DE19653602A1 - Kathodenkörper für die Elektronenkanone einer Kathodenstrahlröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kathodenkörper mit einem fer­ roelektrischen Emitter sowie eine Elektronenkanone und eine Kathodenstrahlröhre mit einer derartigen ferroelektrischen Ka­ thode und insbesonder einen Kathodenkörper, der einen ferroelek­ trischen Emitter als Elektronenemissionsquelle aufweist, sowie eine Elektronenkanone und eine Kathodenstrahlröhre mit einer derartigen ferroelektrischen Kathode.

Eine Kathodenkörper, der in einer Kathodenstrahlröhre Elek­ tronen emittiert, besteht im allgemeinen zum Beispiel aus einem thermisch angeregten Bariumoxid. Ein derartiger Kathodenkörper weist eine Wärmequelle zum Erwärmen des Kathodenkörpers, bei­ spielsweise einen Glühfaden, auf. Kathodenkörper können in di­ rekt beheizte Kathodenkörper oder in indirekt beheizte Kathoden­ körper je nach Art des zum Erwärmen des Kathodenkörpers benutz­ ten Glühfadens unterteilt werden.

Das Innere einer Kathodenstrahlröhre sollte in einem hoch­ evakuierten Zustand gehalten werden, so daß die von der Elek­ tronenkanone ausgesandten Elektronen ohne ein Hindernis zum Bildschirm gehen können und eine Beeinträchtigung des Kathoden­ körpermaterials durch Ionenzerstäubung verhindert werden kann.

Das Verfahren zur Herstellung einer Kathodenstrahlröhre umfaßt im allgemeinen eine Reihe von Optimierungsschritten wie beispielsweise Absaug- und Alterungsschritte, so daß Elektronen erfolgreich vom Kathodenkörpermaterial emittiert werden können. Derartige Arbeitsvorgänge nehmen jedoch sehr viel Zeit in An­ spruch und führen zu einer Beeinträchtigung des Kathodenkörper­ materials infolge eines Kontaktes mit ionisierten Fremdstoffen, die auf den Kathodenkörper auftreffen.

Durch die Erfindung soll ein Kathodenkörper mit einem fer­ roelektrischen Emitter geschaffen werden, der so ausgebildet ist, daß eine Beeinträchtigung des Kathodenmaterials durch Auf­ treffen von Ionen selbst in einem schwach evakuierten Zustand verringert ist.

Durch die Erfindung sollen weiterhin eine Elektronenkanone und eine Kathodenstrahlröhre geschaffen werden, die einen der­ artigen Kathodenkörper mit ferroelektrischem Emitter verwenden.

Der erfindungsgemäße Kathodenkörper umfaßt
ein Substrat,
eine untere Elektrodenschicht, die auf dem Substrat ausge­ bildet ist,
eine Kathodenschicht, die auf der unteren Elektrodenschicht ausgebildet ist und einen ferroelektrischen Emitter verwendet,
eine obere Elektrodenschicht, die auf der ferroelektrischen Kathodenschicht ausgebildet ist und Bereiche aufweist, die Elek­ tronen von ihrer Oberfläche emittieren können, und
eine Elektrodentreiberschicht, die auf der oberen Elektro­ denschicht ausgebildet ist und die Elektronenemission von den Elektronen emittierenden Bereichen der oberen Elektrodenschicht steuert.

Die erfindungsgemäße Elektronenkanone umfaßt
den oben beschriebenen Kathodenkörper,
eine Elektrodengruppe einschließlich mehrere Elektroden zum Steuern und Beschleunigen der vom Kathodenkörper emittierten Elektronen und
eine Haltereinrichtung zum Halten des Kathodenkörpers und der Elektrodengruppe.

Die erfindungsgemäße Kathodenstrahlröhre umfaßt
die oben beschriebene Elektronenkanone,
einen Trichterteil mit einem Halsteil, in dem die Elektro­ nenkanone angebracht ist, und
eine Frontplatte mit einem Bildschirm, an dem Bilder da­ durch angezeigt werden, daß von der Elektronenkanone ein Elek­ tronenstrahl ausgesandt wird.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson­ ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be­ schrieben. Es zeigen

Fig. 1 in einer Querschnittsansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kathodenkörpers,

Fig. 2 in einer schematischen perspektivischen Ansicht eine Kathode gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 3 eine Querschnittsansicht des in Fig. 2 dargestellten Kathodenkörpers,

Fig. 4 einen vergrößerten Teil der oberen Elektrode des in Fig. 2 dargestellten Kathodenkörpers,

Fig. 5 bis 8 die Schritte der Herstellung des in Fig. 2 dargestellten Kathodenkörpers,

Fig. 9 eine Querschnittsansicht einer Elektronenkanone mit einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kathodenkörpers und

Fig. 10 eine schematische Querschnittsansicht einer Katho­ denstrahlröhre mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Elektronenkanone.

In Fig. 1 sind eine ferroelektrische Kathodenschicht 120 als Elektronenemitter und eine untere und eine obere Elektroden­ schicht 110, 130 zum Anregen der ferroelektrischen Kathoden­ schicht jeweils dargestellt.

Wenn ein Hochspannungsimpuls an der oberen und unteren Elektrode 110 und 130 für weniger als eine Mikrosekunde liegt, tritt eine spontane Polarisierung an der Oberfläche und im Inne­ ren der ferroelektrischen Kathodenschicht 120 auf, so daß Elek­ tronen emittiert werden.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Kathodenkörpers 190 ist die untere Elektrode 110 auf einem Sub­ strat 100 ausgebildet und sind dann die Elektrodenschicht 120 mit dem ferroelektrischen Emitter, die obere Elektrodenschicht 130, eine Isolierschicht 140 und eine Elektrodentreiberschicht 150 der Reihe nach darauf ausgebildet. Der in Fig. 2 dargestell­ te Kathodenkörper 130 weist drei Elektronenemissionslöcher 151 zur Verwendung in einer Farbkathodenstrahlröhre auf.

Das heißt im einzelnen, daß es eine obere Elektrodenschicht 130 und eine untere Elektrodenschicht 110 zum Anregen der ferro­ elektrischen Kathodenschicht 120 gibt. Auf der Isolierschicht 140 ist die Elektrodentreiberschicht 150 durch drei Treiberelek­ troden gebildet, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Jede Treiberelektrode 150 weist ein Elektronenemissionsloch 151 zur Elektronenemission und Steuerung auf. An einem Teil der oberen Elektrodenschicht 130, der den Elektronenemissionslöchern 151 entspricht, ist eine große Anzahl von feinen Löchern 131 in der in Fig. 4 dargestellten Weise ausgebildet, so daß sich die Elektronen zu den Elektronenemissionslöchern 151 der Elektroden­ treiberschicht 150 bewegen können. Die Elektrodentreiberschicht 150 empfängt Steuersignale, beispielsweise ein Bildsignal, und steuert die Elektronenemission und die Emissionsmenge.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Kathodenkörpers können als ferroelektrische Materialien Blei-Zirkonat-Titanat und polykri­ stallines Blei-Zirkonat-Titanat (PZT, PLZT) verwandt werden. Ein hochleitendes Material wie beispielsweise Al, Au oder At kann darüber hinaus für die obere und untere Elektrode 130 und 110 verwandt werden.

Versuche haben ergeben, daß die Treiberspannung zum Emit­ tieren von Elektronen von der ferroelektrischen Kathodenschicht 120 unter 100 Volt liegen sollte, um den Leckstrom zu verringern und eine stabile Elektronenemission sicherzustellen. Die Trei­ berspannung hängt vom Zustand des ferroelektrischen Materials, d. h. der Kristallphase und seiner Stärke ab. Versuche haben weiterhin ergeben, daß es wünschenswert ist, die Stärke der ferroelektrischen Kathodenschicht 120 beispielsweise aus PLZT unter 10 µm zu halten, um die Treiberimpulsspannung unter 100 Volt zu halten. Die Treiberspannung nimmt mit der Stärke der Kathodenschicht ab wobei jedoch ein Kurzschluß zwischen den Elektroden bei einer Stärke von weniger als 1 µm auftreten kann, so daß die Stärke der Kathodenschicht über 1 µm liegen sollte. Die Höhe der Treiberspannung hängt darüber hinaus stark von der Größe des Elektronenemissionsbereiches, d. h. der Elektronenemis­ sionslochgröße an der Treiberelektrode 150 ab. Versuche haben ergeben, daß die Elektronenemissionslochgröße unter 300 µm für eine stabile Elektronenemission unter 100 Volt liegen sollte.

Im folgenden wird ein Verfahren zum Herstellen des obigen Ausführungsbeispiels eines Kathodenkörpers beschrieben.

Wie es in Fig. 5 dargestellt ist, wird zunächst eine Gold­ paste auf dem Substrat 100, das aus Kristallglas besteht, unter Verwendung eines Druckverfahrens aufgebracht und dann plastifi­ ziert bzw. ausgehärtet, um die ferroelektrische Kathodenschicht 120 zu bilden, wie es in Fig. 6 dargestellt ist.

Wie es in Fig. 7 dargestellt ist, wird eine Goldpaste mit­ tels eines Druckverfahrens auf die ferroelektrische Kathoden­ schicht 120 aufgebracht und dann plastifiziert bzw. ausgehärtet, um die obere Elektrodenschicht 130 zu bilden. Die obere Elek­ trode 130 wird in demselben Muster ausgebildet wie es in Fig. 4 dargestellt ist, d. h. mit einer Vielzahl von feinen Emissions­ löchern 131.

Wie es in Fig. 8 dargestellt ist, werden der Reihe nach mit einem Druckverfahren die Isolierschicht 140 und die Elektroden­ treiberschicht 150 ausgebildet. Am Ende dieses Verfahrens wird der gewünschte Kathodenkörper erhalten. Die Isolierschicht 140 und die Elektrodentreiberschicht 150 sollten darüber hinaus Löcher aufweisen, die den feinen Emissionslöchern 131 der oberen Elektrode 130 entsprechen.

Bei einem anderem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kathodenkörper kann ein anderes Verfahren als ein Druckverfahren verwandt werden. Zur Bildung der Elektrodenschicht kann ein Zerstäubungs- oder Aufstreichverfahren verwandt werden und zur Bildung der ferroelektrischen Kathodenschicht kann ein Verfahren der Bildung einer massiven ferroelektrischen Platte, des Be­ schichtens einer Seite mit einer Elektrodenschicht, des Vergie­ ßens mit einem Akrylharz, des Polierens der anderen Seite auf eine bestimmte Stärke und der Befestigung am Substrat 100 ver­ wandt werden.

Fig. 9 zeigt eine Elektronenkanone 900 die ein Ausführungs­ beispiel des erfindungsgemäßen Kathodenkörpers aufweist.

Die Elektronenkanone 900 weist eine Hauptlinse auf, die aus dem oben beschriebenen Kathodenkörper 190, einer Steuerelektrode G1, einer Bildschirmelektrode G2, einer Fokussierungselektrode G3 und einer Beschleunigungselektrode G4 besteht. Diese Bauele­ mente sind von einem Glasisolator 800 gehalten. Ein variabler Befestigungsstift 820 dient dazu, den Kathodenkörper 190 am Glasisolator 800 zu befestigen.

Fig. 10 zeigt eine Kathodenstrahlröhre mit dem oben be­ schriebenen Ausführungsbeispiel einer Elektronenkanone.

Wie es in Fig. 10 dargestellt ist, sind ein Trichterteil 300 mit einem Ablenkjoch 320 an seiner Außenfläche sowie eine Elektronenkanone 900 und eine Frontplatte 400 mit einem Bild­ schirm 410 an ihrer Innenwand zur Bildung eines Vakuumbehälters kombiniert. Eine Lochmaske 420 und eine innere Abschirmung 440, die von einem Rahmen 430 gehalten sind, der an der Frontplatte 400 befestigt ist, sind im Inneren der Kathodenstrahlröhre an­ geordnet.

Wenn die Montage einer derartigen Kathodenstrahlröhre abge­ schlossen ist, werden Absaug- und Alterungsarbeitsvorgänge ausge­ führt, die eine Zeit von etwa 4 Stunden bei einer herkömmlichen Kathodenstrahlröhre in Anspruch nehmen. Bei einer Kathoden­ strahlröhre mit dem erfindungsgemäßen Kathodenkörper werden dafür jedoch nur 2 Stunden benötigt. Verglichen mit den herkömm­ lichen Kathodenstrahlröhren wird eine Kathodenstrahlröhre mit dem erfindungsgemäßen Kathodenkörper nicht beschädigt, selbst wenn die Höhe des Vakuums um eine Potenz herabgesetzt wird.

Wie es oben beschrieben wurde, können durch die Verwendung eines ferroelektrischen Kathodenkörpers die Absaug- und Alte­ rungsarbeitsvorgänge, die sich bei der Herstellung einer her­ kömmlichen Kathodenstrahlröhre als problematisch erwiesen haben, technisch vereinfacht werden, was die Herstellungskosten redu­ ziert. Da keine Wärmequelle wie beispielsweise ein Glühdraht verwandt wird, können die Kosten für die Bauteile weiter redu­ ziert werden und können Wärmeveränderungen des Kathodenkörpers und der der Wärmequelle benachbarten Bauelemente vermieden wer­ den. Die Elektronenemission erfolgt darüber hinaus durch das Anlegen von kurzen Impulsen, so daß die Elektronenemission sehr schnell erfolgt.

Claims (15)

1. Kathodenkörper gekennzeichnet durch
ein Substrat (100),
eine untere Elektrode (110), die auf dem Substrat (100) ausgebildet ist,
eine Kathodenschicht (120), die auf der unteren Elektroden­ schicht (110) ausgebildet ist und einen ferroelektrischen Emit­ ter verwendet,
eine obere Elektrodenschicht (130), die auf der ferroelek­ trischen Kathodenschicht (120) ausgebildet ist und Bereiche aufweist, die Elektronen von ihrer Oberfläche emittieren können, und
eine Elektrodentreiberschicht (150), die auf der oberen Elektrodenschicht (130) ausgebildet ist und die Elektronenemis­ sion von den Elektronen emittierenden Bereichen der oberen Elek­ trodenschicht (130) steuert.

2. Kathodenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodentreiberschicht (150) drei Treiberelektroden umfaßt, von denen jede ein Elektronenemissionsloch (151) zum Durchgang der Elektronen aufweist, und die obere Elektroden­ schicht (130) eine Vielzahl von feinen Emissionslöchern (131) an den Bereichen aufweist, die den Elektronenemissionslöchern (151) der Elektrodentreiberschicht (150) entsprechen.

3. Kathodenkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Elektronenemissionslöcher (151) der Elektrodentreiberschicht (150) unter 300 µm liegt.

4. Kathodenkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ferroelektrische Kathodenschicht (120) aus PZT oder PLZT gebildet ist.

5. Kathodenkörper nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der ferroelektrischen Kathoden­ schicht (120) zwischen 1 und 100 µm liegt.

6. Elektronenkanone mit einem Kathodenkörper nach Anspruch 1, einer Elektrodengruppe einschließlich einer Anzahl von Elek­ troden zum Steuern und Beschleunigen der vom Kathodenkörper ausgesandten Elektronen und einer Halteeinrichtung zum Halten des Kathodenkörpers und der Elektrodengruppe.

7. Elektronenkanone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elektrodentreiberschicht drei Treiberelektroden umfaßt und jede Treiberelektrode ein Elektronenemissionsloch zum Durchgang der Elektronen aufweist und daß die obere Elektroden­ schicht eine Vielzahl von feinen Emissionslöchern in den Berei­ chen aufweist, die den Elektronenemissionslöchern der Elektro­ dentreiberschicht entsprechen.

8. Elektronenkanone nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Durchmesser der Elektronenemissionslöcher der Elek­ trodentreiberschicht unter 300 µm liegt.

9. Elektronenkanone nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Kathodenschicht aus PZT oder PLZT gebildet ist.

10. Elektronenkanone nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der ferroelektrischen Kathoden­ schicht zwischen 1 und 100 µm liegt.

11. Kathodenstrahlröhre mit einer Elektronenkanone nach Anspruch 6, einem Trichterteil mit einem Halsteil, in dem die Elektronenkanone angebracht ist, und einer Frontplatte mit einem Bildschirm, an dem Bilder dadurch angezeigt werden, daß ein Elektronenstrahl von der Elektronenkanone ausgesandt wird.

12. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektrodentreiberschicht drei Treiberelektro­ den umfaßt, von denen jede ein Elektronenemissionsloch zum Durchgang der Elektronen aufweist, und daß die obere Elektroden­ schicht eine Vielzahl von feinen Emissionslöchern in den Berei­ chen aufweist, die den Elektronenemissionslöchern der Elektro­ dentreiberschicht entsprechen.

13. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Durchmesser der Elektronenemissionslöcher der Elektrodentreiberschicht unter 300 µm liegt.

14. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ferroelektrische Kathodenschicht aus PZT oder PLZT gebildet ist.

15. Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 12, 13, oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der ferroelektrischen Kathodenschicht zwischen 1 und 100 µm liegt.