DE3106368C2

DE3106368C2 - Gleichstrom-Gasentladungsanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE3106368C2
Application number: DE3106368A
Authority: DE
Inventors: Takeo Tokio/Tokyo Kamegaya; Satoshi Gyodashi Saitama Watanabe
Original assignee: Okaya Electric Industries Co, Ltd., Tokio/Tokyo
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1981-02-20
Publication date: 1987-04-09
Also published as: DE3106368A1; US4393326A

Abstract

Plasma-Anzeige mit einer Elektrode aus einer Metallschicht (z.B. Fe oder Ni) und einer Metallverbindungsschicht (z.B. Erdalkalimetalloxid oder -sulfid oder Seltenerdmetallhexaborid), die durch Plasmaspritzen hergestellt worden sind. Das Plasmaspritzen erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur, bei der das Metall bzw. die Metallverbindung in geschmolzenem Zustand vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Gasentladungsanzeigevorrichtung (im folgenden: Plasma-Anzeige) gemäß Oberbegriff von Anspruch 1. Eine derartige Plasma-Anzeige ist aus der DE-OS 23 09 530 bekannt.
Elektroden für herkömmliche Plasma-Anzeigen werden z. B. dadurch hergestellt, daß man auf einem isolierenden Substrat, z. B. einer Glas- oder Keramikplatte durch Ätzen, außenstromlose Metallabscheidung, Galvanisieren, Beschichten oder Bedrucken mit einer Dickfilm-Drucktechnik eine etwa 75 bis 100 µm dicke Schicht aus einer FeNi-Legierung, einer FeNiCr- Legierung (z. B. einer 42-6-Legierung) oder dergleichen ausbildet. Diese herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Elektroden haben jedoch verschiedene Nachteile. So treten z. B. bei den durch Ätzen hergestellten Elektroden Justierprobleme auf, die aufgrund der großen Anzahl von Teilen Schwierigkeiten beim Zusammenbau von Anzeigetafeln oder -platten verursachen. Nach anderen Methoden hergestellte Elektroden zeichnen sich durch schlechte Haftung zwischen den Metallteilchen aus. Insbesondere durch Abscheiden oder Galvanisieren hergestellte Elektroden haben schlechte Haltbarkeit, da diese Methoden keine Elektroden von ausreichender Dicke ergeben.
Im folgenden wird eine der herkömmlichen Plasma-Anzeigen anhand der Fig. 1A und 1B näher erläutert. Die Plasma-Anzeige von Fig. 1A umfaßt eine vordere Glasplatte 1, auf deren Innenoberfläche eine Elektrode (Anode) 2 vorgesehen ist, Entladungszellen 4 bildende Abstandshalter 3 und eine hintere Glasplatte 5, auf deren Innenoberfläche eine Elektrode (Kathode) 6 vorgesehen ist. Die Kathode 6 wird in Form einer Schicht z. B. mit einer Dickfilm-Drucktechnik unter Verwendung einer Ni-Paste, durch Abscheiden oder Galvanisieren hergestellt. Nach derartigen Methoden hergestellte Elektroden haben jedoch die vorstehend angegebenen Nachteile.
Die in Fig. 1B dargestellte Plasma-Anzeige umfaßt eine vordere Glasplatte 1, eine Kathode 6 in Form eines Bands, Entladungszellen 4 bildende Abstandshalter 3, eine hintere Glasplatte 5 und eine lineare Anode 2 auf der Rückseite der Glasplatte 5. Um eine ausreichende Haltbarkeit zu erzielen, wird die Kathode 6 unter Anwendung einer Ätztechnik in Form eines Bands aus einer Metallplatte, z. B. einer 42-6-Legierungsplatte, in einer Dicke von etwa 75 µm hergestellt. Wie bereits erwähnt, hat dieses Verfahren jedoch den Nachteil, daß die Justierung beim Zusammenbau einer Anzeigetafel oder -platte aufgrund der großen Anzahl von Teilen Schwierigkeiten bereitet.
Bisher verwendete Elektrodenmaterialien, wie Fe, Ni und Cr, haben eine Austrittsarbeit von etwa 4,5 eV, was für die Verwendung als Kathode in Gleichstrom-Plasma-Anzeigen relativ hoch ist. Außerdem erfordern diese Materialien relativ hohe Betriebsspannungen von etwa 300 V. Eine Betriebsspannung dieser Größe hat einen entsprechend hohen Energieverbrauch der Plasma-Anzeige zur Folge.
Um den Energieverbrauch zu senken, ist bereits vorgeschlagen worden, Substanzen mit kleiner Austrittsarbeit als Elektrodenmaterialien zu verwenden.
Aus der DE-OS 22 47 670 ist es bekannt, zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit und Verminderung der Betriebsspannung bei Plasma-Anzeigen eine Schicht aus einem Erdalkalimetalloxid auf die Elektroden aufzubringen.
Bei der aus der DE-OS 23 09 530 bekannten gattungsgemäßen Plasma-Anzeige werden die Elektroden zur Verbesserung der Haltbarkeit mit einer Beschichtung aus Oxiden von Seltenerdelementen versehen. Die Kathodensubstratschicht besteht aus einem Reinmetall aus der Gruppe Fe, Ni, W, Cu, Cr und Al oder aus einer Metallegierung und liegt z. B. in Form mindestens eines Streifens vor.
Aus der DE-OS 21 36 102 ist die Verwendung von Erdalkalimetalloxiden als Beschichtung von dielektrischen Schichten von Wechselspannungs- Gasentladungsanzeigevorrichtungen bekannt, die z. B. durch Plasmaspritzen in einer Schichtdicke von etwa 0,01 µm bis 1 µm aufgebracht werden und zu einer Erniedrigung der Betriebsspannung führen.
In ETZ-B, Bd. 15, 1963, Heft 1, S. 6 bis 9, ist beschrieben, daß Seltenerdmetalloxide mittels Plasmaspritzen als Beschichtungen auf Substrate aufgebracht werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleichstrom-Plasma-Anzeige mit niedriger Betriebsspannung und niedrigem Energieverbrauch bereitzustellen, deren Kathode hohe Haltbarkeit und hohe Verschleißfestigkeit gegen Ionenaufprall aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer Gleichstrom-Plasma-Anzeige der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.
Ein Beschichtungsmaterial mit niedriger Austrittsarbeit wird durch Plasmaspritzen z. B. unter Verwendung eines Edelgas-Plasmabrenners auf der Oberfläche der Kathodensubstratschicht abgeschieden. Das Plasmaspritzen erfolgt hierbei vorzugsweise bei einer Temperatur, bei der das Beschichtungsmaterial geschmolzen ist. Durch das Plasmaspritzen erhält man auch aus an sich elektrisch isolierenden Metalloxiden und -sulfiden elektrisch leitende Kathodenbeschichtungen.
Die Beschichtung besteht aus einem Erdalkalimetalloxid, Erdalkalimetallsulfid, Seltenerdmetallhexaborid oder einem Mischoxid von Aluminium und Erdalkalimetallen und hat eine Schichtdicke von 1 bis 50 µm.
Unter diesen Beschichtungsmaterialien haben Hexaboride von Seltenerdelementen (z. B. LaB₆ und CeB₆) die folgenden Eigenschaften:

a) Die Austrittsarbeit ist klein, z. B. 2,7 eV für LaB₆;
b) Der Schmelzpunkt ist hoch, z. B. 2600°C für LaB₆;
c) Die elektrische Leitfähigkeit ist gut;
d) Der Verschleiß durch Ionenstoß ist gering.

Von diesen Eigenschaften sind die niedrige Austrittsarbeit (a), die gute elektrische Leitfähigkeit (c) und der geringe Verschleiß durch Ionenstoß (d) für die Verwendung als Kathodenmaterial erwünscht. Aufgrund ihrer hohen Schmelzpunkte (b) ist es jedoch äußerst schwierig, Hexaboride von Seltenerdelementen auf Kathodensubstraten von Gleichstrom-Plasma-Anzeigen abzuscheiden. Verarbeitet man z. B. das Hexaborid zu einer Druckpaste und beschichtet damit ein Elektrodensubstrat nach einem üblichen Druckverfahren, so läßt sich aufgrund des sehr hohen Schmelzpunkts und der Sintertemperatur des Hexaborids keine feste Haftung erzielen. Der Zusatz eines Bindemittels kann die Entladungseigenschaften beeinträchtigen. Außerdem kann eine Hochtemperaturbehandlung bei Gleichstrom-Plasma-Anzeigen von regulärer Struktur eine Deformation der Substrate verursachen. Durch das zum Herstellen der Beschichtung angewandte Plasmaspritzen werden diese Probleme jedoch vermieden.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1A und 1B schematische Querschnitte durch Plasma-Anzeigen mit einer Elektrode, die nach bekannten Methoden hergestellt worden ist;
Fig. 2A und 2B einen schematischen Querschnitt bzw. eine perspektivische Teilansicht einer Plasma- Anzeige mit einer durch Plasmaspritzen hergestellten Elektrode nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 bis 5 Teilansichten einer Plasma-Anzeige mit unterschiedlichen Kathodenstrukturen und
Fig. 6A und 6B vergrößerte Querschnitte durch die Oberfläche der bei den bevorzugten Ausführungsformen hergestellten Kathode.
In den Fig. 2A und 2B ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Plasma-Anzeige dargestellt, die eine vordere Glasplatte 1, eine Anode 2 auf der Innenoberfläche der vorderen Glasplatte 1, Entladungszellen 4 bildende Abstandshalter 3, eine der Anode 2 zugewandte Kathodensubstratschicht 16 auf der Innenoberfläche der hinteren Glasplatte 15 und eine der Entladungszelle 4 zugewandte Beschichtung 17 auf der Kathodensubstratschicht 16 umfaßt. Die Kathodensubstratschicht 16 besteht entweder aus Reinmetallen, wie Fe, Ni, W, Cu, Cr oder Al, oder einer Metalllegierung, wie FeNi, und wird durch Plasmaspritzen hergestellt. In diesem Fall können jedoch auch herkömmliche Techniken, z. B. Ätzen, Dickfilm-Druck, Galvanisieren oder Beschichten, angewandt werden.
Die Beschichtung 17 hat eine Dicke von 1 bis 50 µm, vorzugsweise von 10 bis 50 µm und ist durch Plasmaspritzen hergestellt.
Bevorzugte Beispiele für Materialien mit kleiner Austrittsarbeit, die zur Herstellung der Beschichtung 17 verwendet werden können, sind

(1) Oxide von Erdalkalimetallen, wie BaO,
(2) Sulfide von Erdalkalimetallen, wie BaS,
(3) Mischoxide von Erdalkalimetallen und Aluminium und
(4) Hexaboride von Seltenerdelementen, wie LaB₆ und CeB₆.

Obwohl es nicht möglich ist, bei Elektroden der genannten Materialien (1), (2) oder (3) einen kontinuierlichen Entladungsstrom zu erhalten, da diese elektrische Isolatoren darstellen, ermöglicht das Plasmaspritzunter Verwendung eines Plasmabrenners, durch den ein Inertgas (z. B. ein Edelgas) geleitet wird, außerordentlich hohe Plasmatemperaturen von einigen 1000 bis zu einigen 10 000°C, so daß die Materialien (1), (2) und (3) leicht geschmolzen werden können. Außerdem kann das Material auf die Oberfläche der Kathodensubstratschicht geschleudert werden und haftet darauf in geschmolzenem Zustand. Bei den durch Plasmaspritzen hergestellten Plasma-Anzeigen ist es daher nicht notwendig, eine Hochtemperaturbehandlung durchzuführen.
Fig. 6A ist ein vergrößerter Querschnitt durch eine auf der Oberfläche einer Kathodensubstratschicht durch Plasmaspritzen aufgebrachten Beschichtung aus einer Erdalkalimetallverbindung. Die Bezugszeichen 16, 171 und 172 bezeichnen die Kathodensubstratschicht, die durch Schmelzen verklebten Teilchen der Erdalkalimetallverbindung bzw. kleinere freie Erdalkalimetallteilchen. Die durch Schmelzen verklebten Erdalkalimetallverbindungsteilchen 171 liegen übereinander und bilden dadurch eine poröse Schicht. Die kleineren Erdalkalimetallteilchen 172 sind zwischen den Erdalkalimetallverbindungsteilchen 171 vorhanden. Es kann daher ein kontinuierlicher Strom erzeugt werden, obwohl die Erdalkalimetallverbindung 171 elektrisch nicht leitfähig ist.
Beim Abscheiden von Oxiden oder Sulfiden von Erdalkalimetallen oder Mischoxiden dieser Erdalkalimetalle mit Aluminium durch Plasmaspritzen auf das Substratmetall werden z. B. elementares Mg oder MgCO₃ durch Oxidation bzw. Zersetzung in MgO überführt. Diese Materialien können daher bei erfindungsgemäßen Plasma-Anzeigen verwendet werden. Ebenfalls umfaßt sind Ausführungsformen, in denen Verbindungen beim Plasmaspritzen in Oxide oder Sulfide von Erdalkalimetallen oder Mischoxide von Erdalkalimetallen und Aluminium überführt werden.
Hexaboride von Seltenerdelementen sind elektrisch leitfähig und bilden außerdem eine poröse Schicht, wenn sie durch Plasmaspritzen auf die Oberfläche der Kathodensubstratschicht aufgebracht werden. Fig. 6B zeigt eine Seltenerdmetallhexaborid-Schicht, in der die Bezugszeichen 16&min; und 173 die Kathodensubstratschicht bzw. das Seltenerdmetallhexaborid bezeichnen.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Kathodenstruktur einer Plasma-Anzeige. Die Kathodensubstratschicht 26 ist in Form von Metallstreifen auf der hinteren Glasplatte 25 angeordnet und in geeigneten Abständen unter Bildung von Löchern 20 ausgeschnitten. Eines der vorstehend genannten Materialien mit kleiner Austrittsarbeit wird zur Bildung der Beschichtung 27 durch Plasmaspritzen in den Löchern 20 abgeschieden. Die Kathodensubstratschicht 26 und die Beschichtung 27 sind so ausgebildet, daß sich eine im wesentlichen ebene Oberfläche ergibt.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Plasma-Anzeige. Die Kathodensubstratschicht 36 ist in Form von Metallstreifen auf der hinteren Glasplatte 35 vorgesehen, und die Beschichtung 37 wird auf der Oberfläche der Kathodensubstratschicht 36 durch Plasmaspritzen ausgebildet.
In der in Fig. 5 gezeigten Kathodenstruktur wird auf der hinteren Glasplatte 45 ein Leitermuster 48 durch Plasmaspritzen ausgebildet und ein Kathodenmuster 49 ist mit dem Leitermuster 48 durch ein Anschlußteil 50 verbunden, das ebenfalls durch Plasmaspritzen erhalten wurde. Das Leitermuster 48 kann auch durch übliche Techniken, z. B. durch Ätzen, Dickfilmdruck, Galvanisieren oder Beschichten, hergestellt werden.
Bei Anwendung einer Kathode der beschriebenen Struktur in einer Gleichstrom-Plasma-Anzeige treffen Gasionen in den Entladungszellen gegen die Beschichtung aus den genannten Verbindungen mit kleiner Austrittsarbeit und verursachen eine Elektronenemission. Die Plasma- Anzeige kann daher bei niedrigen Spannungen von nur etwa 100 V stabil betrieben werden. Bei zu kleinen Dicken der Beschichtung wird der Verschleiß durch Ionenaufprall signifikant und die Lebensdauer der Plasma-Anzeige kann entsprechend verkürzt werden. Andererseits ist es bei zu großen Dicken nicht möglich, den Abstand der Entladungszellen der Plasma-Anzeige zu verringern, da die Beschichtung auf einem dünnen Metallsubstrat aufgebracht ist. In der Praxis werden daher Dicken der Beschichtung von 1 bis 50 µm angewandt.
Die Erfindung betrifft beliebige Typen von Gleichstrom- Plasma-Anzeigen, solange diese eine flache Struktur haben, wie z. B. Buchstaben-Anzeigen mit Elektroden in Matrixform oder Strichbalken-Anzeigen mit parallelen streifenförmigen Elektroden.
Die erfindungsgemäße Plasma-Anzeige kann z. B. direkt in hochintegrierte Schaltkreise eingebaut werden.

Claims

1. Gleichstrom-Gasentladungsanzeigevorrichtung mit einer vorderen Glasplatte, auf deren Innenoberfläche eine Anode angeordnet ist, einem Entladungszellen bildenden Abstandshalter und einer hinteren Glasplatte, auf deren Innenoberfläche eine Kathode angeordnet ist, wobei die Kathode durch eine mit einer Beschichtung versehene Kathodensubstratschicht gebildet ist und die Beschichtung aus einem elektrisch leitenden Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (17, 27, 37, 171 und 172, 173) aus einem Erdalkalimetalloxid, Erdalkalimetallsulfid, Seltenerdmetallhexaborid oder einem Mischoxid von Aluminium und Erdalkalimetallen besteht und durch Plasmaspritzen in einer Schichtdicke von 1 bis 50 µm hergestellt worden ist.

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Kathodensubstratschicht aus einem Reinmetall aus der Gruppe Fe, Ni, W, Cu, Cr und Al oder aus einer Metallegierung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodensubstratschicht (16, 16&min;, 26, 36) durch Plasmaspritzen hergestellt worden ist.

3. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Kathodensubstratschicht in Form mindestens eines Streifens vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodensubstratschicht (26) mehrere kreisförmige Öffnungen (20) aufweist, in denen das Material der Beschichtung (27) abgeschieden ist.