вакуумный катодолюминесцентный дисплей с полевой эмиссией и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Вакуумный катодолюминесцентный дисплей с полевой эмиссией, состоящий из двух плоских стеклянных пластин, отделенных друг от друга вакуумным промежутком, пластины с анодными сегментами, покрытыми люминофором и соединенными через токоведущие дорожки с внешними выводами для подключения к источнику электрического напряжения, катодной пластины, на поверхности которой сформированы эмиттерные узлы, черной контрастной маски, диэлектрической рамки, герметично соединяющей плоские стеклянные пластины, отличающийся тем, что черная контрастная маска представляет собой нераспыляемый геттерный узел, встроенный в объем вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией, при этом нераспыляемый геттерный узел выполнен из пористого материала, обладающего свойствами геттера по отношению к химически активным газам остаточной атмосферы.

2. Вакуумный катодолюминесцентный дисплей с полевой эмиссией по п.1, отличающийся тем, что нераспыляемый геттерный узел выполнен из материала на основе геттерной пасты.

3. Вакуумный катодолюминесцентный дисплей с полевой эмиссией по п.2, отличающийся тем, что геттерная паста расположена между анодными сегментами.

4. Вакуумный катодолюминесцентный дисплей с полевой эмиссией по п.1, отличающийся тем, что нераспыляемый геттерный узел расположен в промежутках между анодными сегментами на предварительно сформированных токоведущих дорожках.

5. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией, включающий следующие операции: формирование эмиттерных узлов на поверхности катодной пластины, формирование на плоской стеклянной пластине анодных сегментов, токоведущих дорожек и контактных площадок, нанесение диэлектрического слоя, нанесение люминофора на анодные сегменты, формирование черной контрастной маски, герметизацию прибора, присоединение внешних выводов к контактным площадкам, отличающийся тем, что черная контрастная маска выполнена из пористого материала, обладающего свойствами геттера по отношению к химически активным газам остаточной атмосферы.

6. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией по п.5, отличающийся тем, что в качестве черной контрастной маски используют геттерную пасту.

7. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией по п.6, отличающийся тем, что геттерную пасту наносят в промежутки между анодными сегментами методом трафаретной печати.

8. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией по п.6, отличающийся тем, что геттерную пасту наносят в промежутки между анодными сегментами методом фотопечати.

9. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией по п.6, отличающийся тем, что геттерную пасту наносят на плоскую стеклянную пластину с анодными сегментами путем втирания ее в углубления, предварительно сформированные на плоской стеклянной пластине с анодными сегментами методом химического фрезерования.

10. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией по п.5, отличающийся тем, что пористый материал, обладающий свойствами геттера наносят в промежутки между анодными сегментами на предварительно сформированные токоведущие дорожки методом электрофореза.

11. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией по любому из пп.6 - 9, отличающийся тем, что геттерная паста состоит из смеси мелкодисперсного порошка геттерного материала с порошком неорганического связующего, диспергированных в органическом связующем.

12. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией по п.11, отличающийся тем, что в качестве неорганического связующего используют мелкодисперсный алюминий.

13. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией по любому из пп.11 и 12, отличающийся тем, что в качестве органического связующего используют состав на основе органического растворителя, высокомолекулярных соединений, поверхностно-активного вещества и пластификатора.

14. Способ изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией по любому из пп.6 - 12, отличающийся тем, что формирование черной контрастной маски осуществляют вжиганием геттерной пасты в восстановительной атмосфере.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к индикаторной технике, точнее к вакуумным катодолюминесцентным индикаторам с полевой эмиссией.

Известна конструкция вакуумных катодолюминесцентных индикаторов с полевой эмиссией, состоящих из разделенных вакуумным промежутком катодной пластины со сформированными на ее поверхности эмиттерными узлами, токоведущими шинами и, может быть, управляющими ключами, а также анодной стеклянной пластины со сформированными на ее поверхности токоведущими шинами, анодными сегментами, покрытыми люминофором, и контрастной черной маской в промежутках между ними. Получение высокого вакуума, необходимого для работы устройства, в этой конструкция достигается за счет предварительной откачки внешними высоковакуумными насосами через отверстие в катодной пластине диаметром 1 - 1,5 мм с последующим распылением бариевого газопоглотителя (ГЕТТЕРА) в специальном объеме, конструктивно объединенном с катодной пластиной и соединяющемся с вакуумным объемом индикатора через то же отверстие (см. Роберт Т.Галлакер. Плоские индикаторы, способные конкурировать с ЭЛТ. Электроника, т. 59, N 12, 1986 г., стр. 5-6).

Основными недостатками данной конструкции являются низкие эффективности люминофоров и малый срок службы изделий. Эти недостатки обусловлены практической невозможностью достижения внутри объема индикатора давления ниже 10^-6 Торр, в том числе парциального давления паров H₂O менее 10^-7 Торр, что связано, с одной стороны, с крайне высоким сопротивлением молекулярному потоку внутреннего объема индикатора, с другой, с большим газоотделением из слоя порошкового люминофора. Данное утверждение подтверждается известными литературными источниками (см. J.Sebastian, S.Jones, T.Trottier, H.Swart, P.Holleway. Electron Stimulated Suface Reactions Between Residual Vacuum Gas and ZnS Field Emission Display Phosphors. SID 1995 Proceedings, 26 (1995), pp. 627-629; T.Trrottier, H.Swart, S.Jones, J.Sebastian, P.Holloway. Comparison of the Degradation Mechanisms of Sulfide and Oxysulfide Phosphors for use in Fild Emission Displays. SID International Conference Exteneded Abstracts, 1995, pp. 263 - 266).

Указанный недостаток пытались преодолеть в конструкции дисплея с полевой эмиссией (см. Y.R.Cho et al. A New Panel Structure For Field Emisssion Displays. Technical Digest of IVMC97 Kyongiu, Korea, 1997, pp. 271 - 275), отличающийся тем, что к катодной пластине герметично присоединяется специальный геттерный объем, внутри которого располагается газопоглотитель. Геттерный объем соединяется с рабочим объемом дисплея через откачное отверстие диаметром 1 - 1,5 мм. Несмотря на то, что в данной конструкции снимаются ограничения на площадь геттера и, следовательно, его емкость и скорость откачки могут быть существенно увеличены по сравнению с предыдущей конструкцией, эффективность откачки внутрилампового объема остается низкой вследствие того, что реальная скорость откачки из плоского капилляра в действительности лимитируется не производительностью внешних откачных средств, а высоким сопротивлением внутреннего объема капилляра молекулярному потоку. Кроме того, безусловным недостатком конструкции является заметное увеличение габаритов (толщины) изделия.

Указанные выше недостатки могут быть преодолены либо за счет армирования в катодной пластине большого количества отверстий, равномерно расположенных на поверхности на расстоянии порядка 10 мм, что многократно увеличивает трудоемкость производства и стоимость изделия, либо, как это сделано в выбранном нами прототипе (см. S.J.Jung et Al. High Vacuum Packaging and Vacuum Evaluation for Field Emission Display. Asia Display 98 Proceeding, 1998, 1157 - 1160), введением пленки нераспыляемого геттера внутрь рабочего объема дисплея с полевой эмиссией. Согласно данной работе внутри дисплея с полевой эмиссией, состоящего из катодной стеклянной пластины со сформированными на ней эмиттерными узлами и подводящими шинами и анодной пластины со сформированными анодными сегментами, покрытыми люминофором и контрастной черной маской, на периферии катодной пластины размещен ленточный нераспыляемый геттер из высокопористой толстой пленки толщиной 0,15 мм, шириной 2 мм и общей длиной 50 мм.

Однако и это решение не позволяет достичь в рабочем объеме дисплея требуемого вакуума (не хуже 10^-7 Торр - общего и 510^-8 Торр - по парам воды) вследствие той же причины - высокого сопротивления рабочего объема дисплея молекулярному потоку. Особенно наглядно это можно видеть из работы S.J.Jung et al. High Vacuum Evaluation for Field Emission Display. Asis Display 98 Proceeding, 1998, pp. 1157 - 1160, результатов измерения остаточного давления в дисплеях с диагональю 3 и 10 дюймов с вакуумным зазором 0,02 мм. Так, в дисплеях с диагональю 3 дюйма без нераспыляемого геттера остаточное давление после откачки составляло 3,510^-5 Торр, а после выдержки в течение 4-х дней возросло до 5,510^-5 Торр. Введение нераспыляемого геттера в такой прибор привело к снижению начального давления до 710^-6 Торр, причем это значение практически не менялось в течение следующих 10 дней. Аналогичная процедура в дисплее с диагональю 10 дюймов привела к снижению начального давления с 410^-5 Торр до 610^-5 Торр и стабилизации его на этом уровне на протяжении 100 суток. Следует заметить, что десятидюймовый дисплей не содержал люминофора, так что в нем источником газоотделения являлась только поверхность стеклянной платы.

Таким образом, рассмотренные аналоги и прототип дисплеев с полевой эмиссией обладают существенным недостатком - невозможностью достижения и поддержания внутри рабочего объема дисплея высокого уровня вакуума, вследствие чего в дисплеях с полевой эмиссией наблюдаются низкие эффективности люминофоров и малые времена жизни прибора в целом.

Сущность изобретения заключается в следующем. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании эффективного и долговечного вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном вакуумном катодолюминесцентном дисплее с полевой эмиссией, состоящем из двух плоских стеклянных пластин, отделенных друг от друга вакуумным промежутком: пластины с анодными сегментами, покрытыми люминофором и соединенными через токоведущие дорожки с внешними выводами для подключения к источнику электрического напряжения, катодной пластины, на поверхности которой сформированы эмиттерные узлы, черной контрастной маски, диэлектрической рамки, герметично соединяющей плоские стеклянные пластины, черная контрастная маска представляет собой нераспыляемый геттерный узел, встроенный в объем вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией, при этом нераспыляемый геттерный узел выполнен из пористого материала, обладающего свойствами геттера по отношению к химически активным газам остаточной атмосферы.

Кроме того, нераспыляемый геттерный узел выполнен из материала на основе геттерной пасты; геттерная паста расположена между анодными сегментами; нераспыляемый геттерный узел расположен в промежутках между анодными сегментами на предварительно сформированных токоведущих дорожках.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе изготовления вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией, включающем следующие операция: формирование эмиттерных узлов на поверхности катодной пластины, формирование на плоской стеклянной пластине анодных сегментов, токоведущих дорожек и контактных площадок, нанесение диэлектрического слоя, нанесение люминофора на анодные сегменты, формирование черной контрастной маски, герметизацию прибора, присоединение внешних выводов к контактным площадкам, черная контрастная маска выполнена из пористого материала, обладающего свойствами геттера по отношению к химически активным газам остаточной атмосферы.

Кроме того, в качестве черной контрастной маски используют геттерную пасту, геттерную пасту наносят в промежутки между анодными сегментами методом трафаретной печати; геттерную пасту наносят в промежутки между анодными сегментами методом фотопечати; геттерную пасту наносят на плоскую стеклянную пластину с анодными сегментами путем втирания ее в углубления, предварительно сформированные на плоской стеклянной пластине с анодными сегментами методом химического фрезерования; пористый материал, обладающий свойствами геттера наносят в промежутки между анодными сегментами на предварительно сформированные токоведущие дорожки методом электрофореза; геттерная паста состоит из смеси мелкодисперсного порошка геттерного материала с порошком неорганического связующего, диспергированных в органическом связующем; в качестве неорганического связующего используют мелкодисперсный алюминий; в качестве органического связующего используют состав на основе органического растворителя, высокомолекулярных соединений, поверхностно-активного вещества и пластификатора; формирование черной контрастной маски осуществляют вжиганием геттерной пасты в восстановительной атмосфере.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами и примерами конкретного исполнения.

На фиг. 1 дано схематическое изображение фрагмента конструкции вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией согласно изобретению (подводящие шины и ключи не показаны).

На фиг. 2 дано схематическое изображение структуры плоской стеклянной пластины с анодными сегментами вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией, выполненной согласно изобретению по примеру 1 случая 2.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - катодная пластина;

2 - эмиттерные узлы;

3 - плоская стеклянная пластина с анодными сигментами;

4 - анодные сегменты, покрытые люминофором;

5 - черная контрастная маска - встроенный нераспыляемый геттерный узел;

6 - диэлектрическая рамка (шов герметизации);

7 - вакуумный промежуток;

8 - откачное отверстие;

9 - откачной патрубок;

10 - объем для распыления бариевого геттера.

Вакуумный катодолюминесцентный дисплей с полевой эмиссией работает следующим образом.

Каждый эмиттерный узел 2 представляет собой матрицу (mxn порядка 10) соединенных параллельно отдельно полевых эмиттеров. При включении прибора и при достижении напряженности поля в зазоре между эмиттером и вытягивающим электродом (отдельно не изображены) величины порядка 10⁶ В/см (точно эта величина определяется материалом эмиттера) с заостренных участков эмиттера начинается эмиссия электронов. В зависимости от напряжения на анодных сегментах 4 и расстояния анодные сегменты 4 - катодная пластина 1 какая-то часть электронного тока попадет на покрытые люминифором анодные сегменты 4, вызывая их свечение (катодолюминесценцию). При малых расстояниях анодные сегменты 4 - катодная пластина 1 засвечивается отдельным эмиттерным узлом 2 область на пластине с анодными сегментами 3 практически совпадает с размерами самого эмиттерного узла 2, так что эта система не нуждается в фокусирующих электродах.

Согласно изобретению черная контрастная маска - геттерный узел формируется путем нанесения на плоскую стеклянную пластину с анодными сегментами высокопористого материала, полученного из смеси мелкодисперсных порошков геттерной композиции (например, Ti, Ti-V, Zn-V-Fe и т.п.) и неорганического связующего (например, Al).

Далее рассматриваются несколько способов формирования высокопористого геттерирующего слоя.

В основе первого способа, реализованного в двух модификациях, лежит метод формирования геттерирующего слоя нанесением на поверхность плоской стеклянной пластины с анодными сегментами в промежутках между анодными сегментами толстой пленки геттерной пасты. При этом паста может быть нанесена либо на плоскую стеклянную пластину с анодными сегментами методом трафаретной печати через специальный металлический трафарет, либо втиранием пасты в углубления, предварительно сформированные химическим фрезерованием плоской стеклянной пластины.

В качестве второго способа предлагается использовать метод фотопечати (фотолитографии по предварительно нанесенному cплошному слою геттерной пасты, в состав органического связующего которой введены фоточувствительные компоненты).

В качестве третьего способа формирования нераспыляемого геттерного узла - черной контрастной маски предлагается использовать метод электрофоретического осаждения порошков из суспензии соответствующего состава на предварительно сформированные методами фотолитографии тонкопленочные токоведущие дорожки.

При всех способах формирования нераспыляемого геттерного узла - черной контрастной маски положительный эффект получения и поддержания высокого вакуума достигается за счет следующих факторов.

1. Равномерное с шагом порядка 100 мкм распределение геттерных элементов на поверхности плоской стеклянной пластины с анодными сегментами, что полностью снимает проблему транспорта молекул от источника газоотделения (люминофор) к насосу (геттеру) через узкий капилляр, обладающий высоким сопротивлением молекулярному потоку.

2. Использование в качестве основы рабочего слоя смеси мелкодисперсных порошков материалов, обладающих выраженными геттерирующими свойствами (Ti, V, Fe, Al, Zn и т.п.).

3. Формирование в рабочих слоях высопористой структуры, обеспечивающей высокие скорость откачки и емкость нераспыляемого геттерного узла.

Последнее (формирование высокопористой структуры) обеспечивается за счет:

1) подбора оптимального состава геттерной композиции;

2) выбора оптимального состава органической связки и режима ее выжигания;

3) введения в состав порошковой геттерной композиции мелкодисперсного A1, обладающего, с одной стороны, выраженным геттерирующим эффектом по отношению к электроотрицательным газам (O₂, H₂O), а с другой, обеспечивающего таксацию при спекании пространственного каркаса геттерного слоя вследствие своей максимальной (по отношению к другим компонентам) подвижности;

4) проведения процедуры вжигания (спекания) геттерного слоя в сильно восстановительной атмосфере (H₂, CH₄, вакуум), что, с одной стороны, исключает окисление порошков и сохраняет их активность как геттеров, с другой, насыщает поверхность частиц слоя донорными газами, что способствует росту эффективности катодолюминофоров;

5) проведения процедуры вжигания при температуре не менее 450^oC, так как при более низких температурах не происходит когезионного сцепления зерен с образованием прочного пространственного каркаса. Максимальная температура и время вжигания определяются характеристиками используемых в конкретном изделии конструктивных материалов.

Изобретение поясняется нижеследующими примерами.

Пример 1.

Формирование черной контрастной маски - нераспыляемого геттерного узла осуществлялось путем нанесения на плоскую стеклянную пластину дисплея с полевой эмиссией с диагональю 5 дюймов. Использовалась паста следующего состава:

Органическое связующее:

Терпинеол - 90%

Этилцеллюлоза марки К-100 - 5%

Дибутилфталат - - 5%

Порошковая компонента:

Ti дисперсностью 1-3 мкм - 90%

Al дисперсностью 0,5-2 мкм - 10%

Порошковая компонента смешивалась с органическим связующим в весовом соотношении 5:1.

Случай 1.

Паста наносилась на плоскую стеклянную пластину c предварительно сформированными анодными сегментами методом трафаретной печати через металлический трафарет. Толщина нанесенного слоя составляла 20 - 25 мкм. Вжигание слоя проводилось в газонаполненной печи "Ангара - 4" в атмосфере ₂ при максимальной температуре 550^oC. Время нахождения плоских стеклянных пластин с анодными сегментами в зоне с максимальной температурой - 1 ч. Далее на поверхности плоской стеклянной пластины с анодными сегментами методами трафаретной печати формировалась система цилиндрических калибрующих элементов (спейсеров) высотой 200 мкм и методом катафореза наносились слои люминофоров красного, зеленого и синего цветов на основе соответственно порошков Y₂S₂OEu, ZnSCu и ZnSAg. Затем осуществлялась сборка плоской стеклянной пластины с анодными сегментами и катодной пластины, на поверхности которой сформированы эмиттерные узлы в единую конструкцию, и ее герметизация с помощью легкоплавкого стекла при температуре 450^oC в течение 1 ч с постоянной продувкой аргона через рабочий объем.

Высоковакуумная откачка велась с помощью турбомолекулярного насоса ТМН-1500 в течение 0,5 ч, при этом прибор имел температуру порядка 400^oC, что необходимо для качественного активирования нераспыляемого геттерного узла.

После отпайки прибора от высоковакуумного насоса и распыления бариевого геттера в приборе с помощью масс-спектрометрического датчика омегатронного типа фиксировалось общее давление остаточных газов P_о на уровне 1,510^-4 Па, а порциальное давление паров воды P_{H 2 O} = 510^-2 Па. После выдержки приборов в течение 20 суток они имели соответственно P_о 810^-5 Па и P_{H 2 O} = 310^-5 Па.

Светотехнические параметры дисплеев, выполненных согласно предлагаемому изобретению, в сравнении с дисплеями, изготовленными по известной технологии, представлены в таблице.

Случай 2.

Та же паста наносилась на плоскую стеклянную пластину с анодными сегментами, отличающуюся от случая 1 тем, что в промежутках между анодными сегментами на поверхности стекла методом фотолитографий были сформированы канавки глубиной 10 мкм. Нанесение пасты производилось путем втирания. Образовавшаяся в результате структура схематически представлена на фиг. 2. Для формирования нераспыляемого геттерного узла использовались те же режимы вжигания, что и в случае 1. Дальнейшие операции изготовления дисплея с полевой эмиссией соответствует предыдущему случаю.

Результаты измерения вакуума и светотехнических параметров идентичны предыдущему случаю.

Пример 2.

Геттерная паста с добавленной в нее фоточувствительной компонентой наносилась на плоскую стеклянную пластину с анодными сегментами методом трафаретной печати сплошным слоем, после чего в результате экспонирования геттерного слоя через соответствующий шаблон и проявления сформировался рисунок контрастной маски - нераспыляемого геттерного узла. Топологически получающаяся картина абсолютно идентична изображенной на фиг. 1.

Дальнейшие операции соответствуют случаю 1 из примера 1.

Пример 3.

Геттерирующий слой толщиной 20 мкм наносился методом катафореза из суспензии слабополярного органического растворителя, в качестве которого использовали метилизобутилкетон (МИК), предварительно осушенный двойной перегонкой. Для стабилизации суспензии использовали высокомолекулярное соединение - полиметилметакрилат марки Дакрил-ч, диспергированный в смеси МИК и ацетона. С целью повышения кинетической устойчивости металлических частиц в суспензии их стабилизировали раствором латекса с добавкой ПАВ, в качестве которого использовали CB-102 (натриевая соль ди-2- этилгексилового эфира сульфоянтарной кислоты), в результате создавая "мицеллу" с меньшей эффективной плотностью, чем металлическая частица. Концентрация металлического мелкодисперсного порошка суспензии составляла 1-2 вес.%. Осаждение проводилось при подаче отрицательного напряжения порядка 100 В на предварительно сформированные на плоской стеклянной пластине с анодными сегментами методом фотолитографии токоведущие дорожки из тонкой пленки окиси индия. Топологически получающаяся картина идентична изображенной на фиг. 1.

Дальнейшие операции соответствуют случаю 1 из примера 1.

Использование предлагаемой конструкции вакуумного катодолюминесцентного дисплея с полевой эмиссией и способа его изготовления обеспечивают по сравнению с известными аналогами и прототипом следующие преимущества:

- повышение качества плоских стеклянных пластин с анодными сегментами;

- резкое снижение уровня деффектности при формировании плоских стеклянных пластин с анодными сегментами;

- повышение надежности изготовленных приборов и увеличение их срока службы.