RU2178598C2 - Field-emission device for image reproduction - Google Patents
Field-emission device for image reproduction Download PDFInfo
- Publication number
- RU2178598C2 RU2178598C2 RU99101991A RU99101991A RU2178598C2 RU 2178598 C2 RU2178598 C2 RU 2178598C2 RU 99101991 A RU99101991 A RU 99101991A RU 99101991 A RU99101991 A RU 99101991A RU 2178598 C2 RU2178598 C2 RU 2178598C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- field
- emitter
- emitters
- front panel
- flat
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к электронной технике, а конкретнее к плоским автоэлектронным устройствам для воспроизведения изображения. Оно может быть использовано при разработке плоских дисплеев с увеличенным полем изображения для персональных компьютеров, экранов большой площади для проекционных телевизоров, информационных и рекламных табло и пр. , когда необходимо иметь хорошую светоотдачу и однородное ее распределение по полю изображения, высокое разрешение и стабильность характеристик в каждой точке изображения (каждом пикселе), повышенные надежность и срок службы в сочетании с простотой конструкции и технологии изготовления, допускающих возможность увеличения поля изображения. The invention relates to electronic equipment, and more particularly to flat field devices for image reproduction. It can be used in the development of flat displays with an increased image field for personal computers, large-area screens for projection televisions, information and advertising displays, etc., when it is necessary to have good light output and its uniform distribution over the image field, high resolution and stability of characteristics in each image point (each pixel), increased reliability and service life, combined with the simplicity of design and manufacturing technology, allowing the possibility of increasing image fields.
Тенденцией развития этой области электронной техники является поиск физических и конструктивных принципов, которые позволили бы получить экономичные устройства для воспроизведения изображения с характеристиками, по крайней мере соответствующими электроннолучевым трубкам по светоотдаче, качеству изображенная (разрешению) и размеру поля зрения, но вместе с тем имеющие существенно меньшие объем и вес, а также повышенные надежность и срок службы, большую экономичность управления. Определенные перспективы при этом связывают с автоэлектронными устройствами для воспроизведения изображения, которые в наибольшей степени отвечают этим требованиям по сравнению с жидкокристаллическими, газоразрядными или вакуумными люминесцентными устройствами [1] . The development trend in this field of electronic technology is the search for physical and structural principles that would allow obtaining economical devices for reproducing an image with characteristics at least corresponding to cathode ray tubes in light output, image quality (resolution) and size of the field of view, but at the same time having substantially smaller volume and weight, as well as increased reliability and service life, greater economic management. At the same time, certain prospects are associated with auto-electronic devices for reproducing images, which most of all meet these requirements in comparison with liquid crystal, gas-discharge, or vacuum luminescent devices [1].
Благоприятным обстоятельством по использованию автоэлектронных устройств является значительный конструктивный и технологический опыт, накопленный при разработке холодных (безнакальных) катодов, работающих при приложении к ним электрического поля высокой напряженности и испускающих электроны вследствие эффекта автоэлектронной эмиссии. Однако непосредственный перенос этого опыта не может быть произведен автоматически без учета особых требований, предъявляемых к устройствам для воспроизведения изображения. A favorable circumstance in the use of electronic devices is the significant constructive and technological experience gained in the development of cold (non-heat) cathodes operating when a high electric field is applied to them and emitting electrons due to the field emission effect. However, the direct transfer of this experience cannot be made automatically without taking into account the special requirements for devices for reproducing the image.
В первую очередь это относится к многоострийным автоэлектронным катодам, изготавливаемым, как правило, по технологии Спиндта [1] , которые были предназначены для работы в сверхвысоком вакууме (10-7-10-8 Па). Попытки использовать их в техническом вакууме (10-4-10-5 Па), который устанавливается в вакуумных приборах в процессе их эксплуатации без средств откачки, приводят к значительному изменению (на несколько порядков) эмиссионного тока, а также к его нестабильности (достигающей порядка величины). Соответственно нестабильными будут и основные характеристики (такие, как распределение светоотдачи по полю изображения, светоотдача или яркость различных его точек) устройств для воспроизведения изображения с такими автоэлектронными катодами, а срок их службы будет существенно ограничен. Основной причиной нестабильности эмиссии электронов многоострийными автоэлектронными катодами является изменение формы эмиттирующей поверхности эмиттеров (изменение их радиуса кривизны) вследствие ионной бомбардировки остаточными газами в техническом вакууме и катодного распыления из-за значительного токоотбора с одиночных эмиттеров. Поэтому, а также из-за чрезмерной сложности технологии активизировался поиск иных автоэлектронных катодных структур, более приемлемых для устройств для воспроизведения изображения.First of all, this refers to multi-edge autoelectronic cathodes, manufactured, as a rule, using Spindt technology [1], which were designed to operate in ultra-high vacuum (10 -7 -10 -8 Pa). Attempts to use them in a technical vacuum (10 -4 -10 -5 Pa), which is installed in vacuum devices during their operation without pumping means, lead to a significant change (by several orders of magnitude) of the emission current, as well as to its instability (reaching the order of quantities). Accordingly, the basic characteristics (such as the distribution of light output over the image field, light output or brightness of its various points) of devices for reproducing images with such auto-electronic cathodes will be unstable, and their service life will be significantly limited. The main reason for the instability of electron emission by multi-axis autoelectronic cathodes is a change in the shape of the emitter surface of the emitters (change in their radius of curvature) due to ion bombardment by residual gases in a technical vacuum and cathodic sputtering due to significant current collection from single emitters. Therefore, and also due to the excessive complexity of the technology, the search for other auto-electronic cathode structures more suitable for image reproduction devices has intensified.
Заметное внимание при этом уделяют пленочным автоэлектронным катодам из-за большей простоты технологии их изготовления благодаря развитию фотолитографических методов. Вместе с тем они требуют, в общем, использования более высокого напряжения по сравнению с многоострийными катодами. Для уменьшения его часто применяют управляющие электроды, располагая их в непосредственной близости от катода и уменьшая тем самым расстояние катод - управляющий электрод. Однако в процессе эксплуатации устройства в условиях технического вакуума надежность и стабильность характеристик устройства ухудшаются, поскольку из-за распыления проводящего материала катода происходит изменение межэлектродных параметров, особенно существенное вблизи катода. Кроме того, при уменьшении расстояния катод - управляющий электрод ухудшается разрешение устройства из-за усиления влияния краевых электрических полей у краев отверстий в управляющих электродах на расходимость потока электронов, эмиттированных катодом. Considerable attention is paid to film autoelectronic cathodes because of the greater simplicity of their manufacturing technology due to the development of photolithographic methods. At the same time, they require, in general, the use of a higher voltage compared to multi-pointed cathodes. To reduce it, control electrodes are often used, placing them in the immediate vicinity of the cathode and thereby reducing the distance between the cathode and the control electrode. However, during operation of the device under conditions of a technical vacuum, the reliability and stability of the characteristics of the device deteriorate, because due to the sputtering of the conductive material of the cathode, a change in the interelectrode parameters occurs, especially significant near the cathode. In addition, with a decrease in the cathode – control electrode distance, the resolution of the device deteriorates due to the increased influence of the edge electric fields at the edges of the holes in the control electrodes on the divergence of the electron flow emitted by the cathode.
Таким образом, актуальной является задача разработки такой структуры катода с автоэлектронными эмиттерами и соответствующей конструкции устройства для воспроизведения изображения, которые позволили бы преодолеть указанные недостатки и обеспечить для таких устройств высокое разрешение и стабильность характеристик в каждой точке изображения при работе в условиях технического вакуума (10-4-10-5 Па), а также однородность распределения светоотдачи по полю изображения, повышенные надежность и срок службы.Thus, the urgent task is to develop such a cathode structure with field-emission emitters and the corresponding design of an image reproducing device that would overcome these drawbacks and ensure high resolution and stability of characteristics for such devices at each image point when operating in a technical vacuum (10 - 4 -10 -5 Pa), as well as the uniformity of the distribution of light output over the image field, increased reliability and service life.
Известно плоское автоэлектронное устройство для воспроизведения изображения, содержащее герметичный корпус с изолирующей оптически прозрачной передней панелью, на внутренней поверхности которой размещены по меньшей мере одна анодная шина с люминесцентным слоем по меньшей мере на части ее поверхности, по меньшей мере один автоэлектронный эмиттер (катод), расположенный в изолирующем слое на диэлектрической подложке, служащей задней панелью корпуса, спейсер для фиксации расстояния между изолирующим слоем и анодными шинами и по меньшей мере одну шину питания эмиттеров, размещенную на задней панели [1] . При этом тонкопленочные полосы шин питания эмиттеров (катодных шин) вытянуты в направлении оси X, а полосы анодных шин - в направлении оси Y, т. е. являются скрещивающимися друг с другом под прямым углом. Для инициирования эмиссии электронов достаточно приложить напряжение между соответствующими друг другу катодной и анодной шинами. Known flat auto-electronic device for reproducing an image containing a sealed enclosure with an insulating optically transparent front panel, on the inner surface of which at least one anode bus with a luminescent layer is placed on at least part of its surface, at least one auto-electronic emitter (cathode), located in the insulating layer on the dielectric substrate serving as the rear panel of the housing, a spacer for fixing the distance between the insulating layer and the anode busbars and at least at least one emitter power bus located on the rear panel [1]. In this case, the thin-film strips of the power lines of the emitters (cathode buses) are elongated in the direction of the X axis, and the strip of anode buses in the direction of the Y axis, i.e., they intersect at right angles to each other. To initiate electron emission, it is sufficient to apply a voltage between the cathode and anode buses corresponding to each other.
Особенностью этого устройства является следующее. Тонкопленочные алмазные катоды, изготовляемые по предлагаемой в [1] технологии, расположены в отверстиях изолирующего слоя (имеющих диаметр 50-100 мкм), что по мнению авторов технологии позволяет значительно увеличить срок службы таких автоэлектронных эмиттеров. А так как работа выхода у них значительно меньше, чем у типичного металлического острийного катода, это дает возможность формировать сильное электрическое поле непосредственно анодом без использования управляющих электродов. Помимо упрощения конструкции, это не требует и применения технологии выполнения в таких электродах малых отверстий, что в свою очередь позволяет значительно упростить процесс изготовления по сравнению с технологией Спиндта. Однако все эти преимущества достигаются только при достаточно высоком вакууме (10-6-10-7 Па), когда влиянием ионной бомбардировки на такие тонкопленочные эмиттеры еще можно пренебречь. Кроме того, использование в качестве анодных шин тонких (чтобы обеспечить их прозрачность оптическому излучению, испущенному люминесцентным слоем) и узких (чтобы получить требуемое разрешение) проводящих полос может при увеличении поля изображения привести к снижению яркости точек на его краю или в центре и соответственно к ухудшению однородности светоотдачи по полю изображения из-за роста электрического сопротивления этих полос.A feature of this device is the following. Thin-film diamond cathodes, manufactured according to the technology proposed in [1], are located in the holes of the insulating layer (having a diameter of 50-100 μm), which, according to the authors of the technology, can significantly increase the service life of such field emitters. And since their work function is much less than that of a typical metal tip cathode, this makes it possible to form a strong electric field directly by the anode without using control electrodes. In addition to simplifying the design, this does not require the use of technology for performing small holes in such electrodes, which in turn makes it possible to significantly simplify the manufacturing process compared to Spindt technology. However, all these advantages are achieved only at a sufficiently high vacuum (10 -6 -10 -7 Pa), when the effect of ion bombardment on such thin-film emitters can still be neglected. In addition, the use of thin (in order to ensure their transparency to optical radiation emitted by the luminescent layer) and narrow (in order to obtain the required resolution) conductive strips as the anode buses can lead to a decrease in the brightness of the dots on its edge or in the center and, accordingly, to deterioration in the uniformity of light output over the image field due to an increase in the electrical resistance of these bands.
Известно также плоское устройство для воспроизведения изображения [2] , содержащее герметичный корпус с изолирующей оптически прозрачной передней панелью и параллельной ей задней панелью, по меньшей мере один электрод, служащий анодом, размещенный на внутренней поверхности передней панели и по меньшей мере частично покрытый люминесцентным слоем, по меньшей мере один электрод, служащий катодом и образованный автоэлектронным эмиттером, размещенным на поверхности токопроводящего слоя катода на задней панели корпуса напротив люминесцентного слоя, две группы скрещивающихся пленочных управляющих электродов, разделенных диэлектриком, спейсеры для фиксации расстояния между передней и задней панелями, при этом во всех элементах на задней панели над автоэлектронным эмиттером выполнено по одному отверстию, которые соответственно соосны друг с другом. Also known is a flat device for reproducing an image [2], comprising a sealed enclosure with an insulating optically transparent front panel and a parallel rear panel, at least one electrode serving as an anode placed on the inner surface of the front panel and at least partially coated with a luminescent layer, at least one electrode serving as a cathode and formed by an autoelectronic emitter located on the surface of the conductive layer of the cathode on the back of the housing opposite the luminescent layer, two groups of crossing film control electrodes separated by a dielectric, spacers for fixing the distance between the front and rear panels, while in all the elements on the rear panel above the field emitter there is one hole that are respectively aligned with each other.
Особенностью этого устройства является использование в качестве автоэлектронного эмиттера пленочного покрытия, расположенного па части поверхности электрода, служащего катодом, а также выполнение отверстий в диэлектрике, разделяющем управляющие электроды, и в диэлектрике, отделяющем эти управляющие электроды от катода большими по размеру, чем отверстия в самих управляющих электродах. В некоторых вариантах автоэлектронный эмиттер в виде пленочного покрытия выполнен из материала, обладающего отрицательным сродством к электрону, и представляет собой, например, алмазоподобную пленку углерода. Или на поверхности этого пленочного покрытия выполнены острия и/или микровыступы, вершины которых расположены на уровне, не меньшем или равном 0.9 расстояния от электрода, служащего катодом, до ближайшего к нему управляющего электрода. A feature of this device is the use of a film coating as an autoelectronic emitter located on a part of the surface of an electrode serving as a cathode, as well as making holes in the dielectric separating the control electrodes and in the dielectric separating these control electrodes from the cathode larger than the holes in the control electrodes. In some embodiments, the auto-electronic emitter in the form of a film coating is made of a material having a negative electron affinity, and is, for example, a diamond-like carbon film. Or, points and / or microprotrusions are made on the surface of this film coating, the vertices of which are located at a level not less than or equal to 0.9 of the distance from the electrode serving as the cathode to the control electrode closest to it.
Вследствие небольшого расстояния между анодом и катодом, а также отрицательного сродства к электрону материала эмиттера, уменьшается напряжение, при котором возникает эмиссия электронов, и повышается экономичность управления. Due to the small distance between the anode and cathode, as well as the negative electron affinity of the material of the emitter, the voltage at which electron emission occurs and the control efficiency is increased.
Вместе с тем такое устройство не может быть использовано длительное время в условиях технического вакуума ввиду ионной бомбардировки эмиттера остаточными газами и интенсивного распыления его материала. Во-первых, по причине ограниченности ресурса эмиттера (выполненного в виде тонкой пленки). Во-вторых, по причине загрязнения поверхности внутренних элементов устройства распыленным материалом эмиттера. Так, покрытие им управляющих электродов и диэлектрика между ними снижает надежность устройства и стабильность его характеристик и может даже привести к его неработоспособности, если материал эмиттера обладает достаточно высокой проводимостью. However, such a device cannot be used for a long time in conditions of technical vacuum due to ion bombardment of the emitter by residual gases and intensive atomization of its material. Firstly, due to the limited resource of the emitter (made in the form of a thin film). Secondly, due to contamination of the surface of the internal elements of the device by the sprayed material of the emitter. So, coating them with control electrodes and a dielectric between them reduces the reliability of the device and the stability of its characteristics and can even lead to its inoperability if the emitter material has a sufficiently high conductivity.
Ввиду этого наличие промежуточных элементов между анодом и катодом, особенно в непосредственной близости к последнему, является нежелательным. Такие элементы будут помехой и в том случае, когда надо увеличить разрешение устройства за счет уменьшения расстояния анод-катод. Дело не только в чисто конструктивном ограничении, но и в том, что при чрезмерном приближении катода к управляющему электроду на траекторию полета электронов будут оказывать существенное влияние краевые эффекты на краях отверстий в этом электроде, ухудшающие разрешение. In view of this, the presence of intermediate elements between the anode and cathode, especially in the immediate vicinity of the latter, is undesirable. Such elements will be an obstacle even in the case when it is necessary to increase the resolution of the device by reducing the distance of the anode-cathode. The point is not only a purely constructive limitation, but also that if the cathode is excessively close to the control electrode, the edge paths at the edges of the holes in this electrode, which impair resolution, will have a significant influence on the flight path of the electrons.
Кроме того, наличие таких промежуточных элементов ограничивает и технологические возможности по изготовлению устройства, поскольку требуют подбора пленочных материалов с необходимыми механическими напряжениями и высокой адгезией, не говоря уже о проблемах выполнения в управляющих электродах малых отверстий (о чем уже говорилось выше при анализе [1] ) и селективного травления всех упомянутых слоев на задней панели до материала эмиттера. In addition, the presence of such intermediate elements limits the technological capabilities for manufacturing the device, since it requires the selection of film materials with the necessary mechanical stresses and high adhesion, not to mention the problems of making small holes in the control electrodes (as mentioned above in the analysis [1] ) and selective etching of all the mentioned layers on the rear panel to the emitter material.
Если же в качестве автоэлектронного эмиттера будет использовано пленочное покрытие, на поверхности которого выполнены острия и/или микровыступы, то к описанным недостаткам и проблемам добавится и нестабильность характеристик этого устройства по сути в каждой точке изображения из-за изменения формы эмиттирующей поверхности эмиттеров вследствие ионной бомбардировки остаточными газами, о чем также говорилось при анализе [1] . If, however, a film coating is used as an autoelectronic emitter, on the surface of which tips and / or microprotrusions are made, then the described disadvantages and problems will be added to the instability of the characteristics of this device in essence at each image point due to a change in the shape of the emitter surface of the emitters due to ion bombardment residual gases, which was also mentioned in the analysis [1].
Наиболее близким к заявляемому является плоское автоэлектронное устройство для воспроизведения изображения [3] , содержащее герметичный корпус с изолирующей оптически прозрачной передней панелью, на внутренней поверхности которой размещены по меньшей мере одна анодная шина с люминесцентным слоем по меньшей мере на части ее поверхности, по меньшей мере один катод с волоконным автоэлектронным эмиттером, расположенным на диэлектрической подложке, служащей задней панелью корпуса, каждый из эмиттеров имеет вытянутую форму и содержит ансамбль эмиттирующих элементов, выходящих на его эмиттирующую поверхность, обращенную к передней панели, спейсер для фиксации расстояния от катода до анода на передней панели и по меньшей мере одну шину питания эмиттеров, размещенную на задней панели. Closest to the claimed is a flat electronic image reproducing device [3], comprising a sealed enclosure with an insulating optically transparent front panel, on the inner surface of which at least one anode bus with a luminescent layer is placed on at least part of its surface, at least one cathode with a fiber electron emitter located on a dielectric substrate serving as the back of the housing, each emitter has an elongated shape and contains bl emitting elements emitting it onto the surface facing the front panel, the spacer for fixing the distance from the cathode to the anode in the front panel and at least one bus power of emitters disposed on the rear.
Особенностью прототипа является использование в качестве эмиттера одиночных или связанных в пучок волокон из полупроводникового или проводящего материала, способного к испусканию электронов в режиме холодной эмиссии. Такие волокна могут быть выполнены из такого материала как полностью, так и частично, покрывая в виде пленки сердечник из неэмиссионного материала. Таковыми могут быть, например, алмазные, алмазоподобные углеродные (графитовые) или стекловидные углеродные волокна, вытянутые и одном направлении и лежащие, что существенно, в плоскости катода (на его подложке) параллельно люминесцентному слою. Подложка выполнена волнообразной и волокна поддерживаются в висячем положении гребнями (или впадинами) подложки. Волокна имеют грубую зазубренную боковую поверхность из-за кристаллических включений алмаза субмикронных размеров, выходящих на поверхность различными гранями и частично ориентированных в кристаллографическом направлении "100" или в направлении "111". В первом из них алмаз проявляет низкое, а во втором - отрицательное сродство к электрону. Возможно также наличие обоих видов включений, которые представляют фактически ансамбль эмиттирующих элементов, выходящих на боковую поверхность таких волокон, являющуюся одновременно их эмиттирующей поверхностью. В [3] подчеркивается, что эмиссия электронов осуществляется принципиально из боковой поверхности волокон, но не из их кончика или конца, т. е. не из их торцевой поверхности. При некоторых расположениях волокон на подложке катода ее гребни снабжаются проводящими покрытиями, являющимися управляющими электродами и служащими, по мнению авторов [3] , для лучшего управления электронной эмиссией. A feature of the prototype is the use as a emitter of single or bundled fibers from a semiconductor or conductive material capable of emitting electrons in the cold emission mode. Such fibers can be made of such material, either completely or partially, covering the core of a non-emission material in the form of a film. Such can be, for example, diamond, diamond-like carbon (graphite) or glassy carbon fibers, elongated in one direction and lying, which is essential, in the plane of the cathode (on its substrate) parallel to the luminescent layer. The substrate is made wavy and the fibers are supported in suspension by the ridges (or depressions) of the substrate. The fibers have a coarse, jagged side surface due to crystalline inclusions of diamond of submicron sizes, coming to the surface with various faces and partially oriented in the crystallographic direction “100” or in the direction “111”. In the first of them, diamond shows a low, and in the second, negative electron affinity. It is also possible the presence of both types of inclusions, which are actually an ensemble of emitting elements that extend onto the lateral surface of such fibers, which is simultaneously their emitting surface. In [3], it is emphasized that electron emission is carried out principally from the lateral surface of the fibers, but not from their tip or end, that is, not from their end surface. At some locations of the fibers on the cathode substrate, its ridges are provided with conductive coatings, which are control electrodes and serve, according to the authors of [3], for better control of electron emission.
Однако использование этих кристаллических включений, выходящих на боковую в общем неплоскую, искривленную поверхность волоконных эмиттеров, в качестве эмиттирующих элементов ухудшает разрешение устройства. Это обусловлено тем, что указанная форма эмиттирующей поверхности эмиттера приводит к различной ориентации таких его элементов по отношению к соответствующей ему анодной шине, покрытой люминесцентным покрытием и, как следствие, к различной ориентации траекторий электронов. Это, в свою очередь, приводит как к размытию соответствующей точки изображения (пиксела), так и к снижению ее яркости (светоотдачи). Причем эти характеристики в каждой точке (каждом пикселе) изображения на передней панели устройства будут нестабильными, т. к. разрушение одних элементов и выход на эмиссионную поверхность (вследствие ионной бомбардировки эмиттеров остаточными газами) других элементов (в общем в другом месте и с другой ориентацией) будет приводить к смещению положения пикселов и к изменению их яркости и поперечных размеров. Такой процесс смены эмиттирующих элементов может проявиться в виде мерцания экрана дисплея и дрожания изображения, что будет вызывать повышенное зрительное утомление у пользователей. However, the use of these crystalline inclusions extending to the lateral generally non-planar, curved surface of the fiber emitters as emitting elements impairs the resolution of the device. This is due to the fact that the indicated shape of the emitting surface of the emitter leads to different orientations of its elements with respect to its corresponding anode bus coated with a luminescent coating and, as a result, to different orientations of electron trajectories. This, in turn, leads both to blurring of the corresponding image point (pixel), and to a decrease in its brightness (light output). Moreover, these characteristics at each point (each pixel) of the image on the front panel of the device will be unstable, since destruction of some elements and exit to the emission surface (due to ion bombardment of emitters by residual gases) of other elements (generally in a different place and with a different orientation ) will lead to a displacement of the position of the pixels and to a change in their brightness and transverse dimensions. Such a process of changing emitting elements can manifest itself in the form of flickering of the display screen and image jitter, which will cause increased visual fatigue among users.
Другой возможной причиной нестабильности упомянутых характеристик устройства является отсутствие достаточной механической жесткости эмиттеров, подвешенных в ряде удаленных друг от друга опор на подложке катода, что может оказаться существенным в условиях значительных пондеромоторных нагрузок. Важно и то, что для таких "висячих" эмиттеров весьма сложно обеспечить равномерную эмиссию по всей их длине из-за неизбежности их провисания (поперечные размеры волокон в [3] составляют предпочтительно 3-15 микрон). Особенно заметно это будет проявляться, когда для обеспечения экономичности управления будут уменьшать расстояние эмиттер-анод. Возможно даже, что при таком уменьшении произойдет перераспределение потоков электронов в пользу эмиссии, в основном, из участков волокон вблизи опор. Помимо чрезмерного механического напряжения и разогрева этих участков, что само по себе может привести к преждевременному выходу их из строя, как и устройства в целом, такое перераспределение вызовет неоднородность свечения с темным пятном в центре каждой точки изображения. Последнее может негативно сказаться на зрительном восприятии изображения. Another possible reason for the instability of the mentioned characteristics of the device is the lack of sufficient mechanical rigidity of the emitters suspended in a number of distant supports from each other on the cathode substrate, which can be significant under conditions of significant ponderomotive loads. It is also important that for such “hanging” emitters it is very difficult to ensure uniform emission over their entire length because of the inevitability of their sagging (the transverse dimensions of the fibers in [3] are preferably 3-15 microns). This will be especially noticeable when, to ensure cost-effectiveness, the emitter-anode distance will be reduced. It is even possible that with such a decrease, redistribution of electron fluxes will occur in favor of emission, mainly from fiber sections near the supports. In addition to excessive mechanical stress and heating of these areas, which in itself can lead to premature failure of them, as well as the device as a whole, such a redistribution will cause inhomogeneity of the glow with a dark spot in the center of each image point. The latter may adversely affect the visual perception of the image.
Отдельно следует отметить, что наличие управляющих электродов в [3] , являющихся промежуточными элементами между анодом и катодом, изолированных диэлектриком подложки от эмиттеров и расположенных в непосредственной близости от них, может привести к нестабильности характеристик устройства или даже к сокращению его срока службы. Это обусловлено загрязнением поверхности подложки проводящим материалом эмиттеров (графитом) вследствие его распыления в результате ионной бомбардировки остаточными газами в условиях технического вакуума. It should be noted separately that the presence of control electrodes in [3], which are intermediate elements between the anode and cathode, isolated from the emitter of the substrate from the emitters and located in close proximity to them, can lead to instability of the device characteristics or even to a reduction in its service life. This is due to contamination of the surface of the substrate by the conductive material of the emitters (graphite) due to its sputtering as a result of ion bombardment by residual gases in a technical vacuum.
Помимо этого, из-за необходимости использования тонких и узких анодных шин для обеспечения приемлемого разрешения в прототипе возможно аналогично [1] ухудшение однородности светоотдачи при увеличении поля изображения. In addition, due to the need to use thin and narrow anode bars to ensure acceptable resolution in the prototype, it is possible, similarly to [1], to decrease the uniformity of light output with increasing image field.
Указанные недостатки могут быть преодолены, а поставленная задача может быть решена, если в плоском автоэлектронном устройстве для воспроизведения изображения, содержащем герметичный корпус с изолирующей оптически прозрачной передней панелью, на внутренней поверхности которой размещены по меньшей мере одна анодная шина с люминесцентным слоем по меньшей мере на части ее поверхности, по меньшей мере один автоэлектронный эмиттер, расположенный в диэлектрической подложке, служащей задней панелью корпуса, каждый из которых имеет вытянутую форму и содержит ансамбль эмиттирующих элементов, выходящих на его эмиттирующую поверхность, обращенную к передней панели, спейсер для фиксации расстояния между передней и задней панелями и по меньшей мере одну шину питания эмиттеров, размещенную на задней панели, согласно изобретению каждый эмиттер вытянут в одном направлении - к соответствующей ему анодной шине, его эмиттирующая поверхность выполнена плоской и образована торцевой поверхностью эмиттера, а эмиттирующие элементы, выходящие на эту поверхность, ориентированы в указанном направлении, при этом другая торцевая поверхность этого эмиттера соединена с соответствующей ему шиной питания, размещенной в положении, скрещивающемся с положением упомянутой анодной шины. These disadvantages can be overcome, and the task can be solved if in a flat field-electronic device for image reproduction, containing a sealed enclosure with an insulating optically transparent front panel, on the inner surface of which at least one anode bus with a luminescent layer is placed at least part of its surface, at least one field emitter located in a dielectric substrate serving as the rear panel of the housing, each of which has an elongated shape and contains an ensemble of emitting elements extending onto its emitting surface facing the front panel, a spacer for fixing the distance between the front and rear panels and at least one emitter power bus located on the rear panel, according to the invention, each emitter is extended in one direction - to the corresponding anode bus, its emitting surface is made flat and formed by the end surface of the emitter, and the emitting elements emerging on this surface are oriented in the indicated direction. m direction, while the other end surface of the emitter is coupled to its corresponding power supply bus placed in a position skew to the position of said anode bus.
Наличие отличительных от прототипа признаков свидетельствует о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности по новизне. The presence of distinctive features from the prototype of the signs indicates compliance of the claimed invention with the conditions of patentability for novelty.
Сущность изобретения основана на впервые осуществленном авторами комплексном рассмотрении взаимосвязанных процессов, происходящих в автоэлектронном устройстве для воспроизведения изображения в условиях технического вакуума: разрушение под действием ионной бомбардировки одних эмиттирующих элементов каждого эмиттера, тем большее, чем выше токоотбор с таких элементов, и обнажение новых эмиттирующих элементов и, кроме того, распыление проводящего материала эмиттеров, приводящее к загрязнению поверхности окружающих эмиттеры элементов устройства. Обеспечение стабильности характеристик устройства в каждой точке изображения в таких условиях возможно лишь в статистическом смысле, т. е. при сохранении условий эмиссии в среднем на эмиттер. Этого удалось добиться благодаря достижению одинаковой (в отличие от прототипа) ориентации всех эмиттирующих элементов каждого эмиттера в одном направлении - к соответствующей этому эмиттеру анодной шине. Тогда при разрушении и смене одних эмиттирующих элементов другими будет сохраняться направление эмиссии электронов от эмиттера и тем самым обеспечиваться пространственная стабилизация электронного потока. Такая ориентация эмиттирующих элементов достигается благодаря выполнению их ориентированными вдоль оси эмиттера, направлению его к соответствующей ему анодной шине и выполнению плоской его торцевой поверхности, являющейся эмиттирующей поверхностью эмиттера. Понятно при этом, что все "блуждания" эмиттирующих элементов по торцевой поверхности эмиттера в процессе эксплуатации не различаются зрителем, если поперечные размеры каждого эмиттера не превышают размеров минимального элемента, различимого еще для человека с нормальным зрением. The essence of the invention is based on the first time carried out by the authors of a comprehensive review of the interrelated processes occurring in an auto-electronic device for reproducing an image in a technical vacuum: the destruction by ion bombardment of one emitting element of each emitter, the greater the higher the current collection from such elements and exposure of new emitting elements and, in addition, the spraying of the conductive material of the emitters, leading to contamination of the surface of the surrounding emitters into devices. Ensuring the stability of the characteristics of the device at each image point under such conditions is possible only in a statistical sense, i.e., while maintaining the emission conditions for the emitter on average. This was achieved due to the achievement of the same (in contrast to the prototype) orientation of all emitting elements of each emitter in one direction - to the anode bus corresponding to this emitter. Then, when some emitting elements are destroyed and replaced by others, the direction of electron emission from the emitter will be preserved and thereby the spatial stabilization of the electron beam will be ensured. This orientation of the emitting elements is achieved by making them oriented along the axis of the emitter, directing it to the corresponding anode bus and making its flat end surface, which is the emitting surface of the emitter. It is clear at the same time that all the “wanderings” of the emitting elements along the end surface of the emitter during operation are not differentiated by the viewer, if the transverse dimensions of each emitter do not exceed the dimensions of the minimum element, which is still visible to a person with normal vision.
Временной же стабилизации потока электронов можно добиться путем снижения токоотбора с каждого эмиттирующего элемента за счет увеличения их числа на эмиттирующей поверхности. Для этого проводят в течение определенного времени, зависящего от конкретного материала эмиттеров, предварительную формовку их эмиттирующей поверхности в режиме повышенного токоотбора (в полтора-два раза) по сравнению с номинальным значением тока в процессе последующей работы. Увеличение числа эмиттирующих элементов позволяет снизить интенсивность процесса их разрушения и сделать стабильными их эмиссионные свойства. Но, самое главное, при этом удается сблизить эмиссионные свойства эмиттеров между собой благодаря эффекту усреднения и тем самым обеспечить одну из важнейших характеристик устройства - однородность распределения светотдачи по полю изображения. Конечно, можно достичь этого и просто увеличением поперечных размеров эмиттера. Однако, возможности здесь ограничены требуемым разрешением устройства. Temporary stabilization of the electron flux can be achieved by reducing current collection from each emitting element by increasing their number on the emitting surface. To do this, during a certain time, depending on the specific material of the emitters, a preliminary molding of their emitting surface is carried out in the mode of increased current collection (one and a half to two times) compared to the nominal current value in the process of subsequent work. An increase in the number of emitting elements makes it possible to reduce the intensity of the process of their destruction and to make their emission properties stable. But, most importantly, at the same time, it is possible to bring the emission properties of emitters closer to each other due to the averaging effect and thereby ensure one of the most important characteristics of the device - uniform distribution of light transmission over the image field. Of course, this can be achieved simply by increasing the transverse dimensions of the emitter. However, the possibilities here are limited by the required resolution of the device.
Снижение интенсивности процесса разрушения эмиттеров, кроме того, позволяет снизить темпы загрязнения их материалом других элементов устройства и тем самым стабилизировать характеристики устройства в каждой точке изображения но отношению к этому процессу (не говоря уже о повышении надежности и срока службы). Но главным средством такой стабилизации является удаление любых управляющих элементов из области, прилегающей к эмиттерам - в этом смысле такое предложение является новым. Таких элементов в заявляемом устройстве нет. Reducing the intensity of the process of destruction of emitters, in addition, allows you to reduce the rate of contamination of their material with other elements of the device and thereby stabilize the characteristics of the device at each point of the image but in relation to this process (not to mention the increase in reliability and service life). But the main means of such stabilization is the removal of any control elements from the area adjacent to the emitters - in this sense, such a proposal is new. There are no such elements in the claimed device.
Работа устройства обеспечивается подачей потенциала между требуемыми шиной питания эмиттеров и анодной шиной, отделенной от соответствующего эмиттера вакуумным промежутком (а не тонким слоем диэлектрика, способным загрязняться распыляемым проводящим материалом эмиттера, как в прототипе). В известных аналогах и технических решениях других авторов, применяющих автоэлектронные эмиттеры, либо не использованы в качестве существенных эмиттирующих элементов те из них, что выходят на плоскую торцевую поверхность эмиттеров, либо эти элементы ориентированы в разных направлениях по отношению к анодным шинам, соответствующим этим эмиттерам, либо автоэлектронные эмиттеры использованы как неотъемлемая часть вместе с управляющими элементами, находящимися с ними на одной подложке, что неприемлемо из-за негативного влияния на стабильность и надежность работы устройства процесса распыления материала эмиттеров. Сказанное может служить свидетельством соответствия заявляемого изобретения условиям патентоспособности по изобретательскому уровню. The operation of the device is ensured by supplying a potential between the required emitter power supply bus and the anode bus, separated from the corresponding emitter by a vacuum gap (and not by a thin dielectric layer capable of being contaminated by the sprayed conducting material of the emitter, as in the prototype). In well-known analogs and technical solutions of other authors using field-emitter emitters, either those that go to the flat end surface of the emitters are not used as significant emitting elements, or these elements are oriented in different directions with respect to the anode buses corresponding to these emitters, either auto-electronic emitters are used as an integral part together with control elements located on the same substrate with them, which is unacceptable due to the negative effect on the stable rynnost and reliability of the device process of spraying material of emitters. The foregoing can serve as evidence of the compliance of the claimed invention with the conditions of patentability at an inventive step.
Реализация автоэлектронных эмиттеров для заявляемого устройства может быть различной. Каждый из эмиттеров может быть выполнен в виде пучка углеродных волокон, фибриллы которых вытянуты вдоль его оси и являются его эмиттирующими элементами, хаотически расположенными на торцевой поверхности эмиттера. Увеличение числа волокон в пучке, в дополнение к увеличению числа эмиттирующих элементов на торцевой поверхности каждого волокна путем упомянутой формовки, позволяет увеличить токоотбор с эмиттера и, следовательно, светоотдачу пиксела, излучающего свет под действием электронного потока с этого эмиттера, без увеличения нагрузки на каждое волокно. Тем самым усиливается действие упомянутого эффекта усреднения, способствуя установлению однородного распределения светоотдачи по полю изображения при повышенной яркости каждого пиксела. Увеличение числа волокон в пучке, как уже говорилось, ограничивается требуемым разрешением устройства. The implementation of field emitters for the inventive device may be different. Each of the emitters can be made in the form of a bundle of carbon fibers, the fibrils of which are elongated along its axis and are its emitting elements randomly located on the end surface of the emitter. An increase in the number of fibers in the beam, in addition to increasing the number of emitting elements on the end surface of each fiber by the aforementioned molding, makes it possible to increase the current extraction from the emitter and, therefore, the light output of a pixel emitting light under the influence of the electron flux from this emitter, without increasing the load on each fiber . This enhances the effect of the averaging effect mentioned, contributing to the establishment of a uniform distribution of light output over the image field with increased brightness of each pixel. The increase in the number of fibers in the bundle, as already mentioned, is limited by the required resolution of the device.
Собранные в пучки углеродные волокна каждого эмиттера удерживаются вместе благодаря стеклянной (или иной диэлектрической) оболочке, имеющей наружную цилиндрическую форму, и устанавливаются в диэлектрической подложке своими осями в направлении соответствующей ему анодной шины, как правило, совпадающим с направлением нормали к внутренней поверхности передней панели устройства. Благодаря этому все эмиттеры оказываются параллельными друг другу. Безусловно, эмиттеры могут быть установлены и под другими углами, например, вытянуты в направлениях, составляющих определенные углы в интервале до 3-5o по отношению к указанной нормали и не быть параллельными в этих же пределах по технологическим или иным причинам. Благодаря малым поперечным размерам (предпочтительно, 20-100 мкм) эмиттеров и небольшому расстоянию (0,5-1.4 мм) их до передней панели с анодными шинами и люминесцентным слоем это не приводит к заметному глазом изменению размеров пикселов и расстояния между ними, равно как и других параметров, влияющих на качество изображения. Стекло оболочек не смачивает волокна, а лишь обволакивает их снаружи, обеспечивая хороший электрический и тепловой контакт между ними. Пучки могут быть помещены в отверстия готовой диэлектрической подложки как в оболочках, так и без оболочек. Или (что предпочтительнее) оболочки эмиттеров могут быть скреплены (путем спекания) друг с другом, образуя тем самым таковую диэлектрическую подложку в виде моноблока. Последнее позволяет попутно упростить и технологию изготовления такого блока эмиттеров, и всего устройства в целом. Оболочки эмиттеров могут быть расположены при этом взаимно перпендикулярными рядами по отношению друг к другу или (например, при их цилиндрической форме) со смещением: в каждом последующем их ряде они расположены во впадинах между оболочками эмиттеров предыдущего ряда, образуя их плотную упаковку, при которой острые углы между рядами составляют порядка 60o. Такая технология изготовления способствует получению блоков автоэлектронных эмиттеров с достаточно большой эмиссионной поверхностью и легко допускает их модульное изготовление.The carbon fibers of each emitter collected in bundles are held together by a glass (or other dielectric) shell having an external cylindrical shape and are mounted in the dielectric substrate by their axes in the direction of the corresponding anode bus, which usually coincides with the direction of the normal to the inner surface of the front panel of the device . Due to this, all emitters are parallel to each other. Of course, emitters can be installed at other angles, for example, stretched in directions that make up certain angles in the range up to 3-5 o with respect to the indicated normal and not be parallel in the same range for technological or other reasons. Due to the small transverse dimensions (preferably 20-100 μm) of the emitters and the small distance (0.5-1.4 mm) of them to the front panel with anode buses and a luminescent layer, this does not lead to a noticeable change in the size of pixels and the distance between them, as well as and other parameters that affect image quality. The glass of the shells does not wet the fibers, but only envelops them from the outside, providing good electrical and thermal contact between them. The bundles can be placed in the holes of the finished dielectric substrate both in shells and without shells. Or (which is preferable), the shells of the emitters can be bonded (by sintering) to each other, thereby forming such a dielectric substrate in the form of a monoblock. The latter allows us to simultaneously simplify the manufacturing technology of such a block of emitters, and the entire device as a whole. In this case, the shells of the emitters can be arranged in mutually perpendicular rows with respect to each other or (for example, in their cylindrical shape) with a shift: in each subsequent row they are located in the depressions between the shells of the emitters of the previous row, forming their dense packing, in which the angles between the rows are about 60 o . Such manufacturing technology contributes to the production of blocks of field emitters with a sufficiently large emission surface and easily allows their modular manufacturing.
Важно отметить, что, несмотря на возможное отклонение осей эмиттеров от нормали к внутренней поверхности передней панели, поверхность подложки, служащей задней панелью корпуса, как правило, устанавливается параллельно передней панели. В таком случае технологически проще выдержать равное расстояние эмиттеров до соответствующих анодных шин и тем обеспечить однородный токоотбор с эмиттеров и, следовательно, однородное распределение светоотдачи по полю изображения. It is important to note that, despite the possible deviation of the emitter axes from the normal to the inner surface of the front panel, the surface of the substrate serving as the rear panel of the housing, as a rule, is installed parallel to the front panel. In this case, it is technologically simpler to maintain an equal distance between the emitters and the corresponding anode buses and thereby ensure uniform current extraction from the emitters and, therefore, a uniform distribution of light output over the image field.
Каждый из автоэлектронных эмиттеров может быть выполнен и из пирографита, например, в виде столбика, и установлен в отверстии диэлектрической подложки своей осью в указанном направлении. При их изготовлении происходит ориентирование чешуек пирографита вдоль оси такого эмиттера. Чешуйки, выходящие на эмиттирующую торцевую поверхность каждого столбика, являются эмиттирующими элементами эмиттера. При расположении столбиков пирографита в отверстиях диэлектрической подложки в направлении соответствующих им анодных шин, в том же направлении будут ориентированы и такие чешуйки. Поэтому аналогично предыдущему это будет способствовать стабилизации характеристик устройства в каждой точке изображения. Each of the field emitters can also be made of pyrographite, for example, in the form of a column, and installed in the hole of the dielectric substrate with its axis in the indicated direction. In their manufacture, the pyrographite flakes are oriented along the axis of such an emitter. The flakes that extend onto the emitting end surface of each column are emitting elements of the emitter. When the columns of pyrographite are located in the holes of the dielectric substrate in the direction of the corresponding anode bars, such scales will be oriented in the same direction. Therefore, similar to the previous one, this will help stabilize the characteristics of the device at each point in the image.
Ввиду механической непрочности пирографита целесообразно, чтобы торцевые эмиттирующие поверхности этих столбиков были расположены вровень с поверхностью подложки, обращенной к передней панели, или ниже этой поверхности, но не более чем на 0,1-0.3 расстояния между передней и задней панелями, фиксируемого спейсером. Если расстояние больше, то увеличивается напряжение анод - эмиттер, что сильно снижает экономичность устройства. При реализации это расстояние порядка 50-200 мкм. Это достигается путем шлифовки и полировки этой поверхности с установленными столбиками пирографита с последующим избирательным травлением последних, либо их ионной обработкой в режиме повышенного токоотбора (1.5-2,0 от номинального в рабочем режиме). Одновременно таким образом осуществляется и упомянутая формовка эмиттирующей поверхности таких эмиттеров. При таком расположении эмиттеров не нарушается жесткая фиксация их концов с эмиттирующей поверхностью и не возникает проблем их скола, разрушения или обламывания из-за больших пондеромоторных нагрузок, хотя и требуется приложение более высокого напряжения между соответствующими анодными шинами и шинами питания для создания необходимой напряженности поля (порядка 104 В/см) у эмиттирующей поверхности эмиттеров для возникновения холодной эмиссии электронов.Due to the mechanical fragility of pyrographite, it is advisable that the end emitting surfaces of these columns are flush with the surface of the substrate facing the front panel or lower than this surface, but not more than 0.1-0.3 times the distance between the front and rear panels fixed by the spacer. If the distance is greater, then the voltage of the anode - emitter increases, which greatly reduces the efficiency of the device. When implemented, this distance is about 50-200 microns. This is achieved by grinding and polishing this surface with installed columns of pyrographite followed by selective etching of the latter, or by ion treatment in the mode of increased current collection (1.5-2.0 of the nominal in the operating mode). At the same time, the aforementioned molding of the emitting surface of such emitters is also carried out in this way. With this arrangement of emitters, the rigid fixation of their ends with the emitting surface is not disturbed and there is no problem of their cleavage, destruction, or breaking due to high ponderomotive loads, although a higher voltage is required between the corresponding anode buses and power buses to create the necessary field strength ( about 10 4 V / cm) at the emitting surface of the emitters for the occurrence of cold emission of electrons.
Если в качестве эмиттеров использованы пучки углеродных волокон, помещенные каждый в стеклянные оболочку и установленные в отверстии диэлектрической подложки своей осью в указанном направлении, то аналогично предыдущему их торцевые эмиттирующие поверхности могут быть расположены как вровень с поверхностью подложки, обращенной к передней панели, так и ниже этой поверхности, но не более чем на 0,1-0,3 расстояния между передней и задней панелями. Но кроме этого, такие эмиттеры благодаря фиксирующей роли оболочек могут и выступать над этой поверхностью на расстояние, не превышающее 0,9 расстояния между передней и задней панелями. Это позволяет снизить упомянутое выше напряжение и таким образом обеспечить экономичность управления эмиттируемыми электронными пучками без использования каких-либо вспомогательных элементов управления, в частности, указанных в прототипе. Кстати эффективность подобных элементов управления весьма сомнительна ввиду малого расстояния эмиттер-анод и высокой скорости эмиссии электронов, не говоря уже о снижении надежности и срока службы из-за загрязнения их распыленным материалом эмиттера, что отмечалось и выше. If carbon fiber bundles are used as emitters, each placed in a glass shell and installed in the hole of the dielectric substrate with its axis in the indicated direction, then, similarly to the previous one, their end emitting surfaces can be located flush with the surface of the substrate facing the front panel or lower this surface, but not more than 0.1-0.3 distance between the front and rear panels. But besides this, due to the fixing role of the shells, such emitters can also protrude above this surface by a distance not exceeding 0.9 of the distance between the front and rear panels. This allows you to reduce the aforementioned voltage and thus ensure cost-effective control of emitted electron beams without the use of any auxiliary controls, in particular, specified in the prototype. By the way, the effectiveness of such controls is very doubtful due to the small distance of the emitter-anode and the high rate of electron emission, not to mention the decrease in reliability and service life due to contamination by their pulverized emitter material, which was noted above.
Выбранная предпочтительная ориентация эмиттирующих элементов и самих эмиттеров (вдоль нормали к внутренней поверхности передней панели) обеспечивает также улучшение разрешения заявляемого устройства для воспроизведения изображения. Действительно, в этом случае угловые отклонения силовых линий поля от оси эмиттера наименьшие при прочих равных условиях, поэтому и размер пятна изображения (пиксела) на передней панели минимальный. И тем он меньше, чем ближе эмиттер к соответствующей ему анодной шине при одной и той же расходимости электронного пучка. По этой причине использование волоконных эмиттеров, выступающих над обращенной к передней панели поверхностью подложки, имеет преимущество не только по экономичности управления, но также и по минимально достижимому разрешению автоэлектронного устройства для воспроизведения изображения. The selected preferred orientation of the emitting elements and the emitters themselves (along the normal to the inner surface of the front panel) also provides improved resolution of the claimed device for reproducing the image. Indeed, in this case, the angular deviations of the field lines from the emitter axis are the smallest, all other things being equal, and therefore the size of the image (pixel) spot on the front panel is minimal. And the smaller it is, the closer the emitter to the corresponding anode bus for the same divergence of the electron beam. For this reason, the use of fiber emitters protruding above the surface of the substrate facing the front panel has an advantage not only in terms of cost-effectiveness of control, but also in the minimum achievable resolution of an auto-electronic device for image reproduction.
Заявляемое изобретение допускает различное взаимное расположение анодных шин и люминесцентного слоя при их размещении на внутренней поверхности передней панели. Так, люминесцентный слой может быть нанесен непосредственно на эту поверхность, а упомянутые анодные шины могут быть нанесены на этот слой (в частности, распылены через маску) в виде ряда параллельных проводящих полос. При этом анодные шины выполнены проницаемыми для электронов, эмиттируемых упомянутыми эмиттерами, т. е. равной, но не слишком большой толщины по всей их поверхности, чтобы не ослабить существенно проходящий сквозь них электронный поток и тем самым яркость свечения люминесцентного слоя. Для этого достаточно, чтобы шины имели толщину в несколько десятков ангстрем и ширину, несколько большую поперечного размера эмиттера (например, 120 мкм), но не превышающую расстояния между эмиттерами (170 - 200 мкм). Люминесцентный слой в этом случае занимает всю поверхность каждой анодной шины, обращенную к передней панели. Электроды к такой шине припаяны на противоположной ее стороне. Но возможна и обратная ситуация, когда упомянутые анодные шины, выполненные в виде ряда параллельных проводящих полос, нанесены непосредственно на внутреннюю поверхность передней панели, а на них - люминесцентный слой. Анодные шины при этом выполнены из оптически прозрачной пленки толщиной несколько сотен ангстрем. Люминесцентный слой в этом случае покрывает поверхность анодных шин лишь частично, оставляя место для электродов к шине. Например, они могут иметь ширину, равную ширине полосы анодной шины, и располагаться только на участках поверхности этих полос, обращенных к соответствующим эмиттерам. The claimed invention allows for a different mutual arrangement of the anode tires and the luminescent layer when they are placed on the inner surface of the front panel. Thus, a luminescent layer can be deposited directly on this surface, and the anode bars mentioned can be deposited on this layer (in particular, sprayed through a mask) in the form of a series of parallel conductive strips. In this case, the anode busbars are made permeable to electrons emitted by the said emitters, i.e., of equal but not too large thickness over their entire surface so as not to weaken the electron flux substantially passing through them and thereby the luminosity of the luminescent layer. To do this, it is sufficient that the tires have a thickness of several tens of angstroms and a width slightly larger than the transverse size of the emitter (for example, 120 μm), but not exceeding the distance between the emitters (170 - 200 μm). The luminescent layer in this case occupies the entire surface of each anode bus facing the front panel. The electrodes to such a bus are soldered on its opposite side. But the opposite situation is also possible, when the anode busbars, made in the form of a series of parallel conductive strips, are applied directly to the inner surface of the front panel, and there is a luminescent layer on them. Anode tires are made of optically transparent film with a thickness of several hundred angstroms. In this case, the luminescent layer covers the surface of the anode bars only partially, leaving room for the electrodes to the bus. For example, they can have a width equal to the width of the strip of the anode bus, and can only be located on the surface areas of these strips facing the respective emitters.
Необходимо отметить, что для анодных шин малой толщины и большой протяженности (например, для устройств с большими размерами передней панели) ее электрическое сопротивление составляет заметную величину, всвязи с чем может возникнуть проблема, неоднородного распределения светоотдачи в направлении расположения анодных шин из-за падения напряжения вдоль этих шин. Для устранения этой проблемы целесообразно выполнить упомянутые анодные шины в виде ряда параллельных проводящих полос, имеющих заданную ширину, и толщину, например, на 1-2 порядка большую, чем указано выше (так, что они не будут ни оптически прозрачными, ни проницаемыми для электронов), чтобы падение напряжения вдоль них не превышало заранее установленной величины, и выполнить в них углубления типа лунок на участках напротив соответствующих эмиттеров. Дно таких лунок должно иметь толщину, соответствующую указанной выше, чтобы шина была достаточно проницаемой для электронного потока при нанесения ее на люминесцентный слой, либо оптически прозрачной в другом варианте. В частности, в варианте, когда анодные полосы нанесены непосредственно на внутреннюю поверхность передней панели, люминесцентный слой может быть нанесен лишь на оптически прозрачное дно таких лунок, что может дать определенную экономию материала люминесцентного слоя и быть приемлемым в технологическом плане. При этом размеры лунок должны, что понятно, иметь заданные размеры пиксела изображения и соответствовать или быть несколько больше (на 10 - 15%) поперечных размеров эмиттера (при малых расстояниях эмиттер - анодная шина) и поэтому не превышать размеров минимального элемента, различимого еще для человека с нормальным зрением. It should be noted that for anode busbars of small thickness and long length (for example, for devices with large front panel sizes), its electrical resistance is noticeable, and therefore there may be a problem, the uneven distribution of light output in the direction of the location of the anode tires due to voltage drop along these tires. To eliminate this problem, it is advisable to perform the above-mentioned anode busbars in the form of a series of parallel conductive strips having a given width and thickness, for example, 1-2 orders of magnitude greater than indicated above (so that they are neither optically transparent nor permeable to electrons ) so that the voltage drop along them does not exceed a predetermined value, and to make in them recesses of the type of holes in the areas opposite to the corresponding emitters. The bottom of such holes should have a thickness corresponding to that indicated above, so that the tire is sufficiently permeable to electron flow when applied to the luminescent layer, or optically transparent in another embodiment. In particular, in the case where the anode strips are deposited directly on the inner surface of the front panel, the luminescent layer can be deposited only on the optically transparent bottom of such holes, which can give some savings in the material of the luminescent layer and be technologically acceptable. At the same time, the dimensions of the holes should, of course, have the given image pixel sizes and correspond or be somewhat larger (10 - 15%) of the transverse dimensions of the emitter (at small distances, the emitter - anode bus) and therefore must not exceed the size of the minimum element, distinguishable even for a person with normal vision.
Для фиксации расстояния между передней и задней панелями устройства использован спейсер, предпочтительно расположенный на краях этих панелей и охватывающий их. В этом случае он осуществляет и герметизацию корпуса. В частности, он может быть выполнен в виде кольца с цилиндрическим выступом в средней части для размещения на нем передней и задней панелей на заданном расстоянии между ними. Возможны и другие варианты его расположения, например в виде выступа прямоугольного сечения на боковых стенках корпуса для размещения на нем обеих панелей, или в виде диэлектрических выступов заданной высоты на поверхности подложки, обращенной к передней панели, выполненных заодно с подложкой. To fix the distance between the front and rear panels of the device, a spacer is used, preferably located on the edges of these panels and covering them. In this case, he carries out the sealing of the case. In particular, it can be made in the form of a ring with a cylindrical protrusion in the middle part for placing the front and rear panels on it at a predetermined distance between them. Other variants of its location are possible, for example, in the form of a protrusion of rectangular cross-section on the side walls of the housing for placement of both panels on it, or in the form of dielectric protrusions of a given height on the surface of the substrate facing the front panel, made integral with the substrate.
На противоположной поверхности подложки обычно размещены (например, нанесены напылением или осаждением через соответствующую маску) шины питания эмиттеров, проходящие вдоль соответствующих их рядов через другие (по отношению к эмиттирующим) торцы эмиттеров (например, в виде столбиков пирографита), расположенные заподлицо с этой поверхностью, и имеющие электрический контакт с этими торцами. Шины питания эмиттеров также выполнены в виде проводящих полос, параллельных друг другу, и при размещении на подложке ориентированы в положении, скрещивающемся с положением упомянутых анодных шин. В частности, анодные шины и шины питания эмиттеров могут быть взаимно перпендикулярными или располагаться под острым углом друг к другу (при плотной упаковке - порядка 60o) вдоль соответствующих рядов эмиттеров в зависимости от их расположения в диэлектрической подложке.On the opposite surface of the substrate, emitter power buses are usually located (for example, deposited by sputtering or deposition through an appropriate mask), passing along their respective rows through other (relative to emitting) ends of the emitters (for example, in the form of pyrographite columns) flush with this surface , and having electrical contact with these ends. The power lines of the emitters are also made in the form of conductive strips parallel to each other, and when placed on the substrate, they are oriented in a position that intersects with the position of the said anode buses. In particular, the anode busbars and the power buses of the emitters can be mutually perpendicular or located at an acute angle to each other (with tight packing - about 60 o ) along the respective rows of emitters depending on their location in the dielectric substrate.
Для лучшего понимания сущности изобретения ниже приведен пример его реализации, изображенный на фиг. 1 в увеличенном масштабе в виде сечения с вырезом в средней части. На фиг. 2 показано сечение части устройства по А-А фиг. 1, проходящее через эмиттеры, а на фиг. 3 - более детально часть подложки с двумя эмиттерами, выступающими над ее поверхностью. For a better understanding of the invention, the following is an example of its implementation, shown in FIG. 1 on an enlarged scale in the form of a section with a cutout in the middle part. In FIG. 2 shows a section through a portion of the device along AA of FIG. 1 passing through emitters, and in FIG. 3 is a more detailed part of a substrate with two emitters protruding above its surface.
На фиг. 1 показано плоское автоэлектронное устройство для воспроизведения изображения, содержащее герметичный стеклянный корпус (на фиг. 1 не обозначен) в форме параллелепипеда с изолирующей оптически прозрачной передней панелью 1, выполненной, например, из стекла или другого диэлектрика, прозрачного для видимого излучения, на внутренней поверхности которой нанесен ряд параллельных друг другу анодных шин 2, автоэлектронные эмиттеры 3, расположенные с шагом порядка 200 мкм в диэлектрической подложке 4 (из стекла, кварца), служащей задней панелью корпуса и отделенной от передней панели 1 вакуумным промежутком 5. Каждый из эмиттеров 3 выполнен в виде пучка углеродных полиакрилонитридных волокон (на фиг. 1 не обозначены) с поперечными размерами порядка 100 мкм, производимых отечественной промышленностью, имеет вытянутую вдоль своей оси форму, направлен к соответствующей ему анодной шине 2 по нормали к внутренней поверхности передней панели 1 и содержит ансамбль эмиттирующих элементов 6 (см. фиг. 2), выходящих на плоскую торцевую поверхность эмиттера 3. являющуюся его эмиттирующей поверхностью и обращенную к передней панели 1. Эмиттирующими элементами 6 в этом варианте осуществления изобретения являются вытянутые вдоль оси каждого из волокон фибриллы (нитевидной формы, длиной до 1 мкм, диаметром 1-5 нм). Пучки волокон помещены в цилиндрические стеклянные оболочки, которые расположены в отверстиях диэлектрической подложки 4 так, что их концы установлены вровень с торцами оболочек и образуют торцевую поверхность эмиттера 3, выступающую над подложкой 4 на расстояние порядка 40-400 мкм при расстоянии между передней 1 и задней 4 панелями 0,5-1,4 мм. Для фиксации указанных расстояний используется спейсер 7, выполненный в виде выступа прямоугольного сечения на боковых стенках 8 корпуса, расположенных по обе стороны от панелей 1 и 4 и жестко скрепленных с ними (склеиванием или сваркой). На противоположной (дальней от панели 1) поверхности подложки 4 нанесены параллельные полосы шин 9 питания эмиттеров 3, каждая из которых соединена с другими торцевыми поверхностями соответствующих эмиттеров 3 сваркой и размещена в положении, скрещивающемся с положением упомянутых анодных шин 2 под прямым углом друг к другу. Анодные шины 2 в виде проводящих полос из алюминия толщиной в несколько сотен нанометров выполнены с углублениями 10 типа лунок (фиг. 3) цилиндрической формы на участках напротив соответствующих эмиттеров 3. Лунки 10 имеют размеры пиксела изображения (размеры эмиттера при малых расстояниях эмиттер - анодная шина). Для изготовления таких лунок 10 на первом этапе производят напыление полос шин 2 через маски с круглыми экранами на месте расположения лунок 10. а на последнем этапе - через такие же маски, но без экранов. Дно лунок 10 (толщиной несколько сотен ангстрем) оказывается в результате оптически прозрачным. Только на него нанесен люминесцентный слой 11 (из люминофора), остальная часть шин 2 свободна от люминесцентного слоя 11. Электрические выводы к шинам 2,9 (50 мкм алюминиевая проволока, на фиг. 1-3 не показаны) приварены ультразвуковой сваркой с одной стороны. Выполнение корпуса устройства прямоугольной формы дает возможность модульного построения экранов большой площади, например, для рекламных табло. In FIG. 1 shows a flat field-effect electronic image reproducing device comprising a sealed glass case (not shown in FIG. 1) in the form of a parallelepiped with an insulating optically transparent front panel 1 made, for example, of glass or another dielectric transparent to visible radiation, on the inner surface which has a series of
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
После сборки устройства в корпус, проведения ионной обработки эмиттирующей торцевой поверхности всех эмиттеров 3 ионами газа (подачей разности потенциала на все шины 2 и 9) для создания начального микрорельефа с обнаженными эмиттирующими элементами 6 корпус герметизируют путем его откачки через штенгель (на фиг. 1 не показан) и последующей отпайки последнего. При подаче рабочего напряжения между соответствующими шинами 2 и 9 возникает эмиссия электронов с эмиттирующих элементов 6 эмиттеров 3 в направлении анодной шины 2. Электроны, взаимодействуя с люминесцентным слоем 11 в лунках 10 шины 2, вызывают его свечение. Свет проходит сквозь дно лунки 10 шины 2, появляясь в виде яркого свечения в соответствующих точках (пикселах) передней панели 1 устройства. Изменяя расстояние между передней 1 и задней 4 панелями путем изменения высоты спейсера 7, можно получить устройство с требуемой величиной рабочего напряжения, управляющего эмиссией электронов с автоэлектронных эмиттеров 3. After assembling the device into the housing, carrying out ion processing of the emitting end surface of all emitters with 3 gas ions (applying a potential difference to all
Все основные элементы заявляемого устройства - материалы корпуса, его передней и задней панели, спейсера, углеродные волокна или столбики пирографита, материал люминесцентного слоя, анодных шин и шин питания эмиттеров выпускаются промышленностью, которой освоены и применяемая при изготовлении устройства технология. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности по промышленной применимости. All the main elements of the claimed device — materials of the case, its front and rear panels, spacer, carbon fibers or columns of pyrographite, the material of the luminescent layer, anode buses, and emitter power buses are produced by the industry, which has mastered the technology used in the manufacture of the device. This allows us to conclude that the claimed invention meets the conditions of patentability for industrial applicability.
Приведенный пример реализации не является единственным. Так, возможно изготовление подложки 4 путем остекловывания углеродных волокон эмиттеров 3 с образованием их оболочек, укладки таких эмиттеров 3 в оправку с образованием плотной упаковки, нагрева и спекания оболочек эмиттеров 3 в монолитный блок. Последующая нарезка шайб-заготовок подложки с эмиттерами (толщиной 1-2 мм), шлифовка и полировка поверхностей, а также ионная обработка (бомбардировка) для углубления эмиттирующей поверхности и создания микрорельефа, о чем уже было сказано выше, завершают ее изготовление. На упомянутую другую торцевую поверхность каждого эмиттера 3 может быть нанесена контактная площадка, которая соединена с соответствующей ему шиной 9 питания (размещенной на подложке 4 на изоляторах) не непосредственно, а через элемент для регулировки напряжения питания каждого эмиттера 3 (выполненный, например, на транзисторе или транзисторах). Управляющие входы таких элементов являются соответствующими управляющими входами устройства и служат для подачи управляющих сигналов со схемы управления (например, компьютера - через соответствующий интерфейс). Шины 9 питания эмиттеров 3 располагаются в этом случае под острым углом (порядка 60o) к анодным шипам 2 вдоль соответствующих рядов эмиттеров 3 в подложке 4. Это решение позволяет путем индивидуальной регулировки напряжения питания каждого эмиттера 3 (по соответствующей программе, записанной в компьютере) автоматизировать процесс выравнивания распределения светоотдачи по полю изображения на передней панели 1 при настройке устройства, устраняя тем самым недостатки технологии изготовления подложки 4 с эмиттерами 3, а также возможную неоднородность их эмиссионных свойств. При этом передняя панель 1 с люминесцентным слоем 11, нанесенным непосредственно на ее внутреннюю поверхность, изготовлена по стандартной технологии электронно-лучевых трубок. На слой 11 нанесены (напылены) анодные шины 2 (из алюминия) в виде параллельных полос однородной толщины (20 - 100 ангстрем), выполненных проницаемыми для электронов, испускаемых эмиттерами 3.The given implementation example is not the only one. So, it is possible to produce a
Эти и другие примеры реализации заявляемого устройства и его отдельных элементов являются лишь иллюстрациями и поэтому не могут рассматриваться как ограничение заявляемого изобретения, сущность которого отражена в прилагаемой формуле изобретения. These and other examples of the implementation of the claimed device and its individual elements are only illustrations and therefore cannot be construed as limiting the claimed invention, the essence of which is reflected in the attached claims.
Литература
1. Патент США N 5,509,649 от 9.04.96. НКИ: 445/50.Literature
1. US patent N 5,509,649 from 04/09/96. NKI: 445/50.
2. Международная заявка WO 98/20516, опубликована 14.05.98, МКИ6: H 01 J 31/12, 21/10, 1/30. 2. International application WO 98/20516, published 05/14/98, MKI6: H 01 J 31/12, 21/10, 1/30.
3. Международная заявка WO 97/07524, опубликована 27.02.97, МКИ6: H 01 J 31/12. 3. International application WO 97/07524, published 02.27.97, MKI6: H 01 J 31/12.
Claims (23)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99101991A RU2178598C2 (en) | 1999-02-05 | 1999-02-05 | Field-emission device for image reproduction |
| JP2000029226A JP2000228161A (en) | 1999-02-05 | 2000-02-07 | Flat type electric field electron device for reproducing picture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99101991A RU2178598C2 (en) | 1999-02-05 | 1999-02-05 | Field-emission device for image reproduction |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU99101991A RU99101991A (en) | 2000-12-10 |
| RU2178598C2 true RU2178598C2 (en) | 2002-01-20 |
Family
ID=20215361
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99101991A RU2178598C2 (en) | 1999-02-05 | 1999-02-05 | Field-emission device for image reproduction |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000228161A (en) |
| RU (1) | RU2178598C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8089211B2 (en) | 2006-05-31 | 2012-01-03 | Panasonic Corporation | Plasma display panel and method for manufacturing the same |
| RU2480802C2 (en) * | 2008-08-04 | 2013-04-27 | Шарп Кабусики Кайся | Liquid crystal display device |
| RU2521433C2 (en) * | 2012-10-11 | 2014-06-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (ОАО "Плазма") | Pulse-type x-ray tube |
| RU2521436C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-06-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (ОАО "Плазма") | Pulsed x-ray tube |
| RU2604727C1 (en) * | 2015-07-06 | 2016-12-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Device for field-emission homogeneity degree determination from emission medium surface |
-
1999
- 1999-02-05 RU RU99101991A patent/RU2178598C2/en not_active IP Right Cessation
-
2000
- 2000-02-07 JP JP2000029226A patent/JP2000228161A/en active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8089211B2 (en) | 2006-05-31 | 2012-01-03 | Panasonic Corporation | Plasma display panel and method for manufacturing the same |
| US8183775B2 (en) | 2006-05-31 | 2012-05-22 | Panasonic Corporation | Plasma display panel and method for manufacturing the same |
| RU2480802C2 (en) * | 2008-08-04 | 2013-04-27 | Шарп Кабусики Кайся | Liquid crystal display device |
| RU2521433C2 (en) * | 2012-10-11 | 2014-06-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (ОАО "Плазма") | Pulse-type x-ray tube |
| RU2521436C1 (en) * | 2013-01-09 | 2014-06-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт газоразрядных приборов "Плазма" (ОАО "Плазма") | Pulsed x-ray tube |
| RU2604727C1 (en) * | 2015-07-06 | 2016-12-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Device for field-emission homogeneity degree determination from emission medium surface |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000228161A (en) | 2000-08-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6008576A (en) | Flat display and process for producing cathode plate for use in flat display | |
| KR20060119271A (en) | Electron emission device and process of the same | |
| EP1542258B1 (en) | Field emission display | |
| KR20050086238A (en) | Field emission display device | |
| US6445125B1 (en) | Flat panel display having field emission cathode and manufacturing method thereof | |
| EP1746620B1 (en) | Electron emission type backlight unit and flat display apparatus having the same | |
| RU2178598C2 (en) | Field-emission device for image reproduction | |
| US7173365B2 (en) | Field emission display having emitter arrangement structure capable of enhancing electron emission characteristics | |
| KR100258714B1 (en) | Flat panel display having field emission cathode | |
| JP2004259577A (en) | Flat-plate type image display device | |
| US7569980B2 (en) | Thermal electron emitting backlight unit | |
| JP2006128073A (en) | Electron emission display device | |
| JP2006324127A (en) | Flat surface display | |
| KR100378350B1 (en) | Field emission display having an united spacer assembly for high voltage screen and manufacturing method thereof | |
| KR100506075B1 (en) | Field emission display devices using high aspect ratio spacer for high voltage screen and manufacturing method thereof | |
| US7468577B2 (en) | Electron emission display having a spacer with inner electrode inserted therein | |
| JP2007207747A (en) | Spacer, its manufacturing method and electron emission display device provided with spacer | |
| KR20050078330A (en) | Field emission display device | |
| KR100254826B1 (en) | Tripod type fed | |
| KR20020066581A (en) | Large-sized flat panel display device having flat emission source and method of operation of the device | |
| KR19990052609A (en) | Flat panel display having cathode for field emission and manufacturing method thereof | |
| KR101009982B1 (en) | Field Emission Display Device and Process of The Same | |
| KR100532999B1 (en) | Carbon nanotube field emission device having a field shielding plate | |
| JPH11191359A (en) | Field emission element and display device using this | |
| KR101009978B1 (en) | Field emission display device and manufacturing method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070206 |