DE3432877A1 - Flache anzeigevorrichtung fuer alphanumerische und grafische informationen sowie fernsehbilder und verfahren zum betrieb dieser anzeigevorrichtung - Google Patents

Description

• Flache Anzeigevorrichtung für alphanumerische und grafische
• Informationen sowie Fernsehbilder und Verfahren zum Betrieb dieser Anzeigevorrichtung Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anzeigevorrichtung ist aus der Tschechoslowakischen Patentschrift Nr. 110717 vom 15.05.64 bereits bekannt. In dieser Patentschrift ist in erster Linie die Verwendung von MIM - Dünnschichtkathoden für die Lichterzeugung beschrieben. Die Verwendung als Anzeigevorrichtung ist dort lediglich in Anspruch 3 angedeutet. Die Praxis hat gezeigt, daß die hierzu für eine hinreichende Bildhelligkeit benötigten Emissionsströme in der Grössenordnung von 1 mA/cm2 liegen müssen /1/, was mit der einfachen Anordnung Metall - Isolator - Metall als Tunnelkathode, wegen der Elektronenstreuung in Isolator und Deckmetall, nicht möglich ist /3/.
• Deshalb wurde eine flache Anzeigevorrichtung mit der nach obiger Patentschrift bekannten Anordnung in der Praxis bis heute nicht realisiert.
• Trotz der Vielzahl der in der Entwicklung befindlichen Displaytechnologien (Plasmadisplay, LED - Display, Elektroluminescenzdisplay, LCD - Display) ist es bisher nicht gelungen, die voluminöse Fernsehbildröhre durch ein Flachdisplay zu ersetzen /1,2/.
• Dies liegt an dem hohen Standard, der von der Fernsehbildröhre in wichtigen Daten wie Leuchtdichte, Kontrast, Anzahl der Graustufen, Farbwiedergabe, einfache Ansteuerung und Wirkungsgrad gesetzt wird. Keine der oben erwähnten Displaytechnologien ist in der Lage, in mehreren wichtigen Punkten gleichzeitig die Eigenschaften der Bildröhre zu erreichen /1,2/. Auf der Grundlage der Elektronenemission aus MIM - Dünnschichtkathoden wurde vom Erfinder ein elektronenoptisches Flachdisplay entwickelt, das alle geforderten Eigenschaften /1/ erfüllt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anzeigevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Elektronenstreuung im Deckmetall wesentlich reduziert und damit die Emissionsstromdichte und die Lebensdauer erhöht werden.
• Die Streuung von Elektronen im Energiebereich von einigen eV in festen Körpern besitzt zwei Hauptursachen, die Wechselwirkung mit den Phononen (Elektron - Phonon - WW) und die Wechselwirkung mit den Elektronen im Leitungsband des Festkörpers (Elektron - Elektron - WW) /4/. Die Elektron - Phonon - WW ist temperaturabhängig und lässt sich durch Kühlen unterdrücken. Die Elektron - Elektron - WW tritt nur in Metallen auf, also z.B.
• im Deckmetall der MIM - Kathode, und ist temperaturunabhängig.
• Im Energiebereich von einigen eV bildet die Elektron - Elektron - WW die Hauptursache für die Streuung der Elektronen. Sie ist aber stark energieabhängig und nimmt mit abnehmender Elektronenenergie stark ab, d.h. die mittlere freie Weglänge langsamer Elektronen nimmt mit abnehmender Elektronenenergie stark zu /4/.
• Die langsamen Elektronen können also die Deckelektrode der MIM -Tunnelkathode leicht durchdringen, werden aber an der Potentialbarriere von der Deckelektrode in das Vakuum (Austrittsarbeit) reflektiert. Die schnelleren Elektronen, die diese Potentialbarriere überwinden könnten, werden dagegen, wegen der kleineren mittleren freien Weglänge, schon im Deckmetall inelastisch gestreut und erreichen diese Potentialbarriere dann mit zu kleiner Energie. Dies führt dazu, daß bei einer herkömmlichen MIM - Kathode nur der 10³ - te bis 104 - te Teil der Elektronen, die in die Deckelektrode gelangen, auch ins Vakuum austreten kann /3/.
• Der viel größere Rest wird von der Deckelektrode als Verluststrom abgeleitet und es ergibt sich ein entsprechend kleiner Wirkungsgrad.
• Die Erfindung beruht auf folgender Uberlegung: Die Elektronenemissionsstromdichte der einzelnen MIM - Dünnschichtkathoden kann um mehrere Größenordnungen gesteigert werden, wenn durch Aufbringen einer subatomaren Schicht eines elektropositiven Adsorbats, wie z.B. Cs oder oxidiertes Cs, die Austrittsarbeit der Deckelektrode abgesenkt wird.
• Dadurch wird es möglich,zusammen mit einer entsprechend dünner ausgebildeten Isolatorschicht,bei wesentlich kleineren Kathodenspannungen von ca. 2 - 5 V noch Elektronen ins Vakuum zu emittieren. Dies führt wegen der größeren mittleren freien Weglänge dieser langsamen Elektronen in der Deckelektrode zu einer Erhöhung der Emissionsstromdichten um den Faktor 100 bis 1000 auf erte von 1 mA/cm² bis 10 mA/cm² auf Werte von 1 mA/cin bis 10 nA/cm2 und zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads um den entsprechenden Faktor /5/.
• Die durch die Erfindung ermöglichte Senkung der Kathodenspannung (Adressierspannung) auf TTL - Niveau ermöglicht es außerdem die Ansteuerungslogik des Displays mit hochintegrierten MOS oder TTL Bausteinen preisgünstig zu realisieren. Die Absenkung der Kathodenspannung führt außerdem zu einer Erhöhung der Lebensdauer der einzelnen Kathoden.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Die Erfindung wird anhand der Zeichnung (Fig. 1) an einem Ausführungsbeispiel welches im Laborbetrieb bereits zufriedenstellend funktioniert, erläutert. In der Zeichnung sind Teile, die nicht unbedingt zum Verständnis der Erfindung beitragen, unbezeichnet oder fortgelassen.
• Auf einer Grundplatte G, aus poliertem Glas, Quarz oder Keramik, sind die Zeilenleiter Z1 - Zn' die die Grundelektroden M1 bilden, durch Aufdampfen oder Sputtern von z.B. Al mit 300 nm Dicke durch eine entsprechende Maske aufgebracht. Auf diesen Zeilenleitern wird anschließend der Al203 - Isolator I, mit der für die Tunnelemission passenden Dicke von z.B. 4 bis 8 nm durch anodische Oxidation oder Elektronenstrahlverdampfung aufgebracht. Die halbdurchlässigen Spaltenleiter S1 - 5n , welche die Deckelektroden M2 bilden werden anschliessend wieder durch Aufdampfen von z.B.
• Au mit 12 nm Dicke,durch die jetzt senkrecht zu den Zeilenleitern positionierte Maske,hergestellt. Eine weitere Glasplatte in ca.3 mm Abstand trägt den Durchsichtleuchtschirm L. Sie wird mit der Grundplatte durch Glas lot unter Durchrführung der Zeilen - und Spaltenleiter an den Rändern vakuumdicht verlötet. Die zur Absenkung der Austrittsarbeit notwendige subatomare Adsorbatschicht aus einem elektropositiven Material wie z.B. Cs wird nach dem Abpumpen des Zwischenraums auf Ultrahochvakuum durch Aufdampfen z.B. aus einem Cs - Dispenser aufgebracht. Durch Zugabe von °2 wird die Austrittsarbeit unter Messung der Emissionsstromdichte weiter minimiert und so die Leuchtdichte und der Wirkungsgrad optimiert. Anschließend wird die Vorrichtung unter Ultrahochvakuum abgeschmolzen und vom Pumpstand getrennt. Die Hochspannungszuführung zum Leuchtschirm für die Nachbeschleunigungsspannung von ca. 2500 V wird beim Verlöten von Grund- und Deckplatte ebenfalls vakuumdicht durchgeführt.
• Es ist vorteilhaft den Durchsichtleuchtschirm L als Reflexleuchtschirm auszubilden, d.h. die Leuchtsubstanz in Elektroneneinfallsrichtung mit einer halbdurchlässigen Al - Schicht zu versehen. Die Dicke dieser Al - Folie ist an die Beschleunigungsenergie der Elektronen anzupassen /6/. Obwohl ein solcher Leuchtschirm bei Elektronenenergien kleiner als 5 KeV keine Steigerung der Lichtausbeute ergibt /6/, ist er auch bei 2,5 KeV vorteilhaft, da durch die Metallisierung der Leuchtsubstanz die Überschlagsfestigkeit zwischen Kathoden und Leuchtschirm verbessert wird. Bei gleichem Abstand der Kathoden zum Leuchtschirm können daher größere Beschleunigungsspannungen angelegt werden. Dies steigert sowohl die Helligkeit als auch die Schärfe der Bildpunkte auf dem Leuchtschirm und die Betriebssicherheit des Displays.
• Zur Ansteuerung ist es nicht vorteilhaft die einzelnen Bildpunkte zeitseriell wie im TV - Empfänger anzusteuern, da die hier für einen Bildpunkt zur Verfügung stehende Zeit sehr kurz ist.
• Die Verwendung einer Ganzzeilenänsteuerung ermöglicht dagegen einen größeren elektronenoptischen Wirkungsgrad, weil jeder Bildpunkt über die volle Zeilendauer, von z.B. 64 psec beim Schwarzweissbild, angesteuert werden kann.
• Die Ganzzeilenansteuerung für eine Darstellung von z.B. 16 Graustufen wird im unteren Teil von Fig. 1 schematisch erläutert.
• Im Amplitudensieb AS werden vom Video - Signal die Zeitsynchronisationsimpulse abgetrennt und für die Zeilen- und Spaltensteuerung aufbereitet. Die Zeilenadressierung erfolgt über einen Dualzähler und einen 1 aus n Decoder. Die im A/D Wandler digitalisierte Bildinformation einer ganzen Zeile wird zeitseriell im Zeilenspeicher abgelegt, um dann einen Multiplexer anzusteuern.
• Dieser ordnet gemäß der 4 - bit Information jeder MIM - Kathode (Bildpunkt) eine von 16 verschiedenen Kathodenspannungen (beim Analogmultiplexer) oder einen von 16 verschieden langen 5 V Spannungsimpulsen (beim Digitalmultiplexer) zu.
• Die Lebensdauer der MIM - Dünnschichtkathoden kann dadurch erhöht werden, daß die Felddiffusion der Metallatome in den Isolator unterdrückt wird, indem man zwischen zwei Einzelbildern an jede Zeile die gleichen Grautonspannungswerte aber mit umgekehrter Polarität anlegt und so die an jedem MIM - Element anliegende Feldrichtung im zeitlichen Mittel ausgleicht.
• Literatur: /1/ Dr. G. Tröller Der flache Bildschirm Stand der Technik und zukünftige Entwicklung Funkschau 1980, 10, 63 /2/ Dr. V. Winterfeld, Deutsches Patentamt Ein mühseliger Weg zum flachen Bildschirm FAZ vom 11.10.83 /3/ L. Eckertova Kalte Kathoden für Vakuumsysteme in H. Göllnitz et. al. , Vakuumelektronik, Akademie - Verlag, Berlin 1978 /4/ C.R. Crowell, S.M. Sze Hot - Electron - Transport and Electron Tunneling in Thin Film Structures in Physics of Thin Films 4 (1967), 325 Academic Press, New York and London /5/ E. Weiss, W. Nisch, C. Jönsson Investigation of Cs - coated MIM - Thin - Film - Cathodes using a simple UHV - Emission - Electron - Microscope 10 th International Congress on Electron Microscopy Hamburg 1982 /6/ F. Eckart Elektronenoptische Bildwandler und Röntgenbildverstärker Johann Ambrosius Barth Verlag, Leipzig 1962 , 97 ff.
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Claims (5)

1. Patentansprüche 1)Anzeigevorrichtung auf der Basis von MIM (Metall - Isolator - Metall) - Dünnschichtkathoden als Elektronenquellen, wobei je eine Anzahl zueinander paralleler Zeilenelektroden Z1 - Zn (Grundelektroden M1) und dazu senkrechter Spaltenelektroden S1 - Sn (Deckelektroden M2), die durch eine dünne Isolatorschicht I voneinander getrennt sind, vorgesehen sind, mit einem Elektronennachbeschleunigungsraum, einem Leuchtschirm und einer gasdichten evakuierten Hülle, dadurch gekennzeichnet, daß a) die flache gasdichte Hülle auf Ultrahochvakuum p # 10-8 mbar gepumpt ist b) auf den Deckelektroden M2 eine subatomar dünne Schicht A minimaler Elektronenaustrittsarbeit aufgebracht ist, die aus einem elektropositiven Adsorbat wie z.B. oxidiertes Cs besteht, sodaß die Dünnschichtkathoden M1-I-M2-A eine Emissionsstromdichte von # 1mA/cm² bei Kathodenspanungen von = 5 V (TTL - Niveau) besitzen.

   c) der Leuchtschirm L mit einer dünnen Schicht aus Aluminium versehen ist, die für Elektronen durchlässig ist und das Licht des Leuchtschirms reflektiert.
2. 2) Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Wiedergabe in Farbe die Anzahl der Zeilen- oder Spaltenleiter auf das Dreifache erhöht und ein entsprechend ausgebildeter Leuchtschirm vorgesehen ist.
3. 3) Verfahren zum Betrieb einer Anzeigevorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die steuernden Spannungen bei zeilenweise geschriebenen Bildern mit Hilfe eines Zwischenspeichers für die gesamte einzelne Zeilenelektrode gleichzeitig angelegt werden.
4. 4) Verfahren zum Betrieb einer Anzeigevorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Lebensdauer die Felddiffusion dadurch unterdrückt wird, daß zwischen zwei Einzelbildern die Kathodenzeilen mit entsprechenden Spannungswerten umgekehrter Polarität angesteuert werden.
5. 5) Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie als flacher Bildschirm verwendet wird.