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Elektrolumineszenzschirm Die Erfindung befaßt sich mit Elektrolumineszenzschirmen.
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In dem Artikel von Arthur B r a m 1 ey und Jenny E. R o sen th a 1
in »Review of Scientifie Instruments«, Bd. 24, 1953, S. 471, isst ein Elektrolumineszenzscbirm
beschrieben, der aus zwei Sätzen von Gittern aus parallelen Leitern, zwischen denen
eine Schicht aus elektrolumineszierendem Material angeordnet ist, besteht. Die Leiter
auf der einen Seite der Schicht sind senkrecht zu denen auf dein anderen angeo,r,dnet.
Die einzelnen Leiber sind mit einem Verteiler verbunden. Die Verbindungen zwischen
den einzelnen Leitern und dem Verteiler sind derart, daß jederzeit nur ein Leiter
eines Gitters mit der Signalspannungsquelle, beispielsweise mit dem Fernseh@signalverstärker,
verbunden ist. Bei aufrechter Anordnung des Elektroluminetszenzschirmes, derart,
daß die Leiter des einen Gitters vertikal und die des anderen horizontal sind, legt
der Verteiler die Signalspannung nacheinander an die vertikalen Leiter mit einer
relativ hohen Geschwindigkeit und an die horizontalen Leiter mit einer niedrigeren
Geschwindigkeit. Für Fernsehzwecke entspricht die hohe Geschwindigkeit der Zeilenfrequenz,
während die niedrigere Geschwindigkeit der Bildfrequenz entspricht.
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Obwohl die Erfindung so auisgestaltet werden kann, daß sie bei beliebigen
Schirmen zur Anzeige von Informationen unter Benutzung geeigneter horizontaler und
vertikaler Geschwindigkeiten anwendbar ist, soll sie in Verbindung mit einer Einrichtung
zur Wiedergabe von Fernsehbildern mit den üblichen horizontalen und vertikalen Abtastfrequenzen
beschrieben werden.
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Eine Schwierigkeit, die bei der Verwendung der schon erwähnten Einrichtung
zur Wiedergabe von Fernsehhildern auftritt, ist der geringe ad-er fehlende Kontrast
zwischen den Bildhelligkeiten und den. Bildschatten. Die Erfindung stellt sich daher
die Aufgabe, einen Elektro@lumineszen7schir@m mit gutem Kontraist zwischen den Bildhelligkeiten
und den Bildschatten herzustellen. Daneben s@tellt sich die Erfindung die Aufgabe,
speziell einen mit gekreuzten Gittern versehenen Elektrolumineszemzschirm derart
auszugestalten, daß zwischen den Bildhelligkeiten und den Bild,schattün ein markanter
Kontrast erzielt wird.
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Gemäß der Erfindung wird bei einem Leuchtschirm, bei dem eine Leuchtstoffschicht
aus elektrolumineszierendem Material zwischen einem System von gekreuzten Leitern
angeordnet ist, an die mittels einer Schalteinrichtung Signalspannungen nacheinander
angelegt werden, zwischen -der Leuchtstaffschicht und den Leitern eine Impedanzschicht
aus einem Material mit nichtlinearer Stromspannungsoharakteristik vorgesehen. Die
Erfindung sei nun in Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Fig. 1 gibt schematisch einen Elel#rtrodumin"sze@nzschirm mit gekreuzten
Gittern wieder und soll das Prinzip der Erfindung erläutern; Fig. 2 zeigt schematisch
eine perspektivische Darstellung eines Teileis des Schirms der Fig. 1; Fig.3 zeigt
einen Teilschnitt des Schirmes der Fig. 1 und Fig. 4 den entsprechenden Stromkreis
dazu; Fig. 5 gibt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels wieder
und Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Teiles der Anordnung von Fig.
5 ; Fig. 7 zeigt dein Stromkreis für die Anordnung der Fig. 5 auf und Fig. 8 eine
graphiisch.e Darstellung der Arbeitsweiise der Anordnung der Fig. 5.
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In den Fig. 1 bis 4 bestehlt die Leuchtstoffschicht 1 aus irgendeinem
geeignetem Elektrolum-ineszenzma@teria@l, wie es beispielsweise im USA.-Patent 2
566 349 oder 2 698 915 beschrieben ist. Die Le@uchtstoffschicht 1 ist zwischen zwei
Gittern von Leitern angeordnet. Die Leiter jedes einzelnen Gitters verlaufen senkrecht
zu denen des anderen Gitters. Das eine Gitter 2 besteht aus den parallelen und vertikalen
Leitern vn, v2 und v3 und so fort, das andere Gitter 3 besteht aus den horizontalen
Leitern hl, 11121 1a. und so fort. In der Zeichnung sind nur ein paar Leiter wiedergegeben,
aber es ist klar, daß die Anzahl der Leiter von dem gewünschten
Resultat
abhängt. Beispielsweise hat ein Schirm zut Wiedergäbe von Fernsehbildern eine große
Anzahl solcher Leiter, z. B. 500 oder 1000.
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Als Schalteinrichtung ist ein aus den mechanischen Schaltern 4 und
5 bestehender Verteiler mit den entsprechenden Gittern 3 und 2. verbunden. Eine
geeignete Signal!spa,nnungsquelle 6 ist mit den Rotoren dieser beiden Schalter verbunden,
so daß, wenn diese zwei Schalter mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit rotieren,
die Signalspannung nacheinander an die entsprechenden Leiter der zwei Gitter 2 und
3 gelegt wird. Da der Leuchtstoff Licht in Abhängigkeit von dem veränderlichen elektrischen
Feld. emittiert, werden Lichtblitze zwischen den einzelnen Leitern erzeugt, wenn
diese durch die Schalter mit der Spannungsquelle 6 verbunden werden.
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In der Fig. 1 ist der vertikale Leiter v" mit der Spannungsquelle
fi -verbunden - und der horizontale Leiter h3 gee.Tdet. Wenn die augenblickliche
Amplitude der Spannungsquelle V ist,- so wird durch die Schalter ein Spannungsimpuls
von der Amplitude V an den Zwischenraum 7 der Leiter v2 und 1a3 gelegt, und der
im Zwischenraum zwischen den. beiden Leitern angeordnete Leuchtstoff erzeugt einen
Lichtblitz von entsprechender Helligkeit. Wenn die Umschaltung der beiden Schalter
mit einer Geschwindigkeit, die der üblichen Fernsehübertragung in beiden Richtungen
entspricht, erfolgt, erzeugen die Lichtblitze in den Zwischenräumen zwischen den
Leitern ein Leuchtbild, das dem Fernsehsignal entspricht. Diese einfache Arbeitsweise
ist aber nicht zu erreichen., und zwar für alle praktischen Zwecke bei dieser einfachen
Konstruktion aus mindestens den zwei folgenden Gründen: 1. Liehthlitze werden nicht
nur im Zwischenraum der beiden Leiter, sondern gleichzeitig - obgleich mit verminderter
Intensität - längs der ganzen Länge der beiden Leiter erzeugt, 2. Jedes Leuchtstoffelement,
d. h. jedes Leuchtstoffteilohen in einem Zwischenraum zwischen zwei Leitern,-ist
für eine extrem kurze Zeit angeregt.
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Daher ist die durch das- Auge beobachtete Helligkeit. welche ein Mittel
der Helligkeit über die Bilddauer darstellt, beträchtlich -unterhalb der Helligkeit
eines Leuchtstoffes-bei foirtlaufenderArbei.tsweise-. Die Ahtastun,g der Leiter
der zwei Gitter führt zu einer Leuchtfläche, die sich über die ganze Leuchtstoffsahicht
mit im wesentlichen gleichförmiger Helligkeit erstreckt, obgleich die Spannung Il
sich von Leiter zu Leiter ändert. Dieses unverständliche Resultat sei im folgenden
an Hand der Fig.2, 3 und 4 näher erläutert Wenn die zwei Schalter 4 und 5 der Fig.
1 ini Augenblick mit den zweii.Leiternv, und v3 verbunden sind, wird in dem Zwischenraum
zwischen diesen eine Signalspannung vom der Amplitude L' erzeugt. Aber alle die
anderen Leiter der zwei Gitter sind eiltsprechend kapazi,tiv mit den zwei Leitern
v2 und h3 gekoppelt.
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Unter der Annahme, daß die elementare Kapazität der Leuchtstoffsahicht
in jedem Leiterzwischenraum C beträgt und daß m-ho@rizontale und za vertikale Leiter
vorhanden sind, kann--die kapazitive Kopplung zwischen den Leitern (verbundenen
und, nicht verbundenen) durch den in Fig. 4 wiedergegebenen äquivalenten-Stromkreis
dargestellt werden. In dieser Darstellung sind alle nicht verbundenen horizontalen
Leiter durch den Punkt hi dargestellt. Da (m-1) unverbundene horizontale Leiter
mit dem verbundenen vertikal-en. Leiter v2 kapa.zitiv gekoppelt sind, ist die Kapazität
zwischen dem System h.i gegen den Leiter v2 gleich (m-1) - C. Ähnlich ist die Kapaziitätderunverbundenen
vertikalen Leiter dargestellt durch vi gegen den verbundenen horizontalen Leiter
h3 (n-1) - C und die Kapazität zwischen den nicht verbundenem Leitern beider
Gitter 2 und 3 (m-1) (n-1) - C. Wenn, wie es beim Fernsehen der Fall ist, die Anzahl
der horizontalen und vertikalem Leiter beispielsweise 500 bis 1000 beträgt, ist
der Spannungsabfall über die Kapazität (m -1) (it-1) - C vernachlässigbar
klein, und die beiden verbundenen horizontalem und vertikalen Leiter haben auf ihrer
ganzen Länge einen Impuls von der halben Amplitude des im Z4,j,gch#en-. raum der
Leiter v2 und h3 erzeugten Impulses 1>. .Auf Grund der Beziehung zwischen Helligkeit
und Anregungsspannung haben d:ie ganzen Längen der verbundenen Leiter v. und h3
eine Helligkeit von BIS, wenn dass Signal im Zwischenraum eine Helligkeit von B
crz,tigt.
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Wenn ein Leiter 500 Zwischenräume enthält, ist die totale Lichtemission
der Leiter mehr als 100mal größer als die Lichtemission von dem Punkt oder Zwischenraum,
der durch die Schalter 4 und 5 ausgewählt ist. Es wird also klar, daß mit einer
Anordnung gemäß der Fig. 1 ein Bild erzeugt wird, dessen mittlere Bildhelligkeit
100mal größer . als die des Bildes ist, was natürlich zu einem unbrauchbaren niederen
Bildkontrast führt. Diese Schwierigkeit .wird erfindungsgemäß dadurch überwunden,
daß der Elektrolumineszenzschirm gemäß der Fig. 5 und . 6 ausgeführt wird.
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Der Elektrolum-ineszenzschirm der Fig. 1 ist auf jeder Seite mit einem
Gitter versehen, und es wurde gezeigt, daß bei einer derartigen Anordnung bei Anlegen
eines Spannungsimpulses an zwei Leiter die Anregung nicht nur in dem Zwischenvaum
zwischen den Leitern, sondern auch, wenn auch mit verringerter Intensität, auf der
ganzen Länge der Zwischenleiter vorhanden isst.
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Für eine große Anzahl von Leitern beträgt .die Anregung längs der
gesamten Leiter in Volt die Hälfte der Anregung im Zwischenraum der verbundenen
Leiter.
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Die Hälfte der an den Zwischenraum der verbundenen Leiter gelegte
Spannung erscheint also zwi= scheu den verbundenen und unverbundenen Leitern, und
diese halbe Spannung genügt, um den Leuchtstoff zu einer derartigen Helligkeit anzuregen,
daß der Unterschied zwischen Bildhelligkeit und Bildschatten undisku Label wird.
Unter der Annahme, daß die halbe Spannung immer vorhanden ist, soll im folgenden
gezeigt werden, daß deren schädliche W irkwngen vermieden werden können und ein
Bild in gutem Kontrast erzeugt werden karte.
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Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 besteht aus den gewöhnlichen
gekreuzten Gittern, zwischen denen eine Schicht 8 eines elektrolumineszierenden
Materials angeordnet ist. Die Schicht 8 ist im engem Kontakt tnit einer Schicht
9, die aus einem Material mit einer nichtlinearen Stromspannungsaharakteristik besteht.
Nichtlineare Beziehung zwischen Strom und Spannung besteht bekanntlich in verschiedenen
Gruppen von Materialien, beispielsweise Halbleitern, Polaristoren und ferroelektrischen
Materialien. Materialien aus diesen Gruppen sind grundsätzlich für die Erfindung
anwendbar.
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Polaristoren sind Widerstände, die durch Einbetten von leitenden oder
halbleitenden Teilchen in plastischen Schichten gebildet sind und während der Härtung
der Plastik die Teilchen einem polarirsierendiei elektrischen Feld unterworfen sind.
Die Leitfähigkeit
solcher Schichten ändert sich von Material zu
Material mit den .Änderungen der angelegten Spannung. Zwecks weiterer Einzelhefen
übeir Polaristflren wird auf die zwei folgernden Veröffentlichungen hingewiesen:
H. E. H o l l m a n n.; » Journal o@f Appl.ied Physics «, Bd.21, S.402 bis 413,
Mai 1950, und H. E.-Hol1-m an n, »Proceedingrns of the .I. R. E.«, Bd.. 40, S. 538
bils 545, Mai 1.952.
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Obgleich sowohl halbleitende Schichten als auch Poda,ristoren für
die Erfindung geeignet sind, soll die Arbeitsweise der Erfindung an Hand einer Anordnung,
die ferroelektrische Materialien für die .Schicht 9- enthält, beschrieben werden.
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Der Schirm besteht aus einem Diele ktrikum, das zwischen zwei Gittern
von parallelen leitenden Leitei- n, die senkrecht zueinander stehen, angeordnet.
ist. Das Dielektrikum besteht aus einer Schicht 8 aus elektrolumineszierendem Material
(eingebettet in eine transparente Plastik) und ist in engem Kontakt mit einer Schicht
9 von veränderlichem Impedanzm.aterial, d. h. ferroe@lek trischem Material. Die
Leiter, die das Gitter 10 bilden und der Leuchtstoffschicht 8 benachbart sind, sind
vorzugsweise durchsichtig und bestehen aus dünnen Filmen von aufgedampften Aluminium-
oder Silber- oder durchsichtigen leitenden Leitern von Zinnchlorid oder -oxyd. Die
Leiter jedes der Gitter 10 und 11 sind mit den Schienen 12 und 13 über isolierte
Widerstände oder sonstige E.n.tkopplungsglieder 14 und 15 verbunden. Der Zweck dieser
Widerstände 13 und 14 ist der, die Kopplung zwischen den. einzelnen Leitern des
gleichen Gitters zu reduzieren. Die Schienen 12 und 13 sind mit den Klemmen einer
Batterie verbunden, die ein Feld an die ferroelektrische Schicht 9 legt.
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Es isst vorteilhaft, eine beachtliche Leitfähigkeit innerhalb der
Phosphorschicht zu haben. Dies kann dadurch erreicht werden, daß dem Leuchtstoffpulver
in geeigneter Konzentration halbleitende oder leitende Teilchen zuggesetzt werden.
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Der Verteiler, bestehend aus den beiden Schaltern 1'7 und 18, die
mit den vertikalen bzw. horizontalen Leitern 10 und 11 verbunden sind, ist der Fig:
1 ähnlich. Die Arbeitsweise der Anordnung und der Unterschied gegenüber der Arbeitsweise
der Anordnung der Fig. 1 sei im folgenden an Hand des Stromkreises der Fig. 7 näher
erläutert.
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Es wird angenommen, daß die augenblicklichen Arbeitsbedingungen, die
für die Anordnung nach der Fig. 1 angenommen wurden, auch für die Anordnung gemäß
der Fig. 5 zutreffen. Die Spannung oder der Fernsehimpuls sind daher an den gleichen
vertikalen Leiter v2 und horizontalen Leiter h3 gelegt. Die ganze Amplitude V des
Impulses liegt wiederum an der Kapazität C, die durch den Zwischenraum zwischen
den Leitern v2 und h3 gebildet wird, und die halbe Amplitude dieses Impulses erscheint
an den übrigen Teilen der Leiter v2 und h3. Jetzt aber wird die Zwischenkapazität
C zwischen den Leitern v2 und lt. durch die zwei Teilkapazitäten Cf und C" gebildet,
wobei C, die Kapazität des ferroelektrischen Elementes und C, die Kapazität der
Leuchtstoffsohieht ist. Das gleiche trifft für die Kapazitäten zwischen den verbundenen
und nicht verbundenen Leitern zu. Unter dem Einfluß eines durch die Batterie 16
angelegten Gleichfeldes wird die ferroelektrische Schicht 9 meist bis zur Sättigung
polarisiert. Die vorgegebene Änderung des Feldes ergibt daher nur einen kleinen
Verschic bungsstronn. Diese Eigenschaft der ferroelektrischen Materialyen wurde
häufig beschrieben (s. beispielsweise das Kapitel »Ferroelektrische Kristalle« in
dem Buch »Introduction to Solid State Physics« von Cha,rles Kittel, John W i ley
a.nd Sons, Inc. 1953) Die. Spannung ist so. gewählt, daß die Impulsspannung h12,
die zwischen den verbundenen und unverbundenen Leitern erscheint, das Feld nicht
so weit. reduziert, daß-das ferroelektrische Material außerhalb' der Sättigung kommt
(s. Fig. 8).
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Die Hystemesisischleife ist typisch für, ferroelektrische Materiahen.
In diesem Zusammenhang sei z. B. auf den Artikel von Kittel in »Intro-duction to
Solid Statu Phys,ies«, S. 117, verwiesen.. Besondere Hysteresissohleifer., die sehr
vorteilhaft bei der Erfindung angewendet werden, sind in einem Artikel von A. von
H i p p e 1 : - »Review of Modern Physics «, Bd: 22, Juli- 1950, S. 221 bis
237, beschrieben.
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Die Schleife der Fig. 8 zeigt, daß bei geeigneter Spannung der schädliche
Spannungsimpuls V,2: welcher längs der ganzen Länge der verbundenen vertikalen und
horizontalen Leiter erscheint, einen relativ kleinen Verschiebungsstrom, wie er
durch das Bezugszeichen 19 angeb ben ist, erzeugt. Dagegen ist der Verschiebungsstromimpuls,
der im Raum zwischen den verbundenen Leitern v2 und h3 erscheint und durch die ganze
Spannungsamplitude V erzeugt ist, nicht nur doppelt so groß wie mit einem gewöhnlichen
Dielektrikum, sondern üborsteigt den Verschiebungsstrom 19 mehrfach, wie das durch
das Bezugszeichen 20 anangedeutet ist.
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Dieser wesentliche Unterschied im Verschiebungsstrom im Zwischenraum
zwischen den beiden verbundenen Leitern v2 und la. und jedem anderen Zwischenraum
der Anordnung kann wie folgt erklärt werden: Die Kapazität C f des ferroelektrischen.
Elementes, die, in Serie liegt mit der Kapazität C" des Leuchtstoffelemente@s im
Zwischenraum zwischen den beiden verbundenen Leitern v2 und h3, bildet eine viel
größere Kapazität als die entsprechenden ferroelektrischen Elemente des Restes der
verbundenen. Leiter. Daher erhält in dem Zwischenraum v2 h3 die Elektrolumineszenzschicht
im wesentlichen den ganzen Fernsehimpuls V, während längs des Restes der verbundenen
Leiter nur- ein kleiner Bruchteil des gewünschten Impulses VI2 angeregt wird. Es
ist klar, d@aß in dem Zwischenraum v243 die erzeugte- Helligkeit viel größer ist
und sich daher besser von der Grundhelligkeit der bekannten Anordnungen abhebt.
Wenn man die Grundhelligkeiten der Anordnungen gemäß der Fig. 5 und der Fig. 1 miteinander
vergleicht, haben die Anordnungen der Fig. 5 gegenüber denen der Fig. 1 keine Grundhelligkeit.
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Die Bedingungen werden so getroffen, daß, wenn der Anregungsimpuls
für die entsprechenden Leiter aus einem Fernsehsignal, das große Helligkeiten hervorruft,
besteht, der Wert V so begrenzt wird, daß T112 das ferro:magnetische Material nicht
außerhalb des Sättigungsbereiches bringt. Andererseits wird ein weniger starker
Impuls so groß gemacht, daß er ungefähr -den Wort T12 erreicht. Dies wird durch
die Gammakorrektion in Fernsehverstärkern. des üblichen Fernsehempfängers mit einem
zusätzlichen Impuls von konstanter Amplitude V/2 erreicht. An Stelle der ferroelektrischen
Schicht 9 (in Fig. 6) kann auch eine Schicht aus einem Polaristor verwendet werden.
Die Arbeitsweise ist dann ähnlich, da diese Schicht auch eine- Impedanz aufweist,
welche groß ist für einen Impuls von kleiner Amplitude und klein. für einen Impuls
von großer Amplitude. Daraus folgt, daß, wie in: dem vorangegangenen Beispiel, im
wesentlichen die ganze Amplitude an dem Leuchtstoff im Zwischenraun
zwischen
den Leitern erscheint, welche also. den Impuls V erhält, während der unerwünschte
Impuls PI2, der zwischen den verbundenen und den unverbundenen Leitern erscheint,
in seiner Amplitude sehr reduziert ist, vorausgesetzt, die Impedanzen des Leuchtstoffes
und der Schicht aus Polaristoren sind in geeigneter Weise angepaßt. Die Widerstände,
14 und 15, die Schienen 12 und 13 und die Spannungsquelle 16 können bei Verwendung
einer Polaristorschicht weggelassen werden.