DE3240757A1 - Optische anzeigevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung, die Information durch Emission sichtbaren Lichtes ausdrückt.

Bei Anzeigevorrichtungen, in denen ein gasförmiges lichtemittierendes Medium benutzt wird, wie beispielsweise bei Neonlampen, 7-Segment-Anzeigevorrichtungen, Ziffernanzeigeröhren und Plasmaanzeigetafeln, ist das Standardgasgemisch üblicherweise überwiegend Neon, häufig mit kleinen Beimischungen von anderen Edelgasen, wie beispielsweise Xenon oder Argon, die die elektrischen Eigenschaften über den Penning-Effekt verbessern. Diese Gemische emittieren in dem Orange/Rot-Bereich des optischen Spektrums, und zwar zum unteren Ende des Ansprechvermögens des durchschnittlichen Auges hin. Auf diesem Fachgebiet ist lange nach einem Gas oder einem Gasgemisch gesucht worden, das in dem Grün- oder Blau-Bereich des Spektrums emittiert, wo das Äuge, insbesondere wenn

es dunkel-adaptiert ist, empfindlicher ist. Unter den erfolgreichsten Gemischen, die bislang untersucht worden sind, sind diejenigen, die in einem Aufsatz von G. F. Watson, Journal of Physics E8, 981 (1975), beschrieben sind. In einem Fall wird ein Gasgemisch benutzt das im UV-Bereich emittiert, wobei die UV-Strahlung in sichtbares Licht mittels eines Leuchtstoffes umgewandelt wird, der als überzug auf eine Seite des das Gasgemisch umhüllenden Glases aufgebracht ist. Dieser Fall ist mit dem Nachteil verbunden, daß der Leuchtstoff die Auflösung der Anzeigevorrichtung reduziert, weil das durch den Leuchtstoff emittierte Licht sich über ein größeres Gebiet als die tatsächliche Entladung in dem Gasgemisch erstreckt. Eine andere Möglichkeit ist in einer Druckschrift von O. Sahni in dem 1980 SID International Syposium Digest of Technical Papers, April 1980, beschrieben, in der ein mit Quecksilber geimpftes Gasgemisch angegeben ist, das in der Temperatur gesteuert werden muß. Die Notwendigkeit der Temperatursteuerung stellt in der Praxis einen beträchtlichen Nachteil dar.

Auf dem Laser-Gebiet ist die Emission im Blau/Grün-Teil des Spektrums durch Excimer-Laser erzeugt worden, bei denen unter einem hohen Druck in der Größenordnung von mehreren Atmosphären stehende Gasgemische und eine Entladung mit einer hohen Elektronendichte von wenigstens

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10 Elektronen pro Kubikzentimeter benutzt werden. Ein typisches Beispiel dafür ist von G. Markowsky et al in Journal of Chemical Physics 75, 1153 (1981), angegeben.

Die Erfindung schafft eine optische Anzeigevorrichtung, bei der eine elektrische Entladung durch ein gasförmiges Medium benutzt wird, in welchem angeregte oder ionisierte Spezies, die aus den das Medium bildenden Gasen erzeugt werden, unter der Wirkung der Entladung reagieren und ein

Excimer-Molekül bilden, das in dem sichtbaren oder UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums fluoresziert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen naher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in auseinandergezogener Dar

stellung eine Ausführungsform der optischen Anzeigevorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 die Wellenlängeabhängigkeit einer

Ausführungsform der Erfindung bei verschiedenen Drücken,

Fig. 3 die Druckabhängigkeit der Impuls

amplitude und der relativen Helligkeit von zwei verschiedenen Gasgemischen und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der

optischen Anzeigevorrichtung nach der Erfindung.

Bei bekannten optischen Anzeigevorrichtungen ist das gebräuchlichste lichtemittierende Medium Neon, das häufig mit geringfügigen Beimischungen von Edelgasen, wie Xenon oder Argon, benutzt wird und in dem Orange/Rot-Bereich des sichtbaren Spektrums emittiert. Die Lichtemission von Neon liegt innerhalb des Bereiches der Ansprechempfindlichkeit eines hell-adaptierten Auges, wird aber von einem dunkel-adaptierten Auge schlecht wahrgenommen. Auf

dem einschlägigen Fachgebiet ist lange nach Gemischen gesucht worden, die im sichtbaren Bereich des Spektrums nahe dem Blau/Grün-Bereich, wo ein dunkel-adaptiertes menschliches Auge empfindlicher ist, hell emittieren. Im Stand der Technik ist es bislang nicht gelungen, einen ausreichenden Grad an Helligkeit in dem gewünschten Spektralbereich zu erzielen, außer unter Inkaufnahme von zusätzlichen unerwünschten Merkmalen.

Kommerziell praktikable optische Anzeigevorrichtungen arbeiten mit Drücken unterhalb oder in der Nähe des Atmosphärendruckes, so daß eine übermäßige Verstärkung von großen Glasscheiben nicht erforderlich ist, und sie arbeiten nur mit mäßigen Spannungen und Strömen, so daß teuere Stromversorgungseinrichtungen nicht erforderlich sind. Diese Bedingungen unterscheiden sich beträchtlich von den Betriebsbedingungen von Excimer-Lasern, bei denen mit sehr hohen Drücken und mit sehr hohen Elektronenstromdichten gearbeitet .wird.

Es hat sich gezeigt, daß es möglich ist, Excimer (im hier vorliegenden Fall umfaßt der Ausdruck Excimer sowohl einen homonuklearen als auch einen heteronuklearen angeregten molekularen Komplex) -Moleküle in einem Gemisch von Gasen mit ausreichender Effizienz zu erzeugen, indem Drücke, Spannungen und Ströme benutzt werden, die für herkömmliche Plasmatafeln geeignet sind, wodurch eine optische Anzeigevorrichtung, bei der ein solches Gemisch benutzt wird, kommerziell praktikabel gemacht wird. In einer besonderen Ausführungsform, in der das Excimer XepCl das emittierende Excimer ist, wird der Excimer durch folgenden Reaktionsablauf gebildet:

e + Xe - Xe* (³P₂) ^{+ e} Xe +Cl₂-* XeCl* +Cl XeCl* + Xe + M-** Xe₂Cl* + M Xe₂Cl*-* 2Xe + Cl . + -hi» 450-550:

wobei M entweder Ne oder irgendein geeignetes Pufforgas ist.

Es hat sich gezeigt, daß in einem breiten Bereich von Entladung sbedingungen, wie sie für optische Anzeigevorrichtungen typisch sind, das Vorstufenmolekül XeCl mit großer Ausbeute (in dem Bereich von 10-30 % erzeugt wird}, wobei die Ausbeute bei einer mittleren Elektronentemperatur von ungefähr zwei bis vier Elektronvolt am größten ist. Es hat sich weiter gezeigt, daß die Ausbeute bei der Bildung des dreiatomigen Excimers Xe-Cl ausreichend groß ist, so daß eine Helligkeit, die mit der der bekannten Neon-Penning-Gemische vergleichbar ist, bei Drücken in der Größenordnung des Atmosphärendruckes erzielt werden kann.

Ein Exciiter-Gemisch wurde in der in Fig. 1 in auseinandergezogener Darstellung gezeigten Vorrichtung getestet, in der Glasplatten 110 und 112 X- und Y-Elektroden 123 und 121 tragen, deren Schnittpunkte die Stellen sind, an denen lichtemittierende elektrische Entladungen stattfinden. Die Elektroden sind von dem Gasgemisch durch dielektrische Folien oder Blätter 130 und 132 isoliert, welche beispielshalber aus einem 0,025 mm dicken Glasdielektrikum, das mit einer 200 nm dicken, elektronenemittierenden Magnesiumoxidschicht überzogen ist, bestehen. Die.beiden dielektrischen Folien oder Blätter werden durch eine Distanz- und Dichtvorrichtung 140 in einem gegenseitigen Abstand von 0,1 mm gehalten, und ein Gas 150 nimmt den Zwischenraum zwischen ihnen ein. Spannungsimpulse mit steuerbarer Amplitude, einer Dauer von 250 ns und einer Folgefrequenz von 100 kHz wurden an die freiliegenden

Enden der Elektroden 121 und 123 angelegt. Die kapazitive Kopplung über die Glas- und Magnesiumüberzüge ergab Entladungen innerhalb des Gases dort, wo sich die Elektroden kreuzen. Die Entladungsemission wurde durch ein Photometer mit CIE-Filter betrachtet, dessen Ansprechempfindlichkeit der des menschlichen Auges nahekommt, um die relative Helligkeit in Abhängigkeit vom Druck und von der Spannung zu messen. Der Spektralgehalt der Entladungsemission wurde unter Verwendung eines Scanning- oder Rastermonochrometers mit S-5-Photoelektronenvervielfacherverhalten analysiert. Das als Beispiel gewählte Gasgemisch, das nominell 20% Xenon, 0,1% Chlor und im übrigen Neon enthielt, ergab die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Testergebnisse.

Fig. 2 zeigt die gemessene Spektralempfindlichkeit des Excimer-Gemisches bei zwei verschiedenen Drücken. Fig. 2A zeigt die Empfindlichkeit bei einem Druck von 0,100 bar,

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wobei eine für XeCl charakteristische Spitze 212 und eine

für den stärksten sichtbaren übergang in einem Neon-Xenon-Penning-Gemisch· charakteristische Spitze 214, aber nur

eine sehr geringe Intensität in dem für Xe₃Cl charakteristischen Bereich 216 zu erkennen sind. Fig. 2B zeigt die Empfindlichkeit desselben Gemisches bei einem Druck von"0,667 bar, wobei zusätzlich zu der Spitze 222 für XeCl und der Spitze 224 für Neon eine die Spektralkurve dominierende Spitze 226 für Xe₂ CL vorhanden ist. Bemerkenswert ist, daß die Excimer-Spezies so wirksam angeregt wird, daß die Neon-Linie 224 relativ unbedeutend ist. Tatsächlich ist die Neonfarbe für das unbewaffnete Auge nicht · sichtbar.

Fig. 3A zeigt die Druckabhängigkeit derjenigen Impulsamplitude in der Ausführungsform nach Fig. 1, die eine

Entladung erzeugt, welche eine Breite von ungefähr 1 mm hat, und Fig. 3B zeigt die relative Helligkeit von zwei Gasgemischen, dem als Beispiel gewählten Excimer-Gasgemisch und dem bekannten Neon-Xenon-Penning-Gemisch. Die Entladung wurde durch ein CIE-Filter betrachtet, und die Einheiten sind beliebig. Es ist zu erkennen, daß die Impulsamplitude bei beiden Gasgemischen im wesentlichen gleich ist, so daß das als Beispiel gewählte Excimer-Gemisch in Verbindung mit herkömmlichen Stromversorgungseinrichtungen, die für die bekannten optischen Anzeigevorrichtungen geeignet sind, und unter ähnlichen Betriebsbedingungen benutzt werden kann. In Fig. 3B ergibt das Excimer-Gemisch bei einem Druck über 0,267 bar eine größere Helligkeit als das Penning-Gemisch. Es ist zu erwarten, daß die Helligkeitskurve über 0,667 bar hinaus weiter ansteigt, obgleich es schwierig werden kann, die Entladungsbreite bei höheren Drücken unter einem Millimeter zu halten. Für Verwendungszwecke, bei denen keine Entladungsbreite, von weniger als 1 mm erforderlich ist, kann die bevorzugte Ausführungsform einen Druck von über 0,667 bar haben.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, in der in Fig. 4A eine 7-Segment-Anzeigeröhre 400 mit einer semitransparenten Anode 402, durch die hindurch die sieben Katodensegmente 404 sichtbar sind, dargestellt ist. Fig. 4B zeigt die Anzeigeröhre in Seitenansicht, wobei das Innere eines gasdichten Gehäuses 410 mit einem Excimer-Gasgemisch 420 gefüllt ist und die Katoden 404 enthält, deren Anschlußleitungen über Durchführungen in das Gehäuse 410 eingeführt sind. Die Katoden werden durch nicht dargestellte herkömmliche Anzeigelogikschaltungen angesteuert, die die erforderlichen Anregungsspannungsimpulse liefern.

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Das Gasgemisch kann irgendein Gemisch von Gasen sein, die unter dem Einfluß einer elektrischen Entladung reagieren und ein Excimer bilden, das in einem gewünschten Spektralbereich Liclit abstrahlt. Außer Xe-Cl sind geeignete Excimere, die in dem sichtbaren Bereich Licht emittieren, XeO, KrO, ArO, Xe₃Br und XeF. Weitere Excimere, die im UV-Bereich strahlen und deshalb in Verbindung mit einem Leuchtstoff benutzt werden können, sind Ar_, Kr„, Xe₂, ArF, KrF, XeF, ArCl, KrCl und XeCl. Die Verbindungen mit der höchsten Strahlungsausbeute sind Kombinationen aus wenigstens einem Atom eines Elements in der nullten Gruppe der tabellarischen Darstellung des Periodensystems (wie beispielsweise Argon, Krypton und Xenon), und wenigstens ein Atom eines Elements in der siebenten Gruppe {wie beispielswiese Chlor oder Fluor).

Die Rolle des Neons bei den Reaktionen der beschriebenen Ausführungsform kann von irgendeinem geeigneten Puffergas übernommen werden. Die Rolle des Cl₂ kann auch von Chlor enthaltenden Verbindungen, wie beispielsweise HCl, CCl, oder chlorierten Kohlenwasserstoffen, die unter dem Einfluß einer elektrischen Entladung dissoziieren, übernommen werden. In dem Fall des Excimers XeF kann der Fluor-Donor F_? oder NF., sein. Jede elektrische Entladung, wie beispielsweise eine Wechselstrom-,.eine Gleichstrom- oder eine Hochfrequenzentladung, kann benutzt werden.

Claims (7)

1. Patentansprüche :

   (1.)Optische Anzeigevorrichtung, gekennzeichnet durch: eine gasdichte Hülle (110, 112, 140; 410), von welcher ein Teil in dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums optisch durchlässig ist, wodurch eine optische Anzeigestrahlung aus der Vorrichtung emittiert werden kann;

   ein vorbestimmtes gasförmiges Gemisch (150; 420), das wenigstens eine Gasart enthält und in die gasdichte Hülle eingeschlossen ist;

   mehrere Elektroden (121, 123; 402, 404)/ die so angeordnet sind, daß ein Teil der Strahlung, die in der gasdichten Hülle aufgrund einer elektrischen Entladung zwischen wenigstens zwei der Elektroden erzeugt wird, durch den optisch durchlässigen Teil der gasdichten Hülle hindurchgeht; und

   eine Einrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Entladung zwischen wenigstens zwei der Elektroden derart, daß Atome der wenigstens einen Gasart unter dem Einfluß der elektrischen Entladung reagieren und Excimere bilden, die elektromagnetische Strahlung unter dissoziativer Ab-

   regung emittieren.
2. 2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Excimere sichtbare optische Anzeigestrahlung emittieren.
3. 3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Excimere Strahlung in dem Ultraviolettbereich des elektromagnetischen Spektrums emittieren und daß die Anzeigevorrichtung weiter eine Phosphorverbindung zum Absorbieren eines Teils der Strahlung im Ultraviolettbereich und zum Emittieren von optischer Anzeigestrahlung in dem sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums enthält.
4. 4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Gasart reagiert und Excimere bildet, die wenigstens ein Atom eines Elements in der nullten Gruppe der Tabelle des periodischen Systems und wenigstens ein Atom eines Elements in der siebenten Gruppe der Tabelle des periodischen Systems enthalten.
5. 5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Excimer Xe-Cl, XeCl oder XeF ist.
6. 6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle des Excimers wenigstens ein Atom eines Elements in der nullten Gruppe der Tabelle des periodischen Systems und wenigstens ein Sauerstoffatom enthalten.
7. 7. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden (121, 123; 402, 404) in der gasdichten Hülle (110, 112, 140; 410) angeordnet ist.