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Die
Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit einer Kathoden-Emitter-Basisplatte
und einem Bildschirm mit einer fluoreszierenden Schicht.
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Die
neueste Anwendung von Flachbildschirmanzeigen bei tragbaren elektronischen
Produkten hat das Interesse an der Entwicklung von preiswerten,
leistungsstarken Technologien wie flachen Kathodenstrahlröhren und
Feld emittierenden Anzeigen (FEDs) wieder aufleben lassen. FED-Bildschirme sind
von besonderem Interesse, da sie die am meisten gewünschten
Gesichtspunkte eines CRT vorweisen können. Das heißt, sie
sind emittierend, können einen
vollständigen
Bereich von Farben und Grauskalen haben, und sie haben einen weiten
Betrachtungswinkel und eine hohe Auflösung. Zusätzlich ist diese Anzeigetechnologie
dünn, leicht,
robust, matrix-adressierbar und benötigt nur geringe Leistung. Darüber hinaus
erzeugen FED-Bildschirme keine Röntgenstrahlungen,
wenn sie mit niedrigen bis mittleren (5 kV) Anodenspannungen betrieben
werden.
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1991
stellte ein von Robert Meyer geleitetes Forschungsteam bei LETI
den ersten Flachfarbenbildschirm vor, der auf dem von Cap Spindt
bei SRI 1968 vorgeschlagenen Mikrospitzen-Feldemissions-Array (FEA)
basierte. Diese Anzeige verwendete eine große Anzahl von sehr feinen kalten
Mikrospitzenkathoden als Elektronenquellen. Jeder Bildpunkt kann
unabhängig
adressiert werden, um Elektronen auszusenden, die zu einem oberhalb
der FEA positionierten phosphorbeschichteten Anodenleuchtschirm
beschleunigt werden, um ein kathodenluminiszierendes Bild zu erzeugen.
Mikrospitzen von Submikrongröße und konzentrische
Gitter sind notwendig, um lokal verstärkte elektrische Feldstärken von
bis 500 V/Mikron bei Gatespannungen von 40 bis 80 Volt bei Metallkathoden
zu erreichen, welche eine Austrittsarbeit von 4,5 eV aufweisen.
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Die
preiswerte Produktion von großflächigen Schirmen
mit dieser Mikrospitzen-Triodenstruktur
hat sich als schwierig erwiesen, da es notwendig ist, eine hohe
Dichte an mikroskopisch scharfen Spitzen herzustellen, um die beste
Emissionseffizienz zu erreichen. Submikron-Eigenschaften müssen über große Flächen hergestellt
werden, was die Kosten der Kapitalausstattung dramatisch erhöht. Die
existierenden, vertikal gegatterten Mikrospitzen-Feldemissions-Arrays (FEA) leiden zudem
an einem signifikanten Leckstromverlust zwischen der Gate- und Emitter-Elektrode
aufgrund des sie trennenden dielektrischen Belags. Diese Verluste
treten aufgrund der hohen, zwischen den Gate- und Emitterleitungen
erzeugten hohen Feldstärken
auf, die zur Erzeugung von Emissionen von den gegatterten Metallspitzen zu
notwendig sind. Leckströme
sind ein signifikantes Problem bei FEDs, da, zusätzlich zu dissipativen Verlusten,
die durch das Dielektrikum eingeführte kapazitive Last die Geschwindigkeit
der Antwort des Emitters beeinflussen kann, wenn er adressiert wird.
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Zusätzlich kompliziert
dieser Leckeffekt die notwendigen Treiberschaltungen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, eine alternative Anzeigevorrichtung
bereitzustellen.
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Entsprechend
eines Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Anzeigevorrichtung
der oben genannten Art bereit gestellt, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Basisplatte eine Vielzahl von linearen gatterförmigen Kathodenstrukturen
hat, dass jede Kathodenstruktur ein durch einen Zwischenraum voneinander
getrenntes Elektrodenpaar und eine Vielzahl von Elektronen-Feldemissions-Stellen entlang
ihrer Länge
angeordnet hat, so dass wenn eine Kathodenstruktur mit einer Spannung
adressiert wird, alle Emitterstellen entlang der adressierten Kathode
zum Leiten eines Stroms über
den Zwischenraum gegattert werden, dass der Bildschirm von der Basisplatte
durch einen Vakuumzwischenraum getrennt ist, und dass der Bildschirm
eine Vielzahl von sich senkrecht zu den Kathodenstrukturen erstreckenden
adressierbaren Anodenstreifen hat, so dass eine an einen Anodenstreifen
angelegte Spannung einen Teil des Elektronenstroms einer leitenden
Emitterstelle unterhalb des Streifens in Richtung zum Bildschirm
ablenkt, um das Leuchten eines Bildpunkts auf der fluoreszierenden
Schicht zu erzeugen.
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Die
Elektroden jeder Kathodenstruktur haben vorzugsweise eine Vielzahl
von Zähnen,
die von entgegengesetzten Seiten zu benachbarten Elektroden hervorragen,
wobei die Elektronen-Emitterstellen
zwischen den Zähnen
benachbarter Elektroden angeordnet sind. Jede Elektronen-Emitterstelle
wird vorzugsweise durch einen Punkt eines Materials bereitgestellt,
der den Zwischenraum zwischen den Elektrodenpaaren der Kathodenstruktur überbrückt. Das
Material kann aus einer Gruppe von halbleitendem Diamant, Nanoröhren-Kohlenstoff,
Galliumnitrid und Metalloxiden gewählt werden. Die Anodenstreifen
sind vorzugsweise für durch
die fluoreszierende Schicht emittiertes Licht transparent, wobei
die fluoreszierende Schicht vorzugsweise auf den Anodenstreifen
gebildet ist. Die fluoreszierende Schicht kann Bereiche von in unterschiedlichen
Farben fluoreszierenden Phosphoren beinhalten, die so angeordnet sind,
dass ein vollständiges
Farbbild angezeigt werden kann. Der Bildschirm kann ein schwarzes
Material zwischen den fluoreszierenden Bildpunkten haben.
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Eine
Anzeigevorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung wird
nun mittels eines Beispiels anhand der begleitenden Zeichnungen
beschrieben. Diese zeigen:
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1 eine
perspektivische, vereinfachte Ansicht der Anzeigevorrichtung;
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2 eine
detailliertere Draufsicht auf die Basisplatte;
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3 eine
vergrößerte Seitenansicht
eines Teils der Anzeigevorrichtung entlang eines der Anodenstreifen
und transversal zur Kathodenstruktur;
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3A eine
alternative Anordnung; und
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4 eine
vergrößerte Draufsicht
auf zwei der Kathodenstrukturen.
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Die
Anzeigevorrichtung umfasst eine Basisplatte 1 und einen
Leucht- oder Bildschirm 2, der sich parallel zu der Basisplatte
und von dieser durch einen Vakuumzwischenraum 3 um einen
kleinen Abstand beabstandet erstreckt. Der Leuchtschirm 2 mit
der Basisplatte 1 ist entlang ihrer Kanten (nicht gezeigt) abgestürzt und
versiegelt. Der Leuchtschirm 2 ist intern durch kleine
sphärische
Glasdistanzstücke
mit Durchmessern von ungefähr
200 bis 500 μm
abgestützt,
welche in die untere Oberfläche
des Leuchtschirms eingebettet sind.
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Die
Basisplatte 1 hat ein Substrat 10 aus einem elektrisch
isolierenden Material, welches auf seiner oberen Oberfläche 11 ungefähr 50 Kathodenstrukturen 12 trägt, wobei
in größeren Anzeigevorrichtungen
sehr viel mehr Kathodenstrukturen verwendet werden können. Die
Kathodenstrukturen 12 haben eine lineare Form, die sich
parallel zueinander und zu einer Kante der Basisplatte 1 erstreckt.
Jede Kathodenstruktur 12 hat ein Paar von parallelen, verlängerten
Metallelektroden 13 und 14, beispielsweise aus
Platin, die sich von gegenüberliegenden
Kanten der Basisplatte 1 erstrecken. Jede Elektrode 13 und 14 hat
eine Anzahl von kurzen Zähnen 15 und 16,
die von entgegengesetzten Seiten nach außen hervorragen, die Zähne sind
voneinander beabstandet, und die der einen Seite sind zwischen die
der anderen Seite eingeschoben. Auf diese Weise fluchten die Zähne 15 auf
einer Seite einer Elektrode 13 mit den Zähnen 16 auf
der entgegengesetzten Seite einer benachbarten Elektrode 14 und
sind seitlich voneinander durch einen schmalen Zwischenraum 17 von
ungefähr
10 Mikron Breite beabstandet. Die Elektroden 13 und 14 können auf
der Basisplatte 1 mittels herkömmlicher lithographischer Techniken
gebildet werden. Die Kathodenstrukturen 12 werden durch
einen kleinen Punkt 18 eines Elektronen emittierenden Materials
bereitgestellt, der zum Überbrücken jedes
Zwischenraums 17 angeordnet ist und die Zähne 15 und 16 übergreift,
um eine Elektronen-Emitterstelle zu bilden. Alternativ kann das
Elektronen emittierende Material 18' den Zwischenraum 17' nur teilweise überbrücken, wie
in 3A gezeigt.
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Als
Elektronen emittierendes Material können eine Vielzahl unterschiedlicher
Materialien verwendet werden, beispielsweise halbleitende Nano-Partikel-Diamanten;
aus Nanoröhren
gebildete Nano-Partikel-Kohlenstoffe, Nano-Partikel-Galliumnitrid;
oder Nano-Partikel-Metalloxide
wie Magnesiumoxid, Zinkoxid oder Zirkonoxid. Die Materialpunkte können auf
eine Vielzahl von Arten auf der Basisplatte aufgebracht werden,
beispielsweise durch Tintenstrahldruck, durch Elektrophorese oder,
für den
Fall der Metalloxide, durch dc- oder rf-Sputtern eines geeigneten Zielmaterials.
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Nach
dem Aufbringen der Punkte 18 des Elektronen emittierenden
Materials werden die Emitter durch einen geeigneten Aktivierungsprozess
konditioniert. Diamant wird mit Stickstoff- oder Argon-Plasmabehandlung
behandelt, gefolgt durch Blitzbeschichtung mit einer Schicht von
Partikeln mit ungefähr
2 bis 5 Angstrom Durchmesser aus Titan, Zirkonium oder einem anderen
Metall, das zu negativer Elektronenaffinität des Diamanten führt. Geeignete
Metalle sind diejenigen, die eine starke Affinität für Kohlenstoff haben und eine
Schottky'sche Sperrschicht
an der Berührungsfläche Metall/Diamant
bilden, die kleiner als 0,2 eV ist. Wenn als Emittermaterial Nanoröhren-Kohlenstoffe
verwendet werden, werden diese mit Stickstoff- oder Argon-Plasmabehandlung
behandelt. Galliumnitrid wird ebenso mit Stickstoff- oder Argon-Plasma
behandelt, gefolgt von einer Blitzbeschichtung von Partikeln mit
2 bis 5 Angstrom Durchmesser aus Indium, Titan oder Aluminium, um
einen Oberflächeneffekt
mit negativer Elektronenaffinität
herzustellen. Wenn Metalloxide verwendet werden, werden sie vorzugsweise
auf Elektroden aus Platin aufgebracht und thermisch in einem Luftofen
bei ungefähr
mindestens 500 bis 600°C
geglüht.
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Der
Leucht- oder Bildschirm 2 hat eine transparente Scheibe 20,
beispielsweise aus Glas, mit einer unteren Oberfläche 21,
auf der eine Anzahl von parallelen Anodenstreifen 22 aus
einem dünnen, transparenten
Metall, beispielsweise ITO, aufgebracht sind, wobei jeder Streifen
mit einer fluoreszierenden Schicht eines Phosphormaterials 23 beschichtet
ist. Bei einer Farbanzeigevorrichtung würden die Phosphore auf benachbarten
Streifen 22 aus drei unterschiedlichen Arten bestehen,
so dass jedes in einer unterschiedlichen Farbe fluoresziert, wenn Elektronen
auftreffen. Die Anodenstreifen 22 erstrecken sich orthogonal
senkrecht zu den Kathodenstrukturen 12 und jeder ist direkt über einem
der Emitterpunkte 18 angeordnet, was bedeutet, dass die
Anzahl von Anodenstreifen gleich der Anzahl der Elektronenemitter
entlang der Kathodenstrukturen ist. Bereiche zwischen den Phosphorstreifen
werden mit einer Matrix aus schwarzem Material bedruckt, um eine
Maske um die Phosphorbereiche zu bilden. Diese Technik wird herkömmlich in
anderen Emissionsanzeigevorrichtungen verwendet, wie in elektrolumineszierenden
und vakuumfluoreszierenden Anzeigevorrichtungen, um den Kontrast
zu verstärken.
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Um
die Aufhellung eines Bildpunkts auf dem Bildschirm 2 zu
verursachen, wird eine Spannung zwischen diejenige der beiden Elektroden 13 und 14 angelegt,
die sich direkt unterhalb des Bildpunkts erstrecken. Dies verursacht,
dass Emitterstellen 18 entlang der adressierten Kathodenstruktur
gegattert sind und Strom zwischen den Elektroden 13 und 14 fließt. Zur
gleichen Zeit wird eine positive Spannung an den Anodenstreifen 22 angelegt,
entlang dessen sich des Bildpunkt befindet. Dort wo sich der Anodenstreifen 22 direkt
oberhalb der adressierten Kathodenstruktur 12 erstreckt,
ist das durch die an den Streifen angelegte Spannung verursachte
elektrische Feld If ausreichend, um den
an der sich überschneidenden
Emitterstelle 18 fließenden
Elektronenstrom als Ie vertikal nach oben
zu der Anode abzulenken. Von der Emitterstelle 18 freigesetzte
Elektronen bewegen sich ohne Kollision durch den Vakuumzwischenraum 3 und
treffen auf der Phosphorschicht 23 auf dem Anodenstreifen 22 auf.
Dies bringt das Phosphor 23 zum Fluoreszieren im sichtbaren
Bereich des Spektrums, und das erzeugte Licht scheint durch die Anode 22,
um als kleiner leuchtender Punkt oder Bildpunkt auf dem Bildschirm 2 zu
erscheinen. Durch geeignete Adressierung unterschiedlicher Kombinationen
von Anodenstreifen und Kathodenstrukturen kann jeder Bildpunkt zum
Leuchten gebracht werden, um eine gewünschte Anzeigedarstellung zu
erzeugen.
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Da
die Anordnung der vorliegenden Erfindung keine Isolationsschicht
benötigt,
um einer Spannung zwischen den zwei Adresselektroden zu widerstehen,
wird der Leckstrom reduziert, wodurch eine Verringerung der Geschwindigkeit
der Antwort des Emitters verhindert und die Treiberschaltung zum
Adressieren der Anzeigevorrichtung vereinfacht wird. Das Emittermaterial
kann zum Emittieren bei einer niedrigeren Spannung als bei einer
vertikal gegatterten Spindt-Triode gegattert werden, so dass die Anzeigevorrichtung
bei einer niedrigeren Spannung betrieben werden kann, die der bei
herkömmlichen LCD
Matrixadressierten Bildschirmen entspricht. Durch die Vermeidung
der Notwendigkeit für
Mikrospitzen können
die Gesamtkosten der Herstellung der Anzeigevorrichtung auf einem
Minimum gehalten werden, insbesondere bei großen Anzeigevorrichtungen. Die
Kathodenstruktur vermeidet ebenso die Notwendigkeit, dass sich die
Adressleitungen überschneiden
müssen,
wodurch es ermöglicht
wird, die Struktur in einem lithographischen Schritt einfach herzustellen.
Die Anzeigevorrichtung benötigt
keine internen Unterteilungen, wie es bei Plasma-Anzeigevorrichtungen
notwendig ist, um das Plasma auf den adressierten Bildpunkt zu begrenzen,
so dass die schwarze Maske auf dem Leuchtschirm ausreichend ist,
um den notwendigen Kontrast sicherzustellen. Aufgrund dessen ist
die Herstellung vereinfacht und der Abstand zwischen den Bildpunkten
kann klein sein. Hohe Bildpunktdichten, die 360 dpi überschreiten
können,
sind möglich.