertures peuvent être sensiblement droits, sensiblement perpendiculaires à la face interne de la deuxième paroi.
La plaque minérale, notamment en verre, comme la couche d'émail selon l'invention a une bonne tenue mécanique, thermique et supporte les bombardements d'électrons et le scellement tout en étant peu onéreuse.
La lampe selon l'invention peut être de grandes dimensions par exemple d'au moins 0,1 voire 1 m2.
De préférence, le facteur de transmission de la lampe selon l'invention (au moins coté deuxième paroi) autour du pic dudit rayonnement visible et/ou UV est supérieur ou égal à 50%, encore plus préférentiellement supérieur ou égal à 70%, et même supérieur ou égal à 80%.
La plaque peut être souple, semi rigide, de préférence rigide. Il s'agit d'une pièce autosupportée, en un ou plusieurs morceaux, à distinguer d'une couche.
En outre, la plaque diélectrique minérale et trouée selon l'invention est également préférable à une grille métallique car plus simple à insérer, à sceller le cas échéant. Dans l'art antérieur pour être suffisamment résistante pour supporter le cycle thermique lors de la fabrication, le vide, le bombardement électronique, on emploie dans la pratique une grille en Invar®, matériau coûteux à base de nickel et de fer.
L'usage de la plaque diélectrique minérale et trouée selon l'invention permet également davantage de souplesse de fabrication : le dépôt du matériau émetteur d'électrons peut être réalisé avant ou après montage de la plaque, notamment avant ou après son adhésion sur la deuxième paroi le cas échéant.
La plaque peut être avantageusement à base d'un matériau choisi parmi une céramique, une vitrocéramique, un verre notamment silicosodocalcique. De préférence, les parois et/ou la plaque trouée éventuelle peuvent être des feuilles de verre, notamment silicosodocalcique (en particulier lorsque la paroi n'est pas elle même polée) ceci notamment pour une lampe.
Dans le cas d'une lampe UV, les parois, voire la plaque trouée, peuvent être de préférence en un verre adapté ou en quartz. La plaque peut être mince par exemple d'épaisseur inférieure ou égale à 1 mm, notamment lorsqu'elle est rapportée sur la deuxième paroi. Dans le cas d'une plaque autosupportée en verre, son épaisseur est de préférence comprise entre 0,7 et 3 mm.
Dans le cas de couche(s) discontinue(s) en émail, l'épaisseur de chaque couche (diélectrique ou électroconductrice) peut être plus faible, typiquement comprise entre 1 et 50 micromètres, notamment entre 5 et 20 micromètres, voire entre 10 et 15 micromètres.
La plaque peut être de préférence d'un seul tenant ou même discontinue, sous forme d'une pluralité de morceaux de plaque qui peuvent être de toute forme (géométrique : rectangulaire, carré, etc), plus ou moins allongés, morceaux espacés les uns des autres par les ouvertures en continu. Ces morceaux de plaque peuvent être répartis de préférence de manière homogène.
La lampe doit être hermétique, le scellement périphérique peut être fait de différentes manières :
- par (au moins) un joint de scellement : polymérique (silicone etc.), ou encore minéral (fritte de verre etc.),
- par (au moins) un cadre périphérique lié aux parois (et/ou à la plaque le cas échéant), par exemple thermoscellé ou encore collé par un film, de préférence minéral, comme une fritte de verre, film de quelque centaines de μm ou moins encore d'épaisseur, le cadre pouvant en outre éventuellement servir d'espaceur, remplacer un ou des espaceurs ponctuels.
Le scellement peut être de préférence réalisé par (au moins) un joint de scellement, notamment (essentiellement) minéral. Le scellement peut être réalisé par exemple entre les première et deuxième parois via leurs faces internes, la plaque trouée étant dans l'espace interne et de dimensions inférieures à la deuxième paroi.
Le scellement peut être aussi réalisé entre la face libre de la plaque (qui est éventuellement la face interne de la deuxième paroi) et la face interne de la première paroi.
Aussi, on préfère alors choisir un matériau de plaque à coefficient de dilation thermique proche ou similaire à celui de la première paroi. La plaque est alors de dimensions sensiblement identiques voire supérieures aux dimensions des parois.
En outre, l'agencement de la plaque trouée peut être variable.
Dans une première configuration, la plaque trouée est espacée de la deuxième paroi (par le vide) et des ouvertures sont débouchantes sur la face opposée à la face libre (la face opposée étant dite face inférieure). On prévoit alors un double scellement périphérique : premier scellement entre la face libre de la plaque trouée et la face interne de la première paroi et deuxième scellement entre la face inférieure trouée et la face interne de la deuxième paroi.
La plaque peut être typiquement espacée de la deuxième paroi d'une distance inférieure ou égale à quelques mm et la première paroi d'une distance inférieure ou égale à quelques mm.
Dans cette configuration de double scellement, l'éventuelle électrode accélératrice est de préférence intégrée dans un verre (verre armé) ou mieux encore sur la face inférieure, et de préférence sous forme d'une couche électroconductrice.
Les ouvertures peuvent être borgnes, réalisées sur la plaque formant de préférence la deuxième paroi.
Ainsi, dans une deuxième configuration, la deuxième paroi est constituée de la plaque trouée avec les ouvertures borgnes (non débouchantes sur la face inférieure), de préférence débouchantes sur (au moins) un (même) bord de la deuxième paroi, et la cathode, sous forme d'une couche électroconductrice, est dans le fond des ouvertures et alimentée par ledit bord (latéral ou longitudinal) de préférence évidé, ceci pour faciliter la connexion électrique périphérique. Le matériau émetteur est alors logé dans le fond de ces ouvertures, sur la cathode si nécessaire formant catalyseur ou surmontée éventuellement d'un catalyseur.
Les ouvertures borgnes, notamment débouchantes, peuvent être de tout forme (polygonale, ronde, ovale..), et de préférence sous forme de rainures. Les rainures peuvent être parallèles ou non entre elles, de profil
(sensiblement) constant (rectangulaire, carré..) ou non. Les rainures peuvent être plus ou moins longues, notamment en un voire en plusieurs parties et de préférence alors débouchantes sur deux bords opposés ou adjacents faciliter la connexion électrique périphérique.
Dans une troisième configuration la face inférieure de la plaque est solidaire de la face interne de la deuxième paroi par un moyen de liaison de préférence essentiellement minéral.
Cette liaison peut être périphérique, sur des zones (restreintes) localisées (par des points de colle...) mais de préférence cette liaison est répartie sur l'ensemble de la surface de la plaque, par exemple une couche entre la plaque et la deuxième paroi.
Cette liaison entre la deuxième paroi et la plaque trouée doit être compatible avec le procédé de fabrication de la lampe : mise sous vide, chauffe...
On préfère ainsi un moyen de liaison essentiellement minéral, ayant ainsi une bonne tenue thermique et mécanique, notamment une fritte de verre, type fritte de scellement ou tout autre matériau, une brasure ou soudure (à base de nickel, chrome, indium or, étain etc.), un scellement anodique.
Lorsque le scellement est réalisé entre la plaque et la première paroi, la liaison entre la deuxième paroi et la plaque trouée préserve l'herméticité, et cette liaison est étanche à l'eau liquide et/ou vapeur.
Pour le scellage périphérique sous forme d'un joint de scellement et pour la liaison plaque et deuxième paroi (ponctuelle ou étendue), on peut utiliser le même matériau, par exemple une fritte de verre déposée par exemple par sérigraphie.
Pour souci de simplicité, dans ce troisième mode de réalisation, les ouvertures sont de préférence également débouchantes sur la face opposée à la face libre (donc la face inférieure) et la cathode, la face interne de la deuxième paroi comprend une couche électroconductrice externe en un matériau de liaison entre la deuxième paroi et la plaque trouée, et électroconducteur pour former au moins en partie la cathode et/ou un catalyseur de croissance du matériau émetteur en couche. Cette couche est ainsi au moins bi fonctionnelle (fonction de liaison couplée à une fonction électrique et/ou de catalyseur de croissance). Elle est présente sous la ou les zones émettrices ainsi que sous la plaque.
La couche externe, qui est de préférence une monocouche directement sur la face interne, peut être avantageusement en un matériau choisi parmi le nickel, le chrome, le fer, le cobalt et leurs mélanges (NiCr notamment).
Concernant le matériau émetteur, le facteur de forme correspond au rapport largeur (maximale si variable) sur hauteur (maximale si variable).
Le matériau peut être de formes diverses : filamentaire, tubulaire, conique. Le matériau émetteur peut présenter des pointes, notamment métalliques, typiquement en tungstène, microniques voire submicroniques.
Ces pointes peuvent être de préférence orientées vers la première paroi, notamment être sensiblement à 90° de la première paroi.
Le matériau émetteur peut également être à base de nanofils d'oxyde de zinc. Les dimensions typiques de tels nano-fils sont les suivantes : longueur allant de 1 à 10 microns, de préférence de 3 à 5 microns, diamètre allant de 50 à 500 nanomètres, de préférence de 100 à 300 nm.
Ces nanofils d'oxyde zinc peuvent avantageusement être obtenus, à basse température, par dépôt électrochimique. La publication intitulée
« Controlled growth of two-dimensional and one-dimensional ZnO nanostructures on Indium Tin Oxide coated glass by direct electrodeposition », de Pradhan et autres, Langmuir 2008, 24, 9707-9716, décrit notamment un procédé de ce type, dans lequel on dépose des nanofils de ZnO sur un substrat de verre revêtu d'une couche électroconductrice d'oxyde mixte d'indium et d'étain (ITO) en le plongeant dans une solution de nitrate de zinc Zn(NO3)2.6H2O et en établissant une différence de potentiel de -1,1 V relativement à une contre-électrode.
Le matériau émetteur peut aussi à base de carbone amorphe en feuillets, notamment graphitique ou plus préférentiellement sous forme de nanotubes. L'épaisseur de la couche de nanotubes de carbone peut être typiquement d'au 100 nm, de l'ordre du micron, soit entre 1 et 10 μm. La largeur des nanotubes est typiquement de l'ordre de 10 nm.
Le facteur de forme est de préférence supérieur ou égal à 100, voire supérieur ou égal à 1000.
Les nanotubes de carbone peuvent être déposés par toute méthode connue à une température compatible avec le substrat choisi :
- dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma « PECVD » notamment à plasma atmosphérique (AP-PECVD) comme décrit dans la publication intitulée « growth of carbon nanotubes by atmospheric pressure enhanced chemical vapor déposition unsing NiCr catalyst » de Se-Jin Kying et autres, Surface and coatings technology, 201 (2007) pages 5378-5382,
- dépôt par croissance thermique comme réalise par Ijin Nanotech Co Itd dans le document de l'art antérieur déjà cité de Lee et autres,
- dépôt par sérigraphie par exemple comme décrit dans le document intitulé « characterization triode type CNT-FED fabricated using photosensitive CNT paste » de S Jik-Kwon et autres, journal of information display, vol. 5, n°4, 2004. Deux configurations d'accélération sont possibles selon l'invention.
Dans la configuration active, l'électrode accélératrice sous forme d'une couche électroconductrice, notamment métallique, qui peut être de préférence sur une sous couche (barrière aux alcalins, d'accroché etc.) notamment une couche à base de silice ou de nitrure de silicium et/ou couverte par une surcouche de protection, notamment une couche de silice ou de nitrure de silicium.
On peut choisir de préférence comme couche électroconductrice une couche métallique, par exemple une couche à l'argent, notamment sérigraphiée (émail à l'argent etc .), ou encore une couche d'oxyde métallique conducteur.
Cette couche accélératrice n'est pas forcément pleine, entièrement couvrante. Elle peut être discontinue, former des bandes, des pistes conductrices, notamment être arrangée en grille. Cette couche accélératrice peut aussi être déposée sous vide, notamment par pulvérisation magnétron, ceci avant ou après la formation des ouvertures ou encore déposée par sérigraphie ou par jet d'encre.
Lorsque la plaque est de dimension inférieure à la deuxième paroi, l'électrode accélératrice peut être alimentée en périphérie par la première paroi via un espaceur métallisé ou encore une pâte ou colle conductrice.
Dans la configuration passive, une surface est polée, ce qui permet notamment de diminuer encore la tension de fonctionnement.
Dans une première configuration passive, la plaque en verre (formant éventuellement la deuxième paroi) elle même peut être polée. Dans une deuxième configuration passive originale, la plaque (par exemple en verre ou quartz, et/ou formant éventuellement la deuxième paroi) peut comprendre une couche polée. Cette couche peut par exemple être à base de silice. La couche polée peut également être un émail polé. La plaque peut aussi être éventuellement polée. L'épaisseur de la couche polée peut être par exemple de l'ordre du micron.
De préférence on choisit une couche de silice, déposée sous vide, notamment par pulvérisation magnétron ou évaporation, ou encore par dépôt chimique en phase vapeur (CVD). La couche de silice est déposée avant ou après la formation des ouvertures.
La couche polée peut également être un émail, notamment à partir d'un matériau vitreux déposé par des techniques de dépôt sélectives telles que la sérigraphie, le jet d'encre, ou l'impression, comme déjà vu.
Dans une troisième configuration passive originale, la couche polée, directement sur la cathode, est un émail polé.
Ainsi, contre toute attente, une couche à base d'émail (formée par cuisson de fritte de verre) peut être polée.
On entend généralement par « matériau polé » un matériau présentant au niveau d'au moins une de ses surfaces un champ électrique rémanent. Par extension, on définit ainsi une « surface polée » (plaque et/ou couche rapportée) du matériau comme étant la zone superficielle où le champ électrique rémanent est créé. Le champ électrique rémanent est de préférence orienté perpendiculairement à la surface du matériau. Il est généralement créé par un traitement consistant à placer le matériau chauffé sous un fort champ électrique. Certains verres, cristaux ou polymères sont notamment polés (ont subi un traitement dit de « poling ») pour leur conférer des propriétés en optique non-linéaire, notamment de génération de seconde harmonique. Dans le cas de verres (par exemple de silice amorphe), le champ rémanent est lié à la migration de cations, notamment d'ions alcalins (Li+, Na+, K+...) ou alcalino- terreux (Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+...). Cet appauvrissement local en cations à l'extrême surface du verre crée un champ électrique interne extrêmement intense. Le poling génère en outre un champ rémanent très fort, car confiné à une épaisseur très faible (parfois de l'ordre de quelques micromètres).
La migration d'ions sodium présents en impuretés dans un verre sous l'action d'un champ électrique est décrite dans la publication R/A.Myers, Optical letters, vol. 161, 1991, pl732.
Le matériau polé est de préférence choisi parmi les verres (notamment à base de silice), les vitrocéramiques. Par « verre à base de silice », on entend des verres dont la composition chimique comprend au moins 50% en masse de SiO2.
Les matériaux minéraux sont préférés notamment du fait de leur tenue lors du scellement. Les verres, en particulier à base de silice, parmi lesquels figurent le verre de silice (aussi appelé silice amorphe), sont particulièrement avantageux. De préférence, le matériau polé (à partir d'une fritte de verre ou d'une couche classique) est un verre à base de silice comprenant moins de 1% en masse d'oxydes alcalins, notamment un verre comprenant de la silice et des oxydes alcalino-terreux tels que CaO, MgO, SrO, BaO. La silice pure présente en effet un point de fusion très élevé (plus de 17000C), ce qui nécessite l'emploi de procédés de fusion très coûteux. L'ajout d'oxydes alcalino-terreux permet de diminuer le point de fusion, et d'employer des procédés de fusion classiquement utilisés en verrerie. Il est ainsi possible d'élaborer ces verres à des températures inférieures ou égales à 17000C, voire 16000C. La présence d'oxydes alcalins (Li2O, Na2O, K2O) contribue aussi à faciliter la fusion du verre. Leur teneur totale est toutefois de préférence limitée à moins de 1% en masse, car leur présence en forte quantité contribue à diminuer la durée de vie du champ rémanent. Le verre à base de silice peut également contenir d'autres oxydes tels que AI2O3 ou B2O3, ce dernier facilitant la fusion. Le verre à base de silice peut avantageusement présenter l'une des compositions décrites dans la demande EP 1 433 758. Le poling crée au niveau d'au moins une surface (dite surface polée) du matériau diélectrique un champ électrique rémanent sur une épaisseur de préférence comprise entre 0,5 et 50 micromètres, notamment entre 5 et 20 micromètres. Le traitement de poling consiste généralement à créer une tension de l'ordre de quelques centaines ou milliers de volts au moyen de deux électrodes planes entre lesquelles (et au contact desquelles) est placé le matériau à poler. Généralement, le matériau est chauffé à une température d'environ 100 à environ 5000C, typiquement de l'ordre de 3000C, de manière à favoriser la migration des cations vers la cathode. Le champ électrique rémanent créé par le poling est de préférence compris entre 0,01 et 1 GV/m, notamment entre 0,1 et 1 GV/m.
Par ailleurs, les positions et natures d'électrodes peuvent être variables. Les électrodes (anode et/ou cathode et/ou couche accélératrice éventuelle) peuvent être sous forme de couches. Sauf indication contraire, dans la présente invention, le terme couche peut désigner une monocouche ou une multicouche.
Sauf indication contraire, les couches électroconductrices (anode et/ou cathode et/ou couche accélératrice éventuelle) peuvent être déposées par tous moyens connus de l'homme du métier tels que des dépôts par voie liquide, notamment par sérigraphie ou jet d'encre, dépôts sous vide (pulvérisation magnétron, évaporation), par pyrolyse (voie poudre ou gazeuse).
La cathode peut couvrir sensiblement entièrement la face interne de la deuxième paroi (hors émargeage). La cathode peut comprendre une (voire être constituée d'une) couche électroconductrice. La cathode peut être continue ou discontinue, notamment uniquement dans la ou les zones émettrices données, par exemple sous forme de bandes (pleines ou ouvertes), de pistes conductrices. La cathode peut notamment être arrangée en grille.
La cathode n'est pas nécessairement transparente ou globalement transparente. Comme matériau d'électrode non transparent (couche ou fil) on peut utiliser par exemple un matériau métallique comme du tungstène, du cuivre ou du nickel.
Tout particulièrement, la cathode peut être une couche électroconductrice métallique formant éventuellement un catalyseur de croissance du matériau émetteur en couche, notamment en un matériau choisi parmi le nickel, le chrome, le fer, le cobalt et leurs mélanges.
On peut toutefois aussi envisager pour la cathode une (pleine) couche transparente (dans le visible) : - à base d'une fine couche métallique pure ou alliée, notamment de l'argent, éventuellement entre deux couches en oxyde conducteur simple ou mixte et/ou dopé, formant une multicouche transparente,
- à base d'un oxyde métallique conducteur simple ou mixte et/ou dopé, tel que l'oxyde d'étain dopé au fluor, l'oxyde mixte d'indium et d'étain (ITO).
On peut choisir aussi pour la cathode une couche de LiF. L'éventuelle électrode accélératrice peut couvrir sensiblement entièrement la face libre de la plaque. L'électrode accélératrice peut être continue ou discontinue, sous forme de bandes (pleines ou ouvertes), être arrangée en grille. L'électrode accélératrice peut être à base de fils tissés ou non tissés, de ruban plein ou tressés par exemple incorporés partiellement dans la plaque.
En configuration active, l'électrode accélératrice peut être à base de
(nano)particules métalliques - notamment (nano)particules d'or et/ou d'argent- ou d'oxydes conducteurs, (nano)particules de préférence dans un liant encore plus préférentiellement minéral . Il peut notamment s'agir d'une couche d'émail, comprenant après cuisson un liant vitreux et des
(nano)particules métalliques. Cette couche électroconductrice, notamment sous forme d'émail, peut être par exemple sérigraphiée ou déposée par jet d'encre.
L'anode quant à elle peut être constituée de tout matériau conducteur transparent qui laisse passer le visible et/ou l'UV. L'anode peut être :
- soit associée à la face externe de la première paroi, apposée (directement ou non) sur cette face ou solidaire de cette face (en contact ou séparé par tout moyen adhésif connu),
- soit associée à la face interne de la première paroi, notamment déposée directement sur cette face ou sur une sous couche,
- soi intégrée partiellement en surface ou entièrement dans la première paroi (type verre armé). L'anode peut ainsi couvrir sensiblement entièrement la face (interne ou externe) de la première paroi (hors émargeage). L'anode peut être ainsi continue (pleine couche) ou discontinue, sous forme de bandes (pleines ou ouvertes), arrangée en grille (pour une transparente globale). De préférence, la couche électroconductrice formant l'anode est sur une sous couche (barrière aux alcalins, d'accroché etc) notamment une couche de silice ou de nitrure de silicium.
L'anode est de préférence une couche électroconductrice sur la face interne de la première paroi. L'anode peut être sous forme d'une (pleine) couche électroconductrice transparente ou d'une couche relativement opaque discontinue (pour une transparente globale).
On peut préférer une anode sous forme d'une (pleine) couche transparente (dans le visible) :
- à base d'une fine couche métallique pure ou alliée, notamment de l'argent, éventuellement entre deux couches en oxyde conducteur simple ou mixte et/ou dopé, formant une multicouche transparente,
- à base d'un oxyde métallique conducteur simple ou mixte et/ou dopé, tel que l'oxyde d'étain dopé au fluor, de l'oxyde mixte d'indium et d'étain (ITO). L'anode en couche électroconductrice opaque (dans le visible et/ou l'UV) peut être à base de (nano)particules métalliques - notamment (nano)particules d'or et/ou d'argent- ou d'oxydes conducteurs, (nano)particules de préférence dans un liant encore plus préférentiellement minéral. Cette couche électroconductrice opaque et discontinue peut être par exemple sérigraphiée ou déposée par jet d'encre.
L'anode peut être alternativement à base de fils tissés ou non tissés, jointifs ou non, ruban plein ou tressé etc par exemple incorporés partiellement dans la première paroi ou dans des diélectriques extérieurs.
Pour la lampe UV, l'anode peut être à base d'un matériau transmettant un rayonnement UV. Un matériau électroconducteur transmettant un rayonnement UV peut être une couche très mince d'or, par exemple de l'ordre de 10 nm, ou de métaux alcalins tels que potassium, rubidium, césium, lithium ou potassium par exemple de 0,1 à 1 μm, ou encore être en un alliage par exemple avec 25% sodium et 75% de potassium. Comme déjà évoqué, si le matériau de l'anode (et/ou de la cathode et/ou de l'éventuelle électrode accélératrice) est absorbant ou réfléchissant aux UV et/ou à la lumière visible, l'anode ((et/ou la cathode et/ou l'éventuelle électrode accélératrice) est adaptée pour permettre une transmission globale audit rayonnement UV ou visible.
Plus précisément, on peut ainsi former des bandes sensiblement parallèles, présentant une largeur 11 et étant espacées d'une distance dl, le rapport 11 sur dl pouvant être compris entre 10% et 50%, pour permettre une transmission globale UV ou visible d'au moins 50% du côté des électrodes, le rapport ll/dl pouvant aussi être ajusté en fonction de la transmission de la paroi associée.
On peut aussi former un réseau de motifs conducteurs essentiellement allongés tels que de lignes conductrices (assimilées à des bandes très fines) ou de fils conducteurs proprement dits, ces motifs pouvant être sensiblement rectilignes ou ondulés, en zigzag, etc. Ce réseau peut être défini par un pas donné dit pi (pas minimal en cas de pluralité de pas) entre motifs et une largeur dite 12 de motifs (maximale en cas de pluralité de largeurs). Deux séries de motifs peuvent être croisées. Ce réseau peut être notamment organisé comme une grille, comme un tissu, une toile etc. Aussi, on peut obtenir une transparence globale aux UV ou dans le visible en adaptant le rapport 11 sur dl en fonction de la transparence souhaitée comme déjà décrit et/ou en utilisant le réseau des motifs conducteurs et en adaptant, en fonction de la transparence souhaitée, la largeur 12 et/ou le pas pi . Ainsi, le rapport largeur 12 sur pas pi peut être de préférence inférieur ou égal à 50% de préférence inférieur ou égal à 10%, encore plus préférentiellement inférieur ou égal à 1%.
Par exemple, le pas pi peut être compris entre 5 μm et 2 cm, de préférence entre 50 μm et 1,5 cm, encore plus préférentiellement 100 μm et 1 cm, et la largeur 12 peut être entre 1 μm et 1 mm, de préférence entre 10 et 50 μm.
A titre d'exemples, on peut utiliser un réseau conducteur (en grille etc.) sur un verre ou encore sur une feuille plastique par exemple de type PET avec un pas pi entre 100 μm et 300 μm, et une largeur 12 de 10 à 20 μm ou encore un réseau de fils conducteurs intégrés au moins en partie dans un intercalaire de feuilletage, avec un pas pi entre 1 et 10 mm, notamment 3 mm, et une largeur 12 entre 10 et 50 μm, notamment entre 20 et 30 μm.
Concernant l'alimentation électrique, l'anode peut être alimentée électriquement à un potentiel continu Vl positif typiquement entre 1000V et 3000V, de préférence par une structure d'alimentation (couramment appelée « bus bar ») extérieure ou à moins dépassante à l'extérieur.
La cathode est alimentée électriquement à un potentiel continu V2 négatif voire nul (mise à la masse), de préférence par une structure d'alimentation extérieure ou dépassante à l'extérieur. Pour une sécurité électrique, on peut prévoir un blindage électromagnétique. Par exemple on prévoit une épaisseur de diélectrique suffisante au-dessus de l'anode (épaisseur seule de la première paroi ou épaisseur combinée avec un diélectrique transparent rapporté). On peut aussi prévoir un élément conducteur transparent plus externe que l'anode et isolé électriquement de l'anode et mis à la masse, par exemple il s'agit d'une couche électroconductrice transparente mono ou multicouche) ou une grille globalement transparente associée à la face externe de la première paroi, l'anode étant sur la face interne. Cette couche peut d'ailleurs avoir une fonction bas-émissive ou de contrôle solaire. Dans un premier mode de réalisation :
- Vl est entre 1000 V et 3000 V,
- V2 est à la masse.
Dans un deuxième mode de réalisation :
- Vl est entre 500 V et 1500 V, - V2 est entre -500 V et -1500 V.
L'électrode accélératrice peut être alimentée électriquement à un potentiel continu V3 typiquement entre 100 V et 800 V.
Naturellement, la lampe plane peut être dotée d'espaceurs, notamment en verre, sous forme de billes ou autre, réparties sur la surface. On peut prévoir un espaceur de type cadre périphérique en particulier pour les petites tailles de lampe, cadre périphérique pouvant éventuellement servir pour le scellement.
Les parois peuvent être maintenues à distance constante. Les parois peuvent être de toute forme : le contour des substrats peut être polygonal, concave ou convexe, notamment carré ou rectangulaire, ou courbe, de rayon de courbure constant ou variable, notamment rond ou ovale.
De préférence, les première et deuxième parois peuvent être une feuille de verre silicosodocalcique, borosilicate. Le verre peut être clair, extraclair.
On peut revêtir et/ou traiter au moins la première paroi pour assurer un effet optique, notamment coloré, un effet de décoration par sérigraphie ou autre, à relief structuré, un effet dépoli, ou de couche diffusante, antireflet...
Pour une lampe UV, la première paroi peut être en un matériau diélectrique transmettant un rayonnement UV. Le matériau pour l'une ou les parois peut être choisi de préférence parmi le quartz, la silice, le fluorure de magnésium (MgF2) ou de calcium (CaF2), un verre borosilicate, un verre avec moins de 0,05% de Fe2O3.
A titre d'exemples pour des épaisseurs de 3 mm :
- les fluorures de magnésium ou de calcium transmettent à plus de 80% voire 90% sur toute la gamme des UVs c'est-à-dire les UVA (entre 315 et 380 nm), les UVB (entre 280 et 315 nm), les UVC
(entre 200 et 280 nm), ou les VUV (entre environ 10 et 200 nm),
- le quartz et certaines silices haute pureté transmettent à plus de 80% voire 90% sur toute la gamme des UVA, UVB et UVC,
- le verre borosilicate, comme le borofloat de Schott, transmet à plus de 70% sur toute la gamme des UVA,
- les verres silicosodocalciques avec moins de 0,05% de Fe2O3, notamment le verre Diamant de Saint-Gobain, le verre Optiwhite de Pilkington, le verre B270 de Schott, transmettent à plus de 70% voire 80% sur toute la gamme des UVA. Toutefois, un verre silicosodocalcique, tel que le verre Planilux vendu par la société Saint-Gobain Glass, présente une transmission supérieure à 80% au delà de 360 nm ce qui peut suffire pour certaines réalisations et certaines applications.
L'écartement entre les deux parois peut être fixé par les espaceurs à une valeur de l'ordre de 0,3 à 5 mm, notamment inférieure ou égal à environ 2 mm. Une technique de dépose des espaceurs dans des vitrages isolants sous vide est connue de FR-A-2 787 133. Selon ce procédé, on dépose sur une feuille de verre des points de colle, notamment de l'émail déposé par sérigraphie, d'un diamètre inférieur ou égal au diamètre des espaceurs, on fait rouler les espaceurs sur la dite feuille de verre de préférence inclinée de manière à ce qu'un unique espaceur se colle sur chaque point de colle. On applique ensuite la seconde feuille de verre sur les espaceurs et on dépose le joint de scellage périphérique.
Les espaceurs peuvent être réalisés en un matériau non-conducteur. De préférence, ils sont réalisés en verre, notamment de type sodocalcique.
Suivant une réalisation, la lampe peut être produite en fabriquant tout d'abord une enceinte scellée où la lame d'air intermédiaire est à pression atmosphérique, puis en faisant le vide, de préférence (au moins) secondaire. Suivant cette réalisation, l'une des parois, de préférence la première paroi, comporte dans son épaisseur un trou obstrué par un moyen de scellement, de préférence minéral.
Tout ou une partie de la face interne peut être revêtue du matériau cathodoluminescent. Il est notamment possible de ne munir que certaines aires de la surface en du matériau cathodoluminescent afin de créer sur une même surface des zones d'éclairage (respectivement d'émission UV) prédéfinies. Les zones d'éclairage peuvent éventuellement constituer des motifs décoratifs ou constituer un affichage tel qu'un logo ou une marque.
Le matériau cathodoluminescent peut avantageusement être sélectionné ou adapté pour déterminer la couleur de l'éclairage dans une large palette de couleurs.
Pour une lampe, on peut choisir les phosphores habituels. Pour une lampe UV, il existe notamment des luminophores émettant dans les UVC. On peut citer les matériaux dopés au Pr ou Pb tels que : LaPO4: Pr; CaSO4 : Pb etc.
Il existe aussi des luminophores émettant dans les UVA ou proche UVB. On peut citer les matériaux dopés au gadolinium tels que le YBO3:Gd ; le
YB2O5:Gd ; le LaP3O9:Gd ; le NaGdSiO4 ; le YAI3(BO3)4:Gd ; le YPO4:Gd ; le
YAIO3:Gd ; le SrB4O7:Gd ; le LaPO4:Gd ; le LaMgB5Oi0:Gd, Pr ; le LaB3O8:Gd,
Pr ; le (CaZn)3(PO4)2:TI. Il existe en outre des luminophores émettant dans les
UVA. On peut citer par exemple le LaPO4:Ce ; le (Mg,Ba)AluOi9:Ce ; le BaSi2O5: Pb ; le YPO4:Ce ; le (Ba,Sr,Mg)3Si207: Pb ; le SrB4O7: Eu.
L'uniformité peut être évaluée par le contraste (rapport de la différence entre la luminance maximale et la luminance minimale et la somme de la luminance maximale et de la luminance minimale). On préfère un contraste inférieur à 80%, voire inférieur ou égal à 50%. L'efficacité totale de la lampe peut être évaluée par le rendement en Lumen/W soit le rapport entre la puissance rayonnante (optique ou dans UV) et la puissance électrique injectée. On obtient aisément un rendement supérieur ou égal à 10 lumens/W. La lampe (UV) selon l'invention peut avoir un rayonnement
(essentiellement) monodirectionnel (coté première paroi).
Dans une configuration de lampe (UV) avec une seule face émettrice, l'autre paroi peut être opaque, par exemple une vitrocéramique, voire être un diélectrique non verrier, de préférence avec un coefficient de dilatation voisin. La lampe (UV) selon l'invention peut avoir un rayonnement bidirectionnel (côté première paroi). On peut produire par exemple un éclairage différencié.
Du côté de la deuxième paroi la transmission globale dans le visible et/ou dans l'UV peut être supérieure à 50%, notamment en limitant suffisamment la surface de zone(s) émettrice(s) par exemple une surface de zone(s) émettrice(s) inférieure ou égale à 50% de la surface interne de la lampe. L'ensemble deuxième paroi (en verre par exemple) et cathode peut avoir en outre de préférence une transmission globale dans le visible d'au moins 70%. Enfin, la cathode peut être transparente (en pleine couche) ou globalement transparente (en bandes, en grille etc.) comme déjà décrit.
La lampe émettant dans le visible selon l'invention peut servir pour la décoration, pour un rétroéclairage d'écrans d'affichage (à cristaux liquides, télévision, moniteur..). L'invention vise par exemple la réalisation d'éléments architecturaux ou décoratifs éclairants et/ou à fonction d'affichage (éléments signalétiques, logo ou marque lumineux), tels que des luminaires notamment plans, des parois lumineuses notamment suspendues, des dalles lumineuses... La lampe émettant dans le visible selon l'invention peut notamment former :
- une partie de fenêtre éclairante, (une imposte etc.) de bâtiment ou de moyens de locomotion notamment une fenêtre de train, un hublot de cabine de bateau ou d'avions,
- un toit éclairant notamment d'un moyen de locomotion terrestre, aérien ou maritime,
- une cloison interne entre des pièces ou entre deux compartiments de moyens de locomotion terrestres, aériens ou maritimes, - une vitrine, un élément de mobilier urbain, une façade de meuble, une tablette de réfrigérateur.
La lampe peut être feuilletée avec un premier contre-verre associé à la deuxième paroi par un intercalaire de feuilletage (PVB, PU, EVA..) voire avec un deuxième contre verre associé à la deuxième paroi par un intercalaire de feuilletage (PVB, PU, EVA...).
La lampe UV selon l'invention peut être utilisée tant dans le domaine industriel par exemple pour l'esthétique, le biomédical, l'électronique ou pour l'alimentaire que dans le domaine domestique, par exemple pour la décontamination d'eau du robinet, d'eau potable de piscine, d'air, le séchage
UV, la polymérisation.
En choisissant un rayonnement dans l'UVA voire dans l'UVB, la lampe UV selon l'invention peut être utilisée :
- comme lampe à bronzer (notamment 99,3% dans l'UVA et 0,7% dans l'UVB selon les normes en vigueur),
- pour les traitements dermatologiques (notamment, un rayonnement dans l'UVA à 308 nm),
- pour les processus d'activation photochimique, par exemple pour une polymérisation, notamment de colles, ou une réticulation ou pour le séchage de papier,
- pour l'activation de matière fluorescente, telle que l'éthidium bromide utilisée en gel, pour des analyses d'acides nucléiques ou de protéines,
- pour l'activation d'un matériau photocatalytique par exemple pour réduire les odeurs dans un réfrigérateur ou les saletés.
En choisissant un rayonnement dans l'UVB, la lampe UV selon l'invention sert pour favoriser la formation de vitamine D sur la peau.
En choisissant un rayonnement dans l'UVC, la lampe UV selon l'invention peut être utilisée pour la désinfection/stérilisation d'air, d'eau ou de surfaces par effet germicide, notamment entre 250 nm et 260 nm.
En choisissant un rayonnement dans l'UVC lointain ou de préférence dans le VUV pour la production d'ozone, la lampe UV selon l'invention sert notamment pour le traitement de surfaces, en particulier avant dépôt de couches actives pour l'électronique, l'informatique, l'optique, les semi- conducteurs ... La lampe UV selon l'invention peut être intégrée par exemple dans un équipement électroménager tel que réfrigérateur, tablette de cuisine.
Il peut être en outre avantageux d'ajouter dans la lampe (UV) (au moins) un revêtement ayant une fonctionnalité donnée, revêtement(s) en face(s) externe(s) d'une ou des parois. Il peut s'agir :
- d'un revêtement à fonction de blocage des rayonnements de longueur d'onde dans l'infrarouge par exemple pour une compatibilité électromagnétique,
- et/ou d'un revêtement anti-salissures (revêtement photocatalytique comprenant du TiO2 au moins partiellement cristallisé sous forme anatase)
- et/ou encore un empilement antireflet du type par exemple Si3NVSiO2ZSi3NVSiO2.
La plaque à surface polée et les parois peuvent aussi être fournies séparément, être vendus en kit et être prêtes à être assemblées.
L'invention a ainsi également pour objet l'utilisation d'une plaque trouée à surface polée notamment choisie parmi une plaque de verre polée ou d'une plaque diélectrique (verre, quartz, (vitro)céramique..) avec une couche à base de silice polée ou d'émail polé, dans une lampe plane à émission par effet de champ, comme élément accélérateur des électrons.
L'invention a ainsi également pour objet l'utilisation d'une couche discontinue d'émail polé, dans une lampe plane à émission par effet de champ, comme élément accélérateur des électrons.
De manière plus générale, l'invention a aussi pour objet l'utilisation d'une plaque trouée ou d'une couche d'émail discontinue avec une surface polée, notamment choisie parmi une plaque de verre polée, une couche d'émail polé, une plaque diélectrique avec une couche à base de silice polée ou avec une couche d'émail polé, comme élément accélérateur des électrons dans une lampe plane à émission par effet de champ. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une lampe telle que décrite précédemment comportant la liaison de la deuxième paroi et de la plaque trouée à surface polée et avec des ouvertures débouchantes sur la face opposée à la face libre, par un matériau de liaison - de préférence (essentiellement) minéral et électroconducteur - formant au moins en partie catalyseur métallique et/ou cathode Ce matériau est de préférence déposé à la fois sur la face interne de la deuxième paroi et sur ladite face opposée de la plaque.
Plus précisément pour l'assemblage on peut prévoir les étapes suivantes: - on lie la plaque à la deuxième paroi,
- on dépose des espaceurs sur la plaque trouée,
- on assemble de manière parallèle la première paroi et la plaque trouée éventuellement à surface polée,
- on scelle l'espace interne au moyen d'un matériau de scellement périphérique de la première paroi et de la plaque ou sur la deuxième paroi.
Dans toutes les configurations de lampes selon l'invention (plaque espacée de la deuxième paroi, collée à la deuxième paroi, formant deuxième paroi), on peut pour la mise sous vide prévoir les étapes suivantes: - remplacer, via un trou pratiqué dans l'une des parois, l'atmosphère contenue dans l'espace interne par un vide de préférence secondaire,
- obstruer le trou avec un moyen de scellement.
Dans le cas d'une plaque formant la deuxième paroi, on peut former le trou de mise sous vide en même temps que les trous borgnes.
Pour remplacer l'atmosphère par le gaz, on peut utiliser un procédé de pompage à travers une structure de vitrage double ou multiple tel que décrit notamment dans le document EP-A-645 516. On y propose comme matériau de scellement une suspension de verre de soudure fritte. Ce matériau est placé sous forme d'une bille à l'extrémité externe du trou dès le début de la fabrication, on fait le vide à travers cette pièce, puis on la ramollit de façon à obstruer le trou.
Un autre procédé est décrit dans FR-A-2 774 373 où l'on propose comme matériau de scellement un alliage à bas point de fusion. Ce matériau peut être placé sous forme d'une pièce de forme adaptée à l'extrémité externe du trou dès le début de la fabrication, on fait le vide à travers cette pièce, puis on la fond pour la sceller sur la paroi du trou de façon à obstruer ce dernier.
Un procédé préféré selon l'invention consiste à obstruer le trou avec une pastille de scellement recouvrant l'orifice externe du trou. Cette pastille, avantageusement métallique, peut être collée à la paroi par soudure. Par ailleurs de préférence l'on réalise le dépôt du matériau émetteur d'électrons sur la face interne de la deuxième paroi au travers des ouvertures débouchantes sur la face opposée à la face libre de la plaque, plaque posée sur la face interne ou de préférence déjà lié à la face interne. Le procédé de fabrication de la lampe selon l'invention est de préférence tel qu'il comporte successivement :
- le dépôt sur la cathode sur la face interne de la deuxième paroi, de manière discontinue, d'une couche à base de fritte de verre polable, notamment par jet d'encre ou sérigraphie, - la cuisson pour former la couche d'émail,
- une étape de poling de la couche d'émail.
D'autres détails et caractéristiques de l'invention apparaîtront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente une vue schématique en coupe latérale d'une lampe plane à effet de champ émettant dans le visible dans un premier mode de réalisation;
- la figure 2 représente une vue schématique de dessus de la plaque de verre trouée sur la feuille de verre avec un matériau émetteur d'électrons utilisée dans le premier mode de réalisation illustré en figure 1;
- la figure 3 représente une vue schématique en coupe latérale d'une lampe plane à effet de champ émettant dans le visible dans un deuxième mode de réalisation; - la figure 3bis représente une vue partielle schématique en coupe latérale d'une lampe plane à effet de champ émettant dans le visible dans une variante du deuxième mode de réalisation;
- la figure 4 représente une vue schématique de dessus de la plaque de verre trouée sur la feuille de verre avec un matériau émetteur d'électrons utilisée dans le deuxième mode de réalisation illustré en figure 3;
- la figure 5 représente une vue schématique de dessus d'une plaque de verre trouée en morceaux sur une feuille de verre avec un matériau émetteur d'électrons dans un autre mode de réalisation de l'invention; - la figure 6 représente une vue schématique en coupe latérale d'une lampe plane à effet de champ émettant dans le visible dans un troisième mode de réalisation;
- la figure 7a représente une vue schématique de dessus de la plaque de verre trouée sur la feuille de verre avec un matériau émetteur d'électrons utilisée dans le troisième mode de réalisation illustré en figure 6 et la figure 7b en est une variante;
- la figure 8 représente une vue schématique en coupe latérale d'une lampe plane à effet de champ émettant dans le visible dans un quatrième mode de réalisation.
On précise que par un souci de clarté les différents éléments des objets représentés ne sont pas nécessairement reproduits à l'échelle.
La figure 1 représente une lampe plane 100 à effet de champ comportant deux parois composées respectivement de première et deuxième feuille de verre 1, 2 par exemple silicosodocalcique d'environ 3,15 mm d'épaisseur, présentant une face principale interne 11, 21 et une face principale externe 12, 22.
Dans un espace dit interne 10 entre les feuilles de verre 1, 2 règne un vide de préférence secondaire. Tout d'abord, la face interne 11 porte un revêtement conducteur 3 formant une anode et un revêtement de matériau cathodoluminescent 5 par exemple un ou des phosphores pour produire une lumière blanche.
L'anode 3 est directement déposée sur la face interne 11 ou sur une sous couche barrière par exemple en nitrure de silicium (non représentée). L'anode 3 est par exemple une couche d'argent sérigraphiée arrangée pour être globalement transparente, par exemple en grille, ou encore une (pleine) couche électroconductrice transparente telle qu'une multicouche à l'argent.
En variante, l'anode 3 peut être associée à la première feuille 1 de différentes manières : elle peut être déposée sur la face externe ou interne d'un élément porteur isolant électrique, cet élément porteur étant assemblé à la première feuille de sorte que le revêtement soit plaqué contre la face externe 12. Cet élément peut par exemple être un film plastique de type EVA ou PVB ou plusieurs films plastiques par exemple en PET, PVB et PU.
L'anode 3 peut être aussi sous forme de grille métallique intégrée dans un film de matière plastique ou même dans la première feuille formant alors un verre armé ou encore sous forme de fils parallèles entre eux.
La cathode 3 peut aussi être prise en sandwich entre un premier isolant électrique et un second isolant électrique, l'ensemble étant assemblé à la première feuille 1. L'anode peut par exemple être intercalée entre deux feuilles de matière plastique.
Une autre combinaison d'isolants électriques est la suivante : une feuille de PVB est prise comme premier isolant électrique qui servira à coller le second isolant électrique et porteur de l'anode tel qu'une feuille de PET, l'anode étant entre la feuille de PVB et la feuille de PET. La face interne 21 porte quant à elle un revêtement conducteur 4 formant la cathode 4.
La cathode 4 est de préférence directement déposée sur la face interne 21 de la deuxième feuille. L'anode 4 est par exemple une (pleine) couche à base de NiCr, typiquement de 50 à 100 nm d'épaisseur. Sur la face interne 21 de la deuxième plaque 2, est solidaire une plaque de verre silicosodocalcique trouée 6, par exemple d'épaisseur 0,7 mm d'environ. Cette plaque 6 est dotée d'une face principale dite libre ou supérieure 61 (face orientée vers la première paroi) et d'une face principale dite inférieure (orientée vers la deuxième paroi) 62. La plaque trouée 6 et la deuxième paroi 2 sont solidaires par la cathode 4 qui est en matériau de brasure. Alternativement, on peut prévoir un collage (périphérique ou réparti sur la surface) par exemple avec une fritte de scellement.
Les ouvertures 63 de la plaque débouchent des faces principales 61, 62 et sont réparties uniformément sur la surface de la plaque. Les ouvertures 63 sont par exemple un réseau de motifs rectangulaires en quinconce, larges de 1 mm environ et espacé de 1 mm environ, comme montré en figure 2.
La face supérieure 61 est recouverte d'une couche électroconductrice 7 formant une électrode accélératrice, par exemple une couche d'argent sérigraphiée, éventuellement arrangée en grille. La couche électroconductrice 7 peut également être une couche d'émail comprenant un liant vitreux et des charges métalliques conductrices (par exemple des particules d'argent), typiquement d'épaisseur comprise entre 10 et 15 micromètres. Il peut aussi s'agir d'une couche mince par exemple en oxyde d'indium et d'étain (ITO), en oxyde d'étain dopé au fluor (SnO2 : F), en oxyde de zinc dopé à l'aluminium (ZnO :AI), en métal tel que l'argent ou le molybdène, déposée par les techniques classiques (PVD, CVD).
A titre d'exemple, une plaque pleine 6 en verre peut être revêtue par un procédé de pulvérisation cathodique d'une couche électroconductrice 7 en oxyde d'indium et d'étain, puis percée par la face opposée à la couche 7 par une technique telle que le sablage, la découpe laser (éventuellement assistée par l'acide fluorhydrique) ou le jet d'eau pour former les ouvertures 63.
La face interne 21 comporte en outre des nanotubes de carbone 8 déposées au travers des ouvertures sur la cathode 4 formant également catalyseur de croissance de ces nanotubes.
L'anode 3 est reliée à une source d'alimentation électrique par exemple via un clinquant souple et on forme une structure d'alimentation 33 extérieure par exemple en émail à l'argent sérigraphié. L'anode 3 est à un potentiel continu Vl de l'ordre de 1000 V à 3000 V. Pour une protection électrique, une couche électroconductrice transparente 3', par exemple en oxyde conducteur, est mise à la masse (V4 est égal à 0 V) est présente sur la face externe 12 de la première paroi. On forme une structure d'alimentation 33' par exemple en émail à l'argent sérigraphié pour cette couche 3'. En outre, la première paroi est feuilletée avec un PVB 13 à un contre verre l'.
La cathode 4 est alimentée électriquement via un clinquant souple, et on forme une structure d'alimentation 43 extérieure au scellement par exemple en émail à l'argent sérigraphié. Pour ce faire, la plaque 6 peut être légèrement en retrait de la deuxième plaque 2. La cathode 4 est à un potentiel continu V2 de préférence égal à 0 V (mise à la masse).
L'électrode accélératrice 7 est alimentée électriquement par exemple via un clinquant souple, et on forme une structure d'alimentation 73 extérieure par exemple en émail à l'argent sérigraphié. Elle est à un potentiel continu V3 entre 100 V et 800 V. La première paroi 1 et la plaque trouée 6 sont associées avec mise en regard de leurs faces 11, 61 et sont assemblées par l'intermédiaire d'une fritte de scellage 9. Le scellement est ainsi de préférence choisi minéral.
L'écartement entre ces dernières 1, 6 peut être imposé (à une valeur généralement inférieure à 5 mm) par des espaceurs 10' en verre disposés (de préférence de manière homogène) entre elles. Ici, l'écartement est de l'ordre de 0,3 à 5 mm, par exemple de 0,4 à 2 mm.
Les espaceurs 10' peuvent avoir une forme sphérique, cylindrique, cubique ou une autre section polygonale par exemple cruciforme. Les espaceurs peuvent être revêtus d'un luminophore identique ou différent du luminophore 5.
En variante, on peut utiliser un cadre espaceur périphérique (donc en bordure de la plaque) et éventuellement des espaceurs au centre.
Pour la mise sous vide, la première paroi 1 présente à proximité de la périphérie un trou (non représenté) dans toute son épaisseur, de quelques millimètres de diamètre dont l'orifice externe est obstrué par une pastille de scellement (non représentée) notamment en cuivre soudée sur la face externe.
On dépose et on colle les espaceurs 10' à des emplacements prédéfinis, par exemple au moyen d'un automate, et on met en regard la paroi 1 et la plaque 6. On dépose ensuite la fritte de scellement et on scelle à haute température.
On prélève ensuite, au moyen d'une pompe à travers le trou de scellement, l'atmosphère contenue dans l'enceinte scellée. Lorsque le vide secondaire est atteint, on présente la pastille de scellement devant l'ouverture du trou de scellement, autour de laquelle a été déposé un cordon d'alliage de soudure. On active une source de chaleur à proximité de la soudure de façon à provoquer le ramollissement de cette dernière, la pastille se plaque par gravité contre l'orifice du trou et est ainsi soudée sur le substrat 1 en formant un bouchon hermétique. Le matériau cathodoluminescent 5 peut produire une lumière blanche, uniforme. Ce matériau 5 peut avantageusement être sélectionné ou adapté pour déterminer la couleur de l'éclairage dans une large palette de couleurs.
Pour un éclairage décoratif, on peut former des zones lumineuses de différentes couleurs, et/ou formes et/ou tailles, une alternance de zone(s) éclairées et des zones sombres.
On peut également faire varier les intensités lumineuses par exemple en faisant varier les épaisseurs de matériau cathodoluminescent.
Dans une première variante non représentée, l'électrode accélératrice peut être une couche de silice polée ou une couche d'émail polé typiquement d'épaisseur comprise entre 10 et 15 micromètres. Dans une deuxième variante non représentée, la plaque est remplacée par une couche diélectrique d'émail, typiquement d'épaisseur comprise entre
10 et 15 micromètres, sur laquelle est déposée une couche électroconductrice en émail conducteur, typiquement d'épaisseur comprise entre 10 et 15 micromètres. On peut par exemple procéder à des dépôts par sérigraphie.
La première couche d'émail peut subir une cuisson avant le dépôt de la deuxième couche d'émail . Alternativement, la première couche d'émail peut n'être que séchée avant le dépôt de la deuxième couche d'émail, les deux couches étant ensuite soumises ensemble au traitement de cuisson. Dans la forme de réalisation de la figure 3, la structure 200 de la lampe reprend fondamentalement la structure de la figure 1 mis à part :
- l'électrode accélératrice et son alimentation électrique sont supprimées,
- la plaque 6' est polée formant un champ rémanent 70 en surface (comme montré sur la vue de détail de la figure 3),
- les ouvertures 63' sont un réseau de motifs rectangulaires en lignes et colonnes (voir figure 4),
- le feuilletage et le conducteur de protection sont éventuellement supprimés. La composition chimique pondérale du verre de la plaque 6', du type aluminoborosilicate dépourvu d'oxydes alcalins, est la suivante (en pourcents) :
Ce type de composition présente l'avantage de présenter une durée de vie du champ rémanent supérieure à 2 ans.
Dans une variante montrée en figure 3bis, qui est une vue de coupe partielle de la lampe 200', la plaque polée est remplacée par une couche d'émail polé 6" typiquement d'épaisseur comprise entre 10 et 15 micromètres. II peut s'agir par exemple d'un émail obtenu à partir d'une fritte de verre sans plomb commercialisée par la société Ferro sous la référence VN 821. La fritte est mélangée à un médium puis déposée par sérigraphie ou jet d'encre avant cuisson. Le poling créant un champ électrique rémanent 70" peut être sensiblement sur toute l'épaisseur de la couche ou en surface.
De manière optionnelle, également schématisée en figure 3bis, on remplace également les nanotubes de carbones par des nanofils de ZnO 8" déposés sur la cathode.
Le poling est réalisé en chauffant le verre ou l'émail à 3000C et en le soumettant à un champ électrique statique de 3 kV. Pour ce faire le substrat de verre ou l'émail est maintenu en contact entre deux électrodes métalliques. Le champ électrique rémanent superficiel est de l'ordre de 0,9 GV/m, mesuré à l'aide du dispositif de mesure d'électricité statique commercialisé sous la référence JCI 140 CF par la société John Chubb Instrumentation. La profondeur de la zone superficielle, siège du champ rémanent, est estimée par SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry - Spectrométrie de masse à ionisation secondaire). Cette technique permet en effet de détecter un appauvrissement local très fort en calcium, sur une zone superficielle d'environ 10 micromètres.
Dans une variante de réalisation représentée en figure 5, la plaque polée est discontinue, sous forme de morceaux de plaque 6 répartis sur la surface, les ouvertures 63 étant alors en continu. La zone délimitée par les morceaux de plaque est inscrite dans l'espace interne. Le scellement est réalisé entre les première et deuxième parois.
Dans la forme de réalisation de la figure 6, la structure 300 de la lampe reprend fondamentalement la structure de la figure 3 mis à part : - la plaque 2' est en verre silicosodocalcique avec des trous borgnes
23' et forme la deuxième paroi 2',
- la plaque 2' est revêtue sur face interne 21 d'une couche à base de silice 60, déposée par pulvérisation puis polée pour former le champ rémanent 70' (comme montré sur la vue de détail de la figure 6), - les ouvertures borgnes 23' sont sous forme des rainures parallèles débouchantes sur un bord latéral de la deuxième paroi lui-même évidé 23,
- la cathode 4 est discontinue, étant présente dans le fond des ouvertures borgnes 23' et sur le bord latéral évidé 23 de connexion électrique (voir figure 7a) de la cathode 4, bord surmonté du bus bar 43,
- le scellement 9 est réalisé entre la face interne de la deuxième paroi et la face interne de la première paroi (avec des hauteurs de joints distinctes dans la zone évidée de bord de connexion et les autres zones périphériques).
La couche 60 peut également être une couche d'émail polé, notamment dont l'épaisseur est typiquement comprise entre 10 et 15 micromètres. Il peut s'agir par exemple d'un émail obtenu à partir d'une fritte de verre sans plomb commercialisée par la société Ferro sous la référence VN 821. La fritte est mélangée à un médium puis déposée par sérigraphie ou jet d'encre avant cuisson. Le poling est typiquement réalisé en chauffant l'échantillon à 3000C pendant 80 minutes sous un champ électrique de 1 kV.
En variante d'assemblage montrée en figure 7b, tout le pourtour de la plaque 2' est évidé pour garder une même hauteur de scellement. Dans la forme de réalisation de la figure 8, la structure 400 de la lampe reprend fondamentalement la structure de la figure 3 mis à part :
- les nanotubes de carbone sont remplacés (tout ou en partie) par des micropointes de tungstène 8',
- la cathode 4' est transparente, par exemple une couche d'oxyde conducteur,
- la plaque 6' est dans l'espace interne, de dimension inférieure à la deuxième paroi, le scellement est entre les deux parois 1, 2,
- la plaque 6' est solidaire de la deuxième paroi 2 par une fritte de scellement type fritte de verre 40, présente en périphérie, - l'espacement entre les ouvertures 63 est au moins double de la largeur des ouvertures 63 (le dessin n'étant pas à l'échelle). Par le choix de l'espacement des ouvertures, du matériau de cathode 4 et de scellement périphérique, cette lampe produit un éclairage davantage bi directionnel (donc des deux cotés de la lampe), et qui peut rester différencié (comme symbolisé par la largeur distinctes des flèches).
Les exemples qui viennent d'être décrits ne limitent nullement l'invention.
Toutes les dissymétries et variantes d'assemblage sont possibles tant pour les ouvertures (borgnes ou débouchantes, de toute forme possible), que pour les électrodes (choix du matériau, de la forme), ou encore du scellement ou du mode de liaison éventuel entre plaque et deuxième paroi.
Les zones lumineuses peuvent aussi former un réseau des motifs géométriques (lignes, plots, ronds, carrés ou toute autre forme) et les espacements entre motifs et/ou les tailles de motifs peuvent être variables.
En variante, on réalise des lampes UV avec choisissant un catholuminescent et une première paroi (voire une deuxième paroi) en des matériaux adaptés.

Claims

REVENDICATIONS
1. Lampe plane à émission par effet de champ transmettant un rayonnement dans le visible et/ou l'ultraviolet (100 à 400) comportant : - des première et deuxième parois diélectriques (1, 2, 2') planes en regard et avec des surfaces principales maintenues parallèles et espacées, la lampe étant scellée en périphérie (9), délimitant ainsi un espace interne (10) sous vide,
- une première électrode (3), dite anode, s'étendant dans un plan parallèle aux surfaces principales et associée à la première paroi (1), l'ensemble première paroi et anode étant transparent ou globalement transparent dans le visible et/ou l'UV,
- un matériau luminophore émetteur de rayonnement visible (5) et/ou ultraviolet (UV) par bombardement d'électrons, le matériau étant sur la face interne (11) de la première paroi et étant plus proche de l'espace interne que l'anode,
- une deuxième électrode (4), dite cathode, s'étendant dans un plan parallèle aux surfaces principales, un matériau émetteur desdits électrons (8, 8',8") ayant un facteur de forme supérieur à 10, le matériau étant sur la cathode, un élément accélérateur des électrons intercalé entre les première et deuxième parois, espacé de la première paroi, s'étendant dans un plan sensiblement parallèle aux surfaces principales et avec une pluralité d'ouvertures laissant passer lesdits électrons, caractérisée en ce que ledit élément accélérateur des électrons comporte une plaque diélectrique essentiellement minérale (6,6',2') et trouée et/ou une couche diélectrique discontinue à base d'émail (6"), les ouvertures étant débouchantes (63, 63', 23') sur au moins la face principale dite libre (61) de la plaque en regard de la face interne (11) de la première paroi, et en ce que, pour ledit bombardement des électrons, ladite plaque trouée (6) ou ladite couche discontinue à base d'émail (6") est porteuse sur sa face libre (61) d'une troisième électrode (7), formant électrode accélératrice, ou encore la plaque trouée (6', 2') ou la couche discontinue à base d'émail (6") a une surface polée (60), créant ainsi un champ électrique rémanent (70, 70', 70") accélérateur des électrons, et en ce que la cathode est sur la face interne (21) de la deuxième paroi (2) et/ou, lorsque les ouvertures (23') de la plaque trouée sont choisies borgnes, dans le fond des ouvertures de la plaque (2').
2. Lampe plane (100 à 400) selon la revendication 1 caractérisée en ce que la plaque (6, 6', 2') est à base d'un matériau choisi parmi une céramique, une vitrocéramique, un verre.
3. Lampe plane (100 à 400) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que les parois (1, 2, 2') sont des feuilles de verre, notamment silicosodocalcique, ou en quartz.
4. Lampe plane (100 à 300) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le scellement, de préférence par au moins un joint de scellement minéral, est réalisé entre la face libre (62) de la plaque (6, 6') et la face interne de la première paroi (21).
5. Lampe plane selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la plaque trouée est espacée de la deuxième paroi et des ouvertures sont débouchantes sur la face opposée à la face libre.
6. Lampe plane (300) l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la deuxième paroi (2') est constituée de la plaque trouée (2') avec les ouvertures borgnes (23'), de préférence débouchantes sur un bord de la deuxième paroi, et la cathode, est dans le fond des ouvertures, sous forme d'une couche électroconductrice, et alimentée électriquement (43) par ledit bord de préférence évidé (23).
7. Lampe plane (100, 200, 400) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la face (62) de la plaque opposée à la face libre (61) est solidaire de la face interne (21) de la deuxième paroi (2) par un moyen de liaison (4, 40) de préférence essentiellement minéral, notamment une fritte de verre (40), une brasure (4), une soudure, un scellement anodique.
8. Lampe plane (100, 200, 400) selon la revendication précédente caractérisée en ce que des ouvertures sont débouchantes sur la face opposée (62) à la face libre (61), et la face interne (21) de la deuxième paroi comprend une couche électroconductrice externe (4) en un matériau de liaison entre la deuxième paroi et la plaque trouée, et électroconducteur pour former au moins en partie la cathode et/ou un catalyseur de croissance du matériau émetteur (8) en couche.
9. Lampe plane (100, 200, 400) selon la revendication précédente caractérisée en ce que la couche périphérique externe (4), qui est de préférence une monocouche directement sur la face interne, est en un matériau choisi parmi le nickel, le chrome, le fer, le cobalt et leurs mélanges.
10. Lampe plane (100 à 300) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le matériau émetteur (8) est à base de carbone, notamment sous forme de nanotubes.
11. Lampe plane (400) selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que le matériau émetteur comporte des pointes métalliques (8'), notamment de tungstène, à l'échelle micronique, voire submicronique.
12. Lampe plane (200') selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que le matériau émetteur est à base de nanofils d'oxyde de zinc (8").
13. Lampe plane (100) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'électrode accélératrice (7) sur la plaque trouée comprend une couche électroconductrice, notamment métallique, et de préférence est sur une sous couche notamment une couche à base de silice ou de nitrure de silicium.
14. Lampe plane (300) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la plaque (2'), éventuellement polée, est revêtue d'une couche à base de silice polée (60) ou d'émail polé.
15. Lampe plane (100 à 300) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la cathode (4) comprend une couche électroconductrice métallique (4) formant catalyseur de croissance du matériau émetteur (8) en couche, notamment en un matériau choisi parmi le nickel, le chrome, le fer, le cobalt et leurs mélanges.
16. Lampe plane (100 à 400) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'anode (3) est sur la face interne (11) de la première paroi sous forme d'une couche électroconductrice transparente ou d'une couche métallique discontinue, notamment arrangée en grille, et de préférence l'anode est sur une sous couche barrière notamment une couche de silice ou de nitrure de silicium.
17. Lampe plane (100 à 400) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'anode (3) est alimentée à un potentiel continu positif (Vl), la cathode (4) est mise à la masse (V2), et en ce qu'elle comprend éventuellement un élément de protection électrique (3') associée à la face externe (12) de la première paroi qui est soit une couche électroconductrice transparente et mise à la masse (V4) soit un diélectrique transparent.
18. Lampe plane (400) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que du coté de la deuxième paroi, la transmission globale dans le visible et/ou l'UV est supérieure ou égale à 50%, et la surface de zone(s) émettrice(s) étant de préférence inférieure ou égale à 50% de la surface interne de la lampe.
19. Lampe plane (100 à 400) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la lampe émettant dans le visible forme un élément décoratif ou architectural, un élément à fonction d'affichage, tels que des luminaires notamment plans, des parois lumineuses notamment suspendues, des dalles lumineuses, un rétroéclairage d'écrans d'affichage.
20. Lampe plane (100 à 400) selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la lampe émettant dans le visible forme une partie de fenêtre éclairante de bâtiment ou de fenêtre éclairante de moyens de locomotion terrestres, aériens ou maritimes un toit éclairant de moyens de locomotion, une cloison interne entre des pièces ou entre deux compartiments de moyens de locomotion terrestres, aériens ou maritimes, une vitrine, un élément de mobilier urbain, une façade de meuble, une tablette de réfrigérateur, ou en ce que la lampe UV sert pour l'esthétique, comme lampe à bronzer, le biomédical, l'électronique ou pour l'alimentaire, pour la décontamination d'eau du robinet, d'eau potable de piscine, d'air, le séchage UV, la polymérisation.
21. Utilisation d'une plaque trouée (2', 6') ou d'une couche d'émail discontinue (6") avec une surface polée, notamment choisie parmi une plaque de verre polée (2', 6'), une couche d'émail polé (6"), une plaque diélectrique avec une couche à base de silice polée (60) ou avec une couche d'émail polé, comme élément accélérateur des électrons dans une lampe plane à émission par effet de champ (200 à 400).
22. Procédé de fabrication de la lampe (100, 200, 400) selon l'une des revendications 1 à 20 comportant la liaison de la deuxième paroi (2) et de la plaque trouée (6, 6') qui a des ouvertures débouchantes sur la face opposée (61) à la face libre (62), par un matériau de liaison formant au moins en partie un catalyseur du matériau émetteur en couche et/ou la cathode.
23. Procédé de fabrication de la lampe (100, 200, 400) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le matériau de liaison est déposé sur la face interne de la deuxième paroi et sur ladite face opposée de la plaque.
24. Procédé de fabrication de la lampe (100, 200, 400) selon l'une des revendications 22 à 23 caractérisé en ce que l'on réalise le dépôt du matériau émetteur d'électrons (8) sur la face interne de la deuxième paroi au travers des ouvertures débouchantes sur la face opposée à la face libre de la plaque.
25. Procédé de fabrication de la lampe (200') selon l'une des revendications 1 à 20 caractérisé en ce qu'il comporte successivement : - le dépôt sur la cathode sur la face interne de la deuxième paroi, de manière discontinue, d'une couche à base de fritte de verre polable, notamment par jet d'encre ou sérigraphie,
- la cuisson pour former la couche d'émail (6"),
- une étape de poling de la couche d'émail (6").
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