CN1682337A

CN1682337A - 具有高分辨率的真空显示设备

Info

Publication number: CN1682337A
Application number: CNA038213850A
Authority: CN
Inventors: D·M·达门
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2002-09-10
Filing date: 2003-09-01
Publication date: 2005-10-12
Also published as: KR20050050653A; WO2004025685A1; JP2005538524A; EP1540690A1; US20060163994A1; TW200423181A; AU2003256020A1

Abstract

一种具有显示屏(130)的显示设备，该显示屏(130)包含用于显示图像信息的像元(135)的第一阵列，和用于发射电子的阴极装置(120)。该像元(135)被组合在子阵列(132)中。发射出的电子被电子集中器(115)收集，该电子集中器将该电子分配到均匀的电子束(EB)中。像元(135)的每个子阵列(132)有一个单独的电子集中器(115)，并且该显示设备具有用于使离开电子集中器(115)的该电子束(EB)偏转到有关子阵列(132)的任一像元(135)的选择装置(140)。因此，所显示的图像可以具有相对较高的分辨率。在一个优选实施例中，该图像的亮度特别高并且所显示的图像上的亮度均匀性中的变化被减少。

Description

具有高分辨率的真空显示设备

本发明涉及一种显示设备，包括：

-用于显示图像信息的显示屏，所述显示屏包括图像单元的第一阵列；

-用于发射电子的阴极装置和

-用于收集电子的多个电子集中器，电子集中器具有一个用于释放打在该显示屏的图像单元上的电子束的出口孔径。

例如，在未公开的欧洲专利申请01204297.7中描述了这样的显示设备的实施例。

在前述显示设备中，该显示屏包含多行和多列布置的多个图像单元(像素)。每个像素对应于一个电子束引导腔，该引导腔将由阴极装置发射的电子集中并重新分布为电子束。因此，在操作中，每个像素接收独立的电子束。该显示设备包含寻址装置，用于选择每个像素，并根据提供给该显示设备的图像信息调制打到该像素上的电子束的射束电流。像素通常通过行电极和列电极选定，分别为行电极和列电极提供行选择电压和列选择电压。

从相对较大阴极区域发射出的电子被集中为一个电子束。因此，电子束射束电流不会受到在阴极装置区域上的电子发射属性的变化的相对影响。打到显示屏上的电子束特别是均匀的。

如果该阴极装置包含场致发射器，这一优点就尤其相关，该场致发射器通常在发射器区域上表现出发射属性的显著非均匀性。此处，该电子束的射束电流是与电子集中器对应的整个阴极装置区域上的场致发射器的总的发射电流。因此，不同电子束射束电流/驱动电压的特征特别相似，并且该显示屏的不同像素之间的亮度均匀性也特别高。

由于为显示屏提供了相对较高的阳极电压，例如5伏，电子束向着该显示屏被加速。该像素包含受到加速电子束碰撞后会发光的发光材料。通过根据提供给显示设备的图像信息寻址像素，所述图像信息可以在显示屏上显示为发光图像。

前述显示设备的问题是所显示的图像很难达到高分辨率，同时保持好的图像质量。

例如，该显示设备不适用于作为具有21英寸显示屏对角线和XGA分辨率(1280×1024像元)或UXGA分辨率(1600×1200像元)的计算机监视器。特别是不适用于彩色监视器，其中一个彩色像素包括(例如)三个基色子像素。

因此，本发明的一个目的是提供一种开篇中所述的显示设备，该显示设备能够显示具有相对较高分辨率和良好质量的图像。

根据本发明，该目的是通过独立权利要求1中所指定的显示设备来实现。进一步的优选实施例被定义在从属权利要求2-11中。

因此，根据本发明的显示设备的特征在于，第一阵列包含预定个数的子阵列，一个子阵列包含至少两个像元，单个电子集中器与单个子阵列关联，因此电子集中器的个数与子阵列的个数相匹配，并且该显示设备包含用于使该电子束偏转到该子阵列中的像元之一的选择装置。

本发明是基于可达到的图像分辨率(除了其它方面外)由相邻电子集中器之间的最小距离确定这一认识。

通常，该电子集中器形成于基板上，例如面板。电子集中器的正确工作需要该电子集中器的直径至少为200微米，并且更优选地是至少300微米。

如果该电子集中器的直径较小，它就不能收集足够大量的电子，因此从该电子集中器发射出的电子束相对比较弱。而且，该电子集中器的集中功能因此不足，并且该电子束相对不均匀。这些影响降低了所显示图像的亮度，并且单个像素内和不同像素间的亮度变化也很明显。

例如在21英寸对角线彩色UXGA监视器中，要在大约425毫米的水平宽度内提供4800个彩色子像素。这需要在相邻图像单元间具有大约90微米的距离。在这种情况下，相邻电子集中器也应该相距90毫米，该距离明显小于电子集中器正常工作状态所需的最小直径。

通过应用本发明，像元被布置为子阵列，而电子集中器对应于像素子阵列。从该电子集中器中发出的电子束被选择装置偏转，并且因此可打在与该电子集中器对应的子阵列中的任意图像单元上。

相邻电子集中器的距离与相邻像素之间距离的比不再需要是1∶1。现在电子集中器可以布置得更远些，而相邻像素保持相对较小的距离。因此，可以保证电子集中器的正当运行，同时按要求提高图像分辨率。现在所显示的图像既有相对高的分辨率又有相对好的质量。

在上述示例中，一个子阵列包含对应于红、绿和蓝基色磷光的三个彩色子像素。随后从电子集中器发射出的电子束被偏转到红、绿和蓝磷光子像素，因此人眼可以感觉到彩色像元。在这一示例中，相邻电子集中器之间的距离可以等于3×90＝270微米，这是个足够高的值。

当应用本发明时，一个进一步的优点是减少了访问显示设备的像素所需的电压个数。例如，现在子阵列按行和列排列，而不是单独的像素。因此，所需行和列选择电压个数由子阵列的个数确定，而不是由像素个数确定。仅需要少数偏转电压使电子束偏转到子阵列中的任一像素上。这些偏转电压优选同时提供给每一选择装置。

在上述涉及彩色显示设备的示例中，列的个数被因子三约简，因为现在一列包含三个不同颜色的像素。因此，列选择电压的数量也被因子三约简。电子束在一个方向上被偏转到彩色像素，该偏转最多可以由两个偏转电压实现。在UXGA彩色显示器中，寻址电压的数量从6000(＝1600×3+1200)减少到2802(1600+1200+2)。由于一个子阵列包含更多像元，这一优点甚至更大。

优选地，该电子集中器包含该选择装置。

这是一个实施本发明的特别有效的方式。这样，该电子束可以在其离开该电子集中器时被偏转。那时电子仍具有相对较低的速度，并且随后电子受到偏转场的更强作用。该偏转场的强度可以相对较低，但是获得了足够量的偏转。

优选地，该电子集中器包含电子束引导腔，该电子束引导腔由二次发射材料提供并具有比出口孔隙更大的入口，从而在靠近所述出口孔隙布置一个hop电极，使得能够将电子跳跃传输到所述孔隙。

这是电子集中器的一个特别有效的实施例。基于电子跳跃传输的电子束引导本身可以参见美国专利第5270611号。

电子的跳跃传输是基于二次发射过程。在操作中，hop电极接收到hop电压，从而在该腔中的电子被加速到达出口孔隙。该腔的内表面包含具有二次发射功能的绝缘材料。当电子打在内表面上时，该电子被吸收并且释放出二次电子并被加速到出口孔隙。对于每个进入到该腔中的所发射的电子，平均从出口孔隙发射出一个电子。因此，平均来说，离开该腔的电子数与进入该腔的电子数一样多，并且该电子束被引导通过该腔。

该腔从相对较大的入口收集电子，并且集中并重新将其分布为通过相对小的出口孔隙发射出的电子束。

该入口和出口孔隙的表面面积之比为(例如)5∶1，但是可以具有10∶1的值或更大，例如20∶1、50∶1或100∶1。现在电子集中器优选与一片像元的小片(tile)关联，例如2×2或3×3的像元。在这一实施例中该入口相对较大，并且因此电子被从阴极装置的相对较大的部分吸收。因此，从电子集中器中发射出的电子束的射束电流可以特别高。同时，该电子束特别均匀，因此所显示的图像表现出相对较少的强度变化。

在一个优选实施例中，该选择装置因此包含一个基本布置在hop电极外面的外电极，所述外电极具有在该出口孔隙的相对两侧的至少两段，在这两段之间施加偏转电压用于使电子束发生偏转。

平均来说，外电极的两段处于比hop电压更低的电压。因此，形成限制发射电子束的电子透镜。由于该偏转电压，在外电极两段之间形成电场，该电场横向作用于发射电子束上。因此，所述电子束可以偏转到与电子集中器有关的子阵列中的像元。

在一个优选实施例中，一个子阵列包含偶数个像元，该子阵列的中心对准电子束引导腔的主轴。在这一布置中，从该腔中发射出的未偏转的电子束到达该子阵列的中心。通常，到达位置就位于像素之间，其中优选提供一个黑矩阵材料。在实施中，电子束总是打在像素上，从而在这一实施例中显示设备的寻址总是需要选择装置的电子束偏转。

该显示设备运行在真空条件下，然而实际上甚至在排空后，显示设备中总是存在残余气体。在出口孔隙和显示屏之间，波束中的电子可能与残余气体原子发生碰撞，从而这些残余气体原子被电离。因此，形成被阳极电压排斥的正离子并被加速到电子集中器中。

在这一实施例中，电子束被外电极上两段之间的电压差偏转。然而，当正离子到达出口孔隙时，它们已经具有了相对较高的速度。因此，这些离子几乎不被该电压差偏转，并且通常与提供了电子束引导腔的基板发生碰撞。结果，减少了通过出口孔隙到达阴极装置的那一小部分正离子。由于正离子在阴极装置上的碰撞会在那里导致损坏，因此这是一个优点。从而在这一实施例中减少了阴极的损坏。

优选地，该阴极装置包含场致发射器。场致发射器仅需要相对较低的能量即可生成足够大量的电子。

本发明的这些和其它方面从下文所述实施例中将是显而易见的，并将根据下文所述实施例进行阐述。

在图中：

图1A是根据本发明的显示设备的第一优选实施例；

图1B更详细地示出了该第一优选实施例中的选择装置和像素的子阵列；

图2示出了适于应用在该显示设备中的阴极装置的实施例；

图3示出了该显示设备的第二优选实施例中的选择装置和像素的子阵列，并且

图4示出了在该显示设备中由偏转电子束生成的正电子。

该显示设备的第一优选实施例具有一个靠近前基板151布置的显示屏130，和一个靠近后基板布置的阴极装置120，用于形成多个电子束EB。面向观察者的前基板151可以是基本平面的，并且该显示设备可以相对较薄。整个结构的厚度可以是1分米或更少。

矩形显示屏130包含共同组成一个子阵列(下文中被称为“彩色像素”)135的像元(下文中为了清楚起见也被称为子像素)132R、G、B。虽然在图1A中所示的显示设备仅具有少量彩色像素135，但是真正的显示设备具有的彩色像素的数量大得多，例如1024×768、1280×1024或1600×1200。显示屏130处于相对较高的阳极电压，例如10KV，用于将电子束EB加速到该屏。

为每个子像素132R、G、B提供一种发光材料，例如荧光物质，当该发光材料受到电子束EB的撞击时会发光。应用不同发光材料，每一种发光材料与其中一个基色红、绿和蓝关联。从子像素132R、G、B发出的光穿过前基板151到观察者，该观察者在一定距离处观看显示设备，并感觉这三种子像素是单个彩色像素135。子像素132R、G、B的尺寸是，例如，100乘300微米。

平板状基板110被布置在显示屏130和阴极装置120之间，通常靠近后者。为基板110提供电子集中器115。优选地，电子集中器115是电子束引导腔，该电子束引导腔基本呈漏斗状，并具有用于收集从阴极装置120发射出的电子的入口116和用于释放电子束EB的出口孔隙117。在电子集中器115中，发射出的电子被重新分布并集中于电子束EB中，该电子束EB具有相对较高的射束电流和相对均匀的电子分布。这样的电子束集中器见于所引用的美国专利5270611中。

对于任一彩色像素135，基板110具有对应的电子集中器。电子集中器115的内表面118至少部分被涂上电绝缘材料，该电绝缘材料对于预定义范围的电子冲击能量具有至少为一的二次发射系数λ，从而内壁118受到电子撞击时能够发射出二次电子。这就允许发生所谓穿过电子集中器115的电子跳跃传输。该二次发射材料包括(例如)氧化镁(MgO)。基板110的厚度为(例如)400μm。

为了使电子发生跳跃传输，在电子集中器115的面向屏幕一侧有一个hop电极112。在实施中，为hop电极112施加hop电压用于在电子集中器115内建立一个电场。该hop电压优选具有恒定值，或者可选地是可变的用于控制电子束EB的射束电流。

当该hop电压等于预定的阈值hop电压时，发生电子跳跃传输。通过增大hop电压，电子束EB的射束电流也增大。最大hop电压等于阴极装置120发出峰值射束电流时所处的电压。例如，阈值hop电压处于从50到200伏之间的范围，并且最大hop电压大于该阈值电压，处于从100到600的范围内。

通常，出口孔隙117小于面向阴极装置120的入口116。优选地，入口116与出口孔隙117的表面积之比是基本大于1∶1的值，如10∶1或20∶1。例如，入口116的直径是500微米，并且出口孔隙117的直径为50微米。现在，离开电子集中器115的电子束EB具有足够高的射束电流，和特别均匀和一致的能量分布。

在基板和110和显示屏130之间，屏隔板与前述显示设备类似布置。该隔板使基板110和显示屏130保持预定的距离，例如2毫米，并且也和内部真空支撑作用相同。

利用分段外电极140提供选择装置，该分段外电极绕hop电极112同心布置。见图1B。该外电极被分成两段140a、140b，在两段之间施加电压差。该电压差在下文中被称为偏转电压。外电极140与hop电极112具有相同厚度，例如3微米。

利用该偏转电压在电子集中器115的出口孔隙117附近形成偏转电场。如果存在该偏转电场，就使得电子束EB以与电子集中器115的主轴118成一个角度离开该电子束引导腔。在第一实施例中，该选择装置仅能够在一个方向上使电子束EB发生偏转。

例如，该hop电压固定在500伏。随后电子束EB的射束电流在电子集中器115的阴极一侧被控制。外电极的140a、b段接受到固定电压Vf，并在该固定电压Vf上叠加偏转电压Vd，从而施加给140a、b段的平均电压等于Vf。例如，固定电压Vf是400伏。现在，如果偏转电压是200伏，140a段接受到300伏并且140b接受到500伏。

与不同基色红、绿和蓝有关的子像素132R、G、B可选地沿所述一个方向布置。如果偏转电压为零，在出口孔隙117附近没有偏转电场。该电子束EB保持未偏转并基本在电子集中器115的主轴118的方向上传播。该电子束EB打在绿色子像素132G上。

然而(例如)如果在外电极的140a、b段之间施加的偏转电压为+200V，电子束EB在离开出口孔隙117时被偏转，并打在蓝色子像素132B上。相应地，例如施加的偏转电压是-200V，该电子束EB就打在红色子像素132R上。

该选择装置可以通过几种方式被寻址。首先可以将偏转电压设置为一个预定值(例如+0V)并利用传统的“每次一行”像素寻址方式将整个帧写到显示屏上。因此，同一行中的所有绿色子像素同时被激活，并且在预选的一段时间后所述行被去激活，并选定下一行。

结果，绿色图像信息被首先显示。随后，该偏转电压变成(例如)+200V，并且蓝色图像信息被显示。接着，该偏转电压变成(例如)-200V，并且红色图像信息被显示。当这一寻址以足够高的速度进行时，观察者感觉到的是单个完整颜色的图像。

可选地，可以利用每次一行像素寻址方式其中在一行中的所有彩色像素135同时被激活，能够接着寻址单个彩色像元135的每个子像素132R、G、B，从而在单个帧中显示完整彩色图像信息。在预选时间段后，所述行被去激活并且选定彩色像素的下一行。

图2更详细地示出根据本发明适用于显示设备的阴极装置220的横截面。

阴极装置220包含沉积在第一表面202上的阴极222和沉积在阴极222上的场致发射器材料224。因此，该显示设备是一个场发射显示器(FED)。利用场致发射器的优点是它们相对较薄，并且能够以相对较低的驱动电压发射电子。

在电阻层226中的孔225中提供场致发射器材料224，该层被栅电极228覆盖。在该图中，所示场致发射器材料224包含微尖发射器，但是也可以利用任何其它的场致发射器材料，例如碳纳米管或发射粒子的石墨。

通过在阴极222和栅电极228之间施加电压差，场致发射器材料224可以被激发用于发射电子。该电压差可以相对较低，例如100伏的电压差足以获得具有20毫安射束电流的电子束EB。

在该显示设备的第二优选实施例中，显示屏330的一块2×2的像元332组成了一个子阵列(小片)335，如图3中所示。像元332可以包括单色的发光材料，或者它们本身可以包括几个不同颜色的子像素，从而形成一个彩色子像素。每个像元332有(例如)300乘300微米，并且相邻像元被100微米的间距分隔开，该间距用黑矩阵材料334填充。当该材料被电子束EB撞击时基本不发光。因此小片335有800×800微米。

小片335中的每个像元可以被从电子集中器315发射出的电子束EB寻址。因此该电子束EB几乎可偏转超过800微米。在这一实施例中该基板到该显示屏之间的距离被增大，例如增大到5毫米，这避免了所需偏转电压变得过高。例如，现在10KV的阳极电压会导致250V的最大偏转电压。

由于小片335在两个方向上延伸，该电子束EB也要在两个方向上被偏转。因此，分段外电极340与hop电极312同心布置。现在外电极340包括340a、b、c、d四段，每段绕hop电极312延伸超过大约90度角。如行方向上所见，在Hop电极312相对两侧布置的两段340a、b接受到第一偏转电压Vd1用于在所述行方向上偏转该电子束EB。如列方向上所见，在hop电极312相对两侧布置的另外两段340c、d，接受到第二偏转电压Vd2用于在所述列方向上偏转该电子束EB。

如果像素332是彩色像素，颜色选择电压Vc可以被重叠在第一偏转电压Vd1上或第二偏转电压Vd2上，用于寻址每个彩色像素332中的单个子像素。

可选地，该小片可以包括更多数量的像元，例如3×3或4×4。然后该电子束被偏转超过相对较大距离。为了将该偏转电压维持在一个可接受的水平，基板和显示屏之间的距离应该被进一步增大，并且/或者该阳极电压应该更大。例如，当应用4×4排列的像素时，为了将所需偏转电压限制在200V左右，该距离可被增大到8毫米并且该阳极电压被增大到20kV。

例如，该hop电压被固定处于500V。外电极的340a、b、c、d段接受到(例如)400伏的固定电压Vf，偏转电压Vd1、Vd2被叠加在该固定电压上。

可选地，可以应用两个单独的固定电压Vf1、Vf2。例如，340a、b段接受到叠加了第一偏转电压Vd1的第一固定电压Vf1，并且340c、d段接受到叠加了第二偏转电压Vd2的第二固定电压Vf2。通过这种方式，在电子束EB离开电子集中器315时可以改变电子束EB的形状。如果电子束EB通过相对较大的角度被偏转并且最终以相对较大角度到达显示屏330，这样是有利的。在这种情况下，电子束EB在该屏上的点被变形。这一变形可以在这一实施例中被补偿。

在实施过程中，在第二优选实施例中，第一和第二偏转电压Vd1、Vd2常常是非零的。因此，当该电子束EB离开电子集中器315时总是被偏转。这可以在图4中被观察到，只要该电子束EB被偏转，并且以和其主轴419成一个预选角度离开电子集中器415，从基板410和显示屏430之间的残余气体中生成的正离子X⁺不会到达电子集中器415。而是这些正离子到达基板410的朝向屏的表面414。

这是一个优点。当正离子X⁺能够到达电子集中器415时，它们会破坏其内壁、其出口间隙或靠近该出口间隙的hop电极上的涂层。

结果，电子集中器415的运行恶化，并且显示设备的寿命被减少。在第二优选实施例中，减少了到达电子集中器415的正离子数量，从而使得离子对电子集中器415造成的破坏最小化。

该图是示意性的并且没有按照比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但是应该理解到，本发明不应被解释为限定于这些优选实施例。而是，本发明包括在附加权利要求的范围内由熟悉本领域的技术人员在这些实施例的基础之上所作的所有变更。

虽然本发明的优点在这一发明申请中阐述的场发射显示器中是非常显著的，依赖于电子束的生成和迁移的其它类型的平板显示器也可以从本发明的申请中受益。

概括地说，本发明涉及一种显示设备，该显示设备具有包含用于显示图像信息的像元的第一阵列的显示屏和用于发射电子的阴极装置。该像元被组合在一起形成子阵列。所发出的电子被电子集中器收集，该电子集中器将这些电子重新分配到均匀的电子束(EB)中。像元的每个子阵列有一个单个的电子集中器，并且该显示设备具有使离开电子集中器到相应子阵列的任一像元的电子束发生偏转的选择装置。结果，所显示的图像可以具有相对较高的分辨率。在一个优选实施例中，图像亮度特别高并且减少了所显示的图像上的亮度均匀性中的变化。

Claims

1.一种显示设备，包括：

-用于显示图像信息的显示屏(130)，所述显示屏(130)包括像元(135)的第一阵列；

-用于发射电子的阴极装置(120)和

-用于收集电子的多个电子集中器(115)，每个电子集中器(115)具有用于释放打在显示屏(130)的像元(135)上的电子束(EB)的出口孔隙(117)，

其特征在于

-第一阵列包括预定个数的子阵列(132)，每个子阵列(132)包含至少两个像元(135)，

-单个电子集中器(115)与单个子阵列(132)对应，从而电子集中器(115)的个数匹配子阵列(132)的个数，并且

-该显示设备包括用于使电子束(EB)偏转到子阵列(132)中的一个像元(135)的选择装置(140)。

2.如权利要求1中所述的显示设备，其特征在于该电子集中器(115)包含该选择装置(140)。

3.如权利要求1中所述的显示设备，其特征在于该电子集中器(115)包含由二次发射材料提供并具有大于该出口孔隙(117)的入口(116)的电子束引导腔，靠近所述出口孔隙(117)布置用于使电子跳跃传输到所述出口孔隙(117)的一个hop电极(112)。

4.如权利要求3中所述的显示设备，其特征在于该入口(116)的表面积和该出口间隙(117)的表面积之间的比至少是10∶1。

5.如权利要求2和3中所述的显示设备，其特征在于该选择装置包含基本布置在该hop电极(112)外面的外电极(114)，所述外电极(114)具有位于该出口孔隙(117)的相对两侧的至少两段，在该两段之间施加偏转电压用于使该电子束(EB)发生偏转。

6.如权利要求5中所述的显示设备，其特征在于一个子阵列包含偶数个像元，该子阵列的中心对准该电子束引导腔的主轴。

7.如权利要求1中所述的显示设备，其特征在于一个子阵列包含与该显示屏(130)的基色磷光有关的三个像元(135R、G、B)。

8.如权利要求1中所述的显示设备，其特征在于该阴极装置(120)包含一个场致发射器(224)。