ХОЛОДНОЭМИССИОННЫЙ КАТОД И ПЛОСКИЙ ДИСПЛЕЙ Российский патент 2003 года по МПК H01J1/304 H01J29/10 H01J31/08 

Изобретение относится к области высокоэффективных холодноэмиссионных катодов и полноцветных плоских дисплеев.

Известен дисплей с холодноэмиссионным катодом, в котором катод выполнен в виде острий из кремния, молибдена или других проводящих материалов [1]. Однако эти применяемые катоды очень дороги и не обладают стабильными эмиссионными характеристиками.

Известен дисплей, в котором холодноэмиссионный катод выполнен в виде подложки с расположенным на ней эмиттером из пленки аморфного алмаза, получаемой методом лазерного распыления [2]. Пленки аморфного алмаза получаются путем осаждения на холодной подложке углерода, испаряемого из графитовой мишени излучением мощного лазера. Недостатком таких пленок является низкая плотность эмитирующих центров (10³ на 1 см² при электрическом поле 20 В/мкм), что явно недостаточно для создания полноцветного монитора с 256 градациями яркости. К недостаткам следует отнести также его сложность, дороговизну, существенные трудности при масштабировании.

Известен холодноэмиссионный пленочный катод, выполненный в виде подложки с расположенным на ней эмиттером из нанокристаллической углеродсодержащей (алмазной) пленки и полученный методом осаждения радикалов и ионов из плазмы постоянного тлеющего разряда в среде углеродсодержащего газа [3]. Такой катод обладает эмиссионными свойствами, достаточными для создания качественного полноцветного монитора, поскольку плотность эмитирующих центров нанокристаллической углеродсодержащей (алмазной) пленки более 10⁵, порог эмиссии 5-8 В/мкм, а ток более 1 А/см². Однако технология осаждения таких пленок требует нагрева подложек до температуры более 700^oС, что исключает возможность использования в качестве подложки стекла. Вместе с тем именно стекло является наиболее дешевым и технологичным материалом, отвечающим всем требованиям, предъявляемым технологиями склейки и вакуумирования дисплея. Кроме того, для стекла уже разработаны методы травления и металлизации.

Известен плоский дисплей, содержащий параллельно расположенные диэлектрические платы, в зазоре между которыми на одной размещена система параллельных холодноэмиссионных катодов, выполненных в виде параллельных шин с расположенным на них нанокристаллическими углеродсодержащими пленочными эмиттерами, и на другой размещена система анодов [4]. Однако использование стеклянных плат при выполнении катодов с нанокристаллическими углеродсодержащаии пленочными эмиттерами в данной конструкции невозможно.

Целью предлагаемого изобретения является разработка технологичного и дешевого холодноэмиссионного пленочного катода с высокими эмиссионными свойствами, позволяющего использование стеклянной или даже полимерной подложки и создание полноцветного дисплея на основе этого катода.

В предлагаемом холодноэмиссионном пленочном катоде, содержащем диэлектрическую подложку и расположенный на ней нанокристаллический углеродсодержащий пленочный эмиттер, эмиттер выполнен в виде монослоя зерен порошка тугоплавкого материала, покрытых нанокристаллической углеродсодержащей пленкой. Размер зерен порошка выбирается от 10^-9 до 10^-4 м.

В качестве порошка подбирается материал из ряда кремний, алмаз, карбид кремния, молибден, вольфрам, тантал, титан и их сплавы. Между подложкой и эмиттером может быть расположен металлический слой.

В предлагаемом плоском дисплее, содержащем параллельно расположенные диэлектрические платы, с размещенной на одной из них в зазоре между платами системой холодноэмиссионных катодов, выполненных в виде параллельных шин, с расположенными на них нанокристаллическими углеродсодержащими пленочными эмиттерами, и размещенной на другой плате системой анодов эмиттер выполнен в виде из ряда кремний, алмаз, карбит кремния, молибден, вольфрам, тантал, титан и их сплавы монослоя зерен порошка тугоплавкого материала с размером зерен от 10^-9 до 10^-4 м, покрытых нанокристаллической углеродсодержащей пленкой. При этом платы могут быть выполнены в виде стеклянных пластин. Катоды и аноды образуют систему строк и столбцов. Дисплей может быть выполнен как по диодной схеме, так и может содержать дополнительно расположенные между катодами и анодами сетки.

Изобретение поясняется чертежом, отражающим устройство катода и плоского дисплея, выполненного по диодной схеме с холодноэмиссионым пленочным катодом, где на фиг.1 изображен схематично катод, а на фиг.2 изображен вид дисплея вдоль строк, а на фиг.3 изображен вид дисплея вдоль столбцов.

Катод выполнен на подложке (1) с расположенным на ней эмиттером в виде монослоя зерен (2), покрытых нанокристаллической углеродсодержащей пленкой (3).

Дисплей состоит из двух стеклянных пластин (4) и (5). На одной из стеклянных пластин (4) размещены выполняющие роль подложки катода шины (6) с расположенными на них эмиттерами (7), выполненными в виде монослоя зерен порошка, покрытых нанокристаллической углеродсодержащей пленкой. На второй стеклянной пластине (2) расположена система анодов (8), покрытых слоем люминофора (9). Зазор между катодами и анодами определяется величиной спейсера (10).

При выполнении дисплея по триодной схеме между катодами и анодами располагается сетка, основной функцией которой является управление током эмиссии. Расстояние между сеткой и поверхностью подложки в нижнем пределе ограничено величиной шероховатости катода, а в верхнем пределе ограничено величиной управляющего напряжения.

Нагрев порошков при осаждении нанокристаллической углеродсодержащей пленки осуществляется в диапазоне температур 600 -900^oС, исходя из требований технологии осаждения хорошо эмитирующей пленки. Поэтому материал порошка выбирается, исходя из требований высокотемпературной стойкости в области порядка 1000^oС, высокой адгезии эмитирующей пленки, низкой распыляемости и химической активности в потоке водорода с углеводородным газом. Размер зерен порошка и их дисперсия определяются минимальным зазором сетка - катод, а также технологическими и экономическими показателями. Очевидно, что размер зерен порошка должен быть существенно меньше зазора сетка - катод.

Проведены исследования эмиссионных характеристик предлагаемого катода. Использовался порошок кремния с размером зерен меньше 10 мкм. Порошок наносился тонким слоем на подложкодержатель, проводился процесс осаждения. Исследования с помощью сканирующих электронного и туннельного микроскопов, рентгеновской дифрактометрии подтвердили на поверхности зерен наличие нанокристаллической углеродсодержащей пленки. Полученный порошок был нанесен на кремниевую подложку с помощью серебряной пасты. Эмиссионные характеристики полученного таким образом катода были измерены в диодном тестере с люминофорным экраном по стандартной методике. Из этих данных видно, что порог эмиссии всего несколько вольт на микрон. Данные, полученные по свечению люминофора, показали однородное распределение электронной эмиссии по поверхности катода. Достигнута плотность тока более 10 mA/см².

Все элементы дисплея расположены в вакууме между стеклянными пластинами (4) и (5). В качестве катодных адресных шин (6) используются любые металлические проводящие покрытия, созданные по стандартной технологии. Порошок на шины (6) наносится стандартными способами, на который в свою очередь известными методами осаждена хорошо эмитирующая нанокристаллическая углеродсодержащая пленка. Катодный узел склеивается с анодным и вакуумируется по стандартной технологии.

Предлагаемое устройство позволяет использовать дешевое стекло или даже полимеры для создания катодного узла дисплея с использованием холодноэмиссионного катода, а кроме того использовать стандартные технологии для склейки и вакуумирования дисплея.

Источники информации
1. I. Brodie, P. R. Schwoebel, Proceedings of the IEEE, 1994, v.82, n.7, p. 1006.

2. Diamond based field emission flat panel displays. Solid State Tech., 1995, May, p. 71.

3. Заявка на изобретение 96123788, приоритет 23.12.96.

4. Заявка на изобретение 97107393, приоритет 24.04.97.

Изобретение относится к плоским дисплеям на основе холодноэмиссионных катодов. Техническим результатом является создание полноцветного технологичного дисплея с использованием холодноэмиссионного катода с высокими эмиссионными характеристиками. Холодноэмиссионный пленочный катод состоит из диэлектрической подложки, которая может быть выполнена стеклянной, с расположенным на ней нанокристаллическим углеродсодержащим пленочным эмиттером, выполненным в виде монослоя зерен порошка тугоплавкого материала с размером зерен от 10^-9 до 10^-4 м, покрытых нанокристаллической углеродсодержащей пленкой. Плоский дисплей содержит плоские стеклянные пластины, на одной из которых расположена система холоднооэмиссионных катодов, выполненных в виде шин, на которые нанесен монослой зерен порошка тугоплавкого материала с размером от 10^-9 до 10^-4 м, покрытых нанокристаллической углеродсодержащей пленкой. Зерна порошка выполнены из материала из ряда кремний, алмаз, карбид кремния, молибден, вольфрам, тантал, титан и их сплавы. Платы выполнены в виде стеклянных пластин. Между катодом и анодом может быть расположена по крайней мере одна сетка. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Холодноэмиссионный пленочный катод, выполненный в виде диэлектрической подложки с расположенным на ней нанокристаллическим углеродосодержащим пленочным эмиттером, отличающийся тем, что эмиттер выполнен в виде монослоя зерен порошка тугоплавкого материала с размером зерен от 10^-9 до 10^-4 м, покрытых нанокристаллической углеродосодержащей пленкой. 2. Холодноэмиссионный катод по п. 1, отличающийся тем, что зерна порошка выполнены из материала из ряда кремний, алмаз, карбид кремния, молибден, вольфрам, тантал, титан и их сплавы. 3. Холодноэмиссионный катод по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена стеклянной. 4. Холодноэмиссионный катод по п. 1, отличающийся тем, что между подложкой и эмиттером расположен металлический слой. 5. Плоский дисплей, содержащий параллельно расположенные диэлектрические платы, в зазоре между которыми на одной размещена система параллельных холодноэмиссионных катодов, выполненных в виде параллельных шин с расположенным на них нанокристаллическими углеродосодержащими пленочными эмиттерами, и на другой размещена система анодов, отличающийся тем, что эмиттер выполнен в виде монослоя зерен порошка тугоплавкого материала с размером зерен от 10^-9 до 10^-4 м, покрытых нанокристаллической углеродосодержащей пленкой. 6. Плоский дисплей по п. 6, отличающийся тем, что платы выполнены в виде стеклянных пластин. 7. Плоский дисплей по п. 6, отличающийся тем, что зерна порошка выполнены из материала из ряда кремний, алмаз, карбид кремния, молибден, вольфрам, тантал, титан и их сплавы. 8. Плоский дисплей по п. 6, отличающийся тем, что между катодом и анодом расположена, по крайней мере, одна сетка.