DE69331749T2

DE69331749T2 - Flacher bildschirm mit diodenstruktur

Info

Publication number: DE69331749T2
Application number: DE69331749T
Authority: DE
Inventors: Nalin Kumar; Chenggang Xie
Original assignee: Applied Nanotech Holdings Inc
Current assignee: Applied Nanotech Holdings Inc
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1993-12-06
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2013-12-07
Also published as: EP0676083B1; JPH08506686A; US5449970A; DE69331749D1; CA2152471A1; WO1994015350A1; KR100401281B1; EP0676083A4; US5612712A; KR960700516A; AU5740294A; EP0676083A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Flachbildschirme für Computer und dergleichen, speziell betrifft sie solche Bildschirme, die vom Feldemissionstyp sind und eine Dioden-Pixelstruktur verwenden, in der die Pixel individuell adressierbar sind.
Herkömmliche Kathodenstrahlröhren (CRT; cathode ray tubes) dienen als Anzeigebildschirme für Computer, Fernsehgeräte und andere Videogeräte, um Information visuell darzustellen. Die Verwendung einer Lumineszenz-Leuchtstoffbeschichtung auf einer transparenten Fläche, beispielsweise Glas, ermöglicht es der CRT, Größen wie Farbe, Helligkeit, Kontrast und Auflösung zu vermitteln, die zusammen ein Bild ergeben, welches ein Betrachter erfassen kann.
Herkömmliche CRTs besitzen unter anderem den Nachteil, daß sie eine beträchtliche bauliche Tiefe erfordern, d.i. Raum hinter dem eigentlichen Anzeigebildschirm, mit der Folge, daß solche Einheiten voluminös und sperrig sind. Es gibt eine Reihe wichtiger Anwendungen, bei denen diese räumliche Tiefe schädlich ist. Beispielsweise verbietet die bei zahlreichen kompakten tragbaren Computeranzeigen verfügbare Tiefe die Verwendung herkömmlicher CRTs. Darüber hinaus können tragbare Rechner kein zusätzliches Gewicht und keine zusätzliche Leistungsaufnahme der üblichen CRTs tolerieren. Um diese Nachteile zu überwinden, wurden Anzeigebildschirme entwickelt, die nicht die Tiefe, das Gewicht oder die Leistungsaufnahme herkömmlicher CRTs besitzen. Solche "Flachbildschirm"-Anzeigen sind bislang unter Verwendung von Technologien wie z. B. der passiven oder aktiven Matrix-Flüssigkristallanzeige "LCD" oder Elektrolumineszenz-("EL"-) oder Gas- Plasmaanzeigen ausgebildet worden.
Eine Flachbildschirmanzeige füllt das von herkömmlichen CRTs belassene Vakuum. Allerdings erzeugen die auf der Flüssigkristalltechnologie basierenden Flachbildschirme entweder ein in seiner Wiedergabetreue beeinträchtigtes Bild, oder sie sind ohne Strahlungsvermögen. Einige Flüssigkristallanzeigen haben das Problem des mangelnden Strahlungsvermögens dadurch überwunden, daß sie ein Hintergrundlicht verwendet haben, dies hat aber wiederum den Nachteil, daß mehr Energie erforderlich ist. Da tragbare Rechner typischer Weise mit einer begrenzten Batterieleistung arbeiten, stellt sich dies als besonderer Nachteil heraus. Die Leistungsfähigkeit einer passiven Matrix-LCD läßt sich steigern unter Verwendung einer Aktiv-Matrix-LCD-Technologie, allerdings ist die Fertigungsausbeute derartiger Bildschirme äußerst gering, bedingt durch die erforderlichen komplexen Prozeßsteuerungen und engen Toleranzen. EL- und Gasplasma-Bildschirme sind heller und leichter lesbar als Flüssigkristallanzeigen, allerdings auch teurer, wobei sie eine beträchtliche Energiemenge für den Betrieb erfordern.
Feldemissionsbildschirme oder -Anzeigen kombinieren die visuellen Bildschirmvorteile der herkömmlichen CRT mit den Vorteilen bezüglich Tiefe, Gewicht und Leistungsverbrauch der eher herkömmlichen Flachbildschirm-Flüssigkristallanzeigen, EL- und Gasplasmabildschirme. Solche Feldemissionsbildschirme verwenden sehr scharfe Mikrospitzen aus Wolfram, Molybdän oder Silizium als Kaltelektronenemitter. Von der Kathoden aufgrund des Vorhandenseins eines elektrischen Feldes, das zwischen die Kathoden und das Gitter gelegt wird, emittierte Elektronen bombadieren die Leuchtstoffanode und erzeugen dadurch Licht.
Ein solcher matrix-adressierbarer Flachbildschirm ist in der US-A-5 015 912 offenbart, wobei Mikrospitzen-Kathoden vom Feldemissionstyp eingesetzt werden. Die Kathoden sind in eine Bildschirm-Rückwandstruktur eingebaut und regen zugehörige Kathodolumineszenzbereiche auf einer Frontplatte an. Die Frontplatte ist 40 um von der Kathodenplattenordnung bei der bevorzugten Ausführungsform beabstandet, und in dem Raum zwischen der Platte und den Kathoden befindet sich Vakuum. Distanzelemente in Form von Füßen, die unter die Pixel verteilt sind, halten den Abstand aufrecht, und elektrische Verbindungen für die Basen der Kathoden haben die Form diffundierter Abschnitte, die durch die Rückwandstruktur hindurch eindiffundiert sind.
Ein Merkmal der Erfindung, die in der US-A- 5 015 912 offenbart ist, besteht darin, daß eine Matrixadressierstruktur vollständig innerhalb der Kathodenanordnung vorgesehen ist. Jede Kathoden enthält eine Mehrzahl von beabstandeten Elektronenemissionsspitzen, die von der Kathoden in Richtung der Frontstruktur wegstehen. Ein elektrisch leitendes Gate oder eine Extraktionselektrodenanordnung befindet sich benachbart zu den Spitzen, um aus letzteren eine Elektronenemission hervorzurufen und zu steuern. Eine solche Anordnung verläuft rechtwinklig zu den 70 Basisstreifen und enthält Öffnungen, durch die hindurch von den Spitzen emittierte Elektronen laufen können. Die Extraktionselektrode wird im Verein mit ausgewählten individuellen Kathoden adressiert, um Emission von ausgewählten einzelnen Kathoden zu erreichen. Die Gitter-Kathodenanordnung ist bei Mikrospitzen-Kathoden aus Wolfram, Molybdän oder Silizium deshalb notwendig, weil das zum Veranlassen der Elektronenemission benötigte Extraktionsfeld größer als 50 Megavolt pro Meter ("MV/m") ist. Damit muß das Gitter nah bei den Mikrospitzen-Kathoden plaziert sein (innerhalb von etwa 1 um). Diese engen Toleranzen machen es erforderlich, daß die Gate-Elektroden durch optische lithografische Methoden auf einer elektrisch isolierenden Schicht gebildet werden, welche die Gates für jedes Pixel so von der gemeinsamen Basis elektrisch isoliert. Diese Fotolithografie ist teuer und schwierig zu beherrschen mit der Genauigkeit, die erforderlich ist, um einen solchen Bildschirm herzustellen, was zu ansteigenden Ausschußraten bei fertigen Bildschirmen führt.
Die beiden Hauptprobleme bei dem Gerät nach der US-A-5 015 912 sind 1) die Bildung der Mikrospitzen-Kathoden und 2) die Bildung und Ausrichtung der Extraktionselektroden bezüglich der Kathoden die Struktur nach der US-A-5 015 912 ist äußerst kompliziert und schwierig bei der Fertigung speziell von großflächigen Bildschirmen. Damit kommt die in der US-A-5 015 912 offenbarte Erfindung nicht 90 dem Bedarf an Flachbildschirmen entgegen, die weniger kompliziert und weniger kostenaufwendig in der Herstellung sind. Die oben angesprochenen Probleme lassen sich mildern, wenn die Gitterstruktur und die scharfen Mikrospitzen nicht benötigt würden. Erreichen läßt sich dies durch die Verwendung einer flachen Kathode als Elektronen-Feld-Emitter in einer Diodenkonfiguration, in der die Anode mit einem Leuchtstoff überzogen ist. Es wird kein Extraktionsgitter bei einem solchen Bildschirm benötigt, wodurch man den Bildschirm relativ einfach tauen kann.
Unglücklicherweise leiden derartige Feldemissions-Flachbildschirme mit einer Dioden-(Kathoden/Anoden-)Konfiguration an mehreren Nachteilen.
Erstens: Die Energie von Elektronen, die die Leuchtstoffbeschichtung der Anode bombardieren, bestimmt sich durch die Spannung zwischen der Kathode und den Leuchtstoffen auf der Anode. Bei Farbbildschirmen, in denen die Leuchtstoffe durch besonderes hohe Elektronenenergie angeregt werden müssen, sollte die Kathoden/Anoden-Spannung größer als 300 Volt sein. Dieses Erfordernis hoher Spannung bewirkt, daß die Kathoden- und Anoden-Treiber die höhere Spannung vertragen müssen, was die Treiber in der Fertigung verteuert. Solche Hochspannungstreiber sind außerdem relativ langsam aufgrund der Zeit, die benötigt wird, damit die höhere Spannung an Leitern innerhalb des Bildschirms aufgebaut wird.
Gemäß der Fowler-Nordheim ("F-N"-)Theorie ändert sich die Stromdichte von Feldemissionen um bis zu 10%, wenn sich die Kathoden/Anoden-Trennung um lediglich 1% ändert. Zum Stand der Technik gehörige Flachbildschirme waren nicht vollständig erfolgreich bei der Überwindung des Problems von Feldemissionsschwankungen.
Sämtliche Flachbildschirme müssen ein Adressierschema irgendeiner Art verwenden, damit Information, die ein Rechner oder ein anderes Gerät an den Bildschirm sendet, in die richtige Reihenfolge gebracht wird. Das Adressieren ist schlicht das Mittel, mit welchem individuelle Anzeige- oder Bildelemente (häufig als "Pixel" bezeichnet) für die Informationsdarstellung zugänglich gemacht und konfiguriert werden.
Die in Verbindung mit Flachbildschirmen anzusprechende Streitfrage ist die, wie die richtige Beabstandung zwischen Anoden- und Kathodenanordnungen erfolgt. Wie bereits diskutiert wurde, ist die richtige Beabstandung kritisch für die Beherrschung von Feldemissionsschwankungen von einem Pixel zum anderen, ebenso bei der Minimierung der zum Treiben der Anzeige erforderlichen Spannung. In Trioden-Bildschirmen wurden Glaskügelchen, Fasern, Polyimide oder andere Isolatoren dazu eingesetzt, den richtigen Abstand zu bewahren. Bei solchen Bildschirmen ist die Beabstandung deshalb nicht kritisch, weil das elektrische Feld zwischen der Anode und dem Elektronen-Extraktionsgitter nicht so groß ist (in der Größenordnung von 10%) wie das elektrische Feld zwischen dem Gitter und der Kathode (dem Elektronen-Extraktionsfeld). In Diodenbildschirmen muß eine Distanzeinrichtung eine Durchbruchfestigkeit bezüglich des elektrischen Feldes haben, die größer ist als diejenige des Elektronen-Extraktionsfeldes für die Kathode.
Um bei modernen Rechnern und Videogeräten einsetzbar zu sein, müssen Flachbildschirme in der Lage sein, Bilder mit Graustufen (Halbtönen) zu erzeugen, um auf diese Weise den Bildschirmen zu ermöglichen, grafische Bilder zusätzlich zu Textanzeigen zu erzeugen. In der Vergangenheit dienten sowohl analoge als auch Tastverhältnis-Modulationsverfahren zum Implementieren von Graustufenbetrieb bei einem Flachbildschirm.
Die erstgenannte davon ist die analoge Steuerung. Durch Varrieren der Spannung in kontinuierlicher Weise lassen sich so angeregte individuelle Pixel zu veränderlichen Intensitäten treiben, was einen Graustufenbetrieb ermöglicht. Die zweite Methode ist die Tastverhältnis-Modulation. Eine der am häufigsten eingesetzten Versionen dieser Art von Steuerung ist die Pulsbreitenmodulation oder Pulsweitenmodulation, bei der ein gegebenes Pixel zu einer gegebenen Zeit entweder vollständig "ein" oder vollständig "aus" ist. Allerdings wird dabei das Pixel so schnell zwischen "ein" und "aus" umgeschaltet, daß das Pixel scheinbar einen Zustand zwischen "ein" und "aus" einnimmt. Wenn die Verweilzeiten in den Zuständen "ein" oder "aus" ungleich groß gemacht werden, kann das Pixel irgendeine aus einer Reihe von Graustufen zwischen schwarz und weiß annehmen. Diese beiden Verfahren sind nützlich bei der Steuerung von Diodenbildschirmen.
Ein matrixadressierbarer Flachbildschirm, der einfach und relativ billig in der Herstellung ist und der Redundanz für kontinuierlichen Betrieb jedes Pixels innerhalb des Bildschirms enthält, muß die oben angesprochenen Nachteile überwinden. Der Bildschirm sollte ein hochentwickeltes Kathoden/Anoden-Beabstandungsschema verwenden, welches dennoch zuverlässig und billig in der Herstellung ist. Schließlich sollte der Bildschirm auch ein Schema zum Implementieren eines Graustufenmodus innerhalb eines Flachbildschirms mit Dioden-Pixelstruktur beinhalten, damit einzelne Pixel Graustufenwerte zwischen schwarz und weiß annehmen können, um auf diese Weise die Informationskapazität und die Vielseitigkeit der Anzeige zu steigern.
Aus der EP-A1-0 362 017 ist ein integrierter Kathodolumineszenz-Flachbildschirm bekannt. Diese bekannte Struktur enthält einen Silizium-Wafer mit einer ersten Schicht aus epitaktisch gewachsenem monokristallinem Silizium und einer zweiten Schicht aus polykristallinem Silizium, wodurch eine Kathodenstruktur gebildet wird. Eine Anodenanordnung befindet sich in der Nähe der Kathodenstruktur und besteht aus einem luminophorem Material. Die Kathodenoberfläche wurde einer Behandlung unterzogen, welche die sauberen Oberflächen in einen Zustand negativer Elektronenaffinität bringt, beispielsweise durch sukzessive Oberflächenabsorbtion einer Caesium-Monoschicht und einer Sauerstoff-Monoschicht. Diese Schrift offenbart keine Dioden-Flachbildschirmanordnung mit amorphem Diamant.
Aus der Schrift C. Wang et al.: "Cold Field Emission from CVD Diamond Films Oberserved in Emission Electron Microscopy", Electronics Letters, Vol. 27 (1991) Nr. 16, 1. August 1991, Seiten 1459-1461, ist es bekannt, daß dicke (100 um) durch chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase (CVD) gebildete polykristalline Diamantschichten in der Lage sind, Elektronen mit einer Intensität zu emittieren, die ausreicht, um in dem Beschleunigungsfeld eines Emissionsmikroskops ein Bild ohne externe Anregung (< 3 MV/m) zu erzeugen. Die untersuchten einzelnen Kristallite sind in der Größenordnung von 1-10 um.
Es ist also vornehmliches Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Flachbildschirm zu verbessern, der 1) eine Kathodenanordnung mit mehreren Kathoden aufweist, wobei jede Kathode eine Schicht aus einem leitenden Kathodenmaterial und eine Schicht aus einem schwach wirksamen Arbeitsfunktionsmaterial, die über dem leitenden Kathodenmaterial niedergeschlagen ist, aufweist, ferner 2) eine Elektrodenanordnung mit mehreren Elektroden, von denen jede Elektrode eine Schicht aus einem leitenden Anodenmaterial und eine Schicht aus Kathodolumineszenzmaterial über dem leitenden Kathodenmaterial enthält, wobei die Anodenanordnung in der Nähe der Kathodenanordnung gelegen ist, um Emissionen geladener Partikel von der Kathodenanordnung zu empfangen, so daß das Kathodolumineszenzmaterial ansprechend auf die Ladungspartikelemissionen Licht emittiert.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem mehrere Kathoden eine relativ flache Emissionsoberfläche aus einem schwach wirksamen Arbeitsfunktionsmaterial enthält, angeordnet zur Bildung einer Mehrzahl von Mikrokristalliten.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anzeige, in der mehrere Kathoden Emissionflächen mit Mikrospitzen besitzt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem mehrere Kathoden auf Zufallsbasis gefertigt sind.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem mehrere Kathoden fotolithografisch gefertigt sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem mikrokristallite als Emissionsstellen fungieren.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem ein schwach wirksames Arbeitsfunktionsmaterial ein amorpher Diamantfilm ist.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anzeige, bei der Emissionsstellen Dotierstoffatome enthalten.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem einer Anzeige, bei der ein Dotierstoffatom Kohlenstoff ist.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem Emissionsstellen mit unterschiedlicher Bindungsstruktur gegenüber den umgebenden, Nicht-Emissions-Stellen vorgesehen sind.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem so Emissionsstellen eine andere Bindungsordnung gegenüber den umgebenden, Nicht-Emissions-Stellen aufweisen.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem Emissionsstellen Dotierstoffe eines Elements enthalten, welches sich von dem eine schwach wirksame Arbeitsfunktion aufweisenden Material unterscheidet.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem Emissionsstellen Defekte in der kristallinen Struktur aufweisen.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anzeige, bei der Defekte Punktdefekte sind.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei der defekte Linien Defekte sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem Defekte Versetzungen sind.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Flachbildschirms, mit einer Mehrzahl entsprechender Leuchtdioden und Feldemissionskathoden, wobei jede der Andoen Licht ansprechend auf Elektronenemission von jeder der entsprechenden Kathoden emittiert, und 2) Mitteln zum selektiven Variieren der Feldemission zwischen den mehreren entsprechenden Leuchtanoden und Feldemissionskathoden, um dadurch einen adressierbaren Graustufenbetrieb des Flachbildschirms zu erreichen.
Ein weiteres Ziel ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem Emission zwischen mehreren entsprechenden lichtemittierenden Anoden und Feldemissionskathoden variiert wird durch Anlegen eines veränderlichen elektrischen Potentials zwischen ausgewählte von den mehreren entsprechenden lichtemittierenden Anoden und so Feldemissionskathoden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anzeige, bei der Emission zwischen einer Mehrzahl entsprechender lichtemittierender Anoden und Feldemissionskathoden dadurch variiert wird, daß ein geschaltetes konstantes elektrisches Potential zwischen ausgewählte von den mehreren zugehörigen lichtemittierenden Dioden und Feldemissionskathoden gelegt wird.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem ein konstantes elektrisches Potential pulsbreitenmoduliert wird, um einen adressierbaren Graustufenbetrieb des Flachbildschirms zu erreichen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Flachbildanzeige mit 1) einer Mehrzahl von lichtemittierenden Anoden, die ansprechend auf Elektronen angeregt werden, welche von einer entsprechenden von mehreren Feldemissionskathoden emittiert werden, und 2) einer Schaltung zum elektrischen Anregen eines speziellen Kathoden- und Anodenpaars durch Ändern eines elektrischen Potentials sowohl der Kathode als auch der Anode des Paares.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die so mehreren Kathoden in Kathoden-Untergruppen unterteilt sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die mehreren Anoden in Anoden-Untergruppen unterteilt sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anzeige, bei der jede der Kathoden-Untergruppen unabhängig adressierbar ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem jede der Anoden-Untergruppen unabhängig adressierbar ist.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die Kathoden-Untergruppen in verschiedenen Kombinationen adressierbar sind, um einen Graustufenbetrieb der Kathoden zu ermöglichen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die Anoden-Untergruppen in verschiedenen Kombinationen adressierbar sind, um einen Graustufenbetrieb der Anoden zu gestatten.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die Kathoden-Untergruppen unterschiedliche Größen aufweisen.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die Anoden-Untergruppen verschiedene Größen besitzen.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die Größen der Kathoden-Untergruppen zueinander über die Potenz von zwei in Beziehung stehen.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die Größen der Anoden-Untergruppen zueinander über die Potenz von zwei in Beziehung stehen.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die mehreren Anoden Phosphorstreifen aufweisen.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem jede der mehreren Kathoden aufweist:
ein Substrat;
eine elektrische Widerstandsschicht, die auf dem Substrat niedergeschlagen ist;
und
eine Schicht aus einem Material mit einer schwach wirksamen Arbeitsfunktion, die auf der Widerstandsschicht niedergeschlagen ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem die mehreren Anoden und die mehreren Kathoden kontinuierlich während des Betriebs durch ein elektrisches Potential separiert werden, welches durch eine Diodenvorspannschaltung bereitgestellt wird.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem ein spezielles Kathoden-Anoden-Paar ansprechend auf das Anlegen eines elektrischen Gesamtpotentials aktiviert wird, welches einer Summe des von der Diodenvorspannschaltung gebildeten elektrischen Potentials und eines durch eine Treiberschaltung bereitgestellten elektrischen Potentials gleicht.
Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Bildschirms, bei dem das durch die Treiberschaltung gelieferte elektrische Potential wesentlich geringer ist als das elektrische Potential, welches durch die Diodenvorspannschaltung bereitgestellt wird.
Erreicht werden diese Ziele erfindungsgemäß durch einen Dioden-Flachbildschirm mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 17 zeigen weitere Ausgestaltungen.
Beim Erreichen der obigen Ziele stellt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein System zum Implementieren eines Graustufenbetriebs in einem Flachbildschirm dar, wobei das System aufweist: 1) eine Mehrzahl von in Reihen angeordneten Feldemissionskathoden, 2) eine Mehrzahl von in Spalten angeordneten lichtemittierenden Anoden, wobei jede Spalte in Unterspalten oder Teilspalten aufgeteilt ist und die Dioden auf von den Kathoden emittierte Elektronen ansprechen, 3) eine Schaltung zum Vereinen von Reihen aus Kathoden und Spalten aus Anoden zur Bildung eines Pixelmusters, und 4) eine Schaltung zum unabhängigen und gleichzeitigen Adressieren einer Kathodenreihe und einer Kombination aus Anoden-Teilspalten innerhalb einer Anodenspalte, um dadurch unterschiedliche Intensitätspegel für Pixel zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flachbildschirmanordnung, die die Vorteile eines Kathodolumineszenz-Leuchtstoffs desjenigen Typs nutzt, der in CRTs verwendet wird, wobei aber eine baulich dünne Anzeige geschaffen wird. Der Flachbildschirm ist vom Feldemissionstyp unter Verwendung einer (zwei Anschlüsse aufweisenden) Diodenpixelstruktur. Der Bildschirm ist matrix-adressierbar unter Verwendung von Anoden- und Kathodenanordnungen, die in Streifen mit rechtwinkliger Lagebeziehung angeordnet sind, wodurch jeder Anodenstreifen und jeder Kathodenstreifen individuell durch Anoden- bzw. Kathodentreiber adressierbar ist. Effektiv resultiert ein "Pixel" an jeder Kreuzungsstelle von einem Anodenstreifen mit einem Kathodenstreifen. Sowohl die Anoden- als auch die Kathodenstreifen sind voneinander getrennt, um ihre individuelle Adressierbarkeit zu bewahren. Das Ergebnis besteht darin, daß jedes Pixel innerhalb des Bildschirms individuell zum Leuchten gebracht werden kann.
Die Kathodenanordnung kann entweder eine Flachkathode oder eine Menge von Mikrospitzen sein, die auf Zufallsbasis ein Muster erhalten haben oder durch Fotolithografie mit einem Muster ausgestattet sind. Die Flachkathoden bestehen aus einem leitenden Material, welches auf ein Substrat niedergeschlagen ist, und aus einem Widerstandsmaterial, welches sich auf dem leitenden Material befindet. Ein dünner Film schwach wirksamer Arbeitsfunktion wird anschließend über die Widerstandschicht aufgebracht. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der dünne Film amorpher Diamant. Die Kathodenstreifen lassen sich weiter unterteilen, um einen Betrieb an einer speziellen Pixelstelle auch dann zu ermöglichen, wenn es zu einem Ausfall in einer der Gruppen kommt. Die Widerstandsschicht, die aus Diamant mit hohem spezifischem Widerstand oder aus ähnlichen Werkstofffen gebildet sein kann, sorgt für eine angemessene Trennung zwischen den verschiedenen Untergruppen. Diese mehreren Untergruppen eines Pixels lassen sich entweder an der Anode oder der Kathode implementieren.
Die Anodenanordnung besteht aus einem transparenten, leitendem Material, beispielsweise Indium-Zinn-Oxid (ITO), das auf einem Substrat mit einem schwach energetischen Leuchtstoff wie z. B. Zinkoxid (ZnO) über der leitenden Schicht niedergeschlagen ist.
Die erhaltene Anodenanordnung und Kathodenanordnung werden mit einer Umfangs-Glasschmelzdichtung auf einer gedruckten Schaltungsplatine zusammengebaut. Der korrekte Abstand zwischen den beiden Anordnungen wird durch Distanzelemente aufrechterhalten, bestehend aus entweder Glasfasern oder Glaskügelchen oder aus einem festen Distanzstück, das durch typische Niederschlag-Technologie gebildet wird. In der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Abstand durch eine Mehrzahl von Distanzelementen garantiert, welche in Löchern angeordnet sind, die in dem Kathodensubstrat ausgebildet sind, um einen langen Oberflächenweg zu bilden und dadurch ein Streuen von Strom von der Kathode aus zu der Anode hin durch Elektronen induzierte Leitfähigkeit zu erschweren. Innerhalb des Raums zwischen Anoden- und Kathodenanordnung wird ein Vakuum erzeugt, indem Gase über ein Entlüftungsröhrchen entfernt werden. Systeme zum Halten von Vakuum innerhalb derartiger Strukturen sind im Stand der Technik bekannt. Verunreinigungen innerhalb des Vakuums werden durch eine Getterung beseitigt.
Individuelle Reihen und Spalten aus Anodenstreifen und Kathodenstreifen sind durch flexible Verbinder, die durch typische Halbleiter-Gehäusungstechnologie gebildet werden, von außen her zugänglich. Diese Verbinder lassen sich an Anoden- und Kathodentreibern befestigen, um die Adressierbarkeit jedes Pixels innerhalb des Bildschirms zu erreichen.
Ein individuelles Pixel wird zum Leuchten gebracht, wenn das Potential zwischen Kathoden- und Anodenstreifen, die diesem Pixel entsprechen, ausreicht, damit Elektronen von der Kathode emittiert werden, die dann in Richtung auf das schwach energetische Leuchtstoffmaterial fliegen. Da eine solche Emission von Elektronen eine beträchtliche Spannungsgröße erfordert, die ihrerseits eine zusätzliche Schaltung zum Schalten einer Hochspannung erfordert, wird zwischen Anoden- und Kathodenanordnung ein konstantes Potential gelegt, welches keine ausreichende Spannung für eine Elektronenemission liefert. Die Restspannung, die erforderlich ist, um das Schwellenpotential für die Elektronenemission zwischen Anoden- und Kathodenanordnung zu erreichen, wird durch Spannungstreiber bereitgestellt, die an jedem Anoden- und Kathodenstreifen befestigt sind. Diese Spannungstreiber sind als Anodentreiber bzw. Kathodentreiber bekannt.
Ein Pixel wird dann adressiert und zum Leuchten gebracht, wenn die erforderliche Treiberspannung an einen entsprechenden Anodenstreifen und Kathodenstreifen gelegt wird, resultierend in der Emission von Elektronen von demjenigen Bereich des Kathodenstreifens ausgehend, der dem Anodenstreifen benachbart ist. Elektronen werden dann nicht innerhalb eines Pixelbereichs emittiert, wenn nur der entsprechende Anodenstreifen oder der entsprechende Kathodenstreifen allein mit der erforderlichen Treiberspannung angesteuert wird, da das benötigte Schwellenpotential zwischen Anode und Kathode dadurch allein nicht erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit, den Bildschirm im Graustufenmodus entweder durch Bereitstellen einer variablen Spannung für die einzelnen Pixel, durch Bereitstellen einer modulierten konstanten Spannung (in Form einer Pulsbreitenmodulation) oder durch Unterteilen jedes der Anodenstreifen zu Streifen verschiedener Breite, die individuell von den Anodentreibern adressierbar sind, zu implementieren. Diese individuellen Streifen lassen sich in verschiedenen Kombinationen adressieren, was zu einer Aktivierung unterschiedlicher Mengen an lichtemittierendem Leuchtstoffmaterial innerhalb eines Pixels durch emittierte Elektronen aus der zugehörigen Kathode führt.
Einige der Vorteile der vorliegenden Erfindung beinhalten geringen Leistungsverbrauch, hohe Helligkeit, geringe Kosten und niedrige Treiberspannung. Darüber hinaus ist die Kathodenanordnung gemäß der Erfindung weniger kompliziert und billiger in der Herstellung als auf Mikrospitzen basierende Trioden-Bildschirme, da hochentwickelte Fotolithografie nicht erforderlich ist, um eine flache Kathodenanordnung herzustellen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sowie deren Vorteile wird nun auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Dioden-Flachbildschirmsystems mit einem Adressierschema, das von der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 eine Kathode mit mehreren Feldemittern für jedes Pixel;
Fig. 3 eine Strom-Spannungs-Kurve für den Betrieb eines Dioden-Flachbildschirms;
Fig. 4 ein erstes Verfahren zur Schaffung des passenden Abstands in einem Dioden-Flachbildschirm;
Fig. 5 ein zweites Verfahren zur Schaffung des richtigen Abstands in einem Dioden-Flachbildschirm gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 eine Diodenvorspannschaltung mit Spannungstreibern für Anode und Kathode;
Fig. 7 ein Diagramm des zwischen einer Anode und einer Kathode erforderlichen Potentials für die Emission an einem adressierten Pixel;
Fig. 8 eine Darstellung der Anoden- und Kathodenanordnungen auf einer gedruckten Schaltungsplatine;
Fig. 9 einen Querschnitt der Fig. 8, wobei die Anodenstreifen dargestellt sind;
Fig. 10 einen Querschnitt der Fig. 8 unter Darstellung der Kathodenstreifen;
Fig. 11 eine Einzelheit des Betriebs eines Pixels innerhalb eines Flachbildschirms; und
Fig. 12 eine Unterteilung der Anodenstreifen zur Implementierung eines Graustufenmodus innerhalb des Bildschirms.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen System 100 zum Implementieren des matrix-adressierten Flachbildschirms gemäß der Erfindung. Typischerweise kommen Daten in Form von Video-, Videografik- oder alphanumerischen Zeichendaten an dem System 100 über den seriellen Datenbus 110 an, woraufhin die Daten über einen Puffer 120 in einen Speicher 150 gelangen. Der Puffer 120 erzeugt außerdem ein Synchronisiersignal, welches er in die Zeitsteuerschaltung 130 gibt.
Ein Mikroprozessor 140 steuert die Daten innerhalb des Speichers 150. Handelt es sich bei den Daten um Videodaten und nicht um Information, die alphanumerische Zeichen definiert, so gehen die Daten direkt als Pixelmusterdaten zu dem Schieberegister 170, dargestellt mit Hilfe einer Flußlinie 194. Das Schieberegister 170 verwendet die Pixelmusterdaten zum Betätigen der Anodentreiber 180. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, liefert ein Spannungstreiber 185 eine Vorspannung an die Anodentreiber 180 in der Weise, wie es weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 3 noch im einzelnen erläutertert wird.
Wenn die in dem System 100 ankommenden Daten aus alphanumerischen Zeichen bestehen, so tranferiert der Mikroprozessor 140 diese Daten aus dem Speicher 150 in den Zeichengenerator 160, der die das gewünschte Zeichen definierende erforderliche Information zu einem Schieberegister 170 leitet, welches den Betrieb des Anodentreibers 180 steuert. Das Schieberegister 170 übernimmt auch die Aufgabe des Auffrischens der Bilder, die auf dem Flachbildschirm 192 dargestellt werden.
Die Anodentreiber 180 und die Kathodentreiber 190 empfangen von der Zeitsteuerschaltung 130 Zeitsteuersignale, um den Betrieb des Anodentreibers 180 und der Kathodentreiber 190 zu synchronisieren. Nur die Anodentreiber 180 sind von den aktuellen Daten und entsprechenden Pixelmusterbildern, die auf dem Flachbildschirm 192 darzustellen sind betroffen. Die Kathodentreiber sind lediglich von der Bereitstellung der Synchronisierung mit den Anodentreibern 180 betroffen, damit das gewünschte Bild auf dem Flachbildschirm 192 dargestellt wird.
In einer alternativen Ausführungsform des in Fig. 1 gezeigten Systems bestimmt der serielle Datenbus 110 in einfacher Weise die Art der Darstellung auf dem Flachbildschirm 192, so z. B. die Bildschirmauflösung, die Farbe oder andere Attribute. Beispielsweise würde der Puffer 120 diese Daten dazu verwenden, das passende Synchronisiersignal an die Zeitsteuerschaltung 130 zu liefern, die dann Zeitsteuersignale an die Anodentreiber 180 und die Kathodentreiber 190 gäbe, um die korrekte Synchronisation für das anzuzeigende Bild zu schaffen. Der Mikroprozessor 140 liefert die darzustellenden Daten an den Speicher 150, der dann irgendwelche Video- oder Videografikdaten an das Schieberegister 170 gibt, oder aber alphanumerische Daten an den Zeichengenerator 160 gibt. Das Schieberegister 170, die Anodentreiber 180 und die Kathodentreiber 190 arbeiten dann in der zuvor beschriebenen Weise, um auf dem Flachbildschirm 192 die passenden Bilder darzustellen.
Als nächstes auf Fig. 2 Bezug nehmend, ist dort die typische Arbeitsweise eine Ausführungsform der Erfindung an zwei Pixelstellen dargestellt. Ein Kathodenstreifen 200 enthält mehrere Feldemitter 210, 220, 230, 240 und Emitter 250, 260, 270, 280 für jedes Pixel. Diese Ausgestaltung verringert die Störungsrate für jedes Pixel, was wiederum die Lebensdauer der Anzeige und die Fertigungsausbeute steigert. Da jeder Emitter 210, 220, 230, 240 und die Emitter 250, 260, 270, 280 für jedes Pixel eine unabhängige Widerstandsschicht besitzen, fährt der Rest der Emitter für dasselbe Pixel mit der Emission von Elektronen fort, wenn einer der Emitter des Pixels ausfällt. Wenn z. B. der Feldemitter 230 versagt, wird der Anodenstreifen 290 auch weiterhin von Elektronen an jeder Stelle angeregt, die belegt ist durch die Kreuzung des Anodenstreifens 190 und des Kathodenstreifens 200, da noch die Feldemitter 210, 220 und 260 verbleiben. Diese Redundanz findet an jeder Pixelstelle statt, ausgenommen das in hohem Maße unwahrscheinliche Ausfallen sämtlicher Feldemitter an einer Pixelstelle. Beispielsweise müßten die Feldemitter 250, 260, 270 und 280 sämtlich ausfallen, damit die Pixelstelle an der Kreuzung des Anodenstreifens 292 mit dem Kathodenstreifen 200 betriebsunfähig würde.
Wie bereits erwähnt, besteht eine Möglichkeit zum Reduzieren der Feldemissions- Schwankung darin, Strombegrenzung für die Kathoden/Anoden-Treiber vorzusehen. Derartige Treiber sind im Handel verfügbar (Spannungstreiber-Chips wie z. B. von Texas Instruments, Serien Nummern 755, 777 und 751, 516). Solange in Strombegrenzungstreibern die Betriebsspannung des Treibers diejenige Spannung übersteigt, die erforderlich ist, um ein Kathoden/Anoden-Paar mit der höchsten Emissions-Schwellenspannung zu aktivieren, emittieren sämtliche Kathoden/Anoden-Paare am gleichen Betriebsstrom-/Spannungs-Q-Punkt.
Als Beispiel für das Grundprinzip dieses Verfahrens zeigt Fig. 3 eine Strom-Spannungs-Kurve für einen Diodenbildschirm. Die Spannung V&sub0; kann eine Spannung sein, mit der die Treiber vorgespannt werden. Durch Wechsel von V&sub0; auf V&sub1; läßt sich die Helligkeit oder Intensität der Anzeige ändern. In ähnlicher Weise läßt sich I&sub0; ändern, um die Helligkeit oder Intensität der Anzeige einzujustieren. Die Art und Weise der Kopplung der Strombegrenzungstreiber an die Anzeige wird in Verbindung mit Fig. 5 erläutert.
Nunmehr auf Fig. 4 Bezug nehmend, ändert sich in der besprochenen Weise gemäß der F-N-Theorie die Stromdichte der Feldemissionen um bis zu 10%, wenn sich der Kathoden/Anoden-Abstand um lediglich 1% ändert. Ein Verfahren zum Reduzieren dieser Schwankung besteht darin, ein Widerstandselement zwischen jede Kathode und dem dazugehörigen Kathodenleiter einzubringen. Unglücklicher Weise kann das Einbringen des Widerstandselements zu einem Spannungsabfall an dem Widerstandselement führen, womit ein entsprechender Leistungsverbrauch einhergeht, was den Gesamtenergieverbrauch des Bildschirms nach oben treibt. In einigen Fällen ist der zusätzliche Leistungsverbrauch hinnehmbar.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die ein Widerstandselement in einer Kathode dazu verwendet, Zeltschwankungen zu verringern. Außerdem ist ein erstes Verfahren zur Schaffung des richtigen Abstands in einem Dioden-Flachbildschirm dargestellt. In Fig. 4 dargestellt ist ein Kathodensubstrat 400. Auf dem Kathodensubstrat 400 ruht eine leitende Kathodenschicht 420, eine leitende Säule 440, ein Widerstandselement 450 und ein Emissionsmaterial 460 mit einer schwach wirksamen Arbeitsfunktion.
Ein Material mit schwach wirksamer Arbeitsfunktion ist jedes Material, welches ein elektrisches Schwellen-Feld von weniger als 50 Megavolt pro Meter ("MV/m") hat. Beispiele für ein schwach wirksames Arbeitsfunktionsmaterial beinhalten amorphen Diamant (definiert als ein nicht-kristalliner Kohlenstoff, hergestellt ohne Wasserstoff und mit diamantähnlichen Eigenschaften, wie dies beschrieben ist in Collins et al., The Texas Journal of Science, Vol. 41, Nr. 4, 1989. "Thin Film Diamond" Seiten 343-58), Zermete (definiert als irgendeine Gruppe aus Kompositmaterilien, die man erhält durch Mischen, Pressen und Sintern von Metall mit Keramik oder durch Dünnschicht-Niederschlagungs-Technologie, beispielsweise in Form von Grafit-Diamant, Silizium-Siliziumkarbid und Trichrom-Monosilizid-Siliziumdioxid) oder beschichte Mikrospitzen (die entweder auf Zufallsbasis oder fotolithografisch gefertigt wurden).
Außerdem ist gemäß Fig. 4 ein Anodensubstrat 410 vorgesehen, auf dem eine Kathodolumineszenzschicht 430 niedergeschlagen ist. Eine Säule 430 bewahrt einen passenden Abstand zwischen dem Emissionsmaterial 480 und der Kathodolumineszenzschicht 430. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kathodensubstrat 400 Glas, die leitende Kathodenschicht 420 ist eine Metallbahn, beispielsweise aus Kupfer, die leitende Säule 440 besteht aus Kupfer, das Emissionsmaterial 460 ist ein amorpher Diamant-Dünnfilm, die Anodenstruktur 410 ist Glas, die Kathodolumineszenzschicht 430 ist ITO, und der Pfeiler 470 ist dielektrischer Werkstoff.
In einem Diodenbildschirm muß eine Säule oder ein Pfeiler eine Durchbruchspannung aufweisen, die viel größer ist als das Elektronen-Extraktionsfeld für die Kathode. Für den Fall, daß die Kathode aus einem amorphen Diamantfilm gebildet ist, liegt das Elektronen-Extraktionsfeld in der Größenordnung von 15-20 MV/m. Allerdings wurde für eine Dioden-Feldemissionsanzeige herausgefunden, daß es Pfeiler mit einer Durchbruchspannung in der Größenordnung von 5 MV/m gibt. Dies ist zurückzuführen auf die durch Elektronen induzierte Leitfähigkeit, die sich an der Oberfläche der Säule einstellt. Dementsprechend ist es, wie in Fig. 4 als Konzept skizziert ist, ein Ziel der erfolgreichen Beabstandung, die Oberflächendistanz von der Kathode bis zu der Anode derart zu steigern, daß die Effekte der durch Elektronen induzierten Leitfähigkeit minimiert werden. Speziell für Ströme, die aus der Kathode stammen und über den Pfeiler zu der Anode fließen, muß der Strom einen Schaltungsweg entlang der Oberfläche 480 in Fig. 4 zurücklegen. In der in Fig. 4 dargestellten Struktur sind Kathoden- und Anodenleiter um 100 um beabstandet, während die Emissionsoberfläche der Kathode und der Anodenleiter um 20 um voneinander getrennt sind.
Nunmehr auf Fig. 5 Bezug nehmend, ist dort ein zweites Verfahren zur Schaffung des passenden Abstands in einem Dioden-Flachbildschirm dargestellt, der in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird. Dieses zweite Verfahren ist dem in Fig. 4 umrissenen Verfahren deshalb vorzuziehen, weil es nur 1.000 bis 2.000 Distanzelemente in einem typischen Flachbildschirm verlangt, verglichen mit 200.000 mit 1,000.000 Pfeilern, die gemäß dem ersten Verfahren erforderlich sind. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Verfahren befindet sich ein Distanzglied 470 innerhalb einer Ausnehmung 510 des Kathodensubstrats 400. Das Distanzstück 470 läßt sich aus Wolfram, Molybdän, Aluminium, Kupfer oder anderen Metallen herstellen. Das Distanstück 470 kann deshalb leitend sein, weil die das Emissionsmaterial 460 von der Kathodolumineszenzschicht 430 trennende Fläche 480 groß ist, wodurch ein durch Elektronen induziertes Leiten erschwert wird. Das Distanzstück 470 kann auch aus Isolierstoff bestehen, so z. B. aus Siliziumdioxid. Um diese erhöhte Oberflächendistanz zu schaffen, ist das Kathodensubstrat 400 mit einer Mehrzahl kleiner Vertiefungen 510 ausgestattet (größenordnungsmäßig 25-50 Mikrometer im Durchmesser bei einer Tiefe von 75-250 um, welche dazu dienen, die Abstandsglieder aufzunehmen). Die Vertiefungen können einen Abstand von 0,5 cm haben und befinden sich vorzugsweise zwischen individuellen Kathoden- und Anodenstreifen. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Aufbau sind die Kathoden- und die Anoden-Leiter 420, 430 um 20 um voneinander beabstandet, und das Emissionsmaterial 460 und die leitende Anodenschicht 430 sind um etwa die gleiche Distanz voneinander getrennt. Die Distanzstücke haben vorzugsweise einen Durchmesser von 30 um.
Gemäß Fig. 6 dient eine Dioden-Vorspannschaltung 600 zum Treiben des Bildschirms 192 mit der Betriebsspannung an einem Schwellenpotential, welches von dem schwach wirksamen Arbeitsfunktionsmaterial auf der Kathode gefordert wird. Diese Schwellenspannung wird zwischen einen Anodenstreifen 6-10 und einen Kathodenstreifen 620 gelegt, was dazu führt, daß aus einem Feldemitter 630 in Richtung der Anode 610 Elektronen emittiert werden. Für eine vollfarbige Anzeige ist die Anode 610 mit einem Muster aus drei Mengen von Streifen versehen, jeweils bedeckt mit einem Kathodolumineszenzmaterial. Pixel werden durch Adressieren einer Kathode 620 adressiert, die rechtwinklig zu einem entsprechenden Anodenstreifen 610 verläuft. Der Kathodenstreifen 620 wird von einem 25-Volt-Treiber so 650 adressiert, und getrieben wird der Anodenstreifen 610 von einem weiteren 25- Volt-Treiber 640, der auf einer 250-Volt-Gleichspannungsversorgung schwimmt. Die Ausgangsspannung von 250 Volt von der Gleichspannungsversorgung ist so gewählt, da sie direkt unterhalb der Quellenspannung der Anzeige liegt. Durch sequentielles Adressieren dieser Elektroden kann ein Bild (farbig oder monochrom) dargestellt werden. Diese Spannungen sind lediglich als beispielhaft angegeben und können durch andere Kombinationen von Spannungen ersetzt werden. Ferner können andere Dünnfilmkathoden andere Schwellenpotentiale für die Feldemission erfordern.
70 Fig. 7 veranschaulicht, wie Emission von einer Kathode an einer Pixelstelle durch Adressieren der Kathodenstreifen und Anodenstreifen innerhalb des Bildschirms unter Verwendung der Spannungstreiber 640, 650 erreicht werden kann.
In Fig. 8 ist eine Draufsicht auf den Flachbildschirm 192 dargestellt, welche die grundlegende Anoden-Kathoden-Struktur veranschaulicht, die verwendet wird, um das Matrix-Adressierschema für die Darstellung von Bildern auf dem Bildschirm 192 zu erreichen. Eine Anodenanordnung 820 wird mit einer Kathodenanordnung 810 in einer rechtwinkligen Lagebeziehung zusammengefügt, wie dies in den Fig. 2 und 6 gezeigt ist, und zwar auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) 800 oder einem anderen geeigneten Substrat. Eine typische Halbleiter-Montagetechnik dient zur Schaffung von externen Kontakten 830 für die Kathodenanordnung und externen Kontakten 840 für die Anodenanordnung.
Wie bereits erwähnt, besteht eine der besten Möglichkeiten zum Reduzieren der Feldschwankung darin, eine Kombination aus Widerstandselementen und Strombegrenzungstreibern einzusetzen. In diesem Fall werden die Treiber dazu eingesetzt, den in den Bildschirm eingespeisten Gesamtstrom zu begrenzen, während individuelle Widerstandselemente dazu dienen, die Schwankung der Feldintensität zwischen den verschiedenen Kathoden/Anoden-Paaren (oder innerhalb von Teilen der Kathoden/Anoden-Paaren) zu minimieren. Die Widerstandselemente unterstützen außerdem das Begrenzen des Stroms für den Fall, daß es zu einem Kurzschluß in einem speziellen Kathoden/Anoden-Paar kommt (demzufolge sich keine Lücke mehr zwischen der Kathode und der Anode befindet). In Fig. 8 besitzen (nicht dargestellte) Strombegrenzungstreiber jeweils mehrere Spannungsausgänge, die in konventioneller Weise an die Kontakte 830, 840 gekoppelt sind, damit diese geeignete Spannungen zum Steuern des Bildschirms erhalten. Diese Strombegrenzungs-Spannungstreiber beschränken die Stromzufuhr zu den Leitern 830 und 840 in ähnlicher Weise, wie dies in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wurde.
Nunmehr auf Fig. 9 Bezug nehmend, ist dort ein Querschnitt 9-9 des Bildschirms 192 aus Fig. 8 dargestellt. Die Schaltungsplatine 80 dient zur Montage der Kathodenanordnung 810 und der Anodenanordnung 820 mittels bekannter Technik. Die in Fig. 6 gezeigte Kathodenanordnung 620 veranschaulicht eine Reihe von Kathodenstreifen 1.000, welche in Fig. 11 in großer Einzelheit dargestellt ist. Auf den Kathodenstreifen 1.000 wird elektrisch von außerhalb über Verbinder 830 zugegriffen. Die Anodenanordnung 820 und die Kathodenanordnung 810 werden mit Hilfe einer über den Umfang verlaufenden Glasschmelzdichtung 1.010 zusammengebaut. Distanzstücke 910 halten den Anoden-Kathoden-Abstand aufrecht, der für die korrekte Elektronenemission erforderlich ist. Die Distanzstücke 910 können Glasfasern oder Glaskügelchen sein, oder es kann sich um ein fixes Distanzstück handeln, welches mittels bekannter Niederschlagungstechnologie implantiert ist.
Ein Entlüftungsröhrchen 1020 wird in Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Vakuumpumpe dazu verwendet, in dem Raum 920 zwischen der Anodenanordnung 820 und der Kathodenanordnung 810 ein Vakuum aufrechtzuerhalten. Nachdem im Inneren des Bildschirms ein Vakuum von 10&supmin;&sup6; Torr oder darunter erreicht ist, wird das Entlüftungsröhrchen 1020 verschlossen und die (nicht gezeigte) Vakuumpumpe entfernt. Ein Gettermaterial 1030 dient zum Anziehen unerwünschter Elemente, die aus den verschiedenen Materialien, aus denen der Bildschirm aufgebaut ist, ausgasen, nämlich Glas, Distanzmaterial und Kathodenmaterialien innerhalb des Raums 920. Typischer Weise setzt sich ein Gettermaterial zusammen aus einem Material mit starker chemischer Affinität für andere Stoffe. Beispielsweise könnte man Barium als Filament zu einem Filament-Getter formen und in den Raum 920 einbringen, der dann ein abgedichtetes Vakuum darstellt, um Restgase zu beseitigen.
Als nächstes auf Fig. 10 Bezug nehmend, ist dort ein Querschnitt 10-10 der Fig. 8 dargestellt, welcher in größerer Einzelheit die Reihen von Kathodenstreifen 1000 in ihrer rechtwinkeligen Lagebeziehung zu den Anodenstreifen 900 zeigt. Die Kathodenstreifen 1000 sind ausreichend weit beabstandet, um eine Trennung zwischen den Streifen 1000 zu ermöglichen. Die externen Verbinder 840 für die Anodenanordnung 820 sind ebenfalls dargestellt.
Durch Betrachten der rechtwinkeligen Beziehung der Anodenstreifen 900 und der Kathodenstreifen 1000 in den Fig. 2 bis 10 läßt sich ersehen, wie die vorliegende Erfindung eine Matrix-adressierung eines speziellen "Pixel" innerhalb des Bildschirms 192 ermöglicht. Pixel werden von dem erfindungsgemäßen System in der in Fig. 1 gezeigten Weise adressiert. Anodentreiber 180 liefern eine Treiberspannung an einen spezifizierten Anodenstreifen 900, und Kathodentreiber 190 liefern eine Treiberspannung an einen spezifizierten Kathodenstreifen 1000. Die Anodentreiber 180 sind mit dem Anodenstreifen 900 über externe Verbinder 480 gekoppelt. Die Kathodentreiber 190 sind elektrisch mit den Kathodenstreifen 1000 über externe Verbinder 830 verbunden. Auf ein spezielles "Pixel" wird zugegriffen, wenn dessen zugehöriger Kathodenstreifen 1000 und Anodenstreifen 900 beide über ihre zugehörigen Spannungstreiber angesteuert werden. In diesem Fall werden die an den Anodentreiber 180 angelegte Treiberspannung und die an den Kathodentreiber 190 angelegte Treiberspannung mit der Gleichspannung kombiniert, um ein Schwellenpotential zu bilden, welches dazu führt, daß von dem Kathodenstreifen 1000 in Richtung des Anodenstreifens 100 Elektronen emittiert werden, mit der Folge, daß von dem niederenergetischem Leuchtstoff, der auf den Anodenstreifen 100 an der speziellen Stelle aufgebracht ist, an der der rechtwinklig dazu angeordnete Kathodenstreifen 1000 den Anodenstreifen 900 kreuzt, Licht emittiert wird.
Nunmehr auf Fig. 11 Bezug nehmend ist dort eine detallierte Darstellung eines "Pixels" 1100 zu finden. Die Kathodenanordnung 810 besteht aus einem Substrat 1110, typischer Weise aus Glas, einer leitenden Schicht 1150, einer Widerstandsschicht 1160 und den flachen Kathoden 1170. Die leitende Schicht 1150, die Widerstandsschicht 1160 und die flachen Kathoden 1170 bilden einen Kathodenstreifen 1000. Die individuellen flachen Elektroden 1170 sind voneinander beabstandet, was dazu führt, daß ihre Trennung durch die Widerstandsschicht 1160 aufrechterhalten bleibt. Die Anodenanordnung 820 besteht aus einem Substrat 1120, typischer Weise Glas, einer leitenden Schicht 1130, typischer Weise aus ITO und niederenergetischem Leuchtstoff 1140, beispielsweise ZnO.
Das Pixel 1100 wird zum Leuchten gebracht, wenn eine ausreichend hohe Treiberspannung an die leitende Schicht 1150 des Kathodenstreifens 1000 gelegt wird, der zu dem Pixel 1100 gehört, und außerdem eine ausreichend hohe Treiberspannung an die leitende ITO-Schicht 1130 des Anodenstreifens 900 gelegt wird, welcher diesem speziellen Pixel 1100 entspricht. Die beiden Treiberspannungen werden mit der konstanten Versorgungs-Gleichspannung kombiniert, um ein ausreichend hohes Gesamt-Schwellenpotential zwischen den zu dem Pixel 1100 gehörigen Abschnitten des Anodenstreifens 900 und des Kathodenstreifens 1000 zu bilden. Das Gesamt-Schwellenpotential führt zu einer Elektronenemission aus den flachen Elektroden 1170 zu dem niederenergetischen Leuchtstoff 1140, der im Ergebnis Licht emittiert.
Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 11 ersichtlich ist, verwendet jeder Kathodenstreifen 1000 eine Mehrzahl getrennter flacher Kathoden 1170, wodurch das Pixel 1100 auch dann zum Leuchten gebracht wird, wenn eine oder mehrere (aber nicht alle) flache Elektroden 1170 ausfallen, da die übrigen flachen Elektroden 1170 weiterhin funktionstüchtig sind.
Nunmehr auf Fig. 12 Bezug nehmend ist dort die Implementierung eines Graufstufenmodus für den Flachbildschirm 192 dargestellt. Die Kathodenstreifen 1000 sind senkrecht bezüglich der Anodenstreifen 900 angeordnet. Allerdings kann jeder Anodenstreifen 900 zusätzlich in verschiedene kleinere Streifen 1200, 1210, 1220, 1230, 1240 gleicher oder verschiedener Breite unterteilt sein. Jede Untergruppe ist von der benachbarten Untergruppe über eine ausreichend große Lücke zur Aufrechterhaltung dieser Trennung beabstandet. Die individuelleln abgeteilten Streifen 1200, 1210, 1220, 1230 und 1240 sind von den Anodentreibern 180 unabhängig adressierbar. Das Ergebnis besteht darin, daß ein Pixel 1100 in einem Graustufenmodus zum Leuchten gebracht werden kann. Wenn z. B. die Untergruppen 1200 und 1230 eine Treiberspannung von ihren zugehörigen Anodentreibern 180 empfangen und die Untergruppen 1210, 1220 und 1240 keine Treiberspannung empfangen, so werden lediglich die niederenergetischen Leuchtstoffe von dem entsprechenden Kathodenstreifen 1000 aktiviert, die zu den Untergruppen 1200 und 1230 gehören, was zur Folge hat, daß das Pixel 1100 weniger als die maximale Leuchtstärke aufweist.
Wie man sehen kann, lassen sich die Untergruppen 1200, 1210, 1220, 1230 und 1240 in verschiedenen Kombinationen aktivieren, um verschiedene Beleuchtungsintensitäten für das Pixel 1100 zu erreichen. Die individuellen unterteilten Streifen haben verschiedene Größe, die zueinander über die Potenz von 2 in Beziehung stehen. Wenn z. B. 5 Streifen mit den Größen 1, 2, 4, 8 und 16 vorhanden sind und die Aktivierung individueller Streifen ein entsprechendes Pixel proportional aktiviert, so kann das Aktivieren des Pixels in diskreten Intensitätsschritten oder -Stufen von 0 bis 32 erfolgen, wodurch eine Grauabstufung entsteht. Wenn beispielsweise eine Pixelintensität von 19 erwünscht ist, so müssen die Streifen mit den Größen 16, 2 und 1 aktiviert werden.
Aus dem oben gesagten ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen Flachbildschirm schafft, der aufweist: 1) eine Kathodenanordnung mit einer Mehrzahl von Kathoden, die jeweils eine Schicht aus einem leitenden Kathodenmaterial und eine Schicht aus einem schwach wirksamen Arbeitsfunktionsmaterial aus amorphem Diamant, niedergeschlagen auf dem leitenden Kathodenmaterial, enthalten, und 2) eine Anodenanordnung mit mehreren Anoden, von denen jede Anode eine Schicht aus leitenden Anodenmaterial und eine Schicht aus Kathodolumineszenzmaterial, das über das leitende Anodenmaterial niedergeschlagen ist, aufweist, wobei die Anodenanordnung in der Nähe der Kathodenanordnung liegt, um so Emissionen geladener Partikel von der Kathodenanordnung zu empfangen, worauf ansprechend das Kathodolumineszenzmaterial Licht emittiert.

Claims

1. Dioden-Flachbildschirm (192), umfassend:

a) eine Kathodenanordnung (200, 210-280, 810) mit einer Mehrzahl von Kathoden (210-280),

aa) wobei jede Kathode (200-280) eine Schicht (420) aus leitendem Kathodenmaterial enthält; und

ab) eine Schicht (460) aus einem schwach wirksamen Arbeitsfunktionsmaterial über der leitenden Kathodenschicht angeordnet ist; und

b) eine Anodenanordnung (820) mit einer Mehrzahl von Anoden (290, 292),

ba) wobei jede Anorde (290, 292) eine Schicht aus leitendem Anodenmaterial und eine Schicht aus Kathodolumineszenzmaterial, die über das leitende Anodenmaterial niedergeschlagen ist, enthält,

bb) die Anodenanordnung (820) gegenüber der Kathodenanordnung (200, 210-280) gelegen ist, um dadurch geladene Partikelemissionen von der Kathodenanordnung (200, 210-280, 810) zu empfangen, und

bc) das Kathodolumineszenzmaterial ansprechend auf die geladenen Partikelemissionen Licht emittiert;

dadurch gekennzeichnet, daß

das schwach wirksame Arbeitsfunktionsmaterial amorpher Diamant ist.

2. Bildschirm (192) nach Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Kathoden (210- 280) eine relativ flache Emissionsoberfläche aufweisen, welche das schwach wirksame Arbeitsfunktionsmaterial aufweist, das so angeordnet ist, daß mehrere Mikrokristallite gebildet sind.

3. Bildschirm (192) nach Anspruch 2, bei dem die Emissionsstellen Dotierstoffatome enthalten.

4. Bildschirm (192) nach Anspruch 3, bei dem das Dotierstoffatom Kohlenstoff ist.

5. Bildschirm (192) nach Anspruch 2, bei dem die Emissionsstellen eine gegenüber den umgebenden, Nicht-Emissions-Stellen verschiedene Bindungsstruktur aufweisen.

6. Bildschirm (192) nach Anspruch 2, bei dem die Emissionsstellen eine unterschiedliche Bindungsordnung gegenüber den umgebenden Nicht-Emisssions- Stellen aufweisen.

7. Bildschirm (192) nach Anspruch 2, bei dem die Emissionsorts Defekte in der kristallinen Struktur enthalten.

8. Bildschirm (192) nach Anspruch 7, bei dem die Defekte Punktdefekte sind.

9. Bildschirm (192) nach Anspruch 7, bei dem die Defekte Liniendefekte sind.

10. Bildschirm (192) nach Anspruch 7, bei dem die Defekte Versetzungen sind.

11. Bildschirm (192) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Einrichtung zum Adressieren und elektrischen Anregen auswählbarer von den entsprechenden Anoden (290, 292) und Kathoden (210-280) durch Ändern eines elektrischen Potentials sowohl der entsprechenden Kathoden (210-280) als auch der Anode (290, 292).

12. Bildschirm (192) nach Anspruch 11, bei dem die Kathoden (210-280) in Kathoden-Untergruppen aufgeteilt sind.

13. Bildschirm (192) nach Anspruch 11, bei dem die Anoden (290, 292) in Anoden-Untergruppen unterteilt sind.

14. Bildschirm (192) nach Anspruch 12, bei dem jede Kathoden-Untergruppe unabhängig adressierbar ist.

15. Bildschirm (192) nach Anspruch 13, bei dem jede Anoden-Untergruppe unabhängig adressierbar ist.

16. Bildschirm (192) nach Anspruch 11, bei dem die mehreren Anoden (290, 292) Leuchtstoffstreifen aufweisen.

17. Bildschirm (192) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Schicht (420) aus leitendem Kathodenmaterial eine elektrische Widerstandsschicht ist, die auf ein Substrat (200) niedergeschlagen ist.