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Die Erfindung betrifft Feldelektronenemissionsmaterialien
und Vorrichtungen, die diese Materialien verwenden.
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Bei der klassischen Feldelektronenemission verringert
ein starkes elektrisches Feld von beispielsweise ≈ 3 × 109 V m–1 an der Oberfläche eines
Materials die Dicke der Oberflächenpotentialbarriere
auf einen Punkt, an dem Elektronen das Material durch quantenmechanische
Tunnelung verlassen können. Die
notwendigen Bedingungen können
durch Verwenden von atomar scharfen Punkten zum Konzentrieren des
makroskopischen elektrischen Felds geschaffen werden. Der Feldelektronenemissionsstrom kann
durch Verwenden einer Oberfläche
mit einer geringen Austrittsarbeit weiter erhöht werden. Die Metriken der
Feldelektronenemission sind durch die wohlbekannte Fowler-Nordheim-Gleichung
beschrieben.
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Es gibt einen erheblichen Stand der
Technik, der sich auf Emitter bezieht, die auf Spitzen basieren, wobei
diese Bezeichnung Elektronenemitter und emittierende Anordnungen
beschreibt, die eine Feldelektronenemission von scharfen Punkten
(Spitzen) benutzen. Das Hauptziel der Fachleute war es, eine Elektrode
mit einer Öffnung
(dem Gatter) weniger als 1 μm
von jeder einzelnen emittierenden Spitze entfernt anzuordnen, damit
die benötigten
starken Felder unter Verwendung von angelegten Potentialen von 100
V oder weniger erzielt werden können;
diese Emitter werden als gattergesteuerte Anordnungen bezeichnet.
Die erste praktische Ausführung
davon wurde durch C. A. Spindt beschrieben, der am Stanford Research
Institute in Kalifornien tätig
war (J. Appl. Phys. 39, 7, Seiten 3504–3505, (1968)). Die Anordnungen
von Spindt verwendeten emittierende Spitzen aus Molybdän, die unter
Verwendung einer selbstmaskierenden Technik durch Vakuumverdampfung
von Metall in zylinderförmige
Vertiefungen in einer SiO2-Schicht auf einem
Si-Substrat hergestellt wurden.
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In den Siebziger Jahren des Zwanzigsten Jahrhunderts
war die Verwendung gerichtet verfestigter eutektischer Legierungen
(DSE) ein alternativer Ansatz zum Herstellen ähnlicher Strukturen. DSE-Legierungen
weisen eine Phase in der Form ausgerichteter Fasern in der Matrix
einer anderen Phase auf. Die Matrix kann hinterätzt werden, wodurch die Fasern
hervortretend zurückbelassen
werden. Nach dem Ätzen
wird durch sequentielle Vakuumverdampfung von isolierenden und leitenden Schichten
eine Gatterstruktur hergestellt. Der Aufbau des verdampften Materials
an den Spitzen wirkt als eine Maske, die einen ringförmigen Spalt
um eine hervortretende Faser herum zurückbeläßt.
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Ein wichtiger Ansatz ist die Schaffung
gattergesteuerter Anordnungen unter Verwendung der Siliziummikrotechnik.
Gegenwärtig
werden Feldelektronenemissionsanzeigen, die diese Technologie benutzen,
hergestellt, wobei zahlreiche Organisationen weltweit daran interessiert
sind.
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Hauptprobleme bei voll auf Spitzen
basierenden emittierenden Systemen sind ihre Anfälligkeit gegenüber Beschädigungen
durch Ionenbeschuß,
die ohmsche Erhitzung bei hohen Strömen und der verheerende Schaden,
der durch einen elektrischen Durchschlag in der Vorrichtung erzeugt
wird. Die Herstellung großflächiger Vorrichtungen
ist sowohl schwierig als auch teuer.
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Um etwa 1985 wurde entdeckt, daß dünne Filme
aus Diamant aus einer Wasserstoff-Methan-Atmosphäre auf erhitzten Substraten
gezüchtet
werden können,
um breitflächige
Feldemitter, d. h., Feldemitter, die keine vorsätzlich gefertigten Spitzen
benötigen,
bereitzustellen.
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1991 wurde durch Wang et al (Electron.
Lett., 27, Seiten 1459–1461
(1991)) berichtet, daß mit
elektrischen Feldern, die so gering wie 3 MV m–1 waren, ein
Feldelektronenemissionsstrom von breitflächigen Diamantfilmen erhalten
werden konnte. Manche Fachleute glauben, daß diese Leistung auf eine Kombination
der negativen Elektronenaffinität
der (111)-Facetten des Diamanten und der hohen Dichte lokalisierter
zufälliger
Graphiteinschlüsse
zurückzuführen ist
(Xu, Latham und Tzeng: Electron. Lett., 29, Seiten 1596–159 (1993)),
obwohl andere Erklärungen
vorgeschlagen werden.
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Überzüge mit einem
hohen Diamantgehalt können
nun durch Laser-Ablations- und Ionenstrahltechniken auf Substraten
mit Raumtemperatur gezüchtet
werden. Alle derartigen Prozesse benutzten jedoch kostspielige Einrichtungen,
und die Leistung der so hergestellten Materialien ist unvorhersehbar.
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S I Diamond in den USA haben eine
Feldelektronenemissionsanzeige (FED) beschrieben, die ein Material
als Elektronenquelle verwendet, welches sie amorphen Diamant nennen.
Die Diamantbeschichtungstechnologie ist von der University of Texas
lizenziert. Das Material wird durch Laser-Ablation von Graphit auf
ein Substrat hergestellt.
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Ab den Sechziger Jahren des Zwanzigsten Jahrhunderts
hat eine andere Gruppe von Fachleuten die Mechanismen untersucht,
die mit dem elektrischen Durchschlag zwischen Elektroden im Vakuum verbunden
sind. Es ist wohlbekannt (Latham und Xu, Vacuum, 42, 18, Seiten
1173 –1181
(1991)), daß mit dem
Erhöhen
der Spannung zwischen Elektroden kein Strom fließt, bis ein kritischer Wert
erreicht wird, zu welchem Zeitpunkt ein geringer rauschender Strom
zu fließen
beginnt. Dieser Strom nimmt mit dem elektrischen Feld sowohl monoton
als auch schrittweise zu, bis ein anderer kritischer Wert erreicht
wird, an welchem Punkt er einen Bogen auslöst.
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Es wird im allgemeinen verstanden,
daß die Beseitigung
der Quellen dieses Vor-Durchschlagsstroms der Schlüssel zur
Verbesserung der Spannungsabwehr ist. Das gegenwärtige Verständnis zeigt, daß die aktiven
Plätze
entweder Metall-Isolator-Vakuum (MIV)-Strukturen, die durch eingebettete dielektrische
Partikel gebildet werden, oder leitende Splitter sind, die auf isolierenden
Stücken
wie etwa dem Oberflächenoxid
des Metalls sitzen. In beiden Fällen
stammt der Strom von einem Heißelektronenprozeß, der die
Elektronen beschleunigt, was zu einer quasithermionischen Emission über die
Oberflächenpotentialbarriere
führt.
Dies ist in der wissenschaftlichen Literatur, z. B. in Latham, High
Voltage Vacuum Insulation, Academic Press (1995), wohlbeschrieben.
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1a der
beiliegenden diagrammatischen Zeichnungen zeigt eine dieser Situationen,
in der ein leitender Splitter die Quelle der Emission ist. Der Splitter 203 sitzt
auf einer isolierenden Schicht 202 über einem Metallsubstrat 201 und
dringt in das Feld ein. Dies stellt ein hochelektrisches Feld über die
isolierende Schicht, die beispielsweise aus dem Oberflächenoxid
gebildet wird. Dieses Spannungseindringen wurde der "Antenneneffekt" genannt. Bei einem kriti-
schen Feld verändert
die isolierende Schicht 202 ihre Natur und erzeugt einen
galvanoplastisch geformten leitenden Kanal 204. Ein vorgeschlagenes Energieniveaudiagramm
für einen
derartigen Kanal ist in 1b der
beiliegenden diagrammatischen Zeichnungen gezeigt. In diesem Modell
können
Elektronen 212 nahe der Fermi-Kante 211 im Metall
einen Tunnel aus dem Metall 210 in den Isolator 216 erzeugen
und im eindringenden Feld treiben, bis sie sich nahe an der Oberfläche befinden.
Das starke Feld 213 im Oberflächenbereich beschleunigt die
Elektronen und erhöht
ihre Temperatur auf ~1000°C.
Es ist nicht genau bekannt, welche Veränderungen im Bereich des Kanals
auftreten, doch muß die
Neutralisierung der "Fallen" 217, die
sich aus Fehlern im Material ergeben, ein Schlüsselmerkmal sein. Die Elektronen
werden dann quasithermionisch über
die Oberflächenpotentialbarriere 215 emittiert.
Die physische Stelle der Quelle dieser Elektronen 205 ist
in 1a gezeigt, und während ein
Anteil davon anfänglich durch
das Partikel abgefangen werden wird, wird sich dieses schließlich bis
zu einem Punkt aufladen, an dem der Nettostromfluß in es "Null" ist.
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Man muß verstehen, daß die emittierenden Plätze, auf
die in dieser Arbeit Bezug genommen wird, unerwünschte Fehler sind, die sporadisch
in geringer Anzahl auftreten, und daß das Hauptziel bei der Vakuumisolationsarbeit
ihre Vermeidung ist. Beispielsweise können als quantitativer Anhaltspunkt nur
wenige derartige emittierende Plätze
pro Quadratzentimeter vorhanden sein und wird nur ein einziger von
103 oder 104 sichtbaren
Oberflächenfehlern eine
solche unerwünschte
und unvorhersehbare Emission bereitstellen.
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Entsprechend wurden die Lehren dieser
Arbeit durch eine Anzahl von Technologien (z. B. Teilchenbeschleuniger) übernommen,
um die Vakuumisolation zu verbessern.
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Latham und Mousa (J. Phys. D: Appl.
Phys. 19, Seiten 699–713
(1986)) beschreiben auf Spitzen basierende zusammengesetzte Metall-Isolator-Emitter,
die den obigen Heißelektronenprozeß verwenden,
und 1988 beschrieben S. Bajic und R. V. Latham (Journal of Physics
D Applied Physics, vol. 21, 200–204
(1988)) eine Zusammensetzung, die eine hohe Dichte der Metall-Isolator-Metall-Isolator-Vakuum
(MIMIV)-Emissionsplätze
erzeugten. Die Zusammensetzung wies leitende Partikel auf, die in
einem Epoxidharz zerstreut waren. Der Überzug wurde durch normale
Schleuderbeschichtungstechniken auf die Oberfläche aufgebracht.
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Viel später, 1995, verbesserten Tuck,
Taylor und Latham (GB 2304989) den obigen MIMIV-Emitter mittels
eines Ersetzens des Epoxidharzes durch einem anorganischen Isolator,
der sowohl die Stabilität
verbesserte als es auch dem Emitter ermöglichte, in abgedichteten Vakuumvorrichtungen
betrieben zu werden.
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Alle der oben beschriebenen Erfindungen stützen sich
auf die Heißelektronenfeldemission
von der Art, die für
Vor-Durchschlagsströme
verantwortlich ist, doch bisher wurde noch kein Verfahren vorgeschlagen,
um Emitter mit einer Vielzahl von leitenden Partikel-MIV-Emittern in einer
gesteuerten Weise herzustellen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung zielen auf die Bereitstellung von kostenwirksamen breitflächigen Feldemittermaterialien
und -vorrichtungen ab. Die Materialien können in Vorrichtungen verwendet
werden, die Feldelektronenemissionsanzeigefelder; Hochleistungsimpulsvorrichtungen
wie etwa Elektronen-MASER und Gyrotrone; Kreuzfeldmikrowellenröhren wie
etwa Kreuzfeldverstärker;
Röhren
für lineare
Strahlen wie etwa Klystrone; Blitzröntgenstrahlröhren; ausgelöste Funkenstrecken
und verwandte Vorrichtungen; breitflächige Röntgenstrahlquellen zur Sterilisation;
Vakuummeter; Ionenbeschleuniger für Raumfahrzeuge; Teilchenbeschleuniger;
Ozonisatoren; und Plasmareaktoren beinhalten.
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Nach einem ersten Gesichtspunkt der
vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Feldelektronenemissionsmaterials
bereitgestellt, das den Schritt des Anordnens einer Vielzahl von elektrisch
leitfähigen
Partikeln auf einem Substrat, das eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist, umfaßt, wobei
jedes der Partikel eine Schicht von elektrisch isolierendem Material
aufweist, das entweder an einer ersten Stelle zwischen der leitfähigen Oberfläche und
dem Partikel oder an einer zweiten Stelle zwischen der Umgebung,
in der das Feldelektronenemissionsmaterial an geordnet ist, und dem Partikel,
jedoch nicht an beiden Stellen angeordnet ist, so daß mindestens
einige der Partikel elektronenemittierende Plätze an der ersten oder zweiten Stelle
bilden, wo das elektrisch isolierende Material angeordnet ist.
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Somit kann in bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ein Emitter so gebildet werden, daß sich ein MIV-Kanal entweder
an der Basis oder an der Oberseite des Partikels befindet. wenn
sich der MIV-Kanal wie in 1a an
der Basis befindet, steigert der Antenneneffekt das elektrische
Feld über den
Kanal nach dem Verhältnis
der Partikelhöhe senkrecht
zur Oberfläche
und der Isolatordicke. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, durch Überdecken eines
in elektrischem Kontakt mit der Oberfläche stehenden Partikels mit
einer isolierenden Schicht einen MIV-Kanal an der Oberseite des
Partikels zu bilden. In diesem Fall beruht die Feldsteigerung auf
der Partikelform. Bei allen vernünftigen
Partikelformen wird man typischerweise auf einen Feldsteigerungsfaktor von
etwa "Zehn" beschränkt sein.
Die Anordnung mit dem unteren Kanal wird gewöhnlich das geringste Einschaltfeld
ergeben. Die Anordnung mit dem Kanal an der Oberseite kann viel
robuster sein und würde
in Impulsleistungsvorrichtungen Anwendung finden, bei denen starke
elektrische Felder und große
elektrostatische Kräfte
die Norm sind und sehr hohe Stromdichten benötigt werden.
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Vorzugsweise ist die Ausdehnung der
Partikel senkrecht zur Oberfläche
des Leiters deutlich größer als
die Dicke der Schicht aus isolierendem Material.
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Vorzugsweise ist die zur Oberfläche im wesentlichen
senkrechte Ausdehnung des Partikels mindestens zehnmal größer als
die Dicke.
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Vorzugsweise ist die zur Oberfläche im wesentlichen
senkrechte Ausdehnung des Partikels mindestens hundertmal größer als
jede Dicke.
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In einem bevorzugten Beispiel kann
die Dicke des isolierenden Materials zwischen 10 nm und 100 nm (100 Å und 1000 Å) und die
Partikelausdehnung zwischen 1 μm
und 10 μm
liegen.
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Es kann eine im wesentlichen einzelne Schicht
aus den leitfähigen
Partikeln bereitgestellt sein, wobei jedes Partikel eine zur Oberfläche im wesentlichen
senkrechte Ausdehnung zwischen 0,1 μm und 400 μm aufweist.
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Das isolierende Material kann ein
anderes Material als Diamant umfassen.
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Vorzugsweise ist das isolierende
Material ein anorganisches Material.
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Vorzugsweise umfaßt das anorganische isolierende
Material Glas, bleihaltiges Glas, Glaskeramik, geschmolzenes Glas
oder ein anderes glasartiges Material, Keramik, Oxidkeramik, eine
oxidierte Oberfläche,
Nitrid, eine nitridierte Oberfläche,
Boridkeramik, Diamant, diamantähnlichen
Kohlenstoff oder tetragonalen amorphen Kohlenstoff.
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Glasartige Materialien können durch
Verarbeiten eines organischen Vorläufermaterials (z. B. Erhitzen
eines Polysiloxans) zum Erhalt eines anorganischen glasartigen Materials
(z. B. Silika) gebildet werden. Andere Beispiele werden in der nachstehenden
Beschreibung gegeben.
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Jedes der elektrisch leitfähigen Partikel
kann im wesentlichen symmetrisch sein.
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Jedes der elektrisch leitfähigen Partikel
kann im wesentlichen von grober würfelförmiger Form sein.
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Jedes der elektrisch leitfähigen Partikel
kann im wesentlichen von einer sphäroiden Form mit einer textuierten
Oberfläche
sein.
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Ein Feldelektronenemissionsmaterial
wie oben kann eine Vielzahl der leitfähigen Partikel umfassen, von
denen jedes eine längste
Ausdehnung aufweist, die vorzugsweise mit ihrer längsten Ausdehnung
im wesentlichen senkrecht zum Substrat ausgerichtet ist.
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Ein Feldelektronenemissionsmaterial
wie oben kann eine Vielzahl von leitfähigen Partikeln aufweisen,
die einen gegenseitigen Abstand von Zentrum zu Zentrum von mindestens
dem 1,8-fachen ihrer kleinsten Ausdehnung aufweisen.
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Vorzugsweise ist jedes der Partikel
oder sind mindestens einige der Partikel aus der Gruppe ausgewählt, die
Metalle, Halbleiter, elektrische Leiter, Graphit, Siliziumcarbid,
Tantalcarbid, Hafniumcarbid, Zirkoniumcarbid, Borcarbid, Titandiborid,
Titancarbid, Titancarbonitrid, die Magneli-Sub-Oxide von Titan, halbleitendes
Silizium, III-V-Verbindungen und II-VI-Verbindungen umfaßt.
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Die meisten Metalle, die meisten
Halbleiter und die meisten elektrischen Leiter sind geeignete Materialien.
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Im Fall von Emittern mit einem unteren
Kanal oder Emittern mit einem Kanal an der Oberseite, wo das Partikel
teilweise im isolierenden Material verhüllt ist, kann jedes Partikel
ein Getterungsmaterial aufweisen.
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Vorzugsweise wird die Oberfläche mit
den Partikeln mittels eines die Partikel und das isolierende Material
enthaltenden Druckfarbstoffs bedeckt, um die isolierende Schicht
zu bilden, wobei die Eigenschaften des Druckfarbstoffs derart sind,
daß die Partikel
Abschnitte aufweisen, die als Ergebnis des Bedeckungsprozesses veranlaßt werden,
unbedeckt vom isolierenden Material aus dem isolierenden Material
herauszuragen.
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Vorzugsweise wird der Druckfarbstoff
mittels eines Druckprozesses auf die elektrisch leitfähige Oberfläche aufgetragen.
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Das/die elektrisch leitfähige(n)
Partikel und/oder das anorganische elektrisch isolierende Material
können
in einem photosensiblen Binder auf das elektrisch leitfähige Substrat
aufgetragen werden, um ein späteres
Mustern zu gestatten.
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Die Isolatorkomponente des Druckfarbstoffs kann
durch den Schritt des Schmelzens, Sinterns oder sonstigen Verbindens
einer Mischung von Partikeln oder mittels einer chemischen Reaktion
in situ gebildet werden, wobei jedoch keine Beschränkung auf
diesen Schritt besteht.
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Das isolierende Material kann dann
Glas, Glaskeramik, Keramik, Oxidkeramik, Oxid, Nitrid, Borid, Diamant,
Polymer oder Harz umfassen.
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Jedes elektrisch leitfähige Partikel
kann eine Faser umfassen; die in eine Länge eingeschnitten ist, die
länger
als deren Durchmesser ist.
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Die Partikel können durch Ablagerung einer leitfähigen Schicht
auf der isolierenden Schicht und ihr nachfolgendes Mustern, entweder
durch selektives Ätzen
oder Maskieren, gebildet werden, um isolierte Inseln zu bilden,
die wie die Partikel wirken.
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Die Partikel können mittels eines Sprayprozesses
auf die leitfähige
Oberfläche
aufgebracht werden.
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Die leitfähigen Partikel können durch
Ablagerung einer Schicht gebildet werden, die nachfolgend in im
wesentlichen elektrisch isolierte Splitter reißt oder zum Reißen veranlaßt wird.
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Die leitfähige Schicht kann ein Metall,
ein leitfähiges
Element oder eine Verbindung, oder ein Schichtkörper sein.
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Ein Verfahren wie oben kann den Schritt
des selektiven Beseitigens von Feldelektronenemissionsmaterial von
spezifischen Flächen
durch Entfernen der Partikel mittels Ätztechniken beinhalten.
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Vorzugsweise ist die Verteilung der
Plätze über dem
Feldelektronenemissionsmaterial zufällig.
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Die Plätze können über dem Feldelektronenemissionsmaterial
mit einer durchschnittlichen Dichte von mindestens 102 cm–2 verteilt
sein.
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Die Plätze können über dem Feldelektronenemissionsmaterial
mit einer durchschnittlichen Dichte von mindestens 103 cm–2,
104 cm–2 oder 105 cm–2 verteilt
sein.
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Vorzugsweise ist die Verteilung der
Plätze über dem
Feldelektronenemissionsmaterial im wesentlichen gleichmäßig.
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Die Verteilung der Plätze über dem
Feldelektronenemissionsmaterial kann eine derartige Gleichmäßigkeit
aufweisen, daß die
Dichte der Plätze
in irgendeiner kreisförmigen
Fläche
vom 1 mm Durchmesser nicht mehr als 20% von der durchschnittlichen
Dichte der Verteilung der Plätze
für das
gesamte Feldelektronenemissionsmaterial abweicht.
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Vorzugsweise ist die Verteilung der
Plätze über dem
Feldelektronenemissionsmaterial bei Verwendung einer kreisförmigen Meßfläche von
1 mm Durchmesser im wesentlichen eine Binominal- oder eine Poissonverteilung.
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Die Verteilung der Plätze über dem
Feldelektronenemissionsmaterial kann eine derartige Gleichmäßigkeit
aufweisen, daß mindestens
eine Wahrscheinlichkeit von 50% dafür besteht, daß mindestens
ein emittierender Platz auf irgendeiner kreisförmigen Fläche von 4 μm Durchmesser gelegen ist.
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Die Verteilung der Plätze über dem
Feldelektronenemissionsmaterial kann eine derartige Gleichmäßigkeit
aufweisen, daß mindestens
eine Wahrscheinlichkeit von 50 dafür besteht, daß mindestens ein
emittierender Platz auf irgendeiner kreisförmigen Fläche von 10 μ m Durchmesser gelegen ist.
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Ein Verfahren wie oben kann den einleitenden
Schritt des Klassifizierens der Partikel durch Durchlaufen einer
partikelenthaltenden Flüssigkeit durch
einen Setztank beinhalten, in dem sich Partikel über einer vorbestimmten Größe derart
setzen, daß der
Flüssigkeitsausfluß aus dem
Tank Partikel enthält,
die kleiner als die vorbestimmte Größe sind und die dann auf das
Substrat aufgebracht werden.
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Die Erfindung erstreckt sich auf
ein Feldelektronenemissionsmaterial, das durch eines der obigen Verfahren
hergestellt ist.
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Nach einem weiteren Gesichtspunkt
der vorliegenden Erfindung wird eine Feldelektronenemissionsvorrichtung
bereitgestellt, die ein wie obiges Feldelektronenemissionsmaterial
und Mittel umfaßt,
um das Material einem elektrischen Feld auszusetzen, um das Material
zu veranlassen, Elektronen zu emittieren.
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Eine Feldelektronenemissionsvorrichtung wie
oben kann ein Substrat mit einer Anordnung von emittierenden Stücken aus
dem Feldelektronenemissionsmaterial und Steuer/Regel-Elektroden
mit ausgerichteten Anordnungen von Öffnungen umfassen, wobei die
Elektroden durch isolierende Schichten über den emittierenden Stücken gehalten
werden.
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Die Öffnungen können in der Form von Schlitzen
sein.
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Eine Feldelektronenemissionsvorrichtung wie
oben kann einen Plasmareaktor, eine Glimmentladungsvorrichtung,
eine stille Entladungsvorrichtung, einen Ozonisator, eine Elektronenquelle,
eine Elektronenkanone, eine Elektronenvorrichtung, eine Röntgenröhre, ein
Vakuummeter, eine gasgefüllte Vorrichtung
oder einen Ionenbeschleuniger umfassen.
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Das Feldelektronenemissionsmaterial
kann den gesamten Strom für
den Betrieb der Vorrichtung liefern.
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Das Feldelektronenemissionsmaterial
kann einen Startstrom, einen Auslösestrom oder einen Anlaßstrom für die Vorrichtung
liefern.
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Eine Feldelektronenemissionsvorrichtung wie
oben kann eine Anzeigevorrichtung umfassen.
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Eine Feldelektronenemissionsvorrichtung wie
oben kann eine Lampe umfassen.
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Die Lampe ist vorzugsweise im wesentlichen flach.
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Eine Feldelektronenemissionsvorrichtung wie
oben kann eine Elektrodenplatte umfassen, die auf isolierenden Abstandshaltern
in der Form. einer kreuzförmigen
Struktur gestützt
ist.
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Das Feldelektronenemissionsmaterial
kann in Stücken
aufgebracht sein, die bei Verwendung über einen Widerstand mit einer
angelegten Kathodenspannung verbunden werden.
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Vorzugsweise ist der Widerstand als
eine Widerstandsunterlage unter jedem emittierenden Stück angebracht.
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Eine jeweilige Widerstandsunterlage
kann derart unter jedem emittierenden Stück bereitgestellt sein, daß die Fläche einer
jeden derartigen Widerstandsunterlage größer als die des jeweiligen
emittierenden Stücks
ist.
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Vorzugsweise ist/sind das Emittermaterial und/oder
Phosphor auf einem oder mehreren eindimensionalen Anordnungen von
leitfähigen
Bahnen angeordnet, die zur Adressierung durch elektronische Antriebsmittel
angeordnet sind, damit sie eine Abtastleuchtlinie erzeugen.
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Eine derartige Feldelektronenemissionsvorrichtung
kann die elektronischen Antriebsmittel umfassen.
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Die Umgebung kann gasförmig, flüssig, fest oder
ein Vakuum sein.
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Eine Feldelektronenemissionsvorrichtung wie
oben kann innerhalb der Vorrichtung ein Getterungsmaterial umfassen.
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Vorzugsweise ist das Getterungsmaterial
an der Anode befestigt.
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Das Getterungsmaterial kann an der
Kathode befestigt sein. Wenn das Feldelektronenemissionsmaterial
in Stücken
angeordnet ist, kann das Getterungmaterial innerhalb dieser Stücke angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann eine
Feldelektronenemissionsvorrichtung wie oben eine Anode, eine Kathode,
Abstandshalterplätze
auf der Anode und der Kathode, an mindestens einigen der Abstandshalterplätze gelegene
Abstandshalter, um die Anode von der Kathode zu beabstanden, und das
auf der Anode gelegene Getterungsmaterial an anderen der Abstandshalterplätze, wo
Abstandshalter nicht gelegen sind, umfassen.
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Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet der
Begriff "Abstandshalterplatz" einen Platz, der
für die
Stelle eines Abstandshalters geeignet ist, um eine Anode von einer
Kathode zu beabstanden, ohne Rücksicht
darauf, ob an diesem Abstandshalterplatz ein Abstandshalter gelegen
ist.
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Vorzugsweise befinden sich die Abstandshalterplätze in einem
regelmäßigen oder
periodischen gegenseitigen Abstand.
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Bei einer Feldelektronenemissionsvorrichtung
wie oben kann die Kathode optisch transluzent und so in Bezug zur
Anode angeordnet sein, daß von der
Kathode emittierte Elektroden auf die Anode aufprallen, um an der
Anode Elektrolumineszenz hervorzurufen, wobei die Elektrolumineszenz
durch die optisch transluzente Kathode sichtbar ist.
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Man wird verstehen, daß die elektrischen
Begriffe "leitend" und "isolierend" je nach der Grundlage ihrer
Messung relativ sein können.
Halbleiter weisen nützliche
leitende Eigenschaften auf und können
tatsächlich
bei der vorliegenden- Erfindung als leitende Partikel verwendet
werden. Im Kontext dieser Beschreibung weist jedes der leitfähigen Partikel
eine elektrische Leitfähigkeit
von mindestens dem 102-fachen (und vorzugsweise
mindestens dem 103- oder 104-fachen)
derjenigen des isolierenden Materials auf.
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Zum besseren Verständnis der
Erfindung, und um zu zeigen, wie Ausführungsformen der Erfindung
ausgeführt
werden können,
wird nun beispielhaft auf 2 bis 19 der beiliegenden Figuren Bezug genommen
werden, in denen
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2a und 2b jeweilige Beispiele von
verbesserten Feldelektronenemissionsmaterialien zeigen;
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3 einen
Bedeckungsprozeß wie
etwa Schleuderbeschichtung oder Rakelstreichbeschichtung aus einem
Druckfarbstoff, in dem die Partikel an der Oberfläche freiliegen,
veranschaulicht;
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4 einen
Prozeß des
Bildens von Partikeln aus einem vorher fortlaufenden Film veranschaulicht;
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5 das
Bilden einer Partikelschicht durch einen Sprayprozeß veranschaulicht;
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6 das
Bilden von leitfähigen
Splittern durch das Reißen
eines vorher fortlaufenden Films veranschaulicht;
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7 einen
Prozeß veranschaulicht,
in dem ausgewählte
Flächen
eines Emitters durch Maskieren und Ätzen deaktiviert werden können;
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8 eine
gattergesteuerte Feldemissionsvorrichtung veranschaulicht, die verbessertes
Material verwendet;
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9a eine
Feldelektronenemissionsanzeige zeigt, die verbessertes Feldelektronenemissionsmaterial
verwendet;
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9b und 9c Detailansichten sind,
die Abwandlungen von Teilen der Anzeige von 9a zeigen;
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10a eine
flache Lampe zeigt, die ein verbessertes Feldelektronenemissionsmaterial
verwendet, und 10b ein Detail davon
zeigt;
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11 zwei
Pixel in einer Farbanzeige zeigt, die ein Triodensystem mit einer
Steuerelektrode benutzt;
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12 ein
Emittermaterial zeigt, in dem Partikel aus einem aktiven Getterungsmaterial
bestehen;
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13 eine
Hochumwandlungsleistungs-Feldemissionslampe mit einem Lichtausgang durch
eine Emitterschicht veranschaulicht;
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14 ein
Sub-Pixel eines Elektrodensystems zeigt, wo der Abstand vom Gatter
zum Emitter verringert wurde;
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15 eine
Vorrichtung zum Entfernen großer
Partikel aus Feldemitterdruckfarbstoffdispersionen zeigt.
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Die veranschaulichten Ausführungsformen der
Erfindung stellen Materialien auf Basis eines MIV-Emissionsprozesses
mit verbesserter Leistung und Verwendbarkeit zusammen mit Vorrichtungen, die
derartige Materialien verwenden, bereit.
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2a zeigt
eine Ausführungsform
eines verbesserten Materials, wobei Partikel 223 auf einer isolierenden
Schicht 222 auf einem Substrat 221 angeordnet
sind. Im Anschluß an
die Bildung von galvanoplastisch geformten Kanälen wie oben unter Bezugnahme
auf 1a und 1b beschrieben werden Elektronen 224 von
den Basen der Partikel 223 in ein Medium 228 (häufig ein
Vakuum) emittiert. Diese Anordnung erzeugt ein Material, das einen
deutlich höheren
Strom, bevor die Kanalerhitzung eine Instabilität oder ein Versagen verursacht,
als früher
bekannte Materialien liefern kann. Vorzugsweise ist der Isolator anorganisch,
was Materialien mit hohem Dampfdruck ausschließt, und das Material befähigt, in
abgeschlossenen Vakuumvorrichtungen verwendet zu werden. Zum Isolieren
von Substraten wird vor dem Beschichten eine leitende Schicht aufgebracht.
Die leitende Schicht kann durch eine Vielzahl von Mitteln einschließlich Vakuum-
und Plasmabeschichtung, elektrophoretische Beschichtung, stromlose
Beschichtung und auf Druckfarbstoffen beruhende Verfahren wie etwa
die Resinatgold- und -platinsysteme, die routinemäßig zum
Dekorieren von Porzellan und Glasgeschirr verwendet werden, aufgebracht
werden, wobei jedoch keine Beschränkung auf diese Mittel besteht.
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Das stehende elektrische Feld, das
benötigt wird,
um die galvanoplastisch geformten Kanäle einzuschalten, wird durch
das Verhältnis
der Partikelhöhe 225 (wie
im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der isolierenden Schicht 222 gemessen)
und der Dicke 226 des Isolators im Bereich der leitenden
Kanäle 227 bestimmt.
Für ein
Mindesteinschaltfeld sollte die Dicke des Isolators an den leitenden
Kanälen deutlich
geringer als die Partikelhöhe
sein. Die leitenden Partikel würden,
vorzugsweise mit einer engen Größenverteilung,
typischerweise zwischen 0,1 μm und
400 μm liegen,
wobei dies jedoch keine Beschränkung
darstellt.
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2b zeigt
eine andere Ausführungsform eines
verbesserten Materials, wobei Partikel 231 in einem elektrischen
Kontakt mit einem leitenden Substrat 230 stehen und mit
einer Schicht eines Isolators 232 bedeckt sind. Die Dicke 235 der
Isolatorschicht am obersten Ende jedes Partikels 231 ist
in Bezug auf die Partikelhöhe 234 senkrecht
zur Oberfläche dünn. Beim
Anlegen eines geeigneten elektrischen Felds bilden sich leitende
Kanäle 233 an
den Positionen der maximalen Feldverstärkung. Elektronen 236 werden
dann in das Medium 237 emittiert.
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Bezugnehmend auf 3 können
Strukturen der in 2a veranschaulichten
Art durch einen Flutbeschichtungsprozeß (z. B. Schleuderbeschichtung)
herge stellt werden, wobei ein fluides Medium 302 ein isolierendes
Material und leitende oder halbleitende Partikel 303 enthält, die
aufgrund ihrer natürlichen
Eigenschaften oder Oberflächenüberzüge (manchmal
zeitweilig) die Lösung
oder Dispersion, die den Isolator enthält, nicht benetzen und als
Teil des Beschichtungsprozesses freigelegt werden 304, um
die gewünschten
Strukturen 305 zu bilden. Es kann eine Tischbeschichtung
eingesetzt werden, wobei beispielsweise Ausrüstungen wie die durch Chungai
Ro Co., Ltd., Japan, hergestellte verwendet werden können.
-
Beispiele für geeignete isolierende Materialien
sind Gläser,
Glaskeramiken, Polysiloxan und ähnliche
Spinnungen auf Glasmaterialien, die erhitzt sind, um den organischen
Gehalt zu verringern oder anorganische Endprodukte wie etwa Silika,
Keramiken, Oxidkeramiken, Oxide, Nitride, Boride, Diamant, Polymere
oder Harze zu erzeugen.
-
Beispiele für geeignete Partikel sind Metalle und
andere Leiter, Halbleiter, Graphit, Siliziumcarbid, Tantalcarbid,
Hafniumcarbid, Zirkoniumcarbid, Borcarbid, Titandiborid, Titancarbid,
Titancarbonitrid, die Magneli-Sub-Oxide von Titan, halbleitendes
Silizium, III-V-Verbindungen und II-VI-Verbindungen.
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Eine geeignete Dispersion kann aus
einer Mischung eines Auf spinn-Glasmaterials und Partikeln formuliert
werden. Die Partikel können
vorbehandelt sein, um die Benetzung zu steuern, und würden optional
eine enge Größenverteilung
aufweisen. Derartige Aufspinn-Glasmaterialien
beruhen typischerweise auf Polysiloxanen und werden in der Halbleiterindustrie
ausgedehnt verwendet. Es können
jedoch Aufspinn-Gläser
verwendet werden, die auf anderen chemischen Verbindungen beruhen.
Im Anschluß an
das Überziehen
werden die Schichten erhitzt, um den organischen Gehalt zu verringern oder
anorganische Endprodukte wie etwa Silika zu bilden.
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Es wurde bemerkt, daß vorzuziehen
ist, daß die
Partikel in der Dispersion einen engen Größenbereich aufweisen. Der kritische
Punkt ist in der Tat, die größeren Partikel
aus der Mischung zu beseitigen, da sie eine geringe Anzahl von Feldemissionsplätzen bilden,
die sich bei niedrigen Feldern einschalten. Aufgrund der Natur der
Feldemission emittieren diese weni- gen Plätze dann den Großteil des
Stroms bis zu jenem Punkt, an dem sie thermisch versagen. Für Vorrichtungsanwendungen
ist eine große
Anzahl von weniger emittierenden Plätzen vorzuziehen. Das Klassifizieren
von Pulvern zum vollständigen
Entfernen der großen
Fraktion ist schwierig, insbesondere im Größenbereich von Interesse. Ein
Siebvorgang ist langsam und eine Luftklassifizierung verfügt über keine
scharfe Abtrennung.
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Eine Sedimentation in einem flüssigen Medium
ist eine nützliche
Technik, doch das Gewinnen der Partikel durch Trocknen kann zu Agglomeraten führen, die
sich wie große
Partikel verhalten. 15 zeigt
einen Sedimentation verwendenden Prozeß, der diese Probleme vermeidet.
Das Zufuhrmaterial 2000 ist entweder
der flüssige Isolatorschichtvorläufer wie
etwa eine Polysiloxanspinnung auf Glas;
oder der Träger, der
verwendet werden wird, um eine anschließende Dispersion beispielsweise
einer Glasfritte zu bilden, zusammen mit den unklassifizierten Partikeln.
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Die Mischung wird in einen Tank 2001 gegeben,
wo sie durch ein Rührwerk 2002 in
Bewegung gehalten wird. Die Mischung wird über ein Meßventil oder eine Pumpe 2003,
die Flüssigkeit
mit einer Geschwindigkeit hinzufügt,
welche einen langsamen waagerechten Durchlauf der Suspension über den Setzbereich 2112 aufrechterhält, zu einem
Tank 2004 weitergeleitet. Ein Ventil 2010 wird reguliert,
um den Pegel im Tank 2004 aufrechtzuerhalten. Die größeren Partikel 2005 setzen
sich zum Boden eines Tanks 2008 hin ab, wo sie über ein
Ventil 2011 periodisch entfernt werden können. Die
klassifizierte Suspension 2006 läuft aus dem Ventil 2010 aus
und enthält nun
Partikel mit einer großen
Durchmesserabtrennung 2007. Zusätzlich zu seiner Anwendung
in dieser Ausführungsform
der Erfindung kann dieser Prozeß für jedwede
beliebigen auf Partikeln beruhenden Feldemittersysteme wie z. B.
MIMIV-Materialien wie jene, die durch Tuc20007, Taylor und Latham
(GB 2304989) beschrieben wurden, verwendet werden. Zweifellos können durch
Fachleute andere Anordnungen entweder für eine fortlaufende oder für eine schubweise
Verarbeitung von Dispersionen im Wirtsträger entworfen werden.
-
4 zeigt
ein alternatives Verfahren. zum Herstellen eines Emitters, in dem
ein leitendes Substrat 401 eine Schicht aus einem Isolator 402 und
einem darauf aufgebrachten Leiter 403 aufweist. Das leitende
Material 402 wird unter Verwendung beispielsweise einer
gemusterten Resistschicht 404 selektiv geätzt 412,
um hergestellte Partikelanaloge 411 zurückzulassen. In manchen Fällen kann
es vorteilhaft sein, auch die isolierende Schicht 413 aus den
Bereichen zwischen den Partikelanalogen zu entfernen. Die natürliche Neigung
des Ätzens,
unter dem Resistmuster 404 Unterschnitte 415 zu
bilden, erleichtert den Austritt von Elektronen 416 aus
dem galvanoplastisch geformten Kanal an der Basis der Struktur.
Die Strukturen können
auch unter Verwendung der wohletablierten Technik der Halbleiterherstellung
aufgebaut werden. Beispielsweise kann die isolierende Schicht 402 durch
Oxidieren eines andernfalls leitenden Wafers und anschließendes Metallisieren
gebildet werden. Ein ähnlicher
Ansatz kann verwendet werden, um die in 2b veranschaulichten Strukturen zu bilden.
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5 zeigt
einen anderen Weg zum Herstellen derartiger Emitter unter Verwendung
von Spraytechniken.
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Im Fall der in 2a veranschaulichten Strukturen werden
bei einem leitenden Substrat 501 mit einer isolierenden
Schicht 502 Partikel aus einer Sprayquelle 505 aufgebracht.
Die isolierende Schicht kann selbst durch einen Sprayprozeß gebildet
werden.
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Im Fall der in 2b veranschaulichten Strukturen erfolgt
das Sprayen direkt auf ein leitendes Substrat. Eine isolierende
Schicht, die aus einer Polysiloxanspinnung auf Glas oder einer Dispersion einer
Glasfritte in einem geeigneten Binder besteht, kann dann unter Verwendung
von Techniken wie der Beschleunigungs- oder der Tischbeschichtung
aufgebracht werden. Die Schicht wird anschließend gebrannt, um das Polysiloxan
in Silika umzuwandeln oder um die Glasfritte zu schmelzen. Zweifellos
können
andere Techniken verwendet werden.
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Es gibt zwei Hauptabwandlungen des
Sprayverfahrens.
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- 1. Der Fluß der
Partikel 503 kann als ein Feststoff mit oder ohne einem
flüssigen
Träger
auf die Oberfläche
aufprallen, worauf ein anschließendes Anbinden
an die Oberfläche
beispielsweise durch ein Hartlöten,
einen Frittprozeß oder
das Schmelzen des Metall- oder Isolatorfilms folgt. Eine herkömmliche
Spraykanone oder ein elektrostatisches Spraysystem kann verwendet
werden.
- 2. Ein Fluß von
Partikeln 504 kann mit einer ausreichenden kinetischen
Energie auf die Oberfläche
aufprallen, um eine Bindung zu bilden, oder kann zum Zeitpunkt des
Auftreffens geschmolzen werden. Derartige Bedingungen können beispielsweise
durch Verwendung eines Flamm spritzens oder eines Plasmaspritzens
erreicht werden.
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6 veranschaulicht
ein weiteres Verfahren zum Bilden eines Emitters, wobei ein leitendes Substrat 601 eine
isolierende Schicht 602 und einen abgelagerten Dünnfilm eines
Leiters 603 aufweist. Die Ablagerungsbedingungen des Films 603 werden so
gesteuert, daß im
wie abgelagerten Film eine ausreichende Restspannung vorhanden ist,
um zu veranlassen, daß dieser
reißt
oder springt und die Spannung durch Biegen entlastet, um elektrisch
isolierte Splitter zu bilden, die teilweise von der Oberfläche angehoben
sind. Beispielsweise können
Dünnfilme, die
durch Vakuumverdampfung und Sputterbeschichtung abgelagert sind,
zur Erfüllung
dieser Kriterien veranlaßt
werden.
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Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen
der Erfindung ist eine optimale Dichte der leitenden Partikel vorhanden,
die verhindert, daß die nächstbenachbarten
Partikel das elektrische Feld an der Basis eines gegebenen Partikels
abschirmen. Für
sphärische
Partikel ist dieser optimale Abstand von Teilchen zu Teilchen etwa
das 1,8-fache des Teilchendurchmessers.
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Zur Erleichterung eines gleichmäßigen Einschaltens
der emittierenden Plätze
werden symmetrische Partikel wie etwa jene mit einer groben würfelförmigen Form
bevorzugt.
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Alternativ können Präzisionsfasern wie etwa Kohlefasern
oder feiner Draht in Längen
geschnitten werden, die etwas länger
als ihr Durchmesser sind. Die Fasersegmente werden dazu neigen,
sich hinzulegen (insbesondere während
einer Schleuderbeschichtung), wobei die Faserachsen parallel zum Substrat
verlaufen, so daß der
Durchmesser der Faser den Antenneneffekt bestimmt.
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Partikel der richtigen Morphologie
(z. B. Glasmi krokugeln), aber nicht der Zusammensetzung können durch
ein weites Feld von Prozessen einschließlich Sputtern mit einem geeigneten
Material überzogen
werden.
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Ein Hauptzweck der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ist, emittierende Materialien mit geringen Kosten
und hoher Herstellbarkeit herzustellen. Bei weniger kostenintensiven
Anwendungen bedeutet die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, die erzielt werden
kann, jedoch, daß absichtlich
gefertigte Strukturen, die Diamant als den Isolator verwenden, Materialien
bereitstellen können,
die vor dem verheerenden Versagen der galvanoplastisch geformten
Kanäle
die höchsten
mittleren Ströme
liefern können.
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7 zeigt
einen nützlichen
Prozeß,
in dem in Schritt 1 ein Substrat 701 mit einer Isolatorschicht 702 und
Partikeln 703 eine Fläche
aufweist, die durch eine Resistbeschichtung 704 maskiert
ist. In Schritt 2 wird ein selektives Ätzen verwendet, um die Teilchen zu
entfernen. In Schritt 3 wird das Resist entfernt, um die maskierten
Flächen
mit feldemittierenden Eigenschaften zurückzulassen.
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8 zeigt
eine gattergesteuerte Anordnung, die ein verbessertes Feldelektronenemissionsmaterial
verwendet, beispielsweise eines der wie oben beschriebenen Materialien.
Emitterstücke 19 sind
auf einem Substrat 17 gebildet, auf dem, falls nötig, eine
leitende Schicht 18 durch einen Prozeß wie etwa Vakuumbeschichtung
oder eine Nichtvakuumtechnik abgelagert ist. Eine perforierte Steuer- oder
Gatterelektrode 21 ist durch eine Schicht 20 vom
Substrat 17 isoliert. Typische Ausdehnungen sind ein Emitterstückdurchmesser
(23) von 10 μm und
eine Trennung (22) der Gatterelektrode vom Substrat von
5 μ m. Eine
positive Spannung an der Gatterelektrode 21 steuert die
Extraktion der Elektronen aus den Emitterstücken 19. Die Elektronen 53 werden
dann durch eine höhere
Spannung 54 in die Vorrichtung 52 beschleunigt.
Der Feldelektronenemissionsstrom kann in einem weiten Feld von Vorrichtungen
einschließlich
Feldelektronenemissionsanzeigefeldern; Hochleistungsimpulsvorrichtungen wie
etwa Elektronen-MASER und Gyrotrone; Kreuzfeldmikrowellenröhren wie
etwa Kreuzfeldverstärker; Röhren für lineare
Strahlen wie etwa Klystrone; Blitzröntgenstrahlröhren; ausgelösten Funkenstrecken und
verwandten Vorrichtungen; breitflächigen Röntgenstrahlquellen zur Sterilisation;
Vakuummetern, Ionenbeschleunigern für Raumfahrzeuge und Teilchenbeschleunigern
verwendet werden.
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9a zeigt
eine auf einer Diodenanordnung beruhende Feldemissionsanzeige, die
eines der oben beschriebenen Materialien verwendet, z. B. das Material
von 2. Ein Substrat 33 weist
leitende Bahnen 34 auf, die emittierende Stücke 35 des Materials
tragen. Eine. vordere Platte 38 weist transparente leitende
Bahnen 39 auf, die über
die Bahnen 34 verlaufen. Die Bahnen 39 weisen
Phosphorstücke oder
-streifen auf. Die beiden Platten sind durch einen äußeren Ring 36 und
Abstandshalter 43 getrennt. Die Struktur wird durch ein
Material 37 wie etwa ein Lötglas abgedichtet. Die Vorrichtung
wird entweder durch ein Pumprohr oder durch Schmelzen des Lötglases
in einem Vakuumofen evakuiert.
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Pixel werden durch Spannungen 41, 42 adressiert,
die in einer Kreuzschienenweise angelegt werden. Die feldemittierten
Elektronen regen die Phosphorstücke
an. Ein Antriebssystem, das aus positivgehenden und negativgehenden
Wellenformen besteht, verringert einerseits die Spitzennennspannung
für die
Halbleiter in der Antriebselektronik und stellt andererseits sicher,
daß benachbarte
Pixel nicht angeregt werden. Weitere Verringerungen im Spannungshub,
der zum Einschalten von Pixeln nötig
ist, können
durch ein Gleichstromvorspannen jeder Elektrode auf einen Wert gerade
unter jenem, bei dem der Feldelektronenemissionsstrom bedeutend wird,
erreicht werden. Eine Impulswellenform wird dann über die
Gleichstromvorspannung gelegt, um jedes Pixel einzuschalten; Spannungsausschläge befinden
sich dann innerhalb der Leistungsfähigkeit der Halbleitervorrichtungen.
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Ein alternativer Ansatz zur Diodenanordnung ist
die Benutzung eines Triodensystems mit einer Steuer- elektrode. 11, die zwei Pixel in einer Farbanzeige
darstellt, zeigt eine Ausführungsform dieses
Ansatzes. Zur Einfachheit der Darstellung sind nur zwei Pixel gezeigt.
Die gezeigte grundlegende Struktur kann jedoch vergrößert werden,
um große
Anzeigen mit vielen Pixeln zu erzeugen. Ein Kathodensubstrat 120 weist
leitende Bahnen 121 auf, die auf seine Oberfläche geschichtet
sind, um jede Zeile in der Anzeige zu adressieren. Derartige Bahnen
können
durch Vakuumbeschichtungstechniken in Verbindung mit gängigen lithographischen
Techniken, die Fachleuten wohlbekannt sind; durch Drucken unter
Verwendung eines leitenden Druckfarbstoffs; oder durch viele andere
geeignete Techniken abgelagert werden. Stücke 122 eines emittierenden Materials
(z. B. wie oben beschrieben) werden unter Verwendung der im Vorhergehenden
beschriebenen Verfahren auf der Oberfläche der Bahnen angeordnet,
um Sub-Pixel in einer Rot-Grün-Blau-Triade
zu bilden. Die Ausdehnung "P" 129 liegt
typischerweise im Bereich von 200 μm (Mikrometern) bis 700 μm, obwohl
sie nicht darauf beschränkt
ist. Alternativ, doch weniger wünschenswert,
kann das emittierende Material über
die gesamte Anzeigefläche
geschichtet werden. Ruf den leitenden Bahnen 121 ist eine
isolierende Schicht 123 gebildet. Die isolierende Schicht 123 ist
mit einer oder mehreren Öffnungen
pro Pixel 124 perforiert, um die Oberfläche des emittierenden Materials
freizulegen; diese Öffnungen
werden durch Drucken oder andere lithographische Techniken gebildet.
Auf der Oberfläche
des Isolators sind leitende Bahnen 125 gebildet, um eine
Gitterelektrode für
jede Zeile in der Farbtriade zu definieren. Die Ausdehnungen der Öffnungen 124 und
die Dicke des Isolators 123 werden gewählt, um den gewünschten Übertragungsleitwert
für das
so hergestellte Triodensystem zu erzeugen. Die Anodenplatte 126 der
Anzeige wird auf isolierenden Abstandshaltern 128 getragen.
Derartige Abstandshalter können
durch Drucken an der Oberfläche
gebildet werden, oder können
vorgefertigt und in der richtigen Lage angeordnet werden. Für eine mechanische
Stabilität
können
die vorgefertigten Abstandshalter in der Form einer kreuzförmigen Struktur
gebildet werden. Ein Spaltfüllmaterial
wie etwa eine Glasfritte kann verwendet werden, um einerseits den
Abstandshalter an jedem Ende in der richtigen Lage zu fixieren und
um andererseits jedwede Unregelmäßigkeiten
in der Ausdehnung auszugleichen. Rote, grüne und blaue Phosphorstücke oder
-streifen 127 sind an der inneren Oberfläche der Anodenplatte
angeordnet. Der Phosphor ist entweder wie bei Kathodenstrahlröhren üblich mit
einem dünnen
leitenden Film überzogen,
oder für
niedrigere Beschleunigungsspannungen ist an der Innenseite der Anodenplatte
eine transparente leitende Schicht wie etwa Indiumzinnoxid, was
jedoch keine Beschränkung
darstellt, abgelagert. Der Zwischenraum zwischen der Kathodenplatte
und der Anodenplatte ist evakuiert und abgedichtet.
-
Was weitere Einzelheiten zum Aufbauen
von Feldeffektvorrichtungen betrifft, wird der Leser auf unsere
ebenfalls anhängige
Patentanmeldung GB 97 22258.2 verwiesen, in der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.
-
Eine Gleichstromvorspannung wird
zwischen den leitenden Streifen 121 und dem leitenden Film
auf der Anode angelegt. Das so erzeugte elektrische Feld dringt
durch die Gitteröffnungen 124 und setzt
durch Feldemission aus dem früher
beschriebenen MIV-Feldemissionsprozeß Elektronen aus der Oberfläche frei.
Die Gleichstromspannung ist niedriger festgesetzt, als für eine völlige Emission
erforderlich ist, wodurch ermöglicht
wird, daß eine
Zeile durch ein in Bezug auf die anderen Bahnen negatives Pulsieren
einer der Bahnen 121 bis zu einem Wert, der den Strom für die Spitzenhelligkeit
ergibt, adressiert wird. Die Gitterspuren 125 werden in
Bezug auf das Emittermaterial negativ vorgespannt, um den Strom auf
seinen Minimalpegel zu verringern, wenn sich die Bahnen 121 in
ihrem negativ gepulsten (zeilenadressierenden) Zustand befinden.
Während
der Zeilenperiode werden alle Gitterspuren bis zu einem Wert, der den
gewünschten
Strom und somit die Pixelhelligkeit ergibt, positiv gepulst. Zweifellos
können
andere Antriebsschemata verwendet werden.
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Um die Kosten der Antriebselektronik
zu minimieren, werden Gatterspannungshübe von wenigen zehn Volt benötigt. Um
diese Spezifikation zu erfüllen,
werden die Öffnungen
in den in 11 gezeigten
Gatterelektrodenaufbauten ziemlich klein. Bei kreisförmigen Öffnungen
führt dies
zu vielen emittierenden Zellen pro Sub-Pixel. Eine alternative Anordnung
für derartige
kleine Strukturen ist die Verlängerung
der kleinen emittieren den Zellen zu Schlitzen.
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14 zeigt
ein Sub-Pixel eines derartigen Elektrodensystems, wobei der Abstand 180 vom
Gatter zum Emitter auf wenige Mikrometer verringert wurde. Das Gatter 181 und
die Isolatorschicht 182 weisen in sich Schlitze 183 auf,
die das emittierende Material freilegen.
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Obwohl eine Farbanzeige beschrieben
wurde, werden Fachleute verstehen, daß eine Anordnung ohne das dreiteilige
Pixel verwendet werden kann, um eine Schwarzweiß-Anzeige herzustellen.
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Um eine lange Lebensdauer und stabile
Betriebseigenschaften zu gewährleisten,
muß in
der Vorrichtung ein Hochvakuum aufrechterhalten werden. Es war in
der Technik von Elektronenröhren üblich, Getter
zu verwenden, um Gas zu adsorbieren, das von den Wänden und
anderen inneren Strukturen ausgetrieben wurde. Eine Stelle für Getterungsmaterialien
in feldemittierenden Anzeigen liegt um den Umfang des Anzeigefelds
an den Seiten, wo sich keine elektrischen Durchführungen befinden. Es ist Fachleuten
wohlbekannt, daß diese
Stelle mit der Zunahme der Feldgröfle alles andere als ideal
wird. Dies liegt an der geringen Gasflußleitfähigkeit zwischen der Mitte
und dem Rand des Felds, die sich aus den langen Entfernungen und
den Submillimeter-Zwischenräumen
zwischen den Feldern ergibt. Berechnungen zeigen, daß diese
Leitfähigkeit
bei Feldern mit einer diagonalen Ausdehnung von mehr als 250 mm
auf ein Niveau fällt,
bei dem das Gettersystem unwirksam wird. Die US-Patentschrift Nr. 5,223,766 beschreibt
zwei Verfahren, um dieses Problem zu überwinden. Ein Verfahren umfaßt eine
Kathodenplatte mit einer Anordnung von Löchern, die in eine hintere
Kammer mit größeren Zwischenräumen und
verteilten Gettern führen.
Das andere Verfahren ist die Herstellung der Getterelektrode aus
einem Volumengetterungsmaterial wie etwa Zirkonium. Obwohl beide
Verfahren im Prinzip funktionieren, bestehen bei ihnen bestimmte
Probleme.
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Beim Ansatz der perforierten Kathodenplatte müssen die
Perforationen in der Kathodenplatte klein genug sein, um in die
Räume zwischen
den Pixeln zu passen. Zur Vermeidung sichtbarer Artefakte beschränkt dies
ihren Durchmesser auf einen Höchstwert
von 125 Mikrometern für
Fernsehgeräte
und eher weniger für
Computerarbeitsstationen. Die Kosten des Bohrens von Millionen von
100-Mikrometer-Löchern
in Glas mit einer Dicke von 1 mm bis 2 mm, dem offensichtlichen
Material für
die Kathodenplatte, sind wahrscheinlich untragbar. Ferner wird die sich
ergebende Komponente äußerst zerbrechlich sein,
ein Problem, das mit zunehmenden Feldausdehnungen größer werden
wird.
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Um bei Raumtemperatur wirksam zu
sein, müssen
Volumengetter einen sehr großen
Oberflächenbereich
aufweisen. Dies wird normalerweise durch Bilden einer gesinterten
partikulären
Schicht erreicht. Die Gatterelektrode in einer feldemittierenden
Anzeige sitzt in einem stark beschleunigenden Gleichstromfeld. Aus
den hierin beschriebenen Feldemittersystemen ist klar, daß derartige
partikuläre Getterschichten
wahrscheinlich eine bedeutende Anzahl von feldemittierenden Plätzen bereitstellen
werden. Derartige Plätze
werden Elektronen emittieren, die fortwährend eines oder mehrere der
Phosphorstücke
in der Umgebung anregen werden, wodurch ein sichtbarer Fehler in
der Anzeige erzeugt wird.
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Wendet man sich nun den in 9 und 11 gezeigten
Anzeigen zu, kann ein verteiltes Gettersystem durch Verwenden eines
aktiven Partikels oder Clusters von Partikeln zum Herstellen des
wie oben beschriebenen MIV-Emitters in die Emitterstruktur aufgenommen
werden. 12 zeigt eine
Ausführungsform,
wobei ein Partikel 1200 durch ein isolierendes Material 1202 an
einem Substrat 1201 fixiert ist. Die Zusammensetzung des
isolierenden Materials kann wie oben beschrieben sein. Diese Anordnung
hinterläßt eine
Fläche
aus freiliegendem Getterungsmaterial 1203. Geeignete Partikelmaterialien für Getterungsmaterialien
sind fein zerteilte Metalle der Gruppe IVa wie etwa Zirkonium, Tantal
und geschützte
Getterungslegierungen (z. B. Zr-Al) wie die durch SAES Getters in
Mailand hergestellten.
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Ein Problem bei allen Feldelektronenemissionsanzeigen
liegt im Erreichen von gleichmäßigen elektrischen
Eigenschaften von Pixel zu Pixel. Ein Ansatz ist die Verwendung
einer Elektronik, die die Pixel in einem Konstantstrommodus betreibt.
Ein alternativer Ansatz, der im wesentlichen das gleiche Ziel erreicht,
ist das Einsetzen eines Widerstands mit einem passenden wert zwischen
dem Emitter und einem Konstantspannungsantriebsschaltkreis. Dies kann
außerhalb
der Vorrichtung erfolgen. Bei dieser Anordnung begrenzt jedoch die
Zeitkonstante des Widerstands und die Kapazität der leitenden Bahnanordnung
die Geschwindigkeit, mit der Pixel adressiert werden können. Ein
Bilden des Widerstands in situ zwischen dem Emitterstück und der
leitenden Bahn ermöglicht
die Verwendung von Elektronik mit niedriger Impedanz, um die Bahnkapazität rasch
zu laden, was eine viel kürzere
Anstiegszeit ergibt. Eine derartige Widerstandsunterlage 44 in
situ ist in 9b gezeigt.
Die Widerstandsunterlage kann auf die leitende Bahn 34 siebgedruckt
sein, obwohl andere Beschichtungsverfahren verwendet werden können. Bei
manchen Ausführungsformen
kann der Spannungsabfall über
die Widerstandsunterlage 44 ausreichend sein, um einen
Spannungsdurchschlag über
ihre Oberfläche 45 zu
verursachen. Zur Verhinderung eines Durchschlags kann eine übergroße Widerstandsunterlage 46 verwendet
werden, um die Kriechentfernung zu erhöhen, wie in 9c veranschaulicht ist.
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10a zeigt
eine flache Lampe, die eines der oben beschriebenen Materialien
verwendet. Eine derartige Lampe kann verwendet werden, um eine Hintergrundbeleuchtung
für Flüssigkristallanzeigen. bereitzustellen
obwohl dies andere Verwendungen wie etwa eine Raumbeleuchtung nicht
ausschließt.
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Die Lampe umfaßt eine Rückplatte 60, die aus
einem Metall hergestellt sein kann, das in der Ausdehnungmit einer
lichtdurchlässigen
Vorderplatte 66 abgestimmt ist. Wenn die Rückplatte
ein Isolator ist, ist eine leitende-Schicht 61 aufgebracht.
Das emittierende Material 62 (z. B. wie oben) ist in Stücken aufgebracht.
Um das System zu einem gleichen-feldemittierten Strom pro emittierendem
Stück hin
zu drängen
und dadurch eine gleichmäßige Lichtquelle
herzustellen, ist jedes Stück über einen
Widerstand elektrisch mit der Rückplatte
verbunden. Ein derartiger Widerstand kann leicht durch eine elektrisch
widerstandsfähige
Unterlage 69 gebildet werden, wie in 10b gezeigt ist. Wie in 9c kann die Widerstandsunterlage eine
größere Fläche als das
emittierende Stück
aufweisen, um einen Spannungsdurchschlag über seine Dicke zu verhindern. Die
Vorderplatte 66 weist eine transparente leitende Schicht 67 auf
und ist mit einem geeigneten Phosphor 68 überzogen.
Die beiden Platten sind durch einen äußeren Ring 63 und
Abstandskalter 65 voneinander getrennt. Die Struktur ist
durch ein Material 64 wie etwa ein Lötglas abgedichtet. Die Vorrichtung
ist entweder durch ein Pumprohr oder durch Schmelzen des Lötglases
in einem Vakuumofen evakuiert. Eine Gleichstromspannung von einigen
Kilovolt ist zwischen der Rückplatte 60 oder
der leitenden Schicht 61 und der transparenten leitenden
Beschichtung 67 angelegt. Feldemittierte Elektronen beschießen den Phosphor 88 und
erzeugen Licht. Die Stärke
der Lampe kann durch Verändern
der angelegten Spannung reguliert werden.
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Für
manche Anwendungen kann die Lampe mit adressierbaren Phosphorstreifen
und zugehöriger
Elektronik aufgebaut werden, um in einer Weise, die zu einem Lichtpunktabtaster
analog ist, eine Abtastzeile bereitzustellen. Eine derartige Vorrichtung kann
in einem hybriden Anzeigesystem aufgenommen werden.
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Obwohl Feldemissions-Kathodenlumineszenzlampen
wie oben beschrieben viele Vorteile gegenüber jenen bieten, die Quecksilberdampf
verwenden (wie etwa einen kühlen
Betrieb und einen Direktstart), sind sie eigentlich weniger leistungsfähig. Ein Grund
dafür ist
das beschränkte
Eindringen der einfallenden Elektronen in die Phosphorkörnchen im Vergleich
zu jenem von ultraviolettem Licht von einer Quecksilberentladung.
Als Ergebnis wird bei einem von der Rückseite her angeregten Phosphor
eine Menge des erzeugten Lichts zerstreut und in seinem Durchgang
durch die Teilchen abgeschwächt.
Wenn der Lichtausgang vom Phosphor von der gleichen Seite genommen
werden kann, auf die der Elektronen strahl aufprallt, kann die Leuchtleistungsfähigkeit etwa
verdoppelt werden. 13 zeigt
eine Anordnung, die es ermöglicht,
dies zu erzielen.
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In 13 weist
eine Glasplatte 170 einen optisch transparenten elektrischen Überzug 171 (z. B.
Zinnoxid) auf, auf dem eine Schicht eines wie hierin beschriebenen
MIV-Emitters 172 ausgebildet ist. Dieser Emitter ist so
formuliert, daß er
im wesentlichen optisch transluzent ist und aufgrund seines Bestehens
aus-Partikeln mit
zufälligen
Abständen
nicht an der Moire-Musterung
leidet, die die Interferenz zwischen einer regelmäßigen Spitzenanordnung
und der Pixelanordnung einer Flüssigkristallanzeige
erzeugen würde.
Eine derartige Schicht kann mit einem auf hitzegehärtetem Polysiloxan
beruhenden Aufspinnglas als isolierender Bestandteil gebildet werden,
was jedoch keine Beschränkung
darstellt. Die oben beschriebene überzogene Kathodenplatte wird durch
Abstandshalter 179 über
einer Anodenplatte getragen, und die Vorrichtung wird in der gleichen Weise
wie die in 10a gezeigte
Lampe abgedichtet und evakuiert. Auf der Anodenplatte 177,
die aus Glas, Keramik, Metall oder einem anderen geeigneten Material
bestehen kann, ist eine Schicht aus einem elektrolumineszenten Phosphor 175 mit
einer optionalen reflektierenden Schicht 176 wie etwa Aluminium
zwischen dem Phosphor und der Anodenplatte angeordnet. Eine Spannung 180 im
Kilovoltbereich wird zwischen der leitenden Schicht 171 und der
Anodenplatte 177 (oder im Fall eines isolierenden Materials
einem leitenden Überzug
darauf) angelegt. Feldemittierte Elektronen 173, die durch
die angelegte Spannung verursacht wurden, werden zum Phosphor 175 beschleunigt.
Der sich ergebende Lichtausgang verläuft durch den transluzenten
Emitter 172 und die transparente leitende Schicht 171.
Ein optionaler Lambertscher oder nicht-Lambertscher Diffusor 178 kann
auf dem optischen Weg angeordnet sein. Ähnlche Ansätze können verwendet werden, um die Leuchtdichte
von adressierbaren Anzeigen zu erhöhen.
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Ausführungsformen der Erfindung
können einen
Dünnfilmdiamanten
mit Graphitoberflächendispersionsteilchen,
welche zur Erfüllung
der Anforderungen der Erfindung beispielsweise durch Ausrichten
derartiger Dispersionsteilchen, ihre Herstellung in einer ausreichenden
Größe und Dichte
usw. optimiert sind, einsetzen. Bei der Herstellung eines Dünnfilmdiamanten
bestand in der Technik nachdrücklich
die Neigung, Graphiteinschlüsse
auf ein Mindestmaß zu verringern,
wohingegen derartige Oberflächendispersionsteilchen
in passenden Ausführungsformen
der Erfindung vorsätzlich
aufgenommen und sorgfältig gefertigt
werden.
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Ein wichtiges Merkmal mancher Ausführungsformen
der Erfindung ist die Fähigkeit,
ein emittierendes Muster zu drucken, wodurch ermöglicht wird, komplexe Mehrfach-Emitter
wie etwa die für
Anzeigen benötigten
bei bescheidenen Kosten herzustellen. Darüber hinaus ermöglicht die
Fähigkeit,
zu drucken, daß Substratmaterialien
mit geringen Kosten wie etwa Glas verwendet werden, wohingegen mikrogefertigte
Strukturen typischerweise auf teuren Einzelkristallsubstraten errichtet
sind. Im Kontext dieser Beschreibung bedeutet Drucken einen Prozeß, der ein
emittierendes Material in einem definierten Muster anordnet oder
bildet. Beispiele für
geeignete Prozesse sind Siebdrucken, Xerographie, Photolithographie,
elektrostatische Ablagerung, Sprayen oder Offset-Lithographie.
-
Vorrichtungen, die die Erfindung
verkörpern, können in
allen Größen, groß oder klein,
hergestellt werden. Dies trifft insbesondere auf Anzeigen zu, die von
einer Einzelpixelvorrichtung bis zu einer Mehrfachpixelvorrichtung,
von Miniatur- bis zu Makrogrößenanzeigen
reichen können.
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In dieser Beschreibung meinen wir
mit einem "Kanal" oder einem "leitenden Kanal" einen Bereich eines Isolators,
in dem seine Eigenschaften beispielsweise durch irgendeinen Formungsprozeß lokal
abgewandelt wurden. Beim Beispiel einer Leiter-Isolator-Vakuum-Struktur
(z. B. einer MIV-Struktur) erleichtert eine derartige Abwandlung
den Transport von Elektronen vom hinteren Kontakt (zwischen dem
Leiter/der Elektrode und dem Isolator) durch den Isolator in das
Vakuum. Beim Beispiel einer Leiter-Isolator-Leiter-Struktur (z.
B. einer MIM-Struktur) erleichtert
eine derartige Abwandlung den Transport von Elektronen vom hinteren
Kontakt durch den Isolator zum anderen Leiter/zur anderen Elektrode.
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In dieser Beschreibung weist das
Verb "umfassen" die normale Wörterbuchbedeutung
auf, um einen nichtausschließlichen
Einschluß zu
bezeichnen. Das heißt,
die Verwendung des Wortes "umfassen" oder irgendeiner
seiner Ableitungen, um ein oder mehrere Merkmale einzuschließen, schließt die Möglichkeit,
auch andere Merkmale einzuschließen, nicht aus.