ОДНОСЛОЙНАЯ ТОПОЛОГИЯ ЭЛЕКТРОДОВ АНОДНОЙ ПЛАТЫ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ИНДИКАТОРА Российский патент 2005 года по МПК H01J1/02 H01J1/88 

Изобретение относится преимущественно к катодолюминесцентным средствам отображения символьной и цветовой информации и может быть использовано при разработке и макетировании много- и полноцветных устройств индикации, телевизионной и дисплейной техники, широкоформатных полноцветных видеотерминальных табло, а также всевозможных средневольтовых и низковольтных люминесцентных матричных устройств, производящих активный цветосинтез.

Одним из эффективных путей конструкторской работы в разработке новых дисплейных и индикаторных устройств или оптимизации каких-либо их свойств является путь создания и изучения индикаторных моделей и тестовых дисплейных приборов, способных адекватно отразить общие принципы работы дисплеев, какие-либо связи или частные параметры, работу их отдельных узлов. При этом макеты часто имеют свойства и конструкцию законченных, работоспособных устройств матричного цветосинтеза с вполне функциональными элементами управления. Такие самостоятельные макеты позволяют предсказать и оценить свойства и качество разрабатываемых приборов, подробно изучить параметры прибора и способ управления им в условиях, приближенных к реальным или предполагаемым при управлении.

Для задач спектроскопии, колориметрии, изучения физики поведения люминесцентных покрытий и частных технологических задач (исследование технологий осаждения) принята практика изготовления тестовых индикаторов.

Наиболее близким по технической сущности и доминантному назначению (изучение цветосинтеза, структуры, морфологии и электрических свойств люминесцентных слоев и т.д.) топологическим аналогом-прототипом настоящему техническому решению является RGB разводка анодных электродов анодной платы тестового дисплейного устройства, описанного в сборнике SMDL Annual '99 School of Electrical Engineering, Seoul National University в статье Seung Но Kwon /Screening of R. G. B. Phosphors by Electrophoretic Depositionfor Full-Color Field Emission Display Application/, на первом рисунке которой схематично изображена промежуточная в изучаемой автором технологии RGB-покрытия топология анодных электродов.

Топология представляет собой группу из парных относительно длинных многоколенных, изгибающихся туда-сюда, электродов, разведенных и расположенных таким образом, чтобы смешать полосковые, параллельные друг другу фрагменты электродов. Электроды изображены равноширокими, хотя из содержания статьи следует, что фрагменты электродов этой промежуточной топологии должны быть разной ширины, с припусками для травления и т.д., каждый электрод пары имеет две контактные площадки.

Применяется сложная схема формирования RGB-RGB... - последовательности чередования полосковых фрагментов анодных электродов и покрытия их люминофорами, комбинирующая катафоретические, фотолитографические методы, химическое травление и традиционные методы фотопечати, что не может облегчить работу исследователя свойств люминесцентных слоев, а применяемые методы формирования могут ухудшить их электрофизические свойства и снизить эффективность катодолюминесценции. Непонятно, имеет ли каждый из трех типов люминесцентные слои самостоятельный электрический вывод, что имеет большое значение не только при нанесении люминесцентных слоев, но и в схемах управления дисплеев. Топология электродов разрабатывалась для исследования рельефа и морфологии люминесцентных слоев цветных приборов, и, несмотря на полученные автором положительные эффекты, данная топология может быть значительно упрощена, a RGB-RGB... - последовательность может быть получена однократным химическим травлением проводящего субстрата.

Недостатком данной топологии является то, что использование ее «как есть» для нанесения люминесцентных слоев катафорезом может дать чередование лишь двух цветовых пар, например, BB-GG-BB-GG..., то есть, простейшие традиционные способы формирования трехцветных экранов не могут быть применены.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании простейшей однослойной универсальной топологии электродов анодной платы пробного индикатора с минимальным числом выводов и сравнительно большой площадью группы анодных электродов (экрана), состоящей как минимум из трех электродов.

Указанный технический результат достигается тем, что в однослойную топологию электродов анодной платы катодолюминесцентного индикатора, состоящей, по крайней мере, из двух топологически парных относительно длинных многоколенных, изгибающихся электродов G и В, расположенных на анодной плате, удлиненные полосковые фрагменты которых параллельны друг другу, каждый из электродов имеет контактные площадки, дополнительно введена пара многоштыревых гребеночных электродов R, полосковые фрагменты которых расположены в изгибах топологически парных относительно длинных многоколенных, изгибающихся электродов G и В, при этом порядок расположения полосковых фрагментов G и В электродов в соседних триадах соответствует:- |BGR-GBR|-|BGR-GBR| - с периодом повторения в две триады.

Кроме того, в однослойной топологии электродов анодной платы катодолюминесцентного индикатора пара многоштыревых гребеночных электродов R объединена в один электрод.

При этом периодом чередования становится уже не одна триада, а две. Это упрощает разводку и позволяет сократить число внешних контактных выводов группы анодных электродов до трех-четырех - шести.

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

На фиг.1 эскизно изображена конструкция тестового вакуумного люминесцентного индикатора типа ИЛЦ-1/9 или ИП-2, ИП-3.

На фиг.2 схематично изображена топология встречноштыревой «гребеночной» структуры электродов.

На фиг.3 схематично изображена топология анодов трехсегментного тестового индикатора и расположение катодных нитей над ними в индикаторах типа ИЛЦ-1/9.

На фиг.4, 5 схематично изображены частные примеры топологий настоящего изобретения с шестью и тремя выводами.

Анодные электроды (условная форма) изображены серым цветом или контурными линиями.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - стеклянный баллон:

2 - люминесцентный слой (люминесцентный слой на электроде) на прозрачом или металлическом аноде;

3 - катод;

4 - внешний вывод сеточного электрода;

5 - сеточный электрод;

6 - стеклянная анодная плата;

7 - анодный электрод анодной платы индикатора или топологический образ электрода;

8 - контактная площадка или ее топологический образ;

9 - внешние выводы анодных электродов анодной платы;

10 - выводы катодов.

Сущность изобретения соответствует формуле изобретения и не меняется от того, как и какие люминесцентные слои сформированы на анодных электродах заявляемой топологии, условно разделенные на три группы R, G и В, от того, сколько анодных электродов, и какие из анодных электродов анодной платы покрыты люминесцентными слоями.

Работа катодолюминесцентного индикатора с однослойной топологией анодных электродов анодной платы, выполненной по заявляемому техническому решению, осуществляется следующим образом: катоды 3, раскаленные напряжением U_f, поданным через выводы катодов 10, образуют электронное облако, электроны облака, вытягиваются сеточным электродом (сеткой) 5, на который через внешний вывод сетки 4 подается напряжение Ug≤U_анода, ускоряются анодным напряжением U_анода, приложенным к анодным электродам 7 через внешние выводы анодных электродов 9, летят через атмосферу лампы к анодным электродам 7 и бомбардируют люминесцентные слои 2, расположенные на анодных электродах 7, при этом люминесцентные слои 2 испускают люминесцентное излучение (видимый глазом свет), излучение люминесцентных слоев 2 анодных электродов 7 проходит через стеклянный баллон 1 и (в случае, когда электрод(ы) 7 прозрачный(ны)) через стеклянную анодную плату 6 и становится доступным для глаз наблюдателя.

Множественное производство самостоятельных трехцветных приборов с большой площадью экранов в тестовых целях, особенно в условиях низкой культуры производства и высокого процента брака, является делом накладным. Более того, физику явлений желательно изучать на простейших и хорошо изученных конструкциях и моделях. Поэтому, из соображений экономии, в целях входного контроля качества люминофоров, для ответов на частные технологические вопросы и т.д. принята практика изготовления тестовых одноцветных индикаторов с квадратным, как правило, в 1 см², анодом см. фиг.-1.

Однако в силу ряда причин, а также электрохимии процессов в технологии электрофоретического формирования люминесцентных слоев, свойства порошковых люминесцентных слоев крупных сегментов отличны от свойств люминесцентных слоев с тонкой дисплейной топологией, нанесенных в многостадийном цикле.

В силу ряда причин морфология поверхности и статистическая архитектура порошковых люминесцентных слоев тонкой топологии трудновоспроизводима. Следствие чему - различия их вторичноэмиссионных и емкостных свойств, значений эффективного сопротивления люминесцентных слоев. Более того, на характеристики дисплеев влияет ширина полос оголенного стекла между тонкими электродами.

Существует метод измерения так называемой «исправленной яркости» люминесцентного слоя для выбранного режима включения индикатора. Этим термином называют яркость свечения люминесцентного слоя, полученную после увеличения напряжения на аноде с плохо проводящим люминесцентным слоем на величину ΔU, при котором анодные токи индикатора и лампы без люминесцентного слоя выравниваются. Отношение B_(приU_вывода=U₀+ΔU)/U₀I₀ следует отличать от эффективности свечения люминесцентного слоя в исправленном ее понимании, где U₀I₀ - это и электрическая мощность пустого анода при напряжении на аноде U₀. Если I₁ - ток через люминесцентный слой, при потенциале Uo анодного электрода (вывода), при толщине люминесцентного слоя 10 мкм (и прочих заданных условиях), то (U₀-ΔU)·I₁ - условно мощность электронной бомбардировки люминесцентного слоя при заданном напряжении вывода U₀.

Однако общеизвестные методики определения потенциала поверхности люминесцентного слоя путем сравнения вольтамперных характеристик индикаторов с люминесцентным слоем и так называемых «пустышек» (индикаторов без люминофора), как правило, не учитывают характера свечения люминесцентного слоя, а главное, не учитывают того, что при включении индикатора из-за десорбции газов с люминесцентного слоя и отравления ими катода, анодный ток и общая эмиссия катода начинают быстро падать, и при установлении равновесия могут быть в 5-6 раз ниже анодного тока и общей эмиссии пустой электронной лампы.

Для таких исследований необходима динамическая откачка. Светотехнические параметры люминесцентного слоя являются функциями конструкции тестовых индикаторов, способа формирования люминесцентного слоя, его толщины, гранулометрического состава компонентов люминесцентного слоя, плотности их паковки, статистической архитектуры люминесцентного слоя, металла анодного электрода и его поверхностного состояния, соотношения анодного и сеточного напряжений, импульсных и/или статических режимов их включения. Это не позволяет сравнивать и анализировать светотехнические данные ни с точки зрения технологии нанесения, ни относительно режима включения, т.к. последние часто приводятся в литературе неполно.

Под статистической архитектурой люминесцентного слоя понимается внутренняя послойная морфология люминесцентного слоя, распределение электропроводной добавки и мелких фракций люминофора в пустотах паковки крупных частиц люминофора, основной тип агломерации частиц люминофора и электропроводной добавки.

Недооценка любого из факторов, указанных выше, может привести к конфузным величинам сопротивления и «эффективности люминофора». Так при высоких потенциалах сетки, близких к потенциалу анодной подложки можно наблюдать равномерное свечение люминесцентного слоя, при этом ток, измеренный в анодной цепи, может быть близким к нулю или даже иметь другой знак. Действуя по известной формуле «эффективности», можно получить бесконечно высокое значение или большие отрицательные числа.

В частных случаях, понятие «истинной эффективности» катодолюминесценции самого люминофора «как вещества», безотносительно к структуре и составу люминесцентного слоя, вообще не имеет смысла, так, например, эффективность катодолюминесценции пленочных диэлектрических структур по определению равна нулю, т.к. последние не проводят электрического тока, поверхность их моментально заряжается до потенциала катода даже при высоковольтном облучении.

Эффективность, несмотря на простоту физического смысла, который она несет не так уж легко измерить, как может показаться из формулы. Понимание механизмов электропроводности люминесцентных порошковых материалов необходимо при проектировании приборов, для грамотного выбора того или иного рецепта формирования люминесцентного слоя, выбора компонентов суспензии или пасты, а также для грамотного анализа причин брака.

Катоды пустышек и индикаторов находятся в различных внутриламповых атмосферах, по-разному проявляют себя при наработке и изучении изменения электропроводности люминесцентного слоя деградирующего прибора традиционными способами осложняется.

Судить о свойствах люминесцентных слоев, полученных различными методами и способами, т.е. о том, какой способ дает воспроизводимые параметры и большие яркости приборов, можно только после громоздких проб нанесения и качественной динамической откачки.

Более всего для этой цели подходит конструкция со встречноштыревой «гребеночной» структурой электродов см. фиг.-2. Один из электродов оставляют непокрытым.

Технологам необходимо иногда знать, что происходит со всеми тремя люминофорами, при их одновременном и совместном прохождении единого технологического маршрута или при последующих испытаниях на срок службы, что, конечно, невозможно в случае односегментных индикаторов.

Сравнение люминесцентных слоев, полученных тем или иным способом дешевле, нагляднее, проще, а главное, более достоверно, можно и необходимо производить в едином, скажем, трехсегментном индикаторе см. фиг.-3.

На базе единого баллона и катодно-сеточного узла может быть реализовано множество многосегментных тестовых конструкций. Однако недостатками анодных топологий традиционных тестовых ламп часто являются: а) различные площади электродов, б) несимметричное их расположение относительно катодов, в) несимметричное их расположение относительно входной щели монохроматора при измерениях, г) двухсторонняя разводка, д) необходимость применения рамок диэлектрика со сложным рисунком.

Однако даже лишенные основных этих недостатков тестовые, как правило, триодные многосегментные, конструкции имеют свои недостатки. Так, косое положение сетки в лампе или кривизна обеспечивают различные величины токов на различные анодные сегменты, что может усугубляться неравномерной эмиссией катодов по длине. Конструкции с электродами большой площади требуют дополнительных вспомогательных измерений и манипуляций и не являются универсальными для большой группы методов исследования. Так, например, трехсегментный тестовый индикатор, см. фиг.-3, необходимо перемещать (переворачивать) в держателе так, чтобы излучения попадали в щель монохроматора, индикаторы такого типа не пригодны для изучения и демонстрации цветосинтеза. Для этой цели существуют типы разводок с более сложной топологией.

Все указанные недостатки тестовых приборов устраняются заявленным техническим решением и перестают влиять на результаты сравнительных оптических и электрических измерений.

Примеры исполнения и описание технического результата.

Частным образом анодные электроды анодной платы могут быть выполнены в заявляемой топологии на базе анодной платы индикатора ИЛЦ-1/9, см. фиг.-1 и схематические топологии фиг.-4, 5.

Устройства, реализующие заявленное техническое решение работают как многоэлектродные вакуумные лампы или индикаторы, большим преимуществом группы анодных электродов, выполненных по техническому решению, является то, что такие дефекты монтируемых вручную ламп, как искривленное полотно сеточного электрода 5, неравномерная эмиссия катодов 3 по длине, наличие утолщенных оксидных пленок на алюминии до проведения фотолитографии и формирования заявляемой топологии анодных электродов 7 анодной платы, одинаково отражаются на всех анодных электродах.

К преимуществам заявленного технического решения, перед возможными другими простыми однослойными топологиями, предназначенными для смешения цветов оптических излучений, относится равноширокое исполнение полосковых фрагментов электродов, при этом вероятность обрыва тонкого анодного электрода на дефекте стекла или напыления резко снижается.

При этом, в зависимости от задачи исследования, на электроды 7 анодной платы 6, выполненные в соответствии с заявленной топологией, может быть нанесен один люминесцентный слой 2, два люминесцентных слоя или три.

Работа с устройствами, реализующими техническое решение, организуется следующим образом: при проведении спектральных исследований, ось симметрии группы анодных электродов совмещают с центром входной щели монохроматора, штыревые и полосковые фрагменты анодных электродов 7 следует ориентировать перпендикулярно входной щели монохроматора.

При работе прибора (изменении режимов включения) происходит смещение рисунка электронной фокусировки относительно катодов 3 и соответственно щели монохроматора. Чтобы это не повлияло на амплитуду и доминирующий тон регистрируемых узкой щелью монохроматора излучений, число катодов 3 индикатора, реализующего техническое решение, должно быть четным. При бомбардировке электронами катодов 3 люминесцентных слоев 2, последние люминесцируют, тонкие полосковые фрагменты анодных электродов 7 в заявленном техническом решении чередуются так часто, что все цвета многократно «видны» для щели монохроматора.

При проведении демонстрационных опытов по цветосинтезу необходимо тонкое периодическое чередование люминесцентных дорожек. Опыты показали, что тактическое нарушение чередования равношироких анодных электродов 7 в заявленной топологии не нарушает целостности цветового поля уже на расстоянии 50 см, однако, во избежании эффектов муара анодных электродов 7 и проводников сеточного электрода 5, для достижения максимального положительного эффекта цветосмешения при демонстрациях, проводники сеточного электрода 5 должны быть ориентированы диагонально или перпендикулярно анодным электродам 7. При бомбардировке электронами катодов 3 люминесцентных слоев 2 анодных электродов 7, люминесцентные слои 2 люминесцируют, заявленная топология анодных электродов 7 обеспечивает равномерное смешение оптических излучений как со стороны стеклянного баллона 1 (на отражение), так и со стороны стеклянной анодной платы 6 (на просвет, в случае изготовления анодного электрода 7 прозрачным).

Располагаться катоды 3 должны под углом к полосковым фрагментам анодных электродов 7 таким образом, чтобы ближайшие (в проекции) к оси симметрии группы анодных электродов 7 концы катодов 3 отстояли от нее на несколько миллиметров и при указанном способе ориентации индикатора не могли быть совмещены со щелью монохроматора. Такие конструкционные особенности индикатора, реализующего заявленное техническое решение, и способ его ориентации при регистрации оптических излучений позволяют получить надежные данные.

Тестовая конструкция, реализующая техническое решение, может быть базовой моделью для проведения НИР в области поиска, замены или оптимизации лимитирующих цветовых компонент для низковольтных дисплейных устройств, спектроскопии и колориметрии, оптимизации технологий нанесения порошков, совместного (в одной колбе) исследования электрофизических свойств нескольких люминесцентных слоев и их деградационной устойчивости.

Изготовленная по техническому решению RGB топология анодных электродов индикаторной модели устройства типа дисплей позволяет полнофакторно, конструктивно простым, методически и статистически упрощенным способом изучать функции цвета как поверхности цвета базовых RGB-компонент - функций поля вольтамперных нагрузок и параметров импульсных режимов включения и управления.

Наглядно продемонстрировать яркостные соотношения в белом базовых цветов люминофоров в том или ином электрическом режиме, и их отличия в том случае, если цветовой тон базовых компонент триады нестабилен. Индикатор с выполненной по изобретению топологией анодных электродов позволяет наглядно демонстрировать стабилизирующие тон и цветопередачу свойства пластиковых, стеклянных или композиционных светофильтров.

Позволяет демонстрировать принципиальные отличия электропроводности в низковольтном (˜25В) и средневольтовом режиме включения вакуумных катодолюминесцентных дисплеев и индикаторов, стать основой различных методик определения эффективного сопротивления порошковых люминесцентных слоев в различных режимах возбуждения и явиться тонким инструментом оптимизации вторично-эмиссионных и емкостных свойств люминесцентных слоев, омической проводимости в низковольтных режимах включения, способов нанесения порошковых люминесцентных слоев.

Решение некоторых задач аналогами заявленного технического решения.

Задача №1. Вопрос о соотношении яркостей в белом.

При некачественной цветопередаче и недостаточной яркости дисплеев в белом резонно встает вопрос о замене лимитирующей качество прибора цветовой компоненты, примененной традиционно, в рамках принятой технологии.

Можно ли, увеличивая эффективность (яркость) «красной» компоненты, при условии, что имеется некоторый избыток в эффективности (яркости) «зеленой» компоненты, повысить яркость трехцветных приборов в белом?

Для ответа на этот вопрос нужно решить простейшую колориметрическую задачу о световых (яркостных) долях излучений следующих цветовых тонов:

Таблицы цветностей различаются нижними строками, видно, что можно значительно (вдвое!) увеличить яркость «красной» компоненты, но почти не изменить яркости в белом.

Таким образом, при поиске новой красной компоненты требование к эффективности (к предельной, в рамках стабильного цветового тона, энергетической и световой яркости люминофора в приборе) должно быть снижено, а требования к тону увеличены в пределах разумного оптимума этих двух факторов.

Задача №2. О предельной плотности возбуждения люминофора.

С ростом мощности возбуждения расширяются спектральные диапазоны излучений люминофоров. Происходят спектральные сдвиги максимумов излучений. Даже при широтно-импульсной яркостной модуляции (ШИМ) цвет является функцией режимов ШИМ.

У люминофоров различны функции температурного тушения; в средневольтовом статическом режиме (˜150 В) анодные платы могут быть значительно разогреты. С ростом мощности возбуждения все больше изменяются яркостные соотношения для белого, поэтому опираться на данные о фотолюминесценции при разработке дисплеев и документировании их параметров нельзя. Основой должны быть данные, полученные на индикаторных моделях.

Путь увеличения общей яркости устройств за счет увеличения тока имеет свои ограничения по цветовому тону и яркостному насыщению.

Условно предельной плотностью возбуждения люминофора в цветном устройстве может считаться такая величина, при которой полученный тон свечения люминофора может быть исправлен каким-либо узкополосным светофильтром до границы телевизионных стандартов цветности. Предел стабильности тона может быть легко определен опытным оператором при синтезе индикатором белого и сравнении его с цветностью известного образца, например, свечением люминесцентной лампы ЛБ-20. Отсутствие окраски излучения четко фиксируется глазом, поэтому даже простейшие визуальные сличения будут вполне корректными.

Введение в практику лабораторий НИИ индикатора с заявляемой топологией анодных электродов позволит устанавливать принципиальную целесообразность замены любой цветовой компоненты, устанавливать границы стабильности цветового тона люминофоров.

Изобретение относится преимущественно к катодолюминесцентным средствам отображения символьной и цветовой информации и может быть использовано при разработке и макетировании много- и полноцветных устройств индикации, телевизионной и дисплейной техники, широкоформатных полноцветных видеотерминальных табло, а также всевозможных средневольтовых и низковольтных люминесцентных матричных устройств, производящих активный цветосинтез. Технический результат - создание простейшей однослойной универсальной топологии электродов анодной платы пробного индикатора с минимальным числом выводов и сравнительно большой площадью группы анодных электродов. Достигается тем, что в однослойную топологию электродов анодной платы катодолюминесцентного индикатора, состоящей, по крайней мере, из двух топологически парных относительно длинных многоколенных, изгибающихся электродов G и В, расположенных на анодной плате, удлиненные полосковые фрагменты которых параллельных друг другу, каждый из электродов имеет контактные площадки, дополнительно введена пара многоштыревых гребеночных электродов R, полосковые фрагменты которых расположены в изгибах топологически парных относительно длинных многоколенных, изгибающихся электродов G и В, при этом порядок расположения полосковых фрагментов G и В электродов в соседних триадах соответствует: -|BGR-GBR|-|BGR-GBR| - с периодом повторения в две триады. Кроме того, пара многоштыревых гребеночных электродов R объединены в один электрод. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Однослойная топология электродов анодной платы катодолюминесцентного индикатора, состоящая, по крайней мере, из двух топологически парных относительно длинных многоколенных, изгибающихся электродов G и В, расположенных на анодной плате, удлиненные полосковые фрагменты которых параллельны друг другу, каждый из электродов имеет контактные площадки, отличающаяся тем, что дополнительно введена пара многоштыревых гребеночных электродов R, полосковые фрагменты которых расположены в изгибах топологически парных относительно длинных многоколенных изгибающихся электродов G и В, при этом порядок расположения полосковых фрагментов G и В электродов в соседних триадах соответствует -|BGR-GBR|-|BGR-GBR| c периодом повторения в две триады.2. Однослойная топология электродов анодной платы катодолюминесцентного индикатора по п.1, отличающаяся тем, что пара многоштыревых гребеночных электродов R объединена в один электрод.