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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrischen und mechanischen
Verbinden einer elektrisch leitenden Feldemissionsfaser mit einem
elektrisch leitenden Bereich eines Substrats, eine verbesserte faserförmige Kathode
sowie einen verbesserten Flachbildschirm, der eine solche Faserkathode enthält.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bildschirme
werden in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt, wie z. B.
in privaten und technischen Fernsehgeräten, Laptop- und Desktop-Computern
und bei Werbungs- und Informationspräsentationen in Innenräumen und
im Freien. Flachbildschirme sind nur wenige Zoll dick, im Gegensatz zu
den tiefen Kathodenstrahlröhren-Monitoren,
die bei den meisten Fernsehgeräten
und Desktop-Computern zu finden sind. Flachbildschirme sind eine Notwendigkeit
für Laptop-Computer,
bieten aber auch Gewichts- und Größenvorteile für viele
andere Anwendungen. Gegenwärtig
werden in Flachbildschirmen für
Laptop-Computer Flüssigkristalle
eingesetzt, die durch Anlegen kleiner elektrischer Signale aus einem
lichtdurchlässigen
Zustand in einen lichtundurchlässigen
Zustand geschaltet werden können. Die
zuverlässige
Herstellung dieser Bildschirme in größeren Formaten als den für Laptop-Computer geeigneten
ist schwierig. Als Alternative für
Flüssigkristallbildschirme
sind Plasmabildschirme vorgeschlagen worden. Ein Plasmabildschirm
verwendet winzige Pixelzellen elektrisch geladener Gase zur Erzeugung
eines Bildes und benötigt
zum Betrieb relativ hohe elektrische Spannungen und Leistungen.
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Es
sind Flachbildschirme mit einer Kathode vorgeschlagen worden, die
eine Feldemissions-Elektronenquelle,
d. h. ein Feldemissionsmaterial oder einen Feldemitter, und einen
Leuchtstoff nutzt, der unter Elektronenbeschuß lichtemissionsfähig ist.
Derartige Bildschirme haben die Möglichkeit, die Sichtanzeige-Vorteile
der herkömmlichen
Kathodenstrahlröhre
und die Tiefen-, Gewichts- und Leistungsvorteile der anderen Flachbildschirme
zu bieten. US-A-4 857 799 und US-A-5 015 912 offenbaren matrixadressierte
Flachbildschirme mit Verwendung von Mikrospitzenkathoden, die aus
Wolfram, Molybdän
oder Silicium aufgebaut sind. WO 94/15352, WO 94/15350 und WO 94/28571
offenbaren Flachbildschirme, in denen die Kathoden relativ flache
Emissionsflächen
aufweisen.
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Es
ist entdeckt worden – siehe
z. B. WO 95/22169 – daß eine Kathode,
die aus faserförmigen Elektronenfeldemittern
besteht, wobei die Fasern im wesentlichen in der Kathodenebene liegen
und eine Emission in gewünschten
Bereichen in Längsrichtung
der Faser erzielt wird, Vorteile gegenüber früher offenbarten Kathoden aufweisen.
Die Faserkathode wird durch ein Substrat unterstützt, und ferner wird eine verbesserte
Leistung erzielt, wenn die adressierten Abschnitte der Faserkathode,
von denen die Elektronenemission ausgeht, freitragend und nicht
in direktem Körperkontakt
mit dem Substrat sind.
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Aufgaben
und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden
ausführlichen
Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bietet ein Verfahren zum mechanischen und elektrischen
Verbinden einer elektrisch leitenden Feldemissionsfaser mit einem
elektrisch leitenden Bereich eines Substrats, mit den folgenden
Schritten:
- (a) Auflegen der Feldemissionsfaser
quer über
die Oberfläche
des Substrats und Zentrieren der Feldemissionsfaser über dem
Bereich des Substrats, wo die Verbindung herzustellen ist;
- (b) Auflegen eines Metallbands über der Feldemissionsfaser,
wobei die Längsausdehnung
des Metallbands im wesentlichen senkrecht zur Achse der Feldemissionsfaser
ist, und so, daß sich
das Metallband über
die Feldemissionsfaser erstreckt, wobei jeder Endabschnitt des Metallbands
in direktem Kontakt mit dem Bereich des Substrats ist; und
- (c) Bonden des Metallbands an den Bereich des Substrats und
die Feldemissionsfaser durch Ultraschall-, Thermokompressions- oder
Druckbonden.
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Vorzugsweise
besteht das Metallband aus Gold, Aluminium oder Aluminiumlegierung.
Die Länge
des Metallbands ist nicht entscheidend. Es muß jedoch ausreichend lang sein,
um der Kontur der Feldemissionsfaser zu folgen, und ausreichende
Abschnitte auf beiden Seiten der Feldemissionsfaser aufweisen, um
die Verbindung mit dem Substrat zu ermöglichen. Typischerweise beträgt die Breite
des Metallbands etwa 2 Mil (0,05 mm) bis etwa 40 Mil (1 mm), und
die Dicke beträgt
etwa 0,25 Mil (0,006 mm) bis etwa 2 Mil (0,05 mm).
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Die
Erfindung bietet außerdem
eine verbesserte Faserkathode, die aus mindestens einer Feldemissionsfaser
und einem Substrat besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch
leitende Feldemissionsfaser durch ein über der Feldemissionsfaser liegendes
Metallband mechanisch und elektrisch mit einem elektrisch leitenden
Bereich eines Substrats verbunden ist, wobei die Längsausdehnung
des Metallbands im wesentlichen senkrecht zur Achse der Feldemissionsfaser
ist, so daß sich
das Metallband über
die Feldemissionsfaser erstreckt, wobei jeder Endabschnitt des Metallbands
in direktem Kontakt mit dem Bereich des Substrats ist; und wobei
das Metallband an den elektrisch leitenden Bereich des Substrats
und an die Feldemissionsfaser gebondet wird.
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Insbesondere
bietet die Erfindung einen verbesserten Flachbildschirm, der eine
derartige Faserkathode enthält.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Feldemissionsfaser an mehreren
Stellen in Längsrichtung
der Feldemissionsfaser mit dem Kathodensubstrat verbunden.
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Ein
wichtiger Vorteil dieses Verfahrens zum Verbinden einer Feldemissionsfaser
mit einem Substrat ist, daß es
in einem automatisierten Verfahren angewandt werden kann, in dem
eine Vielzahl derartiger Verbindungen mühelos hergestellt werden können.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die 1(a), 1(b) und 1(c) zeigen eine hängende Faserkathode und die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von Kontakten an verschiedenen Stellen in Längsrichtung
der Feldemissionsfaser.
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2 zeigt
die Verwendung eines Metallbands zum Verbinden einer Feldemissionsfaser
mit einem Substrat.
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Die 3(a) und 3(b) zeigen
zwei rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen eines Metallbands,
das eine Feldemissionsfaser mit einem Substrat verbindet, das aus
einer dünnen
Goldfolie auf Kalknatronglas besteht.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung bietet ein Verfahren zum Verbinden einer Feldemissionsfaser
mit einem Substrat und dadurch eine verbesserte Faserkathode. Der
Begriff "Faserkathode", wie er hier gebraucht
wird, umfaßt
eine Kathode, die aus mindestens einer Feldemissionsfaser besteht.
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Ein
Flachbildschirm, der eine solche Faserkathode enthält, wird
gleichfalls verbessert. Der Flachbildschirm weist auf (a) eine Faserkathode,
die aus mindestens einer Feldemissionsfaser besteht, die auf einem
Substrat getragen wird, (b) eine lichtdurchlässige, elektrisch leitende
Schicht, die als Anode dient und von der Faserkathode beabstandet
ist, und (c) eine unmittelbar an die Anode angrenzende Leuchtstoffschicht,
die unter Beschuß mit
durch die Fasern emittierten Elektronen lichtemissionsfähig ist. Die
Verbesserung weist die Verbindung der Feldemissionsfaser mit dem
Substrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
auf. Man wird erkennen, daß die
Anordnung der Anode und der Leuchtstoffschicht variieren kann. Mit
anderen Worten, die Leuchtstoffschicht kann zwischen der Anode und
der Kathode angeordnet werden, oder alternativ kann die Anode zwischen
der Leuchtstoffschicht und der Kathode angeordnet werden. Der Flachbildschirm
kann außerdem
eine oder mehrere Gateelektroden enthalten, die zwischen der Anode
und der Kathode angeordnet sind.
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Flachbildschirme
werden so genannt, weil sie nur wenige Zoll dick sind. Sie sind
im allgemeinen eben, können
aber auch gekrümmt
sein oder andere Konfigurationen aufweisen, wie für die konkrete
Anwendung erforderlich. Daher umfassen die Begriffe "Bildschirm" oder "Flachbildschirm", wie sie hier gebraucht
werden, ebene und gekrümmte
Oberflächen sowie
andere mögliche
Konfigurationen.
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Der
Feldemitter oder das Feldemissionsmaterial, der bzw. das in der
erfindungsgemäßen Faserkathode
verwendet wird, ist eine Feldemissionselektronenquelle. Bei der
Ausbildung der aus mindestens einer solchen Faser bestehenden Faserkathode
sind verschiedene Fasergeometrien möglich. Mit "Faser" ist gemeint, daß eine Abmessung wesentlich
größer ist
als die anderen beiden Abmessungen. Die Fasern können einen beliebigen Faserquerschnitt
aufweisen, der nur durch die Konstruktion der Spinndüse beschränkt wird.
Fasern können
auf die Weise von Mehrfachfasern gebündelt werden.
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Diese
Fasern können
aus dem Feldemitter allein hergestellt werden (z. B. Graphitfasern)
oder können
eine Verbundfaser aus einem Kern, der kein Feldemitter ist, und
einer den Kern umgebenden dünnen
Feldemitterschicht sein. Vorzugsweise ist das Kernmaterial elektrisch
leitend oder halbleitend. In einer anderen Ausführungsform kann die Faser aus
einer komplexeren Kernstruktur bestehen, z. B. einem nichtleitenden
Kern, der von einer dünnen
Schicht aus leitendem oder halbleitendem Material umgeben ist, wobei
die Schicht von einem Feldemissionsmaterial umgeben ist.
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Das
erfindungsgemäße Verbindungsverfahren
kann bei jedem Feldemissionsmaterial angewandt werden. Diamant,
diamantartiger Kohlenstoff oder glasartiger Kohlenstoff können als
Feldemissionsmaterial eingesetzt werden. Die Faserkathode kann dann
aus Diamant-, diamantartigen Kohlenstoff oder glasartigen Kohlenstoffverbundfasern
zusammengesetzt sein, die im wesentlichen aus Diamant, diamantartigem
Kohlenstoff oder glasartigem Kohlenstoff auf diamantfreien Kernfasern
bestehen. Das Kernmaterial kann z. B. ein leitfähiger Kohlenstoff sein, wie
z. B. Graphit, oder ein Metall, wie z. B. Wolfram, Kupfer, Titan
oder Molybdän,
oder kann z. B. Silicium oder Siliciumcarbid sein. In einer anderen
Ausführungsform
kann der Kern ein metallisierter Isolator sein, wie z. B. eine wolframbeschichtete
nichtleitende Polyester-, Nylon- oder Kevlar®-Faser
(Kevlar® ist
ein eingetragenes Warenzeichen von E. I. du Pont de Nemours and
Company, Wihnington, DE). In anderen Ausführungsformen kann ein diamantfreier
Kern mit einem Diamant-, diamantartigen Kohlenstoff oder glasartigen
Kohlenstoff Vorläufer
beschichtet werden, und durch geeignete Behandlung des Vorläufers wird
dann der Diamant, diamantartige Kohlenstoff oder glasartige Kohlenstoff
ausgebildet.
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Zu
beachten ist, daß in
den Ausführungsformen
der Erfindung die Achse jeder Faser, aus der die Faserkathode besteht,
im wesentlichen in der Kathodenebene liegt. Daher tritt die Elektronenemission von
diesen Fasern entlang der Länge
der verwendeten Fasern auf und nicht von der Faserspitze oder dem
Faserende aus.
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Diamantfasern
und faserförmige
Diamantverbundstoffe, wie z. B. diamantbeschichteter Graphit oder
diamantbeschichteter Kohlenstoff, weisen vorzugsweise eine Diamantstruktur
im Submikrometermaßstab
auf, d. h. Diamant mit Kristallgrößen von im allgemeinen weniger
als 1 μm
in zumindest einer Kristalldimension. Innerhalb der Diamantkristalle
von Submikrometergröße weisen
Diamantkristalle zumindest einige freiliegende Kristallflächen mit
111-Orientierung, einige freiliegende Kristallflächen mit 100-Orientierung oder
einige von beiden auf. Eine weitere Diamantform mit geeigneten Abmessungen im
Submikrometerbereich wird gewöhnlich
als Blumenkohl-Diamant bezeichnet, der im Gegensatz zu einer pyramidalen
Struktur feinkörnige
Kugeln aufweist.
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Fasern,
die diamantartigen Kohlenstoff mit entsprechend kurzer Fernordnung,
d. h. einer geeigneten Kombination von sp2-
und sp3-Bindung aufweisen, können gleichfalls
Feldemissionsmaterialien mit hohen Stromdichten bereitstellen. Mit "kurze Fernordnung" ist im allgemeinen
eine geordnete Atomanordnung von weniger als etwa 10 Nanometer (nm)
in jeder Dimension gemeint. Möglicherweise
können auch
Fasern verwendet werden, z. B. Kohlenstoffasern, die durch Laserablation
mit amorphem Diamant beschichtet werden, wie von Davanloo et al.
in J. Mater. Res., Bd. 5, Nr. 11, Nov. 1990 beschrieben.
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Fasern,
die glasartigen Kohlenstoff enthalten, ein amorphes Material, das
Raman-Peaks bei etwa 1380 cm–1 und 1598 cm–1 aufweist,
sind als Feldemittermaterial gleichfalls verwendbar. Der Begriff "diamantartiger Kohlenstoff' wird hier zur Bezeichnung
des Materials benutzt, das in der Literatur sowohl als diamantartiger
Kohlenstoff als auch als glasartiger Kohlenstoff und als Kohlenstoff,
der mikroskopische Einschlüsse
von glasartigem Kohlenstoff enthält,
bezeichnet wird, die alle in ihrem Verhalten als faserförmige Feldemissionsmaterialen
diamantartig sind.
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Im
allgemeinen haben die Verbundfasern einen Gesamtdurchmesser im Bereich
von etwa 1 μm bis
etwa 200 μm.
Die Diamantschicht oder -beschichtung in einer derartigen Verbundfaser
kann im allgemeinen eine Dicke von etwa 50 Å (5 nm) bis etwa 50000 Å (5 μm) aufweisen,
vorzugsweise von etwa 1000 Å (0,1 μm) bis etwa
20000 Å (2 μm), stärker bevorzugt
von etwa 1000 Å (0,1 μm) bis etwa
5000 Å (0,5 μm).
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Diamant
weist typischerweise mehrere niedrig indizierte Kristallflächen mit
niedriger oder negativer Elektronenaffinität auf, z. B. Diamant mit 100-Flächen mit
niedriger Affinität,
während
Diamant mit 111-Flächen
eine negative Elektronenaffinität
aufweist. Diamantartiger Kohlenstoff oder glasartiger Kohlenstoff
kann vorzugsweise n-leitend sein, und ist z. B. mit Stickstoff oder
Phosphor dotiert, um mehr Elektronen bereitzustellen und die Austrittsarbeit
des Materials zu verringern.
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Eine
solche Diamant- oder diamantartige Kohlenstoffschicht weist vorzugsweise
raube gezackte Ränder
auf, so daß auf
der Diamant- oder diamantartigen Kohlenstoffschicht eine Reihe von
Zacken und Vertiefungen vorhanden sind. In Diamantschichten ergibt
sich diese Oberflächenmorphologie aus
einer mikrokristallinen Struktur des Diamantmaterials. Um die besten
Ergebnisse zu erzielen, kann unter Umständen vorzugsweise ein kleiner
Graphitanteil zumindest zwischen einem Teil der Diamantkristalle
innerhalb der Diamantschicht angeordnet sein. Unter Umständen wird
auch bevorzugt, daß Diamant,
der durch chemische Bedampfung gezüchtet wird, sich wegen eines
leichten Justierfehlers zwischen den wachsenden Kristallen säulenförmig entwickelt.
Dieser Justierfehler kann auch die Entwicklung der rauben, gezackten
Ränder
der Diamantmorphologie begünstigen.
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Die
Feldemissionsfaser ist auf einen Träger aufgebracht, um eine faserförmige Kathode
bereitzustellen. Der Träger
kann flach oder wellenförmig
sein und eine oder mehrere regelmäßig beabstandete, parallele
Reihen von Wellenbergen und Wellentälern aufweisen. (siehe z. B.
WO-95/22169 wegen Abbildungen und mehr Details.) Bei flachem Träger bzw. Substrat
befindet sich die gesamte Länge
jeder Feldemissionsfaser im Kontakt mit dem Träger. Bei wellenförmigem Träger kann
eine Feldemissionsfaser in Längsrichtung
jedes Wellentals der wellenförmigen Oberfläche ausgerichtet
sein, was wieder dazu führt, daß sich die
gesamte Länge
jeder Feldemissionsfaser in Kontakt mit dem Träger befindet. Es kann vorteilhaft
sein, eine elektrisch leitende Schicht auf die Fläche des
Trägers
aufzubringen, die sich im Kontakt mit der Feldemissionsfaser befindet.
Wenn ein flacher Träger
verwendet wird, können
Streifen einer elektrisch leitenden Schicht aufgebracht werden,
die den Faserreihen entsprechen. Für einen wellenförmigen Träger kann
in Längsrichtung
jedes Wellentals der wellenförmigen
Oberfläche
eine elektrisch leitende Schicht aufgebracht werden, bevor die Verbundfasern
in die Wellentäler
eingebracht werden. Metalle, wie z. B. Kupfer, Gold, Chrom, Molybdän und Wolfram,
können
verwendet werden. Solche Schichten bilden Elektronenreservoirs für die Elektronenemissions-Verbundfasern
und ermöglichen
außerdem,
daß die
Elektronenemissions-Verbundfasern in jedem Wellental nach Wunsch
individuell adressiert werden.
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Es
ist festgestellt worden, daß die
Leistung einer Faserkathode und eines aus einer Faserkathode zusammengesetzten
Flachbildschirms verbessert wird, wenn die adressierten Abschnitte
der Faserkathode, von denen die Elektronenemission ausgeht, freitragend
bzw. schwebend angeordnet sind und sich nicht in direktem Körperkontakt
mit dem Träger befinden.
Das Aufhängen
der Feldemissionsfaser kann auf verschiedene Arten bewerkstelligt
werden. Bei flachem Träger
kann die Feldemissionsfaser über der
Oberfläche
des Trägers
an Abstandsstücken oder
Sockeln aufgehängt
werden.
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Wellenförmige Träger können bei
der hängenden
Montage von Abschnitten der Feldemissionsfaser besonders nützlich sein.
In einer derartigen Ausführungsform
weist der wellenförmige
Abschnitt eine Trägeroberfläche von
regelmäßiger Wellenform auf,
die aus parallelen Reihen von Wellentälern und im wesentlichen flachen
Wellenbergen besteht. In dieser Ausführungsform besteht die Faserkathode
im wesentlichen aus einer regelmäßig beabstandeten Faseranordnung,
wobei die Fasern auf den im wesentlichen flachen Wellenbergen des
Trägers
aufliegen und über
den Wellentälern
des Trägers
hängen. Zum
Beispiel kann die wellenförmige
Oberfläche durch Ätzen eines
glatten Substrats ausgebildet werden, so daß die im wesentlichen flachen
Wellenberge schwach geätzten
Substratbereichen und die Wellentäler stärker geätzten Substratbereichen entsprechen.
Vorzugsweise sind die Fasern der Faserkathode im wesentlichen senkrecht
zu den parallelen Reihen von Wellentälern und im wesentlichen flachen Wellenbergen.
Bevorzugt wird außerdem
eine Beschichtung des Substrats mit einem durchgehenden Streifen
aus einem elektrisch leitenden Material in den Wellentälern und
an den Seiten der Wellentäler der
Gruppe von parallelen Reihen von Wellentälern und im wesentlichen flachen
Wellenbergen, aber nicht entlang den im wesentlichen flachen Wellenbergen.
Dadurch wird ein Substrat bereitgestellt, das mit einer parallelen
Anordnung von durchgehenden Streifen aus elektrisch leitendem Material
beschichtet ist, wobei sich ein derartiger Streifen entlang jeder Wellentalreihe
erstreckt. Diese parallele Anordnung dient als Gateelektrode.
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Bei
einer Variante dieser Ausführungsform, die
für eine
bessere Steuerung der Elektronenemission sorgen kann, treten die
Wellentäler
und die im wesentlichen schwachen Wellenberge in Reihen auf, aber
diese Reihen sind nicht durchgehend, d. h. es gibt einen Substratbereich,
auf dem die Oberfläche wellenförmig ist
und eine Folge von Wellentälern
und im wesentlichen flachen Wellenbergen aufweist, und auf jeder
Seite dieses Bereichs befinden sich Bereiche mit im wesentlichen
ebenen Oberflächen,
und auf den anderen Seiten dieser beiden ebenen Bereiche befinden
sich andere Bereiche, auf denen die Oberfläche wellenförmig ist und eine Folge von
Wellentälern
und im wesentlichen flachen Wellenbergen aufweist. Folglich gibt
es nach wie vor parallele Reihen von Wellentälern und im wesentlichen flachen Wellenbergen,
jedoch handelt es sich nicht um durchgehende Reihen, sondern vielmehr
um Reihen von Wellentälern,
wobei die Wellentäler
entlang jeder Reihe in regelmäßigen Abständen angeordnet
sind, und Reihen von im wesentlichen flachen Wellenbergen, wobei
die im wesentlichen flachen Wellenberge entlang jeder Reihe in regelmäßigen Abständen angeordnet
sind. Eine solche Ausführungsform,
bei der die wellenförmige
Oberfläche
durch Ätzen
ausgebildet wird, ist in den 1(a), 1(b) und 1(c) dargestellt. 1(a) zeigt eine Ätzstruktur auf der Substratoberfläche. Diese
Struktur könnte
zur Ausbildung der Wellentäler
und im wesentlichen flachen Wellenberge benutzt werden. 1(b) zeigt die zu ätzenden Flächen des Substrats, und 1(c) zeigt das Tiefenprofil entlang der
Linie 21-22 von 1(b). Die Fasern der
Faserkathode sind gewöhnlich
entlang Linien wie z. B. der Linie 21-22 von 1(b) ausgerichtet.
Es kann vorteilhaft sein, eine elektrisch leitende Schicht auf den
Bereich des Substrats aufzubringen, der sich im Kontakt mit der
Feldemissionsfaser befindet, d. h. in Positionen entlang der Linie
C von 1(c). Wie weiter oben angedeutet,
können
Metalle wie z. B. Kupfer, Gold, Chrom, Molybdän und Wolfram verwendet werden,
und derartige Schichten bilden Elektronenreservoirs für die Elektronenemissions-Verbundfasern
und ermöglichen
die Herstellung eines elektrischen Kontakts an mehreren Stellen
entlang der Faser.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Verwendung eines wellenförmigen
Substrats zur Aufhängung
der Feldemissionsfaser erfordert ein Substrat, das zwei Gruppen
von parallelen Reihen von Wellenbergen und Wellentälern enthält. Die
erste Gruppe von parallelen Wellenbergen und Wellentälern bildet die
Wellentäler,
entlang denen die Faserkathode ausgerichtet ist, die im wesentlichen
aus mindestens einer Faser besteht. Die zweite Gruppe von parallelen Wellenbergen
und Wellentälern
ist vorzugsweise senkrecht zur ersten Gruppe. Die Wände zwischen den
Wellenbergen und Wellentälern
können
vertikal sein. Geneigte oder gekrümmte Abschnitte können auch
verwendet werden. Die parallelen Reihen von Wellenbergen und Wellentälern sind
mit regelmäßigen Abständen dargestellt,
d. h. der Abstand zwischen den Mittelpunkten von zwei benachbarten Wellenbergen
oder zwischen den Mittelpunkten von zwei benachbarten Wellentälern ist
innerhalb jeder Gruppe gleich. Bei Verwendung mehrerer Leuchtstoffe
(z. B. können
zur Bereitstellung eines Farbbildschirms drei Leuchtstoffe eingesetzt
werden) können als
Alternative diese Abmessungen variiert werden, um Unterschiede in
den Intensitäten
der verschiedenen Leuchtstoffe auszugleichen. In diesem Fall weist jede
Triade, d. h. jede Gruppe von drei Paar Wellenbergen und Wellentälern, regelmäßige Abstände auf.
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Die
Wellentäler
der zweiten Gruppe können typischerweise
enger und weniger tief als die Wellentäler der ersten Gruppe sein.
Typischerweise sind die Wellentäler
der ersten Gruppe etwa 25 μm
bis etwa 250 μm
tief und etwa 10 μm
bis etwa 350 μm
breit, und die Wellenberge der ersten Gruppe sind etwa 25 μm bis etwa
250 μm breit.
Typischerweise sind die Wellentäler
der zweiten Gruppe etwa 10 μm
bis etwa 150 μm
tief und etwa 50 μm
bis etwa 125 μm
breit, und die Wellenberge der zweiten Gruppe sind etwa 600 bis
etwa 700 μm
breit. Typische Methoden zur Ausbildung solcher Gruppen paralleler
Reihen von Wellenbergen und Wellentälern auf diesen Substratmaterialien
sind das Ätzen
unter Verwendung der GREEN TAPETM-Keramik
(im Handel erhältlich
von E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, DE), Sandstrahlen,
aufeinanderfolgendes Ausbringen von Dickschichten und Schmieden.
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Die
Wellentäler
der zweiten Gruppe bieten das Mittel zum Aufhängen der Faserkathode. Die
Faserkathode kann in Längsrichtung
jedes Wellentals der ersten Gruppe angeordnet und durch die Oberflächen der
Wellentäler
der zweiten Gruppe aufgehängt werden,
wenn diese Täler
weniger tief sind als diejenigen der ersten Gruppe. Vorzugsweise
wird in Längsrichtung
jedes Wellentals der zweiten Gruppe ein Aufhängungselement angeordnet, um
die Faserkathode zu unterstützen.
Das Aufhängungselement kann
eine durchgehende Struktur sein, z. B. eine nichtemittierende Faser,
die in Längsrichtung
jedes Wellentals ausgerichtet ist und auf der die Emissionsfaserkathode
aufliegt. Es könnte
auch eine Folie verwendet werden, die sich in Längsrichtung jedes Wellentals
erstreckt. Bevor die Faserkathode auf dem Substrat positioniert
wird, wird das Substrat vorzugsweise mit einem elektrisch leitenden
Material beschichtet, um eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung
an die Faser bereitzustellen und das für die Emission notwendige elektrische
Feld zu erzeugen. Das elektrisch leitende Material beschichtet das Substrat,
außer
in den Wellentälern
und an den Seiten der Wellentäler
der zweiten Gruppe, wodurch ein Substrat bereitgestellt wird, das
mit einer parallelen Anordnung von durchgehenden Streifen aus elektrisch
leitendem Material beschichtet ist. Diese parallele Anordnung dient
als Gateelektrode. Eine nichtemittierende Faser, die in Längsrichtung
jedes Wellentals der zweiten Gruppe auf der Faserkathode ausgerichtet
ist und dadurch die Faserkathode verankert, kann eingesetzt werden,
wenn die Aufhängung
mittels einer nichtemittierenden Faser oder einer anderen Einrichtung
als einer nichtemittierenden Faser erfolgt.
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Als
Alternative kann das Aufhängungselement
eine diskontinuierliche Struktur sein, die sich aus einer Reihe
von Sockeln oder Schichten auf jedem Wellental der zweiten Gruppe
an jedem Schnittpunkt mit einem Tal der ersten Gruppe zusammensetzt.
Die Verwendung eines Aufhängungselements ist
erforderlich, wenn die Wellentäler
der zweiten Gruppe ebenso tief wie oder tiefer als die Wellentäler der
ersten Gruppe sind.
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Das
Substrat kann aus Isolatoren bestehen, wie z. B. aus Kalknatronglas,
Pyrex und Glaskeramik. Eine Metallschicht auf dem Substrat kann
als Substratkontaktfläche
für den
Anschluß dienen.
Das Bonden des Metallbandes an das Substrat, wie es hier benutzt
wird, umfaßt
das direkte Bonden des Metallbandes an das Substrat sowie das Bonden
des Metallbandes an einen Film, eine Schicht oder ein anderes strukturiertes
Material, das auf dem Substrat abgeschieden oder daran fixiert wird.
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Sowohl
für flache
als auch für
wellenförmige Substrate
muß die
Feldemissionsfaser mechanisch am Substrat befestigt werden, und
ferner muß dafür gesorgt
werden, daß ein
elektrischer Kontakt zur Feldemissionsfaser hergestellt wird. Typischerweise werden
derartige Anschlüsse
an jedem Ende der Feldemissionsfaser hergestellt. Die vorliegende
Erfindung bietet ein Verfahren zum Anschließen der Feldemissionsfaser
an das Substrat mittels eines Metallbandes. Der Begriff "Metallband", wie er hier gebraucht
wird, dient zur Beschreibung eines Bandes aus einem Material mit
elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften, die denen von
Metallen ähnlich
sind, wie z. B. von Gold und Aluminium. Die Feldemissionsfaser wird
auf das Substrat aufgebracht und über der Fläche zentriert, wo der Anschluß herzustellen
ist. Das Metallband wird über und
in direktem Kontakt mit der Feldemissionsfaser angebracht. Die Dimension
in Längsrichtung
des Metallbandes ist im wesentlichen senkrecht zur Achse der Feldemissionsfaser,
und das Metallband erstreckt sich über die Feldemissionsfaser,
wobei sich jeder Endabschnitt des Metallbandes in direktem Kontakt
mit dem Substrat befindet. Als Ergebnis wird die Feldemissionsfaser
an dem Substrat festgehalten. Das Metallband ist typischerweise
etwa 2 Mil (0,05 mm) bis etwa 40 Mil (1 mm) breit und etwa 0,25 Mil
(0,006 mm) bis etwa 2 Mil (0,05 mm) dick. Die Länge des Metallbandes ist nicht
entscheidend; es muß jedoch
ausreichend lang sein, um die Feldemissionsfaser zu umgeben und
einzuhüllen
oder ihrem Umriß zu
folgen und einen ausreichenden Metallbandabschnitt auf jeder Seite
der Feldemissionsfaser bereitzustellen, um den Anschluß an das
Substrat zu ermöglichen.
Zum Bonden bzw. Kontaktieren jedes Endabschnitts des Metallbandes
an das Substrat und zum Bonden des Bandabschnitts, der direkt um
die Kontur der Feldemissionsfaser herumgeführt wird, an die Feldemissionsfaser
wird Ultraschall-, Thermokompressions- oder Kompressionsbonden angewandt.
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Außer der
Bereitstellung von Mitteln für
den Anschluß der
Enden einer Feldemissionsfaser an ein Substrat kann das erfindungsgemäße Verfahren
benutzt werden, um die Feldemissionsfaser in Positionen zwischen
den beiden Enden der Feldemissionsfaser an einem Substrat zu befestigen.
Solche Verbindungen können
sowohl mechanische als auch elektrische Vorteile bieten. Es ist
beobachtet worden, daß die
Feldemissionsfaser, und besonders der Abschnitt der Feldemissionsfaser,
der adressiert wird und von dem die Elektronenemission ausgeht,
sich manchmal während
der Adressierung bewegt. Eine solche Bewegung beeinträchtigt die
Leistung der Faserkathode. Durch Zwischenverbindungen wird eine solche
Bewegung eingeschränkt.
Zwischenverbindungen fixieren auch die Feldemissionsfaser während der
Fertigung der Kathodeneinheit der Faserkathode und des Flachbildschirms.
Außerdem
kann es vorteilhaft sein, eine Spannung an verschiedenen Punkten
entlang der Faser an die Feldemissionsfaser anzulegen, z. B. an
Punkten, die näher
an dem gerade adressierten Abschnitt der Feldemissionsfaser liegen,
um eine gleichmäßigere und
einheitlichere Leistung bereitzustellen. Aus diesen Gründen ist das
erfindungsgemäße Verfahren
brauchbar, um entlang der Feldemissionsfaser Zwischenverbindungen anzubringen.
Es kann vorteilhaft sein, auf dem Substrat an den Stellen, wo die
Verbindungen herzustellen sind, einen abgeflachten Bereich zu erzeugen, um
bessere Verbindungen herzustellen.
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Wenn
die Feldemissionsfaser auf ihrer gesamten Länge im Kontakt mit dem Substrat
ist, können
die Verbindungen entlang der Feldemissionsfaser an Stellen hergestellt
werden, die zwischen den Bereichen der Feldemissionsfaser liegen,
die adressiert werden und von denen die Elektronenemission ausgeht.
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Wenn
die Feldemissionsfaser über
dem Substrat aufgehängt
wird, können
die Verbindungen an den Stellen auf dem Substrat oder an Aufhängungselementen
auf dem Substrat hergestellt werden, an denen die Feldemissionsfaser
aufgehängt
wird. Im Falle der in den 1(a), 1(b) und 1(c) dargestellten hängenden
Faseranordnung können
die Verbindungen an Stellen entlang der Linie C von 1(c) hergestellt
werden, wo die Feldemissionsfasern die Linie C schneiden, sowie
an anderen entsprechenden Stellen entlang der Feldemissionsfasern.
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2 zeigt
eine Feldemissionsfaser 31 auf einem Substrat 32.
Das Metallband 33 ist über
der Feldemissionsfaser angebracht und in direktem Kontakt damit
dargestellt. Das Metallband paßt
sich an die Form der Feldemissionsfaser an, um sie besser an dem
Substrat zu fixieren. Durch Ultraschall-, Thermokompressions- oder
Kompressionsbonden werden die Endabschnitte des Metallbands auf
jeder Seite der Feldemissionsfaser an das Substrat gebondet, und
der Abschnitt des Metallbandes, der um die Feldemissionsfaser herumgelegt
und direkt an deren Kontur angepaßt ist, wird an die Feldemissionsfaser gebondet.
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Alle
diese Bondverfahren werden ausgeführt, indem die beiden zu verbindenden
Elemente in engen Kontakt miteinander gebracht werden und genügend Energie
zugeführt
wird, um sie durch Diffusionsbonden miteinander zu verbinden.
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Das
Ultraschallbonden wird ausgeführt,
indem das Metallband zwischen dem Bondwerkzeug und dem Substrat
oder der Feldemissionsfaser, an die es gebondet werden soll, fest
zusammengepreßt wird
und ein Ultraschallenergiestoß zugeführt wird, gewöhnlich mit
einer Frequenz von etwa 60 kHz. Die Kombination aus dem Druck und
der Ultraschallenergie führt
zu einem metallurgischen Verschweißen zwischen dem Metallband
und dem Substrat oder der Feldemissionsfaser. Die Temperatur des
Substrats kann erhöht
werden, um die gegenseitige Diffusion zu erleichtern. Diese Kombination
aus Druckerzeugung und Wärme-
und Ultraschallenergie wird manchmal als Thermo-Ultraschallbonden
bezeichnet. Der Begriff "Ultraschallbonden", wie er hier gebraucht
wird, umfaßt
das Bonden, bei dem das Metallband zwischen dem Bondwerkzeug und
dem Substrat oder der Feldemissionsfaser, an die es gebondet werden
soll, fest zusammengepreßt
und ein Ultraschallenergiestoß zugeführt wird,
gleichgültig
ob die Temperatur des Metallbandes und des Substrats oder der Feldemissionsfaser
die Umgebungstemperatur oder eine erhöhte Temperatur ist.
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Das
Thermokompressionsbonden kann ausgeführt werden, indem an den Bereich
des Metallbandes, der sich mit dem Substrat oder mit der Feldemissionsfaser
im Kontakt befindet, Druck angelegt wird, um den notwendigen engen
Kontakt herzustellen, und gleichzeitig die Temperatur der gleichen
Bereiche erhöht
wird. Die Temperatur muß auf
Werte in der Größenordnung
von 370 bis 380°C
erhöht
werden.
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Das
Kompressionsbonden kann ausgeführt werden,
indem Druck auf einen Bereich des Metallbandes ausgeübt wird,
der sich im Kontakt mit dem Substrat oder mit der Feldemissionsfaser
befindet. Die benötigten
Drücke
sind höher
als bei den anderen Bondverfahren. Beim Bonden an die Feldemissionsfaser
ist sorgfältig
vorzugehen.
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Das
Ultraschallbonden und das Thermokompressionsbonden werden bevorzugt.
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BEISPIEL DER ERFINDUNG
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Das
folgende nicht einschränkende
Beispiel wird angegeben, um die Erfindung näher zu erläutern und zu ermöglichen.
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Das
Substrat, bestehend aus Kalknatronglas, einer Chromschicht und einer
Goldschicht, auf der die Feldemissionsfaser angeordnet wurde, wurde wie
folgt hergestellt. Ein Kalknatronglas-Substrat wurde mit einem Reinigungsmittel
(Sparkleen®,
im Handel erhältlich
von Fisher Scientific) gereinigt und gut in entionisiertem Wasser
gespült.
Das Wasser wurde in einem Isopropylallcohol-Dampftrockner entfernt.
Eine Seite des Glases wurde mit einer 50 nm dicken Chromschicht
in Form einer Reihe von Kreisen mit einem Durchmesser von jeweils
etwa 1 mm beschichtet. Auf das Chrom wurde eine 200 nm dicke Goldschicht
aufgebracht. Die Goldschicht diente als Substratkontaktfläche.
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Auf
eine der Goldkontaktflächen
des Substrats wurde eine Graphitfaser mit einem Durchmesser von
7 μm aufgelegt
und so positioniert, daß sie über der
Kontaktfläche
zentriert war. Ein Stück
Goldband von etwa 10 Mil (250 μm)
Länge,
etwa 5 Mil (125 μm) Breite
und 0,5 Mil (13 μm)
Dicke wurde an der Kontaktfläche über die
Graphitfaser gelegt. Dieses Band wurde über der Graphitfaser zentriert.
Als Ergebnis wird die Graphitfaser zwischen die Kontaktfläche auf dem
Substrat und das Metallband geschichtet. Das Substrat wurde auf
eine Temperatur von 85°C
erhitzt. Das Metallband wurde dann unter Verwendung eines Ultrasehalldrahtbonders,
Modell #422, von Kulicke and Soffa an das Substrat gebondet. Mit
dem Bonder wurde jedes Mal eine Kraft von etwa 10 g ausgeübt, und
Ultraschallenergie wurde ¼ Sekunde
lang angelegt. Dies führte
dazu, daß die
Graphitfaser mechanisch und elektrisch mit dem Substrat verbunden wurde.
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Der
elektrische Durchgang wurde geprüft, und
es wurde festgestellt, daß der
Widerstand innerhalb der erwarteten Grenzwerte für den Widerstand der Graphitfaser
lag.
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Die
an dem Substrat angebrachte Graphitfaser wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM)
analysiert. Die 3(a) und 3(b) zeigen rasterelektronenmikroskopische
Aufnahmen mit unterschiedlichen Vergrößerungen, in denen die Graphitfaser
durch das Metallband an dem Substrat fixiert ist. Die Stellen, an
denen der Ultraschallbonder benutzt wurde, sind leicht erkennbar.
In der technischen Praxis könnte
das Bonden so ausgeführt
werden, daß es
kontinuierlich stattfindet, statt in einer Serie von Einzelstößen.