DE68916875T2 - Bildanzeigegerät und Verfahren zur Herstellung desselben. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft eine eine Mehrzahl von kalten Kathoden verwendende dünne Bildanzeigevorrichtung.
• Eine Anzahl von dünnen Anzeigevorrichtungen mit einer Mehrzahl von zur Anzeige eines Bildes unter Verwendung von X- Y-Matrixelektroden zweidimensional angeordneten, kalten Kathoden wurden im einschlägigen Stand der Technik offenbart (siehe EP-A-0 172 089). Eine derartige, bekannte Anzeigevorrichtung, wie in Fig. 5A dargestellt, weist ein Substrat auf, dessen Oberfläche von einer Mehrzahl von kalten Kathoden vom Feldemissionstyp mit einer Dichte von 10&sup6; bis 10&sup7; Einheiten/cm² gebildet ist. Wie in Fig. 5B dargestellt, sind diese Kathoden auf einen Teil der Matrixelektroden auf der Oberfläche eines Substrats 21 bildenden X-Elektroden 22 ausgebildet, wobei auf der Oberfläche des Substrats zusammen mit einer Isolierlage 23 Y-Elektroden 24 als anderer Teil der Matrixelektroden gebildet sind. An jedem Schnittpunkt der X-Y-Elektroden ist eine kleine Öffnung 25 mit einem Durchmesser von 1 um bis 1,5 um in der Y-Elektrode gebildet und die Isolierlage 23 ist geätzt. Eine derartig gebildete Substratanordnung wird gedreht während ein einen hohen Schmelzpunkt aufweisendes Metall, wie etwa Wolfram oder Molybdän, zur Bildung einer kegelförmigen Spitze einer kalten Kathode 26 durch Aufdampfen diagonal abgeschieden wird. Nach Bildung der kalten Kathoden wird die nicht erwünschte Metallage auf der Oberfläche zur Herstellung einer Mehrzahl von Elektronenquellen aus kalten Kathoden vom Dünnschicht- Feldemissionstyp entfernt.
• Diese X-Y-Matrix-Elekronenquellen sind zur Ausbildung einer Bildanzeigevorrichtung gegenüber einer mit einem Phosphormaterial 28 beschichteten Frontplatte 27 angeordnet.
• Diese Bildanzeigevorrichtung, die mehr als 1000 kleine Elektronenquellen in jedem Bildelement aufweist, weist im allgemeinen trotz möglicher Variationen der Eigenschaften einzelner kleiner Elektronenquellen eine einheitliche Charakteristik auf, wodurch im Bereich des gesamten Bildschirms eine vergleichsweise einheitliche Leuchtdichte hervorgebracht wird. Die vorgenannte Bildanzeigevorrichtung mit ihren zufriedenstellenden Eigenschaften hat jedoch bislang aufgrund der Tatsachen, daß der komplizierte Herstellungsvorgang die Herstellungskosten hochtreibt und die Fabrikation einheitlicher kalter Kathoden vom Feldemissionstyp über ein für eine Anzeigevorrichtung benötigtes Gebiet schwierig ist, keine praktische Anwendung gefunden. Ein weiterer Grund besteht darin, daß der laminierte Aufbau, von X-Steuerelektrode (kalte Kathode) und Y-Steuerelektrode (Schaltelektrode) über eine Isolierlage dazwischen zu einer großen elektrischen Kapazität führt, was eine hohe Last zum Ergebnis hat, mit der eine Treiberschaltung beaufschlagt wird.
• Diese Erfindung behebt diese Nachteile durch Schaffung einer Bildanzeigevorrichtung mit einem isolierenden Substrat, das von X-Y-Matrix-Steuerelektroden gesteuerte, zweidimensional angeordnete Elektronenquelleneinheiten aufweist und einer mit einem Phosphormaterial beschichteten und bezüglich dem isolierenden Substrat in gegenüberliegender Beziehung angeordneten Frontplatte, bei der die einem jeweiligen Schnittpunkt der X-Y-Matrix-Steuerelektroden entsprechende Elektronenquelleneinheit eine mit einer X-Steuerelektrode verbundene, kalte, ebene Feldemissionskathode und eine mit einer Y-Steuerelektrode verbundene und in derselben Ebene der kalten Kathode gegenüberliegende, ebene Schaltelektrode enthält, wobei die Elektronenquelleneinheiten in dem Teil der Substratoberfläche gebildet sind, der nicht von X- und/oder Y-Steuerelektroden belegt ist.
• Bei Anlegen einer Spannung zwischen der kalten Kathode und der Steuerelektrode, die auf die vorstehend beschriebene Weise in einander gegenüberliegender Beziehung auf derselben Oberfläche angeordnet sind, wird am vorderen Ende der kalten Kathode ein hohes elektrisches Feld von näherungsweise 10&sup7; V/cm gebildet und Elektronen werden emittiert. Ein Teil der auf diese Weise emittierten Elektronen tritt direkt in die Anode ein. Ein anderer Teil der Elektronen fließt in die gegenüberliegende Schaltelektrode, um dadurch auf der Oberfläche der Schaltelektrode Sekundärelektronen zu erzeugen. Die auf diese Weise erzeugten Sekundärelektronen werden von einer an der Phosphorfläche der gegenüberliegenden Frontplatte angelegten, positiven Spannung (nachstehend "Anodenspannung" genannt) beschleunigt und zum Aussenden von Licht auf das Phosphormaterial geschossen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der eine Mehrzahl von kalten, ebenen Kathoden vom Feldemissionstyp auf der von X-Steuerelektroden und Y-Steuerelektroden definierten Oberfläche eines isolierenden Substrats gebildet ist, weist die folgenden Vorteile auf: (1) die elektrische Kapazität zwischen den Elektroden ist im hohen Maß verringert (auf 1/20 bis 1/30 verglichen mit dem einschlägigen Stand der Technik), (2) die Herstellungskosten sind gering, weil die gleichzeitige Ausbildung der kalten Kathoden und der Schaltelektroden möglich ist und (3) das Übersprechen ist sehr niedrig.
• Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht einer Bildanzeigevorrichtung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung.
• Fig. 2 ist eine Schnittansicht der wesentlichen Teile eines Elektronenquellenabschnitts gemäß der gleichen Ausführungsform.
• Fig. 3 ist eine eine Elektrodenanordnung gemäß der gleichen Ausführungsform schematisch darstellende Draufsicht.
• Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile zweidimensionaler Elektronenquellen die gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung zusammengestellt sind.
• Fig. 5A und 5B sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine vergrößerte perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile einer diese Erfindung betreffenden Matrixanzeigevorrichtung vom elektrischen Feldemissionstyp.
• Eine Teilschnittansicht einer erfindungsgemäßen Bildanzeigevorrichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Bildanzeigevorrichtung umfaßt ein Glassubstrat 1 mit einer Elektronenquelle zur elektrischen Feldemission an jedem Schnittpunkt von X-Y-Matrix-Elektroden und eine dem Glassubstrat 1 gegenüberliegende, mit einem Phosphormaterial beschichtete Frontplatte 4. Das Glassubstrat 1 besitzt kalte Kathoden 2 und Schaltelektroden 3, die aufeinander zu weisend auf der Oberfläche angeordnet sind. Wenn eine positive Spannung von beispielsweise 100 V bezüglich der kalten Kathoden 2 an die Schaltelektroden 3 angelegt wird, werden Elektronenstrahlen 7 emittiert. Ein Teil der auf diese Weise emittierten Elektronen fließt in die Schaltelektroden 3, während der andere Teil von einer hohen Spannung von beispielsweise 500 V die an eine Anode 5 angelegt ist, beschleunigt wird und auf eine Phosphoroberfläche 6 trifft, um dadurch zu veranlassen, daß das Phosphor Licht aussendet.
• Eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Elektronenquelle ist in Fig. 2 dargestellt. In der Oberfläche der der Schaltelektrode 3 gegenüberliegenden kalten Kathode ist eine Mehrzahl von sägezahnförmigen Vorsprüngen 8 gebildet. Weiterhin besitzt die Oberfläche des Glassubstrats zur Vereinfachung der Bildung eines hohen elektrischen Feldes am vorderen Ende der kalten Kathode 2 zwischen der kalten Kathode 2 und der Schaltelektrode 3 eine Ausnehmung 9.
• Fig. 3 stellt einen Teil der Elektrodenanordnung dar. Matrixsteuerelektroden werden aus X-Steuerelektroden X&sub1;, X&sub2;, X&sub3;, ... Xn und Y-Steuerelektroden Y&sub1;, Y&sub2;, Y&sub3;, ... Yn zusammengesetzt. Auf der von diesen Steuerelektroden definierten Substratoberfläche ist eine Mehrzahl von Elektronenquellen 13 gebildet. Jede der wie in Fig. 2 dargestellt aufgebauten Elektronenquellen 13 enthält eine mit einer X-Steuerelektrode verbundene kalte Kathode 2 und eine mit einer Y-Steuerelektrode verbundene Schaltelektrode 3.
• Dieser Aufbau der Elektronenquellen 13, bei dem die Elektronenquellen nicht auf X- oder Y-Steuerelektroden aufgelegt sind, bringt eine Verminderung auf 1/20 bis 1/30 der Fläche mit sich, die im Stand der Technik zum Übereinanderlegen der Elektroden über eine Isolierlage benötigt wird. Als Ergebnis wird die Wahrscheinlichkeit, daß aufgrund eines kleinen Lochs in der Isolierlage ein Kurzschluß zwischen Elektroden auftritt vermindert und die elektrische Kapazität wird auf 1/20 bis 1/30 verringert.
• Nachstehend wird ein Verfahren zum Herstellen zweidimensionaler Elektronenquellen erläutert. Eine Schicht aus einem Metall, wie etwa Nickel, wird durch Bedampfen mit einer Dicke von 0,5 um über der gesamten Oberfläche des Glassubstrats abgeschieden und mittels Photolithographie zu Streifen geformt. Die Elektroden werden mit einer Breite von 0,1 mm gebildet. Eine SiO&sub2;-Schicht mit einer Dicke von 1 um wird als Isolierlage mittels eines CVD-Prozesses abgeschieden und ein Teil der Isolierschicht über einer X-Steuerelektrode wird zur Bildung eines Fensters zum Gestatten einer Verbindung zur kalten Kathode entfernt. Ferner wird eine Wolframschicht mittels Aufdampfen mit einer Dicke von 0,2 um abgeschieden und eine kalte Kathode 2, eine Schaltelektrode 3 und eine Y-Steuerelektrode werden gleichzeitig mittels Photolithographie gebildet. Die Y-Steuerelektrode wird mit einer Breite von 0,5 mm hergestellt. Die Vorsprünge der kalten Kathode sind in einer Entfernung von 2 um von der Schaltelektrode festgelegt. Es gibt näherungsweise 500 Vorsprünge 8 pro Elektronenquelleneinheit (entsprechend einem Bildelement). Als nächster Vorgang wird das gesamte Substrat zur Bildung einer Ausnehmung 9 am vorderen Ende der kalten Kathode, wie in Fig. 2 dargestellt, in eine Pufferätzlösung eingetaucht.
• Das Elektrodenmaterial zur Bildung der X-Steuerelektrode ist nicht auf das Nickelmetall eingeschränkt, sondern kann vorzugsweise in Form von Aluminium, Titan, einer Gold- Chromlegierung oder eines anderen metallischen Materials, welches eine hohe Haftung an dem Glassubstrat aufweist und einen geringen Widerstand besitzt vorliegen. Auch eine Silberlelektrode oder eine Goldelektrode kann mittels eines Siebdruckverfahrens oder dergleichen gebildet werden. Die als Isolierlage verwendete SiO&sub2;-Schicht kann durch ein anderes Material mit der Eigenschaft einer hohen lsolierwirkung, wie etwa SiN, SiO oder Al&sub2;O&sub3; ersetzt werden. Anstelle von Wolfram kann andererseits Tantal, Molybdän oder eine Legierung oder ein Karbid davon mit einem hohen Schmelzpunkt mit gleicher Wirkung als Material der kalten Kathode verwendet werden.
• Auf diese Weise wird ein Glassubstrat mit Elektronenquelleneinheiten 13 in einer Anzahl von 84 x 660, die in einer Matrix angeordnet sind, gegenüber einer mit einem ZnO : Zn- Phosphormaterial beschichteten Frontplatte in einem Abstand von 0,3 mm angeordnet und die umgebenden Teile werden mit einer Glasmasse mit einem niedrigen Schmelzpunkt abgedichtet. Die resultierende Anordnung wird zur Herstellung einer Bildanzeigevorrichtung mit einer Bildschirmgröße von 25,4 cm (10 Inch) evakuiert.
• Wenn an die Y-Steuerelektroden (Videosignalmodulationselektroden) eine Spannung von 150 V gegen die X-Steuerelektroden (Vertikalabtastelektroden) angelegt wird, wird ein Elektronenemissionsstrom von etwa 10 uA für jedes Bildelement erzeugt.
• Anstelle des bei dieser Ausführungsform verwendeten ZnO : Zn-Phosphormaterials können die drei Grundfarben rot, grün und blau zur Erzeugung eines Farbbildes in Streifen angeordnet sein.
• Eine Elektrodenanordnung einer zweidimensionalen Elektronenquelle gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in Fig. 4 als perspektivische Ansicht dargestellt. Streifenelektroden 10 mit einer Breite von 0,1 mm und einer Dicke von 3 um sind mittels eines Siebdruckverfahrens auf der Oberfläche des Glassubstrates 1 gebildet. Im nächsten Schritt wird eine Glasmasse mit einem niedrigen Schmelzpunkt mit einer Dicke von 1 um durch Siebdrucken an Schnittpunkten der Streifenelektrode 10 mit Y-Steuerelektroden zur Bildung einer Isolierlage 12 angelegt. Auf ähnliche Weise sind Y-Steuerelektroden 11 mit einer Breite von 0,05 mm und einer Dicke von 1 um in Streifenform gebildet. Ferner wird das Material WSi&sub2; einer kalten Kathode mittels Sputtern über der gesamten Oberfläche abgeschieden und kalte Kathoden 2 und Schaltelektroden werden gleichzeitig mittels Photolithographie gebildet.
• Wie in Fig. 4 dargestellt sind die kalten Kathoden 2 und die Schaltelektroden 3 in Form ineinander eingreifender Kammzähne miteinander in Eingriff gebracht und die Seiten dieser einander gegenüberliegenden Elektroden sind parallel zu den X-Steuerelektroden angeordnet (senkrecht zur Längsrichtung der Y-Steuerelektroden). Diese Anordnung verursacht, daß emittierte Elektronenstrahlen entlang der Längsrichtung der Y-Steuerelektroden etwas aufgeweitet werden, aber nicht wesentlich entlang der dazu senkrechten Richtung. Als Ergebnis wird das Auftreffen der Elektronenstrahlen auf benachbarten Y-Steuerelektroden entsprechendem Phosphormaterial verhindert, so daß kaum das auftritt, was Übersprechen genannt wird, wodurch eine Bildanzeigevorrichtung mit einer hohen Auflösung hervorgebracht wird. Insbesondere wird bei einer durch streifenförmige Dreifarb-Phosphormaterialien aufgebauten Farbbildanzeigevorrichtung ein Farbmischen wirksam verhindert.
• Auf diese Weise werden ein eine zweidimensionale Elektronenquelle ausmachendes Glassubstrat 1 und eine mit einem Phosphormaterial beschichtete Frontplatte in einander gegenüberliegender Beziehung miteinander dichtend verbunden und auf die gleiche Weise evakuiert wie in der ersten Ausführungsform, um dadurch eine Bildanzeigevorrichtung hervorzubringen, der das Anzeigen eines klaren Bildes, das im wesentlichen frei von Übersprechen ist, möglich ist wie bei der ersten Ausführungsform.

Claims (7)

1. Bildanzeigevorrichtung mit einem isolierenden Substrat (1), das von X-Y-Matrix-Steuerelektroden (10, 11) gesteuerte, zweidimensional angeordnete Elektronenquelleneinheiten (13) aufweist, und einer mit einem Phosphormaterial beschichteten und bezüglich dem isolierenden Substrat in gegenüberliegender Beziehung angeordneten Frontplatte (4), bei der die einem jeweiligen Schnittpunkt der X-Y-Matrix-Steuerelektroden entsprechende Elektronenquelleneinheit eine mit einer X-Steuerelektrode verbundene, kalte, ebene Feldemissionskathode (2) und eine mit einer Y-Steuerelektrode verbundene und in derselben Ebene der kalten Elektrode gegenüberliegende ebene Schaltelektrode (3) enthält, wobei die Elektronenquelleneinheiten in dem Teil der Substratoberfläche gebildet sind, der nicht von X- und/oder Y-Steuerelektroden belegt ist.

2. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Mehrzahl von Vorsprüngen (8) an dem der Schaltelektrode gegenüberliegenden Teil der kalten Kathode gebildet sind.

3. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der zumindest ein Teil des isolierenden Substrates (1) am vorderen Ende der Vorsprünge der kalten Kathode entfernt ist.

4. Bildanzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die kalten Kathoden und die Schaltelektroden wie ein Kamm und Zähne gebildet sind, die miteinander in Eingriff gebracht sind.

5. Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 4, bei der die einander gegenüberliegenden Seiten der Elektroden lotrecht zur Längsrichtung der Y-Steuerelektrode gebildet sind.

6. Verfahren zum Herstellen einer Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, umfassend die Schritte des Bildens von X-Steuerelektroden in Streifen auf der Oberfläche eines isolierenden Substrates, des Bildens einer Isolierschicht und des gleichzeitigen Bildens von kalten Kathoden, Schaltelektroden und Y-Steuerelektroden mittels Photolithographie.

7. Verfahren zum Herstellen einer Bildanzeigevorrichtung nach Anspruch 1 umfassend die Schritte des Bildens von X-Steuerelektroden und Y-Steuerelektroden, Abscheiden einer Kaltkathodenmaterialschicht über der gesamten Oberfläche und gleichzeitiges Bilden von kalten Kathoden und Schaltelektroden mittels Photolithographie.