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Die
Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Plasmaanzeigevorrichtungen
der eingangs genannt Art ermöglichen
Farbanzeigebilder 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 Lichtenergie unter 1
lm/W liegt, was beträchtlich
geringer ist als derjenige einer Kathodenstrahlbildröhre, der
etwa 4 lm/W beträgt. Plasmaanzeigevorrichtungen
benötigen
weiterhin hohe Zündspannungen,
welche lediglich durch teuere elektronische Treiberschaltungen erzeugt
werden können.
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Existierende
Plamaanzeigevorrichtungen arbeiten auf folgende Weise: die hohe
Spannung 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 Sekundärelektronen 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 abgeben. Phosphor in der Anzeigevorrichtung
wandelt die VUV-Strahlung durch den Mechanismus der Photolumineszenz
in sichtbares Licht um.
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Das
Ionenbombardement der Metallkathode, das benötigt wird, um eine Glimmentladung
aufrecht zu erhalten, bewirkt jedoch, daß Sekundärelektronen nicht wirksam erzeugt
werden. Die Ausbeute von einer typischen Oberfläche mit niederen Austrittsarbeit 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 abgereichert.
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[Einfügung 1]:
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So
zeigt die
DE 44 09 832 eine
Anzeigevorrichtung vom Gasentladungstyp, bei welcher sowohl eine
Anode als auch ein Kathode innerhalb einer luftdichten gasgefüllten Kammer
einander gegenüberliegend
angeordnet sind. Eine Verbesserung der Lichtausbeute wird bei der
dort gezeigten Anzeigevorrichtung dadurch erreicht, dass dort die
Kathode mit einem Emitter-Material beschichtet ist, welches zum
Absorbieren des ultraviolett emittierenden Gases unfähig ist,
wodurch die Entladung des ultraviolett emittierenden Gases nicht
durch Reduktion behindert wird und andererseits die Farbe der sichtbaren
Strahlung stabil gehalten werden kann.
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Es
bestehen schon Vorschläge
für ebene
Anzeigevorrichtungen, die eine Matrix von Feldemittern enthalten,
wobei diese Emitter der Klasse der Dünnfilmstrukturen zuzuordnen
sind, welche mikroskopische Punkte, Ecken oder Diskontinuitäten enthalten, 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 werden
in Richtung einer Phosphorschicht beschleunigt, wo sie eine Kathodenlumineszenz
bewirken, was dem Lichterzeugungsmechanismus in einer Kathodenstrahlröhre entspricht.
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[Einfügung 2]:
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Ein
Beispiel für
ein derartiges Feldemissionsdisplay zeigt die
DE 42 07 003 , bei der punktförmige Kathoden
als Elektronenemissionsquellen verwendet werden. Bei dem dort gezeigten
Feldemissionsdisplay unter Verwendung eines Vakuums wird zur Verbesserung
der Elektronenproduktion an der Kathode ein Anoden-Kathodenpaar
aus jeweils kegelförmigen
Elektroden und einer zusätzlichen
Gatelektrodenschicht verwendet, deren gegenseitige räumliche
Anordnung sehr genau aufeinander ausgerichtet werden muss. Weiter
werden zur Verbesserung der Produktion von emittierten Elektronen
andere dreidimensionale Strukturen mit komplexem räumlichem
Aufbau zur Bereitstellung von Primär- und Sekundärelektronenquellen
verwendet. Problematisch bei den dort gezeigten Elektronenemissionsquellen sind
die komplexen räumlichen
Anordnungen, welche eine entsprechende anspruchsvolle und genaue Fertigung
erfordern.
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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 Anzeigevorrichtungen, die in der
Lage sind, bei diesen Spannungen betrieben zu werden.
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Es
besteht die Aufgabe, die Anzeigevorrichtung so zu verbessern, daß sie einen
höheren
Wirkungsgrad aufweist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind
den Unteransprüchen
entnehmbar.
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Die
Kathode weist eine durch mindestens eine mikroskopische Oberflächendiskontinuität gebildete
feldemittierende Quelle auf, die eine Ionisation des Gases in der
Zelle und die Erzeugung von Strahlung bewirkt. Die feldemittierende
Quelle besteht bevorzugt aus einer Vielzahl von Konen, welche aus
Silizium bestehen 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 Anzeigevorrichtung 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 Vielzahl
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 Fluorszenzschichten 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 reflektierend
wirkt.
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Ausführungsbeispiele
von Anzeigevorrichtungen werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine erste Ausführungsform
einer Anzeigevorrichtung;
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2 ein
Schnitt durch die Anzeigevorrichtung längs der Linie II – II in 1;
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3 einen
Schnitt durch einen Feldemitter der Anzeigevorrichtung längs der
Linie III – III
in 1;
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4 einen
Schnitt durch eine alternative Ausführungsform eines Feldemitters;
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5 eine
Draufsicht auf einen Teil einer weiteren Ausführungsform einer Anzeigevorrichtung;
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6 einen
Schnitt längs
der Linie VI – VI
in 5;
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7 eine
Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform
einer Anzeigevorrichtung und
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8 einen
Schnitt längs
der Linie VIII – VIII in 7.
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Bezugnehmend
auf die 1 bis 3 weist
die Anzeigevorrichtung eine obere Platte 10 einen 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
Atzen der unteren Platte hergestellt werden können. Die Wände 12 sind typischerweise
etwa 100 um 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 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.
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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 einer Zelle 2 erzeugte Strahlung nicht zu benachbarten
Zellen übertragen
wird. Die Wände 13 und
die Barrieren 15 können
für Strahlung
auch auf andere Weise undurchlässig
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.
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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.
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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 3 gezeigt
sind. Jede Kathodenspur ist ein Dünnfilmfeldemitter, bestehend
aus einem Streifen 22 aus Silizium oder Metall, wie beispielsweise
Molybden, mit einer Anzahl von vertikalen Konen 23. Jeder
Konus wird durch Niederschlag, Atzen, 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 Siliziumschicht 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 Molybden bestehen oder beschichtet sein mit einem zweiten
Material, um die Emissionsfähigkeit
oder andere Eigenschaften zu verbessern, wie beispielsweise mit
einem halbleitenden polykristallinen Diamantfilm oder einem amorphen
Diamentfilm 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.
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Eine
alternative Feldemissionsstruktur ist in 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
Feldemitters 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.
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Die
Anodenspuren 20 und die Kathodenspuren 21 erstrecken
sich zu einer konventionellen 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.
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Die
Anzeigevorrichtung und ihre Zellen 2 sind mit einem Inertgas
gefüllt,
wie beispielsweise 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.
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Eine
relativ niedrige Spannung zwischen 30 und 100 V wird über eine
ausgewählte
Zelle 2 angelegt, welche wie eine Townsend-Entladevorrichtung arbeitet.
Die Feldemissionsmatrix 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 sichtbaren 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 verwenden,
wo die Energie der erzeugten Elektronen dazu verwendet wird, durch
direkte Kollision der Elektronen mit einer Phosphorschicht eine
Kathodenlumineszenz zu erzeugen.
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Die
Reflektionsschicht 16 an der oberen Platte 10 und
die Aluminiumschicht 17 an den Wänden 13 und den Barrieren 15 unterstüzten die
Begrenzung der VUV-Strahlung
auf das Innere der Zelle 2, um die Wahrscheinlichkeit der
photolumineszenten Umsetzung in der Phosphorschicht 16 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 darüberliegende
Zelle 2 reflektiert. Die in den Zeichnungen gezeigten Zellenaufbauten
stellen nicht notwendigerweise das Optimum für den höchsten Kopplungswirkungsgrad
zwischen 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.
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Die
Anzeigevorrichtung benötigt
lediglich eine geringe Initialspannung und deshalb sind lediglich
Treiberschaltungen geringer Spannung erforderlich, die mit geringeren
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 hohen UV-Strahlung verwenden, womit Xenon umfaßt ist.
Da die Anzeigevorrichtung 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 standzuhalten. Der Wirkungsgrad
der Anzeigevorrichtung bei der Umsetzung von elektrischer 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.
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Verschiedene
alternative Ausführungsformen
sind möglich,
wie sie beispielsweise in den 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
Feldemitterkathode 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 Feldemitter 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.
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Bei
der Anordnung nach den 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.