DE69934100T2

DE69934100T2 - Feldemissionskathodestrahlröhre mit steuer- und fokussierungselektroden und horizontal- und vertikalablenkungen

Info

Publication number: DE69934100T2
Application number: DE69934100T
Authority: DE
Inventors: Zvi Austin YANIV; Charles Ronald Austin ROBINDER
Original assignee: Nano-Proprietary Inc Austin; Applied Nanotech Holdings Inc; Nano Propietary Inc
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2019-01-30
Also published as: CN1196157C; CA2319395C; US20040017140A1; EP1057198A1; WO1999039361A1; US6411020B1; DE69934100D1; US20020060517A1; CA2319395A1; KR100646893B1; ATE346373T1; CN1591760A; EP1057198A4; CN1295717A; US6635986B2; JP2002502092A; US6958576B2; KR20010034472A; US6441543B1; EP1057198B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Anzeigen und insbesondere Feldemissionsanzeigen.
HINTERGRUNDINFORMATION
Den derzeitigen Leistungsstandard für Flachbildschirmanzeigen bildet die Flüssigkristallanzeige (LCD) mit aktiver Matrix. Jedoch hat die Technologie der Feldemissionsanzeige (FED) das Potential, die LCD zu verdrängen, und zwar primär wegen ihrer geringeren Herstellungskosten.
Feldemissionsanzeigen basieren auf der Emission von Elektronen von kalten Kathoden und auf der Erzeugung von Licht durch Kathodolumineszenz, um, ähnlich wie bei einer Kathodenstrahlröhre (CRT), Videobilder zu erzeugen. Eine Feldemissionsanzeige ist eine Emissionsanzeige, die in vielerlei Hinsicht einer CRT ähnlich ist. Die wesentlichen Unterschiede sind Typ und Anzahl von Elektronenemittern. Die Elektronenkanonen in einem CRT erzeugen Elektronen durch thermionische Emission von einer Kathode (siehe 1). CRTs haben eine oder mehrere Elektronenkanonen, und zwar abhängig von der Konfiguration des Elektronenablenksystems. Die extrahierten Elektronen werden durch die Elektronenkanone fokussiert, und während die Elektronen in Richtung auf den Sichtbildschirm beschleunigt werden, werden elektromagnetische Ablenkspulen verwendet, um den Elektronenstrahl entlang des mit Phosphor beschichteten Leuchtschirms abzulenken. Dies erfordert eine große Distanz zwischen den Ablenkspulen und dem Leuchtschirm. Je größer der Sichtbereich der CRT ist, desto größer ist die Tiefe, die erforderlich ist, um den Strahl abzulenken.
2 zeigt eine typische FED mit einer Vielzahl an Elektronenemittern oder Kathoden 202, die mit jedem Pixel auf den Sichtbildschirm 201 in Beziehung stehen. Dadurch wird die Notwendigkeit vermieden, dass die elektromagnetischen Ablenkspulen die einzelnen Elektronenstrahlen ablenken müssen. Als Folge ist eine FED sehr viel dünner als eine CRT. Aufgrund der Anordnung der Emitter in einer adressierbaren Matrix, leidet eine FED außerdem nicht unter der herkömmlichen Nicht-Linearität und den kissenförmigen Verzeichnungseffekten, die mit einer CRT in Beziehung stehen.
Nichtsdestotrotz leiden FEDs unter den Nachteilen, die bei einer Matrix-adressierbaren Konstruktion inhärent sind, die zum Implementieren der FED-Konstruktion verwendet wird. FEDs machen viele Elektronen emittierende Kathoden erforderlich, die Matrix-adressiert sind, alle sehr gleichmäßig sein müssen und eine sehr hohe Positionsdichte haben müssen. Insbesondere besteht eine Forderung nach einem individuellen Feld-Emitter für jedes Pixel in einer gewünschten Anzeige. Für hochauflösende und/oder große Anzeigen ist dann eine sehr hohe Anzahl von solchen effizienten Kathoden erforderlich. Um eine solche Kathodenstruktur zu erzeugen, sind sehr komplizierte Halbleiterherstellungsprozesse erforderlich, um eine große Anzahl an Spindt-ähnlichen Emittern zu erzeugen, während die leichter herzustellenden flachen Kathoden nur schwer mit hohen Dichten herzustellen sind.
Es besteht daher in der Technik die Forderung nach einer verbesserten FED.
Der relevante Stand der FED-Technik ist in EP 0 614 209 , EP 0 479 425 , DE 195 34 228 und EP 0 312 007 offenbart.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist auf einige der Probleme gerichtet, die mit Matrix-adressierbaren FEDs in Beziehung stehen, indem die Anzahl an Kathoden oder Feld-Emittern vermindert wird, und zwar durch Verwendung von Strahlformungs- und Ablenktechniken, die auf ähnliche Weise in CRTs verwendet werden. Da weniger Kathoden erforderlich sind, ist die Kathodenstruktur einfacher herzustellen. Mit der Verwendung von Strahlformung und Ablenkung ist eine hohe Anzahl an Kathoden nicht erforderlich. Außerdem wird durch Strahlformungs- und Ablenktechniken das Erfordernis vermieden, dass die Feldemission von der Kathodenstruktur eine hohe Dichte haben muss. Darüber hinaus bleibt in einer bestimmten Kathode, auch wenn die Feldemissionsstellen weniger werden, die Anzeige weiterhin funktionsfähig, da andere Feldemissionsstellen in der bestimmten Kathode weiterhin den erforderlichen Elektronenstrahl liefern.
Die vorliegende Erfindung ist durch Patentanspruch 1 definiert.
Eine Vielzahl an Kathoden hat eine Kathodenstruktur. Für jede Kathode fokussiert eine Elektronenstrahlfokussierungs- und Ablenkstruktur Elektronen, die von jeder Kathode emittiert werden, und liefert eine Ablenkfunktion ähnlich der, die bei einer CRT verwendet wird. Eine bestimmte Kathode ist in der Lage, eine Vielzahl von Pixeln auf dem Anzeigebildschirm abzutasten. Vorzugsweise wird Software verwendet, um das Überlappen der Strahlen zu vermeiden, so dass die durch jede der Kathoden erzeugten Bilder kombiniert werden, um auf der Anzeige ein Gesamtbild zu bilden.
Irgendein Typ von Feldemissionskathode kann verwendet werden, einschließlich dünne Schichten, Spindt-Vorrichtungen, flache Kathoden, Kantenemitter, Oberflächenleitungselektronenemitter, etc.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihren Vorteilen wird nun auf die nachfolgende Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
1 eine CRT gemäß Stand der Technik darstellt;
2 eine FED gemäß Stand der Technik darstellt;
3 ein Konzept der Verwendung von FEDs mit Strahlablenkung darstellt;
4 eine Seitenansicht von einer Anzeige darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist;
5 eine Vorderansicht von einer Anzeige darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist;
6 eine Querschnittsansicht von einer Kathode in der Anzeige der vorliegenden Erfindung darstellt;
7 ein detailliertes Blockdiagramm von einem Anzeige-Adapter gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
8 ein Datenverarbeitungssystem darstellt, das gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist;
9 eine Seitenansicht von einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
10 eine Explosionsansicht von dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details beschrieben, um zu einem vollständigen Verständnis der vorliegenden Erfindung zu führen. Für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung ohne diese spezifischen Details durchgeführt werden kann. In anderen Fällen sind allgemein bekannte Schaltungen in Form von Blockdiagrammen gezeigt, um die vorliegende Erfindung nicht durch unnötige Details zu verschleiern. Für den größten Teil sind Details hinsichtlich zeitlicher Betrachtungen und ähnliches insofern weggelassen, als dass solche Details nicht erforderlich sind, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erhalten, und diese ohnehin für den Fachmann auf dem relevanten technischen Gebiet offensichtlich sind.
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen die dargestellten Elemente nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeigt sind und in denen gleiche oder ähnliche Elemente in den verschiedenen Ansichten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Durch die vorliegende Erfindung werden die Technologie und die damit in Beziehung stehenden Vorteile von FEDs mit Strahlerzeugung und von Ablenkung bei CRT-Technologie kombiniert. Obwohl die vorliegende Erfindung keine separate Kathode verwendet, um ein Bild auf jedem Pixel in der Anzeige zu erzeugen, wird eine Vielzahl an Kathoden verwendet, um Bilder auf einer Vielzahl von Pixeln zu erzeugen, und zwar durch Erzeugung und Ablenkung eines Elektronenstrahls, der durch eine Vielzahl von Kathoden erzeugt wird. Im Wesentlichen gilt: je mehr Kathoden verwendet werden, desto flacher kann die Anzeige sein. Dies kann unter Bezugnahme auf 3 gesehen werden, wo eine Vielzahl von Kathoden 305 jeweils einen Elektronenstrahl 302 erzeugen, die durch eine Elektronenstrahlablenk- oder Fokussierungsvorrichtung 303 abgelenkt werden. Mit dieser Vorrichtung können eine Vielzahl von Pixeln auf dem Anzeigebildschirm 301 durch einen Elektronenstrahl 302 illuminiert werden. Das Gebiet an Pixeln auf dem Anzeigebildschirm 301, das mit einem Elektronenstrahl 302 abgedeckt werden kann, ist durch den Konus dargestellt, der mit 304 bezeichnet ist.
Die FED-Technologie wird verwendet, um die Elektronenstrahlen zu erzeugen, und zwar aufgrund der verschiedenen Vorteile, die vorstehend diskutiert wurden. Die Verwendung von FEDs hat viele Vorteile gegenüber der Verwendung von thermionischer Feldemission von einer erhitzten Kathode. Eine solche Verwendung von thermionischer Emission wurde in dem U.S. Patent Nr. 5,436,530 offenbart. Jedoch zeigen erhitzte Kathoden in dem System einen Leistungsverlust im Vergleich mit der Verwendung von Feldemission. Die Drähte, die verwendet werde, um die Kathoden zu erhitzen, sind sehr empfindlich (es müssen feine Drähte verwendet werden, um die erforderliche Leistung zu minimieren) und für Vibrationen und Durchhängen anfällig. Das Problem von Vibrationen und Durchhängen wird normalerweise durch Hinzufügung von Federn gelöst sowie durch sorgfältige Steuerung der genauen Form der Drähte. Jedoch bedeutet dies weitere Herstellungsschritte sowie Kosten und führt zu einer weniger zuverlässigen Vorrichtung. Außerdem bewirken thermische Effekte, die aus der Nähe der heißen Drähte resultieren, eine Ausdehnung von verschiedenen Teilen der Struktur, was zu Veränderungen hinsichtlich der elektrischen Charakteristiken der Anzeige führt. Die Verwendung einer kalten Kathode ermöglicht es außerdem, dass die Struktur teilweise oder ganz als eine integrierte Vorrichtung hergestellt wird.
4 zeigt eine Anzeige 400, bei der Bilder auf dem Anzeigebildschirm 401 durch Strahlerzeugung und Ablenkung von einer FED-Quelle 402 erzeugt werden. Die Ablenkung oder Fokussierung der mehreren Elektronenstrahlen wird durch eine Strahlablenkvorrichtung 403 durchgeführt. Die Vielzahl von Konen 404 stellt die Gebiete auf dem Anzeigebildschirm 401 dar, die durch jeden der erzeugten Elektronenstrahlen illuminiert werden. Die Elektronenstrahlen erzeugen Bilder durch Anregen von Phosphor auf dem Anzeigebildschirm 401. Die angezeigten Bilder können monochrom oder in Farbe vorliegen.
5 zeigt eine Vorderansicht des Anzeigebildschirms 401. Jedes Gebiet des Anzeigebildschirms 401, das mit 501 bezeichnet ist, stellt ein Bild dar, das durch eine Kathode und deren zugehörige Elektronenablenkvorrichtung erzeugt ist. Eine spezielle Software wird verwendet, um das Überlappen der Strahlen zwischen den Gebieten 501 zu vermeiden, so dass die Grenzen, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, für den Betrachter unsichtbar sind. Eine solche Software wird in dieser Anmeldung nicht im Detail erläutert, da sie zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht wichtig ist.
6 zeigt eine Querschnittsansicht von einer Kathode 402 und deren zugehörige Elektronenfokussierungs- und Ablenkvorrichtung in der Anzeigevorrichtung 400. Auf dem Substrat 607 ist eine Kathode 601 hergestellt. Eine solche Kathode kann Mikrospitzen, Kantenemissionskathoden, Negativ-Elektronen-Affinitätskathoden, Diamant- und Diamant-ähnliche Kohlenstoffschichten oder andere Oberflächenleitungs-Elektronenemitter aufweisen.
Das Extraktionsgitter 602 wirkt, um Elektronen von der Kathode 601 als ein Ergebnis der Differenz des Potentials zwischen dem Extraktionsgitter 602 und der Kathode 601 zu extrahieren.
Das Steuergitter 603 wirkt, um den Elektronenstrahlstrom zu modulieren, wodurch wiederum die Lichtausgabe moduliert wird.
Die elektronischen Optiken, die verwendet werden, um den Elektronenstrahl zu fokussieren, sind bei 604 gezeigt; jedoch können diese eine Vielzahl an Gittern beinhalten, an denen verschiedene Potentiale anliegen. Eine solche Vielzahl an Gittern ist in 9 und 10 detailliert dargestellt.
Das horizontale Ablenkgitter 605 und das vertikale Ablenkgitter 606 arbeiten in einer ähnlichen Weise wie elektromagnetische Ablenkspulen in einer CRT, um den Elektronenstrahl auf die einzelnen Pixel auf dem Anzeigebildschirm 401 zu scannen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 9 und 10 gezeigt, die eine Kathodenanordnung 900 darstellen, die betrieben werden kann, um eine Vielzahl von Elektronenstrahlen 910 zum Scannen einer Vielzahl von Sichtgebieten 501 auf einem Anzeigebildschirm 401 zu erzeugen. Gezeigt sind Elektronenstrahlen 910, die an der Kathode 601 erzeugt werden. Diese Elektronenstrahlen sind mit gestrichelten Linien dargestellt. Es sei angemerkt, dass weitere vier Elektronenstrahlen von der Kathode 601 erzeugt werden, aber diese Elektronenstrahlen sind aus Gründen der Deutlichkeit nicht mit gestrichelten Linien dargestellt. Außerdem zeigen 9 und 10 nicht die Abstandselemente, die verwendet werden, um die verschiedenen Elektroden und Ablenkmittel voneinander zu beabstanden sowie von der Kathode 601 zu beabstanden. Solche Abstandselemente können isolierende Materialien beinhalten.
Eine Druckplatte 1004 ist mit dem Substrat-Träger 902 gekoppelt. Die Druckplatte wird verwendet, um ein Medium zur Verfügung zu stellen, durch das alle die verschiedenen Elemente der Kathodenstruktur 900 miteinander verbunden werden können, wie zum Beispiel durch die Verwendung von Druckklemmen. Das Kathoden-Substrat 901 ist an dem Substrat-Träger 902 angeordnet und durch Klemmen 905 in seiner Position gehalten. Abstandsmittel 1005 werden verwendet, um einen Abstand zwischen einigen der mehreren Elektroden und Ablenkmitteln zu bewirken. Eine weitere Beschreibung der Druckplatte 1004 und der Abstandsmittel 1005 ist für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich.
Verbindungsdrähte 904 bewirken ein elektrisches Potential der Kathode 601 von den Verbindungsleitungen 903, die durch Isolatoren 906 zur Unterseite der Kathodenstruktur 900 geführt sind.
Elektronen emittierende Stellen sind an der Kathode 601 vorgesehen, um Elektronen zu erzeugen, die durch die verschiedenen Elektroden, Anoden und Ablenkmittel gesteuert und fokussiert werden, wie nachfolgend weiter beschrieben wird. Es sei angemerkt, dass verschiedene Techniken verwendet werden können, um die Emissionsstellen an speziellen Bereichen der Kathode 601 zu lokalisieren.
Wie vorstehend beschrieben, unterstützt das Extraktionsgitter 602 das Extrahieren von Elektronen von der Kathode 601, die durch Löcher geleitet werden, die im Extraktionsgitter 602 gebildet sind. Steuergitter 603 unterstützen zusätzlich die Steuerung der Elektronenstrahlen.
Die Elektronenfokussierungsvorrichtung kann erste und zweite Anoden 1003 und 1001 sowie eine Fokuselektrode 1002 aufweisen, die jeweils ihre eigenen Vorspannungspotentiale haben, die daran angelegt sind. Die Elektronenstrahlen werden dann durch die Spalte in dem horizontalen Ablenkmittel 605 und dem vertikalen Ablenkmittel 606 geleitet, die wirken, um die Elektronenstrahlen in gesteuerter Weise auf den Anzeigebildschirm 401 zu scannen.
Als ein alternatives Ausführungsbeispiel können einige oder alle der in 6, 9 und 10 dargestellten Strukturen als eine monolithische Struktur unter Verwendung typischer Ablagerungs-, Ätz-, etc. mikroelektronischen Herstellungstechniken implementiert werden.
Es wird nun auf 8 Bezug genommen, in der ein Datenverarbeitungssystem 800 gezeigt ist, um den Betrieb der Anzeige 400 gemäß der vorliegenden Erfindung zu unterstützen.
Die Arbeitsstation 800 gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) 810, wie zum Beispiel ein herkömmlicher Mikroprozessor, und eine Anzahl von weiteren Einheiten, die über einen Systembus 812 miteinander verbunden sind. Die Arbeitsstation 813 beinhaltet einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 814, einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 816, einen Eingabe/Ausgabe-(I/O) Adapter 818, um Peripherievorrichtungen an den Bus 812 anzuschließen, wie zum Beispiel Platteneinheiten 820 und Bandlaufwerke 840, einen Benutzerschnittstellenadapter 822, um eine Tastatur 824, eine Maus 826, einen Lautsprecher 828, ein Mikrophon 832 und/oder andere Benutzerschnittstellenvorrichtungen an den Bus 812 anzuschließen, wie zum Beispiel eine Touchscreen-Vorrichtung (nicht gezeigt), einen Kommunikationsadapter 834, um die Arbeitsstation 813 an ein Datenverarbeitungsnetzwerk anzuschließen, und einen Anzeigeadapter 700, um den Bus 812 mit der Anzeigevorrichtung 400 zu verbinden. Die CPU 810 kann weitere Schaltungen aufweisen, die hier nicht gezeigt sind, die aber Schaltungen beinhalten, die üblicherweise in einem Mikroprozessor zu finden sind, z.B. eine Ausführungseinheit, eine Busschnittstelleneinheit, eine arithmetische Logikeinheit, etc. Die CPU 810 kann außerdem auf einem einzelnen integrierten Schaltkreis aufgebaut sein.
Unter Bezugnahme auf 7 sind weitere Details des Anzeigeadapters 700 gezeigt. Der Mikrocontroller 701 verwendet eine Zustandsmaschine, Hardware und/oder Software, um die Vielzahl an Kathoden 400 anzusteuern, um Bilder auf den Anzeigegebieten 501 der Anzeige 400 zu erzeugen. Ein Teil der Elektronik 702 wird verwendet, um Fokuselektroden 604 vorzuspannen. Horizontale und vertikale Ablenkelektroden 606 und 605 werden durch Blöcke 703 bzw. 704 gesteuert. Ein Kathodentreiber 705 steuert die mehreren Elektroden 601, während die Steuerung der Steuergitter 603 durch den Steuergittertreiber 706 erfolgt.
Die Steuerung 701 arbeitet, um die verschiedenen Bilder auf den Gebieten 501 in einer Weise zu erzeugen, dass es zwischen den Gebieten 501 keine Ränder gibt, und so dass die Gebiete 501 arbeiten, um entweder eine Vielzahl von separaten Bildern 501 oder ein zusammengesetztes Bild auf der gesamten Anzeige 401 zu erzeugen. Es sei angemerkt, dass irgendeine Kombination von zusammengesetzten Bildern auf dem Anzeigebildschirm 401 als eine Funktion der Anzeigegebiete 501 angezeigt werden kann.
Obwohl die vorliegende Erfindung und deren Vorteile im Detail beschreiben wurden, soll verstanden werden, dass hier verschiedene Veränderungen, Ersetzungen und Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Feldemissionsanzeigevorrichtung (400) mit: – einem Substrat (607); – einer Kathode (601), die auf dem Substrat (607) erzeugt ist, wobei die Kathode (601) Mikrospitzen, Kantenemissionskathoden, Negativ-Elektronen-Affinitätskathoden, Diamant- und Diamant-ähnliche Kohlenstoffschichten oder andere Oberflächenleitungs-Elektronenemitter aufweist, – einem Extraktionsgitter (602), um Elektronen von der Kathode (601) zu extrahieren; – einem Steuergitter (603), um den Elektronenstrahlstrom zu modulieren; – elektronischen Optiken (604), um den Elektronenstrahl (302) zu fokussieren; – einem horizontalen Ablenkgitter (605), um den Elektronenstrahl auf einzelne Pixel auf einem Anzeigebildschirm (401) der Vorrichtung zu scannen; – wobei das Ablenkgitter ausgestaltet ist, um eine Vielzahl von Pixeln auf dem Anzeigebildschirm (401) zu scannen, so dass eine Vielzahl von Pixeln auf dem Anzeigebildschirm (301) durch einen Elektronenstrahl (302) illuminiert werden kann, wobei die Vielzahl von Pixeln eine Vielzahl von monochromen Pixeln oder eine Vielzahl von Pixeln ist, die jeweils Farb-Sub-Pixel haben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kathode (601) eine flache Kathode aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kathode (601) ein Material mit niedriger Austrittsarbeit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektronischen Optiken (604) eine oder mehrere elektrisch unter Vorspannung stehende, fokussierende Anoden (1001, 1003) aufweisen.