DE19601138A1 - Anzeigevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Plasmaanzeigevorrichtungen der eingangs genannt Art ermöglichen Farbanzeigebil­ der hoher Auflösung und sind von relativ kompakter Bauweise. Die gegenwärtigen Plasmaanzeigevorrichtungen weisen jedoch einen relativ schlechten Wirkungsgrad auf, wobei der Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer Energie in Lichten­ ergie unter 1 lm/W liegt, was beträchtlich geringer ist als derjenige einer Kathoden­ strahlbildröhre, der etwa 4 lm/W beträgt. Plasmaanzeigevorrichtungen benötigen weiterhin hohe Zündspannungen, welche lediglich durch teuere elektronische Trei­ berschaltungen erzeugt werden können.

Existierende Plasmaanzeigevorrichtungen arbeiten auf folgende Weise: die hohe Span­ nung zwischen der Anode und der Kathode erzeugt einen Kathodenfallbereich vor der Kathode, durch welchen Plasmaionen in Richtung der Kathode beschleunigt werden. Die Ionen treffen auf die Oberfläche der Kathode auf und ihre Energie wird in Hitze und in die Erzeugung von sekundären Elektronen umgewandelt, wobei deren Ausbeute proportional ist zur Austrittsarbeit des Kathodenmetalls. Die Sekundäre­ lektronen driften durch das Gasplasma und führen ionisierende Kollisionen mit den Gasatomen aus und halten somit das Gasplasma aufrecht. Die Sekundärelektronen regen weiterhin neutrale Atome zum Resonanzzustand an, wobei die Gasmischung so gewählt wird, daß sie Gasarten enthält, deren Resonanzpunkt im violetten bis ultra-violetten (VUV) Bereich des Spektrums liegt, so daß, wenn die Atome in ihren neutralen Zustand zurückfallen, sie ihre Energie als Strahlung im VUV-Bereich ab­ geben. Phosphor in der Anzeigevorrichtung wandelt die VUV-Strahlung durch den Mechanismus der Photolumineszenz in sichtbares Licht um.

Das Ionenbombardement der Metallkathode, das benötigt wird, um eine Glimment­ ladung aufrecht zu erhalten, bewirkt jedoch, daß Sekundärelektronen nicht wirksam erzeugt werden. Die Ausbeute von einer typischen Oberfläche mit niederen Aus­ trittsarbeit ist weniger als 10%. Wo die Sekundäremission dazu verwendet wird, Ladungsträger in einer kleinen Zelle zu erzeugen, wird weiterhin die Anzahl der Träger wegen der hohen Diffusionsverluste zu den Wänden der Zelle rasch abgerei­ chert.

Es bestehen schon Vorschläge für ebene Anzeigevorrichtungen, die eine Matrix von Feldemittern enthalten, wobei diese Emitter der Klasse der Dünnfilmstrukturen zu­ zuordnen sind, welche mikroskopische Punkte, Ecken oder Diskontinuitäten enthal­ ten, welche bei Raumtemperatur eine freie Elektronenemission aufweisen, wenn ein Gatter oder Elektrode in unmittelbarer Nähe auf eine positive Spannung geladen wird, üblicherweise im Bereich von 10 bis 100 Volt. Die emittierten Elektronen wer­ den in Richtung einer Phosphorschicht beschleunigt, wo sie eine Kathodenlumines­ zenz bewirken, was dem Lichterzeugungsmechanismus in einer Kathodenstrahlröhre entspricht.

Phosphor weist jedoch einen geringen Wirkungsgrad (von etwa 1%) bei niedrigen Kathodenlumineszenzspannungen von etwa 400 Volt auf, soweit bisher verwendet. Versuche, den Wirkungsgrad durch Erhöhen der Anodenspanne in den Bereich von Kilovolt zu erhöhen, führt jedoch zu Problemen bei der Herstellung der Anzeigevor­ richtungen, die in der Lage sind, bei diesen Spannungen betrieben zu werden.

Es besteht die Aufgabe, die Anzeigevorrichtung so zu verbessern, daß sie einen höheren Wirkungsgrad aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Aus­ gestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Kathode weist eine feldemittierende Quelle auf, die eine Ionisation des Ga­ ses in der Zelle und die Erzeugung von Strahlung bewirkt. Die feldemittierende Quelle besteht bevorzugt aus einer Vielzahl von Konen, welche aus Silizium beste­ hen können. Nahe der feldemittierenden Quelle kann eine Gatterschicht angeordnet sein. Alternativ dazu kann die feldemittierende Quelle aus einem Material mit einer negativen Elektronenaffinität bestehen, wie beispielsweise aus Diamant. Die Anzei­ gevorrichtung weist bevorzugt eine Vielzahl von Zellen auf, in denen eine Kathode und eine Anode innerhalb der Zelle freiliegend angeordnet ist, so daß in jeder Zelle Gas ionisiert werden kann. Die Zellen sind bevorzugt voneinander durch eine Viel­ zahl von Wände und Barrieren getrennt, die rechtwinklig zueinander verlaufen. Die Wände und Barrieren sind bevorzugt gegenüber Strahlung undurchlässig, so daß die in einer Zelle erzeugte Strahlung nicht in benachbarte Zellen eindringen kann. Die verschiedenen Zellen können unterschiedliche Fluoreszenzschichten aufweisen, die in unterschiedlichen Farben, wie beispielsweise rot, grün und blau fluoreszieren. Die Vorrichtung weist bevorzugt eine obere Platte und eine untere Platte auf, wobei die Kathode an der unteren Platte angeordnet ist und die obere Platte gegenüber sichtbarer Strahlung transparent, jedoch gegenüber UV- und VUV-Strahlung re­ flektierend wirkt.

Ausführungsbeispiele von Anzeigevorrichtungen werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Anzeigevorrichtung;

Fig. 2 ein Schnitt durch die Anzeigevorrichtung längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Feldemitter der Anzeigevorrichtung längs der Linie III-III in Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform eines Feldemitters;

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer weiteren Ausführungsform einer Anzei­ gevorrichtung;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5;

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Anzeigevorrichtung und

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 3 weist die Anzeigevorrichtung eine obere Platte 10 eines dielektrischen Materials, wie beispielsweise Glas auf, welches für Licht im sichtbaren Teil des Spektrums transparent ist. Die Platte 10 ist etwa 1 mm dick. Eine untere Platte 11, bevorzugt aus dem gleichen Material, oder einem Material mit einer gleichen thermischem Expansion, erstreckt sich parallel zur oberen Platte 10. Die obere Platte 10 wird durch periphere Wände 12 von der unteren Platte 11 getragen, wobei diese Wände 12 durch Ätzen der unteren Platte hergestellt werden können. Die Wände 12 sind typischerweise etwa 100 µm hoch, können jedoch auch geringere Höhen aufweisen. Die Wände 12 sind abgedichtet mit der Unterseite der oberen Platte 10 zur Bildung einer geschlossenen Baueinheit. Innerhalb der Baueinheit wird die obere Platte 10 durch parallel zueinander verlaufende Wände 13 getragen, die über die gesamte Anzeigevorrichtung hinweg zueinander gleiche Abstände aufweisen, so daß die Anzeigevorrichtung in parallele Spalte aufgeteilt ist. Die Wände 13 erstrecken sich nicht ganz über die Anzeigevorrichtung hinweg, sondern sind längs einer Seite von den peripheren Wänden 12 durch einen schmalen Kanal 14 getrennt, welcher eine Gasverbindung zwischen den verschiedenen Spalten ermöglicht. Die Anzeigevorrichtung ist weiterhin in parallele Reihen durch eine Anzahl von parallelen Barrieren 15 unterteilt, welche rechtwinklig zu den Wänden 13 verlaufen. Die Barrieren 15 sind niedriger als die Wände 13, so daß ein schmaler Spalt zwischen der Oberseite der Barrieren und der Unterseite der oberen Platte 10 gebildet wird, wie dies die Fig. 2 zeigt. Dies ermöglicht einen Gasfluß längs der Spalten der Anzeigevorrichtung. Die Wände 13 und die Barrieren 15 unterteilen die Anzeigevorrichtung in einzelne Pixel oder Zellen 2, von denen jede etwa 0,3 mm im Quadrat mißt.

Die untere Oberfläche der oberen Platte 10 ist mit einer dielektrischen Schicht 16 beschichtet, welche Strahlung im UV- und VUV-Teil des Spektrums reflektiert, jedoch für sichtbares Licht von blau bis rot transparent ist. Die Wände 13 und die Barrieren 15 sind bevorzugt mit einer Aluminiumschicht 17 beschichtet, welche Strahlung im UV- und sichtbaren Teil des Spektrums reflektiert, so daß die in ei­ ner Zelle 2 erzeugte Strahlung nicht zu benachbarten Zellen übertragen wird. Die Wände 13 und die Barrieren 15 können für Strahlung auch auf andere Weise un­ durchlässig gemacht werden. Auf der Schicht 17 ist eine Fluoreszenzschicht 18 aus Phosphormaterial angeordnet. Die Fluoreszenzschicht 18 besteht aus einer von drei verschiedenen Phosphorarten, welche Strahlung in rot, blau oder grün emittieren, wobei die Zellen 2 längs jeder Reihe und Spalte in rot, blau und grün angeordnet sind. Die Fluoreszenzschicht 18 setzt sich über die Unterseite der oberen Platte 10 hinweg fort und über die obere Seite der unteren Platte 11 in den Bereichen, wo die Platten nicht mit den Anzeigeelektroden 20 und 21 belegt sind.

Die oberen Elektroden 20 sind die Anoden und werden gebildet durch parallele Leiterspuren, die sich zentral längs der Länge jeder Spalte an der Unterseite der oberen Platte 10 erstrecken. Jede Anodenspur 20 wird bevorzugt gebildet durch eine Schicht eines leitfähigen Materials, wie beispielsweise Zinnoxid, Indiumzinnoxid oder Aluminium, wobei die Schicht dünn genug ist, um gegenüber sichtbarer Strahlung transparent zu sein.

Die unteren Elektroden 21 bilden Kathodenspuren auf der oberen Oberfläche der unteren Platte 11, welche sich rechtwinklig zu den Anodenspuren 20 erstrecken und in größerem Maßstab in Fig. 3 gezeigt sind. Jede Kathodenspur ist ein Dünn­ filmfeldemitter, bestehend aus einem Streifen 22 aus Silizium oder Metall, wie bei­ spielsweise Molybdän, mit einer Anzahl von vertikalen Konen 23. Jeder Konus wird durch Niederschlag, Ätzen, mechanisches Bearbeiten oder irgendeiner anderen Technik hergestellt. Sie sind typischerweise etwa 1 bis 2 µm hoch. Eine leitende Gatterschicht 24 ist im Bereich der Konen 23 angeordnet und von der Silizium­ schicht 22 durch eine Isolierschicht 25 getrennt. Eine Gatterschicht ist nicht stets erforderlich, beispielsweise wenn ein geringer Abstand zwischen der Anode und der Kathode besteht. Die Konen 23 erstrecken sich in Öffnungen 26 in der Gatter­ schicht 24, sind durch diese Öffnungen freiliegend und können aus unbeschichteten Molybdän bestehen oder beschichtet sein mit einem zweiten Material, um die Emis­ sionsfähigkeit oder andere Eigenschaften zu verbessern, wie beispielsweise mit einem halbleitenden polykristallinen Diamantfilm oder einem amorphen Diamantfilm 27. Die Spitzen der Konen 23 haben die Eigenschaften der mikroskopischen Bildung der Emission freier Elektronen. Der Diamantfilm übt eine negative Elektronenaffinität und eine niedere Arbeitsfunktion im Vergleich zum Konusmaterial aus, wodurch die Emissionsfähigkeit der Konen erhöht wird.

Eine alternative Feldemissionsstruktur ist in Fig. 4 gezeigt. Bei dieser Struktur ist das Substrat 22′ mit einem Muster einer Metallelektrodenschicht 23′ versehen sowie darauf mit einer halbleitenden Diamantfilmschicht 27′. Die Oberfläche des Feld­ emitters ist glatt, wobei die feldemittierenden Eigenschaften ausschließlich aufgrund der feldemittierenden Art des Diamantmaterials erreicht wird. Andere Materialien mit einer negativen Elektronenaffinität können ebenfalls verwendet werden. Es ist keine Gatterschicht vorhanden.

Die Anodenspuren 20 und die Kathodenspuren 21 erstrecken sich zu einer konven­ tionellen Adressen- und Treibereinheit 30. Da die Anoden- und Kathodenspuren 20 und 21 innerhalb jeder Zelle freiliegen, kann eine Spannung über beliebige Zellen 2 durch entsprechende Ansteuerung der geeigneten Kombination von Anode und Kathode angelegt werden.

Die Anzeigevorrichtung und ihre Zellen 2 sind mit einem Inertgas gefüllt, wie bei­ spielsweise mit Xe oder einem Gasgemisch wie beispielsweise Ar-Xe, Ne-Xe, Ne- Ar-Xe. Xe erzeugt einen intensiven Strahlungsschauer von 157 nm (liegt also im VUV-Bereich), wenn durch eine Gasentladung angeregt.

Eine relativ niedrige Spannung zwischen 30 und 100 V wird über eine ausgewählte Zelle 2 angelegt, welche wie eine Townsend-Entladevorrichtung arbeitet. Die Fel­ demissionsmatrix erzeugt primäre Elektronen, welche das Gas durch Kollision in einem schwach ionisierten Plasma anregen. Neutrale Atome werden sodann durch die Plasmateilchen zur Strahlung im VUV-Bereich angeregt. Die VUV-Photonen treffen auf die Phosphorschicht 18 auf und bewirken dort eine Fluoreszenz in sicht­ baren Wellenlängen entweder in den Farben rot, grün oder blau des Spektrums. Der Mechanismus, durch welchen sichtbare Strahlung erzeugt wird, ist daher vollständig unterschiedlich von den vorbekannten Anzeigevorrichtungen, welche Feldemitter ver­ wenden, wo die Energie der erzeugten Elektronen dazu verwendet wird, durch di­ rekte Kollision der Elektronen mit einer Phosphorschicht eine Kathodenlumineszenz zu erzeugen.

Die Reflektionsschicht 16 an der oberen Platte 10 und die Aluminiumschicht 17 an den Wänden 13 und den Barrieren 15 unterstützen die Begrenzung der VUV- Strahlung auf das Innere der Zelle 2, um die Wahrscheinlichkeit der photolumi­ neszenten Umsetzung in der Phosphorschicht 18 zu erhöhen. Die untere Fläche der unteren Platte 11 kann ebenfalls mit einer Reflektionsschicht 19 versehen sein, welche sowohl die VUV- als auch die sichtbare Strahlung nach oben in die darüber­ liegende Zelle 2 reflektiert. Die in den Zeichnungen gezeigten Zellenaufbauten stellen nicht notwendigerweise das Optimum für den höchsten Kopplungswirkungsgrad zwi­ schen der VUV-Strahlung und der Phosphorschicht dar. Andere Konfigurationen, welche vom Vorteil der Feldemitterplasmainitiierung und -struktur innerhalb der Zelle Gebrauch machen, können empirisch bestimmt werden zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Lichtkonversion innerhalb der Zelle.

Die Anzeigevorrichtung benötigt lediglich eine geringe Initialspannung und deshalb sind lediglich Treiberschaltungen geringer Spannung erforderlich, die mit geringe­ ren Kosten herstellbar sind, kompakter und leichter sind und eine geringere Hitze entwickeln, als dies bei konventionellen Plasmaanzeigevorrichtungen der Fall ist. Die Anzeigevorrichtung kann Gas oder ein Gasgemisch zur Optimierung einer ho­ hen UV-Strahlung verwenden, womit Xenon umfaßt ist. Da die Anzeigevorrich­ tung bei relativ hohem Druck (im Bereich von 250-500 Torr) betrieben werden kann, verglichen mit konventionellen Entladeanzeigevorrichtungen, vereinfacht dies die Konstruktion der Anzeigevorrichtung, da es nicht notwendig ist, einen Aufbau und Abdichtungen vorzusehen, die in der Lage sind, einem hohen Unterdruck stand­ zuhalten. Der Wirkungsgrad der Anzeigevorrichtung bei der Umsetzung von elek­ trischer Energie in sichtbare Energie kann sehr hoch sein. Es findet auch keine Aufwärmverzögerung wie bei konventionellen kalten Kathodenanzeigevorrichtungen statt, so daß die Anzeigevorrichtung sofort betriebsbereit ist und mit ihr sich rasch ändernde Anzeigebilder erzeugt werden können.

Verschiedene alternative Ausführungsformen sind möglich, wie sie beispielsweise in den Fig. 5 und 6 gezeigt sind. Bei dieser Anzeigevorrichtung weist die obere Platte 110 zwei Elektroden 120 und 120′ auf, welche Wechselstromelektroden sind, bei denen die eine als Anode und die andere als Kathode wirkt. Die Feldemitterka­ thode 121 an der unteren Platte 111 ist nahe einer Gatterelektrode 122 angeordnet. Die Feldemitterkathode mit dem Gatter ionisiert das Gas vor, um zu ermöglichen, daß die Wechselstromelektroden bei einer geringen Zündspannung Plasma erzeugen, wobei diese Spannung geringer ist als sonst benötigt. Die Wechselstromelektroden können bei einer Spannung betrieben werden, die geringer ist, als diejenige, die zur Erzeugung eines Plasmas erforderlich ist, so daß Plasma erzeugt wird, wenn der Fel­ demitter bestromt wird. Der Feldemitter mit Gatter kann auch dazu dienen, eine höhere Stromdichte in der Plasmazelle zu erzeugen, damit sich hellere Pixel oder ein Grauton ergeben.

Bei der Anordnung nach den Fig. 7 und 8 sind zwei Feldemitterelektroden 121 und 121′ an der oberen Platte 210 angeordnet, welche als Wechselstromelektroden arbeiten, so daß die eine als Anode und die andere als Feldemitterkathode wirkt.

Claims (10)

1. Anzeigevorrichtung zur Erzeugung von Strahlung, bestehend aus einer abge­ dichteten, ein ionisierbares Gas enthaltenden Baueinheit, einer Fluoreszenz­ schicht auf einem Teil der Baueinheit, welche in der Baueinheit emittierte Strahlung in sichtbare Strahlung umsetzt und mit mindestens einer als Anode arbeitenden ersten Elektrode und mit mindestens einer als Kathode arbeiten­ den zweiten Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (21) eine feldemittierende Quelle (23, 27′) aufweist, die eine Ionisation des Gases in der Baueinheit und die Erzeugung von Strahlung bewirkt.

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die feldemittierende Quelle eine Vielzahl von Konen (23) ist.

3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ko­ nen (23) aus Silizium bestehen.

4. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anzeigevorrichtung nahe der feldemittierenden Quelle (23) eine Gatterschicht (24) umfaßt.

5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fel­ demittierende Quelle durch ein Material (27, 27′) mit negativer Elektronenaf­ finität gebildet wird.

6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus Diamant besteht.

7. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung aus einer Vielzahl von Zellen (2) besteht, und daß die Kathode und die Anode innerhalb jeder Zelle freiliegen, womit das Gas in jeder Zelle ionisierbar ist.

8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zel­ len (2) durch eine Vielzahl von Wänden (13) und eine Vielzahl von Barrieren (15) voneinander getrennt sind, wobei die Wände (13) und die Barrieren (15) rechtwinklig zueinander verlaufen und daß die Wände und Barrieren weitge­ hend strahlenundurchlässig sind, so daß die in jeder Zelle (2) erzeugte Strah­ lung im wesentlichen daran gehindert wird, in benachbarte Zellen einzudrin­ gen.

9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ver­ schiedene Zellen (2) unterschiedliche Fluoreszenzschichten (18) aufweisen, die in unterschiedlichen Farben fluoreszieren.

10. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Baueinheit eine obere Platte (10) und eine untere Platte (11) aufweisen und daß die Kathode (21) an der unteren Platte angeordnet ist und daß die obere Platte gegenüber sichtbarer Strahlung transparent ist, jedoch UV- und VUV-Strahlung reflektiert.