DE60027426T2 - Elektrolumineszenter verbundstoff mit phosphormusterstruktur und dickfilmdielektrikum mit verbesserten dielektrischen eigenschaften - Google Patents

Elektrolumineszenter verbundstoff mit phosphormusterstruktur und dickfilmdielektrikum mit verbesserten dielektrischen eigenschaften Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wechselstrom(AC)-Elektrolumineszenz (EL)-Vorrichtungen, die unter Anwendung der Dünnfilm- und/oder Dickfilm-Technologie hergestellt werden. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf Vollfarben-EL-Vorrichtungen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In den US-Patenten Nr. 5 432 015 (Wu et al., veröffentlicht am 11. Juli 1995) und 5 756 147 (Wu et al., veröffentlicht am 26. Mai 1998) sind eine Elektrolumineszenz-Laminat-Struktur, in der eine dielektrische Dickfilm-Schicht mit Dünnfilm-Schichten kombiniert ist, und ein Rückseiten-Vorderseiten-Verfahren zur Herstellung derselben auf einem starren Träger (Unterlagen)-Substrat beschrieben. Festkörper-Sichtanzeige-Einrichtungen (SSD-Displays), in denen diese Dickfilm/Dünnfilm-Hybrid-Technologie angewendet wird, weisen, wie gefunden wurde, gute Eigenschaften und eine gute Helligkeit (Leuchtkraft) bei Monochrom (ZnS : Mn-Phosphor (Leuchtstoff)- und Vollfarben (ZnS : Mn/SrS : Ce-Zwei-Schichten-Phosphor bzw. -Leuchtstoff)-Anwendungen auf (Bailey et al., SID 95 Digest, 1995), Verbesserungen sind jedoch noch erforderlich.
  • Das Potential für eine EL-Vorrichtung als konkurrenzfähige Alternative zur Herstellung von Flachbild-Displays wurde bisher verhindert durch die Unfähigkeit, helle, stabile Vollfarben zu erzeugen. Dies führte zu EL-Vorrichtungen, die nur für Nischen-Anwendungen in Märkte vorgedrungen sind, für welche die ihnen eigenen Vorteile der Technologie, wie z.B. Robustheit, breiter Betrachtungswinkel, Temperaturunempfindlichkeit und schnelles Ansprechverhalten, erforderlich sind. Zur Herstellung von Vollfarben-EL-Vorrichtungen werden bisher zwei grundsätzliche Alternativen angewendet. Ein Verfahren besteht darin, gemusterte Phosphore (Leuchtstoffe) zu verwenden, d.h. solche, in denen rote, grüne und blaue (RGB)-Phosphor-Elemente in einer Schicht abwechseln (vgl. z.B. das US-Patent Nr. 4 977 350 (Tanaka et al., 11. Dezember 1990). Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die drei Phosphore (Leuchtstoffe) in getrennten Stufen zu roten, grünen und blauen Subpixeln, die jedes Pixel (Bildelement bzw. -punkt) aufbauen, gemustert werden müssen. Außerdem können die drei Farben mit Hilfe der derzeit verfügbaren EL-Phosphore nicht alle hell genug hergestellt werden, um den gewünschten Helligkeits-Vorteil zu erreichen. Ein zweites Verfahren besteht darin, eine Farbe mittels der Weiß-Technik zu verwenden, die zuerst von Tanaka et al. (vgl. SID 88 Digest, S. 293, 1988, sowie US-Patent Nr. 4 727 003 (Ohseto et al., veröffentlicht am 23. Februar 1988)) beschrieben worden ist. Bei dem Weiß-Farben-Verfahren umfasst die Phosphor-Schicht Schichten von Phosphoren, in der Regel ZnS : Mn und SrS : Ce, die, wenn sie einander überlagert werden, weißes Licht erzeugen. Rote, grüne und blaue Subpixel werden dann erhalten, indem man einem gemusterten Filter vor dem weißen Licht anordnet. Der weiße Phosphor emittiert Licht mit Wellenlängen über den gesamten sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und die Filter lassen einen engeren Bereich von Wellenlängen durch, der den Farben für jedes Subpixel entspricht. Dieses Verfahren hat den Nachteil einer verhältnismäßig niedrigen Energieausbeute, was weitgehend zurückzuführen ist darauf, dass ein großer Anteil des Lichts durch die Filter absorbiert wird und die gesamte Energieausbeute des Displays (der Sichtanzeige) entsprechend vermindert ist.
  • Eine andere Anforderung an Vollfarben-Displays ist die Fähigkeit zur Abbildung von Grauabstufungen, d.h. die Fähigkeit, eine Reihe von definierten und gleichmäßigen Helligkeiten (Lichtemissions-Intensitäten) für jedes Subpixel zu erzeugen. In der Regel überspannen 256 Grauabstufungs-Helligkeiten einen Bereich von Null bis zur vollen Helligkeit, der durch vorgegebene elektrische Input-Signale für jedes Subpixel gesteuert wird. Diese Anzahl von Graustufen ergibt insgesamt etwa 16 Millionen einzelne Farben.
  • Elektrolumineszenz-Bildanzeigen (EL-Displays) weisen Pixel und Subpixel auf, die definiert sind durch Gruppen von Leiterstreifen, die unter rechten Winkeln einander überschneiden, auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Phosphor-Schicht. Diese Gruppen von Streifen werden jeweils als "Zeilen" und "Spalten (Vertikalreihen)" bezeichnet. Die Subpixel werden unabhängig voneinander beleuchtet unter Verwendung eines Adressier-Schemas, das als passive Matrix-Adressierung bezeichnet wird. Dies führt zu einer sequentiellen Adressierung der Zeilen durch Anwendung eines kurzen elektrischen Rechteck-Impulses mit einer Spitzenspannung, die als Schwellenwerts-Spannung bezeichnet wird, die sequentiell an jede der Zeilen so angelegt wird, dass die Dauer des Impulses kürzer ist als die für die Adressierung jeder Zeile zugeordnete Zeit. Die elektrischen Impulse, die jeweils eine definierte und unabhängige Spitzenspannung, hier als "Modulierungsspannung" bezeichnet, aufweisen, werden gleichzeitig an jede der Spalten (Vertikalzeilen), welche die adressierten Zeilen überschneiden, angelegt. Dadurch erhält man unabhängig voneinander kontrollierbare Spannungen an den Subpixeln, welche die Pixel aufbauen, entlang dieser Zeile entsprechend der momentanen Helligkeit, die jedes Subpixel aufweisen muss, um die gewünschten Pixel-Farben zu erzielen. Während jede Zeile adressiert wird, werden die übrigen Zeilen nicht adressiert oder an sie wird eine Spannung in der Nähe von Null angelegt. Der unabhängige Betrieb aller Subpixel auf dem Display macht es erforderlich, dass die Subpixel in der nicht adressierten Zeile nicht leuchten. Die elektrooptischen Eigenschaften der Subpixel auf einem Elektrolumineszenz-Display erleichtern es, diese Bedingungen zu erfüllen aufgrund des Umstandes, dass keine Helligkeit erzeugt wird, wenn die Spannung, die an die Subpixel angelegt ist, unterhalb der Schwellenwerts-Spannung liegt.
  • Die Zeit, die erforderlich ist, um alle Zeilen eines Displays anzusteuern (zu adressieren) wird als Bildfrequenz bezeichnet und für Video-Bilder muss die Bildwiederholungs-Frequenz mindestens 50 Hz betragen, um ein Bildflimmern zu vermeiden. Gleichzeitig gibt es eine maximale Bildwiederholungs-Frequenz, die in der Regel etwa 200 Hz beträgt, die erzielbar ist aufgrund einer Begrenzung der Spannungsanstiegszeit, die mit den elektrischen Eigenschaften des Displays und der damit verbundenen elektronischen Geräte kombiniert ist. Im Prinzip kann die Messung der Grauskala erzielt werden durch Steuerung der durchschnittlichen Pixel-Helligkeit durch Modulieren der durchschnittlichen Bildfrequenz. Dies macht es erforderlich, einen Teil der elektrischen Impulse innerhalb eines geeigneten kurzen Zeitraums wegzulassen. In der Praxis können jedoch wegen des begrenzten Bereiches der Bildfrequenzen nur einige wenige Stufen der Grauskala auf diese Weise erzeugt werden. Eine andere Option, als "Dithering" bezeichnet, besteht darin, einen oder mehrere Pixel in der unmittelbaren Umgebung eines Pixels auszulöschen, wenn eine verminderte Helligkeit erforderlich ist, um dadurch die Helligkeit (Leuchkraft) räumlich zu modulieren. Diese Methode führt jedoch zu einem Verlust an Display-Auflösung und Bildqualität.
  • Die bevorzugte Methode der Grauskala-Kontrolle besteht darin, die momentane Subpixel-Helligkeit zu kontrollierten (zu steuern), was durch Modulieren der elektrischen Impuls-Spitzenspannung, der Impulsdauer oder der Impulsform geschehen muss. Um den Energieverbrauch in Elektrolumineszenz-Displays, die unter Anwendung der passiven Matrix-Adressierung adressiert werden, ist es gleichzeitig wünschenswert, eine Zeilenspannung zu haben, die so nahe wie möglich bei der Schwellenwerts-Spannung liegt, oberhalb der Helligkeit erzeugt wird. Dies macht es erforderlich, dass die Schwellenwerts-Spannung für alle Subpixel gleich sein muss.
  • Filter, die verwendet werden, um die spektralen Emissionseigenschaften von Subpixeln anzupassen, weisen in der Regel keine idealen Eigenschaften auf. Sie führen nicht zu einer vollständigen Übertragung in den gewünschten Wellenlängenbereichen, um die gewünschten roten, grünen und blauen Farben zu erhalten, und sie weisen eine gewisse optische Transparenz in den Wellenlängenbereichen auf, in denen sie opak sein sollten. Diese Abweichungen von dem idealen Verhaften bringen Aufbau-Beschränkungen bezüglich des Gesamt-Pixelaufbaus mit sich. Beispielsweise weisen die blauen Filter auf Polymerbasis, die üblicherweise für Elektrolumineszenz-Displays und andere Typen von Flachbild-Displays verwendet werden, eine gewisse Transmission auch im roten Bereich des Spektrums auf. Die Notwendigkeit der Unterdrückung der roten Kontamination des blauen Pixels macht es erforderlich, dass dickere Polymerfilme verwendet werden, wodurch die Transparenz in dem gewünschten blauen Wellenlängenbereich vermindert wird. Sie weisen auch eine gewisse Transparenz im grünen Wellenlängenbereich auf, sodass eine ähnliche Forderung für dickere Polymere besteht, die weniger transparent für blaues Licht sind. Um den Anforderungen an Vollfarben-Displays zu genügen, sollten die Verhältnisse für die Helligkeit zwischen roten, grünen und blauen Subpixeln 3 : 6 : 1 betragen, um für dieses Pixel eine weiße Farbe zu ergeben. Die CIE-Farbkoordinaten für rote Subpixel sollten in dem Bereich von 0,60 < x < 0,65 und 0,34 < y < 0,36 liegen. Die CIE-Farbkoordinaten für grüne Subpixel sollten in dem Bereich von 0,35 < x < 0,38 und 0,55 < y < 0,62 liegen. Für blaue Subpixel sollten der CIE-Farbkoordinaten in dem Bereich von 0,13 < x < 0,15 und 0,14 < y < 0,18 liegen. Die kombinierte (weiße) Helligkeit für ein Pixel, das rote, grüne und blaue Subpixel umfasst, sollte mindestens etwa 70 Candela pro m2 (cd/m2) betragen und die CIE-Farbkoordinaten für volles Weiß sollten in dem Bereich von 0,35 < x < 0,40 und 0,35 < y < 0,40 liegen. Für einige Anwendungszwecke ist eine höhere Helligkeit wünschenswert.
  • Phosphore (Leuchtstoffe bzw. phosphoreszierende Substanzen), die für Elektrolumineszenz-Displays verwendbar sind, sind allgemein bekannt und sie bestehen aus einem Wirtsmaterial und einem Aktivator oder Dotierungsmittel. Das Wirtsmaterial ist in der Regel eine Verbindung eines Elements der Gruppe II des Periodensystems der Elemente mit einem Element der Gruppe VI oder eine Thiogallat-Verbindung. Zu Beispielen für typische Phosphore (Leuchtstoffe) gehören Zinksulfid oder Strontiumsulfid mit einem Dotierungsmittel oder Aktivator, das (der) als Lumineszenzzentrum fungiert, wenn ein elektrisches Feld an den Phosphor (Leuchtstoff) angelegt wird. Zu typischen Aktivatoren für Phosphore (Leuchtstoffe) auf der Basis von Zinksulfid gehören Mangan (Mn) für eine bernsteinfarbene Emission, Terbium (Tb) für eine grüne Emission und Samarium (Sm) für eine rote Emission. Ein typischer Aktivator für Phosphore (Leuchtstoffe) auf Basis von Strontiumsulfid ist Ce für eine blaugrüne Emission. Es ist üblich, die Phosphore (Leuchtstoffe) zu bezeichnen beispielsweise als SrS : Ce, um einen Phosphor (Leuchtstoff) auf Basis von SrS anzuzeigen, der mit Ce dotiert ist, und als ZnS : Mn, um einen Phosphor (Leuchtstoff) auf Basis von ZnS anzuzeigen, der mit Mn dotiert ist, und diese Konvention wird hier angewendet. Es ist auch üblich, bei Verwendung einer Formel für den Phosphor (Leuchtstoff), wie z.B. in ZnS, Phosphore (Leuchtstoffe) anzugeben, die überwiegend aus stöchiometrischem Zinksulfid aufgebaut sind. Andere Elemente können in dem Wirtsmaterial für den Phosphor (Leuchtstoff) enthalten sein, es ist jedoch ebenfalls typisch, auf einen Phosphor (Leuchtstoff) auf Basis der überwiegenden Komponente des Wirtsmaterials Bezug zu nehmen. So umfasst beispielsweise dann, wenn auf einen Phosphor (Leuchtstoff) auf Basis von Zinksulfid oder auf einen Zinksulfid-Phosphor, Bezug genommen wird, die Terminologie sowohl reines Zinksulfid als Wirtsmaterial als auch beispielsweise den Phosphor Zn1–xMgxS : Mn (d.h. einen Phosphor auf Basis von Zinksulfid, der aber auch Magnesiumsulfid in dem Zinksulfid-Wirtsmaterial enthält, der mit Mn dotiert ist), obgleich es auch so sein kann, dass ZnS und Zn1–xMgxS unterschiedliche Wirtsmaterialien sind. Diese Phosphor-Terminologie wird hier und in den weiter unten folgenden Patentansprüchen angewendet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an einer dielektrischen Dickfilm-Schicht für die Verwendung in einer Dickfilm/Dünnfilm-Hybrid-Elektrolumineszenz Vorrichtung. Die erfindungsgemäße dielektrische Dickfilm-Schicht wird durch Anwendung von Dickfilm-Verfahren aus einem dielektrischen Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, die im Allgemeinen mehr als etwa 500 beträgt, hergestellt. Die Verbesserungen werden erzielt durch Komprimieren (Zusammenpressen), beispielsweise durch isostatisches Pressen, der dielektrischen Dickfilm-Schicht vor dem Sintern, um die Porosität und die Dicke der Schicht signifikant zu vermindern und die dielektrische Festigkeit (Durchschlagsfestigkeit) signifikant zu erhöhen. Das Ergebnis ist eine unerwartete Verbesserung in Bezug auf die dielektrischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht, eine signifikante Verminderung der Dicke, der Porosität und des Hohlraum(Poren)volumens und der Verbindungsstellen zwischen den Hohlraumvolumina der Schicht sowie eine Verbesserung der Glätte der Oberfläche der Schicht, sodass eine gleichförmigere Helligkeit (Leuchtdichte) und ein geringerer dielektrischer Durchschlag in daraus hergestellten Elektrolumineszenz-Displays auftritt.
  • Elektrolumineszenz-Laminate, die unter Verwendung eines dielektrischen Dickfilms hergestellt worden sind, wie in dem US-Patent Nr. 5 432 015 beschrieben, weisen im Allgemeinen eine gleichförmige Helligkeit (Leuchtdichte) auf, wenn sie mit dem bloßen Auge betrachtet werden, wenn sie jedoch unter einem Mikroskop bei 100-facher Vergrößerung betrachtet werden, haben sie ein geflecktes bzw. marmoriertes Aussehen, bei dem einige Bereiche hell beleuchtet sind und andere Bereiche dunkler oder überhaupt nicht beleuchtet sind. Wenn die Betriebsspannung nahe bei der Schwellenwerts-Spannung liegt, ist dieses gefleckte bzw. marmorierte Aussehen am stärksten ausgeprägt. Der Effekt nimmt ab, wenn die Spannung über diesen Wert hinaus erhöht wird und alle Bereiche werden beleuchtet (hell). Der Effekt dieses Verhaltens besteht darin, dass der Beginn der Helligkeit allmählich ansteigt, wenn die Spannung über den nominellen Schwellenwert hinaus erhöht wird und die Geschwindigkeit des Anstiegs der durchschnittlichen Helligkeit (Leuchtdichte) mit steigender Spannung ist verhältnismäßig gering. Die Skala der festgestellten Variabilität der Helligkeit liegt in der Größenordnung von 10 μm. Dagegen weisen Elektrolumineszenz-Laminate, die unter Verwendung einer dielektrischen Dickfilm-Schicht hergestellt worden sind, die isostatisch gepresst wird, bevor sie gesintert wird, gemäß der vorliegenden Erfindung diese gefleckte bzw. marmorierte Charakteristik der Helligkeit (Leuchtdichte) in der Nähe der Schwellenwerts-Spannung nicht auf und ihre Helligkeit nimmt nahezu linear zu bis zu etwa 50 Volt oberhalb der Schwellenwerts-Spannung, sodass die durchschnittliche Helligkeit (Leuchtdichte) bei einer festgelegten Spannung oberhalb der Schwellenwerts-Spannung um etwa 50% höher ist als für ein ansonsten identisches Elektrolumineszenz-Laminat. Unter dem hier verwendeten Ausdruck "gleichförmige Helligkeit (Leuchtdichte)" ist eine Helligkeit (Leuchtdichte) zu verstehen, die bis zur Auflösung bis zu einer Skala von etwa 10 μm gleichförmig erscheint.
  • Allgemein betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Dickfilm-Schicht in einem EL-Laminat bzw. EL-Verbundmaterial des Typs, der eine oder mehrere Phosphor-Schichten aufweist, die sandwichartig zwischen einer vorderen Elektrode und einer hinteren Elektrode angeordnet sind, wobei die Phosphor-Schicht von der hinteren Elektrode durch die dielektrische Dickfilm-Schicht getrennt ist, wobei das Verfahren umfasst:
    die Abscheidung eines keramischen Materials auf einer oder mehreren Schichten, vorzugsweise auf einem starren Substrat, das die hintere Elektrode umfasst, unter Anwendung einer Dickfilm-Technik zur Bildung einer dielektrischen Schicht mit einer Dicke von 10 bis 300 μm;
    das Pressen (Verdichten) der dielektrischen Schicht unter Bildung einer verdichteten Schicht mit einer verminderten Porosität und Oberflächenrauheit; und
    das Sintern der dielektrischen Schicht unter Bildung einer gepressten, gesinterten dielektrischen Schicht, die in einem EL-Laminat bzwl EL-Verbundmaterial eine verbesserte einheitliche Helligkeit (Leuchtdichte) gegenüber einer nicht gepressten, gesinterten dielektrischen Schicht mit der gleichen Zusammensetzung aufweist.
  • Gemäß einem anderen breiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte kombinierte Komponente aus einem Substrat und einer dielektrischen Schicht für die Verwendung in einem EL-Laminat bzw. EL-Verbundmaterial, das umfasst:
    ein Substrat, das vorzugsweise steif bwz. starr ist, das eine hintere Elektrode umfasst;
    eine dielektrische Dickfilm-Schicht, die auf das Substrat aufgebracht ist, aus einem gepressten gesinterten Keramikmaterial, das im Vergleich zu einer nicht gepressten gesinterten dielektrischen Schicht mit der gleichen Zusammensetzung eine verbesserte dielektrische Durchschlagsfestigkeit, eine verminderte Porosität und eine gleichförmigere Helligkeit (Leuchtdichte) in einem EL-Laminat bzw. EL-Verbundmaterial aufweist.
  • Gemäß einem weiteren breiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein EL-Laminat, das umfasst:
    eine ebene Phosphor-Schicht;
    eine vordere und hintere ebene Elektrode beiderseits der Phosphor-Schicht;
    ein hinteres Substrat, das die hintere Elektrode umfasst, wobei das hintere Substrat eine ausreichende Steifheit aufweist, um das Laminat zu tragen; und eine dielektrische Dickfilm-Schicht auf dem starren Substrat, das die hintere Elektrode umfasst, wobei die dielektrische Dickfilm-Schicht hergestellt ist aus einem gepressten, gesinterten Keramikmaterial, das im Vergleich zu einem nicht gepressten gesinterten dielektrischen Material mit der gleichen Zusammensetzung eine verbesserte dielektrische Durchschlagsfestigkeit, eine verminderte Porosität und eine gleichförmige Helligkeit (Leuchtdichte) in einem EL-Laminat aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine gemusterte Phosphorstruktur, die insbesondere verwendbar ist in Wechselstrom-Dünnfilm/Dickfilm-Elektrolumineszenz-Vorrichtungen und die auch verwendbar ist in Wechselstrom-Dünnfilm-Elektrolumineszenz-Vorrichtungen, wenn die Dicke des Phosphors auf den Subpixeln nicht zu groß ist. In der erfindungsgemäßen Phosphorstruktur liegt das von dem Phosphor, der den roten, grünen und blauen Subpixeln zugrunde liegt, emittierte Licht innerhalb eines engeren Wellenlängenbereiches des sichtbaren elektromagnetischen Spektrums, das besser mit dem Bereich übereinstimmt, der durch die jeweiligen Filter transmittiert wird. Auf diese Weise können sowohl die Helligkeit als auch die Energieausbeute des Displays beträchtlich erhöht werden gegenüber den Werten, die mit einer konventionellen Farbe nach dem Phosphor-Weiß-Aufbau erzielbar sind. Ein weiteres Merkmal der gemusterten Phosphorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Subpixel-Schwellenwerts-Spannungen angeglichen werden können und die relativen Dichten der Subpixel so eingestellt werden können, dass sie Verhältnisse untereinander aufweisen, die bei jeder Betriebs-Modulierungsspannung, die zur Erzeugung der gewünschten Helligkeiten für Rot, Grün und Blau aufeinander eingestellt sind. Vorzugsweise bleiben die eingestellten Verhältnisse im Wesentlichen konstant über den vollen Bereich der Modulations-Spannung für einen geeigneten Farbausgleich. Für ein Vollfarben-Display liegen die eingestellten Helligkeits-Verhältnisse für die roten, grünen und blauen Subpixel am meisten bevorzugt in dem Bereich von etwa 3 : 6 : 1 oder ausreichend nahe bei diesem Verhältnis, um eine geeignete Farbtreue (Grauskala) zu ermöglichen.
  • Um den negativen Einfluss der den Filtereigenschaften eigenen Beschränkungen zu vermindern, ist es wünschenswert, einen Phosphor für die blauen Subpixel zu verwenden, der keine signifikanten Intensitäten von grünem oder rotem Licht emittiert. Mit Cer dotiertes Strontiumsulfid (SrS : Ce), das gegebenenfalls mit Phosphor (P) codotiert ist, wie es vorzugsweise hergestellt wird, nach dem hier angegebenen Verfahren, ergibt wünschenswerte CIE-Farbkoordinaten und eine wünschenswerte Helligkeit für die blauen und gegebenenfalls auch für die grünen Subpixel. Für grüne Subpixel ergibt mit Mangan dotiertes Zinksulfid (ZnS : Mn) im Allgemeinen keine ausreichende Helligkeit, wenn sie gefiltert werden, um akzeptable Farbkoordinaten zu ergeben, erfidungsgemäß können sie jedoch mit einem durch Cer dotierten Strontiumsulfid kombiniert werden, um eine höhere Helligkeit mit guten Farbkoordinaten zu ergeben. Alternativ kann Zn1–xMgxS : Mn, das mit einem geeigneten Verhältnis von Zn zu Mg eine höhere Helligkeit in dem grünen Bereich des Spektrums aufweist als ZnS : Mn, für die grünen Subpixel, gegebenenfalls zusammen mit ZnS : Mn, verwendet werden. Jeder oder beide der Zn1–xMgxS : Mn- oder ZnS : Mn-Phosphore kann für die roten Subpixel verwendet werden, wobei x zwischen 0,1 und 0,3 liegt.
  • Erfindungsgemäß sind innerhalb der einen oder mehreren Phosphor-Abscheidungen eine oder mehrere Einrichtungen vorgesehen zur Einstellung und Angleichung der Schwellenwerts-Spannungen der Subpixel und zur Einstellung der relativen Helligkeiten der Subpixel, sodass sie aufeinander eingestellte Verhältnisse bei jeder Betriebs-Modulationsspannung aufweisen können, die angewendet wird, um die gewünschten Helligkeiten für Rot, Grün und Blau zu erzeugen. Unter der Schwellenwerts-Spannung ist die höchste Amplitude eines Spannungsimpulses zu verstehen, der, wenn er an ein Subpixel in der gewünschten Bildfrequenz angelegt wird, eine messbare gefilterte Helligkeit ergibt, die niedriger ist als die niedrigste angegebene Grauskala-Helligkeit für dieses Subpixel. Die Einrichtungen zum Einstellen und Angleichen der Schwellenwerts-Spannungen dienen auch dazu, die relativen Subpixel-Helligkeiten so einzustellen, dass sie aufeinander eingestellte Verhältnisse über den vollen Bereich der angewendeten Modulierungspannung aufweisen. Im Allgemeinen handelt es sich bei der Einrichtung um eine oder mehrere aus der Gruppe (a) einer Schwellenwerts- Spannungs-Einstellungsschicht, die aus einem dielektrischen oder Halbleiter-Material hergestellt ist, das in einer oder mehreren Positionen oberhalb, unterhalb und eingebettet in einen oder mehrere der Phosphor-Abscheidungen angeordnet ist, und/oder (b) eine oder mehrere der Phosphor-Abscheidungen, die in unterschiedlicher Dicke hergestellt worden sind.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die hier verwendeten Ausdrücke "Subpixel" und "Subpixel-Phosphorelemente" untereinander austauschbar sind und sich auf die Phosphor-Abscheidungen für ein spezielles rotes, grünes oder blaues Subpixel-Element zusammen mit einer eventuellen Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungs-Abscheidung, die mit diesem Subpixel-Element verbunden ist, beziehen.
  • Es können geeignete Farbfilter für die drei Subpixel ausgewählt werden, um eine gleichmäßige Optimierung der Helligkeit und der Farbkoordinaten für jeden Pixel und die Gesamt-Pixel-Energieausbeute zu erzielen. Die vorliegende Erfindung ist auch anwendbar auf andere Farbphosphore, wobei Strontiumsulfid- und Zinksulfidphosphore lediglich repräsentativ dafür sind. In der Regel werden mindestens zwei verschiedene Phosphore verwendet, die jeweils aus unterschiedlichen Wirtsmaterialien hergestellt sind. Es ist auch möglich, die vorliegende Erfindung auf drei oder mehr unterschiedliche Phosphor-Schichten zur weiteren Optimierung zu erstrecken.
  • Allgemein betrifft die Erfindung eine gemusterte Phosphor-Struktur mit roten, grünen und blauen Subpixel-Phosphor-Elementen für ein Wechselstrom-Elektrolumineszenz-Display, die umfasst:
    mindestens einen ersten und einen zweiten Phosphor, die jeweils Licht in unterschiedlichen Bereichen des sichtbaren Spektrums emittieren, deren kombinierte Emissionspektren jedoch rotes, grünes und blaues Licht enthalten;
    wobei die ersten und zweiten Phosphore in einer Schicht vorliegen, die in benachbarter und wiederkehrender Beziehung zueinander angeordnet sind zur Erzielung einer Vielzahl von wiederkehrenden ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen; und
    eine oder mehr Einrichtungen, die mit einer oder mehreren der mindestens ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen kombiniert sind und die zusammen mit den mindestens ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen die roten, grünen und blauen Subpixel-Phosphor-Elemente bilden zur Einstellung und Angleichung der Schwellenwerts-Spannungen der roten, grünen und blauen Subpixel-Phosphor-Elemente und zur Einstellung der relativen Helligkeiten der roten, grünen und blauen Subpixel-Phosphor-Elemente, sodass sie bei jeder Betriebs-Modulierungsspannung, die verwendet wird, um die gewünschten Helligkeiten für Rot, Grün und Blau zu erzeugen, aufeinander eingestellte Verhältnisse aufweisen.
  • Geeignete Materialien für die Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschichten sind solche, die, wenn sie in Form einer Schicht in einer geeigneten Dicke abgeschieden werden, nicht elektrisch leitend sind, bis die Spannung an der gemusterten Phosphorstruktur die Schwellenwerts-Spannung für eine im Übrigen identische gemusterte Phosphor-Struktur, welche die Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht nicht aufweist, übersteigt. Ein geeignetes Material kann ausgewählt werden durch Überprüfung seiner Dielektrizitätskonstante und seiner dielektrischen Durchschlagsfestigkeit, um den oben genannten Bedingungen zu genügen, wobei Materialien, die verhältnismäßig hohe Dielektrizitätskonstanten und dielektrische Durchschlagsfestigkeiten im Vergleich zu denjenigen der Phosphor-Materialien aufweisen, bevorzugt sind. Die Materialien für die Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht sind kompatibel mit den Materialien, die in der gemusterten Phosphor-Struktur mit ihnen in Kontakt kommen, und sie werden ausgewählt aus dielektrischen Materialien und Halbleitern. Unter Halbleitern sind hier sowohl intrinsische Halbleiter als auch Halbleiter mit niedrigen Gehalten an Verunreinigungen zu verstehen, die wirksame elektronische Bandlücken aufweisen, die vergleichbar sind oder größer sind als die wirksame Bandlücke des Phosphormaterials. Zu Beispielen für geeignete Materialien gehören binäre Metalloxide, wie z.B. Aluminiumoxid und Tantaloxid, binäre Metallsulfide, z.B. Zinksulfid und Strontiumsulfid, Siliciumdioxid und Siliciumoxynitrid. Die Eignung dieser Materialien ist abhängig von den Eigenschaften der Grenzfläche zwischen den Materialien und eventuellen Phosphor-Materialien und den dielektrischen Materialien, die mit ihnen in Kontakt kommen. Im Allgemeinen ist dann, wenn die Phosphor-Abscheidung aus einem Phosphor durchgeführt wird, der auf Zinksulfid basiert, das bevorzugte Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsmaterial ein binäres Metalloxid, am meisten bevorzugt Aluminiumoxid.
  • Alternativ oder zusätzlich umfasst die Einrichtung zur Einstellung und Angleichung der Schwellenwerts-Spannungen und zur Einstellung der relativen Helligkeiten die Bildung der ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen mit unterschiedlichen Dicken, um so die Schwellenwerts-Spannungen und die Helligkeiten der Subpixel-Elemente auszugleichen. In diesem Fall kann ein Gesamt-Farbausgleich für ein Pixel erzielt werden durch Einstellung der Helligkeiten für das Subpixel unter Verwendung unterschiedlicher Subpixel-Element-Flächen, beispielsweise durch Verbreitern der Subpixel-Elemente der weniger wirksamen Phosphore gegenüber der Breite der Subpixel-Elemente mit wirksameren Phosphoren.
  • Die gemusterte Phosphorstruktur der vorliegenden Erfindung erlaubt die Erzielung korrekter CIE-Farbkoordinaten für ein Vollfarben-Display für alle Betriebsmodulationsspannungs-Werte, sie erlaubt aber auch die Angleichung der Schwellenwerts-Spannungen der Subpixel-Elemente. Die Einrichtung zur Einstellung und Angleichung der Schwellenwerts-Spannungen und zur Einstellung der relativen Helligkeiten der roten, grünen und blauen Subpixel kann aber auch zusätzlich zu den Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsabscheidungen und/oder Änderungen der Dicke der Phosphor-Abscheidungen umfassen das Variieren einer oder mehrerer der folgenden Variablen, um die relativen Helligkeiten einzustellen:
    • i) der Flächen der Phosphor-Abscheidungen; und
    • ii) der Konzentrationen eines Dotierungsmittels oder eines Codotierungsmittels in den Phosphor-Abscheidungen.
  • Vorzugsweise bestehen der erste Phosphor und der zweite Phosphor aus unterschiedlichen Wirtsmaterialien, wie z.B. ein Strontiumsulfid-Phosphor oder ein Zinksulfid-Phosphor. Im Allgemeinen ist unter einem anderen Wirtsmaterial zu verstehen, dass ein anderes Element in das Phosphor-Wirtsmaterial in einem Atom-Prozentsatz von mehr als etwa 5 Atom-% eingeführt worden ist. Bevorzugte erste und zweite Phosphore sind SrS : Ce und ZnS : Mn; SrS : Ce und Zn1–xMgxS : Mn; oder SrS : Ce mit Schichten sowohl aus ZnS : Mn als auch aus Zn1–xMgxS : Mn, wobei es möglich ist, dass SrS : Ce mit Phosphor (P) codotiert sein kann. Diese sind Beispiele für Zinksulfid- und Strontiumsulfid-Phosphore, die, wenn sie einander überlagert würden, ein kombiniertes Emissionsspektrum aufweisen würden, das die Wellenlängen von weißem Licht abdecken würde (einzelne sichtbare Spektren für ZnS : Mn und SrS : Ce sind in den 7 und 8 jeweils darstellt). Innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung kann jede der ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen eine oder mehrere Schichten aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Phosphoren für jedes Subpixel-Element umfassen, und jede der Phosphor-Abscheidungen kann selbst auf einer oder mehreren Phosphor-Zusammensetzungen (d.h. Mischungen aus mehr als einem Phosphor) bestehen. Wie weiter unten angegeben, kann die Phosphorstruktur die Form einer oder mehrerer Schichten haben. So können beispielsweise in einer Einzelschicht-Phosphorstruktur, wie in Beispiel 3 angegeben, die Phosphore so angeordnet sein, dass Zn1–xMgxS : Mn die roten und grünen Subpixel-Elemente bildet, während SrS : Ce das blaue Subpixel-Element bildet. Eine Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht aus einem binären Metalloxid, wie z.B. Aluminiumoxid, kann auf den roten und grünen Subpixel-Elementen vorgesehen sein, um die gewünschten Helligkeitsintensitäts-Verhältnisse zwischen den Subpixel-Elementen zu erzielen. Alternativ können, wie in Beispiel 4 angegeben, SrS : Ce-Abscheidungen für blaue Subpixel-Elemente verwendet werden und eine Schicht aus Zn1–xMgxS : Mn kann zwischen ZnS : Mn-Schichten für die roten und grünen Subpixel-Elemente verwendet werden. Die aufeinandergestapelten Zinksulfidphosphor-Abscheidungen bei dieser Ausführungsform können dick genug sein, um die Schwellenwerts-Spannungen zwischen den Subpixel-Elementen aneinander anzugleichen. Um die gewünschten relativen Helligkeiten (Leuchtdichten) zwischen den Subpixel-Elementen zu erzielen, können die SrS : Ce-Abscheidungen für die blauen Subpixel breiter gemacht werden als die Subpixel für Rot und Grün. Alternativ können, wie in Beispiel 5 angegeben, SrS : Ce-Abscheidungen sowohl für die grünen als auch für die blauen Subpixel-Elemente verwendet werden und ZnS : Mn kann für die roten Subpixel-Elemente verwendet werden. Eine Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht aus einem binären Metalloxid, wie z.B. Aluminiumoxid, kann über den Subpixel-Abscheidungen verwendet werden, um die Schwellenwerts-Spannungen aneinander anzugleichen.
  • Wenn zwei Schichten von Phosphoren verwendet werden wie in Beispiel 2, können die Phosphore so angeordnet werden, dass SrS : Ce in einer ersten Schicht mit ZnS : Mn oder Zn1–xMgxS : Mn gemustert ist, und es kann eine zweite Schicht aus SrS : Ce über der ersten Schicht gebildet werden. Bei dieser Ausführungsform bilden die aufeinandergestapelten Phosphor-Abscheidungen aus SrS : Ce die blauen Subpixel-Elemente, während die roten und grünen Subpixel-Elemente durch die aufeinandergestapelten Zinksulfid-Phosphor-Abscheidungen unter der SrS : Ce-Abscheidung gebildet werden.
  • Im Vergleich zu einer konventionellen Farbe unter Anwendung der Weiß-Technik, bei der das weiße Licht durch coplanare aufeinandergestapelte Schichten aus SrS : Ce und ZnS : Mn gebildet wird, bietet die erfindungsgemäße gemusterte Phosphor-Struktur den Vorteil, dass sie eine dickere Schicht aus SrS : Ce für die blauen Subpixel-Elemente bereitstellen kann, ohne eine darunterliegende oder darüberliegende Schicht aus ZnS : Mn aufzuweisen. Dies führt zu einer erhöhten Blau-Luminanz (Blau-Leuchtdichte), und da in den blauen Subpixeln kein gelb-orangefarbenes Licht emittiert wird, ist das gefilterte Licht aus dem SrS : Ce-Phosphor ein stärker gesättigtes Blau.
  • Die erfindungsgemäße gemusterte Phosphorstruktur ist insbesondere anwendbar in Dickfilm/Dünnfilm-Wechselstrom-Hybrid-Elektrolumineszenz-Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5 432 015 beschrieben sind, wonach das EL-Laminat auf einem steifen Träger(Unterlagen)-Substrat hergestellt wird mit einer dielektrischen Dickfilmschicht unterhalb der Phosphorstruktur. Wechselstrom-Dünnfilm-Elektrolumineszenz-Vorrichtungen (TFELs) haben den Nachteil, dass im Allgemeinen ihre Dünnschichten planiert werden müssen, d.h. eine gleichmäßige Dicke haben müssen. Diese Vorrichtungen schließen jedoch im Allgemeinen die Verwendbarkeit von Farb-Phosphor-Subpixeln unterschiedlicher Dicken aus. Jedoch erlaubt die Verwendung einer dielektrischen Dickfilm-Schicht in einem EL-Laminat in Kombination mit der erfindungsgemäßen gemusterten Phosphor-Struktur die Verwendung unterschiedlicher Dicken der einzelnen Phosphor-Subpixel-Abscheidungen, um so die Farbkoordinaten und die Helligkeit eines speziellen Subpixel-Elements zu optimieren bei gleichzeitiger Einstellung und Angleichung der Schwellenwerts-Spannungen für die Subpixel-Elemente.
  • Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf neue Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen gemusterten Phosphor-Struktur. Allgemein betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer gemusterten Phosphor-Struktur, die rote, grüne und blaue Subpixel-Elemente für ein Wechselstrom-Elektrolumineszenz-Display aufweist, wobei das Verfahren umfasst:
    das Auswählen mindestens eines ersten und eines zweiten Phosphors, die jeweils Licht in unterschiedlichen Bereichen des sichtbaren Spektrums emittieren, deren kombinierte Emissionsspektren jedoch rotes, grünes und blaues Licht enthalten;
    das Abscheiden und das Mustern (Gestalten) des mindestens ersten und zweiten Phosphors in einer Schicht unter Bildung einer Vielzahl von wiederkehrenden ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen, die benachbart zueinander und in einer Wiederholungsbeziehung zueinander stehend, angeordnet sind; und
    das Bereitstellen einer oder mehrerer Einrichtungen in Kombination mit einer oder mehreren der mindestens ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen, die zusammen mit den mindestens ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen die roten, grünen und blauen Subpixel-Phosphor-Elemente bilden, zum Einstellen und Angleichen der Schwellenwerts-Spannungen der roten, grünen und blauen Subpixel-Phosphor-Elemente und zum Einstellen der Helligkeiten der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente, sodass sie relativ zueinander eingestellte Helligkeiten bei jeder Betriebs-Modulierungsspannung aufweisen, die angewendet wird, um die gewünschten Helligkeiten für Rot, Grün und Blau zu erzeugen; und
    gegebenenfalls das Glühen der auf diese Weise gebildeten gemusterten Phosphor-Struktur.
  • Vorzugsweise wird das Mustern (Gestalten) des mindestens ersten und zweiten Phosphors erzielt durch Anwendung fotolithographischer Verfahren, welche die folgenden Stufen umfassen:
    • a) Abscheidung einer Schicht aus dem ersten Phosphor, der mindestens eines der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente bilden soll;
    • b) Entfernung des ersten Phosphor-Materials in den Bereichen, welche die übrigen der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente definieren sollen, wobei Zwischenräume zwischen den ersten Phosphor-Abscheidungen zurückbleiben;
    • c) Abscheidung des zweiten Phosphors auf den ersten Phosphor-Abscheidungen und in den Bereichen, welche die übrigen der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente definieren sollen; und
    • d) Entfernung des zweiten Phosphors aus den darüberliegenden ersten Phosphor-Abscheidungen, wobei eine Vielzahl von wiederkehrenden ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen zurückbleibt, die benachbart zueinander und einander wiederholend angeordnet sind.
  • Es wurden bereits neue fotolithographische Verfahren entwickelt, die besonders geeignet sind für die Musterung von Strontium- und Zinksulfid-Phosphoren, die bisher auf andere Phosphor-Kombinationen angewendet wurden. Bei den am meisten bevorzugten Ausführungsformen wird in den erfindungsgemäßen fotolithographischen Verfahren ein negatives Fotoresistmaterial verwendet, was den Vorteil hat, dass nur eine Fotomaske erforderlich ist, um das Mustern der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente zu erzielen. Bei diesem Verfahren umfassen die Stufen (b) bis (d) das Aufbringen eines negativen Resistmaterials auf den ersten Phosphor; das Freilegen und Entwickeln des Resistmaterials durch eine Fotomaske in den Bereichen, in denen der erste Phosphor ein oder mehrere der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente definieren soll; das Entfernen des ersten Phosphors wie in der Stufe (b), die Abscheidung des zweiten Phosphors auf den ersten Phosphor-Abscheidungen und in den Bereichen, die die übrigen der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente definieren sollen; und das anschließende Entfernen durch Abheben des zweiten Phosphors von der Oberseite der ersten Phosphor-Abscheidungen her. In der Regel handelt es sich bei diesem Verfahren bei dem ersten Phosphor um einen Strontiumsulfid-Phosphor, am meisten bevorzugt um SrS : Ce, der die blauen Subpixel-Elemente und gegebenenfalls die grünen Subpixel-Elemente bildet, und bei dem zweiten Phosphor handelt es sich um einen Zinksulfid-Phosphor, am meisten bevorzugt um ZnS : Mn oder Zn1–xMgxS : Mn oder um beide, der (die) die roten und gegebenenfalls die grünen Subpixel-Elemente bildet (bilden). Bei diesem Verfahren kann die Einrichtung zum Einstellen und Angleichen der Schwellenwerts-Spannungen und zur Einstellung der Helligkeiten der Subpixel-Elemente umfassen die Hinzufügung einer Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsabscheidungs-Schicht unterhalb, innerhalb oder oberhalb einer oder mehrerer der Phosphor-Abscheidungen und/oder die Bildung von Phosphor-Abscheidungen mit unterschiedlichen Dicken, wie oben angegeben. Außerdem kann mit Hilfe der Einrichtung zum Einstellen und Angleichen der Schwellenwerts-Spannungen und zum Einstellen der Helligkeiten der Subpixel-Elemente eine oder mehrere der folgenden Variablen variiert werden:
    • i. die Flächen der Phosphor-Abscheidungen; und
    • ii. die Konzentrationen eines Dotierungsmittels oder eines Codotierungsmittels in den Phosphor-Abscheidungen.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein neues fotolithographisches Verfahren, das besonders geeignet ist zum Mustern eines Phosphors, der einer Hydrolyse unterliegt, wie z.B. eines Erdalkalimetallsulfid- oder -selenid-Phosphors. Allgemein betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer gemusterten Phosphor-Struktur, die rote, grüne und blaue Subpixel-Elemente aufweist, für ein Wechselstrom-Elektrolumineszenz-Display, wobei das Verfahren umfasst:
    • a) das Auswählen mindestens eines ersten und eines zweiten Phosphors, die jeweils Licht in unterschiedlichen Bereichen des sichtbaren Spektrums emittieren, deren kombinierte Emissionsspektren jedoch rotes, grünes und blaues Licht enthalten;
    • b) das Abscheiden einer Schicht aus dem ersten Phosphor, der mindestens eines der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente bilden soll;
    • c) das Aufbringen eines Fotoresistmaterials auf den ersten Phosphor, das Freilegen des Fotoresistmaterials durch eine Fotomaske, das Entwickeln des Fotoresistmaterials und das Entfernen des ersten Phosphors in den Bereichen, in denen der erste Phosphor eine oder mehrere der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente definieren soll, wobei im Abstand voneinander angeordnete erste Phosphor-Abscheidungen zurückbleiben, wobei der erste Phosphor mit einer Ätzmittel-Lösung entfernt wird, die eine Mineralsäure, eine Quelle für Anionen einer Mineralsäure umfasst, in einem nicht-wässrigen, polaren, organischen Lösungsmittel, das die Reaktionsprodukte des ersten Phosphors mit Anionen der Mineralsäure löst und wobei gegebenenfalls vor der Entfernung des ersten Phosphors mit der Ätzmittel-Lösung der erste Phosphor in das nicht-wässrige organische Lösungsmittel eingetaucht wird;
    • d) das Abscheiden des zweiten Phosphormaterials über den ersten Phosphor-Abscheidungen und in den Bereichen, welche die übrigen der roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente definieren sollen; und
    • e) das Entfernen des zweiten Phosphor-Materials und des Fotoresistmaterials von oberhalb der ersten Phosphor-Abscheidungen durch Abheben, wobei eine Vielzahl von wiederkehrenden ersten und zweiten Phosphor-Abscheidungen zurückbleibt, die benachbart zueinander und in einer Wiederholungs-Beziehung zueinander angeordnet sind.
  • Die Erfindung erstreckt sich auch auf EL-Laminate, in denen, wie vorstehend beschrieben, ein starres Träger(Unterlagen)-Substrat, eine dielektrische Dickfilm-Schicht und die gemusterte Phosphorstruktur zusammen mit vorderen und hinteren Spalten- und Zeilen-Elektroden beiderseits der Phosphor-Schicht miteinander kombiniert sind, wobei die vorderen und hinteren Spalten- und Zeilen-Elektroden allgemein ausgerichtet sind auf die Phosphor-Subpixel-Elemente und Bandpass-Farbfilter-Elemente ausgerichtet sind auf die roten, grünen und blauen Phosphor-Subpixel-Elemente zum Passierenlassen von rotem, grünem und blauem Licht, das von den Phosphor-Subpixel-Elementen emittiert wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung neue und getrennte Auswahlkriterien für Sperrschicht-Diffusionsschichten und Injektionsschichten, die in Kombination mit Elektrolumineszenz-Phosphoren geeignet sind, und die insbesondere geeignet sind in Verbindung mit der gemusterten Phosphorstruktur und dem dielektrischen Dickfilm der vorliegenden Erfindung. Vorzugsweise ist oberhalb der elektrischen Dickfilm-Schicht eine Diffusions-Sperrschicht vorgesehen oder sie ist oberhalb des zweiten Keramikmaterials vorgesehen, falls ein solches vorhanden ist. Die Diffusions-Sperrschicht besteht aus einer ein Metall enthaltenden elektrisch isolierenden binären Verbindung, die mit den angrenzenden Schichten kompatibel ist und die genau stöchiometrisch ist, vorzugsweise gegenüber ihrer genauen stöchiometrischen Zusammensetzung um weniger als 0,1 Atom-% variiert und eine Dicke von 100 bis 1000 Å (10–100 nm) aufweist. Bevorzugte Materialien, die mit den jeweiligen Phosphoren und den Materialien in den dielektrischen Schichten variieren, die jedoch die am meisten bevorzugten Materialien sind, sind Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Zinksulfid. Vorzugsweise ist oberhalb der dielektrischen Dickfilm-Schicht oder, falls vorhanden, oberhalb des zweiten Keramikmaterials oder der Diffusions-Sperrschicht eine Injektionsschicht vorgesehen zur Herstellung einer Phosphor-Zwischenschicht. Die Injektionsschicht besteht aus einem binären dielektrischen oder halbleitenden Material, das in seiner Zusammensetzung nicht stöchiometrisch ist und das Elektronen in einem bevorzugten Energiebereich für die Injektion in die Phosphorschicht enthält. Das Material ist mit den angrenzenden Schichten kompatibel und ist vorzugsweise um mehr als 0,5 Atom-% nicht-stöchiometrisch. Bevorzugte Materialien variieren mit dem jeweiligen Phosphor und den Materialien in den darunterliegenden dielektrischen Schichten, für die Erzielung optimaler Elektronenenergien, am meisten bevorzugt sind jedoch Hafniumoxid oder Yttriumoxid. Es gibt einen Gegensatz zwischen der optimalen Elektroneninjektion und der Kompatibilität mit benachbarten Schichten. Als Folge davon kann gelegentlich eine nicht-stöchiometrische Verbindung als Injektionsschicht nicht verwendet werden.
  • Gemäß einem anderen breiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Synthese von Strontiumsulfid, das umfasst:
    die Bereitstellung einer Quelle für Strontiumcarbonat in hoher Reinheit in einer dispergierten Form;
    das Erhitzen des Strontiumcarbonats in einem Reaktor unter allmählichem Erhitzen bis auf eine Maximaltemperatur in dem Bereich von 800 bis 1200°C;
    das Inkontaktbringen des erhitzten Strontiumcarbonats mit einem Strom von Schwefeldämpfen, die durch Erhitzen von elementarem Schwefel in dem Reaktor auf mindestens 300°C in einer inerten Atmosphäre gebildet worden sind; und
    die Beendigung der Reaktion durch Abstoppen des Schwefelstroms an einem Punkt, wenn das Schwefeldioxid oder das Kohlendioxid in dem Reaktionsgas eine Menge erreicht hat, die in Korrelation steht mit der Menge des Sauerstoffs in den Sauerstoff enthaltenden Strontium-Verbindungen in dem Reaktionsprodukt, die in dem Bereich von 1 bis 10 Atom-% liegt.
  • Unter dem hier und in den Patentansprüchen unter Bezugnahme auf die Quelle für Strontiumcarbonat verwendeten Ausdruck "dispergierte Form" ist zu verstehen, dass die Strontiumcarbonat-Pulverteilchen im Wesentlichen gleichmäßig den Prozessbedingungen ausgesetzt sind. Dies kann vorzugsweise erzielt werden, indem man kleine Chargen, flüchtige nicht-kontaminierende, sauber verdampfende Verbindungen oder Lösungsmittel verwendet, die sich vor Beginn der Reaktion zu gasförmigen Produkten zersetzen, unter Verwendung von Fließbett oder Tumbler-Reaktoren.
  • Der hier und in den Patentansprüchen verwendete Ausdruck "Phosphor" bezieht sich auf eine Substanz, die elektroluminesziert, wenn ein ausreichend starkes elektrisches Feld an diese angelegt wird, und Elektronen in diese injiziert werden.
  • Der hier und in den Patentansprüchen verwendete Ausdruck "weißes Licht" bedeutet, wenn er sich auf die kombinierten Emissionsspektren von zwei oder mehr Phosphoren bezieht, dass weißes Licht emittiert wird, wenn die Phosphore so einander überlagert werden, dass das Licht so gefiltert werden kann, dass rotes, grünes und blaues Licht erhalten wird.
  • Der hier und in den Patentansprüchen verwendete Ausdruck "kompatibel" bedeutet, dass das Material chemisch stabil ist, sodass es mit angrenzenden Schichten nicht chemisch reagiert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines EL-Laminats, das einen dielektrischen Dickfilm aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer konventionellen Farbe durch weiße Doppelschicht-Phosphore und rote, grüne und blaue Filter;
  • 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines EL-Laminats mit einem dielektrischen Dickfilm gemäß der vorliegenden Erfindung in Kombination mit einer erfindungsgemäßen gemusterten Zwei-Schichten-Phosphorstruktur;
  • 3 stellt ein Diagramm dar, in dem die nicht-gefilterte Luminanz (Leuchtdichte) aufgetragen ist gegen die Spannung für die Farbe durch die Weiß-Struktur gemäß 1 (in dem Diagramm in Form von gestrichelten Linien dargestellt) und der gemusterten Phosphorstruktur der 2 (in dem Diagramm in Form von durchgezogenen Linien dargestellt) bei einer Antriebs(Steuer)-Frequenz von 60 Hz;
  • 4 stellt ein Diagramm dar, in dem die gefilterten Luminanzen (Leuchtdichten), aufgetragen gegen die Spannung, miteinander verglichen werden für die Farbe mit Weiß-Struktur gemäß 1 und die gemusterte Phosphorstruktur gemäß 2 bei einer Antriebs(Steuer)-Frequenz von 60 Hz;
  • 5 zeigt eine ebene Draufsicht auf die ITO-Spaltenelektrode auf mehreren Pixeln, welche die Ausrichtung auf die darunterliegenden roten, grünen und blauen Phosphor-Subpixel-Elemente zeigt;
  • 6 zeigt eine schematische Schnittansicht eines einzelnen Pixels eines EL-Laminats mit einer gemusterten Zwei-Schichten-Phosphorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung mit zusätzlichen Diffusions-Sperrschichten und Injektionsschichten;
  • 7 stellt ein Diagramm dar, welches das Emissionspektrum für ZnS : Mn zeigt, in dem die Intensität in beliebigen Einheiten gegen die Wellenlänge in nm aufgetragen ist;
  • 8 stellt ein Diagramm des Emissionspektrums für SrS : Ce dar, wenn dieser Phosphor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren synthetisiert worden ist, in dem die Intensität in beliebigen Einheiten gegen die Wellenlänge in nm aufgetragen ist; und
  • 9 stellt ein Diagramm dar, in dem die Energie gegen den Abstand aufgetragen ist, um Phosphor-Elektronenbanden in Gegenwart eines elektrischen Feldes zu erläutern.
  • Die Figuren zeigen die dielektrischen Dickfilm-Schichten und die gemusterten Phosphor-Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung in einem nicht angegebenen Maßstab.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • EL-Laminat mit einem isostatisch gepressten Dickfilm-Dielektrikum
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine dielektrische Dickfilm-Schicht, die eine erhöhte dielektrische Durchschlagsfestigkeit und eine erhöhte Dielektrizitätskonstante, ein signifikant vermindertes Porenvolumen, signifikant verminderte Verbindungen zwischen den Hohlräumen, eine signifikant verminderte Porosität und Dicke aufweist und eine signifikant verbesserte Oberflächenglätte besitzt, verglichen mit den dielektrischen Dickfilm-Schichten, wie sie beispielsweise in dem US-Patent Nr. 5 432 015 beschrieben sind. Die glattere Oberfläche der dielektrischen Schicht führt zu einer überraschenden Verbesserung durch Erzielung einer höheren und gleichmäßigeren Helligkeit (Leuchtkraft) eines daraus hergestellten EL-Displays. Die Verbesserung wird erzielt durch Pressen (Verdichten) einer dielektrischen Dickfilm-Schicht vor dem Sintern, beispielsweise durch isostatisches Pressen (Verdichten).
  • Die dielektrische Dickfilm-Schicht wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 1, 2, 5 und 6 beschrieben. Ein EL-Laminat 10 ist aufgebaut, betrachtet von hinten nach vorne (Betrachtungsseite), auf einem Träger(Unterlagen)-Substrat 12. Das Substrat 12 ist vorzugsweise ein starres Substrat, beispielsweise eine vorgeformte Platte, die genügend mechanische Festigkeit und Steifheit besitzt, um das Laminat 10 zu tragen. Alternativ kann das Substrat 12 ein Grün-Streifen oder dgl. sein, der gesintert wird, um dem Laminat 10 Steifheit zu verleihen. Der hier verwendete Ausdruck "steifes bzw. starres Substrat" bezieht sich auf das Substrat nach dem Sintern. Das Substrat 12 wird vorzugsweise hergestellt aus einem keramischen Material, das den hohen Sintertemperaturen (in der Regel bis zu 1000°C), die bei der Verarbeitung anderer Schichten des Laminats 10 angewendet werden, standhalten kann. Am meisten bevorzugt ist eine Aluminiumoxid-Platte, die eine Dicke und Steifheit aufweist, die ausreichen, um das EL-Laminat 10 zu tragen. Eine hintere Elektrodenschicht 14 ist auf das Substrat 12 aufgebracht. Für Anwendungen zur Herstellung von Lampen können das hintere Substrat 12 und die hintere Elektrode 14 eine Einheit bilden, beispielsweise durch Verwendung einer steifen, elektrisch leitenden Metallplatte. Für Display-Anwendungszwecke besteht die hintere Elektrode 14 aus Zeilen von elektrisch leitenden Metalladressleitungen, die auf dem Substrat 12 zentriert sind und einen Abstand von den Substraträndern haben. Bevorzugte elektrisch leitendene Metalladressleitungen werden unter Verwendung von Edelmetallpasten auf an sich bekannte Weise durch Siebdruck aufgebracht. Eine elektrische Kontaktlasche 16 ragt aus der Elektrode 14 hervor, was in der 5 zu erkennen ist. Die dielektrische Dickfilm-Schicht 18 wird auf die Elektrode 14 aufgebracht und kann in Form einer Einzelschicht oder in Form von mehreren Schichten vorliegen. In den 1 und 2 ist die Schicht schematisch als eine Schicht dargestellt, während in 6 die Schicht eine dickere dielektrische erste Schicht 18 und eine dünnere dielektrische zweite Schicht 20 umfasst. Auf die dielektrische Schicht 18 oder die dielektrischen Schichten 18, 20 werden eine oder mehrere Phosphorschichten 22 aufgebracht. In der 1 ist der Phosphor in Form von zwei Schichten wie bei einer konventionellen Farbe nach dem Weiß-Design dargestellt. In den 2 und 6 ist die Phosphorschicht 22 so dargestellt, dass sie eine erfindungsgemäße gemusterte Phosphorstruktur 30 umfasst, wie weiter unten näher beschrieben. Oberhalb der Phosphorschicht(en) 22 kann eine dritte dielektrische Schicht 23 vorgesehen sein. Oberhalb der gegebenenfalls vorgesehenen dritten dielektrischen Schicht 23 ist eine vordere transparente Elektrodenschicht 24 vorgesehen. Die vordere Elektrodenschicht 24 ist in den 1 und 2 als massiv dargestellt, in der Praxis besteht sie jedoch für Display-Anwendungszwecke aus Spalten von Adressleitungen, die senkrecht zu den Zeilen-Adressleitungen, der hinteren Elektrode 14 angeordnet sind. Die vordere Elektrode 24 wird vorzugsweise aus Indiumzinnoxid (ITO) hergestellt unter Anwendung von bekannten Dünnfilm- oder fotolithographischen Verfahren. Obgleich nicht dargestellt, ist die vordere Elektrode ebenfalls mit einem elektrischen Kontakt ausgestattet. In den 1 und 2 sind Bandpass-Farbfilter 25 oberhalb der ITO-Leitungen, z.B. polymere rote, grüne und blaue Filter 25a, 25b bzw. 25c dargestellt, die auf die ITO-Adressleitungen ausgerichtet sind. In 2 sind diese Filter 25a, 25b und 25c auch auf rote, grüne und blaue Phosphor-Subpixel-Elemente 30a, 30b und 30c in der gemusterten Phosphorstruktur 30 ausgerichtet. Das EL-Laminat 10 ist, wie ebenfalls nicht dargestellt ist, von einer transparenten Abdichtungsschicht umgeben (umschlossen), um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern. Das EL-Laminat 10 wird betrieben durch Anschließend desselben an eine Wechselstrom-Energiequelle mittels der Elektroden-Kontakte. Der Betriebsspannungs-Schaltkreis (nicht dargestellt) ist allgemein bekannt. Das EL-Laminat 10, das die dielektrische Dickfilm-Schicht 18 enthält, ist verwendbar sowohl in EL-Lampen (EL-Dioden) als auch in Displays.
  • Es ist für den Fachmann auf diesem Gebiet selbstverständlich, dass weitere dazwischenliegende Schichten, z.B. eine oder mehrere Diffusionssperrschichten 26, Injektionsschichten 28 oder dielektrische Schichten (z.B. die optionalen zweiten und dritten dielektrischen Schichten 20, 23) in dem Laminat 10 enthalten sein können, von denen einige weiter unten in Kombination mit der gemusterten Phosphorstruktur 30 näher beschrieben werden. In der Beschreibung der vorliegenden Erfindung und in den Patentansprüchen ist somit, wenn ein EL-Laminat definiert ist als ein solches, das bestimmte Schichten enthält, die Anwesenheit von zusätzlichen dazwischenliegenden Schichten niemals ausgeschlossen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass im Allgemeinen die Kriterien für die Festlegung der Dicke und der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht(en) so berechnet werden, dass eine ausreichende dielektrische Durchschlagsfestigkeit bei minimalen Betriebsspannungen erzielt wird. Die Kriterien stehen in Wechselwirkung miteinander, wie weiter oben angegeben in Bezug auf eine einzige Phosphorschicht und eine einzige dielektrische Schicht. Im Falle von Mehrfachschichten, wie z.B. eines Zwei-Schichten-Phosphors oder der nachstehend beschriebenen gemusterten Phosphorstruktur, werden die Kriterien an die Mehrfachschichten angepasst, beispielsweise durch Verwendung der dicksten Dimension und einer durchschnittlichen Dielektrizitätskonstante der gesamten Phosphorschicht.
  • Bei einem gegebenen typischen Bereich für die Dicke der Phosphorschicht (d1) zwischen etwa 0,2 und 2,5 μm, einem Bereich der Dielektrizitätskonstante für die Phosphorschicht (k,) zwischen etwa 5 und 10 und einem Bereich für die dielektrische Durchschlagsfestigkeit für die dielektrische Schicht(en) von etwa 106 bis 107 V/m können die folgenden Beziehungen und Berechnungen angewendet werden, um typische Werte für die Dicke (d2) und die Dielektrizitätskonstante (k2) für die erfindungsgemäße dielektrische Schicht festzulegen. Diese Beziehungen und Berechnungen können als Richtlinien zur Bestimmung der d2- und k2-Werte verwendet werden, ohne dass der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird, wenn sich die typischen Bereiche signifikant ändern.
  • Die Spannung, die an eine Doppelschicht angelegt wird, die umfasst eine gleichförmige dielektrische Schicht und eine gleichförmige nicht-leitende Phosphor-Schicht, die sandwichartig zwischen zwei elektrisch leitendenen Elektroden angeordnet ist, ist gegeben durch die folgende Gleichung 1: V = E2·d2 + E1·d1 (1)worin bedeuten:
    • E2
    die elektrische Feldstärke in der dielektrischen Schicht;
    E1
    die elektrische Feldstärke in der Phosphorschicht;
    d2
    die Dicke der dielektrischen Schicht; und
    d1
    die Dicke der Phosphorschicht.
  • Bei diesen Berechnungen verläuft das elektrische Feld senkrecht zu der Grenzfäche zwischen der Phosphorschicht und der dielektrischen Schicht. Die Gleichung 1 gilt auch für angelegte Spannungen unterhalb der Schwellenwerts-Spannung, bei der die elektrische Feldstärke in der Phosphorschicht ausreichend hoch ist, sodass ein elektrischer Durchschlag in der Phosphorschicht beginnt und die Vorrichtung beginnt, Licht zu emittieren.
  • Von der elektromagnetischen Theorie aus betrachtet ist die Komponente der elektrische Verschiebung D senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen zwei isolierenden Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten über die Grenzfläche hinweg kontinuierlich. Diese elektrische Verschiebungskomponente in einem Material ist definiert als das Produkt aus der Dielektrizitätskonstante und der elektrischen Feldkomponente in der gleichen Richtung. Aus dieser Beziehung leitet sich die Gleichung 2 ab für die Grenzfläche in der Doppelschicht-Struktur: k2·E2 = k1·E1 (2)worin bedeuten:
    • k2
    die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials und
    k1
    die Dielektrizitätskonstante des Phosphormaterials.
  • Die Gleichungen 1 und 2 können miteinander kombiniert werden zur Bildung der Gleichung 3: V = (k1·d2/k2 + d1)·E1 (3)
  • Um die Schwellenwerts-Spannung zu minimieren, muss der erste Ausdruck in der Gleichung 3 so klein wie für die Praxis erforderlich sein. Der zweite Ausdruck ist gegeben durch das Erfordernis, die Phosphor-Dicke so zu wählen, dass die Phosphor-Lichtausbeute maximal ist. Für diese Bewertung wird der erste Ausdruck angenommen als 1/10 der Größe des zweiten Ausdrucks. Wenn man diese Bedingung in die Gleichung 3 einsetzt, erhält man die Gleichung 4: d2/k2 = 0,1·d1/k1 (4)
  • Die Gleichung 4 bestimmt das Verhältnis zwischen der Dicke der dielektrischen Schicht und ihrer Dielektrizitätskonstante, ausgedrückt durch die Phosphor-Eigenschaften. Diese Dicke wird festgelegt unabhängig von dem Erfordernis, dass die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der Schicht ausreichend sein muss, um der gesamten angelegten Spannung standzuhalten, wenn die Phosphorschicht oberhalb der Schwellenwerts-Spannung elektrisch leitend wird. Die Dicke wird errechnet unter Verwendung der Gleichung 5: d2 = V/S (5)worin S für die Durchschlagsfestigkeit des dielektrischen Materials steht.
  • Durch Anwendung der oben genannten Gleichungen und durch Einsetzen von vernünftigen Werten für d1, k1 und S erhält man den Bereich für die Dicke der dielektrischen Schicht und die Dielektrizitätskonstante. Im Allgemeinen ist der untere Grenzwert für die Dicke der dielektrischen Schicht der, dass die Schicht ausreichend dick sein muss, damit die dielektrische Durchschlagsfestigkeit der dielektrischen Schicht höher ist als das aktuelle elektrische Feld, das während des Betriebs der Vorrichtung anliegt. Im Allgemeinen kann die kombinierte Dicke der dielektrischen Schichten 18 und 20 einen Wert von nur etwa 10 μm haben bei einer Phosphorschicht-Dicke von bis zu etwa 2,5 μm.
  • Ein Verfahren zur Herstellung der dielektrischen Dickfilm-Schicht 18 wird nachstehend anhand der bevorzugten Materialien und Verfahrensstufen beschrieben.
  • Die dielektrische Schicht 18 wird unter Anwendung von Dickfilm-Methoden abgeschieden, die in der Elektronik-Halbleiter-Industrie allgemein bekannt sind. Die Schicht 18 wird vorzugsweise hergestellt aus einem ferroelektrischen Material, am meisten bevorzugt aus einem solchen mit Perovskit-Kristallstruktur, wobei man eine hohe Dielektrizitätskonstante erhält, verglichen mit derjenigen der Phosphorschicht(en) 22. Das Material weist eine minimale Dielektrizitätskonstante von 500 über eine vernünftige Betriebstemperatur für das Laminat 10 auf (im Allgemeinen 20–100°C). Besonders bevorzugt beträgt die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Schichtmaterials 1000 oder mehr. Beispielhafte Materialien für die Schicht sind BaTiO3, PbTiOs3, Bleimagnesiumniobat (PMN) und PMN-PT, ein Material, das Blei- und Magnesiumniobate und -titanate umfasst, wobei letzteres am meisten bevorzugt ist. Diese Materialien können aus ihren dielektrischen Pulvern hergestellt werden oder sie können als im Handel erhältliche Pasten bezogen werden.
  • Dickfilm-Abscheidungsmethoden sind allgemein bekannt, wie z.B. das Aufbringen von Grün-Bändern bzw. -Streifen, durch Walzenbeschichtung und durch Verwendung einer Rakel, am meisten bevorzugt ist jedoch das Siebdrucken. Es können im Handel erhältliche dielektrische Pasten verwendet werden, wobei die empfohlenen Sinterstufen von den Pastenherstellern angegeben werden. Die Pasten sollten so gewählt oder formuliert werden, dass sie das Sintern bei einer hohen Temperatur, in der Regel von etwa 800 bis 1000°C, erlauben. Die dielektrische Schicht 18 wird durch Siebdruck in Form einer einzigen Schicht oder in Form bei mehreren Schichten aufgebracht. Mehrere Schichten sind bevorzugt, wobei nach jeder Abscheidung getrocknet oder gebrannt oder gesintert wird, um eine niedrige Porosität, eine hohe Kristallinität und eine minimale Rissbildung zu erzielen. Die abgeschiedene Dicke der dielektrischen Schicht 18 (d.h. vor dem Pressen bzw. Verdichten) variiert entsprechend ihrer Dielektrizitätskonstante nach dem Sintern und entsprechend der Dielektrizitätskonstante und Dicke der Phosphorschicht(en) 22 und derjenigen der zweiten dielektrischen Schicht 20. Die abgeschiedene Dicke variiert auch entsprechend dem Grad der erhöhten Durchschlagsfestigkeit, die beim anschließenden isostatischen Pressen (Verdichten) und Sintern erzielt wird. Im Allgemeinen liegt die abgeschiedene Dicke der dielektrischen Schicht 18 in dem Bereich von 10 bis 300 μm, besonders bevorzugt von 20 bis 50 μm und am meisten bevorzugt von 25 bis 40 μm.
  • Das Pressen wird vorzugsweise erzielt durch kaltes isostatisches Pressen des kombinierten Substrat-Elektroden-dielektrischen Schicht-Parts bei einem hohen Druck von beispielsweise 10 000 bis 50 000 psi (70 000 bis 350 000 kPa) vor dem Sintern des Materials, während das Part in einem Abdichtungs-Beutel mit nicht-klebenden Materialien im Kontakt mit der dielektrischen Schicht 18 umschlossen wird. Die Dicke wird vorzugsweise um 20 bis 50%, besonders bevorzugt um etwa 30 bis 40% vermindert bei einer ganz besonders bevorzugten Dicke von etwa 10 bis 20 μm (alle Zahlen beziehen sich auf den Zustand nach dem Sintern). Dadurch wird, wie gefunden wurde, die Oberflächenrauheit um einen Faktor von etwa 10 vermindert und die Oberflächenporosität wird um einen Faktor von etwa 50% vermindert nach dem Sintern. Die Endporosität beträgt weniger als 20% nach dem Sintern. Die dielektrische Durchschlagsfestigkeit wird, wie gefunden wurde, verbessert um einen Faktor von 1,5 oder mehr nach dem Sintern. Dielektrische Durchschlagsfestigkeiten von mehr als 5,0 × 106 werden nach dem Sintern erzielt. EL-Displays, die aus den isostatisch gepressten (verdichteten) dielektrischen Dickfilm-Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, weisen, wie gefunden wurde, eine höhere Helligkeit (Leuchtkraft) und eine gleichförmigere Helligkeit über das gesamte Display auf, und die dielektrischen Dickfilm-Schichten weisen, wenn sie einmal gepresst (verdichtet) worden sind, eine viel geringere Empfindlichkeit gegenüber einem dielektrischen Durchschlag als Folge von Druckdefekten auf.
  • Eine dünnere zweite dielektrische Schicht 20 ist vorzugsweise auf der gepressten und gesinterten dielektrischen Schicht 18 vorgesehen, um eine glattere Oberfläche zu erzielen. Sie wird hergestellt aus einem zweiten keramischen Material, das eine Dielektrizitätskonstante aufweisen kann, die niedriger ist als diejenige der dielektrischen Schicht 18. Eine Dicke von etwa 1 bis 10 μm, vorzugsweise von etwa 1 bis 3 μm, ist in der Regel ausreichend. Die gewünschte Dicke dieser zweiten dielektrischen Schicht 20 ist im Allgemeinen eine Funktion der Glätte, d.h. die Schicht kann so dünn wie möglich sein, vorausgesetzt, dass eine glatte Oberfläche erzielt wird. Um eine glatte Oberfläche zu erzielen, werden vorzugsweise Sol-Gel-Abscheidungsverfahren angewendet, auch als metallorganische Abscheidung (MOD) bezeichnet, an die sich ein Erhitzen oder Brennen bei hoher Temperatur anschließt, um eine Umwandlung in ein keramisches Material zu erzielen. Sol-Gel-Abscheidungsverfahren sind allgemein bekannt (vgl. z.B. "Fundamental Principles of Sol Gel Technology" von R. W. Jones, The Institute of Metals, 1989). Im Allgemeinen können bei dem Sol-Gel-Verfahren die Materialien, die miteinander gemischt werden sollen, in einem molekularen Bereich in das Sol eingemischt werden, bevor sie in Form einer Lösung entweder als kolloidales Gel oder als ein polymerisierendes makromolekulares Netzwerks aufgebracht werden, wobei sie noch Lösungsmittel enthalten. Das Lösungsmittel lässt, wenn es entfernt worden ist, ein festes keramisches Material mit einem hohen Grad von Feinporosität zurück, wodurch der Wert für die freie Oberflächenenergie erhöht wird, sodass der Feststoff bei niedrigeren Temperaturen gebrannt und verdichtet werden kann als dies bei Anwendung der meisten anderen Verfahren möglich ist.
  • Die Sol-Gel-Materialien werden auf der ersten dielektrischen Schicht 18 so abgeschieden, dass eine glatte Oberfläche erzielt wird. Zusätzlich zur Erzielung einer glatten Oberfläche erleichtert das Sol-Gel-Verfahren das Auffüllen der Poren in der gesinterten Dickfilm-Schicht. Am meisten bevorzugt sind die Schleuderbeschichtung oder die Beschichtung durch Eintauchen. Zur Durchführung der Schleuderbeschichtung wird das Sol-Material auf die erste dielektrische Schicht 18 aufgetropft, die mit einer hohen Geschwindigkeit, in der Regel von einigen Tausend UpM, gedreht wird. Das Sol kann gewünschtenfalls in mehreren Stufen abgeschieden werden. Die Dicke der Schicht 20 wird eingestellt durch Variieren der Viskosität des Sol-Gels und durch Verändern der Umdrehungsgeschwindigkeit. Nach dem Schleuderbeschichten wird eine dünne Schicht aus dem feuchten Sol auf der Oberfläche gebildet. Die Sol-Gel-Schicht 20 wird erhitzt, im Allgemeinen auf eine Temperatur von weniger als 1000°C, unter Bildung einer keramischen Oberfläche. Das Sol kann auch durch Eintauchen aufgebracht werden. Die zu beschichtende Oberfläche wird in das Sol eingetaucht und dann mit einer konstanten Geschwindigkeit, in der Regel sehr langsam, herausgezogen. Die Dicke der Schicht wird gesteuert durch Veränderung der Viskosität des Sols und der Herauszieh-Geschwindigkeit. Das Sol kann auch durch Siebdrucken oder Sprühbeschichten aufgebracht werden, obgleich es dann schwieriger sein kann, die Dicke der Schicht unter Anwendung dieser Verfahren zu steuern.
  • Das in der zweiten dielektrischen Schicht 20 verwendete keramische Material ist vorzugsweise ein ferroelektrisches keramisches Material, das vorzugsweise eine Perovskit-Kristallstruktur hat, um eine hohe Dielektrizitätskonstante zu erzielen. Die Dielektrizitätskonstante ist vorzugsweise gleich bzw. ähnlich derjenigen des ersten dielektrischen Schichtmaterialss, um Spannungsschwankungen innerhalb der beiden dielektrischen Schichten 18, 20 zu vermeiden. Wenn jedoch eine dünnere Schicht in der zweiten dielektrischen Schicht 20 verwendet wird, kann eine Dielektrizitätskonstante von nur etwa 20 angewendet werden, vorzugsweise ist sie jedoch größer als 100. Zu beispielhaften Materialien gehören Bleizirkonattitanat (PZT), Bleilanthanzirkonattitanat (PLZT) und die Titanate von Sr, Pb und Ba, die in der ersten dielektrischen Schicht 18 verwendet werden, wobei PZT und PLZT am meisten bevorzugt sind.
  • Die nächste Schicht, die abgeschieden werden soll, kann sein eine oder mehrere Phosphorschicht(en) 22, wie weiter oben und nachstehend angegeben. Innerhalb des Schutzbereiches der vorliegenden Erfindung ist es jedoch auch möglich, zusätzliche Schichten zu Diffusionssperrschicht- und Injektions-Zwecken vorzusehen, wie weiter unten angegeben. Die Phosphorschicht(en) 22 können unter Anwendung bekannter Dünnfilm-Abscheidungsverfahren, beispielsweise durch Vakuumabscheidung mit einem Elektronenstrahl-Verdampfer, durch Sputtering und dgl. abgeschieden werden. Besonders bevorzugt ist die erfindungsgemäße gemusterte Phosphorstruktur, wie sie nachstehend beschrieben wird.
  • Eine weitere transparente dielektrische Schicht (nicht dargestellt) kann gewünschtenfalls oberhalb der Phosphorschichten 22 vorgesehen sein, woran sich die vordere Elektrode 24 anschließt. Das EL-Laminat 10 kann geglüht und dann mit einer Versiegelungsschicht (nicht dargestellt), beispielsweise aus Glas, versiegelt werden.
  • Diffusionssperrschicht
  • Erfindungsgemäß wird vorzugsweise eine Diffusions-Sperrschicht 26 oberhalb der dielektrischen Dickfilm-Schicht(en) 18, 20 und unterhalb der Phosphorschicht(en) 22, insbesondere der gemusterten Phosphorstruktur 30, wie sie nachstehend beschrieben wird, vorgesehen. Die Diffusionssperrschicht wird vorzugsweise auf beide Seiten der Phosphorschicht(en) 22 aufgebracht, wie in der 6 dargestellt. Alternativ kann die Diffusionssperrschicht innerhalb der gemusterten Phosphorstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, wie in den nachfolgenden Beispielen angegeben.
  • Eine gute Diffusionssperrschicht sollte frei von Rissen und Feinlunkern (Pinholes) sein. Diese können durch Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten, durch Entspannungsbehandlungen und konformale Beschichtungsverfahren eliminiert werden. Es kann noch eine Restdiffusion auftreten als Folge einer Korngrenzen-Diffusion, die von der Größe und Art der den Film aufbauenden Körner abhängt, oder es kann eine Kristallgitter-Diffusion auftreten, die von der Dichte der Atomfehlstellen abhängt. Die Diffusion durch Feinlunker (Pinholes) und Risse kann unterschieden werden von der Korngrenzen- oder Gitter-Diffusion insofern, als sie zu einer räumlichen Variation der Helligkeit in Abhängigkeit von dem Ausmaß der Pinholes oder Risse führt, die mit der Zeit stärker zunimmt als eine räumlich einheitliche zeitliche Abnahme der Helligkeit. Die Korngrenzen-Diffusion, die im Allgemeinen viel schneller abläuft als die Kristallgitter-Diffusion, kann minimiert werden, indem man gewährleistet, dass die abgeschiedenen Körner in der Diffusions-Sperrschicht so groß wie möglich sind. Dadurch wird die Flächendichte der Korngrenzen minimiert. Zur Bewahrung der Integrität der Sperrschicht ist auch die chemische Inertheit der Sperrschichtfilme im Kontakt mit den unmittelbar benachbarten Schichten erwünscht.
  • Die Stabilität der Phosphor-Helligkeit wird verbessert, wenn Siliciumdioxid-, Aluminiumoxid- oder Zinksulfid-Diffusionssperrschichten anstelle von Hafniumoxid- oder Yttriumoxid-Diffusionssperrschichten verwendet werden. Die Verbesserung wird auch dann erzielt, wenn zwischen der Sperrschicht 26 und der Phosphor-Struktur 30 eine dünne (100 Å = 10 nm dicke) Injektionsschicht 28, die ein anderes Material umfasst, angeordnet wird. Die Diffusionssperrschicht 26 wird somit erfindungsgemäß hergestellt aus Verbindungen, die eine genau stöchiometrische Zusammensetzung haben.
  • Die Phasendiagramme für die binären Silicium-Sauerstoff-, Aluminium-Sauerstoff- und Zink-Schwefel-Systeme zeigen, dass Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Zinksulfid nur als genau stöchiometrische Verbindungen vorliegen. Dagegen zeigen die Phasendiagramme von Yttriumoxid-Sauerstoff und Hafniumoxid-Sauerstoff, dass Yttriumoxid ein Sauerstoffdefizit von bis zu etwa 1 Atom-% aufweisen kann und Hafniumoxid ein Sauerstoffdefizit von bis zu etwa 3 Atom-% aufweisen kann. So ist es wahrscheinlich, dass diese zuletzt genannten beiden Materialien, wenn sie als Überzüge abgeschieden werden, ebenfalls ein signifikantes Sauerstoffdefizit aufweisen. Ein Vergleich zwischen den experimentellen Stabilitätsdaten und der Stöchiometrie der Diffusionssperrschicht zeigt, dass diese genau stöchiometrischen keramischen Materialien wirksame Diffusionssperrschichten ergeben.
  • Auf der Basis der oben gemachten Angaben können Materialien, die als Diffusionssperrschichten geeignet sind, vorhergesagt werden. Metall enthaltende elektrisch isolierende binäre Verbindungen (Dielektrika), die in Gegenwart der angrenzenden Schichten inert sind und ohne Risse oder Pinholes (Feinlunker) abgeschieden werden können und genau stöchiometrisch sind, sind bevorzugte Materialien. Der zuletzt genannte Aspekt kann bestätigt werden durch Überprüfung der binären Phasendiagramme dieser Materialien. Verbindungen, welche die geringste Kristallgitter-Diffusion ergeben, sind solche, in denen die Verbindungen nur über einen sehr engen Bereich des Verhältnisses zwischen ihren Aufbau-Elementen, vorzugsweise in einem Bereich von weniger als 0,1 Atom-%, von dem stöchiometrischen Verhältnis abweichen. Eine Abweichung von dem stöchiometrischen Verhältnis führt zur Entstehung von Fehlstellen an der Stelle des Defizitelements. Unter den Materialien, die aus dem Stand der Technik bekannt sind als dielektrische Materialien für Elektrolumineszenz-Displays sind Aluminiumoxid, Siliciumdioxid und Zinksulfid Beispiele für solche stöchiometrischen Verbindungen.
  • Injektionsschicht
  • Die vorliegende Erfindung kann über der Diffusionssperrschicht 26 benachbart zu der (den) Phosphor-Schicht(en) 22, insbesondere der nachstehend beschriebenen gemusterten Phosphor-Struktur 30, eine Injektionsschicht 28 umfassen. Die Schicht wird vorzugsweise auf beide Seiten der Phosphor-Schicht(en) 22 im Kontakt mit den Phosphor-Schicht(en) 22 aufgebracht. Alternativ oder ebenso gut kann die Injektionsschicht innerhalb der erfindungsgemäßen gemusterten Phosphor-Struktur vorgesehen werden, wie in den nachstehenden Beispielen angegeben.
  • Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass gefunden wurde, dass die Auswahlkriterien für die Injektionsschicht-Materialien verschieden sind von denjenigen für die Diffusionssperrschicht-Materialien, sodass eine bessere kombinierte Verwendbarkeit erzielt werden kann durch Bereitstellung der Diffusionssperrschicht und Injektionsschicht-Eigenschaften unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Schichten für diese Funktionen. Dies schließt nicht die Möglichkeit aus, dass bei einigen dielektrisch Dickfilm-Zusammensetzungen und/oder einigen Phosphor-Zusammensetzungen akzeptable Diffusionssperrschicht- und Injektions-Eigenschaften auch in dem gleichen Material zu finden sind.
  • Der Zweck dieser Schicht besteht darin, wirksame Injektions-Charakteristika für die in den Phosphor injizierten Elektronen zu erzielen. Der Zweck besteht darin, die Anzahl der Elektronen pro Einheitsfläche des Phosphors, die in den Phosphor innerhalb eines bevorzugten Energiebereiches injiziert werden, zu maximieren, um auf diese Weise die elektro-optische Energieausbeute in Kombination mit der Injektion von Elektronen in den Phosphor und die anschließende Umwandlung dieser Energie in Licht zu maximieren. Im Allgemeinen kann dies dadurch erzielt werden, dass man die Injektionsschicht-Phosphor-Grenzfläche so konzipiert, dass eine maximale Anzahl von Elektronen an der Grenzfläche in einem Zustand mit einem engen Energiebereich vorliegen, der zu der wirksamsten elektrooptischen Ausbeute führt. In der Literatur sind Daten über eine große Anzahl derartiger Grenzflächen angegeben. Bei ZnS-Phosphoren wurde gefunden, dass Hafniumoxid und Yttriumoxid höhere Injektionsausbeuten ergeben als Siliciumdioxid und Aluminiumoxid. Bei SrS : Ce wurde gefunden, dass reines ZnS eines etwas höhere Ausbeute ergibt als Aluminiumoxid, Hafniumoxid oder Siliciumdioxid, obgleich dies darauf zurückzuführen sein kann, dass ZnS eine bessere Kompatibilität mit SrS : Ce aufweist, wodurch die ZnS-Schicht mehr zu einer Diffusionssperrschicht in ihrer Funktion wird. Im Allgemeinen besteht die Injektionsschicht 28 aus einem dielektrischen binären Material, das in seiner Zusammensetzung nicht-stöchiometrisch ist, d.h. das eine Abweichung von seinem stöchiometrischen Verhältnis von größer als etwa 0,5 Atom-% aufweist, sodass mehr Elektronen innerhalb eines bevorzugten Energiebereiches für eine bessere Injektionsausbeute zur Verfügung stehen.
  • Gemusterte Phosphorstruktur
  • Die erfindungsgemäße gemusterte Phosphorstruktur ist allgemein mit der Ziffer 30 in den 2, 5 und 6 dargestellt. In den nachstehenden Beispielen ist angegeben, dass sich das Beispiel 2 auf eine gemusterte Zwei-Schichten-Phosphorstruktur und die Beispiele 3, 4 und 5 auf eine gemusterte Ein-Schicht-Phosphorstruktur beziehen.
  • Ein EL-Laminat 10, das die erfindungsgemäße gemusterte Phosphorstruktur 30 umfasst, enthält vorzugsweise alle oben angegebenen Schichten des EL-Laminats 10. Die Beschreibung der gemusterten Phosphorstruktur 30 gilt für ein oder wenige Pixel, multiple Pixel werden aber natürlich cyclisch wiederholt über das EL-Laminat 10 eines EL-Displays. Diesbezüglich bilden drei Subpixel einer Zeile und die Spalten-Elektroden zusammen ein einziges Pixel, das auf die roten, blauen und grünen Phosphor-Subpixel-Elemente 30a, 30b und 30c bzw. die roten, blauen und grünen Filter 25a, 25b und 25c ausgerichtet ist.
  • Die gemusterte Phosphorstruktur 30 wird hergestellt durch Abscheidung und Musterung von zwei oder mehr Phosphoren, die Licht in unterschiedlichen Bereichen des sichtbaren Spektrums emittieren, in mindestens einer Schicht zur Bildung einer Vielzahl von wiederkehrenden Phosphor-Abscheidungen, die in benachbarter, zueinander in Beziehung stehender Anordnung vorliegen auf der dielektrischen 13 oder 20 oder besonders bevorzugt auf einer eventuell vorhandenen Diffusionssperrschicht und Injektionsschichten 26 und 28. Die Musterung kann erzielt werden durch Fotolithographie oder durch Schattenmasken-Musterung, die Fotolithographie ist jedoch bevorzugt. Erfindungsgemäß werden ein fotolithographisches Verfahren mit einem negativen Fotoresistmaterial und ein Abhebe-Verfahren, das nur eine Fotomaske umfasst, angewendet. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft für die Musterung von feuchtigkeitsempfindlichen Strontiumsulfid-Phosphoren zusammen mit Zinksulfid-Phosphoren, es kann aber auch für andere Farb-Phosphore, insbesondere für Erdalkalimetallsulfid- oder -selenid-Phosphore, die einer Hydrolyse unterliegen, angewendet werden.
  • Eine erste Schicht aus einem ersten Phosphor wird abgeschieden unter Anwendung von bekannten Methoden zur Bildung eines oder mehrerer der roten, grünen oder blauen Subpixel-Elemente. Vorzugsweise ist die erste Schicht ein Strontiumsulfid-Phosphor, der die blauen oder die blauen und die grünen Subpixel-Elemente bildet. Ein negatives Fotoresistmaterial wird auf diese erste Phosphorschicht aufgebracht, woran sich die Freilegung durch eine Fotomaske anschließt, die dazu dient, entweder die blauen oder die blauen und die grünen Subpixel-Elemente freizulegen.
  • Ein negatives Resistmaterial wird verwendet wegen seiner verbesserten Stabilität bei erhöhten Temperaturen, denen das Resistmaterial während der nachfolgenden Behandlung ausgesetzt wird, und wegen seiner Fähigkeit, in Form von nicht-wässrigen Lösungen verwendet zu werden. Ein negatives Resistmaterial, das auf Polyisopren basiert, ist bevorzugt. Es können auch alternative negative Resistmaterialien verwendet werden, z.B. solche auf Basis von Polyimid, ebenso können positive Resistmaterialien verwendet werden, wenn sie zuerst einer tiefen Ultraviolett-Härtung unterworfen werden, bevor sie einer hohen Temperatur ausgesetzt werden. Positive Resistmaterialien können unter Verwendung eines Elektronenstrahl-Schreibers anstelle einer Belichtung mit Licht freigelegt werden, insbesondere wenn ein Muster mit einer sehr hohen Auflösung erwünscht ist.
  • Das Freilegungs-Verfahren erfordert die Verwendung nur einer Maske für alle Phosphor-Musterungsstufen, wodurch das Verfahren gegenüber Multimasken-Verfahren, wie sie üblicherweise in der Fotolithographie angewendet werden, vereinfacht wird. Negative Resistmaterialien haben die Eigenschaft, dass sie in Entwickler-Chemikalien unlöslich gemacht werden können, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Daher ist die Musterungs-Maske so konzipiert, dass sie eine Freisetzung des Resistmaterials in den Bereichen ermöglicht, die den blauen oder den blauen und den grünen Subpixel-Elementen entsprechen.
  • Nach dem Freilgen wird das Resistmaterial entwickelt, gespült und von Schaum befreit, bevor es mit einem Säure-Ätzmittel geätzt wird, um den Phosphor in den Bereichen zu entfernen, in denen die roten und grünen, oder die roten Subpixel-Elemente gebildet werden. Dem Ätzen vorgeschaltet ist vorzugsweise ein erstes Eintauchen in ein polares, nicht-wässriges organisches Lösungsmittel, vorzugsweise Methanol, um die Poren des Phosphors damit zu füllen. Das Ätzen wird durchgeführt mit einer Ätzmittellösung, die eine Mineralsäure oder eine Quelle für Anionen einer Mineralsäure in einem nicht-wässrigen, polaren organischen Lösungsmittel umfasst, welches das Reaktionsprodukt des ersten Phosphors mit Anionen der Mineralsäure löslich macht. Unter "nicht-wässrig" ist ein Lösungsmittel zu verstehen, das weniger als 1 Vol.-% Wasser, vorzugsweise weniger als 0,5 Vol.-% Wasser, enthält. Zu den Mineralsäuren gehören beispielsweise Fluorwasserstoffsäure, Chlorwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure und Bromwasserstoffsäure oder Mischungen davon, wobei Chlorwasserstoffsäure und Phosphorsäure am meisten bevorzugt sind. Das am meisten bevorzugte nicht-wässrige polare organische Lösung ist Methanol. Die Mineralsäure wird vorzugsweise in ihrer konzentrierten Form in der Ätzmittel-Lösung verwendet, um die Wassermenge, die darin enthalten ist, zu begrenzen. Im Allgemeinen liegt die Menge der konzentrierten Mineralsäure in dem Bereich von 0,1 bis 1 Vol.-%. Das Part mit dem ersten Phosphor wird in diese Ätzlösung eingetaucht, um die Bereiche des nicht-freigelegten Strontiumsulfids aufzulösen. Beispiele für bevorzugte Ausführungsformen sind Ätzlösungen (Ätzmittellösungen) mit 0,5% HCl in Methanol oder 0,1% HCl und 0,1% H3PO4 in Methanol.
  • Ein zweiter Phosphor oder gegebenenfalls ein zweiter und ein dritter Phosphor für die roten und grünen oder die roten Subpixel-Elemente wird sowohl auf dem ersten Phosphor, auf den das freiliegende Resistmaterial aufgebracht worden ist, als auch auf den Bereichen, von denen der erste Phosphor bereits entfernt worden ist, abgeschieden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem zweiten oder den zweiten und dritten Phosphoren um Zinksulfid-Phosphore. Zu diesem Zeitpunkt können zusätzliche Schichten, wie z.B. Injektionsschichten oder Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschichten, auf der zweiten oder auf der zweiten und dritten Phosphor-Schicht abgelagert werden. Alternativ können diese zusätzlichen Schichten vor der Abscheidung des ersten Phosphors oder nach der Entfernung des ersten Phosphors abgeschieden werden, je nach ihrer gewünschten Anordnung. Eine weitere Alternative besteht darin, diese zusätzlichen Schichten zwischen dem zweiten Phosphor und dem dritten Phosphor abzuscheiden. Dieses fotolithographische Verfahren erlaubt einen breiten Grad der Flexibilität.
  • Die zweite Phosphorschicht und eine eventuelle dritte Phosphor-Schicht oder zusätzliche Phosphor-Schichten werden selektiv von den Bereichen oberhalb des ersten Phosphors durch Abheben entfernt. Vorzugsweise wird eine Lösungsmittel-Lösung verwendet, bei der es sich überwiegend um ein polares, aprotisches Lösungsmittel handelt und die die Entfernung des Resistmaterials innerhalb einer Zeit erlaubt, die ausreichend kurz ist, um keine signifikante Hydrolyse der Phosphore hervorzurufen. Für das Abheben eines Zinksulfid-Phosphors ist die Verwendung einer Lösung einer geringeren Menge (von bis zu 50%, vorzugsweise von etwa 5 bis 20%, am meisten bevorzugt von etwa 10 Vol.-%) Methanol in Toluol besonders bevorzugt. Es können auch andere nicht-wässrige, polare, aprotische Lösungsmittel, wie z.B. Acetonitril, Diethylcarbonat, Propylencarbonat, Dimethylether, Dimethylformamid, Tetrahydrofuran und Dimethylsulfoxid, verwendet werden, je nach den jeweils beteiligten Phosphoren. Die verwendeten speziellen Lösungsmittel werden so gewählt, dass die Hydrolyse der Phosphore während der Entfernung des Resistmaterials innerhalb einer vernünftigen Zeitspanne minimiert wird.
  • Diese erste Schicht der gemusterten Phosphore kann dann durch eine weitere Schicht aus einem Phosphormaterial abgedeckt werden, welches das gleiche ist oder verschieden ist von dem ersten, dem zweiten oder dritten Phosphor, um die gewünschten Schwellenwerts-Spannungen und die gewünschten Helligkeiten für das Subpixel-Element zu erzielen. Alternativ können die Schwellenwerts-Spannungen und die Helligkeiten für die Subpixel-Elemente mit geeigneten Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschichten, die unterhalb, zwischen oder oberhalb der Phosphore abgeschieden werden können, eingestellt werden. Außerdem kann als eine weitere Alternative die Dicke der Phosphor-Abscheidungen variiert werden, um die Schwellenwerts-Spannungen aneinander anzugleichen und den gewünschten Wert der relativen Helligkeiten der Subpixel-Elemente einzustellen. Eine noch weitere oder zusätzliche Alternative zu der oben genannten besteht darin, eine oder mehrere der Flächen der Subpixel-Elemente oder der Zusammensetzungen der Phosphore und Dotierungsmittel einzustellen, um die gewünschten Schwellenwerts-Spannungen und die gewünschten relativen Helligkeiten der Subpixel-Elemente zu erzielen.
  • Das erfindungsgemäße fotolithographsche Verfahren erlaubt eine große Flexibilität in Bezug auf die Einstellung der oben genannten Parameter und/oder Schichten, um die gewünschten Schwellenwerts-Spannungen und relativen Helligkeiten der Subpixel-Elemente individuell einzustellen.
  • Oberhalb der gemusterten Phosphorstruktur 30 können eine zweite dielektrische Schicht 28 und ein gemusterter transparenter elektrischer Leiter angeordnet werden, um die Spalten-Elektroden 24 senkrecht zu den Zeilen-Elektroden 14, die unterhalb der Phosphorstruktur 30 angeordnet sind, zu definieren.
  • Wenn Zn1–xMgxS : Mn als Phosphor verwendet wird, liegt der Wert für x vorzugsweise zwischen etwa 0,1 und 0,3, besonders bevorzugt zwischen etwa 0,2 und 0,3. Wenn SrS : Ce als Phosphor verwendet wird, kann er mit Phosphor (P) codotiert sein.
  • a) Faktoren, welche die Pixel-Eigenschaften beenflussen
  • Dieser Abschnitt dient der Angabe der Kriterien, die sich auf die Auswahl der Phosphore und der speziellen Dicken, die in den Subpixel-Elementen angewendet werden sollen, bezieht. In dem folgenden Abschnitt werden die Dicke-Kriterien für jeweils bevorzugte und beispielhafte Phosphore erläutert.
  • Eine hohe Pixelenergieausbeute ist erforderlich, um eine hohe Helligkeit und eine hohe Gesamt-Energieausbeute eines Elektrolumineszenz-Displays zu erzielen. Die Pixelenergieausbeute ist definiert als Verhältnis zwischen der Lichtstärke innerhalb des gewünschten Wellenlängenbereiches, mit der die Oberfläche eines Pixels bestrahlt wird, dividiert durch die elektrische Energie, die den Pixeln zugeführt wird. Die Lichtstärke, ausgedrückt in Watt/m2, kann in direkte Beziehung gesetzt werden zu der Helligkeit des Pixels, ausgedrückt in Candela/m2 unter Verwendung der allgemein bekannten Beziehungen. Diese Beziehungen sind eine Funktion der angulären Verteilung des Lichtes eines Subpixels sowie eines Wellenlängenfaktors, welcher die Empfindlichkeit des menschlichen Auges für unterschiedliche Farben oder Wellenlängen des Lichtes berücksichtigt. Nachstehend werden Details der Faktoren, welche die Pixel-Energieausbeute beeinflussen, näher erörtert. Diese Ausbeute kann ausgedrückt werden als Produkt mehrere voneinander unabhängiger Faktoren. Diese werden hier definiert als Elektronen-Injektions-Wirkungsgrad, als Elektronenmultiplikations-Wirkungsgrad, als Aktivator-Erregungswirkungsgrad, als Strahlungszerfallwirkungsgrad und als Lichtextraktionswirkungsgrad. Vier dieser fünf Faktoren sind von der Dicke des weiter unten erörterten Phosphorfilms abhängig.
  • 1. Elektronen-Injektions-Wirkungsgrad
  • Der Elektronen-Injektionswirkungsgrad ist hier definiert als das Verhältnis zwischen dem Energiestrom von heißen Elektronen, die in die Phosphorschicht eines Display-Subpixels injiziert werden, und der Zufuhr von elektrischer Energie zu diesem Subpixel. Im Allgemeinen tritt eine Injektion auf durch Elektronen-Tunnelübergang in den Phosphor von einer Oberflächenstelle an der oder in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Phosphor und der unmittelbar benachbarten dielektrischen Schicht. Unter Bezugnahme auf die Zahlen in der 9 liegt die Energie der Elektronen in den Oberflächenzuständen in der Regel, wie bei 32 angezeigt, unterhalb des unteren Teils des Elektronenleitungsbandes in dem Phosphormaterial. Wenn ein elektrisches Potential an den Phosphor angelegt wird, sinkt der untere Rand des Leitungsbandes, bei 34 dargestellt, linear ab mit dem Abstand von der Grenzfläche, wie bei 36 dargestellt. Die Steigung dieser linearen Abnahme ist proportional zu dem angelegten Potential und umgekehrt proportional zu der Phosphor-Dicke. Ein Tunneleffekt tritt auf, wenn der Abstand (dargestellt als Tunnelübergangs-Abstand 38) zwischen der Grenzfläche 36 und dem ersten Punkt, an dem sich der untere Rand des Leitungsbandes 34 befindet, etwa gleich der Energie eines Elektrons in einem Oberflächenzustand 32 ist und ausreichend klein ist, im Allgemeinen liegt er in der Größenordnung von einigen wenigen Nanometern. Dieser Abstand kann vermindert werden bis zu dem Punkt, an dem ein Tunnelübergang auftritt durch Erhöhung des Potentials an der Phosphorschicht oder durch Verminderung der Phosphor-Dicke für ein festgelegtes Potential.
  • Nicht alle der injizierten Elektronen, die injiziert werden, sind "heiße" Elektronen. Im Allgemeinen gibt es eine Energieverteilung für die Oberflächenelektronen, die in die Phosphorschicht injiziert werden können. Wenn die Energiedifferenz zwischen einem Oberflächenelektron und dem unteren Rand des Leitungsbandes zu gering ist, wird das Elektron mit einer niedrigen Energie in den Phosphor injiziert. Elektronen mit niedriger Energie oder "kalte" Elektronen haben die Neigung, mit dem Phosphor-Wirtsmaterial in eine starke Wechselwirkung zu treten und sie verlieren ihre Energie, ohne dass Licht erzeugt wird. Der Bruchteil der heißen oder Licht erzeugenden Elektronen steht somit in Beziehung zu der Energieverteilung der Oberflächenelektronen. Die Oberflächenelektronen-Energieverteilung ist eine Funktion des Phosphors und der verwendeten, unmittelbar benachbarten dielektrischen Materialien. Das vorstehend beschriebene Elektroneninjektions-Modell kann durch die Anwesenheit von eingefangenen positiven oder negativen Ladungen innerhalb der Phosphorschicht verzerrt werden, die Abweichungen von dem angenommenen konstanten elektrischen Feld an dem Phosphor erzeugen können. Dennoch bleiben die allgemeinen Prinzipien für die Optimierung des Injektionswirkungsgrades der heißen Elektronen durch Auswahl einer geeigneten Phosphor-Dicke die gleichen.
  • Für ein definiertes Potential an der Phosphor-Schicht sollte der Elektroneninjektions-Wirkungsgrad im Allgemeinen abnehmen als Funktion der Phosphor-Dicke, weil die Wahrscheinlichkeit eines Injektions-Tunnelübergangs abnimmt als Folge der abnehmenden elektrische Feldstärke. Das Potential an einem Subpixel wird normalerweise ausgewählt in Abhängigkeit von der Spannung und dem Stromzuführungsvermögen des elektronischen Schaltkreises, der zum Betrieb des Subpixels verwendet wird, und der Schwellenwerts-Spannung, die für den Subpixel-Betrieb erwünscht ist. Der Bruchteil dieser Spannung an der Phosphor-Schicht ist eine Funktion der Dicke und der Dielektrizitätskonstante des Phosphors und der dielektrischen Schichten, die in Kombination mit der Phosphorschicht verwendet werden, wie weiter oben diskutiert. Der Injektions-Wirkungsgrad nimmt ab, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Tunnelübergangs abnimmt, weil ein größerer Anteil der dem Pixel zugeführten Energie abgeführt wird als Folge von Widerstands- und dielektrischen Hystereseverlusten in den dielektrischen Schichten des Pixels sowie als Folge von Widerstandsverlusten in den elektrischen Leitern, die dem Subpixel elektrische Energie zuführen. Diese Verlustquellen können minimiert werden durch Verwendung von dielektrischen Schichten mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, wie weiter oben erörtert.
  • 2. Elektronenvervielfachungs-Wirkungsgrad
  • Der Elektronenvervielfachungs-Wirkungsgrad ist hier definiert als der Wirkungsgrad der Energieumwandlung, kombiniert mit der Bildung einer großen Anzahl von heißen Elektronen durch ein Elektronenmultiplikations-Verfahren, wie weiter unten beschrieben, aus einem geringeren Strom von injizierten heißen Elektronen.
  • Die Elektronenmultiplikation hängt von einem Phänomen ab, nach dem ein Elektron, das in dem Phosphor-Wirtsmaterial als Reaktion auf das angelegte elektrische Feld beschleunigt worden ist, ein zweites Elektron erzeugen kann, das aus dem Valenzband herausgelöst wird, wobei es in dem Leiterband immobilisiert wird. Das zweite Elektron kann dann ebenfalls entsprechend dem angelegten Feld beschleunigt werden. Damit dies auftritt, muss das Ausgangselektron eine Energie aufweisen, die mindestens gleich ist dem Zweifachen der Bandlückenenergie oberhalb des oberen Randes des Valenzbandes, in der 9 durch die Ziffer 40 dargestellt. Die Elektronenmultiplikation ist ein Kaskadenprozess, der eine große Anzahl von Beschleunigungselektronen liefern kann aus wenigen injizierten Elektronen. Der Multiplikationsfaktor steigt an, wenn das angelegte Potential an der Phosphorschicht erhöht wird. Für ein an den Phosphor angelegtes festes Potential sollte die Elektronen-Multiplikationswirksamkeit am höchsten sein für verhältnismäßig dünne Phosphorschichten, an denen die elektrische Feldsteärke verhältnismäßig hoch ist und die Strecke der Elektronenwanderung zwischen den Multiplikationsereignissen verhältnismäßig kurz ist. Die verkürzte Strecke der Elektronen-Wanderung verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die Elektronen in dem Phosphor-Wirtskristallgitter gestreut werden, sodass sie Energie verlieren und aus dem Kaskadenprozess herausfallen. Die Elektronen-Multiplikation ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Dichte der injizierten Elektronen verhältnismäßig niedrig ist.
  • Die Elektronen-Multiplikation und die Ladungsinjektion werden beeinflusst durch positive Ladungen (Löcher), die erzeugt werden, wenn Elektronen aus dem Valenzband austreten und in das Leitungsband des Phosphor-Wirtsmaterials übertreten. Diese Ladungen sollten in der Lage sein, als Reaktion auf das angelegte Potential in der entgegengesetzten Richtung zu der Grenzfläche zu wandern, aus der die anfänglichen Elektronen injiziert wurden. Durch eine Erleichterung dieser Wanderung wird die Anreicherung von Ladungen innerhalb des Phosphor-Films minimiert, die zu einer Verzerrung des elektrischen Feldes innerhalb des Phosphors führen würde, das durch das angelegte Potential induziert wird. Die Lochwandungsrate kann erhöht werden, wenn die Phosphorschicht verhältnismäßig dünn ist und das antreibende elektrische Feld verhältnismäßig groß ist.
  • 3. Aktivatoranregungs-Wirkungsgrad
  • Die Aktivatoranregungsenergie ist hier definiert als der Bruchteil der heißen Elektronen, die bewirken, dass ein Elektron aus Aktivatoratomen in einen höheren oder angeregten Energiezustand übergeht.
  • Die Licht emittierenden Zentren oder Aktivatoren in einem Phosphor sind Dotierungsmittelatome, die innerhalb des Wirtsmaterials dispergiert sind, deren Elektronen in einen angeregten Zustand befördert werden, wenn ein heißes Elektron mit ihnen zusammenstößt. Die Elektronen in den angeregten Atomen kehren dann zu ihrem normalen Grundzustand zurück, wodurch ein Foton emittiert wird. Das Anregungsverfahren wird als Aktivierung bezeichnet. Die Helligkeit eines Phosphors ist proportional zu der Rate, mit der Fotonen gebildet werden. Diese Rate ist ihrerseits proportional zum Strom der heißen Elektronen, die auf die Dotierungsmittel-Atome auftreffen, der gesteuert wird durch die in den weiter oben angegebenen Abschnitten diskutierten Faktoren. Der Wirkungsgrad des Aktivierungsprozesses steht in Beziehung zu dem Querschnitt, den die Dotierungsmittel-Atome für die auftreffenden heißen Elektronen bieten. Dieser Wirkungsgrad wird meistens bestimmt durch die lokale Umgebung der Dotierungsmittel-Atome in dem Wirtsmaterial des Phosphors und wird wahrscheinlich nicht stark beeinflusst durch die Phosphordicke.
  • 4. Strahlungszerfall-Wirksamkeit
  • Die Strahlungszerfall-Wirksamkeit ist hier definiert als der Bruchteil der angeregten Dotierungsmittel-Atome, die in ihren Grundzustand zurückfallen, wobei ein Foton mit einer geeigneten Energie emittiert wird, das zu der Subpixel-Helligkeit beiträgt.
  • Wenn ein Dotierungsmittel-Atom aktiviert worden ist, kann es in seinen ursprünglichen oder Grundzustand zurückkehren mittels einer Vielzahl von Prozessen, von denen nur einer zur Bildung eines Fotons führt, das zu der Phosphor-Helligkeit beiträgt. Das Foton muss eine Energie haben, die dem Wellenlängenbereich für die Farbe des gewünschten Lichtes (Rot, Grün oder Blau) enntspricht, die als wirksamer Beitrag zur Helligkeit anzusehen ist. Einer der Faktoren, welche den Strahlungszerfall-Wirkungsgrad beeinflussen, ist das lokale elektrische Feld, das an der Stelle des Dotierungsmittel-Atoms anliegt. Dieses steht seinerseits in Beziehung zu der Phosphor-Dicke sowie zu dem Gesamtpotential an der Phosphorschicht. Im Allgemeinen tritt dann, wenn die elektrische Feldstärke zu hoch ist, ein Verfahren auf, das als Feldauslöschung bezeichnet wird, bei dem die angeregten Elektronen in dem Dotierungsmittel-Atom eine erhöhte Wahrscheinlichkeit aufweisen, aus dem Atom entfernt und in das Leitungsband des Wirtsmaterials injiziert zu werden. Die entfernten Elektronen verlieren gegebenenfalls ihre Energie in einem Kollisions-Prozess, der nicht zu einer Fotonenemission führt, was zu einer Verminderung des Strahlungszerfalls-Wirkungsgrades führt. Die Anwesenheit eines hohen, von außen angelegten elektrischen Feldes an der Stelle des Dotierungsmittel-Atoms kann auch zu einer Änderung der Wellenlänge der emittierten Fotonen führen, die in den Bereich hinein führt oder aus dem Bereich heraus führt, in dem das Foton zu der gewünschten Farbe beiträgt.
  • Im Allgemeinen sollte der Strahlungszerfall-Wirkungsgrad am höchsten sein, wenn die lokale elektrische Feldstärke unterhalb des Wertes liegt, bei dem eine Feldauslöschung auftritt. Bei einem festgelegten Potential an der Phosphorschicht wird die Feldstärke vermindert, wenn die Phosphordicke zunimmt.
  • 5. Lichtextraktions-Wirkungsgrad
  • Der Lichtextraktions(Lichtabzugs)-Wirkungsgrad wird hier definiert als der Bruchteil der Fotonen innerhalb des erforderlichen Energiebereiches, der beiträgt zu der Subpixel-Helligkeit, die innerhalb des Phosphors erzeugt wird, die durch die vordere Oberfläche eines Subpixels transmittiert wird, und der somit direkt zu einer geeigneten Helligkeit beiträgt.
  • Nicht das gesamte Licht, das durch Aktivatoren innerhalb des Phosphor-Materials erzeugt worden ist, wird aus der Phosphorschicht abgezogen zur Erzielung einer geeigneten Helligkeit. In der Regel kann ein Teil des innerhalb des Phosphors erzeugen Lichtes intern an den Phosphor-Oberflächen reflektiert werden oder anderweitig an irgendeiner anderen Grenzfläche innerhalb der Subpixel-Struktur reflektiert werden. Es können mehrere Reflexionen dieser Art auftreten, bevor das Licht durch die obere Oberfläche der Subpixel-Struktur transmittiert wird und somit zu einer nützlichen Helligkeit beiträgt. Je länger der optische Weg ist, den die Fotonen durchlaufen, bevor sie aus der Pixel-Struktur austreten, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Licht innerhalb der Subpixel-Struktur absorbiert werden, wodurch ein verminderter Lichtabzugs-Wirkungsgrad verursacht wird. Selbst wenn keine inneren Reflexionen auftreten, kann das Licht noch entlang des direkten Weges zwischen den Aktivator-Atomen, aus denen das Licht stammt, und den äußeren Oberflächen des Phosphors absorbiert werden. Die Wahrscheinlichkeit einer Absorption nimmt zu, wenn die Dicke der Phosphorschicht zunimmt, sodass der Lichtabzugs-Wirkungsgrad von diesem Standpunkt aus betrachtet abnimmt, wenn die Phosphor-Dicke zunimmt. Die Wahrscheinlichkeit von Reflexionen (Reflexionskoeffizient) an den Phosphor-Oberflächen steht in Beziehung zu der Differenz in Bezug auf den Brechungsindex zwischen dem Phosphor-Material und den benachbarten Schichten in der Subpixel-Struktur. Dies ist eine eigentümliche Eigenschaft der Materialien und hängt nicht von der Dicke ab. Wenn jedoch die Phosphor-Dicke übermäßig gering werden sollte, verglichen mit der Wellenlänge des Lichtes in diesem Material, dann kann der Reflexions-Koeffizient abhängig sein von der individuellen Schichtdicke innerhalb des Phosphors und innerhalb der anderen Schichten, die Teil der Subpixel-Struktur sind. Eine solche Abhängigkeit ist theoretisch nicht leicht vorhersehbar, sie kann jedoch experimentell bestimmt werden.
  • 6. Gesamte Pixelenergie-Ausbeute
  • Die gesamte Pixelnenergie-Ausbeute ist das Produkt aus den fünf Wirkungsgrad-Faktoren, wie sie in den vorherstehenden Abschnitten definiert und beschrieben worden sind. Für einige dieser Faktoren ist die Wirksamkeit (Ausbeute) eine zunehmende Funktion der Phosphorschicht-Dicke und für andere ist sie eine abnehmende Funktion der Phosphor-Schichtdicke. Die Erzielung einer Gesamt-Wirkungsgrad-Optimierung ist ein komplexer Prozess, der viele Parameter umfasst und schließlich kann die optimale Dicke der einzelnen Phosphore in einer Subpixel-Struktur experimentell bestimmt werden unter Verwendung der vorstehenden Erörterungen als Anleitung. In der Regel weist die Pixelenergieausbeute ein Maximum auf als Funktion der Phosphor-Dicke als Folge des Gleichgewichts (Ausgleichs) zwischen den fünf dazu beitragenden Faktoren. Die Form dieser Wirksamkeitskurve hängt von vielen Parametern ab und die optimale Gesamt-Phosphor-Dicke und die optimale Betriebsspannung zur Erzielung einer maximalen Helligkeit und eines maximalen elektrooptischen Wirkungsgrades kann experimentell bestimmt werden unter Verwendung der weiter oben als Anleitung diskutierten wissenschaftlichen Prinzipien.
  • b) Kriterium für die Auswahl der Phosphorabscheidung oder der Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht
  • Dicken und Flächen der Subpixel
  • Die Eigenschaften eines Pixels, in dem eine gemusterte Phosphorstruktur verwendet wird, können optimiert werden durch eine geschickte Auswahl der Design-Parameter. Diese Parameter umfassen die Zusammensetzungen der Phosphore und die Dotierungsmittel-Konzentrationen, die relativen Flächen der Subpixel und die Dicke der Phosphor-Abscheidungen und irgendwelcher zusätzlicher Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsabscheidungen von dielektrischen oder Halbleiter-Materialien, die in eines oder mehrere der Subpixel-Elemente eingearbeitet worden sind zum Zwecke der Sicherstellung, dass die relativen Helligkeiten der Subpixel-Elemente eingestellte Verhältnisse untereinander bei der jeweils angewendeten Modulierungsspannung aufweisen, um eine Farbgleichgewichts-Kontrolle für ein Pixel zu ermöglichen durch Einstellung der Farbkoordinaten für die Subpixel, am meisten bevorzugt zur Ermöglichung der Grauskalen-Einstellung für eine Vollfarbe. Die optimalen Parameter können nach den folgenden Stufen ausgewählt werden:
    • 1. Auswahl der Subpixel-Flächen, durch eine Wahl zwischen:
    • i. gleichen Flächen für jedes Subpixel,
    • ii. gleichen Flächen für jedes Subpixel, die jedoch mehr als ein Subpixel für eine oder zwei der drei Farben umfassen,
    • iii. variable Flächen, die ausgewählt werden, um die Gesamthelligkeit zu maximieren mit dem erforderlich Farbausgleich, die jedoch beschränkt sind auf einen Wert zwischen einer minimalen und einer maximalen Breite,
    • iv. variablen Flächen für jedes Subpixel und für mehr als ein Subpixel für eine oder zwei der drei Farben.
  • Die Auswahl der bevorzugten Optionen basiert auf einem Gleichgewicht zwischen der Erzielung einer maximal möglichen Helligkeit, der Erzielung der gewünschten Farbkoordinaten für die Subpixel unter Verwendung von geeigneten Rot-, Grün- und Blau-Filtern, der Erzielung einer Grauskala-Abstimmung, der Vermeidung von Schwierigkeiten mit einer ungleichmäßigen elektrischen Beladung der Zeilen- und Spalten-Antriebseinrichtungen und der Leichtigkeit der Herstellung. Die Auswahl von mehr als einem Subpixel für eine einzige Farbe anstatt eines einzigen Subpixels mit einer vergrößerten Fläche wird bestimmt durch den Wunsch, die Ladungsimpedanz, die an den Zeilen- oder Spalten-Antriebseinrichtungen zu sehen ist, oberhalb eines kritischen Wertes zu halten, unterhalb dessen die Helligkeit einige Subpixel niedriger als beabsichtigt sein kann als Folge eines Spannungsabfalls, der durch einen übermäßigen Stromfluss aus der Antriebseinrichtung verursacht wird. In dieser Situation kann die Zuverlässigkeit der Grauskala beeinträchtigt sein und es können unerwünschte Bildartefakte erzeugt werden. Wenn die Ladungsimpedanz einer Gruppe von Subpixeln, die von einer Antriebseinrichtung angetrieben werden, zu niedrig ist, kann die Ladung aufgeteilt werden zwischen mehr als einer Antriebseinrichtung durch Auswahl von mehr als einem Subpixel pro Farbe. Unabhängig voneinander adressierbare Subpixel innerhalb eines einzigen Pixels können erzeugt werden durch Einarbeitung einer oder mehrerer Zeilen und einer oder mehrerer Spalten in das Pixel. Eine mögliche Subpixel-Anordnung ist ein "Quat-Pixel", das vier Pixel enthält, die durch die Überschneidung jeder der beiden Spalten und der beiden Zeilen definiert sind. Bei dieser Anordnung können zwei der Pixel einer Farbe zugeordnet werden.
    • 2. Bestimmung der Phosphor-Abscheidungsdicken für ein das Leistungsvermögen begrenzendes Subpixel unter Verwendung der nachstehend angegebenen Stufen. Diese Stufen sind unabhängig von der Auswahl der Subpixel-Optionen, d.h. von den oben angegebenen Punkten (i) bis (iv).
    • A. Bestimmung der optimalen Schwellenwerts- und Gesamtantriebs-Spannungen für das Pixel. Diese Auswahl wird bestimmt durch die Berücksichtigung der jeweiligen Antriebseinrichtungs(Treiber)-Elektroniken, durch die gewünschten Subpixel-Helligkeiten und die gewünschte Energieausbeute. Im Allgemeinen ergeben die höchste mögliche Schwellenwerts- und Gesamt-Spannung die höchste Helligkeit. In der Regel können Schwellenwerts-Spannungen von bis zu 200 V und Modulierungs-Spannungen von bis zu 60 V bereitgestellt werden, wobei ein Maximum der Betriebsspannung von etwa 260 V erhalten wird. Es ist wünschenswert, dass die Schwellenwerts-Spannung für alle Subpixel gleich ist, sodass die maximale Schwellenwerts-Spannung an die Zeilen angelegt werden kann, was damit übereinstimmt, dass keine Emission aus einem Pixel auftritt, an das eine Modulierungs-Spannung von Null angelegt ist. Dies erleichtert die Kontrolle der vollständigen Grauskala und minimiert den Gesamt-Energieverbrauch, wie weiter oben erörtert.
    • B. Bestimmung der Dicke jeder Phosphor-Abscheidung, die für jedes Subpixel angewendet werden soll, das die gewünschte Schwellenwerts-Spannung ergibt, die übereinstimmt mit der Bereitstellung der gewünschten Farbkoordinaten und der gewünschten Helligkeit. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Zwei-Schichten-Phosphorstruktur angewendet (vgl. Beispiel 2). Experimentell wurde gefunden, dass eine Abscheidung von SrS : Ce mit 0,1% Ce-Dotierungsmittel bei einer Dicke zwischen etwa 1,4 und 1,8 μm geeignet ist für das blaue Subpixel für die oben angegebenen Spannungen. Eine Codotierung dieses Phosphors mit Phosphor (P) zur Bereitstellung einer Ladungskompensation für das Cer kann den Effekt haben, dass dadurch die Schwellenwerts-Spannung um etwa 25% erhöht wird. Zwei Schichten von Phosphor-Abseheidungen, die etwa 0,7 bis 0,9 μm SrS : Ce und etwa 0,35 bis 0,45 μm ZnS : Mn umfassen, sind geeignet für die roten und grünen Subpixel bei ähnlichen bzw. gleichen Spannungen. Die richtigen Farbkoordinanten können erzielt werden durch Verwendung geeigneter Filter für Rot und Grün. Bei anderen Ausführungsformen wird eine einzige Schicht von gemusteren Phosphor-Abscheidungen verwendet. in Beispiel 3 wurde experimentell gefunden, dass eine SrS : Ce-Abscheidung von 1,2 bis 1,4 μm geeignet ist für die blauen Subpixel, während eine Abscheidung von Zn1–xMgxS : Mn von 0,3 bis 0,5 μm geeignet ist für die grünen und roten Subpixel. In Beispiel 4 können die roten und grünen Subpixel hergestellt werden aus drei übereinander liegenden Phosphor-Abscheidungen von 0,4 bis 0,6 μm Zn1–xMgxS : Mn, die sandwichartig zwischen zwei 0,08 bis 0,1 μm dicken Schichten aus ZnS : Mn angeordnet sind. In Beispiel 5 kann eine Abscheidung von 1,2 bis 1,4 μm SrS : Ce sowohl die grünen als auch die blauen Subpixel ergeben, während eine 0,4 bis 0,5 μm dicke Abscheidung von ZnS : Mn die roten Subpixel ergeben kann. Vorstehend sind die vorgeschlagenen Zusammensetzungen und Dickenbereiche abhängig von den physikalischen und elektrolumineszierenden Eigenschaften der Phosphorschichten sowie von den elektrischen Eigenschaften der Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschichten und eventueller zusätzlicher dielektrischer Schichten und somit sind Variationen zu erwarten in Abhängigkeit von den spezifischen Eigenschaften der verwendeten Materialien.
    • C. Identifizierung, welches der oben definierten Subpixel die niedrigste Helligkeit aufweist, bezogen auf die erforderliche Helligkeit, um den gewünschten Pixel-Farbausgleich zu ergeben. Die Dicke jeder Phosphor- Abscheidung für dieses Subpixel wird dann so gewählt, dass sie diejenige ist, die für dieses Subpixel in der Stufe B festgelegt wurde.
    • 3. Bestimmung der Fläche der restlichen Subpixel und der Dicke ihrer Phosphor- und anderen Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungs-Schichten. Wenn die Option der gleichen Subpixel-Flächen gewählt wird, können die folgenden Stufen D und E durchgeführt werden. Wenn gleiche Flächen und mehr als ein Subpixel für mindestens eine Farbe ausgewählt werden, können die Stufen J und K durchgeführt werden, vorausgesetzt, dass die festgelegten Subpixel-Dimensionen zwischen den spezifischen Minimal- und Maximal-Werten liegen. Wenn variable Flächen bei Anwendung der Stufen J und K ausgewählt worden sind und die Dimensionen nicht zwischen den spezifischen Minimal- und Maximal-Werten liegen, können stattdessen die Stufen L und P angewendet werden.
    • D. Bestimmung der Dicke jeder der Phosphor-Abscheidungen für jedes restliche Subpixel, welche die gewünschten Farbkoordinaten und die gewünschte Helligkeit ergibt, bezogen auf das die Leistung begrenzende Subpixel. Die Schwellenwerts-Spannungen für diese Subpixel sollten im Allgemeinen niedriger sein als diejenigen für das die Leistung begrenzende Subpixel.
    • E. Bestimmung der Dicke der dielektrischen oder Halbleiter-Abscheidung, die erforderlich ist zur Erhöhung der Schwellenwerts-Spannung für diese Subpixel auf die Schwellenwerts-Spannung des die Leistung begrenzenden Subpixels. Diese Abscheidung kann unterhalb, oberhalb oder, für den Fall, dass mehr als eine Phosphor-Abscheidung angewendet wird, zwischen den Phosphor-Abscheidungen angeordnet sein, wobei die Reihenfolge der Abscheidungen ausgewählt wird auf der Basis der Leichtigkeit der Herstellung oder auf der Basis der physikalischen Isolierung von nicht miteinander kompatiblen Abscheidungen.
    • F. Entscheidung, welche Farben mehr als ein Subpixel aufweisen. Dies ist in der Regel die die Leistung begrenzende Farbe.
    • G. Neubewertung, welche Farbe die die Leistung begrenzende Farbe ist bei steigender Anzahl von Subpixeln für die ursprüngliche, die Leistung begrenzende Farbe und Auswahl der Dicke dieser Phosphor-Abscheidungen, wie in der Stufe B angegeben.
    • H. Bestimmung der Dicke der Phosphor-Abscheidungen für die übrigen Subpixel, um die gewünschten Helligkeiten relativ zu dem die Leistung begrenzenden Subpixel zu ergeben.
    • I. Bestimmung der Dicke der Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht, die erforderlich ist, um die Schwellenwerts-Spannung der restlichen Subpixel relativ zu derjenigen des die Leistung begrenzenden Subpixels zu erhöhen.
    • J. Auswahl der Dicke aller Phosphore, um ihre Schwellenwerts-Spannung unter Bezugnahme auf die Stufen B und C gleich zu machen.
    • K. Einstellung der Subpixel-Flächen, um die gewünschten relativen Helligkeiten zu erzielen.
    • L. Berechnung der Subpixel-Flächen, um die gewünschten relativen Helligkeiten zu erzielen.
    • M. Bestimmung, welche Flächen Dimensionen außerhalb der angegebenen Bereiche erfordern, und Einstellung derselben unter entsprechender Vergrößerung oder Verkleinerung.
    • N. Berücksichtigung der eingestellten Subpixel-Flächen, Neubewertung, welche Farbe die die Leistung begrenzende Farbe ist, und Auswahl der Dicke jeder ihrer Phosphor-Abscheidungen, wie sie in der Stufe B bestimmt worden ist.
    • O. Auswahl der Dicke der restlichen Subpixel, um die gewünschten relativen Helligkeiten zu erzielen.
    • P. Auswahl einer dielektrischen oder Halbleiter-Abscheidung, um die Schwellenwerts-Spannungen der restlichen Subpixel auf diejenigen der die Leistung begrenzenden Subpixel einzustellen, wie in der Stufe E angegeben.
  • c) Beispielhafte Anwendung der Auswahlkriterien
  • Die Anwendung der oben genannten Auswahlkriterien wird nachstehend erläutert für eine Zwei-Schichten-Phosphor-Struktur, in der die Schwellenwerts-Spannung und die Helligkeiten durch eine SrS : Ce-Schicht oberhalb einer gemusterten Schicht aus SrS : Ce und ZnS : Mn eingestellt werden.
  • 1. SrS : Ce-Gesamtdicke
  • Die kombinierte Dicke der SrS : Ce-Schichten auf den blauen Subpixeln wird bestimmt auf der Basis der für das Display erwünschten Schwellenwerts-Spannung. Diese wird ihrerseits bestimmt durch die Zeilen- und maximalen Spalten-Spannungen und die zugehörigen Ströme für eine volle Helligkeit, die durch die Display-Treiber-Elektronik erzielt werden kann. In der Regel ergeben die Zeilen-Antriebseinrichtungen ein maximales Output von 200 V für die Schwellenwerts-Spannung und die Spalten-Antriebseinrichtungen können eine maximale Modulierungsspannung von 60 V ergeben. Es wurde experimentell gefunden, dass eine mit 0,1% Cer dotierte Strontiumsulfid-Schicht mit einer Dicke zwischen etwa 1,4 und 1,8 μm für diese Spannungen geeignet ist. In einigen Fällen ist das Strontiumsulfid mit Phosphor (P) in dem gleichen molaren Mengenanteil wie Cer codotiert zur Erzielung eines Ladungsausgleichs. Der Ladungsausgleich kann bereitgestellt werden, weil im Verhältnis zu den Wirtsatomspecies dem Cer ein Elektron pro Ceratom fehlt. Der Phosphor weist ein überschüssiges Elektron pro Phosphoratom auf und kann daher das fehlende Elektron des Cers ausgleichen. Durch den durch Phosphor induzierten Ladungsausgleich wird der spontane Ladungsausgleich durch die Erzeugung von Atomfehlstellen, der die Eigenschaften des Phosphors verändern und möglicherweise die Elektrolumineszenz-Ausbeute des Phosphors vermindern kann, verhindert. Die Phosphor-Codotierung kann den Effekt haben, die Schwellenwerts-Spannung um etwa 25% zu erhöhen, sodass diese Differenz bei der Einstellung der Dicke der Strontiumsulfid-Schicht berücksichtigt werden muss.
  • 2. ZnS : Mn-Dicke
  • Die ZnS : Mn-Schichtdicke auf den roten und grünen Pixeln wird bestimmt auf der Basis der Erzielung eines richtigen Helligkeits-Verhältnisses zwischen Rot, Grün und Blau von 3 : 6 : 1 bei voller Helligkeit. Im Allgemeinen ist die begrenzende Helligkeit bei ZnS : Mn die Grün-Helligkeit. Die erfindungsgemäße gemusterte Phosphor-Struktur macht Gebrauch von der kombinierten Grünemission von ZnS : Mn und SrS : Ce, die das grüne Subpixel bedecken. Daher wird die ZnS : Mn-Dicke beschränkt durch das erforderliche Verhältnis von Blau zu Grün von 1 : 6 bei der angelegten Gesamtspannung (Summe der Schwellenwerts- und Modulierungs-Spannungen) für die volle Helligkeit. Die Grünemission ist ebenfalls von der Dicke der zweiten SrS : Ce-Schicht abhängig, die über dem Grün-Subpixel liegt, sodass die Dicke dieser Schicht abhängig ist von der Auswahl der Dicke der ersten SrS : Ce-Schicht, wie weiter unten erläutert. Die Gesamt-Grün-Helligkeit hängt auch von der optischen Absorption in dem zur Erzielung zufriedenstellender Farbkoordinaten für das grüne Pixel verwenden Filter ab. Daher ist eine gewisse experimentelle Optimierung erforderlich, um die ZnS : Mn-Dicke auszuwählen. Für die in diesem Beispiel angelegte Gesamtspannung ist eine ZnS : Mn-Schichtdicke in dem Bereich von 0,35 bis 0,45 μm zufriedenstellend. Die korrekte Rot-Helligkeit kann erhalten werden durch Auswahl eines in geeigneter Weise dämpfenden Rotfilters.
  • 3. Dicke der ersten SrS : Ce-Schicht
  • Die Dicke der ersten SrS : Ce-Schicht wird so ausgewählt, dass sie geeignet ist für die Schwellenwerts-Spannung für die drei Subpixel und sie hängt somit von der oben ausgewählten ZnS : Mn-Dicke ab. Es ist wünschenswert, dass die Schwellenwerts-Spannungen gleich sind, sodass die maximale Schwellenwerts-Spannung an die Zeilen angelegt werden kann, was damit übereinstimmt, dass ein Pixel keine Emission aufweist, wenn eine Modulationsspannung von Null angelegt wird. Dies erleichtert die Kontrolle der vollständigen Grauskala und minimiert den Energiegesamtverbrauch, wie weiter oben erläutert. Die optimale Dicke für die erste SrS : Ce-Schicht liegt in diesem Beispiel in dem Bereich von etwa 0,7 bis 0,9. In allen oben genannten Fällen sind die spezifischen Bereiche abhängig von den physikalischen und elektrolumineszierenden Eigenschaften der Phosphor-Schichten sowie von den elektrischen Eigenschaften der umhüllenden (einschließenden) dielektrischen Schichten und somit sind Abweichungen zu erwarten in Abhängigkeit von den spezifischen Eigenschaften der verwendeten Materialien.
  • d) Verfahren zur Herstellung eines gemusterten Phosphors
  • Die gemusterte Phosphorstruktur 30 ist in den nachfolgenden Beispielen 2 bis 5 unter Bezugnahme auf bevorzugte Materialien und Herstellungsbedingungen für rote, grüne und blaue Subpixel-Phosphorelemente 30a, 30b und 30c mit roten, grünen und blauen Farbkomponenten beschrieben. Das Verfahren und die Struktur sind durch diese Beispiele nicht beschränkt, sondern auch geeignet zur Herstellung von EL-Displays mit einem anderen Aufbau und mit einer großen Vielzahl von Pixelgrößen, Bereichen für die Anzahl der Pixel und Phosphor-Typen. Die gemusterte Phosphorstruktur wird in Kombination mit bevorzugten dielektrischen Dickfilm-Schichten, Phosphoren, Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschichten, Sperrschicht-Diffusionsschichten und Injektionsschichten, wie vorstehend beschrieben, erläutert.
  • Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
  • Beispiele
  • Beispiel 1 – isostatisch gepresste dielektrische Dickfilm-Schicht
  • Eine erste Schicht aus einer Heraeus CL90-7239-Paste mit hoher Dielektrizitätskonstante (der Firma Heraeus Cermalloy, Conshohocken, PA) wurde durch Siebdrucken abgeschieden unter Verwendung eines 250 Maschen-Siebs mit 98 Drähten/cm und einem Draht-Durchmesser von 1,6 μm. Das Material mit der hohen Dielektrizitätskonstante in der Paste war PMN-PT. Die aufgedruckte Paste wurde 30 bis 60 min lang bei 150°C getrocknet, wobei die längeren Zeiten für einen stärker beladenen Ofen gelten. Es wurde eine zweite Schicht aus dem gleichen Material auf die gebrannte erste Schicht aufgedruckt und dann 30 min lang bei 300°C gebrannt. Die Dicke der kombinierten Schichten zu diesem Zeitpunkt betrug etwa 26 μm. Die gesamte Struktur wurde dann isostatisch kalt gepresst (CIPped) unter Verwendung einer kalten isostatischen Presse bei 350 000 kPa (50 000 psi). Um ein ausreichendes Pressen (Verdichten) zu gewährleisten und eine verhältnismäßig glatte Oberfläche auf der dielektrischen Schicht zu erzielen, wurde eine Platte aus aluminisiertem Polyester so auf die dielektrische Oberfläche aufgelegt, dass die aluminisierte Oberfläche mit dem Dielektrikum in Kontakt stand. Es wurde zwei weitere Platten aus einem plastischen Sackleinen-Material um das Part herumgelegt, um so das Part gegenüber einem äußeren, biegsamen Versiegelungsbeutel zu isolieren, um zu verhindern, dass der Versiegelungsbeutel riss. Der Versiegelungsbeutel wurde evakuiert und heiß versiegelt. Der Beutel wurde isostatisch gepresst bei dem angegebenen Druck und nicht länger als 60 s lang bei diesem Druck gehalten.
  • Nach dem Pressen wurde das Part aus dem Beutel entnommen und in einem Bandofen unter Anwendung eines typischen Dickfilm-Temperaturprofils mit einer Spitzentemperatur von 850°C gebrannt. Nach dem Pressen und Brennen war das dielektrische Material im Wesentlichen nicht-porös. Die Dicke der dielektrischen Schicht zu diesem Zeitpunkt lang in dem Bereich von 15 bis 20 μm, in der Regel bei 16 μm.
  • Um die komprimierte dielektrische Dickfilm-Schicht zu testen, wurde zu einem Kondensator zwischen 1 cm2 großen Metallelektroden, die auf seine Oberfläche aufgedampft worden waren, verarbeitet. Es wurde ein Wechselstrom-Signal von 60 Hz angelegt, bis ein dielektrischer Durchschlag festgestellt wurde. Beim Test von sechs Proben wurden die in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Ergebnisse erhalten.
  • Tabelle 1: verbesserte dielektrische Eigenschaften einer isostatisch epressten dielektrischen Dickfilm-Schicht
    Figure 00620001
  • Auf der Basis der obigen Daten und unter Verwendung einer Dielektrizitätskonstante von 3300 für das unCIPped-Material wurden die dielektrische Durchschlagsfestigkeit grob errechnet zu 3 × 106 V/m. Bei Verwendung einer Dielektrizitätskonstante von 2800 für das CIPped-Material wurde die dielektrische Durchschlagsfestigkeit grob errechnet zu 107 V/m.
  • Um die Oberfläche der dielektrischen Schicht weiter zu glätten, wurde unter Verwendung von Sol-Gel-Vorläufer-Materialien, wie sie in Beispiel 3 des US-Patents Nr. 5 432 015 beschrieben sind, eine zweite dielektrische Schicht aufgebracht, die Bleizirkoniumtitanat umfasste. Die Dicke dieser Sol-Gel-Schicht betrug etwa 2 μm.
  • Beispiel 2 – gemusterte Zwei-Schichten-Phosphor-Struktur
  • Bezüglich des EL-Laminats dieses Beispiels wird Bezug genommen auf die 6.
  • 2.1. Dickfilm-Substrat-Schichten
  • Der Zweck dieses Dickfilm-Substrats besteht darin, einen mechanischen Träger, eine erste Pixel-Elektrode und eine dielektrische Dickfilm-Schicht zum elektrischen Isolieren der Elektrode gegenüber der Phosphorstruktur bereitzustellen. Die elektrische Isolierung ist erforderlich, um ein Mittel zur Kontrolle (Steuerung) der Stromdichte über eine große Fläche von Pixeln zu ermöglichen. Die Stromkontrolle resultiert aus der Injektion von lokalisierter Ladung in die Phosphorstruktur aus der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Phosphor und einem damit in Kontakt stehenden dielektrischen Material mehr als aus der Elektrode selbst. Die dielektrische Schicht weist eine hohe Dielektrizitätskonstante auf, um den Spannungsabfall zu minimieren, wenn eine Spannung an die Pixel-Elektroden angelegt wird, und um eine dielektrische Durchschlagsfestigkeit zu erzielen, die ausreicht, um einen elektrischen Durchschlag des Dielektrikums zu verhindern, wenn eine geeignete Spannung an die Pixel-Elektroden angelegt wird (vgl. die Lehren des US-Patents Nr. 5 432 015 (Wu et al.), in dem das Dickfilm-Substrat mehr im Detail beschrieben wird).
  • a) Hinteres Keramik-Substrat und hintere Elektrode
  • Das hintere Substrat war eine 0,63 mm dicke Platte aus Aluminiumoxid mit einer Reinheit von 96% (der Firma Coors Ceramics, Grand Junction, Colorado, USA). Dieses Material wird in der Regel verwendet für die Herstellung von elektronischen Dickfilm-Hybrid-Schaltungen. Zuerst wurde auf dem Aluminiumoxid-Substrat eine 0,3 μm dicke Goldelektrode abgeschieden mit dem Ziel, einen elektrischen Kontakt herzustellen, wie in der 5 dargestellt. Das Aluminiumoxid war unpoliert, um eine ausreichende Oberflächenrauheit zu ergeben, um so eine ausreichende Bindungsfestigkeit für die Goldschicht zu erleichtern. Die Goldelektrode wurde durch Siebdrucken aufgebracht unter Verwendung einer 22% Organometall-Paste Heraeus RP 20003/237 (der Firma Heraeus Cermalloy) zur Bildung von Zeilen-Elektroden, und dann unter Anwendung von Standard-Dickfilm-Verfahren der Hersteller zur Bildung des fertigen Goldfilms bei 850°C gebrannt.
  • b) Dielektrische Dickfilm-Schichten
  • Die nächste Stufe bestand darin, eine dielektrische Dickfilm-Schicht aufzubringen. Diese Schicht wurde in Form von zwei Einzelschichten, einer durch Siebdruck aufgebrachten und isostatisch gepressten dielektrischen Schicht, und einer glättenden Sol-Gel-Schicht, wie in Beispiel 1 angegeben, hergestellt. Die dielektrische Dickfilm-Schicht wies eine Dicke nach dem Brennen von 15 bis 20 μm auf, während die Sol-Gel-Schicht eine Dicke von etwa 2 μm hatte.
  • 2.2. Diffusionssperrschicht
  • Eine 300 Å (30 nm) dicke Aluminiumoxidschicht wurde durch Elektronenstrahlen auf die Oberfläche der Bleizirkoniumtitanat-Schicht aufgedampft. Der Aluminiumoxidfilm wurde auf dem Substrat bei 150°C abgeschieden und die Abscheidungs-Geschwindigkeit betrug 2 Å (0,2 nm)/s.
  • Der Zweck dieser Schicht bestand darin, eine Diffusion von Atom-Species in dem Dickfilm-Dielektrikum in die Phosphorschicht zu verhindern.
  • 2.3. Injektionsschicht
  • Auf der Aluminiumoxid-Diffusionssperrschicht wurde eine 100 Å (10 nm) dicke Hafniumoxidschicht durch Elektronenstrahl-Abscheidung abgeschieden. Die Hafniumoxidschicht wurde auf dem Substrat bei 150°C und mit einer Rate von 1 Å (0,1 nm)/s abgeschieden.
  • 2.4. Gemusterte Phosphor-Struktur
  • a) Erste SrS : Ce-Schicht
  • Es wurde eine erste SrS : Ce-Schicht in einer Dicke in dem Bereich von 0,70 bis 0,95 μm abgeschieden. Das als Verdampfungsquelle verwendete SrS-Pulver wurde nach dem nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Das SrS wurde mit 0,1% Ce dotiert durch Einmischen der geeigneten Menge von CeF3 in das Verdampfungs-Quellenmaterial. Die Abscheidung erfolgte durch reaktive Verdampfung bei einer Substrattemperatur von 450°C und mit einer Abscheidungsrate von 30 Å (3 nm)/s. In der Vakuumkammer wurde während der Abscheidung eine HrS-Atmosphäre unter einem Druck von 0,01 Pa (0,1 mm Torr) aufrechterhalten, was ausreichte, um ein Schwefel-Defizit gegenüber dem stöchiometrischen Verhältnis in dem abgeschiedenen Film zu verhindern. Nach der Abscheidung wurden einige der Parts 45 min lang in einem Vakuumofen bei 600°C behandelt, um die SrS : Ce-Schicht zu glühen. Die geglühten Parts ergaben eine Bahn von Mikrorissen in den Dünnfilm-Schichten nach dem Glühen, sie wiesen jedoch eine etwas höhere Anfangs-Helligkeit in dem Schlusstest auf, wie nachstehend beschrieben.
  • b) Musterung der SrS : Ce-Schicht
  • Nach der Abscheidung wurde die anfängliche SrS : Ce-Schicht unter Anwendung von fotolithographischen Verfahren gemustert. Zum Schützen der SrS : Ce-Schicht auf den blauen Subpixeln während des Ätzverfahrens, das zum Mustern angewendet wurde, wurde ein negatives Fotoresistmaterial auf Polyisoprenbasis OMR 83, erhältlich von der Firma AZ Photoresist Products division, Hoechst Celanese Corp., Somerville N. J., verwendet. Die Viskosität des Resistmaterials betrug 500 cP und es wurde bei Umdrehungsgeschwindigkeit von 1700 UpM innerhalb von 40 s durch Schleuderbeschichtung auf die Parts aufgebracht. Die Viskosität wurde so gewählt, dass eine relative rauhe Oberfläche (im Vergleich zu den Halbleiter-Oberflächen) sichergestellt wurde, die durch das Resistmaterial bedeckt wurde, und um die anschließende Abhebung, wie nachstehend beschrieben, zu optimieren. Die Enddicke der Resistschicht lag in dem Bereich von 3,5 bis 4,0 μm. Das Resistmaterial wurde durch eine Musterungs-Maske freigelegt, die dazu diente, das Resistmaterial in dem Bereich freizulegen, der den blauen Subpixel-Elementen entsprach.
  • Nach der Freilegung wurde das Resistmaterial durch Aufsprühen einer Entwicklerlösung während des Drehens des Parts mit 1000 UpM für 30 s entwickelt. Der Entwickler war OMR B von der Firma AZ Photoresist Productc Division, Hoechst Celanese Corp., Somerville, N. J. Nach dem Aufbringen des Entwicklers wurde eine 50 : 50-Mischung von Entwickler und OMR-Spüllösung 10 s lang aufgesprüht, danach wurde nur eine Spüllösung für 30 s aufgebracht, alles während das Substrat mit 1000 UpM gedreht wurde. Nach dem Spülen wurde das Part von Schaum befreit in einer Sauerstoffplasma-Ätzlösung für 2 min.
  • Nach dem Spülen des Resistmaterials wurde das Part 1 min lang in wässriges Methanol eingetaucht, um eventuelle Poren in der Oberfläche mit Flüssigkeit zu füllen. Das Part wurde dann 45 bis 70 s lang bei Umgebungstemperatur in eine Lösung von 0,5% konzentrierter Chlorwasserstoffsäure in wässrigem Methanol eingetaucht, um das SrS : Ce von den roten und grünen Subpixel-Elementflächen aufzulösen. Die Ätzreaktion führt zu einer Reaktion der Chlorwasserstoffsäure mit SrS : Ce unter Bildung von Strontiumchloridhydraten, die in Methanol löslich sind. Die Ätzdauer hängt von der Dicke der aufzulösenden SrS : Ce-Schicht ab. Das vorherige Eintauchen in reines wasserfreies Methanol diente dazu, die Chlorwasserstoffsäure daran zu hindern, in die Poren einzudringen und eine nachteilige Verätzung oder Kontamination der darunterliegenden Struktur hervorzurufen. Nach dem Ätzen wurden die Substrate 2 min lang in Methanol gespült und unter einem Stickstoffstrom getrocknet. Die Ätzlösung löste die darunterliegende Hafniumoxid-Injekionsschicht nicht auf.
  • c) ZnS : Mn-Abscheidung
  • Nach dem Ätzen der anfänglichen SrS : Ce-Schicht wurde eine Schicht aus ZnS : Mn mittels Elektronenstrahlen auf das Part aufgedampft, wobei die roten und grünen Phosphor-Subpixel-Elemente erhalten wurden. Die Mn-Konzentration betrug 0,8% und die Schichtdicke lag in dem Bereich von 0,3 bis 0,5 μm. Die Substrattemperatur während der Abscheidung betrug 150°C und die Abscheidungsgeschwindigkeit betrug 20 Å (2 nm)/s.
  • d) Hafniumoxid-Injektionsschicht
  • Diese Schicht wurde aufgebracht als eine Zwischenschicht, um eine Diffusion zwischen den Dotierungsmittel-Species der SrS- und ZnS-Phosphore zu verhindern und um gleichzeitig gute Elektroneninjektionsbedingungen aufrechtzuerhalten. Die Schicht ist nicht erforderlich, wenn Phosphorfilme von guter Qualität abgeschieden werden. Die Schicht wurde mittels Elektronenstrahlen in eine Dicke von 300 Å (30 nm) aufgedampft bei einer Substrattemperatur von 150°C und einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 1 Å (0,1 nm)/s.
  • e) Abhebung von ZnS : Mn
  • In dieser Stufe wurden die Hafniumoxid-Zwischenschicht und der darunterliegende ZnS-Phosphor aus den Positionen entfernt, in denen sie über den blauen Subpixels lagen. Dieses Abhebe-Verfahren wurde durchgeführt durch Auflösen der Resistmaterialschicht, die über den blauen Subpixeln während der ZnS : Mn- und Hafniumoxid-Abscheidungen verblieben waren. Um das Abhebe-Verfahren zu starten, wurde das Part in eine Mischung von 10 Vol.-% Methanol in Toluol bei Umgebungstemperatur 20 bis 40 min lang eingetaucht. Das Part wurde aus dem Lösungsmittel entnommen und abgewischt, dann in Isopropylalkohol zwei weitere Minuten lang gespült und unter Verwendung eines Stickstoffgasstroms getrocknet.
  • f) Zweite SrS : Ce-Schicht
  • Eine zweite SrS : Ce-Schicht mit einer Dicke von 0,8 bis 0,9 μm wurde auf der gesamten Pixel-Fläche abgeschieden. Die Abscheidung erfolgte unter den gleichen Bedingungen wie für die erste SrS : Ce-Schicht beschrieben. Die resultierende Phosphorstruktur bestand nun aus einem 1,6 μm dicken SrS : Ce-Film für die blauen Subpixel (Breite 150 μm) und für die roten und grünen Subpixel (kombinierte Breite 300 μm), einer 0,4 μm dicken Schicht aus ZnS : Mn, die mit einer dünnen Hafniumoxid-Injektionsschicht bedeckt war, und einer 0,8 μm dicken SrS : Ce-Schicht.
  • 2.5. Zweite Injektionsschicht
  • Eine zweite 100 Å (10 nm) dicke Hafniumoxid-Injektionsschicht wurde auf der Oberseite der fertigen Pixel (jetzt die gemusterte Phosphor-Struktur) unter Anwendung der gleichen Abscheidungsbedingungen, wie sie für die erste Injektionsschicht angewendet worden waren, abgeschieden. Wie bei der ersten Injektionsschicht wurde die zweite Injektionsschicht bei einigen der Proben weggelassen.
  • 2.6. Zweite Diffusionssperrschicht
  • Auf der Oberseite der zweiten Injektionsschicht wurde unter Anwendung des gleichen Verfahrens wie es für die erste Diffusionssperrschicht beschrieben worden ist eine zweite 300 Å (30 nm) dicke Diffusionssperrschicht abgeschieden.
  • 2.7. Glühen
  • Bei einigen Proben wurde das gesamte Substrat dann 10 min lang an der Luft bei 550°C geglüht. Die Vorteile und Schwierigkeiten mit der Rissbildung waren ähnlich wie beim Glühen in der früheren Stufe.
  • 2.8. Transparente Elektrodenschicht
  • Auf das Substrat wurde unter Anwendung des gleichen Verfahrens, wie es oben für die SrS : Ce-Schicht beschrieben worden ist, eine zweite Resistmaterialschicht aufgebracht, diesmal jedoch unter Verwendung einer Fotomaske, um sie an den Steffen aufzubringen, die durch das transparente Elektrodenmaterial nicht bedeckt waren. Dies führte zu einer Freilegung des Resistmaterials zwischen den Flächen (in der 5 nicht dargestellt), die durch die transparenten Elektroden für jedes Subpixel-Element 30a, 30b und 30c bedeckt werden sollten. Die transparenten Elektroden waren bestimmt als äußerer Anschluss zum Testen des Pixels.
  • Auf die Resistmaterialschicht wurde mittels Elektronenstrahlen eine Indiumzinnoxid-Schicht in einer Dicke in dem Bereich von 3000 bis 6000 Å (300–600 nm) aufgedampft. Das Part wurde während des Beschichtungsverfahrens bei 250 bis 350°C gehalten. Die Abscheidungsgeschwindigkeit betrug 2 Å (0,2 nm)/s. Alternativ kann der Indiumzinnoxid-Film durch Sputtern abgeschieden werden. Nach dem Abscheiden wurde das überflüssige Indiumzinnoxid unter Anwendung des gleichen Verfahrens, wie es zum Abheben der ZnS : Mn-Schicht angewendet worden war, abgehoben. Auch hier wurde das Abheben erzielt durch Auflösen der Resistmaterialschicht unter dem Indiumzinnoxid von den Stufenrändern her. Danach wurde das bearbeitete Pad an der Luft auf 550°C erhitzt und 10 min lang bei dieser Temperatur gehalten, abgekühlt und dann weitere 5 min lang in Stickstoff auf 550°C erhitzt, um die Indiumzinnoxid-Schicht zu glühen, um ihren elektrischen Widerstand zu verringern. Die so gebildeten ITO-Linien (Leitungen) waren etwa 130 μm breit und hatten Abstände von 20 μm voneinander.
  • 2.9. Metallkontaktabscheidung
  • Um einen Kontakt an den transparenten Leitern herzustellen, wurde ein Polymer-Dickfilm auf Silberbasis (Heraeus PC 5915) abgeschieden, um den Kontakt zu den Indiumzinnoxid-Elektroden herzustellen. Der Leiter wurde jenseits des Randes des Pixels auf ein Kontakt-Pad aufgedruckt. Die Leiterpaste wurde etwa 30 min lang bei 150°C gehärtet.
  • 2.10. Befestigung der Filterplatte und Versiegelung
  • Auf die Pixelstruktur wurde eine Glas-Abdeckplatte aufgelegt, die unter Verwendung eines Epoxy-Perimetersiegels mit der Pixelstruktur versiegelt wurde. Die Glasplatte wies einen Polymerfilterfilm (Brewer Science) auf, der auf einer Seite des Glases abgeschieden worden war, die der Pixelstruktur gegenüberlag, die auf die roten, grünen und blauen Subpixel-Elemente ausgerichtet war, wobei die Dicke der Polymerfilme so eingestellt wurde, dass geeignete Farbkoordinaten für die jeweiligen Subpixel erhalten wurden. Vor der weiteren Verarbeitung zur Herstellung eines Gasdurchgangs zwischen der Rückseite des Substrats und dem Hohlraum (Pore) zwischen der Vorderseite der Pixel-Struktur und der Abdeckplatte wurde ein kleines Loch durch das blanke Aluminiumoxidsubstrat gebohrt. Ein Keramik-Behälter, der mit Molekularsieb-Trocknungsmittel gefüllt war, wurde an der Rückseite des Substrats und ausgerichtet auf das Loch damit versiegelt. Der Keramik-Behälter und der Hohlraum (Pore) wurden durch ein Loch in dem Behälter evakuiert und dieses Loch wurde dann mit einer Polymer-Perle (z.B. mit einer härtbaren Epoxy-Perle) versiegelt. Es wurde ausreichend Trocknungsmittel bereitgestellt, um eventuelle Feuchtigkeit, die sich in der Pixelstruktur während der Bearbeitung angereichert haben könnte, und die durch die Versiegelung mit dem Ablauf der Zeit austreten könnte, zu absorbieren. Dies würde das Sammeln von Helligkeitsdaten mit dem Ablauf der Zeit erleichtern, ohne dass die Vorrichtung einem Abbau unterliegt, hervorgerufen durch Freilegung der inneren Pixelstruktur gegenüber der Feuchtigkeit oder gegenüber anderen atmosphärischen Verunreinigungen.
  • 2.11. Testergebnisse
  • Es wurden mehrere Pixelstruktur-Vorrichtungen wie vorstehend angegeben hergestellt und bei Umgebungstemperatur getestet bei wiederholt alternierenden positiven und negativen Spannungsimpulsen einer Länge von 85 μs und 60 Volt oberhalb der Schwellenwerts-Spannung in der Amplitude aller drei Subpixel. Die Wiederholungsrate betrug 180 Impulse pro Sekunde. Unter diesen Betriebsbedingungen lag die durchschnittliche Helligkeit, bestimmt mittels Filterplatten, in dem Bereich von 80 bis 120 Candela/m2. Die durchschnittlichen Farbkoordinaten lagen innerhalb der Bereiches von 0,39 < x < 0,42 und 0,38 < y < 0,42. Die Schwellenwerts-Spannung für jedes Subpixel lag in dem Bereich von 120 bis 150 Volt.
  • Die gemusterte Phosphorstruktur dieses Beispiels wurde außerdem verglichen mit den Eigenschaften eines EL-Laminats, das wie in Beispiel 2 hergestellt worden war, jedoch unter Verwendung einer konventionellen Farbe durch weiße Phosphor-Schichten, wie in der 1 schematisch dargestellt. Die SrS : Ce-Schicht war 1 μm dick, während die ZnS : Mn-Schicht 0,3 μm dick war. Alle übrigen Schichten in dem EL-Laminat waren die gleichen wie in diesem Beispiel vorstehend beschriebenen einschließlich einer Hafniumoxid-Injektionsschicht zwischen den Phosphor-Schichten. In den 3 und 4 ist die Helligkeit in Abhängigkeit von den Spannungskurven für diese zwei Displays dargestellt, wobei die 3 die Helligkeit ohne Filter und die 4 die Helligkeit mit Filter zeigt. Wie aus diesen Figuren ersichtlich, wurde bei Berücksichtigung der Schwellenwerts-Spannungen die Helligkeit ohne Filter allgemein verbessert durch die erfindungsgemäße gemusterte Phosphorstruktur. Beide Displays wiesen eine sehr ähnliche L40 (Helligkeit bei 40 V oberhalb der Schwellenwerts-Spannung) auf, bei höheren Spannungen wies jedoch das gemusterte Phosphorstruktur-Display eine um 50% eine höhere Helligkeit als L60 (Helligkeit bei 60 V oberhalb der Schwellenwerts-Spannung) der Farbe im weißen Display auf. Das gemusterte Phosphorstruktur-Display sieht jedoch sehr verschieden aus von der konventionellen Farbe durch Weiß insofern, als es aus alternierenden Spalten von Blau und Gelb-Weiß besteht. Da sein Licht-Output etwas an den darüber befindlichen Filter angepasst war, ist die Helligkeit bei Verwendung eines Filters wichtiger.
  • Wenn Unterschiede in Bezug auf die Schwellenwerts-Spannungen zwischen den beiden Displays berücksichtigt werden, so zeigt die 4, dass die gefilterte Helligkeit für die gemusterte Phosphor-Struktur gemäß Beispiel 2 im Allgemeinen doppelt so hoch ist wie diejenige der Farbe im weißen Display. Die Differenz bei L40 beträgt 100% und bei L60 beträgt die Differenz 110%.
  • Beispiel 3 – Einschicht-Phosphorstruktur
  • Diese Variante der gemusterten Phosphorstruktur erfordert nur eine SrS : Ce-Abscheidung und umfasst in der gleichen Schicht ein mit Mangan dotiertes Zinkmagnesiumsulfid für die roten und grünen Subpixel-Elemente. Für Zn1–xMgxS : Mn liegt der Wert von x in dem Bereich von 0,1 bis 0.3. Dieser Phosphor weist eine viel stärkere Grünemission als ZnS : Mn auf und kann eine ausreichende Grünemission ergeben ohne Verwendung einer Doppelschicht-Struktur, in der SrS- und ZnS-Phosphore verwendet werden. Die Herstellung wurde wie folgt durchgeführt.
  • 3.1. Dickfilm-Substrat
  • Das Substrat für dieses Beispiel war eine 1,02 mm dicke Aluminiumoxidplatte mit den ungefähren Dimensionen 30,5 cm × 38,1 cm (12 × 15 inches), auf die eine Gruppe von 480 Goldleiterstreifen unter Verwendung der Heraeus RP 20003/237 – 22% Organometall-Paste, bezogen von der Firma Heraeus Cermalloy, aufgedruckt und zur Bildung der Adressierungszeilen eines VGA-Formats eines Displays mit einer Diagonalen von 13,2 cm (17 inch) gebrannt wurde. Der Abstand zwischen den ersten Goldzeilen von Zentrum zu Zentrum betrug 540 μm, die Breite der Zeilen betrug 500 μm und die Länge der Zeilen betrug etwa 27 mm (10,5 inches). Eine dielektrische Dickfilm-Verbundmaterialschicht mit den Dimensionen 26 cm × 35 cm (10,2 × 13,6 inches) wurde auf der Oberseite der Adressierungs-Zeilen so abgeschieden, dass die Enden der Zeilen freilagen zur Bildung von elektrische Kontakten unter Anwendung von Verfahren ähnlich denjenigen, wie sie in Beispiel 1 angegeben sind. Die Paste mit der hohen Dielektrizitätskonstante in diesem Beispiel wurde hergestellt aus einem Tintenkonzentrat 98-42 der Firma MRA Laboratories Inc. (North Adams, Massachusetts, USA), die unter Verwendung einer Pulvers mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, das PMN-PT enthielt, hergestellt wurde. Das Konzentrat wurde in einem Mischer 15 min lang durchmischt und dann mit einer Lösung von α-Terpineol, Ethylcellulose und Ölsäure in einem Gewichtsverhältnis von 100 : 30 : 1 gemischt. Das Verhältnis zwischen Konzentrat und Lösung, bezogen auf das Gewicht, betrug 100 : 12. Die resultierende Paste wurde durch ein 10 μm-Nylonfilter vakuumfiltriert und einige Minuten lang im Vakuum entgast. Die Paste wurde abgeschieden CIPped und gebrannt unter Anwendung der in Beispiel 1 angegebenen Verfahren, jedoch mit der Ausnahme, dass die Paste vor dem CIPping dreimal aufeinanderfolgend aufgedruckt und gebrannt wurde. Die Dicke der resultierenden Schicht mit der hohen Dielektrizitätskonstante nach dem CIPping lag in dem Bereich von 15 bis 20 μm. Wie in Beispiel 1 wurde dann eine 2 μm dicke Schicht aus Bleizirkoniumtitanat unter Verwendung von Sol-Gel-Vorläufer-Materialien aufgebracht.
  • 3.2. Diffusionssperrschicht
  • Die Sperrschicht bestand aus 800 Å (80 nm) dickem Aluminiumoxid, das wie in Beispiel 2 abgeschieden wurde.
  • 3.3. SrS : Ce-Schicht
  • Eine 1,2 bis 1,4 μm dicke Schicht aus SrS : Ce, die mit Phosphor (P) dotiert war, wurde unter Anwendung einer Elektronenstrahlbedampfung unter Anwendung des Verfahrens, wie es in Beispiel 2 beschrieben worden ist, abgeschieden. Das Phosphormaterial wurde wie in dem nachfolgenden Strontiumsulfid-Synthese-Abschnitt (f) angegeben hergestellt, jedoch mit der Ausnahme, dass das Strontiumcarbonat-Pulver mit Cer und Phosphor (P) vordotiert wurde zur Herstellung eines Strontiumsulfid-Phosphormaterials, das etwa 0,1 Atom-% Cer und etwa 0,15 Atom-% Phosphor (P) enthielt. Das Pulver wurde ohne Zugabe von anderen Pulvern gebrannt unter Anwendung des Temperaturprofils und des Schwefel-dotierten Gasverfahrens, wie es in dem nachstehenden Abschnitt (f) beschrieben ist.
  • 3.4. Musterung von SrS : Ce
  • Die SrS : Ce-Schicht wurde von den grünen und roten Subpixel-Element-Flächen entfernt unter Anwendung der gleichen Verfahren, wie sie in Beispiel 2 beschrieben sind, jedoch mit der Ausnahme, dass die Ätzdauer auf 1 bis 4 min erhöht wurde, wegen der dickeren SrS : Ce-Schicht. Die verbliebenen SrS : Ce-Streifen waren etwa 190 μm breit mit einem Abstandes zwischen den Streifen von 350 μm.
  • 3.5. Zinkmagnesiumsulfid-Phosphor (Zn1–xMgxS : Mn)
  • Ein 3000 bis 5000 Å (300–500 nm) dicker Zinkmagnesiumsulfid-Film, der mit Mangan dotiert war, wurde unter Anwendung der Elektronenstrahlbedampfung von ZnS, das mit Mn dotiert war, und thermischer Co-Verdampfung von Magnesiummetall abgeschieden. Die relativen Verdampfungsgeschwindigkeiten für das ZnS und das Mg wurden so eingestellt, dass ein Film mit einem Mg : Zn-Verhältnis von etwa 30 : 70 erhalten wurde. Die Abscheidungsbedingungen und die Menge des Dotierungsmittels waren ähnlich denjenigen des Beispiels 2 für die ZnS : Mn-Abscheidung. Eine Alterntive zu der in diesem Beispiel abgeschiedenen, mit Mangan dotierten Zn1–xMgxS : Mn-Phosphor-Schicht ist eine Phosphor-Doppelschicht, die umfasst ZnS : Tb und ZnS : Mn, vorzugsweise mit einer Diffusionsperrschicht dazwischen.
  • 3.6. Schwellenwerts-Spannunps-Einstellungsschicht
  • Eine 1000 bis 3000 Å (100–300 nm) dicke dritte dielektrische Aluminiumoxid-Schicht wurde auf die Pixelstrutur in einer Dicke aufgedampft, die so gewählt wurde, dass die Schwellenwerts-Spannungen zwischen den roten, grünen und blauen Subpixeln gleich waren. Die Abscheidungsbedingungen waren ähnlich denjenigen, wie sie für die Aluminiumoxid-Abscheidung in Beispiel 2 verwendet wurden. In diesem Beispiel wurde die Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht nur über den roten und grünen Subpixel-Elementen benötigt, sodass sie anschließend von den blauen Subpixel-Elementen in der nächsten Abhebe-Stufe entfernt wurden.
  • 3.7. Zinkmagnesiumsulfid-Abhebung
  • Ein Abhebe-Verfahren ähnlich demjenigen, wie es in Beispiel 2 für ZnS : Mn angewendet wurde, wurde angewendet zum Auflösen der Resistmaterial-Abdeckung der SrS : Ce auf den blauen Subpixel-Elementen. Die Auflösungszeit für das Abheben betrug etwa 45 min. Das Substrat wurde abgewischt, mit reinem Methanol 30 s lang gespült und weitere 30 s lang durch Schleudern getrocknet und anschließend geätzt. Das Ergebnis war die Entfernung der (ZnMgS) : Mn-Schicht und der darüberliegenden Aluminiumoxidschicht von den blauen Subpixel-Elementen.
  • 3.8. Abscheidung der Diffusionssperrschicht
  • Wie in Beispiel 2 wurde eine 800 Å (80 nm) dicke Schicht aus Aluminiumoxid abgeschieden.
  • 3.9. Phosphor-Glühung
  • Gegebenenfalls kann die Phosphorstruktur in dieser Stufe in einem Bandofen an der Luft 10 min lang bei einer Spitzentemperatur von 550°C geglüht werden.
  • 3.10. Herstellung einer transparenten Elektrode
  • In dieser Stufe wurde die Abscheidung und Musterung von Spalten-Elektroden auf dem Display durchgeführt unter Anwendung der Verfahren, wie sie in Beispiel 2 beschrieben sind, jedoch mit der Ausnahme, dass die Oberfläche des bearbeiteten Parts von Schaum befreit wurde unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas und anschließender Durchführung einer Abhebungs-Stufe, und das Part wurde 5 min lang an der Luft bei 450°C anstelle von 10 min lang bei 550°C geglüht, danach wurde die Schaumentfernung durchgeführt. Der Abstand zwischen den Spalten von Zentrum zu Zentrum betrug 180 μm und die Breite der Spalten betrug 140 μm. Die Spalten wurden auf die gemusterten Subpixels ausgerichtet. Die Spaltenlänge betrug 26 cm (10,2 inches), sodass sich die Spalten über alle Zeilen erstreckten.
  • 3.11. Abscheidung eines Metallkontakts
  • Durch Sputtern wurden Silbermetall-Kontakte hergestellt, um mit der Display-Anordnung einen Kontakt herzustellen. Zu Testzwecken wurden 20 benachbarte Zeilen parallel miteinander verbunden und 60 benachbarte Spalten wurden parallel miteinander verbunden, um so eine Beleuchtung eines kleinen Quadrats auf der Display-Anordnung zu ermöglichen, die geeignet war für Helligkeits- und Farbkoordinaten-Messungen.
  • 3.12. Befestigung einer Filterplatte und Versiegelung
  • Diese Stufen wurden wie in Beispiel 2 durchgeführt.
  • 3.13. Testergebnisse
  • Es wurden mehreren Displays mit einer Diagonale von 43,18 cm (17 inches) hergestellt und wie vorstehend angegeben getestet. Die Schwellenwerts-Spannung für die blauen Pixel lag in dem Bereich von 130 bis 160 Volt. Die Schwellenwerts-Spannung für die roten und grünen Pixel lag in dem Bereich von 130 bis 140 Volt. Wenn rote, grüne und blaue Filter vor den entsprechenden Subpixeln angeordnet wurden, so wurde gefunden, dass eine Schwellenwerts-Spannung von 140 Volt angewendet werden konnte, um eine minimale Helligkeit von unter 1 cd/m2 für alle Pixel zu erzielen. Der Helligkeitsbereich für die kombinierten Subpixel mit den Filtern an Ort und Stelle betrug 35 bis 60 cd/m2 für eine Spannung, die um 40 Volt oberhalb der Schwellenwerts-Spannung lag und für eine Wiederholungsrate von 120 Hz. Die Treiber-Impulse hatten eine Dauer von 260 μs. Die entsprechenden Farbkoordinaten für die kombinierten Subpixel lagen in dem Bereich von 0,43 bis 0,46 für x und 0,39 bis 0,57 für y. Es wurde festgestellt, dass die Farbkoordinaten einer schwach gelben Farbtönung entsprachen als Folge einer verhältnismäßig niedrigen Helligkeit von den blauen Subpixeln. Dies kann korrigiert werden durch geringfügige Verminderung der Dicke des für die roten und grünen Subpixel verwendeten Phosphors und durch Erhöhung der Dicke der vorstehend beschriebenen Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht, alles gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Beispiel 4 – Variierende Dicke der Phosphor-Abscheidungen zur Einstellung der Schwellenwerts-Spannung
  • In diesem Beispiel wurde wie in Beispiel 3 nur eine SrS : Ce-Abscheidung für die blauen Subpixel und eine Zn1–xMgxS : Mn-Abscheidung für die roten und grünen Subpixel durchgeführt. Die Phosphore wurden hergestellt und dotiert wie in Beispiel 3 angegeben, wobei der maximale Wert für x in dem Zn1–xMgxS : Mn-Phosphor zwischen etwa 0,2 und 0,3 lag. In diesem Beispiel wurde jedoch keine Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht verwendet. Statt dessen wurde die Zn1–xMgxS : Mn-Schicht ausreichend dick abgeschieden, um die Schwellenwerts-Spannungen auszugleichen. Wenn ansonsten nichts geändert wird, führt dies zu einem Farbungleichgewicht, wobei die roten und grünen Subpixel mehr als 3 bis 6-mal so hell sind wie die blauen Subpixel. Als Ergebnis davon wäre das gefilterte Weiß zu gelb. In diesem Beispiel wurde dieses Farbungleichgewicht dadurch beseitigt, dass man die blauen Subpixel breiter machte als die roten oder grünen Subpixel.
  • Die in diesem Beispiel verwendeten Substrate waren 5,1 cm × 5,1 cm (2 × 2 inches) große Substrate, wie in Beispiel 2 angegeben.
  • 4.1. Dickfilm-Substrat
  • Die Dickfilm-Substratschichten des Beispiels 2 wurden verwendet zur Herstellung des Unterlagen-Substrats (hinteren Substrats), der hinteren Zeilen-Elektrode und der dielektrischen Dickfilm-Schichten.
  • 4.2. Diffusionssperrschicht
  • Die Diffusionssperrschicht bestand aus 500 Å (50 nm) dickem Aluminiumoxid, das wie in Beispiel 2 abgeschieden wurde. In diesem Beispiel wurde keine Injektionsschicht verwendet.
  • 4.3. SrS : Ce-Schicht
  • Eine 1,2 bis 1,6 μm dicke Schicht aus SrS : Ce wurde durch Elektronenstrahlbedampfung abgeschieden, der Phosphor wurde hergestellt und abgeschieden wie in Beispiel 3 beschrieben.
  • 4.4. Musterung der SrS : Ce-Schicht
  • Die SrS : Ce-Schicht wurde von den roten und grünen Subpixeln entfernt unter Anwendung des in Beispiel 3 beschriebenen Verfahrens. Die verbliebenen SrS : Ce-Streifen waren etwa 320 μm breit mit einem Abstand zwischen den Streifen von 220 μm.
  • 4.5. Sperrschicht
  • Eine 500 Å (50 nm) dicke Schicht aus nicht-dotiertem ZnS wurde in dieser Stufe mittels Elektronenstrahlbedampfung abgeschieden. Der Zweck dieser Schicht bestand darin, eine Sperrschicht bereitzustellen. Wenn diese Stufe weggelassen wurde, hatte die untere dielektrische Dickfilm-Schicht die Neigung, während der späteren Glühstufe dunkel zu werden. Diese Schicht aus nicht-dotiertem ZnS verhinderte diese Nachdunkelung. Es wurde außerdem eine sauberere Grenzschicht für das ZnS : Mn erhalten zur Befreiung des Phosphors von irgendwelchen Rückständen, die aus der SrS : Ce-Musterungsstufe stammten.
  • 4.6. Zinksulfid/Zinkmagnesiumsulfid-Phosphorschichten
  • Eine 800 bis 1000 Å (80–100 nm) dicke Schicht aus ZnS : Mn wurde abgeschieden, gefolgt von einer 4000 bis 6000 Å (400–600 nm) dicken Schicht aus Zn1–xMgxS : Mn und danach einer 800 bis 1000 Å (80–100 nm) dicken Schicht aus ZnS : Mn. Das ZnS : Mn wurde wie in Beispiel 2 beschrieben abgeschieden, während das Zn1–xMgxS : Mn wie in Beispiel 3 beschrieben abgeschieden wurde.
  • 4.7. Sperrschicht
  • Zu diesem Zeitpunkt wurde durch Elektronenstrahlbedampfung eine weitere 500 Å (50 nm) dicke Sperrschicht aus ZnS abgeschieden.
  • 4.8. Abhebung von Zinkmagnesiumsulfid
  • Das die SrS : Ce-Schicht auf den blauen Subpixeln bedeckende Resistmaterial wurde auf die gleiche Weise aufgelöst wie in Beispiel 3. Das Spülverfahren war verschieden insofern, als die Substrate in sauberes, wasserfreies Methanol 2 min lang eingetaucht und dann unter einem Stickstoffstrom getrocknet wurden.
  • 4.9. Sperrschicht
  • Es wurde eine obere Sperrschicht mit einer Dicke von 500 Å (50 nm) aus Aluminiumoxid abgeschieden.
  • 4.10. Glühen des Phosphors
  • Der Phosphor wurde in dieser Stufe in einem Bandofen an der Luft 10 min lang bei einer Spitzentemperatur von 550°C geglüht.
  • 4.11. Herstellung einer transparenten Elektrode
  • Unter Anwendung eines Stroms von 2 A, einer Temperatur von 25°C, eines Druckes von 1,06 Pa (8 Millitorr), eines Sauerstoffstromes von 0,2 sccm und eines Argonstromes von etwa 70 sccm (abgestimmt zur Erzielung des oben angegebenen Druckes) wurde durch Sputtern eine Indiumzinnoxid-Schicht bis zu einer Dicke von 5000 Å (500 nm) abgeschieden.
  • 4.12. Abscheidung eines Metall-Kontakts
  • Die Metallkontakte wurden unter Verwendung einer Polymer-Dickfilm-Silberpaste wie in Beispiel 2 aufgedruckt.
  • 4.13. Filterplattenbefestigung und Versiegelung
  • Diese Stufen wurden wie in Beispiel 2 beschrieben durchgeführt. Der Filter wies die folgenden Linienbreiten auf: Rot – 60 μm, Grün – 110 μm, Blau – 310 μm. Die Lücken zwischen den Linien (bei denen die Farben sich überlappten) waren 20 μm breit. Die gesamte Pixelbreite betrug 540 μm.
  • 4.14. Testergebnisse
  • Nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren wurden mehrere 5,1 cm × 5,1 cm (2 × 2 inches) große Platten hergestellt und wie in Beispiel 2 getestet. Die Ergebnisse der besseren Platten waren wie folgt:
    Schwellenwerts-Spannung (blaue Subpixel) 130–170 V
    Schwellenwerts-Spannung (rote, grüne Subpixel) 160–200 V
    angewendete Gesamt-Schwellenwerts-Spannung (< 5 cd/m2) 160–180 V
    Helligkeit (weiß, gefiltert) 165–260 cd/m2
    weiße Farbkoordinaten (x) 0,38–0,44
    weiße Farbkoordinaten (y) 0,40–0,45
    CIE-Farbkoordinaten Rot x = 0,62, y = 0,38 Grün x = 0,42, y = 0,58 Blau x = 0,13, y = 0,14
  • In diesem Beispiel waren die Schwellenwerts-Spannungen der roten und grünen Subpixel viel höher als diejenigen der blauen Subpixel. Dies kann verhindert werden durch Verringerung der Dicke des Zn1–xMgxS : Mn-Phosphors und Erhöhung der Dicke des SrS : Ce-Phosphors. Als Ergebnis dieser Diskrepanz waren die blauen Subpixel zu hell für die roten und grünen Subpixel bei niedrigeren Spannungen. Aus diesem Grund wurde eine höhere Schwellenwerts-Spannung gewählt, sodass die gefilterte Helligkeit bei der Schwellenwerts-Spannung 5 cd/m2 betrug. Wenn die Phosphor-Dicken geändert würden, um die beiden Schwellenwerts-Spannungen aufeinander abzustimmen, wäre das Farbgleichgewicht besser, die Helligkeit bei der Schwellenwerts-Spannung würde < 1 cd/m2 betragen und die Gesamthelligkeit wäre höher.
  • Beispiel 5 – Einfachschicht-Phosphorstruktur mit SrS : Ce für Grün und Blau bei variierenden Subpixel-Breiten
  • Dieses Beispiel umfasst wie die vorhergehenden beiden Beispiele nur eine SrS : Ce-Abscheidung und eine ZnS : Mn-Abscheidung. Wie in Beispiel 4 wurde die Subpixel-Breite eingestellt, um ein Farbgleichgewicht zu erzielen. Außerdem wurde jedoch eine Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht verwendet, um die Schwellenwerts-Spannung der ZnS : Mn-Schicht weiter zu erhöhen, ohne ihre Helligkeit zu erhöhen. Ein anderer Unterschied liegt in den Phosphoren, die für die verschiedenen Farben verwendet wurden. SrS : Ce wurde allein verwendet sowohl für die blauen als auch für die grünen Subpixel und ZnS : Mn wurde verwendet für die roten Subpixel anstelle von Zn1–xMgxS : Mn, da kein Grün aus diesem Phosphor erforderlich war.
  • Die verwendeten Substrate waren 5,1 cm × 5,1 cm (2 × 2 inches) große Substrate wie in Beispiel 2.
  • 5.1. Dickfilm-Substrat
  • Die Dickfilm-Substrat-Schichten des Beispiels 2 wurden verwendet zur Bereitstellung des hinteren (Träger) Substrats, der hinteren Zeilenelektrode und von dielektrischen Dickfilm-Schichten.
  • 5.2. Diffusionssperrschicht
  • Es wurde eine Sperrschicht aus 500 Å (50 nm) dickem Aluminiumoxid abgeschieden.
  • 5.3. Injektionsschicht
  • Es wurde eine 100 Å (100 nm) dicke Injektionsschicht aus Hafniumoxid abgeschieden.
  • 5.4. SrS : Ce-Phosphorschicht
  • Durch Elektronenstrahl-Bedampfen wurde wie in Beispiel 4 beschrieben eine 1,2 bis 1,4 μm dicke Schicht aus SrS : Ce abgeschieden.
  • 5.5. Musterung der SrS : Ce-Schicht
  • Die SrS : Ce-Schicht wurde von den roten Subpixeln unter Anwendung des in Beispiel 3 beschriebenen Verfahrens entfernt bei Anwendung von Entfernungszeiten von 1 bis 2 min. Die Breite der resultierenden SrS : Ce-Linien betrug 470 μm und die Lücken zwischen den Linien betrugen 70 μm.
  • 5.6. Sperrschicht
  • Eine 300 Å (30 nm) dicke Schicht aus Aluminiumoxid wurde in dieser Stufe durch Elektronenstrahlbedampfung abgeschieden. Der Zweck dieser Stufe bestand darin, eine sauberere Grenzfläche für das ZnS : Mn bereitzustellen zur Befreiung des Phosphors von irgendwelchen Rückständen, die aus der SrS : Ce-Mustersstufe stammten.
  • 5.7. Zinksulfid-Phosphorschicht
  • Eine 4500 Å (450 nm) dicke Schicht aus ZnS : Mn wurde wie in Beispiel 2 beschrieben abgeschieden.
  • 5.8. Schwellenwerts-Spannungs-Einstellungsschicht
  • Eine Schicht aus 1800 Å (180 nm) dickem Aluminiumoxid wurde auf die gleiche Weise wie für die Sperrschicht beschrieben abgeschieden.
  • 5.9. Abhebung von Zinksulfid
  • Das Resistmaterial, das die SrS : Ce-Schicht auf den blauen Subpixeln bedeckte, wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 aufgelöst.
  • 5.10. Injektionsschicht
  • Es wurde eine obere Injektionsschicht einer Dicke von 100 Å (10 nm) aus Hafniumoxid abgeschieden.
  • 5.11. Sperrschicht
  • Es wurde eine obere Sperrschicht einer Dicke von 500 Å (50 nm) aus Aluminiumoxid abgeschieden.
  • 5.12. Glühen des Phosphors
  • Der Phosphor wurde in dieser Stufe in einem Bandofen an der Luft 10 min lang bei einer Spitzentemperatur von 550°C geglüht.
  • 5.13. Herstellung einer transparenten Elektrode
  • Unter Anwendung eines Stromes von 2 Å, einer Temperatur von 25°C, eines Druckes von 1,06 Pa (8 Millitorr), eines Sauerstoffstroms von 0,2 sccm und eines Argonstroms von etwa 70 sccm (abgestimmt zur Erzielung des oben angegebenen Druckes) wurden Indiumzinnoxid-Elektroden durch Sputtern abgeschieden in einer Dicke von 5000 Å (500 nm).
  • 5.14. Abscheidung eines Metallkontakts
  • Metallkontakte wurden aus Chrom hergestellt, darauf folge Al, das durch Sputtern wie folgt aufgebracht wurde:
    Cr: Energie 15 kW, Temperatur 150°C, Druck 0,26 Pa (2 Millitorr), Dicke 600 Å (60 nm);
    Al: Energie 10 kW, Temperatur 25°C, Druck 0,26 Pa (2 Millitorr), Dicke 6800 Å (680 nm).
  • 5.15. Befestigung der Filterplatte und Versiegelung
  • Diese Stufen wurden wie in Beispiel 2 beschrieben durchgeführt. Der Filter wies die folgenden Linienbreiten auf: Rot – 60 μm, Grün – 270 μm, Blau – 150 μm. Die Lücken zwischen den Linien (wo sich die Farben überlappten) betrugen 20 μm. Die gesamte Pixelbreite betrug 540 μm. Der grüne Subpixel war viel breiter als in Beispiel 4. Dies war deshalb so, weil das SrS : Ce selbst mit dem grünen Filter nicht so hell war wie Zn1–xMgxS : Mn und deshalb wurden die grünen Subpixel breiter gemacht, um dies auszugleichen.
  • 5.16. Testergebnisse
  • Es wurden mehrere 5,1 cm × 5,1 cm (2 × 2 inch) große Platten nach diesem Verfahren hergestellt und getestet wie in Beispiel 2. Die Ergebnisse waren wie folgt:
    Schwellenwerts-Spannung (blaue, grüne Subpixel) 140–170 V
    Schwellenwerts-Spannung (rote Subpixel) 130–150 V
    angewendete Gesamt-Schwellenwerts-Spannung (< 1 cd/m2) 130–150 V
    Helligkeit (weiß, gefiltert) 40–64 cd/m2
    weiße Farbkoordinaten (x) 0,35–0,46
    weiße Farbkoordinaten (y) 0,39–0,42
  • Es sei darauf hingewiesen, dass diese Platten ebenfalls keine gute Farbsättigung aufwiesen wie in Beispiel 4. Für Blau waren x – 0,13, y – 0,15, für Grün waren x – 0,23, y – 0,58 und für Rot waren x – 0,65, y – 0,35.
  • f) Synthese von Strontiumsulfid
  • Die Eigenschaften der vorstehend beschriebenen Phosphorstruktur waren, wie gefunden wurde, stark abhängig von der Qualität des als Quellenmaterial für den SrS-Phosphor verwendeten SrS-Pulvers. Zur Maximierung der Helligkeitsausbeute und der Reinheit des Blau wurde das folgende Herstellungsverfahren angewendet.
  • Die erwünschten Eigenschaften von Phosphorfilmen aus mit 0,12% Ce dotiertem SrS sind eine Helligkeit von 80 Candela/m2 oder höher und von bis zu 200 cd/m2 und Farbkoordinaten von 0,19 < x < 0,20 und 0,34 < y < 0,40, die dem Blau entsprachen, wenn es mit 80 μs-Impulsen mit einer Amplitude von 40 Volt oberhalb der Schwellenwerts-Spannung und einer Wiederholungsrate von 120 Impulsen/s angeregt wurde. Wenn das Herstellungsverfahren für das SrS nicht sorgfältig kontrolliert (gesteuert) wird, nimmt die Helligkeit ab und die Farbkoordinaten verschieben x um bis zu 0,3 und y um bis zu 0,5, in signifikanter Weise nach Grün.
  • Erfindungsgemäß sollte die SrS-Synthesereaktion kontrolliert werden, damit sie homogen abläuft. Dies setzt im Allgemeinen voraus, dass ein Strontiumcarbonat-Vorläuferpulver in einer dispergierten Form verwendet wird, sodass es im Wesentlichen gleichförmig den Verfahrensbedingungen ausgesetzt wird. Dies kann erzielt werden durch Verwendung von kleinen Chargen, durch Verwendung von flüchtigen, nicht-kontaminierenden, sauberen verdampfenden Verbindungen oder Lösungsmitteln, die sich vor Beginn der Reaktion zu gasförmigen Produkten zersetzen, oder durch Verwendung eines Wirbelbett- oder Tumbler-Reaktors. Es ist auch wichtig, eine langsame und gleichförmige Umwandlung eines Strontiumcarbonat-Vorläuferpulvers in Strontiumsulfid in Gegenwart von Schwefeldämpfen bei einer erhöhten Temperatur in dem Bereich von 800 bis 1200°C zu erzielen. Ohne eine derartige Kontrolle sind Variationen in dem Fotolumineszenz-Emissionsspektrum und in der Helligkeit (Leuchtkraft) des SrS-Pulvers bei Anwendung einer Breitband-Ultraviolett-Beleuchtung und in dem Elektrolumineszenz-Emissionsspektrum und in der Helligkeitsausbeute der aus dem Pulver hergestellten abgeschiedenen SrS-Phosphor-Schichten festzustellen. Die Basissynthesereaktion kann wie folgt dargestellt werden: 4SrCO3 + 3S2 → 4SrS + 2SO2 + 4CO2
  • Die Reaktion läuft in zwei Stufen ab, wobei die erste Stufe die Zersetzung des Strontiumcarbonats zu Sauerstoff enthaltenden Strontium-Verbindungen und Kohlendioxid umfasst, und die zweite Stufe eine Reaktion mit Schwefel zur Bildung von Strontiumsulfid und Schwefeldioxid (oder vielleicht auch anderer Schwefeloxide) umfasst. Die Wechselbeziehung zwischen diesen beiden Stufen hat, wie gefunden wurde, einen signifikanten Einfluss auf die Qualität des Pulvers, das gebildet wird.
  • Der Synthesereaktor besteht aus einem Quarz- oder Keramikrohr, das in der heißen Zone eines Röhrenofens angeordnet ist, in den ein Strontiumcarbonat-Pulver eingeführt wird. Das Rohrmaterial des Reaktors sollte mit den Reaktanten oder den Reaktionsprodukten nicht chemisch reagieren. In diesem Beispiel wurde ein Aluminiumoxid-Rohr mit einem Durchmesser von 3,8 cm (1,5 inch) und einer Länge in der heißen Zone von etwa 30 cm (12 inches) verwendet. In das Rohr wurden etwa 75 g Strontiumcarbonat-Pulver in die heiße Zone eingefüllt. Das Strontiumcarbonat wies einen Reinheitsgrad von mehr als 99,9%, bezogen auf das Metall, auf. Pulver mit dieser Reinheit sind im Handel erhältlich oder können hergestellt werden durch Ausfällen von Strontiumnitrat oder Strontiumhydroxid mit Ammoniumcarbonat. Das Rohr wurde mit einer Geschwindigkeit, die 5 bis 10°C/min nicht überstieg, auf eine Maximaltemperatur in dem Bereich von 800 bis 1200°C langsam erhitzt. Die bevorzugte Maximaltemperatur beträgt etwa 1100°C.
  • Wenn die Maximaltemperatur erreicht ist, wird ein kontinuierlicher Strom von Schwefeldampf in einen Argongasstrom (d.h. in eine inerte Atmosphäre) eingeführt, der bei Atmosphärendruck in das Reaktionsrohr eingeleitet wird. Der Schwefeldampf kann erzeugt werden, indem man entweder einen elementaren Schwefel enthaltenden Behälter an dem Eintrittsende des erhitzen Reaktionsrohres anordnet, oder indem man einen getrennten Behälter aus rostfreiem Stahl, der mit Schwefel gefüllt ist, auf eine Temperatur zwischen 360 und 440°C erhitzt, wobei dieser Behälter mit dem Eintrittsende des Reaktionsrohres verbunden wird. Durch Einstellung der Behälter-Temperatur und der Argon-Strömungsrate wird eine geeignete Menge Schwefeldampf eingeleitet. Ein Ferran Scientific-Massenspektrometer wird mit dem Austrittsende des Reaktionsrohres verbunden und die relativen Konzentrationen an Kohlendioxid und Schwefeldioxid werden bestimmt. Die Reaktion ist beendet, wenn die Massenspektrometer-Ablesung einer vorgegebenen Schwefeldioxid-Konzentration erreicht ist. Dies wird dadurch erreicht, dass man den Schwefelstrom in das Reaktionsrohr abstellt und den Ofen herunterkühlt. Der Schwefeldampf-Strom wird durch Abschalten der Heizung des Schwefel-Behälters gestoppt. Der Argonstrom wird fortgesetzt, bis der Ofen für die Entnahme des Produkts ausreichend abgekühlt ist, in der Regel auf eine Temperatur unter 200°C. Die Brenndauer bei der Maximaltemperatur liegt in der Regel in dem Bereich von 2 bis 8 h, je nach Maximaltemperatur, Schwefeldampf-Zuführungsrate, Packungsdichte des Strontiumcarbonat-Pulvers und Endpunkt, zu dem die Reaktion beendet wird.
  • Der Endpunkt wird als erreicht angesehen, wenn die Massenspektrometer-Ablesung von SO2 in dem Bereich zwischen 0,001 und 0,01 Pa (1 × 10–5 bis 1 × 10–4 Torr) liegt bei einem Basisdruck von 0,2 bis 0,3 Pa (2 × 10–3 bis 3 × 10–3 Torr). Dies führt zu einer geringen Restmenge an Sauerstoff enthaltenden Strontium-Verbindungen oder möglicherweise eines Bruchteils davon, der in Form von Strontiumcarbonat (d.h. in Form von Sauerstoff enthaltenden Strontium-Verbindungen) in dem Strontiumsulfid-Produkt zurückbleibt, dessen Anwesenheit in Korrelation steht zu den verbesserten Phosphor-Eigenschaften. Die hellsten Phosphorfilme wurden erhalten bei Verwendung von Strontiumsulfid-Pulvern, die etwa 5 Atom-% Sauerstoff enthaltende Strontium-Verbindungen enthielten, gute Phosphore können aber auch über einen Bereich der Oxid-Konzentrationen erhalten werden. Der bevorzugte Bereich für die Konzentrationen an Sauerstoff enthaltenden Strontium-Verbindungen beträgt 1 bis 10 Atom-%. Die Korrelation zwischen dem Oxid-Gehalt und den Phosphor-Eigenschaften ist ziemlich gering als Folge des Einflusses anderer Variabler während der Herstellung des Phosphors. Allgemein ist jedoch festzustellen, dass Strontiumsulfid mit einem zu geringen Oxidgehalt zu einer Verschiebung der Fotolumineszenz des Pulvers von Blau nach Grün und zu einer nachteligen Verschiebung der Elektrolumineszenz der daraus hergestellten Phosphorfilme von Blau nach Grün führt.
  • Das als Ausgangsmaterial verwendete Strontiumcarbonat-Pulver kann mit Cercarbonat, Cerfluorid oder einer anderen Form eines Cer-Zusatzes dotiert werden oder das Dotierungsmittel kann zu dem resultierenden Strontiumsulfid-Pulver später zugegeben werden in Form von Cerfluorid oder Cersulfid oder das Dotierungsmittel kann vor der Abscheidung des Phosphorfilms zugegeben werden. Es wurde gefunden, dass keine signifikante Abhängigkeit der Phosphor-Eigenschaften von dem Verfahren zur Einführung von Cer besteht. Die Menge des Dotierungsmittels liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,01 bis 0,35 Mol-%, besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,25 Mol-%.
  • Die anfängliche Form des Strontiumcarbonat-Pulvers hat keinen signifikanten Einfluss auf die Phosphor-Eigenschaften. Es ist zweckmäßig, dass das Pulver eine hohe Porosität aufweist und während der Reaktion mit Schwefel nicht schmilzt. Eine dicht gepackte Strontiumcarbonat-Pulverprobe oder eine solche, die während der Reaktion schmilzt, führt zu einer Grünverschiebung der Fotolumineszenz und der Elektrolumineszenz der Filme, die mit dem Strontiumsulfid-Pulver hergestellt werden, und ist somit unerwünscht. Ein locker gepacktes Pulver ergibt in der Regel die besten Phosphor-Eigenschaften.
  • Der Einfluss der Porosität oder der dispergierten Form des Strontiumcarbonat-Pulvers auf die Qualität des Strontiumsulfidphosphors zeigt sich auch in dem Reaktionsmechanismus, der sich äußert in der relativen Umwandlungsrate in Strontiumsulfid in der zweiten Reaktionsstufe. Bei einem dicht gepackten Pulver mit einer niedrigen Porosität läuft die Umwandlung in der Regel schnell ab, wobei die Schwefeldioxid-Entwicklung etwa 10 min nach Beginn der Kohlendioxid-Entwicklung einsetzt. Bei einem locker gepackten Pulver mit einer hohen Porosität erfolgt der Beginn der Schwefeldioxid-Entfernung zu einem viel späteren Zeitpunkt von bis zu 100 min nach Beginn der Kohlendioxid-Entwicklung.
  • Die Porosität des Pulvers gewährleistet, dass die Verfahrensbedingungen im Wesentlichen gleichförmig sind, bis das Material verarbeitet ist, sodass eine unbeschränkte Diffusion des Schwefeldampfes und der gasförmigen Reaktionsprodukte möglich ist. Es wird angenommen, dass dadurch eine Homogenität der Produkt-Teilchen auf der atomaren Ebene sichergestellt wird. Zu den Typen einer Inhomogenität auf der atomaren Ebene gehören Gitter-Substitutionen, Zwischengitteratome, Gitterfehlstellen und Atomansammlungen davon. Gitter-Substitutionen setzen nicht notwendigerweise voraus, dass ein Verunreinigungs-Atom vorliegt und sie können umfassen die Positionierung eines Strontiumatoms dort, wo ein Schwefelatom sein sollte, und umgekehrt. Obgleich das Pulver während der Phosphor-Abscheidung verdampft wird, können Atom-Ansammlungen anstelle von einzelnen Atomen verdampft werden, wobei Defekte im atomen Bereich, die anfänglich in dem für die abgeschiedenen Filme verwendeten Quellenpulver vorhanden waren, aufrechterhalten werden.
  • Es wurde verschiedene Methoden zur Erzielung einer hohen Strontiumcarbonat-Pulver-Dispersion oder -Porosität entwickelt. Eines besteht darin, das Strontiumcarbonat-Pulver mit einer flüchtigen, sauberen verdampfenden nicht-kontaminierenden pulverförmigen Verbindung zu mischen, die vor Beginn der Reaktionen, an denen Strontiumcarbonat beteiligt ist, zu gasförmigen Produkten zersetzt wird. Beispiele für diese Verbindungen sind hochreines Pulver, wie z.B. Ammoniumcarbonat, Ammoniumsulfat und elementarer Schwefel. Der Zusatz kann in einem Gewichtsverhältnis von Zusatz zu Strontiumcarbonat in dem Bereich von 1 : 9 bis 1 : 1, vorzugsweise in dem Bereich von 1 : 4 bis 1 : 2,5, zugegeben werden. Dieses Verfahren arbeitet gut mit dem freifließenden Strontiumcarbonat-Pulver, das aus Strontiumnitrat und Ammoniumcarbonat hergestellt worden ist.
  • Ein zweites Verfahren zur Erzielung einer hohen Pulverporosität oder Pulverdispersion besteht darin, das Pulver mit einem Lösungsmittel zu imprägnieren, welches in das Pulver eindringt, wobei die Oberflächeneigenschaften der Strontiumcarbonat-Teilchen modifiziert werden, um zu verhindern, dass es während der Reaktion mit Schwefeldampf bei hohen Temperaturen schmilzt. Das Strontiumcarbonat wird mit einem nicht kontaminierenden Lösungsmittel gemischt zur Bildung einer Aufschlämmung, die dann an der Luft bei Umgebungstemperatur oder unter schwachem Erhitzen teilweise getrocknet wird, je nach Art des Lösungsmittels, unter Bildung eines freifließenden Pulvers. Das Pulver sollte im Vergleich zum vollständig trockenen Pulver eine Gewichtszunahme zwischen 5 und 30% aufweisen. Das teilweise getrocknete Pulver kann unter Anwendung eines üblichen Verfahrens in das Reaktionsrohr eingeführt werden. Das Lösungsmittel kann umfassen, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Aceton, Methanol, Ethanol und Wasser. Dieses Verfahren arbeitet gut mit körnigem und klebrigem Strontiumcarbonat-Pulver, beispielsweise einem solchen, das aus Strontiumhydroxid und Ammoniumcarbonat hergestellt worden ist.
  • Die Verwendung von Argon als inertem Trägergas ist bevorzugt. Wenn ein Formier-Gas (5% Wasserstoff in Argon) anstelle von Argon verwendet wird, ist wiederum eine Grünverschiebung in Bezug auf die Fotolumineszenz und die Elektrolumineszenz der Filme festzustellen, die unter Verwendung des Pulvers abgeschieden worden sind.
  • Die Größe der Probe ist ein anderer signifikanter Faktor, der die Qualität des Strontiumsulfids beeinflusst. Große Proben von 150 g Strontiumcarbonat führen ebenfalls zu einer Grün-Verschiebung des Emmissionsspektrums des Films. Dies ist, wie angenommen wird, die direkte Folge der inhomogenen Reaktion des Pulvers mit dem Reaktanten, da durch ein wiederholtes Mahlen und Brennen die Qualität des Strontiumsulfids verbessert werden kann.
  • Alle in dieser Beschreibung genannten Publikationen weisen auf das Fachwissen des Fachmannes auf diesem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, hin. Die in dieser Beschreibung verwendeten Ausdrücke und Terme dienen lediglich der Beschreibung der Erfindung, ohne sie jedoch darauf zu beschränken. Es ist keineswegs beabsichtigt, durch Verwendung dieser Terme und Ausdrücke Äquivalente der dargestellten und beschriebenen Merkmale auszuschließen.

Claims (44)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Dickfilmdielektrikumschicht in einem EL-Verbundstoff der Art, die eine oder mehrere Phosphorschichten zwischen einer vorderen und einer hinteren Elektrode angeordnet hat, wobei die Phosphorschicht von der hinteren Elektrode durch die Dickfilmdielektrikumschicht getrennt, ist enthaltend: Ablagern eines keramischen Materials in einer oder mehreren Schichten durch eine Dickfilmtechnik, um eine Diektrikumschicht mit einer Dicke von 10 bis 300 μm zu bilden; Pressen der Dielektrikumschicht, um eine verdichtete Schicht mit verringerter Porosität und Oberflächenrauhigkeit zu bilden; und Sintern der Dielektrikumschicht, um eine gepreßte gesinterte Dielektrikumschicht zu bilden, die in einem EL-Verbundstoff eine verbesserte gleichförmige Leuchtfähigkeit gegenüber einer nicht-gepressten, gesinterten Dielektrikumschicht derselben Zusammensetzung hat.
  2. Kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente zur Verwendung in einem EL-Verbundstoff, enthaltend: ein Substrat, das eine hintere Elektrode aufweist und eine Dickfilmdielektrikumschicht, die auf dem Substrat aus einem gepreßtem, gesintertem Keramikmaterial geformt ist, das im Vergleich zu einer ungepreßten, gesinterten Dielektrikumschicht derselben Zusammensetzung eine verbesserte dielektrische Festigkeit, verringerte Porosität und eine gleichförmigere Leuchtfähigkeit in einem EL-Verbundstoff hat.
  3. EL-Verbundstoff, enthaltend: eine planare Phosphorschicht; eine vordere und eine hintere planare Elektrode an jeder Seite der Phosphorschicht; ein hinteres Substrat, das die hintere Elektrode aufweist, wobei das hintere Substrat eine ausreichende Festigkeit hat, um den Verbundstoff zu tragen; und eine Dickfilmdielektrikumschicht auf dem festen Substrat, das die hintere Elektrode aufweist, wobei die Dickfilmdielektrikumschicht aus einem gepressten, gesinterten Keramikmaterial geformt ist, die im Vergleich zu einer ungepreßten, gesinterten Dielektrikumschicht derselben Zusammensetzung eine verbesserte dielektrische Festigkeit, verringerte Porosität und gleichförmige Leuchtfähigkeit in einem EL-Verbundstoff hat.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht auf einem starren Substrat abgelagert ist, das die hintere Elektrode aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pressen ein isostatisches Pressen ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Pressen ein kaltes isostatisches Pressen mit bis zu 350000 kPa ist, um die Dicke der dielektrischen Schicht nach dem Sintern um etwa 20 bis 50% zu verringern.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das keramische Material durch Siebdruck in einer oder mehreren Schichten abgelagert und vor dem Pressen getrocknet wird.
  8. Kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente nach Anspruch 2 oder EL-Verbundstoff nach Anspruch 3, geformt auf einem starren Substrat, das eine hintere Elektrode aufweist.
  9. EL-Verbundstoff nach Anspruch 3, geformt auf einem starren Substrat, das eine hintere Elektrode aufweist.
  10. EL-Verbundstoff nach Anspruch 3 oder 9 oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente nach Anspruch 8, wobei die Dielektrikumschicht durch kaltes isostatisches Pressen gepreßt ist, um die Dicke nach dem Sintern um etwa 20 bis 50% zu verringern.
  11. EL-Verbundstoff nach Anspruch 10 oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente nach Anspruch 8 oder Verfahren nach Anspruch 7, wobei das gepreßte Keramikmaterial nach dem Sintern eine verringerte Dicke von 30 bis 40% hat.
  12. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 11, wobei das gepreßte Keramikmaterial nach dem Sintern eine Dicke von 10 bis 50 μm hat.
  13. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 11, wobei das gepreßte Keramikmaterial nach dem Sintern eine Dicke von 10 bis 20 μm hat.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Dielektrikumschicht eine abgelagerte Dicke von 20 bis 50 μm hat.
  15. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 13, wobei das keramische Material ein ferroelektrisches Keramikmaterial mit einer dielektrischen Konstante größer als 500 ist.
  16. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 15, wobei das keramische Material eine Perovskitkristallstruktur hat.
  17. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 16, wobei das keramische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem oder mehreren von BaTiO3, PbTiO3, PMN und PMN-PT besteht.
  18. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 16, wobei das keramische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus BatiO3, PbTiO3, PMN und PMN-PT besteht.
  19. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 16, wobei das keramische Material PMN-PT ist.
  20. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei ein zweites keramisches Material auf der gepreßten, gesinterten Dielektrikumschicht geformt ist, um die Oberfläche weiter zu glätten.
  21. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 20, wobei das zweite keramische Material ein ferroelektrisches keramisches Material ist, das durch Sol-Gel-Techniken abgelagert ist, gefolgt von Erhitzen, um es in ein keramisches Material umzuwandeln.
  22. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 21, wobei das zweite keramische Material eine dielektrische Konstante von wenigstens 20 und eine Dicke von wenigstens etwa 1 μm hat.
  23. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 22, wobei das zweite keramische Material eine dielektrische Konstante von wenigstens 100 hat.
  24. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 23, wobei das zweite keramische Material eine Dicke in dem Bereich von 1 bis 3 μm hat.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das zweite keramische Material durch eine Sol-Gel-Technik abgelagert ist, die aus Spinablagerung oder Eintauchen ausgewählt ist, gefolgt von Erhitzen, um in ein keramisches Material umgewandelt zu werden.
  26. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 24, wobei das zweite keramische Material ein ferroelektrisches keramisches Material mit einer Perovskitkristallstruktur ist.
  27. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 26, wobei das zweite keramische Material Bleizirkoniumtitanat oder Bleilanthanzirkonattitanat ist.
  28. Verfahren nach Anspruch 1, 20 oder 27, das ferner nach dem Formen der Dieelektrikumschicht die Bereitstellung eines Substrats mit ausreichender Festigkeit zum Tragen des Verbundstoffs und das Formen der hinteren Elektrode auf dem Substrat umfaßt.
  29. Kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente nach Anspruch 2, 20 oder 27, wobei die kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente auf einem starren Substrat geformt ist, auf dem die hintere Elektrode geformt ist.
  30. EL-Verbundstoff nach Anspruch 3, 20 oder 27, wobei der EL-Verbundstoff auf einem starren Substrat geformt ist, auf dem die hintere Elektrode geformt ist.
  31. EL-Verbundstoff nach Anspruch 30 oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente nach Anspruch 29, wobei das Substrat und die hintere Elektrode aus Materialen gebildet sind, die Temperaturen von etwa 850°C standhalten.
  32. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Substrat ein Aluminiumoxidblech ist.
  33. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 20 oder 27, ferner umfassend eine Difusionssperrschicht über der Dielektrikumschicht oder über dem zweiten keramischen Material, wobei die Diffusionssperrschicht aus einer Metall-enthaltenden, elektrisch isolierenden binären Verbindung zusammengesetzt ist, die chemisch mit allen angrenzenden Schichten kompatibel und präzise stöchiometrisch ist.
  34. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Diffusionssperrschicht aus einer Verbindung gebildet ist, die von ihrer präzisen stöchiometrischen Verbindung um weniger als 0,1 Atomprozent abweicht.
  35. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Diffusionssperrschicht aus Aluminiumoxid, Siliciumdioxid oder Zinksulfid besteht.
  36. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Diffusionssperre aus Aluminiumoxid gebildet ist.
  37. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, wobei die Diffusionsschicht eine Dicke von 100 bis 1000 Å hat.
  38. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 20, 27 oder 33, ferner enthaltend eine Injektionsschicht über der Dielektrikumschicht, dem zweiten keramischen Material oder der Diffusionssperre, um ein Phosphorinterface vorzusehen, bestehend aus einem binären, dielektrischen Material, das nicht-stöchiometrisch in seiner Zusammensetzung ist und Elektronen in einem Energiebereich zur Injektion in die Phosphorschicht hat.
  39. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Injektionsschicht aus einem Material gebildet ist, das mehr als 0,5% Atomderivation von seiner stöchiometrischen Zusammensetzung hat.
  40. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 39, wobei die Injektionsschicht aus Hafnia oder Yttria besteht.
  41. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 40, wobei die Injektionsschicht eine Dicke von 100 bis 1000 Å hat.
  42. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 33 oder 38, wobei eine Injektionsschicht aus Hafnia eingeschlossen ist mit einem Phosphor, der aus Zinksulfidphosphor gebildet ist, und wobei eine Diffusionssperrschicht aus Zinksulfid mit einem Phosphor verwendet wird, der aus einem Strontiumsulfidphosphor gebildet ist.
  43. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 11, wobei das gepreßte keramische Material nach dem Sintern eine Dicke hat, die ausreicht, um einen dielektrischen Durchschlag während des Betriebs zu verhindern, der bestimmt ist durch die Gleichung d2 = v/s, wobei die d2 die Dicke der dielektrischen Schicht, v die maximal aufgebrachte Spannung und s die Festigkeit des dielelektrischen Materials sind.
  44. EL-Verbundstoff oder kombinierte Substrat- und Dielektrikumschichtkomponente oder Verfahren nach Anspruch 11, wobei das gepreßte keramische Material nach dem Sintern eine Dicke von 10 μm oder mehr hat.
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