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Diese Erfindung wurde mit der Förderung
der Regierung unter der Vertragsnummer DABT63-93-C0025 durchgeführt, die
von der Advanced Research Projects Agency (ARPA) zur Verfügung gestellt
wurde. Die Regierung hält
bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
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Technisches Feld
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Die Erfindung betrifft im allgemeinen
Feldemissionsanzeigen und insbesondere eine leitende, lichtabsorbierende
Praseodym-Manganoxidschicht, die auf der Oberfläche einer Basisplatte in einer
Feldemissionsanzeige aufgebracht ist, um Oberflächenladung abzuziehen und Streuelektronen
zu absorbieren.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei vielen Geräten, beispielsweise Computern
und Fernsehern, ist die Verwendung einer Anzeige notwendig. Typischerweise
wurden Kathodenstrahlröhren
(CRT) verwendet, um diese Aufgabe zu erfüllen. Die CRT besteht aus einer
abtastenden Elektronenkanone, die auf einen leuchtstoffbeschichteten
Schirm gerichtet ist. Die Elektronenkanone emittiert einen Elektronenstrahl,
der auf einzelne Leuchtstoffbildelemente oder auf Bildpunkte (pixel) auf
dem Schirm auftrifft. Wenn die Elektronen die Bildpunkte treffen,
erhöhen
sie dadurch das Energieniveau des Leuchtstoffs. Mit dem Abfallen
des Energieniveaus von diesem angeregten Zustand emittieren die
Bildpunkte Photonen. Diese Photonen passieren den Schirm und werden
von einem Betrachter als Lichtpunkt gesehen. Die CRT hat jedoch
eine Reihe von Nachteilen. Um die gesamte Breite des Schirms abzutasten,
muß zwischen
dem CRT-Schirm und der Elektronenkanone ein Abstand vorgesehen sein.
Dadurch wird die ganze Einheit groß und unhandlich. Zudem verbraucht
die CRT im Betrieb viel Energie.
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Modernere Geräte, wie Laptop-Computer, benötigen einen
tragbaren leichten Bildschirm., Zur Zeit verwenden solche Bildschirme
Elektrolumineszenz- oder Flüssigkristall-(LCD)-Technik. Eine vielversprechende
Technik zum Ersetzen solcher Bildschirme ist die Feldemissionsanzeigetechnik.
Die Feldemissionsanzeige (field emission display, FED) verwendet
als Elektronenquelle statt der abtastenden Elektronenkanone in der
CRT eine Basisplatte mit kalten Kathoden-Emitterspitzen. Wenn diese
Emitterspitzen einem elektrischen Feld ausge setzt werden, emittieren
diese einen Elektronenstrahl in Richtung einer Frontplatte, an der
Leuchtstoffbildpunkte haften. Statt einer einzelnen Kanone, die
Elektronen auf die Bildpunkte feuert, weist die FED eine Anordnung von
Emitterspitzen auf. Jede Emitterspitze ist einzeln ansteuerbar und
eine oder mehrere Emitterspitzen sind einem einzelnen Leuchtstoffbildpunkt
auf der Frontplatte zugeordnet.
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Eines der Probleme bei einer FED
besteht darin, daß nicht
alle Photonen, die von den Bildpunkten freigesetzt werden, die Frontplatte
passieren, um von dem Betrachter als Bildpunkt gesehen zu werden.
Vielmehr fliegt nahezu die Hälfte
der Photonen allgemein in Richtung auf die Basisplatte, und die Photonen
können
innerhalb der FED auf die Emitterspitzen und/oder auf Schaltkreise
treffen. Dadurch kann ein unerwünschter
photoelektrischer Effekt ausgelöst
werden, wobei jegliches von der Basisplatte reflektierte Licht den
Kontrast der FED verringert. Ein weiteres Problem ist, daß nicht
alle von den Emitterspitzen freigesetzten Elektronen tatsächlich deren Zielbildpunkt
anregen. Stattdessen werden einige dieser Elektronen intern reflektiert
und können
einen Bildpunkt anregen, der nicht Zielbildpunkt ist.
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Daher besteht auf dem Gebiet der
Feldemissionsanzeigen ein Bedarf nach einer Feldemissionsanzeige,
welch den photoelektrischen Effekt und die Probleme mit den intern
reflektierten Elektronen minimieren kann. Die vorliegende Erfindung
erfüllt
diesen Bedarf und bietet weitere damit verbundene Vorteile.
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Abriß der Erfindung
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Kurz gesagt, betrifft die Erfindung
eine leitende, lichtabsorbierende Praseodym-Manganoxidschicht, die auf der Innenfläche einer
FED-Basisplatte aufgetragen ist. Die Praseodym-Manganoxidschicht
verringert den photoelektrischen Effekt und die Beeinträchtigungen,
die mit den von der Frontplatte reflektierten Elektronen verbunden
sind und verbessert das Anzeigebild sowie den Kontrast durch Absorption
jeglichen Umgebungslichtes, das die Basisplatte erreicht, und/oder
durch Absorption jeglicher Photonen, die in Richtung der Basisplatte
emittiert werden.
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In einer Ausführung ist eine leitende und lichtabsorbierende
Basisplatte einer Feldemissionsanzeige vorgesehen. Zumindest ein
Abschnitt der Innenfläche
der Basisplatte (d. h. die Oberfläche, die der Frontplatte gegenüberliegt)
ist mit einer Praseodym-Manganoxidschicht
beschichtet, die einen spezifischen Widerstand aufweist, der 1 × 105 Ωcm,
vorzugsweise 1 × 104 Ωcm,
besonders bevorzugt 1 × 103 Ωcm,
nicht übersteigt.
Die Praseodym-Mangangoxidschicht ist auf der Basisplatte mit einer
Dicke zwischen 100 nm und 1500 nm (1000 Å bis 15000 Å) aufgetragen
und hat bei einer Wellenlänge
von 500 nm einen Lichtabsorptionskoeffizienten von zumindest 1 × 105 cm–1.
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Eine Ausführung betrifft eine FED, welche die
leitende und lichtabsorbierende Basisplatte dieser Erfindung enthält. Solche
Anzeigen sind insbesondere zur Verwendung in Produkten geeignet,
die bei starkem Umgebungslicht verwendet werden, einschließlich (aber
nicht darauf beschränkt)
der Verwendung als Bildschirm eines Laptop-Computers.
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Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung
einer leitenden und licht-absorbierenden Basisplatte offenbart.
Das Verfahren umfaßt
die Beschichtung der Innenfläche
der Basisplatte mit einer Schicht aus Praseodym-Manganoxid mit einem
spezifischen Widerstand, der 1 × 105 Ωcm
nicht übersteigt.
Geeignete Beschichtungstechniken umfassen (sind jedoch nicht beschränkt auf)
das Aufbringen durch Hochfrequenzbedampfen (RF-Sputtering).
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Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung
eines leitenden und lichtabsobierenden Praseodym-Manganoxidmaterials
offenbart. Dieses Verfahren umfaßt das Erhitzen einer Mischung
aus einer Praseodymverbindung und einer Manganverbindung bei einer
Temperatur im Bereich zwischen 1200°C und 1500°C für eine Zeitdauer, die ausreicht,
um das Praseodym-Manganoxidmaterial
zu erzeugen. Die Praseodymverbindung ist Pr6O11 und die Manganverbindung ist aus MnO2 und Mn(CO3)2 ausgewählt.
Ferner ist in dem Praseodym-Manganoxidmaterial
das Verhältnis
von Praseodym zu Mangan derart, daß das Material (nach dem Auftragen
einer Schicht des Materials auf eine Basisplatte) einen spezifischen Widerstand
aufweist, der 1 × 105 Ωcm
nicht überschreitet.
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Diese und andere Aspekte der Erfindung werden
unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen aus der folgenden detaillierten Beschreibung evident.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Feldemissionsanzeigeschirms nach
dem Stand der Technik und zeigt sowohl die emittierten als auch
rückemittierten
Photonen sowie intern reflektierte Elektronen.
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen repräsentativen Feldemissionsanzeige.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Wie oben erwähnt, betrifft die vorliegende
Erfindung eine leitende lichtabsorbierenden Praseodym-Manganoxidschicht
zur Verwendung innerhalb einer FED. Diese Schicht dient dazu, Oberflächenladungen
abzuziehen, welche mit Streuelektronen innerhalb der FED assoziiert
sind, und muß einen
spezifischen Widerstand aufweisen, der nicht größer als 1 × 105 Ωcm, vorzugsweise
nicht größer als
1 × 104 Ωcm
und besonders bevorzugt nicht größer als
1 × 103 Ωcm
ist. Ferner dient die Praseodym-Manganoxidschicht auch der Absorption
von rückemittierten Photonen
(d. h. Photonen, die von der Frontplatte in Richtung der Basisplatte
emittiert werden). Wegen der dunklen Farbe der Phaseodym-Manganoxidschicht
absorbiert diese Licht gut (d. h. der Lichtabsorptionskoeffizient
von Praseodym-Manganoxid liegt in der Größenordnung von 1 × 105 cm–1), woraus für die FED
einige Vorteile resultieren. Einer dieser Vorteile ist, daß der photoelektrische
Effekt in den darunterliegenden Schaltkreisen minimiert ist, der
sich durch die Streuphotonen ergibt, welche auf die Basisplatte
der FED treffen. Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft ist, daß ein bessere
Kontrast zwischen dem emittierten Licht und der von der Kathodenoberfläche verursachten
Hintergrundreflektion von Umgebungslicht erzielt ist.
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Die mit existierenden FED-Schirmen
verbundenen Probleme sind mit Bezug auf den Bildschirm nach dem
Stand der Technik in 1 dargestellt.
Die 1 zeigt eine Querschnittsansicht
eines FED-Bildschirms 2, der aus einer Basisplatte 3 und
einer Frontplatte 4 besteht. Die Frontplatte 4 umfaßt eine Pixelanordnung 6,
die in Kontakt mit der leitenden Schicht 9 steht, welche
wiederum mit einem transparenten Material 5 verbunden ist.
Die Basisplatte 3 umfaßt
eine Emitterspitzenanordnung 10, die aus einem Siliziumsubstrat 12 herausragt.
Eine leitende Schicht 14 verbindet die Emitterspitzen mit
einem Adressierungssystem (nicht gezeigt), welches jede Emitterspitze
mit einer Stromversorgung (nicht gezeigt) selektiv verbindet. Eine
isolierende Schicht 16 umgibt jede Emitterspitze 10.
Die Emitterspitzen sind ferner von einer leitenden Steuerelektrode
(gate) 18 umgeben, welche durch die isolierende Schicht 16 von
der leitenden Schicht 14 und von dem Substrat 12 getrennt
ist. Eine leitende, gitterartige Steuerelektrode 18 ist
mit dem positiven Anschluß einer
Stromversorgung durch ein ähnliches
Adressiersystem (nicht gezeigt) verbunden, welches dem Adressiersystem
der Emitterspitzen ähnelt.
Wenn eine bestimmte Emitterspitze, beispielsweise die Emitterspitze 11 in 1 angesteuert wird, entsteht
ein elektrisches Feld zwischen der entsprechenden leitenden Steuerelektrode
und der Emitterspitze. Dieses elektrische Feld veranlaßt die Emitterspitze 11 dazu,
einen Elektronenstrahl (durch die Pfeile 17 und 19 dargestellt)
in Richtung Bildpunkt 7 abzufeuern, der auf der Frontplatte 4 angeordnet
ist.
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Zum Zwecke der Klarheit zeigt die 1 einen einzelnen Bildpunkt,
der jeder Emitterspitze zugeordnet ist. Jedoch ist klar, daß mehr als
eine Emitterspitze mit einem einzelnen Bildpunkt assoziiert sein
kann. Ferner kann der Abstand zwischen der Frontplatte 4 und
der Basisplatte 3 durch die Verwendung von entsprechenden
Stützelementen
(nicht gezeigt) fixiert werden, und die Frontplatte 4 und
die Basisplatte 3 sind entlang ihren Kanten abgedichtet
und halten ein Hochvakuum (beispielsweise 1,333 × 10–3 Pa
bis 1,333 × 10–6 Pa
(1 × 10–5 torr
bis 1 × 10–8 torr)).
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Wenn ein Elektron (wie durch Pfeil 19 von 1 angedeutet) den Leuchtstoffbildpunkt 7 trifft, wird
der Leuchstoff auf einen angeregten Zustand gehoben und emittiert
das Photon 8, wenn es zurück in den Grundzustand fällt. Das
Photon 8 wird von dem Betrachter als Lichtpunkt gesehen.
Jedoch ist es genau so möglich,
daß das
Photon zurück
in Richtung Basisplatte 3 freigesetzt wird, wie durch Photon 15 dargestellt.
In diesem Fall kann das Photon 15 einen photoelektrischen
Effekt erzeugen, der zu unerwünschten
Elektronen und Löchern
in den Komponenten der Basisplatte 3 führt.
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1 verdeutlicht
ein weiteres Problem bei existierenden FED-Bildschirmen. Statt den
Leuchtstoffbildpunkt anzuregen und dadurch Photonen freizusetzen,
können
Elektronen, die auf einen Zielbildpunkt gerichtet sind, von dem
Bildpunkt reflektiert, gestreut oder absorbiert werden. Einige dieser
reflektierten Elektronen (wie durch Pfeil 13 in 1 dargestellt) und/oder
diejenigen, welche von sekundären Emissionen
erzeugt werden, können
in die Richtung auf die Basisplatte 3 zurücklaufen,
wodurch wiederum unerwünschte
Elektronen entstehen und Löcher in
den Komponenten der Basisplatte 3 Löcher erzeugen.
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Die Erfindung überwindet diese Probleme, indem
eine Basisplatte mit einer Praseodym-Manganoxidschicht auf der Innenseite
der Basisplatte (d. h. der Oberfläche, die der Frontplatte gegenüberliegt) verwendet
wird. Wie in 2 dargestellt,
enthält
ein FED-Bildschirm 20 gemäß der Erfindung eine Frontplatte 4 und
eine Basisplatte 3. Eine Praseodym-Manganoxidschicht 22 ist mit
der leitenden Steuerelektrode (gate) 18 verbunden, die wiederum mit
der isolierenden Schicht 16 auf der leitenden Schicht 14 und
mit dem Substrat 12 verbunden ist. Die Emitterspitzen 10 und
die Frontplatte 4 (welche die Bildpunkte 6, die
leitende Schicht 9 und das transparente Material 5 enthält) sind
gleich den oben unter Bezugnahme auf die 1 beschriebenen.
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Wenn ein Photon (wie durch Pfeil 15 in 2 dargestellt) auf die Praseodym-Manganoxidschicht 22 trifft,
wird es absorbiert, wodurch ein photoelektrische Effekt verhindert
und der Kontrast der FED verbessert wird. Elektronen, die zurück in Richtung
Basisplatte 3 reflektiert werden (wie durch Pfeil 13 in 2 dargestellt) treffen ebenfalls
auf die Praseodym-Manganoxidschicht. Da die Praseodym-Manganoxidschicht 22 leitend
ist, werden eingefangene Elektronen durch die leitende Steuerelektrode 18 entladen,
wenn die leitenden Steuerelektrode 18 eine positive Vorspannung
aufweist. Alternativ könnte
die Praseodym-Manganoxidschicht 22 geerdet
werden, wenn die Praseodym-Manganoxidschicht 22 von der leitenden
Steuerelektrode 18 elektrisch isoliert ist, beispielsweise
durch eine zwischenliegende isolierende Schicht (nicht gezeigt).
In jedem Fall reduziert die Praseodym-Manganoxidschicht die Anzahl derjenigen
Elektronen deutlich, die auf die Komponenten der Basisplatte 3 auftreffen,
wodurch in dieser unerwünschte
Elektronenlöcher
eliminiert werden.
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Dementsprechend ist ein Praseodym-Manganoxidmaterial
offenbart, das zum Aufbringen auf der Innenfläche einer Basisplatte einer
FED dient. Das Praseodym-Manganoxidmaterial kann durch die Formel
Pr : Mn : O3 dargestellt werden, wobei das Molverhältnis von
Praseodym zu Mangan (Pr : Mn) im allgemeinen in einem Bereich zwischen
0,1 : 1 und 1 : 0,1 und vorzugsweise zwischen 0,5 : 1 und 1 : 0,5 liegt.
Es wurde festgestellt, daß mit
diesem Molverhältnis
ein geeigneter spezifischer Widerstand für die sich ergebende Praseodym-Manganoxidschicht
erreicht wird. Ferner wird die Leitfähigkeit erhöht (d. h. der spezifische Widerstand
wird verringert), wenn die Manganmenge im Verhältnis zur Praseodymmenge erhöht wird.
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Das Praseodym-Manganoxidmaterial
kann hergestellt werden, indem Pr6O11 und MnO2 (oder MnCO3) in einem Mahlgefäß zusammengebracht und zu einem
Pulver gemahlen werden, das Partikel enthält, welche einen durchschnittlichen
Durchmesser von ungefähr
2 um aufweisen. Dieses Pulver wird daraufhin auf eine Temperatur
zwischen 1200 und 1500°C
und vorzugsweise zwischen 1250 und 1430°C für ungefähr 4 Stunden erhitzt. Nach
dem Erhitzen hat das resultierende Material eine sehr dunkle Farbe
und ist im wesentlichen mattschwarz. Das erhitzte Material kann
dann ein weiteres Mal zerkleinert und gemahlen werden, um so ein
Pulver zu bekommen, das einen durchschnittlichen Partikeldurchmesser
von ungefähr
2 μm aufweist.
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Wie oben bemerkt, beeinflußt das Verhältnis von
Pr zu Mn die Leitfähigkeit
der resultierenden Praseodym-Manganoxidschicht. Ein solches Verhältnis kann
durch die relativen Mengen der Komponenten Pr6O11 und MnO2 (oder
MnCO3) gesteuert werden. Daher werden diese
Komponenten in Mengen gemischt, die ausreichen, um das oben offenbarte
Pr : Mn-Verhältnis
zu erhalten.
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Das Praseodym-Manganoxidmaterial
kann auf der Innenfläche
der Basisplatte mit einer Dicke im Bereich zwischen 100 und 1500
nm (1000 Å bis 15000 Å) mittels
verschiedener Abscheidetechniken aufgetragen werden. Dem Fachmann
sind solche Abscheidetechniken bekannt und umfassen (sind aber nicht
beschränkt
auf) Hochfrequenzbedampfung (RF-Sputtering), Laserabscheidung, Plasmaabscheidung,
chemische Dampfabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) und
Elektronenstrahlzerstäubung.
Beispielsweise wird im Fall des Hochfrequenzbedampfens das Praseodym-Manganoxidmaterial komprimiert,
um ein ebenes Ziel zu erzeugen, welches da-raufhin auf eine für Hochfrequenzbedampfung
geeignete Trägerplatte
montiert wird. Das Hochfrequenzbedampfen kann dann in einem Hochfrequenzbedampfer
(RF-Sputterer) durchgeführt
werden, der Argon oder Argon- und Sauerstoffgas bei einer Substrattemperatur
von 200 bis 350°C
und bei einem Bedampfungsdruck (sputtering pressure) zwischen ungefähr 0,799
Pa (6 × 10–3 torr)
und ungefähr 3,99
Pa (3 × 10–2 torr)
verwendet wird. Hinsichtlich der chemischen Dampfabscheidung (CVD)
würde für Pr und
Mn ein organometallischer Zwischenstoff verwendet werden, beispielsweise
Pr-Acetat, Pr-Oxalat oder Pr(Thd)3 sowie
Mn-Acetat, Mn-Carbonyl, Mn-Methoxid und Mn-Oxalat.
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Der spezifische Widerstand des Praseodym-Manganoxidmaterials
kann ebenfalls beispielsweise durch Brennen des Materials (nachdem
es als Schicht auf der Innenfläche
der Basisplatte aufgetragen wurde) in einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise
Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid, gesteuert werden. Eine solche
Behandlung dient der Erhöhung
der Leitfähigkeit
(Verringerung des spezifischen Widerstands) auf ein Niveau, das
zur Verwendung bei der Ausführung
dieser Erfindung geeignet ist. Alternativ können zusätzliche Komponenten, beispielsweise
leitende Ionen und/oder Metalle, dem Material hinzugefügt werden,
um die Leitfähigkeit weiter
zu verbessern.
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Die resultierende Praseodym-Manganoxidschicht
auf der Innenseite der Basisplatte schirmt die darunterliegenden
Schaltkreise von Photonen und Streuelektronen ab, wie oben beschrieben.
Da die Praseodym-Manganoxidschicht eine sehr dunkle Farbe aufweist,
wird für
die FED ferner einen hohen Kontrast erreicht. Ferner verfügt eine
FED, bei welcher die Erfindung realisiert ist, bei Bedingungen mit Umfeldbeleuchtung über eine
höhere
Lesbarkeit und ist insbesondere dafür geeignet, als Bildschirm
für Fernseher,
tragbare Computer und als Anzeige für den Gebrauch außer Haus,
beispielsweise im Flugzeugbereich und für Automobile, eingesetzt zu
werden.
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Die folgenden Beispiele dienen der
Illustration und sind nicht einschränkend zu verstehen.
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BEISPIELE
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Beispiel 1
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Herstellung
von Praseodym-Manganoxidmaterial
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Die Stoffe Pr6O11 und MnO2 wurden
von einer kommerziellen Quelle (Cerac, La Puente, Kalifornien) gekauft
und ohne weitere Reinigung verwendet. Beide Komponenten wurden in
ein Mahlgefäß gegeben
(510,72 g Pr6O11 und
86,94 g MnO2), 500 ml Isopropanolalkohol
wurden hinzugefügt
und die resultierende Aufschlämmung
wurde 24 Stunden lang bei 100 Umdrehungen pro Minute gemahlen. Die
Aufschlämmung
wurde in einem Ofen unter einer Stickstoffatmosphäre getrocknet.
Das getrocknete Material wurde bei 1350°C 4 Stunden lang gebrannt und dann
abgekühlt.
Das abgekühlte
Material wurde mittels einer geeigneten Pulverisierungstechnik in
kleine Partikel (durchschnittlicher Durchmesser ungefähr 2 μm) pulverisiert.
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Beispiel 2
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Aufbringen von Praseodym-Manganoxidmaterial
auf die Basisplatte
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Das resultierende pulverisierte Material
von Beispiel 1 kann durch eine Vielzahl von möglichen Techniken auf die Basisplatte
aufgebracht werden. Beispielsweise kann das pulverisierte Material
im Falle des Hochfrequenzbedampfens gesintert werden, um ein ebenes
Bedampfungsziel (sputter target) zu bilden. Das Bedampfen kann in
einem Hochfrequenzbedampfer unter Verwendung von Argon oder Argon-
und Sauerstoffgas bei einer Substrattemperatur von 200°C bis 350°C und bei
einem Druck von ungefähr
0,799 Pa bis 3,99 Pa (6 × 10–3 torr
bis 3 × 10–2 torr)
durchgeführt
werden.
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Beispiel 3
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Herstellung
eines FED-Bildschirms
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Die Basisplatte von Beispiel 2 kann
bei der Herstellung eines FED-Bildschirms mittels bekannter Techniken
verwendet werden. Die resultierende FED hat eine Anzahl von Vorteilen
gegenüber
bestehenden Produkten, einschließlich verringerter photoelektrischer
Effekt; verringerte Beeinträchtigung
durch Elektronen, die von der Frontplatte auf die Basisplattenkomponenten
reflektiert werden und ein verbessertes Anzeigebild sowie verbesserter
Kontrast durch die Absorption jeglichen Umgebungslichtes, das auf
die Basisplatte trifft und/oder durch die Absorption jeglicher Photonen,
die von der Frontplatte in Richtung der Basisplatte emittiert werden.
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Aus dem Vorangegangenen ist ersichtlich, daß verschiedene
Modifikationen durchgeführt
werden können,
ohne sich von dem Grundgedanken und dem Umfang dieser Erfindung
zu entfernen, auch wenn hier zum Zwecke der Illustration spezielle
Ausführungen
dieser Erfindung beschrieben wurden. Dementsprechend ist diese Erfindung
ausschließlich durch
die beigefügten
Ansprüche
beschränkt.