DE60000985T2

DE60000985T2 - Elektronische anzeige

Info

Publication number: DE60000985T2
Application number: DE60000985T
Authority: DE
Inventors: S Hewes; Marc Kacprowicz; T Lynch
Original assignee: Gillette Co LLC
Current assignee: Gillette Co LLC
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2003-07-24
Anticipated expiration: 2020-04-13
Also published as: HK1043646B; EP1171864A1; CN1347546A; CN1181385C; EP1171864B1; AU4233100A; US6380922B1; HK1043646A1; ATE229682T1; WO2000063873A1; DE60000985D1; AR027171A1; JP2002542516A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft spannungsgeregelte elektronische Anzeigen.
Bei einer Art einer spannungsgeregelten Anzeige handelt es sich um eine elektrophotoretische Anzeigevorrichtung, wie sie etwa in "All Printed Bistable Reflective Displays: Printable Electrophotoretic Ink and All Printed Metal-Insulator-Metal Diodes", Massachusetts Institute of Technology, Juni 1988, der E-INK, Inc. Cambridge, Ma., beschrieben wird. Diese Anzeigeart basiert auf sogenannten "elektronischen Tinten", wie z. B. elektrophotoretischem Material, das seine Eigenschaften auf der Basis einer angelegten Spannung ändert. Unter Verwendung von elektrophotoretischem Material, wie etwa elektronischer Tinte, kann eine Flachbildschirmanzeige auf ein Substratmaterial gedruckt werden. Diese Anzeigen ziehen sehr wenig Strom und verbrauchen somit auch besonders wenig Strom. Als Anzeige bzw. Display kann jedes spannungsempfindliche bzw. spannungssensitive Material verwendet werden. Bei einem weiteren spannungsempfindlichen Material handelt es sich um Gyricon, das in "The Reinvention of Paper", Scientific American, Sept. 1996 beschrieben wurde. Beide Anzeigearten werden mit verhältnismäßig hohen Spannungen betrieben.
Eine Metall-Isolator-Metalldiode (M-I-M) weist Strom- Spannungskennlinien auf, die denen einer Halbleiterdiode ähnlich sind. Ein Unterschied zu den Strom-Spannungskennlinien einer Halbleiterdiode betrifft die Tatsache, dass die Strom- Spannungskennlinien einer M-I-M-Diode symmetrisch sind. Kennzeichnenderweise ist die Strom-Spannungskennlinienkurve einer M-I-M-Diode bipolar. Das heißt, die Diode kann auf einer vorbestimmten negativen Spannung und im Wesentlichen der gleichen vorbestimmten positiven Spannung zwischen nichtleitenden und leitenden Zuständen wechseln.
Eine Art von Metall-Isolator-Metalldiode weist eine zusammengesetzte metallische Isolationsschicht auf, die einen Abstand zwischen zwei leitfähigen Schichten, d. h. Elektroden, vorsieht. Die zusammengesetzte Metall-Isolationsschicht weist einen isolierenden Binder auf, Suspensions-Metallpartikel mit einer verhältnismäßig dicken, thermisch erzeugten oder auf getragenen Oxidschicht auf den Metallpartikeln. In der obengenannten These von Jaeyoung Park werden zwei Arten von Prozessoren zur Erzeugung dieser Metall-Isolator-Metalldioden beschrieben. Die durch diese Arbeit erzeugten Dioden sehen verhältnismäßig hohe Wechselspannungen vor.
Bei WO-A-00 26761 handelt es sich um eine frühere Anmeldung zu einer spannungsgeregelten Anzeige. Darin wird ein Anschluss eines Spannungsteilers offenbart, der mit einer ersten Elektrode eines Elektrodenpaars eines Anzeigeelements gekoppelt ist, und mit einem nichtlinearen Element, das ebenfalls mit dem Spannungsteiler gekoppelt ist. Offenbart wird dabei im Besonderen, dass das nichtlineare Element durch einen Transistor, eine Zenerdiode, eine Metall-Isolator- Metall-Struktur oder jede andere dem Fachmann bekannte nichtlineare Vorrichtung gebildet werden kann. Die in dem kennzeichnenden Teil der selbständigen Ansprüche aufgeführten Merkmale sind gemäß der Offenbarung aus JP-A-10 268798 nicht Teil des Stands der Technik.
Vorgesehen ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine spannungsgeregelte Anzeige, die ein Anzeigeelement mit einem Elektrodenpaar und einen Spannungsteiler mit einem Anschluss aufweist, der mit einer erste Elektrode eines Elektrodenpaars der spannungsgeregelten Anzeige gekoppelt ist. Die spannungsgeregelte Anzeige weist ferner eine Metall- Isolator-Metalldiode auf, die eine Wechselspannung von weniger als 10 Volt aufweist und mit dem Spannungsteiler gekoppelt ist. Vorgesehen ist die spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 4, wobei der Spannungsteiler ein Widerstandspaar mit dem gleichen Widerstand aufweist.
Die spannungsgeregelte Anzeige kann ein Spannungspotenzial an dem ersten Anschluss des Anzeigeelements aufweisen, das einem Bruchteil einer Signalleitungsspannung entspricht, und mit einem Potenzial an dem zweiten Anschluss des Anzeigeelements, das durch eine Spannung an dem nichtlinearen Element und dem Widerstand bestimmt wird. Die spannungsgeregelte Anzeige kann eine zweite Metall-Isolator-Metall-Vorrichtung aufweisen, die in Reihe mit einem Widerstand gekoppelt ist. In dieser Anordnung handelt es sich bei einem Spannungspotenzial an dem ersten Anschluss des Anzeigeelements um einen festen Bruchteil einer Signalleitungsspannung, und ein Potenzial an dem zweiten Anschluss des Anzeigeelements wird durch eine Spannung an einer Verbindung zwischen dem nichtlinearen Element und Widerstand bestimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine spannungsgeregelte Anzeige eine Mehrzahl von Anzeigezellen auf, die in einer Reihe verbunden sind. Jede Zelle der Reihe weist ein Anzeigeelement mit einem Elektrodenpaar, einem Spannungsteiler mit einem Anschluss auf, der mit einer ersten Elektrode des Elektrodenpaars der spannungsgeregelten Anzeige verbunden ist, und einer Metall- Isolator-Metalldiode auf, die eine Wechselspannung von etwa 10 Volt aufweist, die mit dem Spannungsteiler gekoppelt ist.
Eine oder mehrere der folgenden Vorteile können durch einen oder mehrere Aspekte der Erfindung vorgesehen werden. Im Vergleich zu anderen Anzeigen ist es ein Vorteil dieser Anzeige, dass sie sehr wenig Strom verbraucht und bei niedrigen Spannungen wechselt bzw. umschaltet. Die Anzeige weist eine spannungsempfindliche Anzeige auf und ein nichtlineares Niederspannungs-Kopplungselement, wie z. B. eine Niederspannungs-Metall-Isolator-Metalldiode (M-I-M-Diode). Die spannungsempfindliche Anzeige verwendet ein Material, das auf der Basis der Spannung umschaltet. Ferner können die Anzeigereihe, die Elemente, Widerstände und nichtlinearen Vorrichtungen alle unter Verwendung herkömmlicher und kostengünstiger Drucktechniken hergestellt werden.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines spannungsgeregelten Anzeigeelements mit niedriger Spannung und geringem Stromverbrauch;
Fig. 1A eine Prinzipskizze eines bevorzugten spannungsgeregelten Anzeigeelements mit niedriger Spannung und geringem Stromverbrauch;
Fig. 2 ein schematisches Layout einer Matrix von spannungsgeregelten Anzeigeelementen mit niedrigem Stromverbrauch und niedriger Spannung;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer M-I-M-Diodenstruktur;
Fig. 3A eine vergrößerte Ansicht entlang der Linie 3A-3A eines Teilstücks aus Fig. 3;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer alternativen M-I-M- Diodenstruktur;
Fig. 4A eine vergrößerte Ansicht entlang der Linie 4A-4A eines Teilstücks aus Fig. 4;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer alternativen M-I-M- Diodenstruktur;
Fig. 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der Vorrichtung aus Fig. 3; und
die Fig. 7A-7D Darstellungen der Spannung im Vergleich zu dem Strom, wobei die Wechsel- bzw. Umschalteigenschaften der M-I-M-Diodenvorrichtungen aus den Abbildungen der Fig. 1 bis 4 veranschaulicht werden.
In Bezug auf die Abbildung aus Fig. 1 ist eine Niederspannungsanzeige 10 mit geringem Stromverbrauch dargestellt. Die Anzeige 10 weist ein Paar von Signalleitungen auf, die z. B. die Anzeigeanschlüsse 11a, lib. Die Anzeige 10 ist als Parallelschaltung angeordnet, die ein Anzeigeelement 16 aufweist. Das Anzeigeelement 16 weist zwei Elektroden 12, 14 auf, die dazwischen eine elektrophotoretische Tintenschicht 15 aufweisen. Die Elektrode 12 ist mit der Parallelschaltung an einem Spannungsteiler verbunden, der durch zwei Widerstände 18 und 20 vorgesehen ist. Die Elektrode 14 ist mit der anderen Seite der Parallelschaltung verbunden. Die andere Seite der Parallelschaltung weist ein nichtlineares Element auf, d. h. einen regelbaren Niederspannungsschalter 22, der als M-I-M- Diode implementiert ist, und einen dritten Widerstand 24. In einem praktischen Ausführungsbeispiel kann die Anzeige 10 vielfach repliziert werden, und die Anzeige 10 kann als eine aktive Matrix aus diesen Elementen angeordnet werden.
Bei der Anzeige 10 handelt es sich um eine spannungsgeregelte Anzeige mit besonders niedrigem Stromverbrauch. Bei der elektronischen Tintenschicht 15 handelt es sich um ein elektrophotoretisches Material, das die Eigenschaften auf der Basis einer angelegten Spannung ändert. Unter Verwendung von elektrophoretischem Material, wie etwa einer elektronischen Tintenschicht 15, kann eine Flachbildschirmanzeige auf ein Substratmaterial gedruckt werden. Die Anzeige 10 zieht sehr wenig Strom und wird mit niedrigen Spannungen betrieben, wie z. B. weniger als 10 Volt, und wobei die Anzeige sehr wenig Strom verbraucht. Als Anzeige kann jedes spannungsempfindliche Material verwendet werden. Ein anderes Material mit ähnlichen Eigenschaften, das die Bezeichnung Gyricon trägt, wird in "The Reinvention of Paper", Scientific American, Sept. 1998, beschrieben. Gyricon ist ebenfalls ein spannungsempfindliches Material. Die Anzeige 10 wird mit Spannungen im Bereich von weniger als 10 Volt und im Besonderen von weniger als 0,5 bis 1-2 Volt und speziell von 0,5-1 Volt betrieben.
Bei der nichtlinearen Vorrichtung 22 handelt es sich um eine M-I-M-Diode, die nachstehend in Bezug auf die Abbildungen aus den Fig. 3 bis 7D beschrieben wird.
Das Spannungspotenzial an dem Anschluss 12 weist stets die Hälfte des Signalspannungsunterschieds der Anschlüsse 11a, 11b auf, wenn der Wert des Widerstands 18 dem Wert des Widerstands 20 entspricht. Das Potenzial der Elektrode 14 wird durch die Spannung an dem nichtlinearen Element 22 und dem Widerstand 24 bestimmt. Die Spannung an dem Anschluss 12 variiert auf der Basis des dem Anschluss 11a zugeführten Signals in Bezug auf die Spannung an der Elektrode 14. Aufgrund der Tatsache, dass das Element 22 nichtlinear ist, wechselt es an einer bestimmten Stelle, wodurch bewirkt wird, dass die Spannung an der Elektrode 12 in Bezug auf die Spannung der Elektrode 14 negativ wird. Bei einem Wechsel des nichtlinearen Elements würde dies die Polarität an dem Anzeigeelement 16 umkehren, was wiederum bewirkt, dass das Anzeigeelement 16 die Farbe ändert. Durch die Anordnung einer Mehrzahl von Anzeigeelementen 16 wird eine Anzeige 10 vorgesehen, die zum Anzeigen verschiedener Informationsarten verwendet werden kann.
Da es sich bei der Anzeige 10 um eine gedruckte Vorrichtung handelt, kann die nichtlineare Vorrichtung mit Elektroden auf Kohlenstofftintenbasis vorgesehen werden, wie dies nachstehend im Text beschrieben ist. Die Widerstände können ebenfalls auf Kohlenstoffbasis vorgesehen werden und einen Füller zur Reduktion der Leitfähigkeit der Widerstände aufweisen, so dass diese widerstandsfähiger gestaltet werden. Im Idealfall weist die gesamte Anzeige 10 einen sehr hohen Gesamtwiderstand auf. Für eine Zelle würde dieser im Bereich von 15 Megaohm liegen.
In folgendem Bezug auf die Abbildung aus Fig. 1A ist ein alternatives Anzeigeelement 30 dargestellt. Das Anzeigeelement 30 weist ein spannungsgeregeltes Anzeigeelement 38 mit einer Elektrode 38a auf, die mit einem festen Potenzial gekoppelt ist, und mit einer zweiten Elektrode 38b, die mit einem Paar nichtlinearer Schaltelemente 34 und 36 gekoppelt ist, die als M-I-M-Dioden vorgesehen sind, wie dies nachstehend im Text beschrieben ist. Das Anzeigeelement 30 weist ferner einen Widerstand 32 auf, bei dem es sich um einen gedruckten Schichtwiderstand handeln kann, dessen eines Ende mit einem Versorgungspotenzial V verbunden ist, während das zweite Ende mit einem gemeinsamen Anschluss des Paars der nichtlinearen Schaltelemente 34, 36 gekoppelt ist. Die nichtlinearen Elemente 34, 36 werden dazu verwendet, die zweite Elektrode entweder mit einem Potenzial +V oder einem Bezugspotenzial, wie z. B. Erde, zu koppeln, um Potenzialunterschiede an dem Anzeigeelement 30 zu wechseln und um zu bewirken, dass die Anzeige als Reaktion auf Steuersignale, die dem Paar nichtlinearer Elemente zugeführt werden, die Farbe wechselt. In Bezug auf die Abbildung aus Fig. 2 ist in der Abbildung eine Mehrzahl von Anzeigeelementen 30 in einer Reihe 40 gekoppelt. Die Mehrzahl von Anzeigeelementen 30 weist Leiter auf, die mit adressierbaren Leitungen der Zeilen 41a-41b und der Spalten 42a-42b gekoppelt sind. In einem praktischen Ausführungsbeispiel können zahlreiche der beiden dargestellten zwei Leitungen aus Zeilen und Spalten vorgesehen werden. Die zeilenadressierbaren Leitungen 41a-41b sind mit den M-I-M- Diodenelementen 36 in jedem entsprechenden Anzeigeelement 30 verbunden, und die spaltenadressierbaren Leitungen 42a-42b sind mit den M-I-M-Diodenelementen 34 in jedem entsprechenden Anzeigeelement 30 verbunden.
Die Reihe bzw. Anordnung 40 weist ferner Zeilensteuerglieder 41 und Spaltensteuerglieder 42 auf. Die Zeilensteuerglieder 41 und die Spaltensteuerglieder 42 werden über Signale von Decodierern (nicht abgebildet) gespeist, welche ein Eingangssignal in Zeilen- und Spaltensignale auf den Leitungen 41a-41bg und 42a-42b decodieren, um die einzelnen Anzeigeelemente 30 zu steuern. Somit kann jedes einzelne Anzeigeelement 30 ein entsprechendes Bildelement bzw. Pixel in der Anzeigereihe 40 darstellen. Beim Betrieb der Reihe 40 erzeugen die Steuerglieder 41, 42 Signale (die ein Bezugspotenzial oder das Versorgungspotenzial aufweisen) auf den Zeilenleitungen 41a-41b und den Spaltenleitungen 42a-42b, um einen Potenzialunterschied selektiv über einzelne Anzeigeelemente umzukehren und somit die Farben der einzelnen Anzeigeelemente zu ändern.
Am Beispiel der Zelle 30d zeigt das Anzeigeelement 30 eine Farbe an, wie zum Beispiel weiß, wenn der Wert des Potenzials an der zweiten Elektrode 38b niedriger ist als der Wert des Potenzials an der ersten Elektrode 38a, und wobei eine andere Farbe wie zum Beispiel schwarz angezeigt wird, wenn der Wert des Potenzials an der zweiten Elektrode 38b größer ist als der. Wert des Potenzials an der ersten Elektrode 38a. Wenn entweder die Spaltenleitung 42b oder die Zeilenleitung 41a zu dem Anzeigezellenelement 30d ein Potenzial von 5 Volt aufweist, entspricht der Wert des Potenzials an der zweiten Elektrode 38b 5 Volt und das Anzeigeelement 30 befindet sich in dem ersten Zustand, z. B. weiß, da die erste Elektrode 38a das feste Potenzial V/2 aufweist, das weniger positiv ist als die zweite Elektrode 38b.
Für den Wechsel des Zustands des Anzeigeelements 38 werden Signale den Zeilen- und Spaltensteuergliedern 41, 42 zugeführt, um zu bewirken, dass die entsprechende Zeilenleitung 41a und die entsprechende Spaltenleitung 42b die Bezugsspannung von null Volt annehmen. Dies bewirkt, dass die Dioden 34 und 36 beide wechseln, wobei ein Potenzial von null Volt an der zweiten Elektrode 38b des Anzeigeelements 38 vorgesehen wird. Das Anzeigeelement wechselt zu der zweiten Farbe, wie z. B. schwarz, da die zweite Elektrode 38b jetzt weniger positiv ist als die erste Elektrode 38a.
In folgendem Bezug auf die Abbildung aus Fig. 3 ist eine Metall-Isolator-Metalldiode 50 dargestellt, die sich für die Vorrichtungen 22 (Fig. 1) 34 und 36 (Fig. 1A und 2) eignet. Die Metall-Isolator-Metalldiode 50 weist eine erste Elektrode 52 auf, wie z. B. ein Kupferfoliensubstrat oder ein anderes leitfähiges Material, wie etwa Kohlenstoff oder Gold oder andere leitfähige Materialien, wie etwa Chrom, Wolfram, Molybdän oder andere leitfähige Materialien wie etwa Metallpartikel, die in einem polymeren Binder verteilt sind, wie etwa einer leitfähigen Tinte. Die Metall-Isolator- Metalldiode 50 weist ferner eine Metall-Isolator- Verbundschicht 54 aus in einer dielektrischen Bindeschicht 62 suspendierten Metallpartikeln 60 auf. Wie dies in der Abbildung aus Fig. 3A dargestellt ist, weisen die Metallpartikel 60 eine eigenleitende Oxidschicht 60a auf, welche die Oberfläche der Partikel 60 bedeckt. Bei einem bevorzugten Metall handelt es sich um Tantal, das leicht eine eigenleitende, stabile und allgemein gleichmäßige eigenleitende Oxidschicht 60a bildet. Es können aber auch andere Metalle wie Niobium verwendet werden. Diese anderen Metalle sollten selbsteinschränkende, stabile Oxide bilden und eine geeignete Dielektrizitätskonstante für die Anwendung aufweisen. Ein Grund dafür, dass Tantal bevorzugt wird, ist es, dass sich die eigenleitende Oxidschicht leicht bei Luftexposition auf dem Tantal bildet.
Auf der Metall-Isolations-Verbundschicht 54 angeordnet ist eine zweite Elektrode 56, die z. B. Kupfer oder ein anderes leitfähiges Material wie etwa Kohlenstoff, Chrom, Wolfram, Molybdän oder Gold oder sonstige leitfähige Materialien umfasst. Die zweite Elektrode ist vorzugsweise direkt auf der Schicht 52 angeordnet, so dass sie sich in Kontakt mit der eigenleitenden Oxidschicht 60a auf den Partikeln 60 befindet. Die zweite Elektrode kann ebenfalls eine Verbundschicht darstellen, welche die leitfähigen Materialien und einen Binder aufweist. Durch Regelung der Leitfähigkeit der Elektrodenschicht 56 können die elektrischen Eigenschaften der Vorrichtung 50 angepasst werden. Im Besonderen kann die Kurve der Strom-Spannungskennlinie (I-V) steiler gestaltet werden, um eine steilere Ein-Aus-Kennlinie zu erreichen. Je höher die elektrische Leitfähigkeit, desto steiler ist die Kurve.
Wie dies nachstehend in Bezug auf die Abbildungen der Fig. 7A-7D beschrieben wird, weist die M-I-M-Vorrichtung eine symmetrische Strom-Spannungskennlinienkurve (I-V) auf, die diodenartige Eigenschaften aufweist. Die Vorrichtung kann ferner mit niedrigeren Wechsel- bzw. Schaltspannungen als in anderen Ansätzen vorgesehen werden, wie z. B. mit weniger als 10 Volt und im Besonderen mit weniger als 1 Volt bis etwa 0,5 Volt, jedoch mit den gleichen symmetrischen Eigenschaften. Die Anpassung des Verhältnisses von Tantal zu dem Binder und ferner der Dicke der Tantal-Binder-Schicht ermöglicht einen Anstieg oder eine Senkung der Strom-Spannungskennlinienkurve für das gleiche Material innerhalb eines Bereichs von +/- 50% und mehr.
Die Wechselspannung der Vorrichtung 50 kann von Vorrichtung zu Vorrichtung konstanter vorgesehen werden. Dies kann teilweise die konstantere Dicke der Oxidschicht und eine konstantere Qualität des inhärent gebildeten Oxids betreffen. Die Dicke der Tantaloxidschicht 60a schwankt im Vergleich zu dem thermischen Ausglühen oder anodisierten Oxidschichten nicht wesentlich. Es wird davon ausgegangen, dass die eigenleitende Schicht 60a ferner von Tantalpartikel 60 zu Tantalpartikel 60 eine im Wesentlichen einheitliche Dicke aufweist, wobei die Dicke im Bereich einer Monolagendicke liegt. Zu den Eigenschaften der Tantalpartikel zählt, dass das Pulver eine Teilchengröße im Bereich von weniger als 0,5 Mikron bis etwa einer Größe im zweistelligen Mikronbereich aufweist. Die gedruckte Schicht 54 kann eine Dicke von weniger als 0,5 Milliinch bis zu 8-10 Milliinch aufweisen. Es können aber auch andere Partikelgrößen und Dicken verwendet werden.
In folgendem Bezug auf die Abbildung aus Fig. 4 weist ein weiteres Ausführungsbeispiel 50' der Diode eine Schicht 54' auf, welche inerte Partikel 64 (gemäß der Abbildung aus Fig. 4A) eines anderen dielektrischen Materials aufweist, wie etwa Partikel 64 aus Titandioxid TiO&sub2; oder Magnesiumkarbonat MgCO&sub3;, dispergiert in dem polymeren Binder 62, und wobei die Tantalpartikel 60 eine Oxidschicht 60a aufweisen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Teil (z. B. 0% bis 75%) der Tantalpartikel 60 durch inerte Partikel 64 eines dielektrischen Materials ersetzt, wie etwa Titandioxid oder Magnesiumkarbonat. Die Tantalpartikel 60 können optional ein geglühtes Oxid oder eine andere Art der Oxidschicht aufweisen, die um das Tantal angeordnet ist, wobei jedoch die alleinige eigenleitende Oxidschicht 60a bevorzugt wird.
Durch den Zusatz dielektrischer Partikel, wie z. B. von Titandioxid-Feststoffen zu dem Polymerbinder 62 und den Tantalpartikeln 60 kann das Drucken der Schicht 54' verbessert werden, was den Einsatz geringerer Mengen der Tantalpartikel ermöglicht, während weiterhin ein hoher Feststoffanteil aufrechterhalten wird, der gute Diodeneigenschaften aufweist. Dies wäre bei sehr dünnen Schichten der Schicht aus einem Metall-Isolatormaterial besonders wünschenswert, um einen Kurzschluss der beiden Elektroden 52 und 56 durch die Schicht 54' zu verhindern. Der Einschluss eines inerten Materials verringert die Gefahr für einen Kurzschluss und sieht einen einheitlicheren Film/Überzug vor.
Bei ausreichend niedrigen Tantalkonzentrationen können ferner Vorrichtungen mit höheren Wechselspannungen vorgesehen werden.
Antizipiert wird, dass an Stelle der Verwendung der Oxidschicht um die Tantalpartikel als Isolator, d. h. die potenzielle Barriere, die Elektronen überschreiten müssen, um einen leitenden Zustand zu bewirken, diese Barriere durch die dielektrischen Eigenschaften des inerten Materials vorgesehen wird, wie z. B. das Titandioxid und der Binder bei den geringeren Tantalkonzentrationen.
In folgendem Bezug auf die Abbildung aus Fig. 6 weist ein weiteres Ausführungsbeispiel 50" der Diode eine erste Elektrode 52 und die Metall-Isolationsschicht 54 oder 54' auf der ersten Elektrode auf. Diese Struktur 50" kann ähnliche Diodeneigenschaften vorsehen, wenn eine Verbindung 58 mit der Metall-Isolationsschicht 54 oder 54' hergestellt wird. Durch den Verzicht auf die zweite Elektrode kommt die Vorrichtung 50" mit weniger Schichten aus, wobei der Fertigungsprozess geändert wird, ohne die Eigenschaften der Metall- Isolationsschicht wesentlich zu ändern.
In folgendem Bezug auf die Abbildung aus Fig. 6 kann die Vorrichtung aus der Abbildung aus Fig. 3 wie folgt hergestellt werden: Das Verfahren 70 umfasst das Mischen 72 von Tantalpulver mit einer Reinheit von 99,97% mit der eigenleitenden Oxidschicht und mit einer Partikelgröße von weniger als z. B. 5 Mikron mit einem polymeren Binder, wie etwa Acheson, Electrodag No. 23DD146A oder Acheson SS24686, einem thixotroperen Material. Beide polymere Binder sind von Acheson, Port Huron, MI, USA, erhältlich. Zur Bildung von Tantaltinte können auch andere Binder in Verbindung mit dem Tantal verwendet werden. Die Binder sollten elektrisch isolieren, mit Tantal oder einem anderen verwendeten Metall stabil reagieren und vorzugsweise einen verhältnismäßig hohen Feststoffanteil aufweisen, wie z. B. 15% bis 35%. Das Tantal kann 39% bis 100% des Gesamtgewichts des Binders ausmachen. Es können auch andere Bereiche verwendet werden. Die Tantalpartikel und der Binder werden gut gemischt, so dass die Tantaltinte erzeugt wird. Die Tantaltinte wird auf die erste Elektrode, wie z. B. ein Kupferfoliensubstrat oder auf ein anderes leitfähiges Material gedruckt 74. Die Schicht wird zum Beispiel entweder durch Zugstangen-, Siebdruck-, Flexodruck- oder Tiefdrucktechniken gedruckt werden. Die Schicht wird zum Beispiel in einem Ofen bei 120ºC 15-20 Minuten lang getrocknet 76. Eine zweite leitfähige Schicht, wie etwa Chrom in Form von in ein Bindemittel gemischten Chrompartikeln, wird auf die Tantal-Binderschicht gedruckt 78. Die Chromschicht wird ebenfalls zum Beispiel bei 120ºC 15-20 Minuten lang getrocknet 80, um die Vorrichtung 50 zu erzeugen. Danach kann die Vorrichtung 50 geprüft 82 werden.
Für die erste und/oder die zweite Elektrode können alternative leitfähige Schichten verwendet werden, wie etwa aus Kupfer, Wolfram, Molybdän, Kohlenstoff und so weiter. Die Leitfähigkeit dieser Schicht ist durch Veränderung der relativen Konzentrationen des leitfähigen Materials zu dem Binder regelbar. Ein Beispiel für den Anteil des leitfähigen Materials ist ein Bereich von 30% bis 39%. Durch eine Anpassung der Leitfähigkeit dieser Schicht kann die Form der Strom-Spannungskennlinienkurve verändert werden, wobei sie etwas steiler vorgesehen werden kann, wobei eine Diode mit einem steileren Ein-Aus-Ansprechverhalten erzeugt wird.
Vereinfacht wird die Verarbeitung durch die eigenleitende Oxidschicht 60a der verwendeten Tantalpartikel. Ein thermisches Ausglühen oder eine andere thermische Vorverarbeitung des Tantalpulvers ist nicht erforderlich. Die eigenleitende Oxidschicht weist eine sehr konstante Dicke und Qualität auf. Dies neigt zur Erzeugung sehr einheitlicher Metall-Isolatorschicht-Materialien und somit Dioden mit Wechselspannungen mit verhältnismäßig geringen Standardabweichungen über eine Reihe von Dioden.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass das Tantalpulver nicht thermisch ausgeglüht werden muss, dass die Eigenschaften der Tinte so angepasst werden können, dass sie verschiedene, für unterschiedliche Anwendungen geeignete Diodeneigenschaften aufweisen. Die Tintenzusammensetzung kann ein einfacheres Verfahren zur Regelung darstellen als die thermische Verarbeitung von Tantal.
Diese Vorrichtung kann auch als Varistor bezeichnet werden, d. h. ein dünn gedruckter Varistor. Diese M-I-M-Struktur eignet sich gut für Anwendungen, die ein nichtlineares Element benötigen, das mit niedrigen Spannungen und Niederstrom betrieben wird, die gedruckt werden und auf Halbleiterauftragetechniken verzichten kann.
Die Abbildungen aus den Fig. 7A bis 7D zeigen Darstellungen der Spannung im Vergleich zu dem Strom kennzeichnender Wechseleigenschaften der M-I-M-Diodenvorrichtungen aus den Abbildungen der Fig. 3 bis 5. Wie dies in der Abbildung aus Fig. 7A dargestellt ist, sieht eine Strom- Spannungskennlinienkurve 84 für eine M-I-M-Diodenvorrichtung bei 100 Nanoampere eine Wechselspannung von ungefähr 1,8 Volt vor, mit einem errechneten Ein-Aus-Verhältnis von etwa 33. Ermittelt wurde die Strom-Spannungskennlinienkurve 84 mit einem Hewlett-Packard Halbleiteranalysator, Modell Nr. 4155B.
Bei der Vorrichtung wurde eine Tantalschicht verwendet, die durch Mischen von 5 Gramm Tantalpartikeln von Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA, mit einem Partikeldurchmesser von weniger als 2 Mikron mit 20 Gramm Electrodag 23DD146A Polymer mit einer Zusammensetzung aus 25% Feststoffen und 75% flüchtigen Verbindungen erzeugt wurde. Die Tinte wurde auf eine leitfähige Oberfläche einer Kupferfolie unter Verwendung eines Ausschnitts von 15 Milliinch aufgetragen, d. h. um eine Schicht mit einer nassen Dicke von 15 Milliinch zu erzeugen. Die Probe wurde in einem Ofen 120ºC 20 Minuten lang getrocknet. Die Tinte für die zweite Schicht der Diode wurde durch Mischen von 5 Gramm Chrompulver mit einer Partikelgröße von weniger als 5 Mikron von Alfa Aesar mit 4 Gramm Electrodag 23DD146A erzeugt und danach auf die Oberseite der Tantal-Tintenschicht unter Verwendung eines Ausschnitts von 5 Milliinch auf getragen. Der Überzug wurde bei 120ºC 20 Minuten lang getrocknet.
Wie dies in der Abbildung aus Fig. 7B dargestellt ist, können die M-I-M-Dioden auf der Basis unterschiedlicher "P : B"- Verhältnisse unterschiedliche Wechselspannungen aufweisen, d. h. unterschiedlicher Verhältnisse der Metallpartikel (z. B. Tantal) zu dem Binder. Wie dies in der Abbildung aus Fig. 7B dargestellt ist, weisen die Vorrichtungen bei der gleichen Dicke von 15 Milliinch bei P : B-Verhältnissen von 5, 2 und 1 bei 100 Nanoampere Wechselspannungen von ungefähr 9 Volt (Kurve 85a), 5,3 Volt (Kurve 85b) und 3,8 Volt (Kurve 85c) auf.
Wie dies in der Abbildung aus Fig. 7C dargestellt ist, können Änderungen der nassen Dicke der Tantalschicht auch variierende Wechselspannungen erzeugen. Bei einer Tantalschicht mit einem Tantal-Binder-Verhältnis (P : B) von 8 : 1 würde eine M-I-M-Diode mit einer 15 Milliinch dicken Tantalschicht eine Wechselspannung von ungefähr 9 Volt (Kurve 86a) aufweisen, während eine 10 Milliinch dicke Schicht eine M-I-M-Diode mit einer Wechselspannung von ungefähr 7,8 Volt (Kurve 86b) vorsehen würde, und wobei eine 5 Milliinch dicke Schicht eine M-I-M-Diode mit einer Wechselspannung von ungefähr 4,6 Volt (Kurve 86b) vorsehen würde. Jede der Wechselspannungen wird bei 100 Nanoampere gemessen.
In Bezug auf die Abbildung aus Fig. 7D kann der Zusatz von Magnesiumkarbonat zu der Tantalschicht M-I-M-Dioden erzeugen, die einheitlich höhere Ein-Aus-Verhältnisse bei minimaler Auswirkung auf die Wechselspannung aufweisen. Bei zunehmender Magnesiumkarbonatmenge wird die Wechselspannungskennlinie steiler, wie dies in der Abbildung aus Fig. 7D dargestellt ist. Die Kurve 86a zeigt die Wechselkennlinie für eine Schicht aus 100% Tantal mit einem P : B-Verhältnis von 1 : 1, die eine Wechselspannung von 1,8 Volt aufweist. Die Kurven 87b-87d veranschaulichen, dass die Wechselkennlinie bei zunehmender Magnesiumkarbonatmenge steiler wird und somit ein besseres Ein-Aus-Verhältnis anzeigt.
Hiermit wird festgestellt, dass die vorliegende Erfindung vorstehend zwar in Bezug auf eine genaue Beschreibung beschrieben worden ist, wobei die vorstehende Beschreibung der Veranschaulichung der Erfindung dient, ohne deren Umfang einzuschränken. Der Umfang der Erfindung ist in den anhängigen Ansprüchen definiert. Andere Aspekte, Vorteile und Modifikationen sind Bestandteil des Umfangs der folgenden Ansprüche.

Claims

1. Spannungsgeregelte Anzeige (10, 30), die folgendes umfasst:

ein Anzeigeelement (10, 30) mit einem Elektrodenpaar (12, 24);

einen Spannungsteiler (10, 20) mit einem Anschluss, der mit einer ersten Elektrode des Elektrodenpaars gekoppelt ist; und

eine Metall-Isolator-Metalldiode (22, 36), dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Isolator-Metalldiode eine Wechselspannung von weniger als etwa 10 Volt aufweist und mit dem Spannungsteiler gekoppelt ist.

2. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Anzeigeelement um eine elektrophoretische Anzeige handelt.

3. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 1, wobei die Metall-Isolator-Metalldiode eine Wechselspannung von weniger als etwa 2 Volt aufweist.

4. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 1, wobei der Spannungsteiler ein Widerstandspaar mit dem gleichen Widerstand aufweist.

5. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 4, wobei ein Spannungspotenzial an einem ersten Anschluss des Anzeigeelements einen Bruchteil einer Signalleitungsspannung entspricht, und wobei ein Potenzial an einem zweiten Anschluss des Anzeigeelements durch eine Spannung an dem nichtlinearen Element und dem Widerstand bestimmt wird.

6. Spannungsgeregelte Anzeige (30) nach Anspruch 1, wobei die Anzeige ferner eine zweite Metall-Isolator-Metallvorrichtung (34) umfasst, und wobei der Spannungsteiler einen Widerstand (32) aufweist, der in Reihe mit der zweiten Metall-Isolator- Metalldiode verbunden ist.

7. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 6, wobei ein Spannungspotenzial an einem ersten Anschluss des Anzeigeelements einen Bruchteil einer Signalleitungsspannung entspricht, und wobei ein Potenzial an einem zweiten Anschluss des Anzeigeelements durch eine Spannung an der Verbindung zwischen dem nichtlinearen Element und dem Widerstand bestimmt wird.

8. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 1, wobei die Spannung eines Anschlusses des Anzeigeelements abhängig von der Spannung an einem anderen Anschluss des Anzeigeelements gemäß den dem Anzeigeelement zugeführten Anzeigesteuerungssignalen variiert.

9. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 8, wobei die Diode und eine zweite Metall-Isolator-Metallvorrichtung die Zustände wechseln, wodurch bewirkt wird, dass die Spannung an einem Anschluss des Anzeigeelements im Verhältnis zu der Spannung an dem anderen Anschluss des Anzeigeelements negativ wird, so dass eine Farbänderung des Anzeigeelements bewirkt wird.

10. Spannungsgeregelte Anzeige (40), die folgendes umfasst:

eine Mehrzahl von Anzeigezellen (30), die in einer Reihe verbunden sind, wobei jede Zelle folgendes umfasst:

ein Anzeigeelement (30) mit einem Elektrodenpaar (30a, 30b);

einen Spannungsteiler mit einem Anschluss, der mit einer ersten Elektrode des Elektrodenpaars gekoppelt ist; und

eine Metall-Isolator-Metalldiode (36), dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Isolator-Metalldiode eine Wechselspannung von weniger als etwa 10 Volt aufweist und mit dem Spannungsteiler gekoppelt ist.

11. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 10, wobei es sich bei dem Anzeigeelement um eine elektrophoretische Anzeige handelt.

12. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 10, wobei die Metall-Isolator-Metalldiode eine Wechselspannung von weniger als etwa 2 Volt aufweist.

13. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 10, wobei jede Zelle ein Paar von Anschlüssen aufweist, die jeweils entsprechend mit Reihen- oder Spaltenleitungen der Anordnung gekoppelt sind.

14. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 10, wobei die Reihen- oder Spaltenleitungen der Anordnung von Reihen- und Spaltensteuerschaltungen vorgesehen werden, die durch Signale zum Adressieren und Steuern der Anzeige gespeist werden.

15. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 10, wobei eine Elektrode jedes der Anzeigeelemente mit einer festen Spannung gekoppelt ist.

16. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 10, wobei ein Spannungspotenzial an einem ersten Anschluss jedes der Anzeigeelemente einen gewissen Bruchteil einer Anzeige- Speisespannung darstellt, und wobei ein Potenzial an einem zweiten Anschluss der Anzeige durch die Spannung an dem nichtlinearen Element und dem Widerstand bestimmt wird.

17. Spannungsgeregelte Anzeige nach Anspruch 10, wobei die Schwankung der Spannung eines zweiten Anschlusses eines der Mehrzahl von Anzeigeelemente im Verhältnis zu dem anderen eine Farbänderung der Anzeige bewirkt, wenn an der Anzeige ein entgegengesetzter Spannungsunterschied gegeben ist.