DE69504860T2

DE69504860T2 - Feldemissions-flüssigkristallanzeige

Info

Publication number: DE69504860T2
Application number: DE69504860T
Authority: DE
Inventors: Akintunde I. Walthm Ma 02154 Akinwande; Kalluri R. Mesa Az 85202 Sarma
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1999-03-18
Anticipated expiration: 2015-10-21
Also published as: EP0789856A1; DE69504860D1; US5646702A; EP0789856B1; WO1996013753A1; JP3933686B2; JPH10508120A; CA2199282A1

Description

Hinterrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Displays und insbesondere auf Flugzeugdisplays. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Flachbildschirm- Flüssigkristallanzeige mit hoher Auflösung und Helligkeit und geringem Leistungsverbrauch.
Kein verfügbares elektronisches Display erfüllt die zuvor erwähnten Charakteristiken, die für ein modernes Flugzeugdisplay benötigt werden. Die Kathodenstrahlröhre (CRT) besitzt eine hohe Leuchtwirksamkeit, überlegene Kontrastverhältnisse und ausgezeichnete Betrachtungswinkel. Zwei Nachteile der CRT sind jedoch die Masse der Elektronenkanone und der große Leistungsverbrauch durch die Ablenkungsverstärker. Es sind sehr viel Anstrengungen über die Jahre unternommen worden, um eine flache CRT zu entwickeln. Zwei Lösungen in der Entwicklung beinhalteten zunächst die Faltung der Elektronenkanone parallel zu der Röhrenfläche und zweitens die Erzeugung eines Elektronenstrahles für jedes Pixel mittels einer Flächenkathode und eines Gittersystems. Von diesen Lösungen wurde die erste in dem SONY WATCHMAN verwirklicht, und die zweite wurde in einem Vakuum-Fluoreszenz-Display (VFD) von ISE verwendet. Dies waren die einzigen kommerziellen Erfolge solcher Lösungen.
Andere haben die Verwendung einer Konus-Feldemitteranordnung (CFEA) als Flächenkathode demonstriert. Jedoch benutzen sowohl das VFD als auch die CFEA keine Phosphore mit hoher Leuchtwirksamkeit, aus denen man durch Verwendung einer hohen Spannung im Anodenschaltkreis eine Kathodenlumineszenz erzielen kann. Die CFEA-Einrichtung kann keine Anode mit hoher Spannung verwenden aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen bei der Feldformung an der Emitterspitze und der Emittererosion durch Partikel, die aus den Oberflächen durch Elektronen abgelöst werden.
Das US-Patent US-A-5,347,201 offenbart ein Display, das Impulse einer Hinterbeleuchtung von einer Feldemitteranordnung und Flüssigkristallpixeln mit sehr hoher Geschwindigkeit verwendet, um Farbbilder zu erzeugen. Solch ein Display erfordert jedoch spezialisierte Komponenten, um sicherzustellen, daß die Hinterlichtimpulse geeignet eingemischt werden und zu der rechten Zeit auftreten.
Eine Einrichtung ist erforderlich, die die Vorteile der Kathodenlumineszenz, wie z. B. hohe Helligkeit, hohe Leuchtwirksamkeit und gute Winkel-Betrachtbarkeit beibehält, die aber die Merkmale eines dünnen kompakten Aufbaus, einer wahlweisen Adressierbarkeit und des geringen Leistungsverbrauchs besitzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Display so wie es im Anspruch 1 beansprucht ist. Vorzugsweise besitzt ein Flüssigkristalldisplay eine Dünnfilm-Kanten- Feldemitteranordnung (FEA) als Lampe, die eine zweidimensionale Anordnung von in einer Matrix adressierbaren (wenn sie als Einzellampen für jedes Flüssigkristallpixel arbeiten) Dünnfilm-Kanten-Feldemittern als elektronische Quellen für einen oder mehrere Kathodenlumineszenz-Bildschirme besitzt. Die Vorteile der vorliegenden Lampe gegenüber vorhergehenden Feldemitteranordnungen sind die, daß der Krümmungsradius des Emitters durch die Filmablagerung festgelegt ist, was zu einer besseren Gleichförmigkeit und höheren Stromdichten führt, so daß der Reihenwiderstand für die Strom-Vorspannung leichter zu verwirklichen ist, der Herstellungsprozeß auf einem integrierten Schaltkreis (IC) und auf Mikrobearbeitungsprozessen beruht, was zu geringeren Kosten bei der Herstellung führt und dazu führt, daß das Ausbrennen des Emitters eliminiert wird, indem eine Fokussierelektrode auf dem Chip verwendet wird, welche eine höhere Zuverlässigkeit und Ausbeute ergibt und höhere Resultate bei der Leuchtwirksamkeit aufgrund der Verwendung von Hochspannungsphosphoren.
Andere Vorteile dieser Erfindung sind die hohe Leuchtkraft und der hohe Kontrast aufgrund dessen, daß der Elektronen-Emissionsstrom mit wachsender Spannung exponentiell anwächst, was zu hoher Leuchtkraft, einem großen dynamischen Bereich und einer hohen Leitfähigkeit bei der Verwendung von Dünnfilm-Kantenemittern und Hochspannungsphosphoren führt. Ebenso ergibt sich eine hohe Ausbeute bei der Herstellung, da jedes Flüssigkristallpixel aus einer Feldemitter-Anordnungslampe bestehen kann, die mehr als 100 emittierende Kanten besitzt, was zu einem hohen Maß an Redundanz führt. Lediglich eine Stromdichte von < 5 uA/cm² ist für eine Leuchtkraft von 1000fL erforderlich unter der Annahme einer Schirmspannung von 15 Kilovolt und einer Leuchtwirksamkeit von 20 Lumen/Watt. Den elektrischen Strom ausgleichende Widerstandselemente verhindern einen einzelnen Ausfall durch Herunterziehen der Lampe bzw. der Zeilen/Reihen der Lampen auf ein niedriges Potential, was zu einem ausreichenden fehlertoleranten Herstellungsprozeß für die Flüssigkristallanzeige mit Feldemitter-Anordnungslampe führt.
Die Kantenemitter der Feldlampe leiden nicht an den störenden Effekten der Emittererosion, die durch die Feldbildung und die Partikelablösung induziert wird. Somit kann die Einrichtung Hochspannungs-Phosphore ohne irgendwelche Zuverlässigkeitsprobleme verwenden. Dies erlaubt die Verwendung von wirksameren Phosphoren und demzufolge einen Betrieb bei geringer Leistung für die gleiche Helligkeit und gestattet eine hohe Auflösung bei Nahfokussierung der emittierten Elektronen. Hochspannungs-Phosphore besitzen eine große Lebensdauer, da sie einen geringeren Strom erfordern und Leuchtphosphore mit hoher Wirksamkeit führen zu einem geringen Spannungsverbrauch.
Die Feldkanten-Emitteranordnung ist eine Lampe, die als eine Hinterbeleuchtung für ein Flüssigkristalldisplay arbeitet anstelle der gewöhnlichen Fluoreszenzlampe in einem monochromen Flüssigkristalldisplay oder in einem Farb-Flüssigkristalldisplay mit Farbfiltern. Eine solche Anwendung der Feldemitteranordnung kann in dem Aktivmatrix- Flüssigkristalldisplay ebenso wie in dem passiven Display erfolgen, das die Dünnfilmtransistoren für die Pixelumschaltung nicht besitzt.
Die Feldemitter-Anordnungslampe besitzt die Fähigkeit der Vorgabe einer Hinterbeleuchtung für ein Flugzeugdisplay, das eine Helligkeit von 5.000 Fuß-Lambert erfordert, um eine Displayleuchtkraft von 150 bis 250 Fuß-Lambert abzugeben. Die gegenwärtig übliche Hinterbeleuchtungstechnologie besteht aus der rohrförmigen Fluoreszenzlampe, welche optische Elemente wie beispielsweise einen Reflektor, Kollimator und einen Diffusor benötigt, um eine gute Gleichmäßigkeit zu erzielen, aber zu einer umfangreichen Hinterbeleuchtung führt, die eine geringe Leuchteffizienz von weniger als 10 Lumen pro Watt besitzt. Eine teuere flache Fluoreszenzlampe mit hoher Helligkeit und mit einer Hohlkathode kann das Erfordernis nach einigen der optischen Elemente eliminieren und besitzt eine Leuchtwirksamkeit von 16 Lumen pro Watt und eine Leuchtkraft von 3.000 Fuß-Lambert. Die Fluoreszenzlampe mit hoher Helligkeit besitzt eine typische Lebensdauer von nur 1.000 Stunden aufgrund der beträchtlichen Kathodenerosion. Die Fluoreszenz-Hinterbeleuchtung erfordert typischerweise eine thermoelektrische Einrichtung und eine Temperatursteuerung, um die Kaltpunkt- Temperatur auf ungefähr 43ºC zu regulieren und eine nicht-tolerierbare ineffiziente Entladung zu vermeiden. Bei einer Fluorenzenzlampe in der Luft- und Raumfahrt erfordern die Flüssigkristalldisplays eine thermoelektrische Einrichtung und eine Temperatursteuerung, um die Kaltpunkt-Temperatur zu regeln und einen Heizer und eine Steuerung für die Freigabe der Inbetriebnahme bei niedriger Temperatur der Fluoreszenzlampe. Ferner ist ein Balastschaltkreis für das Dimmen erforderlich, und ein Diffusor wird benötigt, um eine gleichförmige Beleuchtung zu erzielen, was zu einer geringeren Helligkeit und einer geringeren Leuchtwirksamkeit dieser Lampe führt.
Die Feldemitter-Rückbeleuchtungsanordnung bzw. Lampe erfordert nicht die optischen Elemente einschließlich des Diffusors und der Kühl- und Heizeinrichtungen, die die Fluoreszenz-Rückbeleuchtung benötigt. Die Feldemitteranordnung besitzt einen einfachen Dimmer-Steuerschaltkreis aufgrund der hohen Leitfähigkeit der Feldemitter. Eine längere Lebensdauer und eine höhere Zuverlässigkeit wird mit der Feldemitteranordnung im Vergleich gegenüber der Fluoreszenzlampe erzielt. Die Feldemitterlampe und die Fluoreszenzlampe besitzen eine entsprechende Helligkeit von 5.000 Fuß-Lambert und 3.000 Fuß-Lambert nach dem Diffusor, die an ein Flüssigkristall-Display geliefert wird und 12,5 und 18 Watt Leistungsverbrauch sowie Leuchtwirksamkeiten von 25 und 9 Lumen pro Watt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt ein Flüssigkristalldisplay mit einer Feldemitter- Hinterbeleuchtungsanordnung.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Elektronik zur Fortschaltung der Feldemitter-Hinterbeleuchtungsanordnung für ein Flüssigkristalldisplay mit drei Farben zeigt.
Fig. 3 veranschaulicht ein individuelles Pixel-Feldemitter- Beleuchtungsschema.
Fig. 4 zeigt ein Feldemitter-Pixelbeleuchtungsmuster für drei Farben.
Fig. 5a ist eine Darstellung eines Einzelpixel-Feldemitterlichtes mit drei Farben.
Fig. 5b zeigt die Fortschaltung einer Feldemitter-Streifenkonfiguration für drei Farben.
Fig. 5c zeigt eine additive Feldemitter-Streifenkonfiguration für drei Farben.
Fig. 6 zeigt ein Schema eines Pixels mit vier Subpixeln, die bei der Herstellung eines Mehrdomänen-Halbton-Grauskalendisplays verwendet werden.
Fig. 7a ist eine aufgebrochene Ansicht des Pixels mit Subpixeln, die Steuerkondensatoren verschiedener Größe besitzen.
Fig. 7b ist ein äquivalenter elektrischer Schaltkreis des Pixels in Fig. 7a.
Fig. 8 zeigt einen grundlegenden Kammzahn-Kantenfeldemitter.
Fig. 9a und 9b veranschaulichen Emitterkanten.
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Emitters.
Fig. 11 und 12 zeigen Ansichten einer anderen Emitterart.
Fig. 13 ist eine seitlich aufgeschnittene Ansicht eines Emitters.
Fig. 14 ist eine Querschnittsansicht von Fig. 6.
Fig. 15a-c zeigen drei Kammstrukturen eines Emitters.
Fig. 16 zeigt eine Feldauslegung von Emittern.
Fig. 17 ist ein Querschnitt eines Dünnfilm-Kantenemitters.
Fig. 18 zeigt den Ort des Feldemitters in einem Flüssigkristalldisplay.
Fig. 19 ist ein Teil der Struktur der Feldemitteranordnung, die als eine Einzellampe für ein Flüssigkristallpixel verwendet wird.
Fig. 20 ist eine perspektivische Ansicht einer Feldemitter-Mikrostruktur.
Fig. 21 ist ein Flußdiagramm für die Herstellung einer Feldemitteranordnung.
Fig. 22 veranschaulicht eine geschichtete Emitterstruktur.
Fig. 23 zeigt eine Doppel-Steuerelektroden-Emitterstruktur.
Fig. 24 zeigt eine Einzel-Steuerelektrode-Emitterstruktur.
Fig. 25 zeigt einen planaren Dünnfilm-Kanten-Feldemitter mit individuellem Phosphorschirm niedriger Spannung auf dem gleichen Substrat wie der Feldemitter.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Kanten-Feldemitteranordnung ist eine Lampe, die als eine Hinterbeleuchtung 130 für ein Flüssigkristalldisplay 134 in Fig. 1 arbeitet anstelle der gewöhnlichen Fluoreszenzlampe in einem monochromen Flüssigkristalldisplay oder in einem Farb- Flüssigkristalldisplay mit Farbfiltern. Eine solche Anwendung der Feldemitteranordnung kann in dem Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplay ebenso wie in dem passiven Display erfolgen, das keine Pixelumschaltung der Dünnfilmtransistoren besitzt.
Verschiedene Feldemitteranordnungen können als Hinterbeleuchtungen verwendet werden, um ein Farb-Flüssigkristalldisplay ohne Farbfilter zu bewirken. Beispielsweise werden in Fig. 2 drei Feldemitteranordnungen als Hinterbeleuchtungen 141, 142 und 143, die rotes, grünes und blaues Licht entsprechend emittieren, synchron durch die Fortschalteelektronik 136 fortgeschaltet, welche Signale von der Pixel-Adressierelektronik 138 empfängt, wobei die Umschaltung der Pixel 135 zum Empfang von Bildern durch das Flüssigkristalldisplay 134 zu einem vollständigen Farbdisplay führt. Ein Sortiment anwendbarer Fortschalte- und Adressierschemen ist im Stand der Technik verfügbar. Die Pixel-Adressierelektronik 138 liefert Spalten-Adreßsignale und Zeilen-Adreßsignale, um das Schalten von Pixeln 135 zu bewirken und Bilder aus der Bilddatenquelle 140 darzustellen. Die rote Hinterbeleuchtung 141 ist eingeschaltet, wenn die Bildschablone für rot dargestellt wird, die grüne Hinterbeleuchtung 142 ist eingeschaltet, wenn die Bildschablone für grün dargestellt wird, und die blaue Hinterbeleuchtung 143 ist eingeschaltet, wenn die Bildschablone für blau dargestellt wird. Die Bildschablonen verändern sich bei jedem Drittel eines Rahmens. Die Rahmenfrequenz beträgt 60 Hz. Somit liegt jede Schablone während 1/180 Sekunden vor, und jede entsprechende Hinterbeleuchtung ist für diese Zeit eingeschaltet. Eine Sequenz der roten, grünen und blauen Schablonen führt zu einem vollständigen Farbbild.
Fig. 5b ist eine Sequenz-Streifenkonfiguration, die ähnlich zu der von Fig. 2 ist. Die Form der Hinterbeleuchtungen 141, 142 und 143 ist jedoch unterschiedlich insofern als in Fig. 5b diese in der Form von Streifen vorliegen, die wie die Hinterbeleuchtungen in Fig. 2 fortgeschaltet werden. Die Feldemitter der Streifen 141, 142 und 143 emittieren entsprechend rotes, grünes und blaues Licht und immer nur eine Farbe zu jeder Zeit gemäß der Folge von Schablonen, wie dies für das System von Fig. 2 beschrieben wurde. Die Streifen können sich auf einem Substrat parallel und benachbart zu dem Flüssigkristallschirm 134 befinden. Die Streifen können in der gleichen Richtung wie die Spalten oder Zeilen der Pixel 135 des Schirmes 134 entsprechend der Entwurfsauswahl ausgerichtet sein. Die Breite der Streifen muß nicht die gleiche Größe wie die der Spalten oder Zeilen besitzen, wann immer die Streifen dazu ausgerichtet sind. Die Breite der Streifen kann bis zu zweimal so breit wie die Breite der Spalten oder Zeilen sein. Das Licht des Streifens der Feldemitteranordnung, der eingeschaltet ist, wird als überlaufend angenommen, so daß der gesamte Schirm 134 mit einer Farbe für die Dauer der entsprechenden Schablone aufleuchtet. Eine Diffusorschicht 145 ist zwischen den Streifen der Feldemitteranordnung und dem Schirm 134 eingefügt, um das Licht zu den anderen Spalten oder Zeilen für eine gleichförmige Beleuchtung des ganzen Schirmes 134 zu zerstreuen oder aufzuspreizen, wenn das Licht eines Farbstreifens emittiert wird.
Eine additive Streifenkonfiguration einer Feldemitteranordnung für das Flüssigkristalldisplay 134 ist in Fig. 5c gezeigt. Streifen 141, 142 und 143 können entweder mit den Spalten oder Zeilen der Pixel 135 des Schirmes 134 ausgerichtet sein. Die Streifen der Feldemitteranordnung können auf einem Substrat liegen, das parallel und benachbart zu dem Schirm 134 ist. Die Streifen 141, 142 und 143 müssen die gleiche Breite wie die Spalten oder Zeilen der Pixel 135 besitzen, da kein Überlaufen bzw. Übersprechen toleriert werden kann, wie bei der Sequenz-Streifenkonfiguration. Eine lichtkollimierende Schicht 146 ist zwischen dem Streifensubstrat der Feldemitteranordnung und dem Schirm 134 eingefügt, um Licht des entsprechenden Streifens zu kollimieren, so daß das emittierte Licht nur zu dieser Spalte oder Zeile des Pixels 135 verläuft, zu welchem der Streifen ausgerichtet ist. Alle Streifen 141, 142 und 143 sind mit der Spannungsquelle 148 verbunden und emittieren Licht während der gesamten Zeit, in der der Flüssigkristall-Displayschirm 134 eingeschaltet ist. Drei Pixel 135 der drei Farben sind additiv, um jeden Farbpunkt in dem Farbdisplay zu erzeugen. Die Pixel 135 steuern den Lichtdurchgang durch den Schirm 134.
Ferner ist die Kanten-Feldemitteranordnung ein integraler Teil der Einzelbeleuchtung des Pixels 135 für das Farb-Flüssigkristalldisplay 134. Anstelle von Farbfiltern besitzt jedes Pixel 135 wenigstens eine Feldemitteranordnung oder Hinterbeleuchtung (rot) 141, (grün) 142 oder (blau) 143 in der Nähe des Pixels, wie in Fig. 3 gezeigt. Jedes Pixel 135 besitzt nahe einer Seite eines vorgegebenen Pixels eine Feldemitteranordnung einer unterschiedlichen Farbe gegenüber der Feldemitteranordnung des vorgegebenen Pixels. Bespielsweise ist in Fig. 4 ein mittleres Pixel mit einer roten Feldemitteranordnung benachbart zu zwei Pixeln, die blaue Feldemitteranordnungen besitzen, und zu zwei Pixeln, die grüne Feldemitteranordnungen besitzen. Für eine gegebene Farbe werden drei Pixel mit rot, grün und blau mit entsprechend proportionalen Beträgen eingeschaltet, um die genaue Mischung der Farben des Lichts aus den Feldemitteranordnungen für die vorgegebene Farbe vorzugeben. Alternativ können die Pixellampen 135 der Reihe nach gemäß der Farbe fortgeschaltet werden, wie die Drei-Farben- Hinterbeleuchtungskonfiguration von Fig. 2. Eine andere Lösung besteht darin, Feldemitter mit rotem, grünem und blauem Licht innerhalb des Bereiches eines jeden Pixels zu haben. Jede der Feldemitteranordnungen kann ebenfalls synchron mit dem entsprechenden Pixel gesteuert und geschaltet werden für addierte Effekte der Lichthelligkeit und der Bildsteuerung.
Die Feldemitteranordnungen können zusammen einschalten, um eine bestimmte Farbe für ein vorgegebenes Pixel vorzugeben, statt drei Pixel einzuschalten, um den gewünschten Farbpunkt auf dem Display vorzugeben, obgleich, wie zuvor erwähnt, nur eine Feldemitteranordnung pro Pixel vorliegen kann, da die Feldemitter in bezug auf das zugeordnete Pixel so hergestellt werden können, daß das Licht der Feldemitteranordnung die benachbarten Pixel überspült.
Eine andere Konfiguration ist die, wo mehr als eine Feldemitteranordnung innerhalb eines jeden Pixelbereiches vorgesehen ist, wie in Fig. 5a gezeigt. Beispielsweise können dort wenigstens drei Feldemitteranordnungen pro Pixel in der Lage sein, Licht von drei unterschiedlichen Farben wie beispielsweise rot, blau und grün oder irgendeine andere Kombination einer Mehrzahl von Farben, ausschließend rot, blau und/oder grün, vorzugeben. Für jedes Pixel können sodann die Feldemitteranordnungen zusammen mit dem entsprechenden Pixel geschaltet werden, um die gewünschte oder benötigte Pixelfarbe vorzugeben, wie dies durch die Zeilen- und Spalten-Adreßleitungen zu dem Pixel und den Feldemitteranordnungen vorgeschrieben wird.
Das Aufleuchten der Pixelfarbe der Feldemitteranordnung ist anwendbar bei monochromen (d. h. ohne Farbfilter) Graupegel-Flüssigkristalldisplays. Die Feldemitteranordnungen können getrennt auf einem Substrat hergestellt werden und in Nachbarschaft zu einem Flüssigkristalldisplay gebracht werden, um ein Flüssigkristalldisplay mit Farbbeleuchtung einer Feldemitteranordnung zu erzielen.
Andererseits können die Feldemitteranordnungen und das Flüssigkristalldisplay integral als eine Einheit unter Verwendung wohlbekannter, integrierter Schaltkreistechniken hergestellt werden.
Die Flüssigkristall-Displayeinrichtungen, bei denen die Technologie der vorliegenden Feldemitter-Lampenanordnung anwendbar ist, sind Aktivmatrix-Displays sowie Passivmatrix-Displays. Die Displays vom aktiven Matrixtyp besitzen einen Dünnfilmtransistor zum Ein- bzw. Ausschalten eines jeden Pixels aus Gründen der verbesserten Leistung. Jedes Pixel kann jedoch ohne einen Transistor direkt geschaltet werden, wie in dem Flüssigkristalldisplay mit passiver Matrix.
Die Fig. 6, 7a und 7b veranschaulichen ein Beispiel eines Pixels 135 für ein Mehrdomänen-Halbton-Display. Anfänglich wird die Dünnfilmtransistor (TFT)- Anordnung mit Halbton-Subpixeln und mit Steuerkondensatoren auf einem ersten Glassubstrat 186 hergestellt, das ungefähr 43 mil dick ist. Die Steuerkondensatoren C&sub1;, C&sub2;, C&sub3; und C&sub4; für die Subpixel 162, 163, 164 und 165 werden entsprechend hergestellt durch Veränderung des Überlappungsbereiches einer ersten Indium/Zinnoxyd (ITO)-Elektrode 161 (die mit der Drainelektrode 160 des TFT verbunden ist) mit einer zweiten ITO- Elektrode 167, die Subpixel 162, 163, 164 und 165 definiert. Die ersten und zweiten ITO- Schichten 161 und 167 besitzen eine Dicke von ungefähr 1000 Angström und sind getrennt durch das Dielektrikum 192 des Steuerkondensators mit einer wahlweisen Durchführung 166 (in Fig. 6 gezeigt) zur Verbindung der ITO-Schicht 161 mit einem Teil der ITO-Schicht 167 des ersten Subpixels 162. Dieser Durchführungskontakt 166 gestattet die Anlegung der vollen Datenspannung von dem TFT an das erste Subpixel 162, statt sich auf die Kapazität C&sub1; zwischen der ITO-Schicht 161 und dem Teil der ITO-Schicht 167 des Subpixels 162 für die Einschaltung des Subpixels 162 zu verlassen. Die Durchführung 166 schließt den Steuerkondensator C&sub1; kurz. Die dielektrische Schicht 192 besitzt eine Dicke von ungefähr 5.000 Angström und besteht aus Siliziumdioxyd.
Die Kapazität CLC des äquivalenten Schaltkreises 196 in Fig. 7b ist die Kapazität zwischen der zweiten ITO-Schicht 167, die als individuelle Subpixelelektrode auf dem ersten Substrat 186 arbeitet und der zweiten ITO-Schicht 194, die als die gemeinsame Elektrode auf dem zweiten Glassubstrat 188 mit dem Flüssigkristallmaterial 190 als Dielektrikum in Fig. 7a arbeitet. Die zweite Glaselektrode 188 besitzt eine Dicke von ungefähr 43 mil, und die gemeinsame Elektrodenschicht 194 besitzt eine Dicke von ungefähr 1000 Angström. In dem Fall, wo eine Feldemitteranordnung für eine weiße Hinterbeleuchtung verwendet wird, befindet sich zwischen dem zweiten Glassubstrat 188 und der Elektrode 194 eine Farbfilteranordnung 169, wenn die Struktur 184 für ein Farbdisplay dient. Hier besitzt die Farbfilteranordnung 169 eine Dicke von ungefähr 2 bis 3 um und ist aus Polyimid zusammengesetzt, das roten, grünen und blauen Farbstoff enthält. Das unmittelbar kontaktierende Flüssigkristallmaterial 190 sind die ersten und zweiten Polyimid-Ausrichtungsschichten 195 und 197, die jeweils eine Dicke von ungefähr 500 bis 1000 Angström besitzen. Die erste Polyimid-Ausrichtungsschicht 195 ist auf der ITO-Schicht 167 gebildet, und die zweite Polyimid-Ausrichtungsschicht 197 ist auf der gemeinsamen ITO-Elektrodenschicht 194 gebildet. Zwischen den Ausrichtungsschichten 195 und 197 sind neben dem Flüssigkristallmaterial 190 Abstandshalter 218 angeordnet, welche Säulen, Zylinder oder Kugeln sein können, die den Abstand zwischen den Schichten 195 und 197 einstellen und einen Raum für das Flüssigkristallmaterial 190 vorgeben. Die erste ITO-Schicht 161 zusammen mit dem TFT 230 ist auf einer Seite des ersten Glassubstrates 186 gebildet. Auf der anderen Seite des ersten Glassubstrates 186 ist ein erster Kompensations- oder Verzögerungsfilm bzw. eine Schicht 199 gebildet. Auf der ersten Kompensationsschicht 199 ist ein erster Polarisator 201 gebildet. Auf dem zweiten Glassubstrat 188 ist ein zweiter Kompensations- oder Verzögerungsfilm bzw. eine Schicht 203 gebildet. Auf der Kompensationsschicht 203 ist ein zweiter Polarisator 205 angeordnet. Auf dem zweiten Polarisator 205 ist eine Antireflexions- und/oder eine elektromagnetische Interferenz-Widerstandsschicht 207 gebildet. Die Hinterbeleuchtung 141, 142 und/oder 143 ist in der Nähe des ersten Polarisators 201 angeordnet, um Licht durch das Display 184 über die Schichten 201, 199, 186, 161, 192, 167, 195, 190, 197, 194, 169, 188, 203, 205 und 207 zu einem Betrachter zu schicken.
Konfigurationen von Flüssigkristalldisplays einschließlich jener mit Graupegelfähigkeiten und bestimmte Herstellungstechniken sind in den folgenden aufgelisteten US-Patenten offenbart: (1) Patent-Nr. 4,840,460 von Anthony Bernot et al., ausgegeben am 20. Juni 1989 mit dem Titel "Apparatus and Method for Providing a Gray Scale Capability in a Liquid Crystal Display Unit"; (2) Patent-Nr. 5,126,865 von Kalluri Sarma, ausgegeben am 30. Juni 1992 mit dem Titel "Liquid Crystal Display with Sub-Pixels"; (3) Patent-Nr. 5,162,931 von Scott Holmberg, ausgegeben am 10. November 1992 mit dem Titel "Method of Manufacturing Flat Panel Backplanes including Redundant Gate Lines and Displays Made thereby"; (4) Patent-Nr. 5,191,452 von Kalluri Sarma, ausgegeben am 2. März 1993 mit dem Titel "Active Matrix Liquid Crystal Display Fabrication for Grayscale"; (5) Patent-Nr. 5,204,659 von Kalluri Sarma, ausgegeben am 20. April 1993 mit dem Titel "Apparatus and Method for providing a Gray Scale in Liquid Crystal Flat Panel Displays"; (6) Patent-Nr. 5,258,323 von Kalluri Sarma et al. ausgegeben am 2. November 1993 mit dem Titel "Single Crystal Silicon on Quartz"; (7) Patent-Nr. 5,344,524 von Kalluri Sharma [sic] et al. ausgegeben am 6. September 1994 mit dem Titel "SOI Substrate Fabrication"; und (8) Patent-Nr. 5,281,840 von Kalluri Sarma, ausgegeben am 25. Januar 1994 mit dem Titel "High Mobility Integrated Drivers for Active Matrix Displays"; die hierbei durch Bezugnahme in diese vorliegende Beschreibung aufgenommen werden. Die oben erwähnten Patente in diesem Absatz gehören dem gleichen Anmelder, wie die in der vorliegenden Beschreibung beschriebene Erfindung.
Fig. 8 zeigt einen grundlegenden Kammzahn-Kanten-Feldemitter 20, wie er bei der Feldemitterlampe für Flüssigkristalldisplays verwendbar ist. Der Emitter 20 besitzt eine Zuführungsleitung 1 in elektrischer Verbindung mit einer äußeren Spannungsquelle und im Kontakt mit einer Emitterstruktur 3 über ein Widerstandselement 5 und einem leitenden Element 6 am elektrischen Kontakt 2. Die Zuführungsleitung 1 kontaktiert vorzugsweise physikalisch nur das Widerstandselement 5.
Die Emitterkante 4 der Emitterstruktur 3 ist in mehrere kammähnliche Elemente e&sub1; ... en segmentiert. Die Segmentierung der Emitterkante dient der Isolierung von Ausbrenn- Problemen. Die Lokalisierung der Kantenlänge verhindert das Aufspreizen der Ausbrennung und begrenzt das Problem auf sein ursprüngliches Kammelement.
Ein Widerstandsfilm 5 typischerweise aus Tantalnitrid oder aus Polysilizium, aber nicht hierauf beschränkt, ist durch Dünnfilm-Aufbautechniken in Kontakt mit der Emitterstruktur 3 gebildet, so daß der angelegte Widerstand in Reihe zu der Emitterkante 4 liegt. Der Widerstandsfilm dient der Begrenzung übertriebener Gleichstrom-(D.C.)- Emissionsströme zu der Emitterkante von scharfen Punkten oder ungesteuerten Entladungen aus Streukapazitäten.
Ein leitender Film 6 und ein Isolator 11, der ein Oxyd oder Nitrid sein kann, wird ebenfalls durch Dünnfilmtechniken erhalten und ist über den Widerstandsfilm 5 geschichtet, so daß die Elemente parallel zueinander sind. Zusammen dienen der Widerstandsfilm 5, der Isolator 11 und der leitende Film 6 als ein Kondensator, der einen Hochfrequenz-Bypass für Wechselstrom (A.C:) der Zuführungsleitung 1 vorgibt. Der Kondensator gestattet eine Verstärkung von Hochfrequenz-Mikrowellensignalen so als wenn die strombegrenzende Lastleitung auf einen sehr kleinen Widerstand zurückzuführen wäre, wodurch die Verstärkung des Verstärkers in großem Umfang erhöht wird. Dies ist so, weil der Gleichstrom in seiner Fähigkeit begrenzt wird, den Emitter durch den Widerstand zu beschädigen; und weil der Bypass-Kondensator einen anderen Weg für das Hochfrequenzsignal vorgibt, um den Emitter zu umgehen.
Die Fig. 9a und 9b veranschaulichen zwei Emitterkanten 61 und 62, wobei Pfeile den Elektronenfluß an jeder Kante vorgeben. Der gestufte Kantentyp 62 wird gegenwärtig bevorzugt, da die Ecken der Kante 61 wahrscheinlich eine Konzentration der Elektronenemission hervorrufen und den Beginn eines Ausfalles.
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht des Emitters, wie er in Fig. 8 veranschaulicht ist. Die bei 7 gezeigte Struktur dient als eine Stützschicht. In dieser Ansicht ist ebenfalls die isolierende Substratschicht 12 und die oberen und unteren Steuerelektroden 8 und 9 sichtbar. Eine Steuerelektrode wirkt als ein seitliches Gatter, das den Stromfluß zwischen der Anode 10 und der Elektronen emittierenden Kathode 4 steuert.
Die Fig. 11 und 12 zeigen ebene und perspektivische Ansichten einer zweiten Emitterart. Bei dieser Konfiguration ist die gesamte Emitterstruktur in kammähnliche Elemente 4 segmentiert. Jedes kammähnliche Element e&sub1; ... en besitzt ein individuelles Widerstandselement 5, welches es mit dem Leitungskontakt 2 verbindet.
Die Anordnung der zweiten Konfiguration gestattet einen größeren Gesamtstrom ohne Ausbrennen der einzelnen Kammelemente. Die erste in den Fig. 8 und 10 gezeigte Konfiguration gestattet einen geringeren Betrag des Gesamtstromes gegenüber der zweiten Konfiguration (unter der Annahme, daß beide die gleiche Größe besitzen), besitzt aber eine effektivere kapazitive Kopplung aufgrund der größeren Fläche des Widerstandsfilmes.
Fig. 13 zeigt eine seitlich aufgeschnittene Ansicht, die jede der zwei Konfigurationen des Emitters repräsentieren kann. Wie in Fig. 13 gezeigt, befindet sich das dielektrische Material 11 zwischen dem leitenden Element 6 und dem Widerstandselement 5 ebenso wie das Isoliersubstrat 12, auf welchem der Emitter aufgebaut ist.
Fig. 14 ist eine detaillierte Seitenansicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 13. Oben gibt es eine Stützschicht 15 (vorzugsweise Nitrid, obgleich andere wohlbekannte Stützschichten mit ähnlichen elektrischen Charakteristiken verwendet werden können). Darunter befindet sich eine obere Steuerelektrode 8 (vorzugsweise TiW mit ungefähr 2500 Angström, obgleich andere Metalle oder leitende Materialien verwendet werden können) und eine obere Opferschicht 16 (vorzugsweise SiO&sub2;; mit ungefähr 3000 Angström, obgleich andere Stützmaterialien mit ähnlichen elektrischen Qualitäten als Ersatz dienen können); der Emitter ist von zwei Stützschichten umgeben, d. h. die Stützschichten sind Nitrid 11a und 11b mit einer Dicke von ungefähr 2000 Angström und der Emitter e ist eine Schicht von TiW mit einer Dicke von 300 Angström, obgleich Ersatzmaterialien wie in den ähnlichen obigen Schichten verwendet werden können. Darunter ist eine weitere untere Opferschicht 17 ähnlich in der Aufmachung und in der Dicke wie die obere Opferschicht 16, und darunter befindet sich die untere Elektrode 9 aus TiW mit einer Dicke von ungefähr 1000 Angström. Die gesamte Struktur ist durch eine weitere Stützschicht 11 (von ungefähr 1000 Angström) abgestützt und auf einem SiO&sub2;-Blättchen 12 abgelegt. Ein Ersatz, wie beispielsweise kristallines Silizium, kann verwendet werden.
Die Fig. 15a, 15b und 15c veranschaulichen drei Alternativen für die Kammstruktur 4 kombiniert mit Widerstandselementen 2. Fig. 15d ist eine seitliche Querschnittsansicht des Elementes e der in Fig. 15b gezeigten Konfiguration.
Fig. 16 zeigt ein Stück 40 einer Anordnung, die Emitter 41, 42, 43 und 44 und Widerstandselemente 2a, 2b und 2c verwendet. Steuerelektrodendrähte 50, 52 und 54 (Metallisierung oder andere stromtragende Strukturen) und Leitungen 63 und 65 sind mit Anschlüssen 51 und 53 entsprechend verbunden, um den Emitter 41 einzuschalten. Eine Matrix von Adreßleitungen 50, 52, 54, 63 und 65 kann parallel angeordnet sein und die Adressen-Schaltmatrix für die Flüssigkristallpixel eines Displays bilden.
Fig. 17 ist eine Diagramm, das weitere Einzelheiten eines Dünnfilm-Kantenemitters 70 aufzeigt, der als eine Lampe in einem Flachbildschirm-Flüssigkristalldisplay verwendet wird. Auf einem Substrat 71 befindet sich eine Nitrid-Schicht 72 mit einer Dicke von ungefähr 2500 Angström. Auf der Schicht 72 ist eine Steuerelektrode 73 gebildet, die aus TiW besteht und eine Dicke von ungefähr 1000 Angström besitzt. Auf der Schicht 72 ist eine Schicht 74 aus Oxyd mit einer Dicke von 3500 Angström gebildet. Auf der Oxydschicht 74 befindet sich eine Schicht 75 aus Nitrid mit einer Dicke von 1500 Angström, welche verwendet wird, um eine Emitter-Kantenschicht 76 aus TiW mit einer Dicke von 200 bis 300 Angström abzustützen. Eine Nitrid-Schicht 77 mit 1500 Angström ist auf der Emitter-Kantenschicht 76 gebildet. Die Nitrid-Schichten 75 und 77 bilden eine strukturelle Abstützung für die Emitterschicht 76. Auf der Schicht 77 ist eine Schicht 79 aus Siliziumdioxyd von 3500 Angström gebildet. Die Steuerelektrode 80 aus TiW mit einer Dicke von ungefähr 2500 Angström ist auf einem Teil der Oxydschicht 79 gebildet. Eine Schicht 81 mit 2500 Angström ist auf der Steuerelektrode 80 und der Oxydschicht 79 gebildet.
Die Kanten der Steuerelektroden 73 und 80 und die Nitrid-Schichten 72, 75, 77 und 81 sind ungefähr auf die emittierende Kante der Emitter-Kantenschicht 76 ausgerichtet. Eine Durchführung ist in die Schichten 77, 79 und 81 geätzt, um eine Emittersteuerung über Widerstandsmetall zu bilden, welches effektiv ein Widerstand ist, der in Reihe zu der Emitterkante 76 geschaltet ist. Das Metall 78 besteht aus TaN. Oxydschichten 74 und 79 sind ungefähr 0,5 um von der emittierenden Kante der Emitter-Kantenschicht 76 zurück geätzt. Ebenso auf dem Substrat 71 ist die Nitrid-Schicht 82 mit ungefähr 2.500 Angström gebildet, die von der Emitterkante 70 entfernt ist. Auf der Schicht 82 ist die Anode 83 gebildet, die aus TiW mit einer Dicke von ungefähr 0,5 um besteht. Das Metall der Teile 73, 76, 80 und 83 kann ein anderes als TiW sein, muß aber eine ähnliche Arbeitsfunktion besitzen, um elektrochemische Reaktionen zu verhindern, die zwischen solchen Teilen auftreten würden, die aus unterschiedlichen Metallen zusammengesetzt sind. Die Anode 83 arbeitet als eine Fokussierelektrode für die von der Emitterkante 76 emittierten Elektronen. Die Anode 83 ist in einem Abstand von ungefähr 1,5 bis 4 um von der Kante 76 einstellbar, um eine optimale Fokussierung zu bewirken.
Die Emitter 70 können als ein Kammzahn-Emitter gebildet werden, der mehrere Zähne besitzt, wie die in den Fig. 10 und 12 entsprechend gezeigten Anordnungen 20 und 21.
Die Anzahl der Zähne des Emitters ist nicht kritisch, aber eine bevorzugte Anzahl für eine Lampe kann vier sein, wie bei dem Feldemitter 84 in Fig. 18. Jeder Emitterzahn besitzt eine Breite 85 von ungefähr 4 um. Der Emitter 84 besitzt eine Abmessung 87 von ungefähr 30 um und bildet einen Emitter, aus dem die Lampe 88 zusammengesetzt ist, die eine Abmessung 89 von 100 bis 300 um auf jeder Seite aufweist. Eine zweidimensionale Anordnung von Pixellampen 88 bildet ein in einer Matrix adressierbares Lampenfeld 90, welches parallel zu einer Pixelanordnung eines Flüssigkristalldisplays liegt, das eine Abmessung 91 besitzt, die durch die Auflösung und die Pixelgröße festgelegt ist. Die Anzahl der Emitter 84 in einem Feld 88 und der Felder 88 in einer Matrix 90 sind eine Angelegenheit des Entwurfs des Flüssigkristalldisplays.
Fig. 19 zeigt einen Teil der Struktur der Anordnung 100 mit Feldemittern 84, die auf dem Substrat 71 angeordnet sind. Ein Spaltenadreß-Leiterstreifen 92 und ein Zeilenadreß- Leiterstreifen 93 wählen die spezielle Emitteranordnung 88 aus, die einzuschalten ist, um Elektronen zu emittieren, die durch einen außerhalb der Ebene liegenden Schirm 97 verlaufen. Der Streifen 92 ist mit der Steuerelektrode des Feldemitters 84 verbunden, und der Streifen 93 ist mit dem Widerstand/Emitter des Feldemitters 84 verbunden. Der Schirm 94 ist aus einer Glasplatte bzw. einem Substrat 95 zusammengesetzt. Eine Phosphorschicht 96 ist auf der Glasplatte bzw. dem Substrat 95 gebildet, und eine dünne Aluminium(Al)- Schicht 97, die transparent für Elektronenstrahlen 98 ist, aber für elektrische Signale leitend ist, ist auf der Phosphorschicht 96 gebildet. Die Schicht 97 ist mit einem positiven Anschluß einer Spannungsquelle verbunden, die mit dem anderen negativen Anschluß mit den entsprechenden Emittern 84 verbunden ist. Elektronenemissionen 98 treffen auf die Phosphorschicht 96 auf, wenn sie durch die Anode 97 verlaufen. Wenn die emittierten Elektronen 98 auf die Phosphorschicht 96 auftreffen, so emittiert die Schicht 96 Photonen in dem Bereich, wo die Elektronen 98 auftreffen, was zu einer sichtbaren Anzeige von Licht für einen Beobachter führt. Die oben erwähnte Schirmkonfiguration wird primär für Hochspannungs-Phosphore verwendet. In einer alternativen Konfiguration, die primär für Niedrigspannung-Phosphore verwendet wird, kann die Schicht 96 ein Indium/Zinnoxyd(ITO)-Film sein, der für elektrische Signale leitfähig ist, aber für Licht transparent ist und der auf der Glasplatte bzw. dem Substrat 95 gebildet wird; die Schicht 97 kann aus Phosphor sein, die auf der Schicht 96 gebildet ist und die mit einem positiven Anschluß einer Spannungsquelle verbunden ist, welche mit dem anderen negativen Anschluß an die entsprechenden Emitter 84 angeschlossen ist. Der Film bzw. die Schicht 96 ist die Anode zum Sammeln der Elektronenemissionen 98 der Emitter 84. Die Elektronenemissionen 98 treffen auf der Phosphorschicht 97 auf, wenn sie zu der Anode 96 verlaufen. Da die Elektronen 98 auf der Phosphorschicht 97 auftreffen, emittiert die Schicht 97 Photonen in dem Bereich, in dem die Elektronen 98 auftreffen, was zu einer sichtbaren Anzeige von Licht für einen Beobachter führt. Der Schirm 94 ist parallel zu dem Substrat 71 durch dielektrische Abstandshalter 99 in einer Entfernung zwischen 200 und 10.000 um zwischen Schirm 94 und Substrat 71 abgestützt.
In Fig. 20 ist eine Konfiguration einer mikroelektronischen Vakuum-Feldemitter- Mikrostruktur 101 gezeigt, die in Anordnungen für die Hochfrequenz(RF)-Verstärkung verwendet werden kann. Ein Dünnfilm-Kantenemitter 102 ist zwischen Steuerelektroden 103 und 104 eingebettet. Elektronen werden seitlich von dem Emitter 102 emittiert und an der Anode 105 wenige um von dem Emitter 102 entfernt gesammelt. Die Struktur 101 wird hergestellt durch einen Prozeß, welcher integrierte Schaltkreis(IC)-Mustertechniken in Silizium mit Oberflächen-Mikrobearbeitung kombiniert, wie dies durch einen vereinfachten Prozeß in Fig. 21 angegeben ist.
Die Feldemitterstruktur 84 der Anordnung 100 in Fig. 19 ist ähnlich zu der Struktur 101 in Fig. 20. Die Anode 105 der Struktur 101 ist jedoch eine Fokussierelektrode. Die Emitterkante 102 der Struktur 101 ist in Kammelemente 106 aufgespalten und jedes Emitter-Kammelement bzw. jeder Finger 106 ist individuell mit einer Widerstandsschicht bzw. einem Element 107 für den Stromausgleich verbunden. Das Widerstandselement 107 verhindert die Elektromigration und das Ausbrennen der emittierenden Kante 102 durch Begrenzung des Gleichstromes in jedem Finger 106. Die Dünnfilm-Kanten-Emitterstruktur 102 mit Kammwiderständen 107 für die Finger 106 gestattet die individuelle Vorspannung für jeden Emitter, wodurch Kurzschlüsse durch Herunterziehen der Leitungsspannung vermieden werden. Der seitliche Reihenwiderstand 107 ist nicht empfindlich bei geringen Veränderungen des Herstellungsprozesses. Der Dünnfilm-Kantenemitter 102 besitzt eine geringe Eigenkapazität. Der Reihenwiderstand 107 der Finger kann bei den geeigneten Frequenzen durch einen Bypass-Kondensator 108 umgangen werden, was schnelle Ansprechzeiten des Emitters 101 gestattet.
Die Finger 106 der Emitterkante 102 müssen dünn sein (d. h. < 200 Angström), um die starken elektrischen Felder bei einer Emission mit niedriger Spannung zu erzielen. Die ideale Emitterstruktur ist ein seitlich abgeschrägter Emitter mit einer sehr dünnen emittierenden Kante, welche sehr schwierig in der Form eines Dünnfilm-Kantenemitters zu erzielen ist. Fig. 22 zeigt eine geschichtete Emitter-Kompromißstruktur 109, die die Vorteile der Dünnfilm-Kantenschärfe mit der Fähigkeit der Stromführung eines Dickfilmes kombiniert. Die Betriebsspannung der Steuerelektrode wird vernünftig gering gehalten durch Verwendung eines Emitters mit geringer Arbeitsfunktion, der aus LaB6, CeB6, C5 mit implantiertem W1 oder Cs mit implantiertem TiW zusammengesetzt ist.
Verschiedene Feldemitterstrukturen basierend auf dem Dünnfilm-Kantenemitter sind für Lampen geeignet. Eine ist eine Doppel-Steuerelektroden-Struktur 110 in Fig. 23, die einem Vakuumtransistor ähnelt, der für die Hochfrequenzverstärkung verwendet wird. Der Emitter 112 ist symmetrisch zwischen einer oberen Steuerelektrode 113 oberhalb des Emitters 112 und einer unteren Steuerelektrode 114 angeordnet, die auf dem Substrat 118 unterhalb des Emitters 112 liegt. Die Elektroden 113 und 114 sind die Intensität der Elektronenemission 116 steuernde Gatter. Die Elektroden 113 und 114 sind jeweils 0,5 um von dem Emitter 112 beabstandet. Die Anode eines Vakuumtransistors wird als eine Fokussierelektrode 115 verwendet, die auf dem Substrat 118 angeordnet ist und zwischen -20 Und -50 Volt typischerweise mit -35 Volt in bezug auf den Emitter 112 vorgespannt wird. Die Elektrode 115 befindet sich ungefähr 4 um von dem Emitter 112 entfernt. Der Emitter 112 ist auf 0 Volt eingestellt, und die Steuerelektroden 113 und 114 sind auf ungefähr +100 Volt eingestellt. Die negative Vorspannung an der Elektrode 115 dreht die Elektronen 116 aus einer seitlichen Richtung in eine vertikale Richtung gegen den Schirm 117. Der Schirm 117 besitzt eine Glasplatte 119 mit einer darauf gebildeten ITO-Schicht 120. Die ITO-Schicht 120 ist als eine Anode bzw. ein Kollektor für die Elektroden 116 angeschlossen. Auf der ITO-Schicht 120 ist eine Schicht aus Phosphor 121 gebildet. Die Phosphorschicht 121 befindet sich ungefähr in einem Abstand von 2.500 um von dem parallelen Substrat 118. Der Kollektor 120 ist auf eine positive Spannung von 20.000 Volt vorgespannt (d. h. bei einem Feld von 8 Volt pro um). Die Elektronenenergie der Emission 116 liegt bei ungefähr 0,1 Elektronenvolt (eV), und der Emissionswinkel beträgt ±45º.
Eine andere Feldemitter-Lampenstruktur ist die Konfiguration 122 mit Einzel- Steuerelektrode gemäß Fig. 24. Die Konfiguration 122 besitzt die gleichen Elemente, physikalischen Abmessungen, Spannungsanforderungen und Betriebscharakteristiken, wie die Konfiguration 110 von Fig. 23. Die einzige Unterscheidung liegt darin, daß in der Konfiguration 122 keine untere Elektrode bzw. Steuerelektrode 114 vorliegt. Die Position und die Höhe der Fokussierelektrode 115 besitzt einen Einfluß auf die Sammlung der Elektronen 116. Die beste Position für die Elektrode 115 befindet sich unterhalb des Emitters 112 bei der Konfiguration 110 und befindet sich auf dem gleichen Pegel wie die obere Steuerelektrode 113 für die Konfiguration 122. Die Elektronen scheinen bei der Konfiguration 122 besser kollimiert zu werden. Beide Konfigurationen 110 und 122 sind wenig zugänglich für eine Erosion des Emitters 112 durch energetische Partikel, die durch Elektronenbombardement 116 des Phosphorschirms 121 abgelöst werden.
Die Phosphorschicht 121 wirkt als Anode und kann auf dem Glas abgelagert werden. Dieser kann eine dünne Schicht 120 aus A1 folgen, die eine leitende Schicht ist und ebenfalls als ein Reflektor wirkt. Im Betrieb wandern die emittierten Elektronen zu der Anode 121 und verursachen eine Leuchtemission, wenn sie auf dem Phosphorschirm 121 auftreffen. Hochspannungs-Phosphore sind viel besser als Niedrigspannungs-Phosphore, da die Helligkeit proportional zu der Beschleunigungsspannung und der Stromdichte ist und die Phosphor-Lebensdauer ist umgekehrt proportional zu der abgelagerten Ladungsdichte. Die folgende Tabelle vergleicht die Charakteristiken von Niedrigspannung- und Hochspannung-Kathodenlumineszenz-Phosphoren.
Helligkeit Beschleunigungsspannung
Helligkeit Stromdichte
Lebensdauer 1/abgelagerte Ladung
In Fig. 19 ist der Phosphorschirm Teil der individuellen Kanten-Emitteranordnung 84. Die Anordnung 100 kann eine von verschiedenen Farben emittieren, was von der Art des Phosphors 97 abhängt, die der Schirm 94 aufweist. Die obige Tabelle gibt Beispiele von Materialien, die verwendet werden, um Phosphore zu erzielen, die rotes, grünes und blaues Licht emittieren. Das Pixel 88 einer Anordnung von Feldemittern 84 zusammen mit einem Phosphorschirm 94, wie dem in Fig. 19, kann ausgelegt werden, um rotes, grünes oder blaues Licht zu emittieren und auch Licht mit einer anderen Farbe mit dem geeigneten Phosphor. Somit können rote, grüne und blaue Pixel in einer in einer Matrix adressierbaren Pixelanordnung 90 angeordnet werden, um ein vollständiges, durch Feldemitter beleuchtetes Farb-Flüssigkristalldisplay zu erhalten. Die Pixelauslegung kann beispielsweise so sein, daß jedes Pixel eine vorgegebene Farbe durch Pixel der anderen Farben begrenzt wird. Beispiele von Farb-Pixelformaten für Matrixanordnungen von drei und vier Farben werden wiedergegeben im verwandten Stand der Technik wie beispielsweise in dem US-Patent mit der Nummer 4,800,375 von Louis Silverstein et al. das am 24. Januar 1989 ausgegeben wurde mit dem Titel "Four Color Repetitive Sequence Matrix Array for Flat Panel Displays", das hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Für Betrachtungen der Lebensdauer sind Hochspannungs-Phosphore besser als Niedrigspannungs-Phosphore. Ein Thema, das adressiert werden muß, ist der Zusammenbruch von dielektrischen Abstandshaltern aufgrund der hohen Anodenspannungen. Ein dielektrischer Zusammenbruch sollte jedoch kein Thema sein, da bei 20.000 Volt das elektrische Feld der dielektrischen Abstandshalter 99 (in Fig. 19) unterhalb 10&sup5;V/cm liegt.
Eine dritte Feldemitter-Lampenstruktur ist eine Phosphorschirmkonfiguration 124 auf einem Chip gemäß Fig. 25. Die Konfiguration 124 ist eine Ableitung aus der Konfiguration 110. Ein Graben 125 mit einer Tiefe zwischen 1,0 bis 2,5 um wird in das Substrat 118 im Bereich der früheren Fokussierelektrode 115 geätzt (mit Mikrobearbeitung). Eine Anode 123 wird in dem Graben 125 abgelegt. Nach der Ablagerung der Anode 123 wird eine Phosphorschicht 127 durch Elektronenstrahlverdampfung und Abheben definiert. Elektronen 126 verlaufen von dem Emitter 112 zu dem Phosphorschirm 127 und der Anode 123, um Photonen für die Betrachtung zu emittieren. Die seitliche Anode 123 liegt zwischen 2 bis 10 um von der nächstliegenden Kante des Emitters 112. Die Spannung der Anode 123 entspricht 500 Volt oder mehr und ist positiv bezogen auf den Emitter 112, der sich auf einer Spannung von 0 Volt befindet. Die obere Steuerelektrode 113 und die untere Steuerelektrode 114 befinden sich auf 100 Volt, und sie sind ähnlich in bezug auf den Emitter 112 wie in der Konfiguration 110 von Fig. 23 angeordnet.

Claims

1. Flachschirmanzeige, aufweisend:

mehrere Flüssigkristallpixel (135), die in einer ersten Ebene angeordnet sind; und

mehrere Feldemitteranordnungen (141, 142 und 143), die in einer zweiten Ebene angeordnet sind, wobei die zweite Ebene ungefähr parallel und benachbart zu der ersten Ebene ist;

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Feldemitteranordnung der mehreren Feldemitteranordnungen an jedem Flüssigkristallpixel der mehreren Flüssigkristallpixel so angeordnet ist, daß die wenigstens eine Feldemitteranordnung als ein im wesentlichen kontinuierliches Rücklicht für jedes Flüssigkristallpixel arbeitet.

2. Anzeige nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

eine erste Vielzahl von Adreßleitungen (Zeilenadresse), die an die Vielzahl von Flüssigkristallpixeln angeschlossen sind; und

eine zweite Vielzahl von Adreßleitungen (Spaltenadresse), die an die Vielzahl der Feldemitteranordnungen angeschlossen sind; und wobei:

die wenigstens eine Feldemitteranordnung, die als ein im wesentlichen kontinuierliches Rücklicht für jedes Flüssigkristallpixel arbeitet, in der Lage ist. Licht einer Farbe aus einer Gruppe, die aus wenigstens drei unterschiedlichen Farben besteht, gemäß einem Signal von einer Adreßleitung der zweiten Vielzahl von Adreßleitungen zu emittieren;

jedes Flüssigkristallpixel in der Lage ist, einen Farbfleck von einer benachbarten Feldemitteranordnung hindurchzulassen, um eine besondere Intensität einem Beobachter gemäß einem Signal von einer Adreßleitung der ersten Vielzahl von Adreßleitungen vorzugeben; und

die Vielzahl von Flüssigkristallpixeln in der Lage sind, eine vollständige Farbanzeige in der ersten Ebene vorzugeben.

3. Anzeige nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Vielzahl der Flüssigkristallpixel und die Vielzahl der Feldemitteranordnungen so angeordnet sind, daß jedes Pixel, welches Seiten besitzt und in der Lage ist, eine bestimmte Farbe vorzugeben, entlang der Seiten durch Pixel begrenzt ist, die in der Lage sind, eine gegenüber der bestimmten Farbe unterschiedliche Farbe vorzugeben; und

daß jedes Pixel der Vielzahl von Flüssigkristallpixeln ein Graupegelpixel ist, das in der Lage ist, die Farbe mit einer veränderlichen Intensität vorzugeben.

4. Anzeige nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Feldemitter der Vielzahl von Feldemitteranordnungen umfaßt:

eine Kathode zum Emittieren von Elektronen;

eine Anode für den Empfang von Elektronen;

einen Phosphorschirm, der an der Anode so angeordnet ist, daß von der Kathode emittierte Elektronen auf dem Phosphorschirm auftreffen und dieser Photonen einer bestimmten Farbe emittiert, die durch die Art des Phosphors auf dem Phosphorschirm festgelegt ist; und

eine Steuerelektrode für die Steuerung einer Intensität der von der Kathode emittierten Elektronen.

5. Anzeige nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Flüssigkristallpixel der Vielzahl von Flüssigkristallpixeln eine Vielzahl von Subpixeln (z. B. 162, 163, 164 und 165) umfaßt, welche einen veränderlichen Graupegel-Ausgang gemäß einem Signal vorgeben, das an das Flüssigkristallpixel angelegt wird, durch welches kein Subpixel bis alle Subpixel entsprechend einer Größenanzeige des Signales aktiviert werden.

6. Anzeige nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldemitteranordnung wenigstens einen Feldemitter umfaßt.

7. Anzeige nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Feldemitter ein Dünnfilmkanten-Feldemitter ist.

8. Anzeige nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmkanten-Feldemitter umfaßt:

eine Kathode zum Emittieren von Elektronen;

ein Widerstandselement, das an die Kathode angeschlossen ist, um den elektrischen Strom zu der Kathode zu begrenzen;

eine Anode zum Anziehen der durch die Kathode emittierten Elektronen; und

einen Phosphorschirm benachbart zu der Anode, auf welchen durch die Anode angezogene Elektronen auftreffen, um Licht, hervorgerufen durch das Auftreffen der Elektronen zu emittieren.

9. Anzeige nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode eine kammförmige Struktur besitzt.

10. Anzeige nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbe des durch den Phosphorschirm emittierten Lichtes durch die Art des Phosphors auf dem Phosphorschirm festgelegt ist.

11. Anzeige nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmkanten-Feldemitter eine Steuerelektrode für die Steuerung der Intensität und/oder Richtung der durch die Kathode emittierten Elektronen umfaßt.

12. Anzeige nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmkanten-Feldemitter eine Fokussierelektrode zum Fokussieren der durch die Kathode emittierten Elektronen auf der Anode aufweist.

13. Anzeige nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmkanten-Feldemitter eine zweite Steuerelektrode für die weitere Steuerung der Intensität und/oder Richtung der durch eine Kathode emittierten Elektronen aufweist.

14. Anzeige nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilmkanten-Feldemitter ein kapazitives Element umfaßt, das parallel zu dem Widerstandselement geschaltet ist, um elektrische Stromsignale mit veränderlicher Amplitude zu einer Kathode zu führen.