EP0741402A2 - Electric discharge tubes or discharge lamps, flat panel display, low-temperature cathode and method for their fabrication - Google Patents

Electric discharge tubes or discharge lamps, flat panel display, low-temperature cathode and method for their fabrication Download PDF

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EP0741402A2
EP0741402A2 EP96201180A EP96201180A EP0741402A2 EP 0741402 A2 EP0741402 A2 EP 0741402A2 EP 96201180 A EP96201180 A EP 96201180A EP 96201180 A EP96201180 A EP 96201180A EP 0741402 A2 EP0741402 A2 EP 0741402A2
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low
temperature
cover layer
holder
layer
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EP0741402B1 (en
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Dr. c/o Philips Patentverw. GmbH Gärtner Georg
Dr. c/o Philips Patentverw. GmbH Geittner Peter
Dr. c/o Philips Patentverw. GmbH Lydtin Hans
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Koninklijke Philips NV
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Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Philips Patentverwaltung GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
Philips Electronics NV
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01J1/304—Field-emissive cathodes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S977/932—Specified use of nanostructure for electronic or optoelectronic application
    • Y10S977/939—Electron emitter, e.g. spindt emitter tip coated with nanoparticles

Definitions

  • the invention relates to an electric discharge tube or discharge lamp with one or more low-temperature cathodes, a flat screen with one or more low-temperature cathodes, a low-temperature cathode and a method for producing the low-temperature cathode.
  • the present invention relates, inter alia, to flat screens with active systems in which the screen does not work with the light of the surroundings like the liquid crystal screens, but rather lights up itself. These include the plasma screen and the flat tube.
  • Flat screens were developed for the three market segments of office automation, audio / video technology as well as navigation and entertainment.
  • the mobile applications are particularly noteworthy, from notebook computers, personal digital assistants, fax machines to mobiles phone.
  • the flat screens should not only be used in camcorders, but also in television sets and monitors.
  • the third area includes flat screens as monitors for navigation systems in cars and planes, but also the displays of game consoles.
  • the large space requirement of the Braun tube is a disadvantage. It is caused by the fact that all electrons are provided from a single cathode and are brought to the desired position on the luminescent screen via deflection units and are thus responsible for all the pixels.
  • the cathodes of these conventional cathode ray tubes are hot cathodes ("thermionic cathodes"). Electron beam generation is based on glow emission.
  • the conventional heatable cathode is e.g. made of a nickel tube, on the front side of which a particularly light electron-emitting oxide layer, e.g. made of barium oxide.
  • the insulated heating wire embedded in the nickel tube brings the cathode to about 1200 Kelvin (900 ° C) so that electrons are "evaporated" from the oxide layer into the vacuum of the tube.
  • the electrons are generated in several wire cathodes, flat ribbon cathodes or in flat field emitters. Each cathode is therefore only responsible for a few pixels.
  • cathodes are a key technology for all types of flat screens. Considerable efforts have already been made to adapt cathodes adapted to flat screen technology and new cathodes; to develop materials.
  • the extended wire cathodes, flat ribbon cathodes or flat cathodes that are used in flat screens can be operated with significantly lower emissions than the conventional point cathode. Since it is a disadvantage of conventional hot cathodes that the high cathode temperature has to be kept constant and the heating system also consumes energy, one of these developments relates to the production of cold cathodes.
  • Another aspect of the invention relates to a flat screen with an improved cathode and an improved cathode.
  • an electrical discharge tube or discharge lamp with one or more low-temperature cathodes which have a holder, optionally with heating or cooling, a conductive lower layer applied to the holder, optionally a substrate with dispensing material and a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles , wherein the cover layer has a surface layer composed of an emitter complex formed from an emission material with several components.
  • Discharge tubes or discharge lamps of this type are distinguished by high reliability and a long service life under normal load.
  • the emission is stable, this favors a constant image quality over the entire life of the discharge lamp or discharge tube.
  • the discharge tubes or discharge lamps according to the invention have short switching times and offer the advantage that their construction is simplified and their energy consumption is low.
  • a preferred embodiment of the discharge tubes or discharge lamps according to the invention is characterized in that it comprises a grid control electrode.
  • a flat screen according to the invention contains one or more low-temperature cathodes which have a holder, optionally with heating or cooling, a conductive lower layer applied to the holder, optionally a substrate with dispensing material and a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, the cover layer being a surface layer made of an emitter complex formed from an emission material with several components.
  • a flat panel display according to the invention is easy to manufacture since no submicron lithography is required for the production. It has a low energy consumption, it is brighter and can be operated within a wide temperature range from -30 ° C to 100 ° C. It has a very good resolution and is suitable for black and white screens and color screens.
  • a low-temperature cathode according to the invention is composed of a holder, optionally with heating or cooling, a conductive lower layer applied to the holder, optionally a substrate with dispensing material and a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, the cover layer consisting of a surface layer Has emission material with multiple components formed emitter complex.
  • the low-temperature cathode is characterized in that it is prepared for an operating temperature between 20 ° C and 500 ° C.
  • the low-temperature cathode according to the invention can be used on the one hand as a real cold cathode and is particularly well suited as a cold controllable electron emitter for flat displays.
  • the threshold field strength can be reduced to almost zero.
  • the current density of 0.1 A / cm 2 required for line cathodes is already achieved.
  • the emission material contains a first component which contains metals, in particular refractory metals and their alloys, a second component which contains scandium, yttrium, lathan, the lanthanides or actinides, and / or their compounds, in particular their oxides and / or a third component which contains alkaline earths and / or their compounds.
  • An emitter complex with a particularly low work function arises from these components during the formation.
  • the emission material comprises tungsten as the first component, oxidic compounds of scandium as the second component and oxidic compounds of barium as the third component.
  • the components of the emission material are contained individually or together in the underlayer and / or the substrate and / or the top layer. In this way, a reservoir of emission material can be made available to form the emitter complex.
  • the formed emitter complex have a work function ⁇ 2.8 eV.
  • a low-temperature cathode shows particular advantages, which is characterized in that the ultrafine particles have a grain size of 1 to 100 nm. They are particularly well suited as field emitters because they have surface structures and surface modulations made of particles in the diameter range from 1 to 100 nm, that is to say they have relatively small radii of curvature in dense particle and tip distribution on the macroscopic surface.
  • the nanostructure of the cover layer is nanocrystalline or nanoamorphic and possibly nanoporous, and the structure size is 1 to 1000 nm.
  • Another object of the invention is to provide a production method for the low-temperature cathodes according to the invention.
  • this object is achieved by a method in which, in a first step, a preform with a holder, with a conductive lower layer applied to the holder, optionally with a substrate with dispensing material and with a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, and which Contains components of the emission material individually or together in the underlayer and / or the substrate and / or the top layer, is produced and in a second step the emitter complex is formed as a surface layer on the top layer.
  • This method gives very uniformly emitting low-temperature cathodes, the emission properties of which, in particular the cold emission, scatters little.
  • the formation is carried out at a temperature 800 800 ° C. in an ultra-high vacuum or high vacuum with a residual gas pressure and with the application of an electric field.
  • the residual gas pressure is 10 10 -4 mbar and the residual gas contains noble gases, nitrogen, hydrogen and / or oxygen, each with a partial pressure of 10 10 -5 mbar.
  • a method is also preferred in which the formation is carried out by a sintering treatment at a temperature> 500 ° C. and under vacuum or in a gas atmosphere which contains noble gases, nitrogen, hydrogen and / or oxygen.
  • the top layer with a nanostructure be made from ultrafine particles by laser ablation deposition.
  • the laser ablation deposition be carried out under negative pressure. This results in a particularly thin and even top layer.
  • Fig. 1 shows the current-voltage characteristics of a low-temperature cathode according to the invention at 300 ° C, 200 ° C and room temperature.
  • An electric discharge tube or discharge lamp consists of four functional groups, electron beam generation, beam focusing, beam deflection and the fluorescent screen.
  • the electron beam generation system of the discharge tubes or discharge lamps according to the invention contains an arrangement of one or more low-temperature cathodes.
  • the electron steel production system can be a point cathode or a system made up of one or more wire cathodes, flat ribbon cathodes or surface cathodes. Wire cathodes, ribbon cathodes and surface cathodes do not have to be activated over their entire surface, they can also contain the active cover layer only in individual surface segments.
  • the electron gun can also contain a grid control electrode, via which one of several of the low-temperature cathodes according to the invention or one or more surface segments of a low-temperature cathode can be controlled.
  • An electric field strength E with values of 5 V / ⁇ ⁇ E ⁇ 15 V / ⁇ m is applied via this grid control electrode and the emission of these segments or individual cathodes is controlled by changing the field strength.
  • a flat panel display according to the invention can be a modified cathode ray tube, a flat panel tube, or a modification thereof, the field emitter display.
  • the invention particularly relates to a field emitter display.
  • Field emitter displays are a modification of the cathode ray tubes. Both use a high-energy electron beam to activate light-emitting phosphors and create an image.
  • a single electron beam from each of the three rather large electron guns - one for each color - scans each of the many picture elements (pixels) one after the other.
  • the electron generation system of a field emitter display provides countless small electron sources, one for each pixel.
  • the field emitter display according to the invention can thus have the following structure: Two glass plates, an anode plate and a cathode plate are separated by spacers.
  • the cathode plate has metallic conductive strips which are covered with a thin layer of cold cathode material according to the invention.
  • the anode plate has similar strips which have a transparent conductor, for example made of doped tin oxide, as the base layer and a layer with a phosphor as the cover layer.
  • the anode plate and the cathode plate are connected to one another with spacers, the cathode and anode strips being rotated through 90 ° relative to one another and facing one another.
  • the two plates are connected in a vacuum-tight manner.
  • An electronic circuit is attached on the outside, which allows each strip to be controlled independently.
  • the principle of this embodiment is that of a matrix-controlled diode.
  • the flat screen according to the invention can be a flat tube which contains a series of linear wire cathodes from which a beam of rays is generated, each individual beam being assigned to a small rectangular area of the screen.
  • the low-temperature cathodes according to the invention can be point cathodes or wire cathodes according to their design. Particularly advantageous properties are achieved, however, if the cathodes according to the invention are designed as surface cathodes. For this purpose, they can be applied to a flat tape substrate or to a plate in which emitting cathode strips or segments are separated by insulating strips. A design with a large "emitter lawn" is also possible.
  • the holder can be a silicon wafer or a glass plate, e.g. for a field emitter display.
  • the holder can also be a wire, e.g. for flat display tubes with multiple cathode wires.
  • the holder can also be made from the known metal tubes made of nickel, molybdenum or the like. exist, which is equipped with a heating coil that allows the cathode to operate at temperatures up to 500 ° C, especially at 200 ° C to 300 ° C.
  • the conductive underlayer is usually made of a metal, e.g. Tungsten. It can also consist of several layers of metal, e.g. from a tungsten layer and a tungsten / rhenium layer.
  • the substrate in the sense of the invention can be a porous tungsten layer, as is known from conventional I-cathodes.
  • Such porous tungsten layers can contain rhenium, iridium, osmium, ruthenium, tantalum, molybdenum or scandium oxide in the laminate.
  • These porous layers with a percolation structure are produced by powder metallurgy. They contain a barium compound in the pores of the layer as a source of barium.
  • the top layer is covered with an active surface layer that has a very low work function. This layer is very thin, on the order of a monolayer, and contains an emitter complex that contains barium, scandium and oxygen.
  • the compact, flat underlayer consists of tungsten, which contains rhenium, iridium, osmium, ruthenium, tantalum, molybdenum or scandium oxide.
  • the substrate layer is omitted.
  • the cover layer contains tungsten, which is alloyed with rhenium, osmium, optionally also with iridium, ruthenium, tantalum, and / or molybdenum. It also contains scandium oxide or scandium oxide mixed with the oxides of other rare earth metals such as europium, samarium and cerium. It is also possible that it consists of scandium tungstates such as Sc 6 WO 12 or Sc 2 W 3 O 12 .
  • the cover layer can also be constructed in multiple layers, in particular as a double layer, from the above-mentioned layer compositions, the best results being achieved when a layer containing scandium is the outer layer.
  • barium-containing compounds can be mixed with calcium or strontium oxide.
  • This cover layer is preferably 100 to 500 nm thick.
  • the tungsten portion of the top layer consists of ultrafine particles with a diameter of 1 to 50 nm, which were deposited in a nanostructured layer.
  • the other two components are also deposited as ultrafine particles and are partly between, partly on the tungsten particles.
  • the emitting surface complex is formed from the three components and lies as a surface layer on the cover layer.
  • the low-temperature cathodes according to the invention are produced in a two-stage process.
  • cathodes such as L-cathodes, I-cathodes, B-cathodes or M-cathodes
  • gas or silicon disks which are coated with an underlayer made of conductive material according to the invention.
  • These documents are brought into the deposition chamber of a laser ablation deposition system.
  • an excimer laser as the laser, which, in contrast to CO 2 lasers, can also ablate tungsten without any problems.
  • the tungsten-containing component is deposited first, the scandium-containing component second, and the barium-containing component third.
  • the emission properties of the finished low-temperature cathode are influenced favorably if the gas atmosphere in the ablation deposition process consists of high-purity argon or argon / hydrogen. Furthermore, it is advantageous if the underlays for the cover layer are heated in the process.
  • the emitter complex is formed in the surface layer.
  • This activation step can be a thermal, voltage-based activation, a simple sintering or a surface sintering in a laser beam.
  • the thermal, voltage-based activation should take place under vacuum.
  • a simple possibility is to activate the low-temperature cathode in the finished discharge tube. To do this, the cathode is heated to approx. 800 ° C and voltage is applied.
  • the associated current-voltage diagram also represents a quality control.
  • the activation can also consist of a simple sintering at 800 ° C.
  • the activation step can consist of a pulsed laser treatment at 1000 ° C to 1100 ° C.
  • the low-temperature cathodes according to the invention are distinguished by excellent emission at low temperatures because they have a very low work function.
  • the total emission consists of glow emission and field emission.
  • the contribution of the glow emission according to the Richardson equation i 0 A R T 2nd exp (- ⁇ / kT) falls below 1nA at 200 ° C.
  • field emission starts at a threshold of 1.2 kV, which very quickly delivers emission currents> 3 ⁇ A when the field is further increased.
  • diode spacing d 160 ⁇ m, as can be determined from the Child-Langmuir equation, there follows a field emission threshold field strength of 7.5 V / ⁇ m, which represents a very good value for cold emission and is only reached as a peak value by a few other cathodes .

Landscapes

  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)
  • Electrodes For Cathode-Ray Tubes (AREA)

Abstract

The electric discharge tube or lamp or the flat screen with or without low temp. cathodes has a holder. It is also provided with heating or cooling. A conductive lining is applied to the holder. The device also has a substrate with a dispensing material and a cover layer with a nanostructure of ultra-fine particles. The cover layer has a surface layer of an emitter complex. The complex is formed of an emission material with several components. To manufacture such a low temp. cathode, a preliminary body with a holder, a conductive liner, a substrate and a cover layer is manufactured in a first step. In a second step, the emitter complex is formed as a surface layer on the cover layer.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe mit einer oder mehreren Niedertemperaturkathoden, einen Flachbildschirm mit einer oder mehreren Niedertemperaturkathoden, eine Niedertemperaturkathode und ein Verfahren zur Herstellung der Niedertemperaturkathode.The invention relates to an electric discharge tube or discharge lamp with one or more low-temperature cathodes, a flat screen with one or more low-temperature cathodes, a low-temperature cathode and a method for producing the low-temperature cathode.

Herkömmliche Bildschirme enthalten eine elektrische Entladungsröhre, die nach dem Prinzip der Braunschen Röhre arbeitet. Dabei werden Elektronen von einer Kathode aus beschleunigt, abgelenkt und treffen schließlich auf einen gekrümmten Leuchtschirm. Diese Bauart bedingt eine große Bautiefe oder eine starke Krümmung des Bildschirms, da sonst aufgrund der unterschiedlichen Wegstrecken von der Elektronenquelle zur Frontseite des Bildschirms nur die Darstellung der Zeichen in der Mitte scharf, am Rand jedoch verzerrt erscheinen würden.Conventional screens contain an electrical discharge tube, which works on the principle of the Braun tube. Electrons are accelerated from a cathode, deflected and finally hit a curved fluorescent screen. This type of construction requires a large construction depth or a strong curvature of the screen, since otherwise the display of the characters in the middle would appear sharp, but distorted at the edge, because of the different distances from the electron source to the front of the screen.

Seit einer Reihe von Jahren sind auch Flachbildschirme auf dem Markt. Bei der Enwicklung von Flachbildschirmen konkurrieren mehrere Prinzipien. Die vorliegende Erfindung betrifft unter anderem Flachbildschirme mit aktiven Systemen, bei denen der Bildschirm nicht mit dem Licht der Umgebung arbeitet wie die Flüssigkristallbildschirme, sondern selbst leuchtet. Dazu gehören der Plasmabildschirm und die Flachbildröhre.Flat screens have been on the market for a number of years. Several principles compete in the development of flat screens. The present invention relates, inter alia, to flat screens with active systems in which the screen does not work with the light of the surroundings like the liquid crystal screens, but rather lights up itself. These include the plasma screen and the flat tube.

Flachbildschirme wurden für die drei Marktsegmente Büroautomatisierung, Audio/Video-Technik sowie Navigation und Unterhaltung entwickelt. Im Bürobereich sind vorallem die mobilen Anwendungen zu nennen, angefangen vom Notebook-Computer, Personal Digital Assistant, Faxgerät bis hin zum Mobilte lefon. Im Audio- und Videobereich sollen die Flachbildschirme nicht nur in Camcor dern Verwendung finden, sondern auch in Fernsehgeräten und Monitoren. Der dritte Bereich umfaßt Flachbildschirme als Monitore für Navigationssysteme in Autos und Flugzeugen, aber auch die Displays von Spielekonsolen.Flat screens were developed for the three market segments of office automation, audio / video technology as well as navigation and entertainment. In the office area, the mobile applications are particularly noteworthy, from notebook computers, personal digital assistants, fax machines to mobiles phone. In the audio and video area, the flat screens should not only be used in camcorders, but also in television sets and monitors. The third area includes flat screens as monitors for navigation systems in cars and planes, but also the displays of game consoles.

Der große Platzbedarf der Braunschen Röhre ist ein Nachteil. Er wird dadurch verursacht, daß alle Elektronen aus einer einzigen Kathode bereitgestellt werden und über Ablenkeinheiten auf die gewünschte Stelle des Leuchtschirms gebracht werden und so für alle Bildpunkte zuständig sind. Die Kathoden dieser konventionellen Kathodenstrahlröhren sind Glühkathoden ("Thermionische Kathoden"). Die Elektronenstrahlerzeugung beruht auf der Glühemission. Die konventionelle heizbare Kathode besteht z.B. aus einem Nickelröhrchen, auf dessen Stirnseite eine besonders leicht Elektronen emittierende Oxidschicht, z.B. aus Bariumoxid, aufgebracht ist. Der isoliert in das Nickelröhrchen eingebettete Heizdraht bringt die Kathode auf etwa 1200 Kelvin (900°C), so daß Elektronen aus der Oxidschicht in das Vakuum der Röhre "herausgedampft" werden.The large space requirement of the Braun tube is a disadvantage. It is caused by the fact that all electrons are provided from a single cathode and are brought to the desired position on the luminescent screen via deflection units and are thus responsible for all the pixels. The cathodes of these conventional cathode ray tubes are hot cathodes ("thermionic cathodes"). Electron beam generation is based on glow emission. The conventional heatable cathode is e.g. made of a nickel tube, on the front side of which a particularly light electron-emitting oxide layer, e.g. made of barium oxide. The insulated heating wire embedded in the nickel tube brings the cathode to about 1200 Kelvin (900 ° C) so that electrons are "evaporated" from the oxide layer into the vacuum of the tube.

Bei den flachen Bildschirmen werden dagegen die Elektronen in mehreren Drahtkathoden, Flachbandkathoden oder in flächigen Feldemittern erzeugt. Jede Kathode ist daher nur für wenige Bildpunkte verantwortlich.With flat screens, on the other hand, the electrons are generated in several wire cathodes, flat ribbon cathodes or in flat field emitters. Each cathode is therefore only responsible for a few pixels.

Für alle Arten von Flachbildschirmen ist die Herstellung entsprechender Kathoden eine Schlüsseltechnologie. Es sind bereits beträchtliche Anstrengungen unternommen worden, um an die Flachbildschirmtechnik angepasste Kathoden und neue Kathoden; werkstoffe zu entwickeln. Die ausgedehnten Drahtkathoden, Flachbandkathoden oder Flächenkathoden, die in Flachbildschirmen eingesetzt werden, können mit deutlich niederer Emission als die konventionelle Punktkathode betrieben werden. Nachdem es ein Nachteil der herkömmlichen Glühkathoden ist, das die hohe Kathodentemperatur konstant gehalten werden muß und die Heizung zusätzlich Energie verbraucht, betrifft eine dieser Entwicklungen die Herstellung von Kaltkathoden.The production of appropriate cathodes is a key technology for all types of flat screens. Considerable efforts have already been made to adapt cathodes adapted to flat screen technology and new cathodes; to develop materials. The extended wire cathodes, flat ribbon cathodes or flat cathodes that are used in flat screens can be operated with significantly lower emissions than the conventional point cathode. Since it is a disadvantage of conventional hot cathodes that the high cathode temperature has to be kept constant and the heating system also consumes energy, one of these developments relates to the production of cold cathodes.

Bisherige Entwicklungen auf dem Gebiet der Kaltkathoden sind z.B. Spitzen-Feldemitter (Microtip-Emitter) oder Halbleiteremitter (AC-Kathoden = Avalanche Cold Cathodes). Ein Nachteil der Spitzen-Feldemitterkathoden ist das Ausbrennen einzelner Spitzen und das hohe Stromrauschen der einzelnen Spitzen. AC-Kathoden haben den Nachteil, daß deren Emission extrem lokalisiert ist und eine hohe Justiergenauigkeit bei der Kathodenpositionierung erfordert.Previous developments in the field of cold cathodes are e.g. Peak field emitter (microtip emitter) or semiconductor emitter (AC cathodes = avalanche cold cathodes). A disadvantage of the tip field emitter cathodes is the burnout of individual tips and the high current noise of the individual tips. AC cathodes have the disadvantage that their emission is extremely localized and requires a high degree of adjustment accuracy when positioning the cathode.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe mit einer verbesserten Kathode zur Verfügung zu stellen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Flachbildschirm mit einer verbesserten Kathode und eine verbesserte Kathode .It is therefore the object of the present invention to provide an electrical discharge tube or discharge lamp with an improved cathode. Another aspect of the invention relates to a flat screen with an improved cathode and an improved cathode.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe mit ein oder mehreren Niedertemperaturkathoden, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensionsmaterial und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissionsmaterial mi mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfaßen.According to the invention, the object is achieved by an electrical discharge tube or discharge lamp with one or more low-temperature cathodes, which have a holder, optionally with heating or cooling, a conductive lower layer applied to the holder, optionally a substrate with dispensing material and a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles , wherein the cover layer has a surface layer composed of an emitter complex formed from an emission material with several components.

Derartige Entladungsröhren oder Entladungslampen zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer bei üblicher Belastung aus. Die Emission ist stabil, dies begünstigt eine konstante Bildqualität während der gesamten Lebensdauer der Entladungslampe oder Entladungsröhre. Die erfindungsgemäßen Entladungsröhren oder Entladungslampen haben kurze Schaltzeiten und bieten den Vorteil, daß ihre Konstruktion vereinfacht und ihr Energieverbrauch niedrig ist.Discharge tubes or discharge lamps of this type are distinguished by high reliability and a long service life under normal load. The emission is stable, this favors a constant image quality over the entire life of the discharge lamp or discharge tube. The discharge tubes or discharge lamps according to the invention have short switching times and offer the advantage that their construction is simplified and their energy consumption is low.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Entladungsröhren oder Entladungslampen ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Gitter-Steuerelektrode umfaßt.A preferred embodiment of the discharge tubes or discharge lamps according to the invention is characterized in that it comprises a grid control electrode.

Mit einer derartigen Gitter-Steuerelektrode ist es möglich, die Emission einer von mehreren erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden oder einzelne Oberflächensegmente einer Niedertemperaturkathode über die Änderung der Feldstärke zu steuern.With such a grid control electrode, it is possible to control the emission of one of several low-temperature cathodes according to the invention or individual surface segments of a low-temperature cathode by changing the field strength.

Ein Flachbildschirm nach der Erfindung enthält ein oder mehreren Niedertemperaturkathoden, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensionsmaterial und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfaßen.A flat screen according to the invention contains one or more low-temperature cathodes which have a holder, optionally with heating or cooling, a conductive lower layer applied to the holder, optionally a substrate with dispensing material and a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, the cover layer being a surface layer made of an emitter complex formed from an emission material with several components.

Ein Flachbildschirm nach der Erfindung ist leicht herzustellen, da für die Fertigung keine Submikron-Lithographie erforderlich ist. Er hat einen niedrige Energieverbrauch, er ist heller und kann innerhalb weiter Temperaturbereiche der Umgebungstemperatur betrieben werden, von -30°C bis 100°C. Er hat eine sehr gute Auflösung und ist für Schwarz/Weiß-Bildschirme und Farbbildschirme geeignet.A flat panel display according to the invention is easy to manufacture since no submicron lithography is required for the production. It has a low energy consumption, it is brighter and can be operated within a wide temperature range from -30 ° C to 100 ° C. It has a very good resolution and is suitable for black and white screens and color screens.

Eine Niedertemperaturkathode nach der Erfindung setzt sich zusammen aus einer Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, einer auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls einem Substrat mit Dispensionsmaterial und einer Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat.A low-temperature cathode according to the invention is composed of a holder, optionally with heating or cooling, a conductive lower layer applied to the holder, optionally a substrate with dispensing material and a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, the cover layer consisting of a surface layer Has emission material with multiple components formed emitter complex.

Derartige Niedertemperaturkathoden bieten die folgenden Vorteile:

  • niedrige Austrittsarbeit auf der makroskopischen Oberfläche
  • hohe Dichte an "Kristallitspitzen" aus ultrafeinen Partikeln
  • niedriger Krümmungsradius der emittierenden Kristallitspitzen, dies unterbindet ein Ausbrennen der Spitzen
  • hohe elektrische Leitfähigkeit und gute Strombelastbarkeit.
  • unempfindlich gegen Kontamination
  • große Uniformität
  • hohe Emissionsreserve bei Ionenbombardement.
Such low-temperature cathodes offer the following advantages:
  • low work function on the macroscopic surface
  • high density of "crystallite tips" made of ultrafine particles
  • low radius of curvature of the emitting crystallite tips, this prevents the tips from burning out
  • high electrical conductivity and good current carrying capacity.
  • insensitive to contamination
  • great uniformity
  • high emission reserve during ion bombardment.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Niedertemperaturkathode nach der Erfindung ist sie dadurch gekennzeichnet, daß sie für eine Betriebstemperatur zwischen 20°C und 500°C hergerichtet ist.According to a preferred embodiment of the low-temperature cathode according to the invention, it is characterized in that it is prepared for an operating temperature between 20 ° C and 500 ° C.

Die erfindungsgemäße Niedertemperaturkathode kann einerseits als echte Kaltkathode verwendet werden, und ist besonders gut als kalter steuerbarer Elektronenemitter für flache Displays geeignet. Andererseits kann mit einer moderaten Heizung auf eine Betriebstemperatur von 200°C bis 300°C die Schwellenfeldstärke auf fast Null reduziert werden. Bei 500°C, also 250 °C unter der Betriebstemperatur von Oxiddrahtkathoden, wird bereits die für Linienkathoden erforderliche Stromdichte von 0,1 A/cm2 erreicht.The low-temperature cathode according to the invention can be used on the one hand as a real cold cathode and is particularly well suited as a cold controllable electron emitter for flat displays. On the other hand, with a moderate heating to an operating temperature of 200 ° C to 300 ° C, the threshold field strength can be reduced to almost zero. At 500 ° C, ie 250 ° C below the operating temperature of oxide wire cathodes, the current density of 0.1 A / cm 2 required for line cathodes is already achieved.

Es ist bevorzugt, daß das Emissionsmaterial eine erste Komponente, die Metalle, insbesondere Refraktärmetalle, und deren Legierungen enthält, eine zweite Komponente, die Scandium, Yttrium, Lathan, den Lanthaniden, oder Aktiniden, und/oder deren Verbindungen, insbesondere deren Oxide, enthält und/oder eine dritte Komponente, die Erdalkalien und/oder deren Verbindungen enthält, umfaßt.It is preferred that the emission material contains a first component which contains metals, in particular refractory metals and their alloys, a second component which contains scandium, yttrium, lathan, the lanthanides or actinides, and / or their compounds, in particular their oxides and / or a third component which contains alkaline earths and / or their compounds.

Aus diesen Komponenten entsteht bei der Formierung ein Emitterkomplexes mit einer besonders niedrigen Austrittsarbeit.An emitter complex with a particularly low work function arises from these components during the formation.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Emissionsmaterial als erste Komponente Wolfram, als zweite Komponente oxidische Verbindungen des Scandiums und als dritte Komponenten oxidische Verbindungen des Bariums.According to a particularly preferred embodiment, the emission material comprises tungsten as the first component, oxidic compounds of scandium as the second component and oxidic compounds of barium as the third component.

Mit dieser Zusammensetzung des Emissionsmaterials wurden die niedrigsten Werte für die Austrittsarbeit erreicht.The lowest work function values were achieved with this composition of the emission material.

Es ist bevorzugt, daß die Komponenten des Emissionsmaterials einzeln oder gemeinsam in der Unterschicht und/oder dem Substrat und/oder der Deckschicht enthalten sind. Auf diese Art und Weise kann ein Reservoir an Emissionsmaterial zur Bildung des Emitterkomplexes zur Verfügung gestellt werden.It is preferred that the components of the emission material are contained individually or together in the underlayer and / or the substrate and / or the top layer. In this way, a reservoir of emission material can be made available to form the emitter complex.

Es ist bevorzugt, daß der formierte Emitterkomplex eine Austrittsarbeit < 2.8 eV hat.It is preferred that the formed emitter complex have a work function <2.8 eV.

Besondere Vorteile zeigt eine Niedertemperaturkathode, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die ultrafeinen Partikel eine Korngröße von 1 bis 100 nm haben. Sie sind besonders gut als Feldemitter geeignet, da sie Oberflächenstrukturen und Oberflächenmodulationen aus Partikeln im Durchmesserbereich von 1 bis 100 nm aufweisen, also relativ kleine Krümmungsradien in dichter Partikel- und Spitzenverteilng auf der makroskopischen Oberfläche aufweisen.A low-temperature cathode shows particular advantages, which is characterized in that the ultrafine particles have a grain size of 1 to 100 nm. They are particularly well suited as field emitters because they have surface structures and surface modulations made of particles in the diameter range from 1 to 100 nm, that is to say they have relatively small radii of curvature in dense particle and tip distribution on the macroscopic surface.

Es ist bevorzugt, daß die Nanostruktur der Deckschicht nanokristallin oder nanoamorph und gegebenenfalls nanoporös ist und die Strukturgröße 1 bis 1000 nm beträgt.It is preferred that the nanostructure of the cover layer is nanocrystalline or nanoamorphic and possibly nanoporous, and the structure size is 1 to 1000 nm.

Die Erfindung hat weiterhin die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden zur Verfügung zu stellen.Another object of the invention is to provide a production method for the low-temperature cathodes according to the invention.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem in einem ersten Schritt ein Vorkörper mit einer Halterung, mit einer auf der Halterung aufgebrachten leitfähigen Unterschicht, mit gegebenenfalls einem Substrat mit Dispensionsmaterial und mit einer Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, und der die Komponenten des Emissionsmaterials einzeln oder gemeinsam in der Unterschicht und/oder dem Substrat und/oder der Deckschicht enthält, hergestellt wird und in einem zweiten Schritt der Emitterkomplex als Oberflächenschicht auf der Deckschicht formiert wird.According to the invention, this object is achieved by a method in which, in a first step, a preform with a holder, with a conductive lower layer applied to the holder, optionally with a substrate with dispensing material and with a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, and which Contains components of the emission material individually or together in the underlayer and / or the substrate and / or the top layer, is produced and in a second step the emitter complex is formed as a surface layer on the top layer.

Durch dieses Verfahren werden sehr gleichmäßig emittierende Niedertemperaturkathoden erhalten, deren Emissionseigenschaften, insbesondere die Kaltemission wenig streut.This method gives very uniformly emitting low-temperature cathodes, the emission properties of which, in particular the cold emission, scatters little.

Es ist bevorzugt, daß die Formierung bei einer Temperatur ≥ 800°C im Ultrahochvakuum oder Hochvakuum mit einem Restgasdruck und unter Anlegen eines elektrischen Feldes erfolgt.It is preferred that the formation is carried out at a temperature 800 800 ° C. in an ultra-high vacuum or high vacuum with a residual gas pressure and with the application of an electric field.

Es ist besonders bevorzugt, daß der Restgasdruck ≤ 10-4 mbar ist und das Restgas Edelgase , Stickstoff, Wasserstoff und/oder Sauerstoff mit einem Partialdruck von jeweils ≤ 10-5 mbar enthält.It is particularly preferred that the residual gas pressure is 10 10 -4 mbar and the residual gas contains noble gases, nitrogen, hydrogen and / or oxygen, each with a partial pressure of 10 10 -5 mbar.

Es ist weiterhin ein Verfahren bevorzugt, bei dem die Formierung durch eine Sinterbehandlung bei einer Temperatur > 500°C und unter Vakuum oder einer Gasatmosphäre, die Edelgase, Stickstoff, Wasserstoff und/oder Sauerstoff enthält, erfolgt.A method is also preferred in which the formation is carried out by a sintering treatment at a temperature> 500 ° C. and under vacuum or in a gas atmosphere which contains noble gases, nitrogen, hydrogen and / or oxygen.

Es ist bevorzugt, daß die Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln durch Laser-Ablationsabscheidung hergestellt wird.It is preferred that the top layer with a nanostructure be made from ultrafine particles by laser ablation deposition.

Es ist besonders bevorzugt, daß die Laserablationsabscheidung bei Unterdruck erfolgt. Dies ergibt eine besonders dünne und gleichmäßige Deckschicht.It is particularly preferred that the laser ablation deposition be carried out under negative pressure. This results in a particularly thin and even top layer.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Figur weiter erläutert und es werden Beispiele angegeben.The invention is explained in more detail below with the aid of a figure and examples are given.

Fig. 1 zeigt die Strom-Spannungscharakteristika einer Niedertemperaturkathode gemäß der Erfindung bei 300°C, 200°c und Raumtemperatur.Fig. 1 shows the current-voltage characteristics of a low-temperature cathode according to the invention at 300 ° C, 200 ° C and room temperature.

Eine elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe besteht aus vier Funktionsgruppen, der Elektronenstrahlerzeugung, der Strahlfokussierung, der Strahlablenkung und dem Leuchtschirm.An electric discharge tube or discharge lamp consists of four functional groups, electron beam generation, beam focusing, beam deflection and the fluorescent screen.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem der erfindungsgemäßen Entladungsröhren oder Entladungslampen enthält eine Anordnung aus ein oder mehreren Niedertemperaturkathoden. Beispielsweise kann das Elektronenstahlerzeugungssystem eine Punktkathode oder ein System aus ein oder mehreren Drahtkathoden, Flachbandkathoden oder Flächenkathoden sein. Drahtkathoden, Flachbandkathoden und Flächenkathoden müssen nicht über ihre gesamte Fläche aktiviert sein, sie können die aktive Deckschicht auch nur in einzelnen Oberflächensegmenten enthalten.The electron beam generation system of the discharge tubes or discharge lamps according to the invention contains an arrangement of one or more low-temperature cathodes. For example, the electron steel production system can be a point cathode or a system made up of one or more wire cathodes, flat ribbon cathodes or surface cathodes. Wire cathodes, ribbon cathodes and surface cathodes do not have to be activated over their entire surface, they can also contain the active cover layer only in individual surface segments.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem kann weiterhin eine Gitter-Steuerelektrode enthalten, über die jeweils eine von mehreren der erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden oder ein oder mehrere Oberflächensegmente einer Niedertemperaurkathode gesteuert werden können. Über diese Gitter-Steuerelektrode wird eine elektrische Feldstärke E mit Werten 5 V/µ ≤ E ≤ 15 V/µm angelegt und die Emission dieser Segmente oder Einzelkathoden über die Änderung der Feldstärke gesteuert.The electron gun can also contain a grid control electrode, via which one of several of the low-temperature cathodes according to the invention or one or more surface segments of a low-temperature cathode can be controlled. An electric field strength E with values of 5 V / µ ≤ E ≤ 15 V / µm is applied via this grid control electrode and the emission of these segments or individual cathodes is controlled by changing the field strength.

Ein Flachbildschirm gemäß der Erfindung kann eine modifizierte Kathodenstrahlröhre, eine Flachbildröhre, oder deren Abwandlung, das Feldemitter-Display, sein. Besonders bezieht sich die Erfindung auf ein Feldemitter-Display. Feldemitter-Displays sind eine Abwandlungen der Kathodenstrahlröhren. Beide benutzen einen energiereichen Elektronenstrahl, um lichtemittierende Leuchtstoffe zu aktivieren und ein Bild zu erzeugen. Bei der konventionellen Kathodenstrahlröhre tastet ein einziger Elektronenstrahl von jeder der drei ziemlich großen Elektronenkanonen - je einen für jede Farbe - nacheinander jeden der vielen Bildelemente (Pixel) ab. Dagegen stellt das Elektronenerzeugungssystem eines Feldemitter-Displays unzählige kleine Elektronenquellen zur Verfügung, eine für jedes Pixel.A flat panel display according to the invention can be a modified cathode ray tube, a flat panel tube, or a modification thereof, the field emitter display. The invention particularly relates to a field emitter display. Field emitter displays are a modification of the cathode ray tubes. Both use a high-energy electron beam to activate light-emitting phosphors and create an image. In the conventional cathode ray tube, a single electron beam from each of the three rather large electron guns - one for each color - scans each of the many picture elements (pixels) one after the other. In contrast, the electron generation system of a field emitter display provides countless small electron sources, one for each pixel.

Das Feldemitter-Display gemäß der Erfindung kann damit den folgenden Aufbau haben:
Zwei Glasplatten, eine Anodenplatte und eine Katkhodenplatte sind durch Abstandshalter getrennt. Die Kathodenplatte hat metallisch leitende Streifen, die mit einer dünnen Schicht Kaltkathodenmaterial gemäß der Erfindung bedeckt sind. Die Anodenplatte weist ähnliche Streifen auf, die einen transparenten Leiter, z.B. aus dotiertem Zinnoxid, als Grundschicht haben und als Deckschicht eine Schicht mit einem Leuchtstoff. Anodenplatte und Kathodenplatte werden mit Abstandshaltern miteinander verbunden, wobei die Kathoden- und Anodenstreifen um 90° gegeneinander gedreht und einander zugewandt sind. Die beiden Platten werden vakuumdicht verbunden. Außen wird ein elektronische Schaltung angebracht, die es erlaubt, daß jeder Streifen unabhängig angesteuert werden kann. Das Prinzip dieser Ausführungsform ist das einer matrixgesteuerten Diode.The field emitter display according to the invention can thus have the following structure:
Two glass plates, an anode plate and a cathode plate are separated by spacers. The cathode plate has metallic conductive strips which are covered with a thin layer of cold cathode material according to the invention. The anode plate has similar strips which have a transparent conductor, for example made of doped tin oxide, as the base layer and a layer with a phosphor as the cover layer. The anode plate and the cathode plate are connected to one another with spacers, the cathode and anode strips being rotated through 90 ° relative to one another and facing one another. The two plates are connected in a vacuum-tight manner. An electronic circuit is attached on the outside, which allows each strip to be controlled independently. The principle of this embodiment is that of a matrix-controlled diode.

Nach einer anderen Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Flachbildschirm eine Flachbildröhre sein, die eine Reihe von linearen Drahtkathoden enthält, aus denen ein Strahlenbündel erzeugt wird, wobei jeder Einzelstrahl einem kleinen rechteckigen Bereich des Bildschirms zugeordnet ist.According to another embodiment, the flat screen according to the invention can be a flat tube which contains a series of linear wire cathodes from which a beam of rays is generated, each individual beam being assigned to a small rectangular area of the screen.

Die Niedertemperaturkathoden gemäß der Erfindung können nach ihrer Bauart Punktkathoden oder Drahtkathoden sein. Besonders vorteilhafte Eigenschaften erreicht man jedoch, wenn die erfindungsgemäßen Kathoden als Flächenkathoden ausgebildet sind. Dazu können sie auf ein Flachbandsubstrat aufgebracht werden, oder auf eine Platte, bei der emittierende Kathodenstreifen oder -segmente durch isolierende Streifen getrennt sind. Auch eine Bauart mit großflächigem "Emitterrasen" ist möglich.The low-temperature cathodes according to the invention can be point cathodes or wire cathodes according to their design. Particularly advantageous properties are achieved, however, if the cathodes according to the invention are designed as surface cathodes. For this purpose, they can be applied to a flat tape substrate or to a plate in which emitting cathode strips or segments are separated by insulating strips. A design with a large "emitter lawn" is also possible.

Die Halterung kann eine Siliziumscheibe oder eine Glasplatte sein, z.B. für ein Feldemitter-Display. Die Halterung kann aber auch ein Draht sein, z.B. für flache Bildschirmröhren mit mehreren Kathodendrähten. Für punktförmige Kathoden kann die Halterung auch aus den bekannten Metallröhrchen aus Nickel, Molybdän o.ä. bestehen, die mit einer Heizspule ausgestattet ist, die es erlaubt, die Kathode bei Temperaturen bis 500°C, insbesondere bei 200°C bis 300°C, zu betreiben.The holder can be a silicon wafer or a glass plate, e.g. for a field emitter display. The holder can also be a wire, e.g. for flat display tubes with multiple cathode wires. For punctiform cathodes, the holder can also be made from the known metal tubes made of nickel, molybdenum or the like. exist, which is equipped with a heating coil that allows the cathode to operate at temperatures up to 500 ° C, especially at 200 ° C to 300 ° C.

Die leitfähige Unterschicht besteht üblicherweise aus einem Metall, z.B. Wolfram. Es kann auch aus mehreren Metallschichten bestehen, z.B. aus einer Wolframschicht und einer Wolfram/Rheniumschicht.The conductive underlayer is usually made of a metal, e.g. Tungsten. It can also consist of several layers of metal, e.g. from a tungsten layer and a tungsten / rhenium layer.

Das Substrat im Sinne der Erfindung kann eine poröse Wolframschicht sein, wie sie aus herkömmlichen I-Kathoden bekannt ist. Derartige poröse Wolframschichten können im Schichtkörper Rhenium, Iridium, Osmium, Ruthenium, Tantal, Molybdän oder Scandiumoxid enthalten. Diese porösen Schichten mit Perkolationsstruktur werden pulvermetallurgisch erzeugt. In den Poren der Schicht enthalten sie eine Bariumverbindung als Bariumquelle. Derartige Bariumverbindungen sind beispielsweise oxidische Barium- Calcium-Aluminiumverbindungen, der allgemeinen Zusammensetzung xBaO2 yCaO zAl2O3 mit x=4, y=1, z=1 oder x=5, y=3, z=2 oder x=5, y=3, z=0. Nach der Formierung ist die Deckschicht mit einer aktiven Oberflächenschicht bedeckt, die eine sehr niedrige Austrittsarbeit hat. Diese Schicht ist sehr dünn, in der Größenordnung einer Monolage, und enthält einen Emitterkom plex, der Barium, Scandium und Sauerstoff enthält.The substrate in the sense of the invention can be a porous tungsten layer, as is known from conventional I-cathodes. Such porous tungsten layers can contain rhenium, iridium, osmium, ruthenium, tantalum, molybdenum or scandium oxide in the laminate. These porous layers with a percolation structure are produced by powder metallurgy. They contain a barium compound in the pores of the layer as a source of barium. Such barium compounds are, for example, oxidic barium-calcium-aluminum compounds, of the general composition xBaO 2 yCaO zAl 2 O 3 with x = 4, y = 1, z = 1 or x = 5, y = 3, z = 2 or x = 5, y = 3, z = 0. After formation, the top layer is covered with an active surface layer that has a very low work function. This layer is very thin, on the order of a monolayer, and contains an emitter complex that contains barium, scandium and oxygen.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die kompakte, flächige Unterschicht aus Wolfram, das Rhenium, Iridium, Osmium, Ruthenium, Tantal, Molybdän oder Scandiumoxid enthält.According to another embodiment of the invention, the compact, flat underlayer consists of tungsten, which contains rhenium, iridium, osmium, ruthenium, tantalum, molybdenum or scandium oxide.

Bei dieser Ausführungsform entfällt die Substratschicht. Die Deckschicht enthält Wolfram, das mit Rhenium, Osmium, gegebenenfalls auch mit Iridium, Ruthenium, Tantal, und/oder Molybdän legiert ist. Weiterhin enthält sie auch Scandiumoxid oder Scandiumoxid gemischt mit den Oxiden anderer Seltenerdmetalle wie Europium, Samarium und Cer. Es ist auch möglich, daß sie aus Scandiumwolframaten, wie Sc6WO12 oder Sc2W3O12 besteht.In this embodiment, the substrate layer is omitted. The cover layer contains tungsten, which is alloyed with rhenium, osmium, optionally also with iridium, ruthenium, tantalum, and / or molybdenum. It also contains scandium oxide or scandium oxide mixed with the oxides of other rare earth metals such as europium, samarium and cerium. It is also possible that it consists of scandium tungstates such as Sc 6 WO 12 or Sc 2 W 3 O 12 .

Die Deckschicht kann aber auch mehrschichtig, insbesondere als Doppelschicht, aus den oben genannten Schichtzusammensetzungen aufgebaut sein, wobei dann die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn eine scandiumhaltige Schicht die äußere Schicht ist. Diese Deckschicht enthält weiterhin eine Bariumquelle, die eine bariumhaltige oxidische Verbindung wie BaO oder xBaO2 yCaO zAl2O3 mit x=4, y=1, z=1 oder x=5, y=3, z=2 oder x=5, y=3, z=0, sein kann. Diese bariumhaltigen Verbindungen können mit Calcium- oder Strontiumoxid gemischt werden.However, the cover layer can also be constructed in multiple layers, in particular as a double layer, from the above-mentioned layer compositions, the best results being achieved when a layer containing scandium is the outer layer. This cover layer also contains a barium source, which contains a barium-containing oxidic compound such as BaO or xBaO 2 yCaO zAl 2 O 3 with x = 4, y = 1, z = 1 or x = 5, y = 3, z = 2 or x = 5 , y = 3, z = 0. These barium-containing compounds can be mixed with calcium or strontium oxide.

Diese Deckschicht ist bevorzugt 100 bis 500nm dick. Der Wolframanteil der Deckschicht besteht aus ultrafeinen Partikeln mit einem Durchmesser von 1 bis 50 nm, die in einer nanostrukturierten Schicht abgeschieden wurden. Die anderen beiden Komponenten werden ebenfalls als ultrafeine Partikel abgeschieden und liegen teils zwischen, teils auf den Wolframpartikeln. Aus den drei Komponenten wird bei der Aktivierung der emittierende Oberflächenkomplex gebildet, der als Oberflächenschicht auf der Deckschicht liegt.This cover layer is preferably 100 to 500 nm thick. The tungsten portion of the top layer consists of ultrafine particles with a diameter of 1 to 50 nm, which were deposited in a nanostructured layer. The other two components are also deposited as ultrafine particles and are partly between, partly on the tungsten particles. Upon activation, the emitting surface complex is formed from the three components and lies as a surface layer on the cover layer.

Die erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden werden in einem zweistufigen Verfahren hergestellt.The low-temperature cathodes according to the invention are produced in a two-stage process.

Es ist möglich von bekannten Kathodentypen, wie z.B. L-Kathoden, I-Kathoden, B-Kathoden oder M-Kathoden auszugehen und ein Hybrid aus diesen Unterlagen mit der neuen Deckschicht herzustellen. Andererseits ist es auch möglich, Gas- oder Siliziumscheiben zu verwenden, die mit einer Unterschicht aus leitfähigem Material gemäß der Erfindung beschichtet sind.
Diese Unterlagen werden in die Depositionskammer einer Laser-Ablations-Depositionsanlage gebracht. Es ist günstig, als Laser einen Excimer-Laser zu verwenden, der im Gegensatz zu CO2-Lasern auch Wolfram problemlos ablatieren kann. Als erstes wird die wolframhaltige Komponente abgeschieden, als zweites die scandiumhaltige und als drittes die bariumhaltige. Es ist günstig, Multitargets zu verwenden, die alle drei Komponenten auf einer Targetanordnung enthalten. Die Emissionseigenschaften der fertigen Niedertemperaturkathode werden günstig beeinflußt, wenn die Gasatmosphäre bei dem Ablations-Depositionsverfahren aus hochreinem Argon oder Argon/Wasserstoff besteht. Weiterhin ist es günstig, wenn die Unterlagen für die Deckschicht bei dem Verfahren geheizt werden.It is possible to start from known types of cathodes, such as L-cathodes, I-cathodes, B-cathodes or M-cathodes, and to produce a hybrid from these documents with the new cover layer. On the other hand, it is also possible to use gas or silicon disks which are coated with an underlayer made of conductive material according to the invention.
These documents are brought into the deposition chamber of a laser ablation deposition system. It is advantageous to use an excimer laser as the laser, which, in contrast to CO 2 lasers, can also ablate tungsten without any problems. The tungsten-containing component is deposited first, the scandium-containing component second, and the barium-containing component third. It is favorable to use multitargets that contain all three components on a target arrangement. The emission properties of the finished low-temperature cathode are influenced favorably if the gas atmosphere in the ablation deposition process consists of high-purity argon or argon / hydrogen. Furthermore, it is advantageous if the underlays for the cover layer are heated in the process.

In dem zweiten Verfahrenschritt wird der Emitterkomplex in der Oberflächenschicht gebildet. Dieser Aktivierungsschritt kann eine thermische, spannungsgestützte Aktivierung, eine einfache Sinterung oder eine oberflächliche Sinterung in einem Laserstrahl sein.In the second process step, the emitter complex is formed in the surface layer. This activation step can be a thermal, voltage-based activation, a simple sintering or a surface sintering in a laser beam.

Die thermische, spannungsgestützte Aktivierung soll unter Vakuum erfolgen. Ein einfache Möglichkeit ist es, die Niedertemperaturkathode in der fertigen Entladungsröhre zu aktivieren. Dazu wird die Kathode auf ca. 800°C hochgeheizt und Spannung angelegt. Das zugehörige Strom-Spannungsdiagramm stellt gleichzeitig eine Qualitätskontrolle dar.The thermal, voltage-based activation should take place under vacuum. A simple possibility is to activate the low-temperature cathode in the finished discharge tube. To do this, the cathode is heated to approx. 800 ° C and voltage is applied. The associated current-voltage diagram also represents a quality control.

Wenn die Deckschicht aus sehr feinen Partikeln mit einer mittleren Korngröße > 10 nm besteht, kann die Aktivierung auch in einer einfachen Sinterung bei 800°C bestehen. Bei Deckschichten mit größeren Teilchen kann der Aktivierungsschritt in einer gepulsten Laserbehandlung bei 1000°C bis 1100°C bestehen.If the cover layer consists of very fine particles with an average grain size> 10 nm, the activation can also consist of a simple sintering at 800 ° C. For cover layers with larger particles, the activation step can consist of a pulsed laser treatment at 1000 ° C to 1100 ° C.

Die erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden zeichnen sich durch hervorragendes Emission bei niedrigen Temperaturen aus, weil sie eine sehr niedrige Austrittsarbeit haben.The low-temperature cathodes according to the invention are distinguished by excellent emission at low temperatures because they have a very low work function.

In Fig. 1 ist die Strom-Spannungscharakteristik von erfindungsgemäßen Niedertemperaturkathoden in doppelt logarithmischer Auftragung bei 300°C, 200°C und bei Zimmertempeeratur daargestellt. Dabei wurden die Temperaturen als Strahlungstemperaturen angegeben. Sie wurden pyrometrisch bestimmt.1 shows the current-voltage characteristic of low-temperature cathodes according to the invention in double logarithmic plots at 300 ° C., 200 ° C. and at room temperature. The temperatures were given as radiation temperatures. They were determined pyrometrically.

Die Gesamtemission setzt sich aus Glühemission und Feldemission zusammen. Der Beitrag der Glühemission gemäß der Richardson-Gleichung i 0 = A R T 2 exp (-φ/kT)

Figure imgb0001
fällt bei 200°C schon unter 1nA ab. Jedoch setzt ab einer Schwelle von 1.2 kV Feldemission ein, die bei weiterer Felderhöhung sehr schnell Emissionströme > 3µA liefert. Bei einem Diodensabstand d = 160 µm, wie er aus der Child-Langmuir-Gleichung bestimmt werden kann, folgt eine Feldemissionsschwellenfeldstärke von 7,5 V/µm, die einen sehr guten Wert für Kaltemission darstellt und nur von wenigen anderen Kathoden als Spitzenwert erreicht wird.The total emission consists of glow emission and field emission. The contribution of the glow emission according to the Richardson equation i 0 = A R T 2nd exp (-φ / kT)
Figure imgb0001
 falls below 1nA at 200 ° C. However, field emission starts at a threshold of 1.2 kV, which very quickly delivers emission currents> 3µA when the field is further increased. With a diode spacing d = 160 µm, as can be determined from the Child-Langmuir equation, there follows a field emission threshold field strength of 7.5 V / µm, which represents a very good value for cold emission and is only reached as a peak value by a few other cathodes .

Bei einem ALT-Test wurde eine Lebensdauer von 1000 Stunden erreicht.With an ALT test, a lifespan of 1000 hours was reached.

Claims (17)

Elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe mit ein oder mehreren Niedertemperaturkathoden, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensionsmaterial und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfaßen.Electrical discharge tube or discharge lamp with one or more low-temperature cathodes, which have a holder, optionally with heating or cooling, a conductive lower layer applied to the holder, optionally a substrate with dispensing material and a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, the cover layer comprising a surface layer emitter complex formed from an emission material with several components. Elektrische Entladungsröhre oder Entladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine Gitter-Steuerelektrode umfaßt.Electric discharge tube or discharge lamp according to claim 1,
characterized by
that it includes a grid control electrode. Flachbildschirm mit ein oder mehreren Niedertemperaturkathoden, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensionsmaterial und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfaßen.Flat screen with one or more low-temperature cathodes, which have a holder, optionally with heating or cooling, a conductive lower layer applied to the holder, optionally a substrate with dispensing material and a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, the cover layer being a surface layer made of an emission material emitter complex formed with several components. Niedertemperaturkathode, die eine Halterung, gegebenenfalls mit einer Heizung oder Kühlung, eine auf der Halterung aufgebrachte leitfähigen Unterschicht, gegebenenfalls ein Substrat mit Dispensionsmaterial und eine Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, wobei die Deckschicht eine Oberflächenschicht aus aus einem Emissionsmaterial mit mehreren Komponenten formierten Emitterkomplex hat, umfaßt.Low-temperature cathode, which has a holder, optionally with heating or cooling, a conductive lower layer applied to the holder, optionally a substrate with dispensing material and a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, the cover layer being a surface layer composed of an emitter complex formed from an emission material with several components has included. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß sie für eine Betriebstemperatur zwischen 20°C und 500°C hergerichtet ist.Low-temperature cathode according to claim 4,
characterized by
that it is prepared for an operating temperature between 20 ° C and 500 ° C. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Emissionsmaterial eine erste Komponente, die Metalle, insbesondere Refraktärmetalle, und deren Legierungen enthält, eine zweite Komponente, die Scandium, Yttrium, Lathan, den Lanthaniden, oder Aktiniden, und/oder deren Verbindungen, insbesondere deren Oxide, enthält und/oder eine dritte Komponente, die Erdalkalien und/oder deren Verbindungen enthält, umfaßt.Low-temperature cathode according to claim 4 and 5,
characterized by
that the emission material contains a first component, the metals, especially refractory metals, and their alloys, a second component, the scandium, yttrium, lathan, the lanthanides, or actinides, and / or their compounds, especially their oxides, and / or one third component, which contains alkaline earths and / or their compounds. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Emissionsmaterial als erste Komponente Wolfram, als zweite Komponente oxidische Verbindungen des Scandiums und als dritte Komponenten oxidische Verbindungen des Bariums enthält.Low-temperature cathode according to Claims 4 to 6,
characterized by
that the emission material contains tungsten as the first component, oxidic compounds of scandium as the second component and oxidic compounds of the barium as third components. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Komponenten des Emissionsmaterials einzeln oder gemeinsam in der Unterschicht und/oder dem Substrat und/oder der Deckschicht enthalten sind.Low-temperature cathode according to Claims 4 to 7,
characterized by
that the components of the emission material are contained individually or together in the underlayer and / or the substrate and / or the top layer. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der formierte Emitterkomplex eine Austrittsarbeit < 2.8 eV hat.Low-temperature cathode according to Claims 4 to 8,
characterized by
that the formed emitter complex has a work function <2.8 eV. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ultrafeinen Partikel eine Korngröße von 1 bis 100 nm haben.Low-temperature cathode according to Claims 4 to 9,
characterized by
that the ultrafine particles have a grain size of 1 to 100 nm. Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Nanostruktur der Deckschicht nanokristallin oder nanoamorph und gegebenenfalls nanoporös ist und die Strukturgröße 1 bis 1000 nm beträgt.Low-temperature cathode according to claim 4 to 10,
characterized by
that the nanostructure of the cover layer is nanocrystalline or nanoamorphic and possibly nanoporous and the structure size is 1 to 1000 nm. Verfahren zur Herstellung einer Niedertemperaturkathode nach Anspruch 4, wobei in einem ersten Schritt ein Vorkörper mit einer Halterung, mit einer auf der Halterung aufgebrachten leitfähigen Unterschicht, mit gegebenenfalls einem Substrat mit Dispensionsmaterial und mit einer Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln, und der die Komponenten des Emissionsmaterials einzeln oder gemeinsam in der Unterschicht und/oder dem Substrat und/oder der Deckschicht enthält, hergestellt wird und in einem zweiten Schritt der Emitterkomplex als Oberflächenschicht auf der Deckschicht formiert wird.A method for producing a low-temperature cathode according to claim 4, wherein in a first step a preform with a holder, with a conductive sub-layer applied to the holder, with a substrate, if necessary, with dispensing material and with a cover layer with a nanostructure made of ultrafine particles, and the components contains the emission material individually or together in the underlayer and / or the substrate and / or the top layer, is produced and in a second step the emitter complex is formed as a surface layer on the top layer. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Formierung bei einer Temperatur ≥ 800°C im Ultrahochvakuum oder Hochvakuum mit einem Restgasdruck und unter Anlegen eines elektrischen Feldes erfolgt.Method according to claim 12,
characterized by
that the formation is carried out at a temperature ≥ 800 ° C in an ultra-high vacuum or high vacuum with a residual gas pressure and with the application of an electric field. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Restgasdruck ≤ 10-4 mbar ist und das Restgas Edelgase , Stickstoff, Wasserstoff und/oder Sauerstoff mit einem Partialdruck von jeweils ≤ 10-5 mbar enthält.A method according to claim 13,
characterized by
that the residual gas pressure is ≤ 10 -4 mbar and the residual gas contains noble gases, nitrogen, hydrogen and / or oxygen, each with a partial pressure of ≤ 10 -5 mbar. Verfahren nach Anspruch 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Formierung durch eine Sinterbehandlung bei einer Temperatur > 500°C und unter Vakuum oder einer Gasatmosphäre, die Edelgase, Stickstoff, Wasserstoff und/oder Sauerstoff enthält, erfolgt.The method of claim 12 to 14,
characterized by
that the formation is carried out by a sintering treatment at a temperature> 500 ° C and under vacuum or a gas atmosphere containing noble gases, nitrogen, hydrogen and / or oxygen. Verfahren nach Anspruch 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Deckschicht mit einer Nanostruktur aus ultrafeinen Partikeln durch Laser-Ablationsabscheidung hergestellt wird.A method according to claims 12 to 15,
characterized by
that the cover layer with a nanostructure is produced from ultrafine particles by laser ablation deposition. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laserablationsabscheidung bei Unterdruck erfolgt.A method according to claim 16,
characterized by
that the laser ablation takes place under negative pressure.
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