МАТРИЧНЫЙ ЭКРАН НА ПОЛЕВОЙ ЭМИССИИ НА ОСНОВЕ ОТРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ Российский патент 2003 года по МПК H01J31/15 H01J17/49 H01J29/30 H01J1/72 H01J1/35 H01J1/36 

Изобретение относится к низковольтным средствам отображения информации на основе катодолюминесценции и может быть использовано при разработке устройств для создания экранов цифровых и буквенно-цифровых индикаторов, универсальных панелей для визуализации отображения любой информации - текстовой, знаковой, графической, отсчетных устройств аналоговых и дискретно-аналоговых измерительных приборов, используемых в калькуляторах, часах, индикаторных табло коллективного пользования и т.д.

Известны низковольтные катодолюминесцентные индикаторы (см. Горфинкель Б. И. , Абалдуев В.В., Медведев P.С., Логинов А.П. Низковольтные катодолюминесцентные индикаторы. - М.: Радио и связь, 1983 г.). Низковольтный катодолюминесцентный индикатор представляет собой вакуумный электронный прибор, содержащий термоэлектронный или автоэлектронный катод, управляющие сетки и держатели, заключенные в вакуумную оболочку с платой, на которой размещены токопроводящие элементы экрана, покрытые люминофором, и токопроводящая разводка с контактными площадками.

Недостатком данных устройств является ненадежность сложной конструкции сеточного узла, что приводит к уменьшению срока службы приборов.

Наиболее близким аналогом-прототипом к настоящему изобретению является катодолюминесцентный экран и способ его изготовления (см. патент РФ 2152662, МКИ⁷: H 01 J 1/62, опубл. 10.07.2000 г.), содержащий вакуумную оболочку, составленную из двух плоских стеклянных лицевой прозрачной пластины и подложки с электродами: плоскими тонкими торцевыми эмиттерами и анодами, покрытыми проводящим слоем и люминофором, образующих активную область светоизлучающего сегмента, расположенных на малом контролируемом расстояний друг от друга в параллельных плоскостях, соединенных через анодные шины и эмиттерные шины с выводами для подключения источников электрического напряжения, диэлектрическую рамку, герметично соединяющую лицевую пластину и подложку, при этом аноды и эмиттеры выполнены в виде двух гребенок, вложенных одна в другую, эмиттеры с соединителями расположены в верхней плоскости подложки, а аноды и анодные шины расположены на дне траншей, выполненных на заданную глубину в подложке со стороны верхней плоскости, причем свободное пространство траншей анодных шин заполнено диэлектриком до образования планаризованной поверхности для расположения на ней соединительных эмиттерных шин. Аноды и эмиттеры выполнены в виде любых геометрических фигур, вложенных одна в другую, например в виде спиралей. Кроме того, в него дополнительно введено защитное сопротивление, соединяющее эмиттерную шину последовательно с каждым эмиттером светоизлучающего сегмента. Люминофор выбран низковольтный с рабочим напряжением не более 50-70 В.

Недостатком данной конструкции является расположение на единой с эмиттером подложке люминофора и на малом расстоянии люминофора от эмиттера, что приводит к возникновению паразитных утечек тока и неравномерности свечения из-за разброса расстояния эмиттер - люминофор, что определяет низкий процент выхода прибора.

Указанный технический результат достигается в матричном экране на полевой эмиссии на основе отражения электронов, включающем вакуумную оболочку, составленную из двух плоских стеклянных пластины и подложки с разделенными диэлектриком электродами: первыми анодами из проводящего слоя и плоскими тонкими торцевыми эмиттерами, образующими матричную структуру с возможностью отражения части электронного потока в направлении вторых анодов из проводящего материала, покрытых люминофором и расположенных на внутренней поверхности пластины, образующих вместе с матрицей эмиттеров и первых анодов светоизлучающие сегменты, при этом аноды и эмиттеры соединены через анодные шины и эмиттерные шины, выполненные в виде строк ортогонально анодным шинам, с выводами для подключения источников электрического напряжения, и каждая эмиттераая шина электрически изолирована от других шин, диэлектрическую рамку, герметично соединяющую пластину и подложку.

Кроме того, в качестве эмиттера используют углеродную пленку; вакуумная оболочка выполнена с расстоянием между стеклянной пластиной и подложкой, обеспечивающим необходимое пространственное разрешение отображаемой информации, выбранным из диапазона 0,1÷2 мм.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, описанием и примером конкретного исполнения.

На фиг.1 изображена конструкция матричного экрана на полевой эмиссии на основе отражения электронов, вид сбоку.

На фиг. 2 дан график отношения тока второго анода к току эмиттера в зависимости от отношения напряжений второго анода к напряжению эмиттера.

На фиг.3 изображена конструкция матричного экрана на полевой эмиссии на основе отражения электронов, вид сверху.

На фиг.4 схематично показано распределение полей в острийной конструкции (фиг.4а) и в матричных экранах на полевой эмиссии на основе отражения электронов (фиг.4б).

На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - подложка, плоская стеклянная,
2 - пластина, плоская стеклянная,
3 - диэлектрик,
4 - первый анод, покрытый проводящим слоем,
5 - эмиттер на углеродной пленке,
6 - второй анод, покрытый проводящим слоем и люминофором,
7 - проводящий слой второго анода,
8 - люминофор, нанесенный на проводящий слой 7 второго анода 6,
9 - эмиттерные шины - строчные,
10 - анодные шины - столбцовые,
11 - светоизлучающий сегмент.

Работа матричного экрана на полевой эмиссии на основе отражения электронов осуществляется следующим образом.

Включение заданного светоизлучающего сегмента осуществляется подачей напряжения через выводы на соответствующие эмиттерную шину 9 (X) и анодную шину 10 (Y). В новом матричном экране на полевой эмиссии, в котором электроны вытягиваются из плоского тонкого торцевого эмиттера 5, выполненного на углеродной пленке, процессом полевой эмиссии и отражаются от первого анода 4, выполненного из металлического (проводящего) слоя, к верхнему второму аноду 6, покрытому проводящим слоем 7 и люминофором 8, расположенному на внутренней стороне плоской стеклянной пластины 2 для возбуждения на плоской стеклянной пластине 2 люминофорного слоя 8 и генерации излучения. Прозрачный металлический слой - проводящий слой 7 второго анода 6 под люминофором 8 на плоской стеклянной пластине 2, сохраняется под постоянным напряжением, а управление светоизлучающего сегмента 11 выполняется благодаря формированию эмиттера 5 и первых анодов 4, выполняющих роль отражателей на стеклянной подложке 1 для создания электронной эмиссии в светоизлучающем сегменте 11.

В заявляемой конструкции светоизлучающие сегменты 11 представляют собой матрицу Х-Y: эмиттер - первый анод, играющий роль отражателя электронов, выполненную на стеклянной подложке 1. Поскольку зазор между этими двумя элементами может быть сделан чрезвычайно малым (несколько сотен нм), управляющее напряжение может снижаться до 30-100 В, а на втором аноде 6, покрытом проводящим слоем 7 и оплошным люминофором 8, сохраняется относительно высокое постоянное (около 1 кВ) напряжение для лучшей фокусировки электронного лучка и повышения яркости экрана. Такая конструкция не требует травления стекла для создания углублений - траншей для шин первого анода - отражателя, как в предшествующем патенте. Вместо этого активный интервал между эмиттером и первым анодом образуется осаждением тонкого изолирующего слоя между этими двумя элементами с последующим травлением колодца для формирования активной зоны для эмиссии электронов.

Пленка SiO₂, осажденная методом химического вакуумного осаждения в плазме, является предпочтительным материалом для диэлектрика. На фиг.1 изображен фрагмент конструкции матричного экрана на полевой эмиссии на основе отражения электронов, вид сбоку конструкции светоизлучающего сегмента. Шины металлического отражателя - первого анода 4 (столбец Y) осаждаются первыми на стеклянную подложку. Затем диэлектрический слой осаждается поверх столбцовых шин. Затем следует осаждение эмиттерных слоев. Толщина диэлектрика контролирует активный зазор между тонким торцевым эмиттером 5 и первым анодом 4, выполняющим роль отражателя. Первым слоем на диэлектрике является приводящая металлическая пленка (преимущественно молибденовая), необходимая для обеспечения контакта с тонким торцевым эмиттером 5. Затем осаждают слой с высоким сопротивлением из аморфного кремния для ограничения тока и создания таким образом более однородной эмиссии электронов из эмиттера. Последний выполняется как торец пленки из аморфного углерода толщиной 20-30 нм, которая, как известно, имеет низкую работу выхода для эмиссии электронов в вакуум. Затем в диэлектрической пленке протравливаются стенки для формирования областей эмиссии электронов для каждого светоизлучающего сегмента. Эмиттеры в одной строке соединяются для образования строчных шин - X, а каждая металлическая полоса второго анода 6 - отражателя образует столбцовую шину - Y. Подача положительного напряжения к столбцовой шине Y (первого анода - отражателя) относительно одной из строчных шин возбуждает эмиссионный ток на пересечении этих шин. На двойной слой второго анода 6: проводящий слой 7 - люминофор 8, подается высокое положительное напряжение смещения для привлечения электронов, генерируемых в активной зоне между эмиттером и первым анодом. Если расстояние между двумя плоскими стеклянными пластиной 2 и подложкой 1 небольшое (около 100-200 мкм), электронный пучок не претерпевает значительного расширения. Малое расстояние между плоскими стеклянными пластиной 2 и подложкой 1 также препятствует развитию процесса многократных отражений электронов на верхней плоской стеклянной пластине 2. Это создает небольшое пятно свечения и поэтому гарантирует хорошее разрешение индикации.

Таким образом расстояние между плоскими стеклянные пластиной и подложкой становится важным фактором в проектировании разных видов экранов. При больших расстояниях 1-2 мм электрон свободен развивать полную траекторию для эффективных многократных отражений. В данном случае электроны распространяются вдоль эквипотенциальной поверхности на расстояниях в несколько см и обеспечивают однородное свечение люминофора. Такая конструкция может использоваться для экранов с большим размером светоизлучающих сегментов. При расстоянии между плоскими стеклянными пластиной и подложкой 0,5 мм распространение электронов, индуцированное отражением, становится ограниченным до расстояний около 1 мм. Это расстояние подходит для изготовления светоизлучающих сегментов в буквенно-цифровых экранах. И, наконец, когда расстояние между плоскими стеклянными пластиной и подложкой снижается до 200 мкм, процесс поперечных (боковых) отражений электронов значительно подавляется. Однако отражение на верхней плоской стеклянной пластине остается эффективным, как видно по результатам экспериментов, показанным на фиг.2, где нормализованный ток к верхней плоской стеклянной пластине показан как функция нормализованного напряжения, поданного к верхней плоской стеклянной пластине, в то время как напряжение первого анода - отражателя сохраняется постоянным. По мере повышения напряжения на втором аноде, расположенном на внутренней поверхности плоской стеклянной пластины, часть электронов, отраженных к верхней плоской стеклянной пластине увеличивается и при U_{анодных1}/U_{эмитт ерном} > 3 достигает 90%. Эксперименты также показывают, что при напряжениях на верхней плоской стеклянной пластине в несколько сот вольт пятно пучка электронов может снижаться до примерно 0,3 мм. Этот размер подходит для изготовления высокоразрешающих матричных экранов.

На фиг. 3 показана схематично конструкция матричного экрана на полевой эмиссии на основе отражения электронов, вид сверху. Эмиттеры выполнены в виде гребенки (могут быть в виде любой другой геометрической фигуры) для увеличения активной длины торца катода. Каждый светоизлучающий сегмент выполнен травлением диэлектрического слоя для формирования колодца, имеющего металл отражателя - первые аноды на дне. Эмиттеры соединены со строчными эмиттерными шинами Х - 9, при этом каждая эмиттерная шина 9 электрически изолируется от других шин. В отличие от предшествующей конструкции (см. патент РФ 2152662), в которой столбцовые шины - анодные шины 10 - размещаются в траншеях глубиной 4 мкм, что создает проблему формирования пересечений строк и столбцов, в данной конструкции траншеи заменяются колодцами и эмиттерные шины 9, и анодные шины 10 естественным образом разделяются диэлектрическим слоем.

Важным преимуществом настоящей конструкции является факт экспонирования эмиттера для привлечения положительных ионов, генерируемых в вакуумной камере электронной бомбардировкой люминофоров. Эффект электронной бомбардировки люминофоров вызывает значительное снижение долговечности острийных дисплеев на полевой эмиссии, особенно, когда положительные ионы, содержащие серу, высвобождаются в вакуум из люминофоров. На фиг.4 схематично показано распределение полей в острийной конструкции (фиг.4а) и в матричном экране на полевой эмиссии на основе отражения электронов согласно настоящему изобретению - фиг.4б. В острийных дисплеях на полевой эмиссии острие является единственной точкой самого низкого (нулевого) потенциала, и положительные ионы направляются электрическим полем к острию, создавая таким образом механическое и химическое разрушение. В данной конструкции плоскость эмиттера с нулевым потенциалом широко открыта и служит геттером положительных ионов.

Другой причиной потенциально большей долговечности в предлагаемой конструкции является использование углерода в качестве материала для эмиттера. Он очень устойчив к механическому или химическому воздействию по сравнению о молибденом, который используется для острий. Наконец, излучающая область, содержащая 4000 острий, обычно используемая для одного светоизлучающего сегмента, по крайней мере, на три порядка величины меньше области излучения торца в светоизлучающем сегменте той же самой площади. Поэтому торцевая конструкция гораздо менее чувствительна к влиянию ионной бомбардировки.

Таким образом, предлагаемый матричный экран на полевой эмиссии на основе отражения электронов по сравнению о прототипом имеет ряд преимуществ:
- люминофорный слой удаляется с поверхности первого анода и поэтому не влияет на процесс эмиссии,
- процесс изготовления заявляемого экрана более воспроизводим и надежен;
- глубина эмиссионного "колодца" может быть снижена, снижая таким образом порог эмиссии электронов;
- процесс отражения электронов может значительно улучшить пространственную однородность яркости индикации.

Изобретение относится к низковольтным средствам отображения информации на основе катодолюминесценции и может быть использовано при разработке устройств для создания экранов цифровых и буквенно-цифровых индикаторов, универсальных панелей для визуализации отображения любой информации - текстовой, знаковой, графической, отсчетных устройств аналоговых и дискретно-аналоговых измерительных приборов, используемых в калькуляторах, часах, индикаторных табло коллективного пользования и т.д. Технический результат - обеспечение долговечности прибора и увеличение срока службы. Достигается тем, что в матричном экране на полевой эмиссии на основе отражения электронов, включающем вакуумную оболочку, составленную из двух плоских стеклянных пластины и подложки с разделенными диэлектриком электродами: первыми анодами из проводящего слоя и плоскими тонкими торцевыми эмиттерами, соединенными соответственно через анодные и эмиттерные шины с выводами для подключения источников электрического напряжения, диэлектрическую рамку, герметично соединяющую пластину и подложку, дополнительно на внутренней поверхности пластины расположены вторые аноды из проводящего материала, на который нанесен люминофор, а эмиттеры и первые аноды выполнены в виде матричной структуры с возможностью отражения части электронного потока в направлении второго анода, при этом эмиттерные шины выполнены в виде строк ортогонально анодным шинам, а каждая эмиттерная шина электрически изолирована от других шин. Кроме того, в качестве эмиттера используют углеродную пленку; расстояние между плоскими стеклянными пластиной и подложкой задано таким образом, чтобы обеспечить необходимое пространственное разрешение отображаемой информации. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Матричный экран на полевой эмиссии на основе отражения электронов, включающий вакуумную оболочку, составленную из двух плоских стеклянных пластины и подложки с разделенными диэлектриком электродами: первыми анодами из проводящего слоя и плоскими тонкими торцевыми эмиттерами, образующими матричную структуру с возможностью отражения части электронного потока в направлении вторых анодов из проводящего материала, покрытых люминофором и расположенных на внутренней поверхности пластины, образующих вместе с матрицей эмиттеров и первых анодов светоизлучающие сегменты, при этом аноды и эмиттеры соединены через анодные шины и эмиттерные шины, выполненные в виде строк ортогонально анодным шинам, с выводами для подключения источников электрического напряжения и каждая эмиттерная шина электрически изолирована от других шин, диэлектрическую рамку, герметично соединяющую пластину и подложку.2. Матричный экран на полевой эмиссии на основе отражения электронов по п.1, отличающийся тем, что в качестве эмиттера используют углеродную пленку.3. Матричный экран на полевой эмиссии на основе отражения электронов по п.1 или 2, отличающийся тем, что вакуумная оболочка выполнена с расстоянием между стеклянными пластиной и подложкой, обеспечивающим необходимое пространственное разрешение отображаемой информации, выбранным из диапазона 0,1÷2 мм.