CN1167926A - 等离子体寻址液晶显示装置的电极结构 - Google Patents

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Abstract

等离子体寻址液晶显示系统(10)包括改进的电极结构(90、100、130)，它们非均匀地平行于它们的表面，也可以非均匀地垂直于其主表面。非均匀区包括表面非均匀区(92、94)，体非均匀块(108、110、112、114)和几何非均匀区(132、134)。由于减小了一个等离子体通道区域中与另一区域相比的着火电压，减少了溅射损伤，降低了电极之间的总电流，缩短了放电起始时间和电离气体的衰退时间，因此有非均匀电极的PALC显示器具有改善的质量。

Description

等离子体寻址液晶显示装置的电极结构
本发明涉及电子图像显示装置，特别涉及等离子体寻址显示器的电极结构。
使用数据存储单元的系统例如包括摄像机和图像显示器。这种系统使用将数据供给存储单元和从存储单元检索数据的寻址结构。本发明一实施例特别涉及的这种系统中的一种是具有存储光图形数据的存储或显示单元的通用平板显示器。基于平板形的显示系统相对于含较重、较大和高电压的阴极射线管的系统更有优势。
平板显示器包括分布于显示面的整个观看区域的许多显示单元或“像素”。液晶平板显示器中，由加在像素两端的电位梯度大小决定各像素的光学性能。一般希望在这种器件中能够建立各自独立的像素电位梯度。为实现该目的已提出了多种方案。现有的有源矩阵液晶阵列中，通常用薄膜晶体管作各像素。一般在将从列驱动线接收值的那点，由行驱动线选通“开启”该晶体管。该值被储存直到相邻的行驱动线选通。在像素两侧上的透明电极加给像素两端相应于存储值的电位梯度，它决定其它光学性能。
美国专利4896149披露了称为等离子体可寻址液晶(PALC)显示器的另一种有源矩阵液晶阵列的结构和运作。该技术避免使用麻烦又受限制的薄膜晶体管作各像素。液晶单元的各像素设置于薄的密封介质阻挡层和传导表面之间。在该薄阻挡层的相对侧上存储惰性气体，用施加于气体体积上的足够的电位梯度使惰性气体从非电离的、非导电状态选择性地转换为电离的导电的等离子体状态。
当气体处于导电状态时，实际上设置薄阻挡层的表面为地电位。这种情况下，跨在像素和薄介质阻挡层两端的电位永远与加在传导表面上的电压相等。去除加在气体体积上的电压之后，可电离的气体恢复到非导电状态。通过液晶材料和介质阻挡层的固有电容储存引入跨在像素上的电位梯度。由于薄阻挡层电压将在低于传导表面电压-接地时引入的差值之下浮动，因此无论传导表面的电压值如何，该电位梯度保持不变。
从较大范围来看，PALC显示器包括形成于绝缘板中的一组通道，在与形成通道的肋条顶部接触的顶部平板下包含惰性气体，并且用绝缘板绕周围密封。平行电极沿各通道长度在其相对侧上延伸。在操作时，在相对电极之间引入较大电位梯度，使气体电离，从而变成传导的等离子体。当显示器工作时，每秒钟多次发生该操作。
PALC显示器的合适运作与可制造性，很大程度上取决于电极的电性能和物理性能。例如，为避免气体电离期间沿电极长度的电位不同，每单位长度的电极上的电阻最好不大于2Ω/cm(5Ω/英寸)。为实现具有适于电极的微小横截面、每单位长度如此小的电阻值，使用如金、银、铜和铝等高导电性金属。
可是，这样的金属易出现氧化和缩短寿命的溅射问题。为减少制作成本和防止溅射等问题通常使用敷有防氧化和溅射的一种或多种涂层的铜电极。也可用其它涂层来限制放电电流，使放电电流均匀分布、改善电极发射，降低电离电压、缩短放电起始时间和缩短电离气体的衰退时间。
涂层均匀地敷在整个电极或多个电极上，因此，并不解决局限于电极特殊部分、例如端、中心或边缘的可制造性或工作问题。并且，由于如此多的涂层，制造成本和制作问题增加，并存在某些涂层相互作用或降低其它涂层的效力的情况。
因此，需要的是这种电极结构，即易于制造、有单位长度的低电阻、能解决各种相关电极制造和工作问题，这些问题中的许多可局限于电极的特定部分。
本发明的目的在于提供一种电极结构，它能解决与电极相关的大量操作问题、局限于电极特定部分的特殊问题。
本发明的另一目的在于提供在PALC显示器中这样的电极结构。
本发明的再一目的是提供制造这种电极结构的方法。
本发明的优选实施例提供PALC显示器电极结构，它们非均匀地平行于其表面，也可以非均匀地垂直于其主表面。非均匀区包括表面非均匀区、体非均匀块和几何非均匀区。有这种非均匀区的电极提供优选和非优选表面的局部区域和电极的体性能，反过去，它们提供改善的和局部设定的等离子体放电特性。由于减小了一个等离子体通道区域中与另一区域相比的着火电压，减少了溅射损伤、降低等离子体放电的总电流，缩短了放电起始时间和电离气体的衰退时间，因而有非均匀电极的PALC显示器改善了质量。
根据参照附图对本发明优选实施例的详细描述，将明了本发明的其它目的和优点。
图1是表示现有技术的显示板和等离子体寻址结构的相关电路的正视图，本发明将应用于其中。
图2是表示从图1中左侧所视的构成现有技术的显示板的结构部分的层的分解放大等比例图。
图3是表示图2中现有技术显示板的内部不同深度的部分剖切的分解放大正视图。
图4是图2之显示板局部的放大斜视图，示出现有技术等离子体通道和其电极结构的细节。
图5是如图2所示那样的显示板的局部放大斜视图，用于表示本发明具有非均匀表面涂层的电极结构和等离子体通道的详细情况。
图6是如图2所示那样的显示板的局部放大斜视图，用于表示本发明具有非均匀体和表面性能的电极结构和等离子体通道的细节。
图7是如图2所示那样的显示板的局部放大斜视图，用于表示本发明具有非均匀几何形状的电极结构和等离子体通道的细节。
图1～3示出现有技术的平板显示系统10，它包括带显示面14的显示板12，显示面14包括由沿垂直和水平方向相互相距预定间隔的标称相同的数据存储或显示单元(“像素”)16的矩形平面阵列构成的图形。阵列中的各单元或像素16指薄而窄的垂直取向的电极18与窄细长的水平取向的等离子体通道20的重叠交叉部分(以下称电极18为“列电极18”)。在等离子体通道中的惰性气体被充分电离时，同时设置所有特定等离子体通道20的全部像素16。此时，每个像素被设置到列电极与地之间的电位梯度。
列电极18和等离子体通道20的宽度决定了矩形的像素16的尺寸。列电极18设置于第一非导电的光学透明衬底的主表面上，等离子体通道20刻录于第二非导电的光学透明衬底的主表面上。技术人员应理解，如直观式或投影型的反射式显示器的某些系统仅要求其中之一衬底是光学透明的。
列电极18接收由数据驱动器或驱动电路24的不同的各个输出放大器22(见图2和3)在平行输出导体22′上产生出的模拟电压型数字驱动信号，而等离子体通道20接收从选通电路28的输出由不同的各个输出放大器26(参见图2、3)在输出导体26′上产生出的电压脉冲型数据选通信号。各等离子体通道20包括一参考电极或阳电极30(见图2，3)，其上加有对各等离子体通道20共同的参考电压和数据选通28。
为在整个显示面14上合成图像，显示系统10使用协调数据驱动器24和数据选通电路28的功能的扫描控制电路32，使显示板12的像素16的所有列以行扫描方式逐行寻址。显示板12可使用不同类型的电光材料。例如，若使用能改变入射光33的极化状态的材料(见图2)，将显示板12置于一对光极化滤波器34和36之间(图2)，则该光极化滤波器与显示板12共同作用，改变通过它们传导的光亮度。但是，用溅射液晶单元作电光材料就不需要使用光极化滤波器34和36。可在显示板12内设置彩色滤波器(未示出)，以开发出可控制颜色强度的多色彩图像。对于投影显示，用三个各控制一种原色的分离的单色板10，也可实现彩色。
特别参照图2和3，显示板12包括寻址结构，寻址结构包括被如向列型液晶等电光材料层44和如玻璃、云母或塑料等介质材料薄层46分隔的一对普通的平行电极结构40和42。电极结构40包括玻璃介质衬底48，在该衬底48内表面50上附着有光学透明的氧化铟锡的列电极18，于是形成条形图形。相邻的列电极18之间相隔间距52，间距52规定在一行中相邻像素16之间的水平间隔。
电极结构42包括玻璃介质衬底54，在该衬底54的顶表面56上刻有带整体侧壁的梯形横截面的并列等离子体通道20。等离子体通道20的深度58从顶表面56至底部60进行测量。各等离子体通道20包括薄而窄形的阴极62和阳极30。这些电极的每一个都沿底部60和成对的内侧壁64中之一的长度延伸，成对侧壁64沿离开底部60向顶表面56的方向分开。
等离子体通道20的阳极30接在可固定在所示地电位的公共参考电位上。等离子体通道20的各阴极62与数据选通电路28的输出放大器26(图2和3分别示出其中的三个和五个)不同的放大器相连。为了确保寻址结构的适当工作，阳极30和阴极62最好分别与显示板10的相对边缘上的参考电位和数据选通电路28的放大的输出26′相连。
相邻等离子体通道20之间的内侧壁确立了多个支撑结构66，其顶表面56支撑介质材料薄层46。相邻等离子体通道20相隔一各支撑结构66顶部的宽度68，该宽度68限定一列中的相邻像素16之间的垂直间隔。列电极18与等离子体通道20的重叠区域70限定像素16的尺寸，图2和3中用虚线示出。图3更清楚地示出像素16的阵列和像素16之间的水平和垂直间隔。
加在列电极18上的电压大小决定了为保持相邻列电极绝缘的间距52。间距52通常大大低于列电极18的宽度。相邻等离子体通道20之间的内侧壁64的倾斜度决定了宽度68，该宽度68通常大大低于等离子体通道20的宽度。列电极18和等离子体通道20的宽度一般相同，并且为显示应用所决定的预定图像分辨率的函数。希望间距52和宽度68尽可能小。显示板12中，通道深度58约为通道宽度的一半。
各等离子体通道20中填有可电离的气体混合物，一般为惰性气体混合物。介质材料薄层46用作等离子体通道20中所含的可电离气体混合物与液晶材料层44之间的隔离。但是，没有介质薄层46，会使液晶材料流入等离子体通道20或者可电离气体混合物使液晶材料玷污。使用固态或封装电光材料的显示器中可取消薄层46。
图4更详细地示出形成于玻璃衬底54中的现有技术的等离子体通道20。用公知的玻璃腐蚀和薄膜叠加淀积法，例如溅射、蒸镀、阳离子电泳淀积或电泳、和丝网印刷，都可用或不用构图掩模，典型地形成电极30和62。当然，也可使用减法工艺处理，例如敷导电层、使抗蚀层光致构图、腐蚀或喷砂去除，只留下预定图形的导电层。重复所用的制造工艺方法，产生多层电极结构，例如图4中所示的两层电极。例如，可由导电层80和发射层82形成电极30。
例如电极30和62的现有电极结构沿三个正交的方向X、Y和Z中的至少一个方向是有尺度和结构相同的，其中X方向限定为与电极表面平行并与电极长度一致，Y方向限定为与电极表面平行并垂直于其长度，Z方向限定为电极表面的法线。例如，虽然沿Z方向可改变电极30的组成(层80和82不同地组成)，但一般电极沿X和Y方向的组成相同，沿Z和Y方向尺度相同。技术人员会理解，在弯曲电极的情况下，限定的X、Y和Z方向局限于弯曲电极的较小区域。
对如平板显示系统10(图1～3)等PALC显示器质量的改进取决于对等离子体通道20中电离的气体放电的诸多特性的改善。这种改善的特性包括等离子体通道20的一个区域中的着火电压相对于另一区域被减小，以及减少阴极电极的溅射损害，降低总的放电电流，缩短放电起始时间和电离气体衰退时间。
为改善电离气体放电的这些特性，本发明使用在X、Y和Z方向中的至少一个方向上为非均匀的电极结构。这种非均匀电极提供电极的优选和非优选表面和体质量的局部区域，这些区域将改善等离子体放电特性。非均匀区被分为包括表面非均匀区、体非均匀区和几何非均匀区的一般种类。
图5示出按照本发明的第一种类的等离子体通道20，它具有非均匀表面涂层92和94的改进电极结构90。表面非均匀性可包括在X或Y方向的电极结构90的涂层分割，例如它们具有不同的增加或减小的二次发射系数、功函数和/或电阻率。该例中，表面涂层92横过电极结构90的整个Y方向延伸，而表面涂层94仅横过电极结构90的部分距离Y延伸。因此，表面涂层92在X方向被分割，而表面涂层94在X和Y方向被分割。
例如，非均匀表面涂层92和94可包括如氧化锰(MgO)等的高二次发射表面，如二氧化硅(SiO2)等的绝缘表面，如负电子亲和金刚石膜的场致发射表面。表面非均匀区不必是等尺度周期循环的，而可以是沿X和Y方向任意分布的，例如对掺杂金刚石膜来说，并不控制掺杂物的浓度。
图6示出具有三层102、104和106的改进电极结构100的等离子体通道20，其中层104包括按本发明第二种类的体非均匀块108、110、112和114。体非均匀性可包括在不同区域用不同组分制造的电极层，从而使电极结构90的体性能而不仅仅是其表面性能除X和Y方向以外还在Z方向上改变。体非均匀块108可以为在发射表面涂层116正下方对齐的层104中的电阻、绝缘、或热传导区。另一方向，体非均匀块110不与任何特定的表面涂层对齐。
图6还示出了在表面非均匀区118正下方与X方向对齐但组与Y方向未对齐的体非均匀块112。示出的体非均匀块114在沿Y方向被分割的一对表面非均匀区120A和120B的下方并与X方向对齐。正如表面非均匀区，体非均匀块可以周期地或任意分布于所有任意层的任何组合中，构成改进的电极结构100。
图7示出具有按本发明第三种类的具有如隆起132和凸出部分134等几何非均匀区的改进电极结构130的等离子体通道20。改进的电极结构130包括层136和138。层138还包括上表面140和间隔142。几何非均匀区包括加在电极上沿任何X、Y和Z方向的选定区域上的几何形体和空隙。例举的几何非均匀区包括电极上表面140上的隆起132或其它上升表面；在改进的电极结构130与相邻电极结构144之间沿Y方向的距离变化；从电极边缘的凸出部分134；或电极中的间隙(例如：142)。几何非均匀区用于使电位梯度具有某种形状与轮廓，电位梯度又反过来影响局部电离电压和电流。这种几何非均匀区可周期或任意地分布于改进的电极结构130的体积上。
用公知的玻璃腐蚀和薄膜叠加淀积法，例如溅射、蒸镀、电泳或阳离子电泳淀积。用或不使用构图掩模，可形成图5～7的改进电极结构90、100和130。另外，也可用减法工艺处理，例如敷导电层、对抗蚀剂层光致构图，腐蚀或喷砂去除，但留下导电层的预定图形。重复该处理工艺，制备如图5～7中所示的等多层电极结构。
上述玻璃腐蚀和薄膜淀积法仅代表制造等离子体寻址结构的一组制造工艺方法。也可使用其它的许多制造方法，例如厚膜，丝网印刷和以上工艺方法的组合。美国专利5453660描述了适用于用这种工艺方法进行制备的PALC显示器电极结构的实施例，该专利公布于1995.9.26，题目为：Bi-channel electrode configuration for an addressing structureusing an ionizable gaseous medium and metbod of operaring it，已转让给本申请的受让人，这里引作参考。这种实施例中，用丝网印刷金属导体于平坦的衬底上，从而典型地形成电极。在金属导体的顶上淀积或丝网印刷如分布母线和发射层等的附加层。当然，弯曲的表面和电极形状也可适用于这个发明。
技术人员应意识到，本发明的部分可用与上述优选实施例的改进不同地进行。例如，可对阴极、阳极或同时对两个电极周期或任意分布表面、体和几何非均匀区的任何组合。这种非均匀区的组合使电极能够例如在低着火电压下点燃，减小源自电极的电流和减少电极的溅射。与这种非均匀区相关的设计自由提供了独立调整连续或可间断的等离子体放电的着火电压和其它电性能，从而改善显示的均匀性、质量、功耗和寿命。由于在一等离子体通道区中相对于另一等离子体通道区的着火电压被减小，并减少了溅射损伤，减小了总的等离子体放电电流、缩短了放电起始时间和电离的气体衰退时间，因而有改进电极结构90、100和130的PALC显示器具有改善的质量。
以上大体说明的本发明可用于其它等离子体寻址装置中，例如摄像机、大采样(megasamnle)模拟存储器、使用电光效应而不是液晶的显示器以及交流和直流等离子体显示装置。
显然，本领域的技术人员可对本发明上述实施例的细节进行大量的改变，而不会脱离本发明的基本原理。因此，可以理解，本发明也适用于不同于PALC显示器中所述的电极结构。本发明的范围因而仅由其权利要求书限定。

Claims (20)

1、对数据单元寻址的装置中，寻址结构包括可电离的气体介质，存储数据信号的数据单元，以及沿相互正交的X、Y和Z方向延伸、各有一定尺度的至少第一和第二电极结构，其中，第一与第二电极结构之间的电位差使可电离的气体介质电离，在数据单元与第一和第二电极结构中的至少一个之间提供可间断的电连接，从而对数据单元寻址，改进的电极结构包括：
第一和第二电极结构中的至少一个具有表面非均匀区、体非均匀块和几何非均匀区中的至少一种；
表面非均匀区沿X和Y方向在第一和第二电极结构中的至少一个的主表面区域上延伸；
体非均匀块沿X、Y和Z方向在第一和第二电极结构中的至少一个的体积区域内延伸；
几何非均匀区在第一和第二电极结构的至少一个的X、Y和Z尺寸中的至少一个上显著变化。
2、如权利要求1的装置，其特征在于，寻址结构被用于等离子体寻址液晶显示器中。
3、如权利要求1的装置，其特征在于，第一和第二电极结构实质上在X方向被拉长并相互平行。
4、如权利要求1的装置，其特征在于，表面非均匀区为表面涂层，具有与第一和第二电极结构中的至少一个的主表面不同改变的二次发射系数、功函数、电阻率中的至少一项特征。
5、如权利要求1的装置，其特征在于，表面非均匀区为二次发射涂层、绝缘涂层和场致发射涂层中的至少一种。
6、如权利要求5的装置，其特征在于，表面非均匀区包括氧化锰涂层、二氧化硅涂层、负电子亲和金刚石膜和掺杂金刚石膜中的至少一个。
7、如权利要求6的装置，其特征在于，掺杂金刚石膜的掺杂物浓度未被控制。
8、如权利要求1的装置，其特征在于，在第一和第二电极结构中的至少一个的主表面上周期地分布多个表面非均匀区。
9、如权利要求1的装置，其特征在于，在第一和第二电极结构中的至少一个的主表面上任意分布多个表面非均匀区。
10、如权利要求1的装置，其特征在于，体非均匀块为电阻区、绝缘区和热传导区中的至少一个。
11、如权利要求1的装置，其特征在于，电极结构至少包括第一和第二层，表面非均匀区在第一层上，体非均匀块在第二层中并在X和Y方向的至少一个方向上与表面非均匀区对齐。
12、如权利要求1的装置，其特征在于，电极结构至少包括第一和第二层，表面非均匀区在第一层上的Y方向被分割，体非均匀块在第二层中并沿X方向与被分割的表面非均匀区基本对齐。
13、如权利要求1的装置，其特征在于，在第一和第二电极结构中的至少一个的体积内周期地分布多个体非均匀块。
14、如权利要求1的装置，其特征在于，在第一和第二电极结构中的至少一个的体积内任意地分布多个体非均匀块。
15、如权利要求1的装置，其特征在于，几何非均匀区为在第一和第二电极结构中的至少一个的主表面上的隆起、上升表面和间隙中的至少一种。
16、如权利要求1的装置，其特征在于，几何非均匀区为从第一和第二电极结构中的至少一个的边缘沿Y方向的凸出部分。
17、如权利要求1的装置，其特征在于，几何非均匀区在第一和第二电极结构之间沿Y方向提供显著的距离变化。
18、如权利要求1的装置，其特征在于，几何非均匀区在第一和第二电极结构之间沿Y方向提供周期的距离变化。
19、如权利要求1的装置，其特征在于，在整个第一和第二电极结构中的至少一个上周期地分布多个几何非均匀区。
20、如权利要求1的装置，其特征在于，在整个第一和第二电极结构中的至少一个上任意分布多个几何非均匀区。
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