DE69730851T2

DE69730851T2 - Verbindungsverfahren für feldemissionsanordnungen aus fasern und daraus hergestellte feldemissionskathode

Info

Publication number: DE69730851T2
Application number: DE69730851T
Authority: DE
Inventors: Irwin Daniel AMEY; Florentino Henry MILGAZO
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1997-10-06
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2017-10-07
Also published as: JP3794711B2; KR20000049256A; KR100471334B1; JP2001502466A; CN1234134A; EP0932909A1; AU4750297A; DE69730851D1; WO1998016943A1; US6069435A; EP0932909B1; TW375752B

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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.
TECHNISCHER HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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.

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).
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.
Insbesondere bietet die Erfindung einen verbesserten Flachbildschirm, der eine derartige Faserkathode enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Feldemissionsfaser an mehreren Stellen in Längsrichtung der Feldemissionsfaser mit dem Kathodensubstrat verbunden.
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.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.
2 zeigt die Verwendung eines Metallbands zum Verbinden einer Feldemissionsfaser mit einem Substrat.
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.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 TAPE^TM-Keramik (im Handel erhältlich von E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, DE), Sandstrahlen, aufeinanderfolgendes Ausbringen von Dickschichten und Schmieden.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Das Ultraschallbonden und das Thermokompressionsbonden werden bevorzugt.
BEISPIEL DER ERFINDUNG
Das folgende nicht einschränkende Beispiel wird angegeben, um die Erfindung näher zu erläutern und zu ermöglichen.
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.
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.
Der elektrische Durchgang wurde geprüft, und es wurde festgestellt, daß der Widerstand innerhalb der erwarteten Grenzwerte für den Widerstand der Graphitfaser lag.
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.

Claims

Verfahren zum mechanischen und elektrischen Verbinden einer elektrisch leitenden Feldemissionsfaser (31) mit einem elektrisch leitenden Bereich eines Substrats (32), mit den folgenden Schritten: (a) Auflegen der Feldemissionsfaser (31) quer über die Oberfläche des Substrats (32) und Zentrieren der Feldemissionsfaser (31) über dem Bereich des Substrats (32), wo die Verbindung herzustellen ist; (b) Auflegen eines Metallbands (33) über der Feldemissionsfaser (31), wobei die Längsausdehnung des Metallbands (33) im wesentlichen senkrecht zur Achse der Feldemissionsfaser (31) ist, und so, daß sich das Metallband (33) über die Feldemissionsfaser (31) erstreckt, wobei jeder Endabschnitt des Metallbands (33) in direktem Kontakt mit dem Bereich des Substrats (32) ist; und (c) Bonden des Metallbands (33) an den Bereich des Substrats (32) und die Feldemissionsfaser (31) durch Ultraschall-, Thermokompressions- oder Druckbonden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallband (33) durch Ultraschallbonden an das Substrat (32) und an die Feldemissionsfaser (31) gebondet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Metallband (33) aus Gold, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Verbesserte Faserkathode, die aus mindestens einer Feldemissionsfaser (31) und einem Substrat (32) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch leitende Feldemissionsfaser (31) sowohl mechanisch als auch elektrisch durch ein über der Feldemissionsfaser (31) angebrachtes Metallband (33) mit einem elektrisch leitenden Bereich eines Substrats (32) verbunden wird, wobei die Längsausdehnung des Metallbands (33) im wesentlichen senkrecht zur Achse der Feldemissionsfaser (31) ist, so daß sich das Metallband (33) über die Feldemissionsfaser (31) erstreckt, wobei jeder Endabschnitt des Metallbands (33) in direktem Kontakt mit dem Bereich des Substrats (32) ist, wobei das Metallband (33) an den elektrisch leitenden Bereich des Substrats (32) und an die Feldemissionsfaser (31) gebondet wird.
Verbesserte Faserkathode nach Anspruch 4, wobei die Feldemissionsfaser (31) an mehreren Stellen in Längsrichtung der Feldemissionsfaser (31) mit elektrisch leitenden Bereichen des Substrats (32) verbunden wird.
Verbesserter Flachbildschirm, der die verbesserte Faserkathode nach Anspruch 4 enthält.
Verbesserter Flachbildschirm, der die verbesserte Faserkathode nach Anspruch 5 enthält.