Flachbildschirm mit einer Helium-Füllung

Abstract

 Ein Display, bei dem Elektronen aus einer Heliumentladung gewonnen und durch ausgewählte Löcher einer Steuermatrix in einen plasmafreien Raum gezogen werden, dort Energien von einigen kV aufnehmen und schließlich auf einem Leuchtschirm Lichtpunkte erzeugen, ist erfindungsgemäß folgendermaßen beschaffen: Die Kathode (8) der Gasentladung besteht zumindest auf ihrer Emissionsfläche aus Zirkon; die Gasentladung selbst brennt im anomalen Bereich; vor der Steuermatrix befindet sich eine weitere Elektrodenebene mitzeilenleiterparallelen, das Hintergrundsleuchten dämpfenden Streifenleitern (12). In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Gasfüllung einen Druck von etwa 2mbar, brennt das Plasma mit einer Stromdichte von ca. 200µA/cm² und ist außerdem noch die Nachbeschleunigungskathode mit einer Implantationsschutzschicht aus einem hochschmelzenden Metall bedeckte. Ein derartiger Bildschirm liefert kontrastreiche, leuchtstarke Bilder in einem relativ stabilen Betrieb.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Flachbildschirm gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Bildröhre wird in der älteren, noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung P 3329059.8 beschrieben.

[0002] Das Display der zitierten Anmeldung arbeitet nach folgendem Prinzip: In einer rückwärtigen Gasentladung werden Elektronen erzeugt, die durch ausgewählte löcher einer Steuermatrix in einen vorderen Raum gelangen, dort auf etwa 4kV nachbeschleunigt werden und schließlich auf einen Phosphorschirm prallen. Die Beschleunigungsstrecke ist so kurz bemessen, daß die Hochspannung nicht ausreicht, das Gas - es handelt sich um Helium - im Nachbeschleunigungsraum zu zünden.

[0003] Helium hat eine Reihe von günstigen Eigenschaften: Es ist chemisch inert, verlangt eine relativ geringe Brennspannung und ermöglicht einen hochspannungsfesten Nachbeschleunigungsraum. Weniger günstig ist, daß die Brennspannung im Laufe des Betriebs ansteigen kann und daß die dargestellten Bilder einen recht hellen Hintergrund haben, durch Nebensprecheffekte beeinträchtigt werden und im . übrigen auch nicht besonders leuchtstark sind. Seit dem man erkannt hat, daß der Brennspannungsanstieg vor allem auf eine druckmindernde He^+-Implantation in der Nachbeschleunigungsstrecke zurückzuführen ist, kann man diesen Effekt durch einen speziellen Elektrodenüberzug begrenzen (vgl. hierzu die eingangs erwähnte Anmeldung). Auch die Bildstörungen, die im wesentlichen daher kommen, daß schnelle Plasmaelektronen im Helium relativ wenig abgebremst werden, lassen sich durch zusätzliche Sperrgitter weitgehend beseitigen (vgl. hierzu auch die ältere, ebenfalls noch unveröffentlichte Patentanmeldung P 32 07 685.1). Les 1 Lk/26.10.1983

[0004] Es ist aber noch nicht gelungen, die Stromdichte der Gasentladung ohne schädliche Nebenwirkungen soweit zu erhöhen, daß man auch rasch bewegte Bilder mit ausreichender Lichtstärke darstellen könnte. Besonders unangenehm sind Sputterphänomene, die zu Kurzschlüssen führen können und die Kathode mit der Zeit zerstören.

[0005] Die Stromausbeute ist erheblich größer, wenn man das Edelgas He durch das Molekülgas H₂ ersetzt. Wasserstoff liefert überdies recht kräftige Bildkontraste und - zumindest mit besonders präparierten Aluminiumkathoden (DE-OS 2929270) - geringe Sputterraten, ist aber weniger durchschlagsfest und kommt letztlich vor allem deshalb nicht in Frage, weil er den Phosphor angreift.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Flachbildröhre der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß man aus der Gasentladung noch mehr Strom ziehen kann, ohne störende Zerstäubungseffekte oder sonstige Verschlechterungen in Kauf nehmen zu müssen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0007] Der Lösungsvorschlag beruht auf dem Befund, daß Zirkon durch ein He^+-Bombardement extrem wenig zerstäubt wird, und zwar auch dann, wenn die Ionen aus einer anomalen Gasentladung stammen. ("Anomal" ist die Gasentladung bekanntlich dann, wenn die Kathode auf ganzer Fläche emittiert und die Stromdichte und die Brennspannung mit steigender Stromstärke zunehmen.) Unterstützt man außerdem noch, wie erfindungsgemäß vorgeschrieben, das Schaltvermögen der Steuermatrix mit einer davorgesetzten Gitterelektrode, so kann man - bei richtigen Druck- und Spannungswerten und ggf. einer zusätzlichen Implantationsschutzschicht auf der Nachbeschleunigungskathode - einen Kontrast bis zu 1:100 und eine Stromdichte von mehr als 200µA/cm² erzielen und diese Werte über mehrere tausend Stunden hinweg halten. Damit lassen sich bewegte Farbbilder mit Grausteuerung und guter Auflösung unter bemerkenswert stabilen Betriebsbedingungen darstellen.

[0008] Daß Heliumionen aus einer Zirkonoberfläche nur wenig Atome herausschlagen können, ist an sich bekannt (J.Appl.Phys.33 (1962) 1842). Es gibt auch schon seit Jahren Gaslaser, bei denen mit einer Zr-Kathode in einem He-Ne-Gemisch eine (normale) Gasentladung erzeugtwird (DE-PS 25 06 842). Diese Kenntnisse sind allerdings für die vorliegenden Probleme wenig aussagekräftig; insbesondere war nicht vorherzusehen, daß der hier vorgeschlagene Bildschirm in der Summe seiner Eigenschaften allen Vorgängern seines Typs überlegen sein würde.

[0009] Zu besten Resultaten kommt man, wenn man Gasdruck und Schaltspannungen zwischen folgenden Grenzwerten einstellt: Den Druck zwischen2mbar und 2, 5mbar; die Spannung des jeweils getasteten Zeilenleiters (Tastpotential) zwischen +40V und +60V gegenüber der Spannung der übrigen Zeilenleiter (Ruhepotential); die Sperr- und Durchlaßspannungen der Spaltenleiter um bis zu 15V positiver als das Ruhepotential bzw. um bis zu 15V negativer als das Tastpotential; die Sperr-und Durchlaßspannungen der Tetrodenleiter um bis zu 40V negativ gegen das Ruhepotential bzw. um bis zu 20V positiv gegenüber dem Tastpotential. Befindet sich vor der Tetrodenebene noch eine weitere, als Nachbeschleunigungskathode dienende Elektrode, so sollte sie um mindestens +30V gegen die Durchlaßspannung der Tetrodenleiter vorgespannt sein.

[0010] Es genügt, wenn die Kathode der Gasentladung nur in ihren Elektronen emittierenden Bereichen aus Zirkon besteht. Davon abgesehen kann es sich empfehlen, das Zirkon mit einer dünnen, normalerweise höchstens 1µm dicken Oxidhaut zu überziehen. Versuche haben nämlich gezeigt, daß eine derart formierte Kathode eine mindestens genauso gute Elektronenausbeute und Sputterrate wie eine oxidfreie Zirkonoberfläche hat. Voraussetzung ist allerdings, daß die Oxidschicht über der ganzen Fläche homogen ist, da die Entladung sonst ungleichmäßig wird und unter Umständen die Lebensdauer der Kathode begrenzt.

[0011] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

[0012] Der Lösungsvorschlag soll nun anhand eines bevorzugten, schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

[0013] Die Figur zeigt in einem schematischen Seitenschnitt ein Flachdisplay, das in einem Farbfernsehgerät eingesetzt werden könnte. Dieses Display enthält eine Vakuumhülle mit einem wannenartigen Rückteil 1 und einer Frontplatte 2. Das Hülleninnere wird durch eine Steuerstruktur, bestehend aus einer hinteren Steuerscheibe 3 und einer vorderen Trägerplatte 4, in einen hinteren Gasentladungsraum 5 und einen vorderen Nachbeschleunigungsraum 6 unterteilt. Alle Platten sowie der Wannenboden erstrecken sich in zueinander parallelen Ebenen und sind randseitig miteinander verlötet; der Abstand zwischen der Trägerplatte und der Frontplatte wird dabei durch einen Abstandsrahmen.7 gewahrt. Das Rückteil trägt eine Reihe von streifenförmigen, zueinander parallelen Kathoden 8, die durch den Wannenboden hindurchgeführt sind. Die Steuerplatte 3 ist auf ihrer Rückseite mit Zeilenleitern 9 und vorne mit Spaltenleitern 10 versehen. Beide_' Leiterarten bilden zusammen eine Steuermatrix mit einzeln ansteuerbaren Elementen. In jedem Leiterkreuzungspunkt sind die Elektroden und die Platte je einmal durchbrochen (Öffnungen 11). Die Trägerplatte 4 ist rück- und frontseitig mit zeilenleiterparallelen Streifenleitern (Tetrodenleitern) 12 bzw. einer durchgehenden Elektrode (Pentode) 13 beschichtet. Diese Einheit enthält ein regelmäßiges Muster aus Durchtrittskanälen 14, die jeweils mit einer der Öffnungen 11 fluchten. Die Frontplatte trägt auf ihrer Rückseite ein Raster aus Phosphorpunkten 15 und darüber eine durchgehende Schichtelektrode (Nachbeschleunigungsanode) 16; die Phosphorpunkte sind jeweils einem der Durchtrittskanäle 14 vorgelagert. Im vorliegenden Beispiel sind sechs Streifenkathoden, 280 Zeilenleiter und 720 Spaltenleiter bei einem Raster von 0,32x0,60mm² vorgesehen.

[0014] Die einzelnen Displayteile sind folgendermaßen beschaffen: Rückteil, Steuerscheibe und Frontplatte bestehen aus einem Weichglas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 90 x10-7^oK-¹. Die Trägerplatte ist aus einem fotoätzbaren, thermisch angepaßten Glas hergestellt worden. Die Steuerscheibe und die Trägerplatte sind 0,15mm bzw. 0,8mm dick, der Abstand zwischen Träger- und Frontplatte beträgt 1,7mm. Die Elektroden der Steuerstruktur bestehen aus einer aufgedampften, mit Cu und Ni galvanisch verstärkten Ti/Cu-. Schicht; die Pentode ist zusätzlich mit einer W-Implantationsschutzschicht bedeckt. Die Streifenkathoden bestehen jeweils aus einem 0,2mm starken Zr-Blech, das vor dem Einbau bei ca. 250°C aktiviert worden ist, um Verunreinigun-. gen auszutreiben und die Blechoberfläche ca. 200µm tief zu oxidieren. Die Gasfüllung besteht aus reinem He mit einem Anfangsdruck von 2,5mbar. Als Phosphore wurden verwendet: Gd₂0₂S:Tb(grün), ZnS:Ag(blau) und Y₂0₃:Eu(rot).

[0015] Im Betrieb des Displays werden die Zeilenleiter, die zunächst auf Erdpotential liegen, nacheinander angesteuert, das heißt auf +50V angehoben. Die hinter dem gerade getasteten Zeilenleiter befindliche Streifenkathode wird auf -150V gelegt. Während jeder Zeilentastzeit erhalten die Spaltenleiter die zugehörigen Signalspannungen in Höhe von +40V bzw. +10V. In der Tetrodenebene liegt der Leiter, der dem gerade getasteten Zeilenleiter zugeordnet ist, auf +60V, während die übrigen Leiter -30V erhalten. Die Pentode befindet sich auf +100V, und die Spannung der Nachbeschleunigungsanode liegt zwischen +4kV und +5kV. Bei diesen Spannungen brennt jeweils zwischen dem angesteuerten Zeilenleiter und der jeweils gegenüberliegenden Streifenkathode eine Gasentladung, die durch einen geeignet gewählten Vorwiderstand eine Stromdichte von 200µA/cm² hat und somit bereits stark anomal ist. Die Elektronen dieses Plasmas fliegen durch die voll selektierten Löcher der Steuermatrix in den Nachbeschleunigungsraum, wo sie schließlich mit Energien von mehr als 4kV auf die zugehörigen Phosphorpunkte platzen. Für weitere Betriebseinzelheiten wird auf Elektronik 14 (1982) 79 verwiesen.

[0016] Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das dargestellte Ausführungsbeispiel. So kann die Steuerstruktur auch anders organisiert und konstruiert sein, solange nur die Elektronen aus einem Längsplasma mit einem vorzugsweise keilähnlichen Volumen gewonnen und in einem plasmafreien Raum auf einige kV gebracht werden. Dementsprechend steht es dem Fachmann frei, die Steuermatrix relativ grob zu rastern und mit einer Elektronennachablenkung zu kombinieren, die Leiter einer Ebene gruppenweise zusammenzuschalten oder etwa einzelne Elektrodengitter durch Drähte zu realisieren. Im übrigen braucht das zur Füllung verwendete Helium nicht stets hochrein zu sein; störende Verunreinigungen ließen sich bei Bedarf weggettern - Zirkon bindet selbst eine Reihe von Gasen - , und Spuren gewisser (Molekül- oder Edel-)Gase können sich unter Umständen auch durchaus positiv auswirken.

Ansprüche

1. Flachbildschirm mit folgenden Merkmalen:

1a) eine vakuumdichte, mit Helium gefüllte Hülle hat zwei zueinander parallele, in Betrachtungsrichtung hintereinander liegende Wandplatten (Frontplatte, Rückplatte);

b) die Rückplatte trägt auf ihrer Vorderseite mindestens eine großflächige Elektrode (Plasmakathode);

c) die Frontplatte ist auf ihrer Rückseite mit einer durchgehenden Schichtelektrode (Nachbeschleunigungsanode) und einer kathodolumineszenten Schicht versehen;

d) zwischen beiden Wandplatten befindet sich eine Steuerstruktur, die das Hülleninnere in einen hinteren Raum (Gasentladungsraum) und einen vorderen Raum (Niachbeschleunigungsraum) unterteilt und mindestens eine wandplattenparallele Stützplatte sowie mindestens drei wandplattenparallele Elektrodengitter enthält;

e) das hinterste Elektrodengiiter besteht aus einzeln ansteuerbaren Zeilenleitern, das vor den Zeilenleitern befindliche Elektrodengitter besteht aus einzeln ansteuerbaren, zu den Zeilenleitern senkrecht verlaufenden Spaltenleitern, und das vor den Spaltenleitern befindliche Elektrodengitter besteht aus zeilenleiterparallelen Streifenleitern (Tetrodenleiter);

f) die Stützplatte, die zumindest eines der Elektrodengitter trägt, ist in den Kreuzungspunkten der Zeilenleiter mit den Spaltenleitern gelocht;

2a) im Betrieb brennt zwischen der Plasmakathode und einem der Zeilenleiter eine Gasentladung und

b) liegt zwischen der Nachbeschleunigungsanode und dem vordersten Elektrodengitter (Nachbeschleunigungska-' thode) eine Hochspannung >1kV, wobei der Abstand zwischen den beiden Nachbeschleunigungselektroden so gering ist, daß im Nachbeschleunigungsraum keine Gasentladung gezündet wird;

dadurch gekennzeichnet, daß

1g) die Plasmakathode (8) zumindest auf ihrer Emissionsfläche aus Zirkon besteht und

2c) die Gasentladung anomal ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heliumfüllung einen Druck zwischen 1,8mbar und 2,7mbar, insbesondere zwischen 2mbar und 2,5mbar hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung mit einer Stromdichte zwischen 100µA,cm² und 350µA/cm², insbesondere zwischen 200µ/cm² und 300µA/cm² brennt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emissionsfläche der Plasmakathode (8) mit einer vorzugsweise <0,1µm dicken Zirkonoxidhaut überzogen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere streifenförmige, zeilenleiterparallele Plasmakathoden (8) vorgesehen sind und daß vor jeder dieser Kathoden zwischen 35 und 90, insbesondere zwischen 45 und 80 Zeilenleiter (9) liegen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb der jeweils als Plasmaanode dienende Zeilenleiter (9) auf einem Potential (Tastpotential) liegt, das zwischen 40V und 60V positiver ist als das Potential der übrigen Zeilenleiter (Ruhepotential), daß die Spaltenleiter (10) entweder auf einem Sperr- oder einem Durchlaßpotential liegen, das um bis zu 15V positiver als das Ruhepotential bzw. um bis zu 15V negativer als das Tastpotential ist, und daß die Tetrodenleiter (12) entweder auf einem Sperr- oder einem Durchlaßpotential liegen, das um bis zu 40V negativer als das Ruhepotential bzw. um bis zu 20V positiver als das Tastpotential ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, mit einer weiteren, durchgehenden Elektrode (Pentode) vor den Tetrodenleitern, dadurch gekennzeichnet, daß die Pentode (13) im Betrieb ein gegen das Streifenleiter-Durchlaßpotential mindestens 80V positiveres Potential erhält.

8, Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb die Plasmakathode (8) auf einem Potential liegt, das gegenüber dem Tastpotential zwischen 180V und 220V negativer ist, und das Potential der Nachbeschleunigungsanode (16) in Bezug auf das Ruhepotential zwischen +4kV und +5kV liegt.

Zeichnung