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Semiar Displaytechnologie:
Thema: Field Emission Displays (FED)
Referent: Gerald Herrmann ([email protected])
Vortragsdatum: 08.02.2002
Folie 1:
Deckblatt
Folie 2:
Inhalt I
Folie 3:
Inhalt II
Folie 4:
Einleitung: „Kalte“ Feldemission. Herauslösen von Elektronen aus einem Material durch hohe el.
Feldstärken
Folie 5:
Aufbau eines Microtip-FED: Durch hohe Feldstärken werden die Elektronen “kalt” aus den MikroSpitzen emittiert. Die Spannung zwischen Kathode und Gitter beträgt 50V. Die nötige Feldstärke von
ca. 10^9 V/cm entsteht durch die Form der Spitze (Feldüberhöhung). Durch die Anodenspannung von
1 - 10 kV werden sie Richtung Phosphor beschleunigt.Durch die Energie werden Phosphorelektronen
auf ein höheres Niveau gehoben. Fallen sie wieder zurück, geben sie Energie in Form von sichtbarem
Licht ab.
Substrat: Silizium, Kathode: Nickel, Isolator: Siliziumdioxid, Gitter: Niob, Micro-Tips: Molybdän
Glas dient nur als mechanischer Träger und zur Evakuierung. Relativ einfache lithographische
Herstellung: 5 Schichten, 1 kritischer Maskenprozeß. (Vgl. TFT-LCD: 22 Schichten / 10 Masken)
Folie 6:
REM-Aufnahme Microtips: Die Spitzen bestehen vorwiegend aus Molybdän, Silizium ist zwar auch
möglich, aber weniger effektiv. Zwischen Spitze und Gitter liegen 50-100 V Kathodenspannung an.
Maße: Spitzenabstand 0,1 µm, Lochdurchmesser 50 nm.
Mehrere Tausend Microtips bilden ein Pixel, da die Emission einer einzelnen Spitze nicht
reproduzierbar ist. Weiterhin müssen nicht alle Microtips perfekt sein um eine optimale Bildqualität zu
erreichen.
Folie 7:
Double-Gated Microtips – Herstellung I: Double-Gated zur sofortigen Fokussierung des
Elektronenstrahls, Herstellung durch selbsausrichtenden Maskenprozeß
a) Glas-Träger, Kathode (Indium-Zinnoxid ITO), für UV-Licht durchlässig, Strombegrenzungswiderstand (NiSiO2): ~100 Mohm, Isolator (SiO2), Gate (Molybdän)
b) Maske aufbringen
c) Gate-Loch ätzen
d) Photolack entfernen
e) Isolator (SiO2) und Focus-Elektrode (ITO) aufbringen
f) Photolack aufbrigen
g) von “hinten” mit UV-Licht belichten, belichtete Fläche ist durch Streuung größer als Gate-Loch.
UV-Licht durchdringt ITO, NiSiO2 und SiO2
Folie 8:
Double-Gated Microtips – Herstellung II:
h) wegätzen des oberen ITO (Fokus)
i) wegätzen des Isolators (Mo darf nicht angegriffen werden
j) Photolack entfernen
k) Auf- und Einbringen einer Trennschicht (hier Al), durch Rotation bleibt Kathode frei
l) Aufbringen von Molybdän, die Spitze entsteht
m) Entfernen des überschüssigen Molybdäns und der Trennschicht.
Folie 9:
REM-Aufnahme Double-Gated Microtips: Gute Fokussierung der emittierten Elektronen durch
anlegen einer Focus-Spannung. Variation der Strahlbreite durch ändern der Spannung.
Typisch: Gatespg.50-100 V, Fokusspg, 10- U(Gate); Anodenspg. >1000 V.
Folie 10:
Nanoröhren / Carbon Tubes: Auf ein leitfähig dotiertes Siliziumsubstrat wird ein dünner Diamantfilm
aufgebracht und mit schweren Ionen mit hoher Energie (z.B. 140 MeV Xeon) beschossen. Die Ionen
Verändern die isolierende Diamantstruktur entlang der Einschußlöcher zu leitenden Graphit-Röhren.
Durch die harten Kanten zwischen Röhren und Oberfläche setzt die Feldwmission früher ein, als bei
Microtips (ab 23 V). Es entstehen quasi leitende Nadeln. Dieser Effekt ist allerdings nicht vollständig
geklärt.
Die homogene Oberfläche erlaubt es, den Abstand zur Anode weiter zu verringern, weiterhin ist der
Abstand von Kathode zu Gate nur etwa 1 µm groß, das Display wird flacher.
Der Diamantfilm ist sehr hart und Korrosionsbeständig, wohingegen bei Microtips Mo-Atome
freigesetzt werden können: Dort besteht die Gefahr von Spannungsüberschlägen und Verformung /
Abflachung der Spitze mit einer damit verbundenen Abnahme der Emission und damit der Helligkeit.
Folie 11:
Surface-Conduction Elektron Emitter: Herstellung durch Siebdruck- und Tintenstrahlverfahren.
Auf die Elektronenhälften wird ein ultrafeiner Palladiumoxid-Film aufgetragen. Bei anliegender
Spannung >10 V entsteht ein Stromfluß, aus einer Linie zwischen den Elektroden emittieren etwa die
Hälfte der an dem Stromfluß beteiligten Elektronen.
Durch die geringe Steuerspannung ist keine Fokussierung erforderlich.
SEDs benötigen etwa die halbe Leistung von CRTs, ein drittel der Leistung von PDPs.
Folie 12:
Surface-Conduction Elektron Emitter: siehe Folie 11
Folie 13:
Übersicht der Technologien: Microtips, Dual-Gated Microtips, Nonoröhren (Carbon Tubes), SurfaceConduction Electron Emitter Display (SCE-FED / SED)
Folie 14:
Farbdarstellung I: Subpixel-Darstellung
Folie 15:
Farbdarstellung I – Anode Switching: Anoden (rot, grün, blau) werden abwechselnd geschaltet.
Alle Microtips eines Pixels tragen zum Leuchten des jeweiligen Phosphors bei. Zeitsequenzielle
Ansteuerung der Farben.
Folie 16:
Anforderungen an Leuchtstoffe I: Allgemeine Anforderungen
Folie 17:
Anforderungen an Leuchtstoffe II: „low-voltage“ (250 – 500 V), „high-voltage“ (~ kV)
Folie 18:
Display-Ansteuerung I: Subframe-Ansteuerung (Frame Rate Control), Pulsbreiten-modulation (Pulse
Width Modulation), Spannungssteuerung (Voltage Modulation), Strom- oder Ladungssteuerung
(Current or Charge Control).
Folie 19:
Display-Ansteuerung II: siehe Folie 18
Folie 20:
Technische Daten I: Bild – Nanotube-Technik
Folie 21:
Technische Daten II: Beispiel für ein Serien-Display
Folie 22:
Vergleich mit anderen Display-Typen: LCD hat probleme mit Farbtreue; Plasmadisplay hat nicht die
Auflösung; Helligkeit bei TFT begrenzt; Effizienz erheblich höher, als bei anderen Typen (LCD < 1,
FED > 10); von allen Seiten zu betrachten (LCD < 150°); kein Schmieren wie bei LCD; Flüssigkristalle
frieren ein; CRT ist schwer; CRT muß warm werden, LCD muß erst hell werden.
Steuerspannung bei LCD geringer; CRT-Phosphore gut erforscht; Aufladung der Spacer bei anderen
Displays nicht der Fall; Probleme mit Fehlerpixeln bei TFT
Folie 23:
Field-Emitter-Array Cathode-Ray-Tube (FEA-CRT): Bei FEA-CRTs wird die Glühkathode eines
gewöhnlichen CRT durch ein FEA in Microtip-Bauweise ersetzt. 868 Microtips bilden den Emitter. Eine
Fokus-Elektrode bündelt die emittierten Elektronen. Alles weitere ist herkömmliche CRT-Technik.
Die Beschleunigungsspannung ist geringer als bei normalen CRTs (ca..27 kV). Die bisher erzielten
Ergebnisse bescheinigen der FEA-CRT ein gutes Potential. Der Strahldurchmesser von 0,84 mm
(CRT: 0.3mm) läßt sich durch kleinere Microtip - Gate - Strukturen weiter verringern.
Die Farbdarstellung erfolgt wie beim CRT mit drei FEA’s.
Folie 24:
Zusammenfassung: Bild – 13.2 Zoll, 800x600, Technologiedemonstration
Folie 25:
Literaturliste
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