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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ermöglicht,
in Höhe
einer Elektrode ein modulierbares elektrisches Feld zu erzeugen.
Ihr Anwendungsgebiet sind insbesondere die Feldemissions-Flachbildschirme.
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Stand der
Technik
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Die
durch Feldemission erregten Kathodolumineszenz-Anzeigevorrichtungen
sind gut bekannt. Eine solche Vorrichtung umfasst eine Katode, die
einer Anode gegenübersteht.
Die Katode ist eine plane elektronenemittierende Struktur und die
Anode ist eine andere plane, mit einer Lumineszenzschicht überzogene
Struktur. Diese Strukturen sind durch einen Raum getrennt, in dem
ein Vakuum herrscht.
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Die
Katode kann eine Mikrospitzenquelle sein oder eine Quelle mit einem
Emissionsmaterial mit einem schwachen Schwellenfeld (wobei das Schwellenfeld
das elektrische Feld ist, das notwendig ist, um Elektronen aus einem
Material zu extrahieren), zum Beispiel Nanostrukturen oder Kohlenstoff. Die
mit einem Emissionsmaterial versehenen Quellen werden in Anzeigevorrichtungen
verwendet, die sich generell in zwei Formen präsentieren: als eine Struktur
des Diodentyps oder als eine Struktur des Triodentyps.
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Die 1 zeigt
einen einer Struktur des Diodentyps entsprechenden Feldemissions-Flachbildschirm
im Querschnitt. Die Katode 1 wird durch eine Platte aus
isolierendem Material 3 gebildet, die zueinander parallele
metallische Streifen 4 trägt, die mit Schichten eines
Emissionsmaterials 5 bedeckt sind. Die Anode 2 ist
eine isolierende und transparente Platte 6, zum Beispiel
aus Glas, die zueinander parallele leitfähige Streifen 7 trägt, die
quer zu den Streifen 4 der Katode verlaufen. Die Streifen 7 werden durch Ätzung einer
Schicht aus transparentem leitfähigem
Material realisiert, etwa dem Zinn-Indium-Mischoxid (ITO). Die Streifen 7 mit
Luminophorschichten 8 bedeckt.
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Die
Platten der Katode und der Anode stehen sich gegenüber, so
dass die Streifen eine Matrixstruktur bilden. Die Kreuzungsstellen
der Streifengitter bilden Pixel. Indem man zwischen einem Streifen 4 der
Katode und einem Streifen 7 der Anode eine adäquate Potentialdifferenz
anlegt, erzeugt man auf dem dem betreffenden Pixel entsprechenden
Bereich des Streifens 4 eine Elektronenemission und der
gegenüberliegende
Bereich des Luminophors 8 wird erregt. Ein vollständiges Bild
auf dem Bildschirm erhält
man, indem man sukzessive jede Zeile des Bildschirms ansteuert,
und durch Abtastung des Bildschirms.
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Ein
Emissionsmaterial mit schwachem Schwellenfeld wie etwa der Kohlenstoff
erfordert zur Erzeugung von Elektronenemission ein minimales elektrisches
Feld von mehreren V/μm
zwischen einem Anodenstreifen und einem gegenüberstehenden Katodenstreifen.
Wenn der Abstand zwischen diesen Streifen 1 mm beträgt, muss
man eine Potentialdifferenz von einigen kV anlegen, typisch von 5000
bis 10000 V. Dies hat zwei Hauptprobleme zur Folge. Das erste Problem
ist das Spannungsverhalten: es besteht das Risiko eines Durchschlags
bzw. Überschlags
zwischen Anode und Katode und vor allem zwischen benachbarten Streifen.
Das zweite Problem resultiert aus der Notwendigkeit, während der
Abtastung des Bildschirms eine Spannung von mehreren kV zu schalten.
Dieses Problem kann gelöst
werden, indem man den Abstand zwischen Anode und Katode reduziert,
was ermöglicht,
im gleichen Maße
die Potentialdifferenz zwischen ihnen zu reduzieren, bei gleichbleibendem
elektrischem Feld. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass diese
Reduzierung des Potentials eine Reduzierung der Leistung der Luminophore
mit sich bringt, das heißt
eine Abnahme der Leuchtkraft des Bildschirms.
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Die
Struktur des Triodentyps ist vorgeschlagen worden, um zu versuchen,
diese Probleme zu beseitigen. Die 2 zeigt
im Querschnitt einen Feldemissions-Flachbildschirm mit einer solchen Struktur.
Die Katode 11 wird durch eine Glasplatte 13 gebildet,
die Metallstreifen 14 trägt, die parallel zueinander
sind und mit Schichten 15 aus einem Emissionsmaterial,
zum Beispiel Kohlenstoff, bedeckt sind.
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Die
Streifen 14 befinden sich auf dem Boden von in eine Isolierschicht 10 geätzten Gräben, die
von einer Metallschicht 19 bedeckt ist, die als Extraktionsgitter
dient. Die Anode 12 kann durch eine transparente Platte 16 gebildet
werden, die zum Beispiel eine transparente und leitfähige Schicht 17 trägt, überzogen
mit einer Schicht 18 aus lumineszierendem Material.
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Eine
Elektronenemission durch das Emissionsmaterial kann erzielt werden,
indem man zwischen Extraktionsgitter 19 und Streifen 14 eine
solche Potentialdifferenz anlegt, dass das daraus in Höhe des Emissionsmaterials
resultierende elektrische Feld stärker ist als das Schwellenfeld
dieses Materials, typisch einige V/μm. Da der das Extraktionsgitter 19 von
den Streifen 14 trennende Abstand viel kleiner ist als
der die Anode von der Katode trennende Abstand, ist die anzulegende
Potentialdifferenz im gleichen Maße klein.
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Da
die elektrischen Feldlinien von den Streifen 14 zu dem
Extraktionsgitter 19 verlaufen, wird ein großer Teil
der emittierten Elektronen von dem Gitter eingefangen. Die Struktur
des Triodentyps hat folglich einen Nachteil, der aus der Tatsache
resultiert, dass sehr wenige emittierte Elektronen die Luminophorschicht
erreichen.
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Eine
solche Anzeigevorrichtung mit einer Struktur des Triodentyps ermöglicht also,
die Risiken des elektrischen Durchschlags und die Schaltprobleme
hoher Spannungen zu vermeiden. Jedoch gehen diese Verbesserungen
auf Kosten der Dichte der emittierten Elektronen, welche die Luminophorschicht
erreichen. Zudem erfordert dieser Strukturtyp die Realisierung einer
Abscheidung des Emissionsmaterials nur auf dem Boden der Gräben, was
mit großen
Schwierigkeiten verbunden ist.
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Das
Dokument US-A-3 671 798 offenbart bzw. beschreibt eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Begrenzung des Feldemissionsstroms. Die Vorrichtung
umfasst stangenförmige
Elektroden, parallel zueinander angeordnet. Ein erstes Ende der
Stangen steht einer Anode gegenüber.
Das zweite Ende der Stangen ist mit einer gemeinsamen Elektrode
verbunden, indem es eine Isolierschicht durchquert. Es gibt zwischen
dem ersten und dem zweiten Ende jeder Stange einen ausreichenden
Widerstand, um zwischen den beiden Enden der Stange eine bestimmte
Potentialänderung
zu haben. Die Stangen durchqueren ein Gitter, das dazu dient, das
auf alle Elektroden angewendete elektrische Feld anzupassen.
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Das
Dokument US-A-5 374 868 beschreibt einen Feldemissionsbildschirm
mit einer Mikrospitzenkatode, einer gegenüberstehenden den Schirm bildenden
Anode und eines Elektronenextraktionsgitters, das sich zwischen
der Katode und der Anode befindet. Die Mikrospitzen befinden sich
in Gräben
einer das Gitter tragenden Isolierschicht. Sie sind mit einem Katodenleiter
verbunden, der sich unter dem Gitter befindet.
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Darstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht,
die oben dargestellten Probleme zu lösen. Die Lösung besteht darin, ein elektrisches
Modulationsfeld in der Nähe
einer Elektrode anzuwenden, in deren Umgebung man ein elektrisches
Feld eines bestimmten Werts erzeugen möchte. Je nach Fall hat das
elektrische Modulationsfeld die Wirkung, den Wert des elektrischen
Feldes in der Umgebung des fraglichen elektrischen Feldes zu vergrößern oder
zu verkleinern.
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Ein
erster Gegenstand der Erfindung betrifft einen Feldemissionsbildschirm
mit einer Anodenplatte und einer Katodenplatte, die sich gegenüberstehen,
wobei die Anodenplatte auf ihrer dem Innern der Anzeigevorrichtung
zugewandten Seite wenigstens eine Elektrode umfasst, welche luminophore
Einrichtungen trägt,
die Katodenplatte wenigstens eine Elektronenemissions-Elektrode
umfasst, die der Anodenelektrode wenigstens partiell gegenübersteht, und
diese Katodenelektrode Elektronen emittiert, wenn das elektrische
Feld in ihrer Umgebung einen Schwellenwert überschreitet, wobei der Bildschirm auch
Einrichtungen zum Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der
genannten Anodenelektrode und der genannten Katodenelektrode umfasst,
und die Anzeigevorrichtung außerdem
in der Nähe
der Katodenelektrode befindliche und eine Modulationselektrode bildende
Einrichtungen enthält,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenemissionselektrode sich
auf der dem Innern der Anzeigevorrichtung zugewandten Seite der
Katodenplatte befindet, und die die Modulationselektrode bildenden
Einrichtungen sich entweder in derselben Ebene wie die Katodenelektrode
befinden, oder so angeordnet sind, dass sich die Katodenelektrode
zwischen der Anodenelektrode und den die Modulationselektrode bildenden
Einrichtungen befindet, wobei die Anzeigevorrichtung außerdem Steuereinrichtungen
zum Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen der Katodenelektrode
und den die Modulationselektrode bildenden Einrichtungen umfasst,
die Einrichtungen zum Anlegen von Potentialdifferenzen so konzipiert
sind, dass es möglich
ist, in der genannten Umgebung der Katodenelektrode einen festgelegten
Wert eines elektrischen Feldes zu erhalten, der aus dem Beitrag der
genannten Potentialdifferenzen resultiert, wobei der genannte festgelegte
Wert je nach Wunsch entweder niedriger als der genannte Schwellenwert
oder höher
als der genannte Schwellenwert ist.
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In
einem ersten Fall sind die Einrichtungen zum Anlegen einer Potentialdifferenz
zwischen der genannten Anodenelektrode und der genannten Katodenelektrode
so, dass bei Fehlen einer Potentialdifferenz zwischen der Katodenelektrode
und den die Modulationselektrode bildenden Einrichtungen der genannte
festgelegte Wert des elektrischen Feldes niedriger ist als der genannte
Schwellenwert.
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In
einem zweiten Fall sind die Einrichtungen zum Anlegen einer Potentialdifferenz
zwischen der genannten Anodenelektrode und der genannten Katodenelektrode
so, dass bei Fehlen einer Potentialdifferenz zwischen der Katodenelektrode
und den die Modulationselektrode bildenden Einrichtungen der genannte
festgelegte Wert des elektrischen Feldes höher ist als der genannte Schwellenwert.
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Die
die Modulationselektrode bildenden Einrichtungen können zwei
Elektroden umfassen, welche die Katodenelektrode umgeben.
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Wenn
die Katodenelektrode sich zwischen der Anodenelektrode und den die
Modulationselektrode bildenden Einrichtungen befindet, können die die
Modulationselektrode bildenden Einrichtungen durch eine einzige
Elektrode gebildet werden.
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Vorteilhafterweise
sind die Katodenelektrode und die die Modulationselektrode bildenden
Einrichtungen durch eine Schicht aus isolierendem Material getrennt.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Katodenelektrode ein leitfähiges Element, auf dem eine
Schicht aus Emissionsmaterial abgeschieden ist. Diese Emissionsmaterialschicht
kann von dem genannten leitfähigen
Element durch eine resistive Schicht getrennt sein. Die Emissionsmaterialschicht
kann nur einen Teil der resistiven Schicht bedecken. Das Emissionsmaterial
kann ein auf der resitiven Schicht mittels eines auf der resistiven
Schicht abgeschiedenen Katalysatormaterials abgeschiedenes Material sein,
auf dem sich das Emissionsmaterial vorzugsweise niederschlägt.
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Der
Bildschirm ist vorzugsweise vom Matrixtyp, wobei die Kreuzungsstellen
von Zeilen und Spalten Pixel definieren.
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Nach
einer bevorzugten Vorrichtung umfasst die Anodenplatte eine gemeinsame
Elektrode, die luminophore Einrichtungen trägt, umfasst die Katodenplatte
eine Platte mit Leiterzeilen, welche die mit einer Schicht aus dielektrischem
Material überzogenen eine
Modulationselektrode bildenden Einrichtungen bilden, trägt die Schicht
aus dielektrischem Material Leiterspalten, bilden die Zeilen und
die Spalten eine matrixförmige
Anordnung, die mit Ansteuerungseinrichtungen verbunden ist und Pixel
definiert, wobei die Leiterspalten ein Emissionsmaterial tragen.
Jedes Pixel kann einer Kreuzung einer Zeile mit mehreren Spaltenleitern
entsprechen.
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Nach
einer speziellen Vorrichtung umfassen die Leiterzeilen den Leiterspalten
gegenüberstehende
Fenster, wobei das durch die Leiterspalten getragene Emissionsmaterial
nur in den den Fenstern entsprechenden Bereichen der Leiterspalten
vorhanden ist.
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Ein
zweiter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Benutzung
eines Feldemissionsbildschirms mit wenigstens einer Anodenelektrode und
wenigstens einer gegenüberstehenden
Katodenelektrode, wobei die Katodenelektrode ein Emissionsmaterial
umfasst, das Elektronen emittiert, wenn das elektrische Feld in
der Umgebung der Katodenelektrode einen Schwellenwert überschreitet,
dadurch gekennzeichnet, dass es zur Erzeugung einer Elektronenemission
durch das Emissionsmaterial umfasst:
- – das Anwenden
einer Potentialdifferenz zwischen der Anodenelektrode und der Katodenelektrode,
um in der genannten Umgebung der Katodenelektrode, wenn nur diese
Potentialdifferenz angelegt wird, ein elektrisches Feld zu erhalten, dessen
Wert niedriger ist als der genannte Schwellenwert,
- – das
Anwenden einer Potentialdifferenz zwischen der Katodenelektrode
und den die Modulationselektrode bildenden Einrichtungen, die sich in
der Nähe
der Katodenelektrode befinden, entweder in derselben Ebene wie diese,
oder so angeordnet, dass sich die Katodenelektrode zwischen der
Anodenelektrode und den die Modulationselektrode bildenden Einrichtungen
befindet, um in der genannten Umgebung der Katodenelektrode, in
Kooperation mit dem durch das Anlegen der Potentialdifferenz zwischen
der Anodenelektrode und der Katodenelektrode erzeugten elektrischen
Feld, ein elektrisches Feld zu erhalten, dessen Wert höher ist
als der genannte Schwellenwert.
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Ein
dritter Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Benutzung
eines Feldemissionsbildschirms mit wenigstens einer Anodenelektrode und
wenigstens einer gegenüberstehenden
Katodenelektrode, wobei die Katodenelektrode ein Emissionsmaterial
umfasst, das Elektronen emittiert, wenn das elektrische Feld in
der Umgebung der Katodenelektrode einen Schwellenwert überschreitet,
dadurch gekennzeichnet, dass es zur Vermeidung einer Elektronenemission
durch das Emissionsmaterial umfasst:
- – das Anwenden
einer Potentialdifferenz zwischen der Anodenelektrode und der Katodenelektrode,
um in der genannten Umgebung der Katodenelektrode, wenn nur diese
Potentialdifferenz angelegt wird, ein elektrisches Feld zu erhalten, dessen
Wert höher
ist als der genannte Schwellenwert,
- – das
Anwenden einer Potentialdifferenz zwischen der Katodenelektrode
(35) und den die Modulationselektrode bildenden Einrichtungen,
die sich in der Nähe
der Katodenelektrode befinden, entweder in derselben Ebene wie diese,
oder so angeordnet, dass sich die Katodenelektrode zwischen der
Anodenelektrode und den die Modulationselektrode bildenden Einrichtungen
befindet, um in der genannten Umgebung der Katodenelektrode, in
Kooperation mit dem durch das Anlegen der Potentialdifferenz zwischen
der Anodenelektrode und der Katodenelektrode erzeugten elektrischen
Feld, ein elektrisches Feld zu erhalten, dessen Wert niedriger ist
als der genannte Schwellenwert.
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Kurzbeschreibung
der Figuren
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Die
Erfindung sowie weitere Vorteile und Besonderheiten werden besser
verständlich
durch die nachfolgende beispielhafte und nicht einschränkende Beschreibung,
die sich auf folgende beigefügte Zeichnungen
bezieht:
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die
schon beschriebene 1 ist eine perspektivische Querschnittsansicht
eines ersten Feldemissions-Flachbildschirms nach dem Stand der Technik;
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die
schon beschriebene 2 ist eine perspektivische Querschnittsansicht
eines zweiten Feldemissions-Flachbildschirms nach dem Stand der Technik;
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die 3A und 3B sind
Querschnittsansichten, welche die Funktionsweise einer Vorrichtung nach
der Erfindung illustrieren;
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die 4 ist
eine partielle Querschnittsansicht eines Feldemissions-Flachbildschirms
nach der Erfindung;
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die 5 bis 9 zeigen
Realisierungsvarianten eines Elements eines Feldemissions-Flachbildschirms
nach der Erfindung;
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die 10 ist
eine perspektivische Ansicht einer Katodenplatte für einen
Feldemissions-Flachbildschirm nach der Erfindung;
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die 11 bis 13 sind
Schemata der Spannungen zur Ansteuerung eines Pixels des erfindungsgemäßen Bildschirms.
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Detaillierte
Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
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Die 3A und 3B sind
Querschnittsansichten, welche die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
illustrieren. Die Vorrichtung umfasst eine Platte 21, die
in diesem Beispiel als Katodenplatte bezeichnet wird. Die Katodenplatte 21 umfasst
eine Trägerplatte 23,
die eine Elektrode 25 trägt, die durch zwei Teile 28 und 29 einer
selben Elektrode umgeben ist. Die Vorrichtung umfasst auch eine
Platte 22, die in diesem Beispiel als Anodenplatte bezeichnet
wird. Die Anodenplatte 22 umfasst eine Trägerplatte 26,
die eine Elektrode 27 trägt. Die Anodenplatte und die
Katodenplatte sind gemäß parallelen
Ebenen angeordnet, so dass sich ihre entsprechenden Elektroden gegenüberstehen.
Sie sind getrennt durch den Abstand d.
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Die 3A zeigt
den Fall, wo man an die Elektrode 27 ein Potential +V legt
und an die Elektrode 25 und an die Teile 28 und 29 ein
Potential null. Im Innern der Vorrichtung baut sich ein gleichmäßiges elektrisches
Feld des Werts V/d auf. Äquipotentiallinien
sind in der 3A durch gestrichelt dargestellt. Die
Linie mit der größten Nähe zur Elektrode 25 entspricht
dem Potential V1, zwischen dem Potential
der Katodenelektrode 25 und dem der Anodenelektrode 27.
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Die 3B zeigt
den Fall, wo man an die Elektrode 27 ein Potential +V legt,
an die Elektrode 25 ein Potential null und an die Teile 28 und 29 ein Potential
V1. Es kommt dann zu einer Verschiebung und
einer Verformung der Äquipotentiallinien,
die zu ihrer Verdichtung über
der Katodenelektrode 25 führen, was einer Verstärkung des
elektrischen Feldes entspricht. Denselben Effekt erzielt man, wenn
man zwischen der Elektrode 27 und den Teilen 28 und 29 eine
Potentialdifferenz festlegt und die Elektrode 25 auf ein
Potential bringt, das negativer ist als das der Teile 28 und 29 in
Bezug auf die Elektrode 27.
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Wenn
man umgekehrt den Wert des elektrischen Feldes reduzieren will,
das in Höhe
der Elektrode 25 aufgrund einer Potentialdifferenz existiert, die
man zwischen den Elektroden 25 (auf Potential +V) und 27 (auf
Potential null) angelegt hat, können die
Teile 28 und 29 auf das Potential –V1 gebracht werden.
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Die
durch die Teile 28 und 29 gebildete Elektrode
kann man also als Modulationselektrode bezeichnen.
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Die 4 ist
eine partielle Querschnittsansicht eines Feldemissions-Flachbildschirms
zur Anwendung der erfindungsgemäßen Steuerungsart. Dieser
Bildschirm umfasst eine Katodenplatte 31 und eine Anodenplatte 32,
die sich gemäß parallelen Ebenen
gegenüberstehen.
Sie tragen Elektroden auf ihren Innenseiten. Nicht dargestellte
Abstandshalter gewährleisten
einen konstanten Abstand zwischen der Katoden- und der Anodenplatte
und im Innern des Bildschirms herrscht ein Vakuum.
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Die
Katodenplatte 31 umfasst eine Trägerplatte 33 aus isolierendem
Material, zum Beispiel aus Glas, auf der sukzessive ein Gitter aus
metallischen Streifen 38, 39 abgeschieden wird,
um die Modulationselektrode auszubilden, sowie eine Isolierschicht 34 (zum
Beispiel aus Siliciumdioxid) und dann in den Intervallen des darunterliegenden
Gitters ein Katodenelektrodengitter 35. In der 4 ist
nur eine Katodenelektrode dargestellt. Sie wird entweder durch ein
Material mit schwachem bzw. niedrigem Schwellenfeld gebildet oder
ist überzogen
mit einer Schicht aus einem Material mit schwacher Ausgangs- bzw. Austrittsarbeit,
zum Beispiel Kohlenstoff oder Nanostrukturen. In der 4 trägt die Katodenelektrode 35 eine
Schicht 30 aus einem solchen Material. Die einer Elektrode 35 entsprechenden
Streifen 38 und 39, sind elektrisch verbunden,
um eine Modulationselektrode zu bilden.
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Die
Anodenplatte 32 umfasst eine Trägerplatte 36 aus isolierendem
und transparentem Material, typisch Glas, sukzessive überzogen
mit einer Schicht 37 aus transparentem und leitfähigem Material,
zum Beispiel ITO, und einer Schicht 20 aus einem lumineszenten
Material.
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Der
Bildschirm kann entsprechend einer ersten Funktionsweise benutzt
werden. Man legt zwischen der Anodenelektrode 37 und der
Katodenelektrode 35 eine solche Potentialdifferenz an,
dass das resultierende elektrische Feld in Höhe der Emissionselektrode niedriger
ist als das Extraktionsschwellenfeld der Elektronen des Emissionsmaterials 30. Unter
der Wirkung nur dieses Feldes gibt es also keine Elektronenemission.
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Wenn
die Modulationselektrode 38, 39 auf ein Zwischenpotential
gebracht wird, zwischen dem der Anode und dem der Emissionselektrode,
kommt es zu einer Verschiebung der Äquipotentiallinien, was eine
Zunahme des elektrischen Feldes in der Umgebung der Emissionselektrode
zu Folge hat. Das Potential der Modulationselektrode kann so gewählt werden,
dass das elektrische Feld in Höhe
der Emissionselektrode stärker
wird als das Schwellenfeld des Emissionsmaterials. Es kommt dann
zu Elektronenemission. Diese Elektronen werden senkrecht zu der
Emissionselektrode emittiert. Sie werden anschließend durch
das Anodenfeld beschleunigt und schlagen auf der Lumineszenzschicht 20 ein,
die die Anodenelektrode 37 bedeckt. Für jeden Wert V des an die Emissionselektrode
gelegten Potentials gibt es also ein Potential des Werts VS, das – an
die Modulationselektrode gelegt – ermöglicht, in Höhe der Emissionselektrode
ein elektrisches Feld gleich dem Emissionsschwellenfeld des Materials
zu erhalten, wobei VS größer ist als V: VS = V + ΔVS
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Jeder
Potentialwert an der Modulationselektrode, der höher ist als VS ist,
bewirkt Elektronenemission.
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Die
Platten der Anode 32 und der Katode 31 können einen
Abstand von 1 mm haben, die metallischen Streifen 38 und 39 können eine
Breite von 20 μm
und einen Abstand von 10 μm
haben. Die Isolierschicht 34 kann eine Siliciumdioxidschicht
von 1 μm Dicke
sein. Die Katodenelektrode 35 kann eine Breite von 5 μm haben und
im den Zwischenraum zentriert sein, der die metallischen Streifen 38 und 39 trennt. Bei
einem Emissionsmaterial 30 mit einem Schwellenfeld von
5 bis 6 V/μm,
was üblich
ist, legt man an die Anode ein Potential von +3000 V in Bezug auf
die Katode, was in Höhe
der Emissionselektrode ein elektrisches Feld von 3 V/μm erzeugt,
wobei dieses Feld schwächer
ist als das Schwellenfeld. Die Katodenelektrode 35 wird
auf 0 V gehalten; wenn die Modulationselektrode 38, 39 auf
+30 V gebracht wird, steigt das elektrische Feld an der Oberfläche der Emissionselektrode
auf 7 V/μm,
was höher
ist als das Schwellenfeld. Es zeigt sich also, dass die zu schaltenden
Spannungen niedrig bleiben, typisch einige zehn Volt, was kein Problem
darstellt.
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Der
Bildschirm kann auch gemäß einer
zweiten Funktionsweise benutzt werden. Man legt zwischen der Elektrode 37 und
der Katodenelektrode 35 eine Potentialdifferenz an, woraus
ein elektrisches Feld in Höhe
der Emissionselektrode resultiert. Wenn dieses elektrische Feld
stärker
ist als das Extraktionsschwellenfeld der Elektronen aus dem Emissionsmaterial 30,
bewirkt allein dieses Feldes Elektronenemission. Wenn die Modulationselektrode 38, 39 auf
ein Potential gebracht wird, das niedriger ist als das der Katodenelektrode 35,
kommt es zu einer Verschiebung und einer Verformung der Äquipotentiallinien,
was eine Abnahme des elektrischen Feldes in Höhe der Emissionselektrode zur
Folge hat. Das Potential der Modulationselektrode kann so gewählt werden,
dass das elektrische Feld in Höhe
der Emissionselektrode schwächer
wird als das Schwellenfeld des Emissionsmaterials und so ermöglicht,
die Elektronenemission anzuhalten. Es existiert also für jeden
Wert V des an die Emissionselektrode gelegten Potentials ein Potential
des Werts VS, das – an die Modulationselektrode
gelegt – ermöglicht,
in Höhe der Emissionselektrode
ein elektrisches Feld gleich dem Emissionsschwellenfeld des Materials
zu erhalten, wobei VS kleiner ist als V: VS = V – ΔVS
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Jeder
Wert des an die Modulationselektrode gelegten Potentials, der höher als
VS ist, bewirkt Elektronenemission. Bei
Werten unter VS gibt es keine Elektronenemission.
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Für die Katodenplatte
und vor allem für
die Verteilung der Elektroden gibt es verschiedene Varianten. Die 5 bis 9 zeigen
einige der möglichen
Varianten. Aus Gründen
der Klarheit ist in diesen Figuren jeweils nur eine einzige Katodenelektrode
dargestellt.
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Die 5 zeigt
eine Katodenplatte 41 aus einem isolierenden Material (zum
Beispiel Glas), die ein Gitter von Modulationselektroden trägt, von
denen jede durch zwei miteinander verbundene Streifen 48 und 49 gebildet
wird. Die Platte 43 trägt
auch eine Isolierschicht 44, zum Beispiel aus Siliciumdioxid.
Auf der Isolierschicht 44 sind entsprechend den Modulationselektroden 48, 49 Katodenelektroden 45 abgeschieden.
Jede Katodenelektrode ist über
dem Intervall abgeschieden, das die entsprechenden Streifen 48 und 49 trennt,
und dies symmetrisch zu diesen. Auf den Katodenelektroden 45 sind
sukzessive eine resistive Schicht 46 und eine Emissionsmaterialsschicht 47 abgeschieden.
Die resistive Schicht 46 hat die Funktion, die Emission
an der Oberfläche der
Emissionselektrode zu vereinheitlichen, die gebildet wird durch
den Stapel aus den Elementen 45, 46 und 47.
So verhindert man sehr starke punktuelle Emissionen, die zu Durchschlägen bzw. Überschlägen führen könnten. Diese
Anordnung ermöglicht, die Überlagerung
der Katodenelektrode und der Modulationselektrode zu minimieren
und folglich die zwischen ihnen existierende Störkapazität zu minimieren, was wichtig
ist, wenn die Bildschirmoberfläche groß ist. Bestimmte
Vorrichtungen benötigen
keine Vorbeugemaßnahmen
gegenüber
der Störkapazität. Die Form
der Modulationselektrode kann von der in der 5 dargestellten
bis zu der in der 6 dargestellten gehen, wo sie
durch einen einzigen Streifen gebildet wird. Sie kann selbstverständlich alle
möglichen
Zwischenformen annehmen.
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Die 6 zeigt
eine Katodenplatte mit – wie in
der 5 – einer
Trägerplatte 53,
einer Isolierschicht 54, einer Katodenelektrode 55,
einer resistiven Schicht 56 und einer Emissionsmaterialschicht 57.
Hingegen wird die Modulationselektrode 50 durch einen einzigen
leitfähigen
Streifen gebildet, wobei die Emissionselektrode auf die Modulationselektrode zentriert
ist.
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Die 7 stellt
eine Zwischenform dar. Man hat wieder die Struktur der Katodenplatte
der 5. Die Katodenplatte 61 umfasst eine
Trägerplatte 63, zwei
leitfähige
Streifen 68 und 69, die die Modulationselektrode
bilden, und die Isolierschicht 64, die die Emissionselektrode,
gebildet durch die Katodenelektrode 65, die resistive Schicht 66 und
die Emissionsmaterialschicht 67 trägt.
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In
der 8 sieht man auch wieder die Struktur der Katodenplatte
der 5. Die Katodenplatte 71 umfasst eine
Trägerplatte 73,
zwei die Modulationselektrode bildende leitfähige Streifen 78 und 79,
die Isolierschicht 74, die die Emissionselektrode trägt, gebildet
durch die Katodenelektrode 75, die resistive Schicht 76 und
die Emissionsmaterialschicht 77. Bei dieser Variante bedeckt
die Emissionsmaterialschicht 77 nur den zentralen Teil
der resistiven Schicht 76. Diese Anordnung ermöglicht,
einen fokussierteren Elektronenstrahl zu erhalten, indem die Elektronen
eliminiert werden, die den Randeffekten der Katodenelektrode 75 ausgesetzt
sein könnten. Diese
Anordnung kann kombiniert werden mit den weiter oben beschriebenen
anderen Varianten.
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In
der 9 sieht man nochmals die Struktur der Katodenplatte
der 5. Die Katodenplatte 91 umfasst eine
Trägerplatte 93,
zwei die Modulationselektrode bildende leitfähige Streifen 98 und 99 und die
Isolierschicht 94, die die Emissionselektrode trägt, welche
die Katodenelektrode 95 und die resistive Schicht 96 trägt. Bei
dieser Variante umfasst die Emissionselektrode auch Elemente 92 aus
Katalysatormaterial, zum Beispiel Nickel, Eisen, Kobalt oder einer
Legierung aus diesen Materialien, abgeschieden auf der resistiven
Schicht 96. Die Elemente 92 tragen das Emissionsmaterial 97,
zum Beispiel Kohlenstoff, das sich vorzugsweise auf dem Katalysatormaterial
niederschlägt,
um Emissionsstellen bzw. -orte zu bilden.
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In
der 10 ist eine perspektivische explodierte Ansicht
einer Katodenplatte eines Feldemissions-Flachbildschirm des Matrixtyps,
realisiert gemäß der Erfindung.
Die Katodenplatte 81 umfasst eine Platte 83, zum
Beispiel aus Glas, die ein Gitter aus leitfähigen Streifen Y trägt, die
Zeilen bilden, zum Beispiel Yi, Yj, Yk. Diese Streifen
enthalten Öffnungen oder
Fenster 80, zum Beispiel rechteckförmig. Dieses Zeilengitter ist überzogen
von einer Schicht aus dielektrischem Material 84, auf der
leitfähige
Streifen 85 abgeschieden sind, parallel zueinander und
quer zu den Streifen Y. Die leitfähigen Streifen 85 sind
in diesem Realisierungsbeispiel zusammengefasst zu Dreiergruppen,
um Spalten Xi, Xj,
Xk zu bilden. Die leitfähigen Streifen 85 sind überzogen
mit einer Schicht 86 aus resistivem Material und einer
Schicht 87 aus Emissionsmaterial. In dem Beispiel der 10 ist
das Emissionsmaterial 87 nur auf den Nutzzonen abgeschieden,
das heißt
in den Zonen der Spalten, die sich über den Fenstern 80 befinden, die
in den Zeilen vorgesehen sind. Derart erhält man zwei zueinander rechtwinklige
Gitter, das eine aus Zeilen und das andere aus Spalten bestehend.
Ein Pixel wird durch die Kreuzung einer Zeile und einer Spalte gebildet.
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Die 11 ist
ein Beispiel der Schemata der anzulegenden Spannungen, um ein Pixel
eines Bildschirms anzusteuern, der eine Katodenplatte des in der 10 dargestellten
Typs umfasst, und in dem Fall, wo die zwischen Anode und Katode
gelegte Spannung ein elektrisches Feld erzeugt, das schwächer ist
als das Emissionsschwellenfeld. Dieses Beispiel ermöglicht,
die Anzahl der notwendigen Spannungswerte zu minimieren. Um das
Pixel Xi, Yj anzusteuern,
wird die nicht dargestellte Anode auf ein Potential VA,
die Spalte Xj auf das Potential V0 und die Zeile Yj auf
ein Potential V1 gebracht (wobei V1 zwischen V0 und
VA liegt). Die anderen X-Spalten werden
auf das Potential V1 gebracht, während die
anderen Y-Zeilen auf das Potential V0 gebracht
werden. Das Potential V1 wird so gewählt, dass
die Zunahme des elektrischen Feldes in Höhe der Emissionselektrode so
ist, dass das elektrische Feld stärker wird als das Schwellenfeld.
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Die 12 ist
ein Schema der Spannungen zur Ansteuerung eines Pixels eines Bildschirms
mit einer Katodenplatte des in der 10 dargestellten Typs,
und in dem Fall, wo die zwischen Anode und Katode gelegte Spannung
ein elektrisches Feld erzeugt, das stärker ist als das Emissionsschwellenfeld.
Um das Pixel Xj, Yj anzusteuern,
wird die nicht dargestellte Anode auf ein Potential VA gebracht
und die Spalte Xj auf das Potential V0. Wenn d der Abstand ist, der die Anode
von der Katode trennt, ist das aus dieser Potentialdifferenz (VA – V0)/d resultierende Feld stärker als
das Emissionsschwellenfeld des Materials. Damit das Pixel Xj, Yj emittiert,
muss das Potential V1 der Zeile Yj höher
sein als die Spannung VS. In der Zeile Xj – damit
die Pixel Xj, Yi und
Xj, Yk erlöschen – muss das
Potential V2 der Zeilen Yi,
Yk niedriger sein als VS.
In der Zeile Yj müssen die beiden Pixel Xi, Yj und Xk, Yj gelöscht werden.
Dazu muss das Potential V3 der Spalten Xi und Xk höher sein
als V1 + ΔVS, wobei ΔVS gleich V0 – VS ist. Die Pixel Xi,
Yi/Xi ,Yk/Xk, Yi und
Xk, Yk haben eine
Spaltenspannung gleich V3 und eine Zeilenspannung
gleich V2. Nun, V2 < VS,
V3 > V1 + ΔVS, V1 > VS und
V3 > VS + ΔVS. Wenn bzw. da die Differenz zwischen den
Spaltenspannungen Xi – Xk und
den Zeilenspannungen Yi – Yk größer als ΔVS ist und die Zeilenspannungen niedriger
sind als die Spaltenspannungen, emittieren die entsprechenden Pixel
nicht.
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Die 13 ist
ebenfalls ein auf den vorhergehenden Fall anwendbares Spannungsschema. Unter
allen für
V1, V2 und V3 möglichen
Werten kann man eine einfachere bzw. einfache Lösung wählen. Dazu muss man, wenn man
V1 = V0 und ΔV > ΔVS nimmt,
um ein Pixel Xj, Yj anzusteuern,
an die Spalte Xj und die Zeile Yj eine Spannung V0 legen,
wobei die anderen Spalten auf eine Spannung V0 + ΔV gebracht
werden und die anderen Zeilen auf eine Spannung V0 – ΔV.