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Mehrschichtiger Festkörperbildschirm Zur Steuerung der Helligkeit
der einzelnen Bildelemente eines Festkörperbildschirms sind mehrere verschiedene
Schaltungen bekannt. Der Bildschirm besteht hierbei aus zahlreichen Bildelementen,
z. B. Elektrolumineszenzzellen. Die Schaltungen enthalten im allgemeinen eine oder
mehrere konstante Wechselspannungsquellen, die an die Elektrolumineszenzzellen zwecks
ihrer Erregung angelegt werden, und einen oder mehrere nichtlineare dielektrische
Kondensatoren, die mit der Elektrolumineszenzzelle verknüpft sind, deren effektive
Kapazität bei Anlegung einer Steuergleichspannung eine erhebliche Änderung erleidet.
Die Kapazitätsänderungen führen zu einer Änderung des Wechselspannungsabfalls an
der Elektrolumineszenzzelle und dadurch zu einer Änderung der Helligkeit. Der nichtlineare
dielektrische Kondensator kann z. B. ein Ferroelektrikum enthalten. Als solches
können Bariumtitanat oder Bariumstrontiumtitanat dienen.
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Diese Bildschirme sind recht schwierig herzustellen. Da jedes Schirmelement
zwecks Erzielung einer hohen Auflösung möglichst klein sein soll, ist die Bildung
und Verbindung körperlich getrennter Elemente unmöglich. Man könnte die nichtlinearen
dielektrischen Kondensatoren aus einer geschichteten Platte herausarbeiten, die
aus einem keramischen nichtlinearen dielektrischenMateralzwischenzweileitendenFolienbesteht.
Dasi nach der spanabhebenden Bearbeitung stehenbleibende leitende Material dient
als Anschluß der äußeren Spannungsquellen sowie als Kond'ensatorbelegung. Dies erfordert
aber eine sehr heikle Fräsarbeit.
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Ein unveröffentlichter Vorschlag betrifft ein anderes Verfahren, wonach
die Elektrolumineszenzschicht, die nichtlineare dielektrische Schicht und die erforderlichen
Elektroden aus mehreren getrennten Schichten zusammengesetzt werden. Hierbei hat
die Elektrolumineszenzschicht eine zusammenhängende Vorderelektrode und einzelne
Hinterelektroden, so daß sich zahlreiche Bildelemente in einem Stück ergeben. Eine
Schicht aus nichtlinearer dielektrischer Masse, im allgemeinen in keramischer Form,
mit Elektroden, Anschlußschienen und gegebenenfalls anderen Teilen zur Steuerung
und Signalverteilung, die aufgedruckt oder anderweitig darauf angebracht sind, wird
mit der Elektrolumineszenzschicht in Berührung gebracht. Dieses Herstellungsverfahren
läßt sich leicht ohne kostspielige spanabhebende Bearbeitung durchführen. Die Erfindung
betrifft einen derartigen mehrschichtigen Bildschirm, bei dem die einzelnen Bildelemente
Brückenschaltungen darstellen, die eine besonders große Helligkeitsänderung für
ein gegebenes Steuersignal ergeben. Die Brückenschaltung für die Steuerung der Helligkeit
einer Elektrolumineszenzzelle wurde bereits früher vorgeschlagen. Hierbei befinden
sich in jedem Bildelement zwei nichtlineare dielektrische Kondensatoren in den beiden
Brückenzweigen, während die Elektrolumineszenzzelle in der Brückendiagonale liegt.
Das Steuersignal muß hierbei an derjenigen Stelle anaelegt werden, die den beiden
Kondensatoren und der Elektrolumineszenzzelle gemeinsam ist. Auch ein Herstellungsverfahren
für einen derartigen mehrschichtigen Bildschirm mit Brückenschaltung wurde bereits
früher vorgeschlagen. Der so hergestellte Festkörperbildschirm hat jedoch den Nachteil,
daß die Steuerelektrode sich innerhalb des Schirms befindet und besondere Mittel
vorgesehen werden müssen, um das Steuersignal jedem Bildelement zuzuführen. Die
Steuersignale müssen hierbei von der Rückseite des Schirms durch die nichtlineare
dielektrische Schicht hindurch zur Grenze zwischen dieser Schicht und der Elektrolumineszenzschicht
gebracht werden.
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Bei einer anderen bekannten Brückenschaltung für einen Festkörperbildschirm
mit drei nichtlinearen Kondensatoren und einer elektrolumineszenten Zelle liegt
die letztere zusammen mit einem nichtlinearen Kondensator und einer weiteren Spannungsquelle
in der Brückendiagonale. Diese Brückenschaltung hat die gleichen Nachteile, da für
jedes Bildelement drei getrennte ferroelektrische Schichten benötigt werden und
die zugeordnete Steuerelektrode so angeordnet
sein muß, daß jedem
Bildelement drei gesonderte Kondensatoren zugeordnet sind. Der Betrieb dieses bekannten
Festkörperbüdschirms macht es erforderlich, Steuerimpulse mehreren Elektroden zuzuführen,
die mindestens teilweise zwischen den ferroelektrischen Schichten und der Elektrolumineszenzschicht
angeordnet sind.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten
mehrschichtigen Festkörperbildschirms,bei dem die Steuersignale an einer Außenfläche
zugeführt werden können.
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Der erfindungsgemäße mehrschichtige Festkörperbildschirm mit einer
gemeinsamen Elektrolumineszenzschicht für eine Vielzahl unabhängig steuerbarer Bildelemente
und einem Steuerteil, dem die Eingangssignale für die einzelnen Bildelemente zugeführt
werden und der ein nichtlineares Dielektrikum enthält, ist dadurch gekennzeichnet,
daß das nichtlineare Dielektrikum im Steuerteil in Form einer der Elektrolumineszenzschicht
benachbarten Schicht eines nichtlinearen Dielektrikums vorliegt und daß auf der
freien Oberfläche des nichtlinearen Dielektrikums Steuerelektroden periodisch derart
angeordnet sind, daß jedem Bildelement eine Steuerelektrode zugeordnet ist, die
im Zusammenwirken mit drei an der gegenüberliegenden, der Elektrolumineszenzschicht
zugekehrten Fläche des nichtlinearen Dielektrikums angebrachten Elektroden für jedes
Bildelement drei nichtlineare Kondensatoren definiert, deren Kapazität durch der
Steuerelektrode zugeführte Eingangssignale veränderbar ist, derart, daß die nichtlinearen
Kondensatoren und die Elektrolumineszenzschicht mit den das Leuchten derselben anregenden
Wechselspannungsquellen, die an zwei der drei genannten Elektroden und eine durchgehende
Elektrode auf der Außenseite der Elektrolumineszenzschicht angeschlossen sind, eine
Brückenschaltung bilden, in deren Diagonale sich die Elektrolumineszenzschicht in
Reihe mit einem der drei nichtlinearen Kondensatoren befindet, so daß eine Kapazitätsänderung
der nichtlinearen Kondensatoren durch Anlegung eines Bildsignals an die Steuerelektrode
des betreffenden Bildelements eine Feldstärkenänderung des in der Elektrolumineszenzschicht
auftretenden Wechselfeldes hervorruft.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung. Hierin ist Fig.1 ein vergrößerter
Querschnitt eines erfindungsgemäßen Festkörperbildschirms, Fig.2 ein auseinandergezogenes
Schrägbild der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 3 das Ersatzschaltbild einer früher vorgeschlagenen
Bückenschaltung für das jeweilige Bildelement und Fig.4 das Ersatzschaltbild der
Anordnung nach Fig. 1 und 2.
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Der Festkörperbildschirm nach Fig. 1 und 2 besitzt einen durchgehenden
lichterzeugenden Teil 10
mit einer Schicht 12, die aus einem elektrolumineszenten
Phosphor und einem dielektrischen Bindemittel besteht. Eine zusammenhängende lichtdurchlässige
Elektrode 14 befindet sich an der Vorderseite der Elektrolumineszenzschicht 12,
während für jedes Bildelement eine Elektrode 16 an der Rückseite dieser Schicht
angeordnet ist. In Berührung mit der Vorderelektrode 14 befindet sich ein Träger
18, der für das von der Elektrolumineszenzschicht 12 erzeugte Licht durchlässig
ist und z. B. aus Glas besteht. Die zusammenhängende Frontelektrode 14 kann in bekannter
Weise durch Aufbringung von Zinnoxyd auf den Träger 18 hergestellt werden. Die Hinterelektroden
16 können durch Aufdampfen eines leitenden Werkstoffs, wie Aluminium, durch ein
entsprechendes Sieb hindurch hergestellt werden. Die Elektrolumineszenzschicht 12
ist bekannt. Sie kann z. B. aus mit Kupfer aktiviertem Zinksulfid in einem Bindemittel
aus Polyvinylchlorid bestehen.
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Gegenüber den Elektroden 16 der Elektrolumineszenzschicht 12 befindet
sich ein Steuerteil 20, der aus einer nichtlinearen dielektrischen Schicht 22 mit
verschiedenen periodisch angeordneten Elektroden 24 bis 27 besteht. Jedes durch
die Elektroden 16 definierte Bildelement besitzt vier Elektroden 24 bis 27,
die an der nichtlinearen dielektrischen Schicht 22 angebracht sind. Ein einzelnes
Bildelement des Schirms ist in Fig. 1 von der gestrichelten Linie umschlossen gezeigt.
Nicht alle dieser vier Elektroden sind aber auf ein einziges Bildelement beschränkt.
Auf der Vorderseite der dielektrischen Schicht 22 erstrecken sich zwei parallele
Streifenelektroden 25 und 26 von verhältnismäßig geringem Querschnitt über eine
ganze Bildelementreihe bis zu den Kanten der Anordnung. Zwischen den beiden Streifenelektroden
25 und 26 jedes Bildelements befindet sich eine Ausgangselektrode 27, welche die
elektrische Verbindung der dielektrischen Schicht 22 mit den hinteren Elektroden
16 der Elektrolumineszenzschicht 12 herstellt. Auf der Rückseite der dielektrischen
Schicht 22 befinden sich Steuerelektroden 24, deren Fläche jeweils derjenigen der
Hinterelektroden 16 der Elektrolumineszenzschicht 12 entspricht.
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Ein nichtlineares Dielektrikum ist bekanntlich ein Material, bei dem
die veränderliche Komponente der elektrischen Verschiebung vom Durchschnittswert
eines angelegten periodischen elektrischen Feldes abhängt. Lineare Dielektrika sind
demgemäß solche Substanzen, bei denen die veränderliche Komponente der elektrischen
Verschiebung unabhängig von diesem Durchschnittswert ist. Die Bedeutung dieser Unterscheidung
wird nachstehend bei der Beschreibung der Arbeitsweise der Anordnung noch hervortreten.
Das nichtlineare Dielektrikum 22 kann z. B. aus einem der bekannten sogenannten
ferroelektrischen Stoffe bestehen, insbesondere denjenigen vom Typ des Bariumtitanats.
Hierzu gehören z. B. Bariumtitanat, Bariumstrontiumtitanat, Bariumstannat, Natriumcolumbat,
Natriumtantalat, Kaliumcolumbat und Kaliumtantalat. Die Herstellung einer keramischen
Platte aus einem solchen Werkstoff, die zur Verwendung als Schicht 22 geeignet ist,
ist beschrieben in einem Aufsatz von Callahan und Murray in Buletin of the American
Ceramic Society, Mai 1954, S. 131 ff.
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Zwischen dem lichterzeugenden Teil 10 und dem Steuerteil 20
befindet sich eine Schicht 30 aus Isoliermaterial. Diese Schicht 30 enthält leitende
Teile 35, 36 und 37, die in Berührung mit den Elektroden 25, 26 bzw. 27 auf der
Rückseite der nichtlinearen Schicht 22 stehen. Zwei Leiter 35 und 36 in Form von
Anschlußschienen stehen in Berührung mit den Streifenelektroden 25 bzw. 26 jedes
Elements. Für jedes Element ist ein durch die Schicht hindurchreichender Leiter
37 vorgesehen, der in Berührung mit der Elektrode 27 der Dielektrikumschicht 22
und der rückseitigen Elektrode 16 der Elektrolumineszenzschicht 22 steht. Die Verwendung
der Isolierschicht 30 ist nicht unbedingt erforderlich, aber bei manchen Anwendungen
vorteilhaft.
Manchmal ist es auch nicht nötig, die Anschlußschienen zusätzlich zu den Streifenelektroden
zu verwenden. Das Isoliermateria130 kann z. B. aus einem Kunstharz oder einem sonstigen
Kunststoff bestehen, der in eine Form eingegossen wird, in der die Leiter 35 bis
37 angeordnet sind. Nach dem Aushärten des Isoliermaterials ergibt sich eine feste
Platte, die mit dem Elektrolumineszenztei110 und dem Steuerteil 20 der Anordnung
vereinigt werden kann. Man könnte auch so vorgehen, daß ein geschmolzenes Metall
in einem entsprechenden Muster in eine mit entsprechenden Aussparungen gegossene
Glasplatte eingefüllt wird.
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Es wurde gefunden, daß ein anderes Herstellungsverfahren der Anordnung
nach Fig. 1 und 2 noch vorteilhafter ist. Hierbei beginnt man mit der Herstellung
des Steuerteils 20 und bringt darauf die Elektrolumineszenzschicht 12 in Form des
elektrolumineszenten Phosphormaterials mit einem Bindemittel aus einem Kunststoff
oder Glas auf. Bei Verwendung eines Kunststoffs als Bindemittel kann eine lichtdurchlässige
Frontelektrode 14 aus aufgedampftem Gold verwendet werden. Wenn dagegen ein Bindemittel
aus Glas Verwendung findet, das in Form einer Fritte mit dem darin eingearbeiteten
elektrolumineszenten Material auf den Steuerteil aufgebracht wird, ergibt sich nach
dem Brennen der Fritte eine spiegelglatte Oberfläche, auf die eine lichtdurchlässige
leitende Schicht aus Zinnoxyd in bekannter Weise aufgebracht werden kann. Dieses
Herstellungsverfahren wird bevorzugt, weil bei getrennter Herstellung des lichterzeugenden
Teils 10 und des Steuerteils 20 eine große Gleichmäßigkeit in der Oberflächenbeschaffenheit
erforderlich ist, damit die beiden Schichten mit gleichmäßigem Kontakt bei allen
Bildelementen zusammenpassen. Es sind aber bei dem letzteren Herstellungsverfahren
geeignete Vorkehrungen, z. B. eine undurchsichtige Zwischenschicht, erforderlich,
um das Auftreten von hellen Stellen infolge direkter Erregung der Elektrolumineszenzschicht
12 durch die Anschlußschienen 25 und 26 zu verhindern.
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Zwecks Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung wird auf Fig.4
verwiesen, die ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 und 2 gezeigten Bildschirms zeigt.
Die Teile eines Bildelements sind von der gestrichelten Linie umgeben. Lichtenergiequellen
40 und 41 und eine Gleichspannungsquelle 42 sind mit den Streifenelektroden 25 und
26 bzw. den Anschlußschienen 35 und 36 und der Frontelektrode 1.4 der Elektrolumineszenzschicht
verbunden. Letztere wird vorzugsweise auf Erdpotential gehalten. Diese Spannungsquellen
40, 41 und 42 können zahlreichen oder allen Bildelementen des Bildschirms
gemeinsam sein, d. h., mehrere Paare von Streifenelektroden 25 und 26 können parallel
an die Spannungsquellen 40, 41 und 42 angeschlossen sein. Die Lichtenergiequellen
40 und 41 sollen ein elektrisches Wechselfeld an die Elektrolumineszenzzelle
10 jedes Bildelements anlegen. Sie stellen somit Wechselstromquellen dar,
die z. B. Spannungen von etwa 300 bzw. 100 Volt ,ff. bei 400 Hz liefern. Die Gleichspannungsquelle
42 gibt z. B. etwa 300 Volt ab. Das Steuersignal für jedes Element wird der Steuerelektrode
24 zugeführt, die sich erfindungsgemäß auf der Rückseite des Bildschirms befindet,
wie aus Fig. 1 und 2 hervorgeht. Die Steuergleichspannung ändert den effektiven
Wechselstromwiderstand der nichtlinearen dielektrischen Kondensatoren 60 und 61
gegenüber der von den Lichtenergiequellen 40 und 41 gelieferten Wechselspannung.
Diese Impedanzänderung rührt von der nichtlinearen Eigenschaft der Dielektrika der
Kondensatoren 60 und 61 her. Die Feldstärke an der Elektrolumineszenzschicht 12
wird dadurch geändert, was eine Änderung der Lichtausbeute ergibt.
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Fig. 3 zeigt die früher vorgeschlagene @Brückenschaltung, bei der
nur zwei nichtlineare Kondensatoren 50 und 51 je Bildelement vorhanden sind. Hierbei
muß aber das Steuersignal zwischen diesen Kondensatoren und der Elektrolumineszenzschicht
52 zugeführt werden. Dies führt zu den obenerwähnten Herstellungsschwierigkeiten,
da ein Zugang zu der Steuerelektrode jedes Bildelements an der Vorderseite der nichtlinearen
dielektrischen Schicht geschaffen werden muß. Erfindungsgemäß sind dagegen drei
nichtlineare Kondensatoren 60, 61 und 62 für jedes Bildelement vorgesehen, wie aus
Fig.4 hervorgeht. Der zusätzliche Kondensator 62 liegt in Reihe mit der Elektrolumineszenzzelle
10 in der Brückendiagonale. DerKondensator 62 wird zwischenderSteuerelektrode 24
und der Ausgangselektrode 27 des Steuerteils jedes Bildelements gebildet. Die anderen
beiden Kondensatoren 61 und 62 werden zwischen den Streifenelektroden 25 bzw. 26
und der Steuerelektrode 24 jedes Elements gebildet. Auf diese Weise dient die Steuerelektrode
24 als die eine Belegung sämtlicher drei Kondensatoren 60, 61 und 62.
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Die Schaltung nach Fig. 4 kann in Verbindung mit einer Signalverteilungsschaltung
verwendet werden, mit deren Hilfe die Steuersignale den Steuerelektroden der einzelnen
Bildelemente nacheinander zugeführt werden. Die Signale werden in den einzelnen
Bildelementen gespeichert, bis eine Änderung der Helligkeit der betreffenden Elektrolumineszenzzelle
10 gewünscht wird. Schaltungselemente für diesen Zweck können ebenfalls auf die
Rückseite der nichtlinearen dielektrischen Schicht 22 aufgedruckt oder aufgespritzt
werden, wie es in einem früheren Vorschlag beschrieben wurde. In diesem Falle wird
man die Steuerelektroden 24 der einzelnen Bildelemente in etwas anderer Weise als
gemäß Fig. 1 und 2 anordnen, aber sie befinden sich nach wie vor an der Rückseite
der nichtlinearen dielektrischen Schicht 22, so daß sie leicht zugänglich sind,
und dienen weiterhin als die eine Belegung dreier verschiedener Kondensatoren, deren
andere Belegungen sich auf der anderen Seite der nichtlinearen dielektrischen Schicht
22 befinden. Eine Signalverteilungsschaltung ist schematisch in Fig. 4 mit dem Block
70 bezeichnet, damit die Eingangselektrode 24 des betreffenden Bildelements über
die Leitung 71 verbunden ist. Weitere Leitungen 72 und 73 führen zu anderen Bildelementen,
die von der Bildsignalquelle 70 mit Steuergleichspannungen versorgt werden.
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Bei einer bevorzugten, besonders vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung dient als Steuersignalquelle 70 ein modulierter Elektronenstrahl, und
die Leitungen 71, 72 und 73 werden durch die Bahnen dargestellt, die der Elektronenstrahl
bei der Abtastung des Bildschirms einschlägt. Diese Art der Zuführung des Steuersignals
wäre offensichtlich nicht anwendbar, wenn sich die Steuerelektroden der einzelnen
Bildelemente nicht an der Rückseite des Bildschirms befinden würden. Die Erzeugung
und Ablenkung eines mit einem Bildsignal modulierten Elektronenstrahls ist allgemein
bekannt und braucht deshalb nicht im einzelnen beschrieben zu werden.
Abgesehen
von den- obenerwähnten Vorteilen, die sich bei der Verwendung der erfindungsgemäßen
Festkörperbildschirme ergeben, hat dieser Bildschirm auch noch den Vorteil, daß
an die Elektrolumineszenzschicht 12 keinerlei Gleichspannung gelangen kann und damit
keine Steuerladungen durch die Elektrolumineszenzschicht kurzgeschlossen werden,
da das Steuersignal keiner in Berührung mit der Elektrolumineszenzschicht stehenden
Elektrode zugeführt wird. Auch kann bei richtiger Betriebsweise die Steuerung der
Helligkeit der Elektrolumineszenzschicht 12 durch den zusätzlichen nichtlinearen
Kondensator 62 verbessert werden.