CN1735952A - 阴极射线致发光气体放电显示器 - Google Patents

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R·P·范戈科姆
R·范迪克
S·T·德兹瓦特
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Abstract

本发明涉及一种具有反转的等离子体方向的阴极射线致发光气体放电显示器，其中通过等离子体离子(I+)撞击阴极(5)产生的二次电子(e－)用于激发发光物质(6)。本发明的优点在于减少了离子反馈流，这意味着可以施加更高的加速电压，因而获得更高的发光效力。

Description

阴极射线致发光气体放电显示器
本发明涉及一种阴极射线致发光(cathodoluminescent)气体放电显示器。
在显示设备领域内，近年来对高质量大屏幕，如电视(TV)和计算机屏幕的需求日益增加。阴极射线管(CRT)已经广泛地用作TV显示器，一般情况下，在市场上销售的所有种类的显示设备当中，它们仍然产生最高质量的图像。然而，CRT的深度和重量随着屏幕尺寸增加而增加，具有巨大体积的CRT不适合于大屏幕尺寸，如超过40英寸的屏幕。因此，平板显示器如液晶显示器(LCD)、等离子体显示板(PDP)和场发射显示器(FED)用于制造这种大屏幕。
PDP分为两个子组，即直流(DC)和交流(AC)PDP。
基本上，PDP包括由前板和与其相对的后板限定的气体填充空间。阻隔肋设置在后板上以便提供内部真空支持。荧光屏设置在后板上和面对气体填充空间的阻隔肋的侧面上。阴极、阳极和寻址电极设置在前板上或后板上。气体填充空间包括放电气体气氛，如惰性气体，例如氦(He)、氙(Xe)、或氖(Ne)，常见气体，例如氮(N)、氢(H)、汞(Hg)蒸气、或任意这些气体的混合物。当足够的电压施加于任何电极之间时，产生气体放电并产生等离子体，即，电子获得能量，电离和激发中性气体原子。等离子体包括电子、离子和亚稳态微粒。这些微粒连续地复合、再生和碰撞。高能电子与气体原子的碰撞可能在气体原子的电子壳层中产生高能态，该高能态在发射能量辐射下将衰减到较低能态。可以选择气体和工作参数，如施加的电压，使得该辐射在紫外(UV)光谱内。之后这种UV光用于激发荧光屏的荧光物质。然后由这些受激物质发射可见光，如红、绿和蓝光。
使用UV辐射来代替等离子体电子的动能，这是因为由于在等离子体中存在低电子能量，而使由等离子体电子直接激发荧光物质不会产生足够的光。
然而，放电能量向UV光的转换、以及UV光向可见光的转换不是非常有效的。在具有He-Xe或Ne-Xe的PDP中，只有大约2％的电能用在UV光中，大约0.2％用在可见光中(Applied Physics，vol 51，no.3，1982，第344-347页；Optical Techniques Contact，vol 34，no 1，1996，第25页；和Flat Panel Display 96，第5-3部分，NHK Techniques Study，31-1，1979，第18页)。因此，希望提高PDP的发光效力。于是，应该提高发光性能，如亮度。
为了产生更高的发光效力，已经有人提出通过阳极中的孔提取在等离子体中产生的电子，然后将它们加速到更高的能量。这种气体放电显示器从US 3938135中可知。
发光材料由电子轰击而直接激发的显示器一般公知称为阴极射线致发光显示器。
在公知的阴极射线致发光气体放电显示器中，阴极放置在器件的后面，并且与阳极格栅相比置于负电压，而阳极格栅设置在器件的前部。跨越阳极和阴极的电压产生包括电子和离子的等离子体，其中电子流导入阳极，离子流导入阴极。
在等离子体中，如上所述，通过由高能电子电离中性气体原子而产生新的电子和离子，其通过施加的电压而获得它们的能量。此外，在阴极产生的新电子必须维持等离子体。击中阴极的等离子体离子产生这些二次电子。
在等离子体中产生的电子到达阳极，它们中的一小部分穿过阳极格栅中的孔，然后被加速到包括发光物质诸如磷光体的屏幕。
基本说来，在阴极射线致发光气体放电显示器中包括三个区；(1)等离子体区，(2)选择区，和(3)加速区。
在等离子体区中，如上所述产生等离子体。
在选择区中，通过给选择格栅施加电压可以控制显示内容，该选择格栅可以抑制电子到达荧光屏。
在加速区中，通过施加的加速电压将电子加速到更高的动能。
由于实际方面，气体压强在三个区中都是相同的。
所谓的帕邢(Paschen)曲线表示了等离子体的点火电压(V)作为气体压强乘以电极距离(pd)的乘积的函数的依赖性关系，参见图1。
点火电压是产生等离子体所需的电压，即通过从阴极开始传播到阳极的电子来产生足够的离子所需的电压。产生的离子传播到阴极，并在它们撞击阴极时必须通过二次电子发射产生如最初开始那么多的电子。
维持电压是保持等离子体继续运转所需的电压。这个电压一般低于点火电压，因为一旦等离子体存在，就存在空间电荷。这种空间电荷产生非均匀电场，其可以降低电离气体原子所需的电压。
图1中的曲线的最小值是等离子体区所希望的，即，等离子体以低电压开始，这有利于设备的驱动电子装置。因此，如果要使用低压强，则使等离子体区相对地长，以便获得所希望的气体压强与电极距离的乘积。
曲线左边是加速区所希望的，即，由于如果电子电离则损失能量，因此应该产生尽可能少的电离，并且根据产生的位置，新产生的电子只获得一部分能量。因此新电子的产生意味着平均电子能量减少。因此，使加速区相对短，以便获得气体压强与电极距离的小乘积。
如果在加速区中发生太多的电离，则可能在这个区域中产生自维持二次等离子体，这意味着不能控制显示内容。此外，如果在加速区中产生电离，则产生的离子可以通过阳极中的孔进入等离子体区。根据施加的电压，这种方式引起到等离子体区的反馈，这可能导致不利的等离子体收缩。等离子体收缩意味着更多的电流将在一个点开始局部地流动，这是因为来自加速区的额外的离子可能改变了阳极附近的空间电荷，并且还可能引起由电离和二次发射产生更多的电子。因而，可以施加的加速电压被限制到相当低的值，这将产生如具有不良发光效力的显示设备的显示设备，如从引证的US 3938135中可知的。
本发明的目的是提供一种具有改进的发光效力的阴极射线致发光气体放电显示器。
根据本发明的第一方面，这个目的是通过阴极射线致发光气体放电显示器来实现的，该阴极射线致发光气体放电显示器包括：限定的气体填充空间、适于接收电压的阳极和阴极装置、以及包括发光物质的发光屏。当电压跨越阳极和阴极施加时，通过气体填充空间中的气体放电产生包括离子和电子的等离子体，所述等离子体离子撞击阴极，并通过所述撞击产生二次电子。阳极设置在显示器的后部，而阴极和发光屏设置在显示器的前部，并且所述二次电子用于激发发光物质。
这样，在等离子体中产生的电子流向显示器后部的阳极，并且因此这些电子不用于激发发光物质。等离子体中产生的离子流向阴极，并通过这些等离子体离子撞击阴极而产生二次电子。这些二次电子中的一些用于激发发光屏的发光物质。剩余的二次电子用于维持等离子体。
本发明的优点是减少了上述公开的反馈问题，与上述公开的现有技术阴极射线致发光气体放电显示器相比，意味着施加更高的加速电压。使用更高的加速电压导致高能电子，并产生提高的发光效力。因而，可以减少总功耗。
本发明的其它特点和优点将从下面所述的实施例和所附权利要求明显看出。
图1表示公知的帕邢曲线。
图2示意性地表示根据本发明实施例的阴极射线致发光气体放电显示器。
图3表示可用在图2所示阴极射线致发光气体放电显示器中的阴极格栅的一些结构的例子。
根据本发明实施例的阴极射线致发光气体放电显示器的一部分示于图2中。前玻璃板1、后玻璃板2和侧壁(图2中未示出)限定气体填充空间3。
此外，提供内部或外部真空支持(图2中未示出)。
阳极4设置在显示器的后部。在本实施例中，阳极4设置在后板2面对气体填充空间3的一侧上。
阴极格栅5和发光屏6设置在显示器的前部。在本实施例中，阴极格栅5和磷光体元件6设置在前板1面对气体填充空间3的一侧上。
发光屏6优选是荧光屏。
在本发明的本实施例中，阳极4由金属制成，如铝(Al)，但是也可以由任何其它导电材料制成，如氧化铟锡(IT0)。
阴极格栅5由导电材料制成。该导电材料优选或者用高二次电子发射材料涂覆，或者是高二次电子发射材料本身。
具有高二次电子系数的材料(高二次电子发射材料)在正离子撞击期间发射大量二次电子。
铝是合适的导电材料，其通过暴露于空气中而形成氧化铝的表面层。这种氧化物具有相对高的二次电子系数。
合适的阴极材料的另一例子是铝和镁的合金。通过暴露于空气中，这种合金可以形成氧化镁的表面层，其也具有相对高的二次电子系数。
具有高二次电子系数的其它材料是六硼化镧(LaB6)。
阴极格栅5施加于由玻璃制成的间隔元件7上，其依次地施加于前玻璃板1上。
间隔元件应该由绝缘和真空可兼容材料制成，如玻璃、Al2O3或陶瓷材料。这种材料优选用低二次电子发射材料涂覆，如CrO3或Si3N4，以便防止带电并由此增强电场，其否则可能引起场发射。
间隔元件之间的距离优选是每个为一个子像素。
磷光体6设置在间隔元件7之间的前玻璃板1上。
具有0.97mbar压强的氖(Ne)放电气体设置在形成所述气体填充空间3并构成等离子体区的板的中间部分中。气体压强应该优选在0.1到10mbar的范围内，更优选在0.5到5mbar的范围内。
本实施例中的等离子体区大约为20mm，但是等离子体区的长度可以根据所希望的工作参数来调整。
当跨越阳极4和阴极5施加电压时，产生包括电子(e-)和离子(I+)的等离子体。等离子体电子(e-)将从阴极格栅5进入后部的阳极4中，离子(I+)将在相反方向中前进，即从电离的位置到阴极格栅5。这样，在等离子体中产生的电子(e-)不会到达荧光屏6。然而，通过等离子体离子(I+)撞击阴极格栅5产生的一些二次电子(e-)被穿过阴极格栅5的孔的电场所捕获。这些二次电子(e-)穿过阴极格栅5的孔，并由形成加速区的加速电极8加速。没有被所述电场捕获的二次电子(e-)用于维持等离子体。
在该实施例中，加速电极8由施加于玻璃板1上的氧化铟锡(ITO)的层8形成。
在本实施例中，加速区大约为1mm，但是加速区的长度可以根据所希望的工作参数来调整。
优选施加至少1kV的加速电压，更优选为至少5kV，如5-15kV。
如在前言所述的，加速电压应该优选尽可能的高，以便减少所需的电流量。而且，高加速电压还意味着加速区中的较少的电离，因而也意味着器件中较少的材料溅射，如阴极材料。此外，磷光体将呈现更长的使用寿命。
一些正的等离子体离子也可能穿过阴极格栅5的孔，并在格栅5的另一侧产生二次电子。这些电子也被加速到荧光屏6。
当所述正的等离子体离子穿透加速区时的另一优点是，可以减少壁带电效应。因此，提供了不同的空间电荷分布。于是，提高了加速区的点火电压。
即使是可能在加速区中产生的离子可以穿过阴极格栅5的孔，但是它们不会显著地影响等离子体，因为它们被导入阴极格栅5中。这样，大大减少了所述反馈和等离子体收缩的问题。
阴极格栅5的厚度可以在从100nm到100μm的范围内。格栅的形状也可以如图3中所示那样变化。阴极格栅5的厚度和形状可以进行选择，以便协调分别进入发光屏6和阳极4的二次电子的比例。进入阳极4的该部分二次电子用于维持等离子体。
使用较厚的阴极格栅5，即大约100μm，意味着与使用较薄的阴极格栅5相比，可以使更高比例的二次电子到达发光屏6。
使用如图3c所示的圆锥形阴极格栅5，还可以增加到达荧光屏6的电子数量。
在这里所述的本发明的实施例中，只使用了一个格栅，这意味着阴极5和阳极4必须以行和列构造。然而，也可以使用两个或更多个格栅，这意味着等离子体可以一次存在于整个行或多个行中。甚至整个等离子体区都可以填充等离子体。
非结构化的阳极和非结构化的阴极也可以结合至少一个选择格栅使用。
下面通过下列非限制性的例子来进一步表示本发明。
参考例子
作为参考，使用具有在后部的阴极以及在前部的阳极格栅和荧光屏的阴极射线致发光气体放电显示器。使用0.97mbar的Ne作为放电气体。
跨越阴极(-400V)和阳极(0V)施加电压。使用0.2mA的屏电流和0.2mA的等离子体电流。在明亮的橙色光斑形成在显示图像中之前，跨越加速区可以只施加200V。
例子
在本例中使用图2中所示的阴极射线致发光气体放电显示器。
跨越阳极4(+400V)和阴极5(0V)施加电压。首先施加0.2mA的屏电流和0.2mA的等离子体电流。然而，为了保持相同的屏电流0.2mA，等离子体电流必须增加到2mA。只有一小部分等离子体电流将到达发光屏6，并提供屏电流。这部分是阴极5的材料或覆盖阴极5的材料(如上所述)的二次电子发射系数的函数。当每个离子产生更多的电子时，在等离子体区中需要更少的电离，因而需要更少的电流。因此，使用由高二次电子发射材料制成或用高二次电子发射材料涂覆的阴极5，可以提高屏电流和等离子体电流之间的比率。
跨越加速区施加大约2kV。这样，二次电子被加速到非常高的动能，并获得提高的磷光体效力。因此，提供了提高的发光性能并需要较少的电流，从而获得与由前面公开的现有技术阴极射线致发光气体放电显示器所提供的相同的亮度。
从前面公开的内容来看，可以断定，根据本发明的阴极射线致发光气体放电显示器将找到很广阔的应用范围，因为其很容易以低成本制造，具有高发光效力和产生高质量图像。

Claims (7)

1、一种阴极射线致发光气体放电显示器，包括：限定的气体填充空间(3)、适于接收电压的阳极(4)和阴极(5)、以及包括发光物质(6)的发光屏，其中，当电压跨越阳极(4)和阴极(5)施加时，通过气体填充空间(3)中的气体放电产生包括离子和电子的等离子体，所述等离子体离子撞击阴极(5)，并通过所述撞击产生二次电子，其特征在于：
阳极(4)设置在显示器的后部，
阴极(5)和发光屏(6)设置在显示器的前部，和
所述二次电子用于激发发光物质(6)。
2、根据权利要求1所述的阴极射线致发光气体放电显示器，其中二次电子通过所施加的加速电压从阴极(5)加速到发光屏(6)。
3、根据权利要求2所述的阴极射线致发光气体放电显示器，其中加速电压至少为1kV。
4、根据权利要求1-3任一项所述的阴极射线致发光气体放电显示器，其中包括发光物质(6)的发光屏是荧光屏。
5、根据权利要求1-4任一项所述的阴极射线致发光气体放电显示器，其中阴极(5)由高二次电子发射材料制成，或用高二次电子发射材料涂覆。
6、根据权利要求1-5任一项所述的阴极射线致发光气体放电显示器，其中阴极(5)的厚度在100nm-100μm的范围内。
7、根据权利要求1-6任一项所述的阴极射线致发光气体放电显示器，其中阴极(5)是圆锥形的。
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