DE69608403T2

DE69608403T2 - Elektronenemittierende elektrode und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE69608403T2
Application number: DE69608403T
Authority: DE
Inventors: Osamu Nakamura; Shigemi Suzuki
Original assignee: Casio Computer Co Ltd; Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd; Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 2000-09-14
Anticipated expiration: 2016-07-20
Also published as: JPH09102272A; EP0783763B1; HK1005395A1; CN1095182C; KR100293834B1; DE69608403D1; JP3107743B2; CN1164929A; US5973449A; US5905334A; WO1997005639A1; KR970706596A; EP0783763A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kaltkathodenvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung.
Es sind Elektroden bekannt, die Elektronen emittieren, wenn an sie ein hohes elektrisches Feld angelegt wird. Diese Elektroden, die im allgemeinen als "Elektronen emittierende Elektroden" bekannt sind, sind wie eine Nadel oder eine Platte geformt, im Gegensatz zu heißen Kathoden, die spulenförmige Glühdrähte haben und Elektronen emittieren, wenn ein Stromfluß durch sie fließt, um sie zu erhitzen. Eine Elektronen emittierende Elektrode emittiert aufgrund eines Tunneleffektes Elektronen von ihrer Oberfläche, wenn eine hohe Spannung von ungefähr 10&sup7; V/cm oder mehr an sie angelegt wird. Diese Elektroden werden als Kathoden in Kopierapparaten, in Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die als Rücklichtquelle von nicht selbst emittierenden Anzeigen (z. B. Flüssigkeitskristallanzeigen) verwendet werden, in monochromatischen oder Farbanzeigen, in Plasmaanzeigen, in VFDs (Vakkuumfluoreszenzanzeigen) und in ähnlichen Vorrichtungen verwendet.
Eine Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode, die mit einer Elektronen emittierenden Elektrode ausgestattet ist, umfaßt eine Röhre, welche eine fluoreszierende Schicht auf ihrer inneren Oberfläche hat und welche mit einer Mischung aus Edelgas und Quecksilberdampf gefüllt ist. Die Elektronen, die von den Elektroden emittiert werden, treffen auf die Quecksilberatome in der Röhre, so daß ultraviolette Strahlen emittiert werden. Die ultravioletten Strahlen regen die fluoreszierende Schicht an. Auf diese Art und Weise angeregt, emittiert die fluoreszierende Schicht sichtbares Licht.
Elektronen emittierende Elektroden werden aus Metall hergestellt, das eine niedrige Arbeitsfunktion bzw. Austrittsenergie hat, wie z. B. aus Nickel (Ni), Molybdän (Mo) oder dergleichen. Im allgemeinen ist die Leuchtdichte (cd/m²) des Lichtes, das die Lampe erzeugt, umso höher, je kleiner der Durchmesser der Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode ist, die eine Elektronen emittierende Elektrode hat, die aus einem solchem Metall gefertigt ist. Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode können dünn sein und eine intensive Licht strahlung emittieren. Sie sind deshalb für die Verwendung als eine rückseitige Lichtquelle in Flüssigkeitskristallanzeigen geeignet.
Allerdings muß die an die Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode angelegte Spannung erhöht werden, um zu ermöglichen, daß die Lampe Licht mit höherer Leuchtdichte emittieren kann. Deshalb wird die Lampe mehr Leistung verbrauchen. Wenn die Lampe in einer mit Batterien betriebenen tragbaren Anzeige verwendet wird, kann die Anzeige nicht für eine lange Zeit verwendet werden. Die Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode mit Elektronen emittierenden Elektroden ist auch noch in einer anderen Hinsicht nachteilig. Wenn die Entladung fortschreitet, wird das Material der Elektrode allmählich abgedampft, was unvermeidlich zu einer Kontamination der inneren Oberfläche der Röhre und zu einer Verminderung der Lebensdauer der Elektronen emittierenden Elektrode führt.
Es sind für die Elektronen emittierenden Elektroden unterschiedliche Materialien vorgeschlagen worden. Es sind allerdings verschiedene Begrenzungen für die Materialauswahl für eine Elektronen emittierende Elektrode gegeben. Zum Beispiel können keine isolierenden Materialien verwendet werden, die im wesentlichen den Tunneleffekt verhindern, der in einer Kaltkathode verwendet wird.
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Kaltkathodenvorrichtung bereitzustellen, die bei einer niedrigen Entladungsspannung betrieben werden kann und bei der die Abdampfung von einer Elektrode der Kaltkathodenvorrichtung verhindert werden kann.
Die erste Aufgabe wird durch eine Kaltkathodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Hierbei meint eine "Atomgruppe" eine Gruppe von verschiedenen Seltenen Erden Elementen. Aufgrund der Einen der Mehrzahl der Elektroden, die R&sub2;O3-z enthält, kann die Elektrode Elektronen bei einer niedrigeren Spannung emittieren. Die Elektrode wird während des Emittierens von Elektronen kaum gesputtert. Die Elektronen emittierende Elektrode hat deshalb eine lange Lebensdauer.
Eine zweite Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Kaltkathodenvorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei dem das Sputtern, d. h. das Zerstäuben einer Elektrode verhindert werden kann.
Die zweite Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Unter den Oxiden der seltenen Erden sind einige, die kaum reduziert werden können. Es ist schwierig, die Kristallsysteme von solchen Oxiden zu kontrollieren. Trotzdem kann das Kristallsystem eines Films eines seltenen Erden Oxids geregelt werden, wenn der Film durch das Erhitzen eines Filmes eines seltenen Erden Elementes in einer Gasatmosphäre gebildet wird, die Sauerstoff oder Oxid in einer Konzentration von 1 Vol.-% oder weniger enthält. Deshalb ist es möglich, einen Film eines seltenen Erden Oxides bereitzustellen, der Elektronen bei einer niedrigen Entladungsspannung emittiert und der eine geringe Neigung zur Zerstäubung hat, indem das Kristallsystem des seltenen Erden Oxids zu Einem geändert wird, welches eine hohe Effizienz der Entladung zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird aufgrund der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher werden, wenn sie in Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungen gesehen wird, wobei die:
Fig. 1 eine Schnittansicht ist, die eine Elektronen emittierende Elektrode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Schnittansicht ist, die eine Elektronen emittierende Elektrode gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ein Graph ist, der die Intensitäten von Elementen der Elektrode darstellt, die in bezug auf die Richtung der Tiefe der Elektrode erfaßt wurde;
Fig. 4 ein analytisches Diagramm einer Röntgenstrahlbeugung einer Elektronen emittierenden Elektrode gemäß der Erfindung ist, deren Kristallsystem ein raumzentriertes kubisches Gitter ist und die in der Atmosphäre oxidiert wurde;
Fig. 5 ein analytisches Diagramm einer Röntgenstrahlbeugung einer Elektronen emittierenden Elektrode gemäß der Erfindung ist, deren Kristallsystem ein raumzentriertes kubisches Gitter ist und die in einer Wasserstoffatmosphäre oxidiert wurde;
Fig. 6 ein Diagramm ist, das die optischen Eigenschaften einer Elektronen emittierenden Elektrode dieser Erfindung zeigt, die in einer Wasserstoffatmosphäre oxidiert wurde;
Fig. 7 ein Diagramm ist, das die optischen Eigenschaften einer Elektronen emittierenden Elektrode der vorliegenden Erfindung darstellt, die in der Atmosphäre oxidiert wurde;
Fig. 8 ein Diagramm ist, das die Absorptionskante der Elektronen emittierenden Elektrode zeigt, die in der Wasserstoffatmosphäre oxidiert wurde;
Fig. 9 ein Diagramm ist, das die Absorptionskante der Elektronen emittierenden Elektrode zeigt, die in der Atmosphäre oxidiert wurde;
Fig. 10 eine schematische Schnittansicht einer Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 11 eine schematische Grundriß-Ansicht einer Elektronen emittierenden Elektrode ist, die in der Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode enthalten ist;
Fig. 12 ein Diagramm ist, das die Entladungscharakteristik der Elektronen emittierenden Elektrode gemäß der Erfindung und einer bekannten Elektrode eines Ni- Typs zeigt;
Fig. 13 eine Schnittansicht ist, die einen Schritt des Verfahrens zum Herstellen einer Elektronen emittierenden Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 14 eine Schnittansicht ist, die den Schritt erklärt, der nach dem Schritt folgt, der mit Bezug auf die Fig. 13 erklärt wird;
Fig. 15 ein analytisches Diagramm einer Röntgenstrahlbeugung einer Elektronen emittierenden Elektrode gemäß der Erfindung ist, deren Kristallsystem ein raumzentriertes kubisches Gitter ist;
Fig. 16 ein vergrößerter Bereich des analytischen Diagramms der Röntgenstrahlbeugung ist, das in der Fig. 15 dargestellt ist;
Fig. 17 ein analytisches Diagramm einer Röntgenstrahlbeugung einer Elektronen emittierenden Elektrode gemäß der Erfindung ist, deren Kristallsystem ein einfach kubisches Gitter ist;
Fig. 18 ein vergrößerter Bereich des analytischen Diagramms der Röntgenstrahlbeugung gemäß der Fig. 17 ist;
Fig. 19 ein analytisches Diagramm einer Röntgenstrahlbeugung einer Elektronen emittierenden Elektrode gemäß der Erfindung ist, deren Kristallsystem zwischen den eines raumzentrierten Gitters und eines einfach kubischen Gitters liegt;
Fig. 20 ein vergrößerter Bereich des analytischen Diagramms der Röntgenstrahlbeugung ist, das in der Fig. 19 dargestellt ist;
Fig. 21 ein analytisches Diagramm einer Röntgenstrahlbeugung einer Elektronen emittierenden Elektrode gemäß der Erfindung ist, deren Kristallsystem ein flächenzentriertes kubisches Gitter ist;
Fig. 22 ein vergrößerter Bereich des analytischen Diagramms der Röntgenstrahlbeugung ist, das in der Fig. 20 dargestellt ist;
Fig. 23 ein analytisches Diagramm einer Röntgenstrahlbeugung einer Elektronen emittierenden Elektrode gemäß der Erfindung ist, deren Kristallsystem zwischen dem eines raumzentrierten kubischen Gitters und eines einfach kubischen Gitters liegt;
Fig. 24 ein Diagramm ist, das die Beziehung zwischen der Zeit zum Erhitzen eines Yttriumfilms und einer Yttriumverbindung und der Dicke des Yttriumoxidfilmes darstellt, der durch das Erhitzen des Yttriumfilms gebildet wurde;
Fig. 25 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode gemäß der Erfindung ist;
Fig. 26 eine Ansicht von noch einer weiteren Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode gemäß der Erfindung ist;
Fig. 27 eine perspektivische Ansicht einer Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode gemäß der Erfindung ist;
Fig. 28 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode gemäß der Erfindung ist;
Fig. 29 eine Schnittansicht einer Flüssigkeitskristallanzeigenfläche ist, die eine Kaltkathodenfluoreszenzlampe gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
Fig. 30 eine Schnittansicht einer PDP ist, die Elektronen emittierende Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung enthält; und
Fig. 31 eine Schnittansicht einer FED ist, die Elektronen emittierende Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet.

Die beste Art der Ausführung der Erfindung

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben werden. Die Fig. 1 zeigt eine Elektronen emittierende Elektrode 1 gemäß der Erfindung, welche eine Feldemission von Elektronen ausführt. Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt die Elektrode 1 eine Grundplatte 2, einen seltenen Erden Film 3, der auf der Grundplatte 2 angebracht ist und einen Elektronen emittierenden Film 4, der den seltenen Erden Film 3 und den freigelegten Teil der oberen Oberfläche der Grundplatte 2 bedeckt. Die Grundplatte 2 (INCONEL 601, Markenzeichen) enthält Ni und Cr.
Die Grundplatte 2 ist entweder elektrisch leitfähig oder aus einem Halbleiter gemacht. Sie ist aus einem einzelnen Element zusammengesetzt, das aus einem Material gemacht ist, das eine niedrige Austrittsfunktion hat oder sie ist aus zwei oder mehreren Elementen gemacht, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind. Um eine geringe Neigung zum Zerstäuben, d. h. Sputtern zu haben, muß die Grundplatte 2 aus einem Material oder aus Materialien gemacht sein, welche einen Flüssig-Fest Übergangspunkt unterhalb eines niedrigen Drucks von ungefähr 10&supmin;&sup6; Torr haben. Die Platte 2 kann aus anderen Metallen als Ni und Cr gemacht sein, z. B. aus Molybdän (Mo), Aluminium (Al) und dergleichen.
Der seltene Erden Film 3 ist im wesentlichen aus einem Element einer seltenen Erde gemacht. Der Elektronen emittierende Film 4 ist aus einem Oxid R&sub2;O3-z gemacht, wobei R ein Atom oder eine Atomgruppe von Elementen von seltenen Erden und O Sauerstoff und z zwischen 0,0 und 1,0 ist.
Die Fig. 2 zeigt eine Elektronen emittierende Elektrode 11 gemäß der Erfindung, welche sich in ihrer Struktur von der Elektronen emittierenden Elektrode unterscheidet, die in der Fig. 1 dargestellt ist. Die Elektrode 11 umfaßt eine Grundplatte 12 und einen Elektronen emittierenden Film 13, der auf der Grundplatte 12 vorgesehen ist. Die Grundplatte 12 enthält beispielsweise Nickel (Ni). Der Elektronen emittierende Film 13 ist z. B. aus Yttriumoxid hergestellt.
Die Fig. 3 stellt die Beziehung zwischen der Zerstäubungszeit und der Intensitäten der Elemente der Elektrode 11 dar, die in der Fig. 2 dargestellt ist, wobei diese durch Auger Elektronenspektroskopie in bezug auf die Richtung der Tiefe der Elektrode erfaßt wurden, während die Elemente von der Oberfläche des Films 13 zerstäubt wurden. Die Zerstäubungszeit und die Intensität von jedem Element sind auf der Abszisse bzw. der Ordinate in der Fig. 3 aufgetragen. Es ist gemäß der Fig. 3 klar, daß die Grundplatte 12 Ni enthält und daß der Elektronen emittierende Film 13, der auf der Grundplatte 12 vorhanden ist, aus Yttriumoxid besteht.
Der Elektronen emittierende Film 13, der in den Fig. 1 und Fig. 2 veranschaulicht ist, der aus Yttriumoxid gemacht ist, hat ein Kristallsystem, das ein einfach kubisches Gitter, ein kubisch flächenzentriertes Gitter, ein kubisch raumzentriertes Gitter, ein Gitter zwischen einem einfach kubischen Gitter und einem kubisch flächenzentrierten Gitter oder ein Gitter zwischen dem einfach kubischen Gitter und dem kubisch raumzentrierten Gitter ist.
Die Fig. 4 ist ein analytisches Diagramm einer Röntgenstrahlbeugung an dem Kristallgitter des Yttriumoxids, das durch eine Oxidierung des Yttriums in der Atmosphäre gewonnen wurde. Das Yttriumoxid hat eine Gitterkonstante von 10,60 Å. Sein Kristallsystem wird als kubisch raumzentriertes Gitter identifiziert, welches im folgenden als "Gitter des A-Typs" der üblichen Gewohnheit entsprechend bezeichnet wird. Die Fig. 5 ist ein analytisches Diagramm einer Röntgenstrahlbeugung an einem Kristallgitter aus Yttriumoxid, das durch eine Oxidierung von Yttrium in einer Wasserstoffatmosphäre gewonnen wurde. Dieses Yttriumoxid hat eine Gitterkonstante von 14,85 Å. Das Kristallsystem dieses Oxides wird als einfach kubisches Gitter identifiziert, welches im folgenden der üblichen Bezeichnung gemäß als "Gitter des B-Typs" bezeichnet werden wird. Die vorliegende Erfindung kann ein Material verwenden, dessen Gittersystem zwischen dem eines kubisch raumzentrierten Gitters und eines einfach kubischen Gitters liegt. Das dazwischenliegende Kristallsystem wird im folgenden auch als "Gitter des AB-Typs" bezeichnet werden.
Eine Elektronen emittierende Elektrode mit einem Elektronen emittierenden Film, der aus Yttriumoxid des Gitters des A-Typs gemacht ist und eine Elektronen emittierende Elektrode, die einen Elektronen emittierenden Film hat, der aus Yttriumoxid des Gitters des B-Typs gemacht ist und eine Elektronen emittierende Elektrode, die einen Elektronen emittierenden Film hat, der aus Yttriumoxid des Gitters des AB-Typs gemacht ist, wurden nach ihrem Widerstand über ihre Dicke ausgemessen. Sie zeigten geringe Widerstände wie 10 Ohm, was beweist, daß sie elektrisch leitfähig waren. Mit anderen Worten hatten die Filme elektronenleitende Eigenschaften.
Ein Yttriumfilm von ungefähr 3000 Å Dicke wurde auf einem Quarzsubstrat durch Elektronenstrahl-Dampfabscheidung gebildet und bei ungefähr 600ºC für 15 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre einer vorgegebenen Konzentration erhitzt, wodurch ein erster Yttriumoxidfilm gebildet wurde. Weiterhin wurde ein Yttriumfilm von ungefähr 3000 Å Dicke auf einem Quarzsubstrat durch Elektronenstrahl-Dampfabscheidung gebildet und bei ungefähr 700ºC für 30 Minuten in der Atmosphäre erhitzt, wodurch ein zweiter Film eines Yttriumoxids gebildet wurde. Der erste und zweite Yttriumfilm wurden nach ihren optischen Eigenschaften untersucht.
Der erste Film des Yttriumoxids hatte ein Gitter eines B-Typs und zeigte die Transmissionseigenschaften der Fig. 6. In der Fig. 6 ist die Transmission und die Reflektivität auf der Ordinate aufgetragen und die Wellenlänge des Lichtes, das auf die Elektronen emittierende Elektrode angewendet wurde, die das Quarzsubstrat und den ersten Yttriumoxidfilm enthält. Der Transmissionsgrad ist das Verhältnis der Menge von Licht, welches sowohl durch das Quarzsubstrat als auch den Yttriumoxidfilm läuft, zur Menge (100%) des Lichtes, das an die Elektronen emittierende Elektrode angelegt wird. Der Reflektionsgrad ist das Verhältnis der Menge von Licht, das durch das Quarzsubstrat und den Yttriumoxidfilm reflektiert wird, zu der Menge von Licht, welches durch eine Aluminium- (Al) Platte reflektiert wird, die glatte Oberflächen hat.
Der zweite Film eines Yttriumoxids hatte ein Gitter eines A-Typs und zeigte die Transmissionseigenschaft der Fig. 7. Wie in der Fig. 7 dargestellt ist, zeigte die Elektronen emittierende Elektrode, die den zweiten Yttriumoxidfilm (A-Typgitter) hatte, einen Transmissionsgrad von über 50% für Licht, dessen Wellenlänge von 500 nm bis 2500 nm reicht. Allerdings zeigte die Elektronen emittierende Elektrode, die den zweiten Film eines Yttriumoxides (B-Typgitter) hatte, einen Transmissionsgrad von unter 20% für Licht, das eine Wellenlänge in einem Bereich von 500 nm bis 2500 nm hat.
Im folgenden wird der erste Film eines Yttriumoxides, dessen Kristallsystem von einem A-Typ ist, als ein "A-Typ Yttriumoxidfilm" und der zweite Film eines Yttriumoxides, dessen Kristallsystem ein B-Typ ist, als ein "B-Typ Yttriumoxidfilm" bezeichnet werden.
Wie in der Fig. 7 dargestellt ist, zeigte die Elektronen emittierende Elektrode, die den A-Typ Yttriumoxidfilm hat, einen Reflektionsgrad von unter 40% für Licht, dessen Wellenlänge in einem Bereich von 500 nm bis 2500 nm liegt. Im Gegensatz dazu zeigte die Elektronen emittierende Elektrode, die den Yttriumoxidfilm des B-Typs hat, einen Reflektionsgrad, der von einigen wenigen Prozent bis zu 75% für Licht einer Wellenlänge in einem Bereich von 500 nm bis 2500 nm hat. Namentlich überstieg der maximale Reflektionsgrad 60%.
Wie gemäß den Fig. 6 und 7 offensichtlich ist, unterscheiden sich Yttriumoxide, die in ihrem Kristallsystem unterschiedlich sind, stark hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften.
Eine dieser optischen Eigenschaften einer Substanz ist ihre Absorptionskante. Die Yttriumoxidfilme des A-Typs und des B-Typs wurden auf ihre Absorptionskante hin untersucht. In einer allgemeinen Definition ist eine Absorptionskante ein Punkt oder ein Teil in einem kontinuierlichen Absorptionsspektrum, bei dem die Absorption für Lichtstrahlen einer längeren Wellenlänge stark abnimmt. Im folgenden allerdings ist sie als ein Punkt definiert, bei dem der Transmissionsgrad auf einen Wert abfällt, der zu klein ist, das er noch genau gemessen werden könnte.
Die Fig. 8 stellt die Absorptionskante des Yttriumoxidfilms des B-Typs dar, der durch eine Oxidierung eines Yttriumfilms in der Wasserstoffatmosphäre gewonnen wurde, die die vorbestimmte Konzentration hat. Die Fig. 9 zeigt die Absorptionskante des Yttriumoxidfilms des A-Typs, der durch Oxidieren eines Yttriumfilmes in der Atmosphäre gewonnen wurde. Der Yttriumoxidfilm des B-Typs hat eine Absorptionskante bei etwas weniger als 4,0 eV, während das Yttriumoxid des A-Typs eine Absorptionskante bei ungefähr 5,9 eV hat. Offensichtlich befindet sich das Yttriumoxid des B-Typs auf einer niedereren energetischen Seite im Vergleich zum Yttriumoxid des A-Typs. Deshalb ist es offensichtlich, daß die unterschiedlichen optischen Eigenschaften des Yttriumoxids von dem Kristallsystem des Oxides abhängen.
Weiterhin wurden Entladungslampen mit Kaltkathode hergestellt, die getestet wurden, um ihre Entladungscharakteristika zu bestimmen. Jede dieser Lampen umfaßt eine zylindrische Röhre aus Glas und ein Paar von Elektronen emittierenden Elektroden. Jede Elektrode hat einen Yttriumoxidfilm, der eine Kaltemission von Elektronen ausführen kann.
Die Röhre hat einen äußeren Durchmesser von 2,6 mm und eine Länge von 63,5 mm und war mit einem Edelgas und Silberdampf gefüllt. Die Elektronen emittierenden Elektroden waren innerhalb der Röhre positioniert, wobei sie gegenüberliegend voneinander und räumlich mit einer Entfernung von 45 mm beabstandet waren.
Diese Gasentladungslampen mit Kaltkathode bestehen aus drei Gruppen. Die Lampen der ersten Gruppe hatten Elektroden, die jeweils einen Elektronen emittierenden Film hatten, der aus einem Yttriumoxid des A-Typs gemacht war. Diejenigen der zweiten Gruppe hatten Elektroden, die jeweils einen Elektronen emittierenden Film hatten, der aus Yttriumoxid des B-Typs gemacht war. Diejenigen der dritten Gruppe hatten Elektroden, die einen Elektronen emittierenden Film hatten, der aus Nickel (Ni) gemacht war, die außerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Die Entladungs lampen mit Kaltkathode aus allen Gruppen wurden auf ihre Entladungsspannungen hin untersucht. Die Lampen der ersten Gruppe, die Filme hatten, die aus Yttriumoxid des A- Typs gemacht waren, arbeiteten bei einer Spannung von ungefähr 30 V, die niedriger als die Betriebsspannung der Lampen der dritten Gruppe war, welche einen Elektronen emittierenden Film hatten, der aus Nickel gemacht war. Die Lampen der zweiten Gruppen, die Filme hatten, die aus Yttriumoxid des B-Typs gemacht waren, arbeiteten bei einer Spannung von ungefähr 50 V, die geringer als die Betriebsspannung der Lampen der dritten Gruppe war.
Weiterhin wurden Fluoreszenzlampen 21 mit Kaltkathode eines Typs hergestellt, der in der Fig. 10 dargestellt ist. Wie aus der Fig. 10 zu erkennen ist, waren die Lampen 21 identisch in ihrer Struktur zu den vorstehend beschriebenen Gasentladungslampen mit Kaltkathode, abgesehen davon, daß eine fluoreszierende Schicht auf der inneren Oberfläche der Glasröhre 23 abgeschieden war. Die Glasröhre 23 war mit einem Edelgas und Quecksilber gefüllt. Ein Paar von Elektronen emittierenden Elektroden 22 waren gegenüberliegend voneinander innerhalb der Röhre 23 positioniert und jeweils mit zwei Drähten 24 verbunden.
Wie es in der Fig. 11 dargestellt ist, ist die Elektronen emittierende Elektrode 22 an dem mittleren Teil in der Form des Buchstabens V gebogen. Jede Elektrode besteht aus einer Ni-Cr-Legierung (INCONEL 601) einer Grundplatte 25, einem Yttrium (Y)-Film 26, der auf der Grundplatte 25 vorgesehen ist und einem Elektronen emittierenden Film 27, der aus einem Yttriumoxid des B-Typs gemacht ist und auf dem Yttriumfilm 26 aufgebracht ist. Die Elektroden 22 sind so positioniert, daß ihre Elektronen emittierenden Filme 27 einander gegenüberliegen. Weil die Filme 27 aus einem Yttriumoxid des B-Typs gemacht sind, können die Lampen 21 bei einer niedrigeren Entladungsspannung als Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode betrieben werden, die Elektronen emittierende Filme eines Yttriumoxides des A-Typs haben.
Die Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode 21 wurden auf ihre lichtemittierenden Eigenschaften hin untersucht. In jeder Lampe 21 emittierten die Elektroden 22 Elektronen. Die Elektronen trafen auf Quecksilberatome und erzeugten ultraviolette Strahlung. Die ul traviolette Strahlung regte die fluoreszierende Schicht auf der inneren Oberfläche der Röhre 23 an. Die somit angeregte fluoreszierende Schicht emittierte sichtbares Licht innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs.
Das Resultat des Tests ist in der folgenden Tabelle 1 zusammen mit den Emissionseigenschaften der konventionellen Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode dargestellt, die Elektronen emittierende Elektroden umfassen, die jeweils einen Elektronen emittierenden Film aus Nickel haben. Tabelle 1
Aufgrund der Ergebnisse der Tabelle 1 kann verstanden werden, daß die Lampen 21 mit Elektroden, die jeweils einen Yttriumoxidfilm des B-Typs (die im folgenden auch als "B-Typ Elektrode" bezeichnet werden) in bezug auf die Leuchtdichte und die Leuchteffizienz im Vergleich zu konventionellen Lampen mit Elektroden des Ni-Typs überlegen waren, zumindest davon abgesehen, daß die Lampenspannung ungefähr 23,5% geringer als die der konventionellen Lampen war. Zusätzlich zeigten die Lampen 21, nachdem sie eine lange Zeit betrieben wurden, wesentlich geringere Zerstäubungseigenschaften als die konventionellen Lampen mit Elektroden des Ni-Typs, wie Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, welche Elektroden haben, die jeweils einen Yttriumoxidfilm des A-Typs umfassen (im folgenden auch als "A-Typ Elektroden" bezeichnet).
Weiterhin wurden Gasentladungslampen mit Kaltkathode hergestellt, die jeweils eine zylindrische Glasröhre mit einem inneren Durchmesser von 12 mm und ein Paar von scheibenförmigen Elektronen emittierenden B-Typ Elektroden mit einem Durchmesser von 10 mm umfassen, die innerhalb der Röhre und voneinander um 220 mm beabstandet angebracht sind. Diese Lampen wurden getestet, um zu bestimmen, wie sich ihre Entladungseigenschaften mit der Zeit ändern. Die Ergebnisse des Tests waren so, wie sie in der Fig. 12 dargestellt sind. Wie aufgrund der Fig. 12 offensichtlich ist, erzielten die Kaltkathodeentladungslampen, die B-Typ Elektroden haben, eine stabile ursprüngliche Entladung. Nach einer kontinuierlichen Betriebsdauer von 200 Stunden zeigten Sie keinen merklichen Spannungsabfall. Es wurde gefunden, daß sie eine Entladungsspannung haben, die ungefähr 15 bis 20% geringer als die Entladungsspannung der konventionellen Gasentladungslampen mit Kaltkathode ist, die Elektroden des Ni-Typs haben. Weiterhin zeigten sie eine geringere Zerstäubungsneigung als die konventionellen Lampen, die Elektroden des Ni-Typs haben. Gasentladungslampen mit Kaltkathode, die jeweils eine Röhre mit einem inneren Durchmesser von 15 mm und Elektronen emittierende B-Typ Elektroden umfassen, zeigten eine Entladungslebensdauer, die 3000 Stunden übertraf.
Der Elektronen emittierende Film hat einen Widerstand von 10000 Ω zumindest über den größten Teil der Dicke von 45000 Å.
Die Filme des Yttriumoxids, deren Kristallsystem ein kubisch flächenzentriertes Gitter ist, und die Filme des Yttriumoxides, deren Kristallsystem zwischen dem eines einfach kubischen Gitters und eines kubisch flächenzentrierten Gitters liegt, arbeiteten bei einer niedrigen Entladungsspannung. Yttriumoxidfilme des AB-Typs, dessen Kristallsystem zwischen dem eines kubisch raumzentrierten Gitters und einem einfach kubischen Gitter liegt, arbeiteten ebenfalls bei einer niedrigen Entladungsspannung.
In der vorliegenden Erfindung kann Yttrium durch andere Elemente von seltenen Erden ersetzt werden. Im speziellen kann anstelle von Yttrium (Y) auch Scandium (Sc), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) oder Lutetium (Lu) verwendet werden.
Die Elektronen emittierenden Elektroden gemäß der Erfindung, die die vorstehend beschriebene Struktur haben, zeigen gute Elektronen emittierende Eigenschaften bei einer niedrigen Entladungsspannung. Zusätzlich zeigen sie eine geringe Neigung zur Zer stäubung und können deshalb kontinuierlich Elektronen für eine lange Zeitdauer emittieren.
Deshalb können die Elektronen emittierenden Elektroden der Erfindung in Fluoreszenzlampen mit Kaltkathoden verwendet werden, die als rückseitige Lichtquellen zum Emittieren von weißen Licht in nicht selbst emittierenden Anzeigen (z. B. in Flüssigkeitskristallanzeigen) verwendet werden. Weiterhin können sie als Kathoden in monochromatischen oder Farbanzeigen, in einer Plasmaanzeige und in FEDs (Feldemissionsanzeigen) verwendet werden, die als VFDs (Vakuumfluoreszenzanzeigen) verwendet werden.
Ein erstes Verfahren zum Herstellen der Elektronen emittierenden Elektroden der Art, wie sie in der Fig. 1 dargestellt sind, welche eine Feldemission von Elektronen ausführen, wird im folgenden beschrieben werden.
Das erste Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Das Waschen einer Grundplatte; das Bilden eines Metallfilms auf der Grundplatte; das Oxidieren des Metallfilms in einer Wasserstoffatmosphäre zum Bilden eines Elektronen emittierenden Films; und die Dehydrierung des Elektronen emittierenden Films. Diese Schritte werden in der beschriebenen Folge ausgeführt, wodurch eine Elektronen emittierende Elektrode bereitgestellt wird, die einen Elektronen emittierenden Film hat, der ein vorbestimmtes Kristallgitter hat. Die Grundplatte besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material oder einem Halbleitermaterial. Der Elektronen emittierende Film, der auf der Grundplatte bereitgestellt ist, enthält R&sub2;O3-z (wobei R ein Atom oder eine Atomgruppe von Elementen von seltenen Erden, O Sauerstoff und z zwischen 0,0 und 1,0 ist) und führt eine Feldemission von kalten Elektronen aus. Bei diesem Beispiel ist das seltene Erden Element Yttrium (Y).
Das erste Verfahren wird nun im Detail mit Bezug auf die Fig. 13 und 14 erklärt werden.
Zuerst wird die Grundplatte 33, die aus einer Ni-Cr-Legierung (INCONEL 601) gemacht ist, gewaschen. Ein Yttriumfilm 34 wird auf der Grundplatte 33 durch Dampfabscheidung (die durch Widerstandsheizung oder Anwendung eines Elektronenstrahls erzielt wird) oder durch Zerstäuben bis zu einer Dicke in einem Bereich von 1000 Å bis 30000 Å gebildet.
Anschließend wird die resultierende Struktur, die aus der Grundplatte 33 und dem Yttrium 34 besteht, auf einen Tisch 32 in einem Reaktionsofen 31 plaziert, wie es in der Fig. 13 dargestellt ist. Wie es in der Fig. 13 gezeigt ist, hat der Ofen 31 einen Anschluß 38 zum Gaseinlassen und einen Anschluß 39 als Gasauslaß. Wasserstoff wird in den Ofen 31 so durch den Anschluß 38 zum Gaseinlassen in den Ofen 31 eingeführt, daß der Ofen 31 mit Wasserstoff gefüllt bleibt. Es ist wünschenswert, daß die Konzentration von Sauerstoff und/oder von einer Sauerstoff enthaltenden Substanz weniger als 1 Vol.- %, bevorzugterweise 1000 ppm (Teile pro Millionen) oder weniger, oder besonders bevorzugt 100 ppm oder weniger ist. Die Sauerstoff enthaltende Substanz ist Wasser, welches in Dampfform vorliegt. Die Konzentration kann durch Verwenden eines sauerstoffadsorbierenden Filters und eines wasseradsorbierenden Filters, die jeweils in den Anschlüssen 38 bzw. 39 vorhanden sind und durch Einstellen der Konzentration des Wasserstoffes, der in den Ofen 31 eingeführt wird, geregelt werden.
Dann wird die Wasserstoffatmosphäre von Raumtemperatur (ungefähr 25ºC) aus auf ungefähr 600ºC mit einer Rate im Bereich von 10000/15 min bis 100ºC/5 min erhitzt. Danach wird die Struktur bei ungefähr 600ºC für 10 bis 60 Minuten erhitzt, wodurch der freiliegende Oberflächenbereich des Yttriumfilms 34 oxidiert wird. Wie es in der Fig. 14 dargestellt ist, wird dadurch ein Yttriumoxidfilm 36 gebildet werden, der einen Körper 35 des Yttriumfilms bedeckt. Die Temperatur der Oxidierung kann von 300ºC bis 1000ºC, bevorzugterweise 500ºC bis 700ºC reichen. Die Rate des Temperaturanstiegs kann von 100ºC/20 min bis 100ºC/5 min reichen.
Danach wird der Film 36 des Yttriumoxides dehydriert. Um genauer zu sein, wird der Film 36 bei 300ºC oder mehr, bevorzugterweise bei 400ºC bis 800ºC für 15 Minuten in einer Atmosphäre erhitzt, die einen Druck hat, der auf 1 · 10&supmin;³ Torr oder weniger, bevor zugterweise auf 1 · 10&supmin;&sup6; Torr oder weniger reduziert ist, wodurch der Wasserstoff aus dem Yttriumoxidfilm 36 entfernt wird.
Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die durch das Waschen einer Grundplatte, das Bilden eines Yttriumfilms, das Oxidieren des Oberflächenbereiches des Films, aber nicht durch ein Dehydrieren des erzeugten Yttriumoxidfilms hergestellt werden, emittieren aber bläuliches weißes Licht nach einhundert Stunden kontinuierlicher Entladung. Dies wird durch den Wasserstoff verursacht, der in dem Yttriumoxidfilm enthalten ist. Deshalb sollte der Yttriumoxidfilm, der in einer Wasserstoffatmosphäre gebildet wurde, dehydriert werden.
Beim Herstellen einer Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode werden Verunreinigungen wie Wasser üblicherweise von der Glasröhre entfernt, bevor Elektroden, die jeweils einen Yttriumoxidfilm haben, in der Röhre versiegelt werden. Das Entfernen von Verunreinigungen wird durch das Erhitzen der Glasröhre bei ungefähr 400ºC in einer druckverminderten Atmosphäre erzielt. Der Erwärmungsprozeß kann in der Tat dazu dienen, eine gewisse Menge von Wasserstoff aus dem Yttriumoxidfilmen zu entfernen. Da die Temperatur relativ niedrig (ungefähr 400ºC) ist, kann die Fluoreszenzlampe allerdings nicht so rasch eine ursprüngliche Entladung erzielen, wie eine Lampe, die Elektroden enthält, die jeweils einen dehydrierten Film eines Yttriumoxides enthalten. Deshalb sollte der Yttriumoxidfilm 36 in einer druckreduzierten Atmosphäre bei 450ºC oder mehr dehydriert werden.
Wenn ein Yttriumfilm von ungefähr 3000 Å Dicke in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt und oxidiert wird, in der die Konzentration von Sauerstoff und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz die Größenordnung von 100 ppm überschreitet, wird ein Film eines Yttriumoxids mit ungefähr 4500 Å Dicke gebildet, der ein Gitter des A-Typs (kubisch raumzentriertes Gitter) hat. Dieser Yttriumoxidfilm zeigt ein analytisches Muster einer Röntgenstrahlbeugung, wie es in der Fig. 15 dargestellt ist. Der Oxidfilm hat eine Gitterkonstante von 10,60 Å und eine Spitze in der Intensität der Röntgenstrahlung, die bei ungefähr 29º auftritt, wie es in der Fig. 16 dargestellt ist.
Wenn ein Yttriumfilm ungefähr 3000 Å dick ist und in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt und oxidiert wird, in der die Konzentration von Sauerstoff und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz in der Größenordnung von 10 ppm liegt, wird ein Film eines Yttriumoxids von ungefähr 4500 Å Dicke gebildet, der ein Gitter des B-Typs (einfach kubisches Gitter) hat. Dieser Yttriumoxidfilm zeigt ein analytisches Muster der Röntgenstrahlbeugung, wie es in der Fig. 17 dargestellt ist. Er hat eine Gitterkonstante von 14,85 Å und eine hohe Intensitätsspitze von Röntgenstrahlung bei ungefähr 29º und eine niedrige Intensitätsspitze von Röntgenstrahlung bei ungefähr 29,6º, wie es in der Fig. 18 dargestellt ist.
Wenn ein Yttriumfilm von ungefähr 3000 Å Dicke in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt und oxidiert wird, in der die Konzentration von Sauerstoff und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz in der Größenordnung von 100 ppm ist, wird ein Film eines Yttriumoxids von ungefähr 4500 Å Dicke gebildet, dessen Gitter von einem AB-Typ ist, d. h. von einem Kristallsystem zwischen einem A-Typ Gitter und einem B-Typ-Gitter (die Konzentration in der Größenordnung von 100 ppm ist höher als die Konzentration, die zum Bilden des Yttriumoxidfilms des B-Typs geeignet ist und niedriger, als die Konzentration, die zum Bilden des Yttriumoxidfilms des A-Typs geeignet ist). Der Film des Yttriumoxids, der somit gebildet wird, zeigt das analytische Muster der Röntgenstrahlbeugung, wie es in der Fig. 19 dargestellt ist. Es hat eine hohe Intensitätsspitze von Röntgenstrahlung bei ungefähr 29º und eine niedrige Intensitätsspitze von Röntgenstrahlung bei ungefähr 29,6º, wie es in der Fig. 20 dargestellt ist.
Wenn ein Yttriumfilm von ungefähr 3000 Å Dicke in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt und oxidiert wird, in der die Konzentration des Sauerstoffs und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz in der Größenordnung von 1 ppm ist, wird dabei ein Film eines Yttriumoxids mit ungefähr 4500 Å Dicke gebildet, dessen Gitter ein kubisch flächenzentriertes Gitter (im folgenden auch als "C-Typ Gitter" bezeichnet) ist. Dieser Oxidfilm zeigt das analytische Muster der Röntgenstrahlbeugung, wie es in der Fig. 21 dargestellt ist. Er hat eine Gitterkonstante von 5,21 Å und hat eine hohe Intensitätsspitze von Röntgenstrahlung bei ungefähr 29,6º, wie es in der Fig. 22 dargestellt ist.
Wenn ein Yttriumfilm von ungefähr 3000 Å Dicke in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt und oxidiert wird, in der die Konzentration des Sauerstoffs und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz höher als die Konzentration ist, die zur Bildung eines Yttriumoxidfilms des C-Typs geeignet ist und niedriger als die Konzentration ist, die zur Bildung eines Yttriumoxidfilm des B-Typs geeignet ist, wird ein Film eines Yttriumoxids von ungefähr 4500 Å Dicke gebildet, dessen Kristallsystem als zwischen einem B-Typ Gitter und einem C-Typ Gitter liegend (im folgenden auch als "BC-Typ Gitter" bezeichnet) identifiziert wird. Dieser Film des Yttriumoxids zeigt das analytische Muster der Röntgenstrahlbeugung, das in der Fig. 23 gezeigt ist. Es hat eine niedrige Intensitätsspitze von Röntgenstrahlung bei ungefähr 29º und eine hohe Spitze von Röntgenstrahlung bei ungefähr 29,6º, wie es in der Fig. 23 dargestellt ist:
Nach dem vorhergehenden ist es verständlich, daß das Kristallsystem des Yttriumoxidfilms durch ein Einstellen der Sauerstoffkonzentration in der Wasserstoffatmosphäre geändert werden kann.
Drei Arten von Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die jeweils ein Paar von Elektronen emittierenden Elektroden haben, die mit der ersten Methode hergestellt wurden, wurden erzeugt. Der erste Typ umfaßt Elektroden, die jeweils einen Film eines Yttriumoxids des B-Typs mit ungefähr 4500 Å Dicke haben; der zweite Typ umfaßt Elektroden, die jeweils einen Film eines Yttriumoxids des BC-Typs haben; und der dritte Typ umfaßt Elektroden, die jeweils einen Film eines Yttriumoxids des C-Typs haben. Diese Lampen wurden auf ihre Emissionseigenschaften hin untersucht. Die Ergebnisse waren so, wie sie in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt sind. Weiterhin ist in der Tabelle 2 die Emissionscharakteristik einer konventionellen Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode dargestellt, die Elektronen emittierende Elektroden des Ni-Typs beinhalten, um mit den Emissionseigenschaften der drei Arten von Lampen gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen zu werden. Alle diese Fluoreszenzlampen, einschließlich der konventionellen, hatten die gleiche Struktur, die in der Fig. 10 gezeigt ist, wobei jede eine Glasröhre 21 und ein Paar von Elektronen emittierenden Elektroden 22 umfaßte, die in der Röhre 21 positioniert waren. Die Röhre 21 war mit einem Edelgas und Quecksilber gefüllt und ihr innere Oberfläche war mit einem Weißlicht emittierenden fluoreszierenden Material beschich tet. Die Glasröhre 21 war 63,5 mm lang und hatte einen äußeren Durchmesser von 2,6 mm, wobei die Elektroden 22 einander gegenüberliegen in einer Entfernung von 45 mm zueinander angebracht waren. Tabelle 2
Offensichtlicherweise sind nach der Tabelle 2 die Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die Elektroden des B-Typs, BC-Typs und C-Typs haben, trotz ihrer relativ niedrigen Entladungsspannung in bezug auf die Leuchtdichte und die Leuchteffizienz der konventionellen Lampe überlegen. Obwohl diese Yttriumoxidfilme über einige hundert Å dick sind, zeigen diese Elektroden eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die Lampen, die die B- Typ, BC-Typ und C-Typ Elektroden haben, hatten eine wesentlich geringere Neigung zum Zerstäuben als die konventionelle Lampe, die die Elektronen emittierenden Elektroden des Ni-Typs hatte. Sie emittierten für eine längere Zeit kontinuierlich Licht als die konventionelle Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode.
Die in der Tabelle 1 gezeigten Werte für die Lampe mit den B-Typ Elektroden unterscheiden sich von denjenigen, die in der Tabelle 2 spezifiziert sind. Das gleiche gilt für die konventionelle Lampe mit den Ni-Typ Elektroden. Dies tritt deshalb auf, weil ein Analysator verwendet wurde, um die Ergebnisse der Tabelle 1 zu erzielen und weil ein anderer Analysator verwendet wurde, um die Ergebnisse der Tabelle 2 zu erzielen.
Die Lampe mit den Elektroden des A-Typs und die Lampe mit den Elektroden des AB-Typs zeigten eine größere Leuchtdichte und eine größere Leuchteffizienz als die konventionelle Lampe mit den Elektroden des Ni-Typs, obwohl ihre Entladungsspannung niedriger als die der konventionellen Lampe war. Trotzdem hat sich ihre Leuchtdichte und Leuchteffizienz als niedriger im Vergleich zu den Lampen mit den Elektroden des C-Typs herausgestellt.
Ein zweites Verfahren zum Herstellen der Elektronen emittierenden Elektroden der Art, wie sie in der Fig. 1 dargestellt sind, welche eine Kaltemission von Elektronen ausführen, wird mit Bezug auf die Fig. 13 und 14 beschrieben werden.
Das zweite Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Das Waschen einer Grundplatte; das Bilden eines Metallfilms auf der Grundplatte und das Oxidieren des Metallfilms in einer Edelgasatmosphäre, um einen Elektronen emittierenden Film zu bilden. Die drei Schritte werden in der beschriebenen Abfolge ausgeführt, wodurch eine Elektronen emittierende Elektrode bereitgestellt wird, die einen Elektronen emittierenden Film mit einem vorbestimmtes Kristallgitter hat. Die Grundplatte ist aus einem elektrisch leitfähigen Material oder einem Halbleitermaterial gemacht. Der Elektronen emittierende Film enthält R&sub2;O3-z (wobei R ein Atom oder eine Atomgruppe von Elementen von seltenen Erden, O Sauerstoff und z zwischen 0,0 und 1,0 ist) und kann kalte Elektronen emittieren. Auch bei diesem Beispiel ist das seltene Erden Element Yttrium (Y).
Zuerst wird die Grundplatte 33, die aus einer Ni-Cr-Legierung (INCONEL 601) gemacht ist, gewaschen. Ein Yttriumfilm 34 wird auf der Grundplatte 33 durch Dampfabscheidung (erzielt durch Widerstandserhitzen oder das Anwendung eines Elektronenstrahls) oder durch Zerstäuben bis zu einer Dicke im Bereich von 1000 Å bis 30000 Å gebildet.
Anschließend wird die resultierende Struktur, die aus der Grundplatte 33 und dem Yttriumfilm 34 besteht, auf dem Tisch 32 in dem Reaktionsofen 31 positioniert, wie es in der Fig. 13 veranschaulicht ist. Argon wird in den Ofen 31 durch den Gaseinlaßanschluß 38 eingelassen, so daß der Ofen 31 mit Argon gefüllt bleibt. Es ist wünschenswert, daß die Konzentration von Sauerstoff und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz weniger als 1 Vol.-%, bevorzugterweise 1000 ppm oder weniger, besonders bevorzugt 100 ppm oder weniger ist. Die sauerstoffhaltige Substanz ist Wasser, welches in Dampfform vorliegt. Die Konzentration kann durch das Verwenden eines sauerstoffadsorbierenden Filters und eines wasseradsorbierenden Filters, die in den Anschlüssen 38 bzw. 39 angebracht werden, und durch Einstellen der Konzentration von Argon, das in den Ofen 31 eingeführt wird, geregelt werden.
Dann wird die Argonatmosphäre von Raumtemperatur aus auf ungefähr 600ºC mit einer Rate in einem Bereich von 100ºC/15 min bis 100ºC/5 min erhitzt. Die Struktur wird bei ungefähr 600ºC für 10 bis 60 Minuten erhitzt, wodurch die freiliegende Oberflächenregion des Yttriumfilms 34 oxidiert wird. Wie in der Fig. 14 dargestellt ist, wird dadurch ein Yttriumoxidfilm 36 gebildet, der einen Körper 35 des Yttriumfilms bedeckt. Die Rate des Temperaturanstiegs kann in einem Bereich von 100ºC/20 min bis 100ºC/5 min liegen.
Das Kristallsystem des Yttriumoxidfilms kann wie bei dem ersten Verfahren durch ein Einstellen der Konzentration des Sauerstoff und/oder der sauerstoffhaltigen Substanz eingestellt werden. Das zweite Verfahren wurde auf einer experimentellen Basis durchgeführt. Es hat sich gezeigt, daß Filme von Yttriumoxid des A-Typ Gitters, des AB-Typ Gitters, des B-Typ Gitters, des BC-Typ Gitters und des C-Typ Gitters durch das zweite Verfahren gebildet wurden.
Bei dem zweiten Verfahren wird der Yttriumfilm in einer Argonatmosphäre oxidiert. Deshalb ist es von dem ersten Verfahren unterschieden, in dem der Film in einer Wasserstoffatmosphäre oxidiert wird. Der in einer Argonatmosphäre gebildete Yttriumoxidfilm enthält nahezu keinen Wasserstoff. Der Film des Yttriumoxids braucht überhaupt nicht dehydriert zu werden. Das zweite Verfahren umfaßt deshalb einen Schritt weniger als das erste Verfahren. Trotzdem ist es wünschenswert, den Film wie beim ersten Verfahren zu dehydrieren, wenn Wasserstoff, selbst in einer kleinen Menge, im Yttriumfilm enthalten sein sollte.
Ein drittes Verfahren zum Herstellen der Elektronen emittierenden Elektroden, die eine Feldemission von kalten Elektronen ausführen, wird mit Bezug auf die Fig. 13 und 14 erklärt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann Argongas durch irgendein anderes Edelgas, z. B. Helium-, Neon-, Krypton- oder Xenongas ersetzt werden.
Das dritte Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Das Waschen einer Grundplatte; das Bilden eines Metalloxidfilms auf der Grundplatte; das Erhitzen des Metalloxidfilms, um ein gewünschtes Kristallsystem zu bilden; und das Dehydrieren des Elektronen emittierenden Filmes. Diese Schritte werden in der beschriebenen Abfolge ausgeführt, wodurch eine Elektronen emittierende Elektrode bereitgestellt wird, die einen Elektronen emittierenden Film mit einem vorbestimmtes Kristallgitter hat. Die Grundplatte ist aus einem elektrisch leitfähigen Material oder einem Halbleitermaterial gemacht. Der auf der Grundplatte bereitgestellte Elektronen emittie rende Film enthält R&sub2;O3-z (wobei R ein Atom oder eine Atomgruppe von Elementen von seltenen Erden, O Sauerstoff und z zwischen 0,0 und 1,0 ist) und kann eine Feldemission von kalten Elektronen ausführen. Bei dem vorliegenden Beispiel ist das seltene Erden Element Yttrium (Y).
Im Detail wird das dritte Verfahren nun mit Bezug auf die Fig. 13 und 14 beschrieben werden.
Zuerst wird die Grundplatte 33, die aus einer Ni-Cr-Legierung (INCONEL 601) gemacht ist, gewaschen. Ein Film aus amorphem Yttriumoxid wird dann auf der Grundplatte 33 durch Ionen-Implantation mit einer Dicke in einem Bereich von 1000 Å bis 30000 Å gebildet.
Danach wird die erzeugte Struktur, die aus der Grundplatte 33 und dem Yttriumoxidfilm besteht, in dem Reaktionsofen 31 positioniert. Wasserstoff wird in den Ofen 31 durch den Gaseinlaßanschluß 28 eingelassen, so daß der Ofen 31 mit Wasserstoff gefüllt bleibt. Es ist wünschenswert, daß die Konzentration von Sauerstoff und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz weniger als 1 Vol.-%, bevorzugterweise 1000 ppm oder weniger, besonders bevorzugt 100 ppm oder weniger ist. Die sauerstoffhaltige Substanz ist Wasser, welches in Dampfform vorliegt. Die Konzentration kann durch Verwendung eines sauerstoffadsorbierenden Filters und eines wasseradsorbierenden Filters, die jeweils in den Anschlüssen 38 bzw. 39 vorhanden sind, und durch Einstellen der Konzentration des Wasserstoffes, das in den Ofen 31 eingeführt wird, geregelt werden.
Dann wird die Wasserstoffatmosphäre von Raumtemperatur aus auf ungefähr 600ºC mit einer Rate in einem Bereich von 100ºC/15 min bis 100ºC/5 min erhitzt. Die Struktur wird bei einer Temperatur von ungefähr 600ºC 10 bis 60 Minuten lang erhitzt, wodurch ein gewünschtes Kristallgitter des Yttriumoxidfilms gebildet wird. Die Erwärmungstemperatur kann von 300ºC bis 1000ºC, bevorzugterweise von 500ºC bis 700ºC reichen. Die Rate des Temperaturanstiegs kann von 100ºC/20 min bis 100ºC/5 min reichen.
Danach wird der gewünschte Yttriumoxidfilm dehydriert. Um konkreter zu sein, wird der Film bei 300ºC oder mehr, bevorzugterweise 450ºC bis 800ºC für 15 Minuten in einer Atmosphäre erhitzt, die einen Drück hat, der auf 1 · 10&supmin;³ Torr oder weniger, bevorzugterweise auf 1 · 10&supmin;&sup6; Torr oder weniger reduziert wurde, wodurch der Wasserstoff aus dem Yttriumoxidfilm entfernt wird.
Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die durch das Waschen einer Grundplatte, das Bilden eines Films eines Yttriumoxids und das Erhitzen des Films, allerdings nicht durch Dehydrieren des erzeugten Yttriumoxidfilms erzeugt wurden, emittieren ein bläulichweißes Licht nach 100 Stunden einer dauerhaften Entladung. Dies geschieht aufgrund des Wasserstoffs, der in dem Film des Yttriumoxids enthalten ist. Deshalb sollte der Film des Yttriumoxids, der in einer Wasserstoffatmosphäre gebildet wird, dehydriert werden.
Beim Herstellen einer Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode werden Verunreinigungen wie Wasser von der Glasröhre entfernt, bevor Elektroden, die jeweils einen Film aus Yttriumoxid haben, in der Röhre versiegelt werden. Das Entfernen der Verunreinigungen wird durch Erhitzen der Glasröhre bei ungefähr 400ºC in einer druckverminderten Atmosphäre durchgeführt. Der Erwärmungsprozeß kann in der Tat dazu dienen, eine gewisse Menge von Wasserstoff des Yttriumoxidfilms zu entfernen. Da die Temperatur allerdings relativ niedrig (ungefähr 400ºC) ist, kann die Fluoreszenzlampe nicht so unmittelbar eine ursprüngliche Entladung erzielen, wie dies mit einer Lampe möglich wäre, die Elektroden beinhaltet, die jeweils einen dehydrierten Yttriumoxidfilm haben. Deshalb sollte der Yttriumoxidfilm 36 in einer druckverminderten Atmosphäre bei 450ºC oder mehr dehydriert werden.
Das dritte oben beschriebenen Verfahren wurde auf einer experimentellen Basis durchgeführt. Es wurde bestätigt, daß Filme aus Yttriumoxid des A-Typ Gitters, des AB-Typ Gitters und des B-Typ Gitters durch das dritte Verfahren gebildet wurden.
Ein viertes Verfahren zum Herstellen der Elektronen emittierenden Elektroden, die eine Feldemission von kalten Elektronen ausführen, wird nun erklärt werden.
Das vierte Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Das Waschen einer Grundplatte; das Bilden einer unteren Schicht auf der Grundplatte; das Bilden eines Metalloxidfilms auf der unteren Schicht; das Erhitzen des Metalloxidfilms, damit dieser ein gewünschtes Kristallsystem hat; und das Dehydrieren des Elektronen emittierenden Films. Die fünf Schritte werden in der beschriebenen Anordnung ausgeführt, wodurch eine Elektronen emittierende Elektrode bereitgestellt wird, die einen Elektronen emittierenden Film hat, der eine vorbestimmte Kristallgitterstruktur hat. Die Grundplatte ist aus einem elektrisch leitfähigen Material oder aus einem Halbleitermaterial gemacht. Der Elektronen emittierende Film enthält R&sub2;O3-z (wobei R ein Atom oder eine Atomgruppe von Elementen der seltenen Erden, O Sauerstoff und z zwischen 0,0 und 1,0 ist) und kann kalte Elektronen emittieren. Auch bei diesem Beispiel ist das Element der seltenen Erde Yttrium (Y).
Das vierte Verfahren wird nun mit Bezug auf die Fig. 13 und 14 im Detail beschrieben werden.
Zuerst wird die Grundplatte, die aus einer Ni-Cr-Legierung (INCONEL 601) gemacht ist, gewaschen. Ein Yttriumfilm oder eine leitfähige untere Schicht, die zur Verhinderung der Oxidierung der Grundplatte und zur Verbesserung der physikalischen und elektrischen Verbindung zu dem Yttriumoxid dient, wird auf der Grundplatte durch Dampfabscheidung (erzielt durch Widerstandsheizung oder Anwendung eines Elektronenstrahls) oder durch Zerstäubung mit einer Dicke im Bereich von 20000 Å bis 40000 Å abgeschieden.
Danach wird ein amorpher Film aus Yttriumoxid auf den Yttriumfilm durch Ionen- Implantation bis zu einer Dicke im Bereich von 1000 Å bis 10000 Å gebildet.
Anschließend wird die resultierende Struktur, die aus der Grundplatte, dem Yttriumfilm und dem amorphen Film aus Yttriumoxid besteht, auf den Tisch 32 in einem Reaktionsofen 31 gestellt, wie es in den Fig. 13 und 14 dargestellt ist. Wasserstoff wird in den Ofen 31 durch den Gaseinlaßanschluß 38 eingelassen, so daß der Ofen 31 mit Wasserstoff gefüllt bleibt. Es ist wünschenswert, daß die Konzentration an Sauerstoff und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz weniger als 1 Vol.-%, bevorzugterweise 1000 ppm oder weniger, besonders bevorzugt 100 ppm oder weniger ist. Die sauerstoffenthaltende Substanz ist Wasser, welche in Dampfform vorliegt. Die Konzentration kann durch Verwendung eines sauerstoffadsorbierenden Filters und eines wasseradsorbierenden Filters, die jeweils in den Anschlüssen 38 bzw. 39 angebracht sind, und durch Einstellen der Konzentration des Wasserstoffes, der in den Ofen 31 eingeleitet wird, geregelt werden.
Die Wasserstoffatmosphäre wird von Raumtemperatur aus auf ungefähr 600ºC mit einer Rate in einem Bereich von 100ºC/15 min bis 100ºC/5 min erhitzt. Die Struktur wird bei 600ºC 10 bis 60 Minuten lang erhitzt, wodurch der amorphe Film des Yttriumoxids oxidiert. Ein Yttriumoxidfilm wird dadurch gebildet, der den Yttriumoxidfilm bedeckt. Die Temperatur der Oxidierung kann zwischen 300ºC und 1000ºC, bevorzugterweise zwischen 500ºC und 700ºC liegen. Die Rate des Temperaturanstiegs kann in einem Bereich von 100ºC/20 min bis 100ºC/5 min liegen.
Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die durch Waschen einer Grundplatte, Ausbilden eines Yttriumfilms und das Oxidieren des Oberflächenbereichs des Films, allerdings nicht durch Dehydrieren des resultierenden Yttriumoxidfilms hergestellt werden, senden nach 100 Stunden einer kontinuierlichen Entladung bläulichweißes Licht aus. Dies geschieht aufgrund des Wasserstoffs, der in dem Film des Yttriumoxids enthalten ist. Dies ist der Grund, warum der Film des Yttriumoxids, der in einer Wasserstoffatmosphäre gebildet wurde, dehydriert werden sollte.
Beim Herstellen einer Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode werden Verunreinigungen wie Wasser aus der Glasröhre entfernt, bevor die Elektroden, die jeweils einen Film aus Yttriumoxid haben, in der Röhre versiegelt werden. Das Entfernen der Verunreinigungen wird durch Erhitzen der Glasröhre bei einer Temperatur von ungefähr 400ºC in einer druckverminderten Atmosphäre durchgeführt. Der Erwärmungsprozeß kann in der Tat dazu dienen, eine gewisse Menge von Wasserstoff aus dem Yttriumoxidfilmen zu entfernen. Da die Temperatur allerdings relativ niedrig (ungefähr 400ºC) ist, kann die Fluoreszenzlampe nicht so schnell eine Startentladung erzielen, wie es eine Lampe kann, die Elektroden enthält, die jeweils einen dehydrierten Yttriumoxidfilm haben. Deshalb sollte der Film 36 des Yttriumoxids in einer druckverminderten Atmosphäre bei 450ºC oder mehr dehydriert werden.
Das vierte Verfahren, das vorstehend beschrieben wurde, wurde auf einer experimentellen Basis durchgeführt. Es wurde bestätigt, daß Yttriumoxidfilme des A-Typ Gitters, des AB-Typ Gitters und des B-Typ Gitters gebildet wurden.
Ein fünftes Verfahren zum Herstellen der Elektronen emittierenden Elektroden, die eine Feldemission von kalten Elektronen durchführen, wird im folgenden beschrieben werden.
Das fünfte Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
Das Waschen einer Grundplatte; das Bilden einer unteren Schicht auf der Grundplatte; das Bilden eines Metalloxidfilms auf der unteren Schicht; und das Erhitzen des Metalloxidfilms, damit dieser eine gewünschte Kristallstruktur bekommt. Die vier Schritte werden in der beschriebenen Anordnung durchgeführt, wodurch eine Elektronen emittierende Elektrode bereitgestellt wird, die einen Elektronen emittierenden Film umfaßt, der eine vorbestimmte Kristallgitterstruktur hat. Die Grundplatte ist aus einem elektrisch leitfähigen Material oder einem Halbleitermaterial gemacht. Der Elektronen emittierende Film enthält R&sub2;O3-z (wobei R ein Atom oder eine Atomgruppe eines Elements einer seltenen Erde, O Sauerstoff und z zwischen 0,0 und 1,0 ist) und kann eine Feldemission von kalten Elektronen durchführen. Auch bei diesem Beispiel ist das Element der seltenen Erde Yttrium (Y).
Das fünfte Verfahren wird nun mit Bezug auf die Fig. 13 und 14 im Detail beschrieben werden.
Zuerst wird die Grundplatte 33, die aus einer Ni-Cr-Legierung (INCONEL 601) gemacht ist, gewaschen. Ein Yttriumfilm oder eine leitfähige untere Schicht, die zur Verhinderung der Oxidierung der Grundplatte und zur Verbesserung der physikalischen und elektrischen Verbindung zu dem Yttriumoxid dient, wird auf der Grundplatte durch Dampfdeposition (erzielt durch Widerstandsheizung oder Anwendung eines Elektronenstrahls) oder durch Zerstäubung mit einer Dicke im Bereich von 20000 Å bis 40000 Å abgeschieden.
Dann wird ein Film eines amorphen Yttriumoxidfilms auf den Yttriumfilm durch Ionen- Implantation mit einer Dicke in einem Bereich von 500 Å bis 2000 Å gebildet.
Nachdem dies geschehen ist, wird die resultierende Struktur, die aus der Grundplatte, dem Yttriumfilm und dem amorphen Yttriumoxidfilm besteht, in dem Reaktionsofen 31 plaziert, wie es in den Fig. 13 und 14 dargestellt ist. Argon wird in den Ofen 31 durch den Gaseinlaßanschluß 38 eingelassen, so daß der Ofen 31 mit Argon gefüllt bleibt. Es ist wünschenswert, daß die Konzentration an Sauerstoff und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz weniger als 1 Vol.-%, bevorzugterweise 1000 ppm oder weniger, besonders bevorzugt 100 ppm oder weniger ist. Die sauerstoffhaltige Substanz ist Wasser, welche in Dampfform vorliegt. Die Konzentration kann durch das Verwendung eines sauerstoffadsorbierenden Filters und eines wasseradsorbierenden Filters, die in den Anschlüssen 38 bzw. 39 jeweils angebracht sind, und durch Einstellen der Konzentration des Argons geregelt werden, das in den Ofen 31 eingeleitet wird.
Die Argonatmosphäre wird von Raumtemperatur aus auf ungefähr 600ºC mit einer Rate in einem Bereich von 100ºC/15 min bis 100ºC/5 min erhitzt. Die Struktur wird bei ungefähr 600ºC 10 bis 60 Minuten lang erhitzt, wodurch der amorphe Film des Yttriumoxids oxidiert wird. Dadurch wird ein Yttriumoxidfilm (d. h. ein Elektronen emittierender Film) gebildet. Die Temperatur der Oxidierung kann in einem Bereich von 300ºC bis 1000ºC, bevorzugterweise von 500ºC bis 700ºC liegen. Die Rate des Temperaturanstiegs kann in einem Bereich von 100ºC/20 min bis 100ºC/5 min liegen.
Danach wird der Film des Yttriumoxids (d. h. der Elektronen emittierender Film) dehydriert. Um präziser zu sein, wird der Film bei 350ºC oder mehr erhitzt, bevorzugterweise bei 450ºC bis 800ºC 15 Minuten lang in einer Atmosphäre, die einen Druck hat, der bis auf 1 · 10&supmin;³ Torr oder weniger, bevorzugterweise bis auf 1 · 10&supmin;&sup6; Torr oder weniger reduziert ist, wodurch der Wasserstoff aus dem Yttriumoxidfilm entfernt wird.
Bei dem fünften Verfahren wird der Yttriumfilm in einer Argonatmosphäre oxidiert. Deshalb unterscheidet es sich von dem vierten Verfahren, bei dem der Film in einer Wasserstoffatmosphäre oxidiert wurde. Da der Film in einer Argonatmosphäre gebildet wird, enthält der Yttriumoxidfilm nahezu keinen Wasserstoff. Der Yttriumoxidfilm braucht also überhaupt nicht dehydriert zu werden. Dieses Verfahren umfaßt deshalb einen Schritt weniger als das erste Verfahren. Trotzdem ist es wünschenswert, den Film wie beim ersten Verfahren zu dehydrieren, falls Wasserstoff in dem Yttriumfilm, wenn auch in einer kleinen Menge, enthalten sein sollte.
Das vorstehend beschriebene fünfte Verfahren wurde auf einer experimentellen Basis durchgeführt. Es wurde bestätigt, daß Yttriumoxidfilme des A-Typ Gitters, des AB-Typ Gitters und des B-Typ Gitters gebildet wurden. Welcher Typ gebildet wird, hängt von der Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffatmosphäre ab. Ein Yttriumoxidfilm mit einer Dicke von ungefähr 1000 Å wurde zu einem Yttriumoxidfilm des A-Typ Gitters, wenn die Sauerstoffkonzentration beim Oxidieren in einer Größenordnung von 100 ppm war und wurde zu einem Yttriumoxidfilm des B-Typ Gitters, wenn die Sauerstoffkonzentration beim Oxidieren in einer Größenordnung von 10 ppm lag.
Zwei Arten von Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die jeweils ein Paar von Elektronen emittierenden Elektroden umfassen, wurden durch das fünfte Verfahren hergestellt. Der erste Typ umfaßt Elektroden, die jeweils einen A-Typ Yttriumoxidfilm haben und der zweite Typ umfaßt Elektroden, die jeweils einen AB-Typ Yttriumoxidfilm haben. Diese Lampen wurden auf ihre Emissionseigenschaften hin untersucht. Die Ergebnisse waren so, wie sie in der nachfolgenden Tabelle 3 spezifiziert sind. Ebenfalls ist in Tabelle 3 die Emissionseigenschaft einer konventionellen Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode dargestellt, die Elektronen emittierende Elektroden des Ni-Typs enthält. Tabelle 3
Wie aus der Tabelle 3 offensichtlich wird, sind die Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die die Elektroden des A-Typs und des AB-Typs haben, der konventionellen Lampe in bezug auf die Leuchtdichte und die Leuchteffizienz überlegen, trotz der relativ niedrigen Entladungsspannung, und obwohl sie geringfügig schlechter als Lampen mit B-Typ Elektroden sind oder als Lampen mit BC-Typ Elektroden und Lampen mit C-Typ Elektroden. Weiterhin zeigten sowohl die Lampen mit den A-Typ Elektroden als auch die Lampen mit den AB-Typ Elektroden eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Zusätzlich hatten sie eine wesentlich niedrigere Zerstäubungsneigung als die konventionelle Lampe, die die Elektronen emittierenden Elektroden des Ni-Typs hatten. Sie emittierten für eine längere Zeit kontinuierlich Licht als die konventionelle Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode.
Die A-Typ Elektrode, die AB-Typ Elektrode und die B-Typ Elektrode, die alle durch das oben beschriebenen erste und zweite Verfahren hergestellt wurden, zeigten eine Emissionscharakteristik, die ähnlich zu der der A-Typ Elektrode, der AB-Typ Elektrode und beziehungsweise der B-Typ Elektrode ist, die durch das dritte, vierte bzw. fünfte Verfahren hergestellt wurden.
Aufgrund der Tabellen 1, 2 und 3 ist es offensichtlich, daß die Elektronen emittierenden Filme, die Yttriumoxid enthalten, ein wenig in ihren Elektronen emittierenden Eigenschaften gemäß ihrem Kristallsystem, d. h. dem A-Typ Gitter, dem AB-Typ Gitter, dem B-Typ Gitter, dem BC-Typ Gitter oder dem C-Typ Gitter variieren. Die Elektronen emittierenden Filme hatten einen Widerstand von 10000 Ωcm oder weniger.
Bei dem zweiten und fünften Verfahren zum Herstellen der Elektronen emittierenden Elektroden in Argongas wurde das Kristallgitter des Elements der seltenen Erde durch die Anwesenheit einer geringen Menge von Wasserstoff beeinträchtigt. Da das Wasserstoffgas dazu neigt, Sauerstoff in den Ofen zu diffundieren, ist es wünschenswert, einen einzelnen Film des seltenen Erden Elements eines besseren Kristallgitters herzustellen. Deshalb können das zweite und fünfte Verfahren in einer Mischung aus Wasserstoffgas und einem Edelgas wie dem Argongas durchgeführt werden.
Die Fig. 24 stellt die Beziehung zwischen der zur Erhitzung der Yttriumfilme verwendeten Zeit und der Dicke jedes der Yttriumoxidfilme dar, die durch Erhitzen eines Yttriumfilms gebildet wurden. Die Dicke des Oxidfilms ist auf der Ordinate dargestellt und die Erwärmungszeit auf der Abszisse. In Fig. 24 stellt die durchgehende Linie dar, wie ein Oxidfilm allmählich wächst, während ein Yttriumfilm bei dem vorstehend beschriebenen ersten Verfahren oxidiert wird. Die unterbrochene Linie zeigt, wie ein Yttriumoxidfilm als ein Yttriumoxidfilm wächst, der bis zu einer Dicke von 3000 Å auf einem Yttriumfilm von ungefähr 27000 Å Dicke durch Ionen-Implantation abgeschieden wurde, der in der Atmosphäre oxidiert wurde. Die strichpunktierte Linie zeigt an, wie ein Yttriumoxidfilm anwuchs, als ein Yttriumoxidfilm, der mit einer Dicke von 3000 Å auf einem Yttriumfilm von ungefähr 27000 Å Dicke durch Ionen-Implantation abgeschieden wurde, in einer Atmosphäre einer Mischung eines Gases aus 79 Vol.-% Argon und 21 Vol.-% Sauerstoff bestand, oxidiert wurde.
Wie die Fig. 24 offenbart, wurde der Yttriumfilm mit einer hohen Rate in der Wasserstoffatmosphäre (nach dem ersten Verfahren) oxidiert, obwohl die Sauerstoffkonzentration sehr niedrig war.
Ein Yttriumfilm von 1000 Å bis 3000 Å Dicke wurde auf einer Grundplatte durch Widerstandsheizen oder durch die Anwendung eines Elektronenstrahls gebildet. Der Yttriumfilm wurde von Raumtemperatur aus auf ungefähr 600ºC mit einer Rate in einem Bereich von 100ºC/15 min bis 100ºC/5 min in einer Atmosphäre erhitzt, die einen Druck hatte, der bis zu einem Druck von 1 · 10&supmin;³ Torr bzw. bis zu 1 · 10&supmin;&sup6; Torr vermindert war und in dem die Sauerstoffkonzentration sehr niedrig war. Dadurch wird ein Yttriumoxidfilm eines A-Typ Gitters gebildet. Ein AB-Typ Yttriumoxidfilm, ein BC-Typ Yttriumoxidfilm und ein C-Typ Yttriumoxidfilm, der eine gute Elektronen- Emissionseigenschaft hat, wurden überhaupt nicht gebildet. Wenn ein Yttriumfilm in einer Atmosphäre einer Mischung aus Gas oxidiert wurde, die aus 79 Vol.-% Argon und 21 Vol.-% Sauerstoff bestand, wurde ebenfalls ein A-Typ Yttriumoxidfilm gebildet.
Die Elektronen emittierenden Filme, die mit einer Dicke gebildet wurden, wie sie in der Fig. 24 dargestellt sind, zeigten einen Widerstand von 10000 Ωcm oder weniger Ein Verfahren zum Herstellen einer Elektronen emittierenden Elektrode, bei der R in "R&sub2;O3-z" Lanthan (La) ist, wird mit Bezug auf die Fig. 13 und 14 beschrieben. Zuerst wird die Grundplatte, die aus einer Ni-Cr-Legierung (INCONEL 601) gemacht ist, gewaschen. Ein Lanthanfilm wird auf der Grundplatte durch Dampfabscheidung (erzielt durch Widerstandsheizung oder Anwendung eines Elektronenstrahls) oder durch Zerstäubung mit einer Dicke in einem Bereich von 3000 Å bis ungefähr 6000 Å abgeschieden.
Anschließend wird die resultierende Struktur, die aus der Grundplatte und dem Lanthanfilm besteht, in den Reaktionsofen 31, der in den Fig. 13 und 14 dargestellt ist, eingeführt und auf den Tisch 23 montiert. Wasserstoff wird in den Ofen 31 durch den Gaseinlaßanschluß 38 eingelassen, so daß der Ofen 31 mit Wasserstoff gefüllt bleibt. Es ist wünschenswert, daß die Konzentration an Sauerstoff und/oder einer sauerstoffhaltigen Substanz 1 Vol.-% oder weniger, bevorzugterweise 1000 ppm oder weniger, besonders bevorzugt 100 ppm oder weniger ist. Die sauerstoffenthaltende Substanz ist Wasser, welche in Dampfform vorliegt. Die Konzentration kann durch Verwendung eines sauerstoffadsorbierenden Filters und eines wasseradsorbierenden Filters, die jeweils mit den Anschlüssen 38 bzw. 39 verbunden sind, und durch Einstellen der Konzentration des Wasserstoffs, das in den Ofen 31 eingelassen wird, geregelt werden.
Die Wasserstoffatmosphäre wird von Normaltemperatur aus auf ungefähr 600ºC mit einer Rate in einem Bereich von 100ºC/15 min bis 100ºC/5 min erhitzt. Die Struktur wird bei ungefähr 600ºC 10 bis 60 Minuten lang erhitzt, wodurch die Oberflächenregion des Lanthanfilms oxidiert wird. Ein Lanthanoxidfilm (d. h. ein Elektronen emittierender Film) wird dadurch gebildet, der den Lanthanfilm bedeckt. Die Temperatur der Oxidierung kann in einem Bereich von 300ºC bis 1000ºC, bevorzugterweise von 500ºC bis 700ºC liegen. Die Rate des Temperaturanstiegs kann in einem Bereich von 100ºC/20 min bis 100ºC/5 min liegen.
Danach wird der Lanthanoxidfilm (d. h. der Elektronen emittierender Film) dehydriert. Um präziser zu sein, wird der Film bei 350ºC oder mehr, bevorzugterweise bei 450ºC bis 800ºC 15 Minuten lang in einer Atmosphäre erhitzt, die einen Druck hat, der bis zu 1 · 10&supmin;³ Torr oder weniger, bevorzugterweise bis zu 1 · 10&supmin;&sup6; Torr oder weniger reduziert ist, wodurch der Wasserstoff aus dem Lanthanoxidfilm entfernt wird.
Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die Elektroden umfassen, die jeweils einen Lanthanoxidfilm haben, wurden hergestellt und daraufhin untersucht, wie ihre Entladungseigenschaften sind. Es wurde gefunden, daß sie im Vergleich zu den Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die mit Elektroden ausgestattet sind, die jeweils einen Yttriumoxidfilm haben, unterlegen sind. Trotzdem sind sie den Lampen überlegen, die Elektronen emittierende Elektroden des Ni-Typs haben, nicht nur in bezug auf ihre Entladungseigenschaften, sondern auch in bezug auf die Leuchtdichte und die Leuchteffizienz.
Bei den vorstehend beschriebenen ersten bis fünften Verfahren kann Yttrium und Lanthan durch ein anderes Element einer seltenen Erde ersetzt werden. Im speziellen kann Scandium (Sc), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) oder Lutetium (Lu) anstelle von Yttrium (Y) und Lanthan (La) verwendet werden.
Alle Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode, die vorstehend beschrieben wurden, sind gerade Röhren. Trotzdem kann die vorliegende Erfindung auch auf Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode angewendet werden, die eine andere Form haben. Zum Beispiel kann die Erfindung auf eine planare Lampe angewendet werden, die in der Fig. 25 dargestellt ist. Wie in der Fig. 25 gezeigt ist, umfaßt diese Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode ein Paar von Glasplatten 41, die miteinander verbunden sind, eine auf der anderen, so daß sie einen geschlossenen Raum zwischen sich definieren. Der geschlossene Raum ist mit einem Inert-Gas (z. B. Argon) und mit Quecksilberdampf gefüllt. Die innere Oberfläche jeder der Glasplatten 41 ist mit einem fluoreszierenden Material beschichtet. Das fluoreszierende Material emittiert innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs sichtbares Licht, wenn es mit ultravioletter Strahlung angeregt wird, die erzeugt wird, wenn Elektronen auf die Quecksilberatome auftreffen. Ein Paar von Elektronen emittierenden Elektroden 42, die beide streifenförmig geformt sind, sind innerhalb des ge schlossenen Raumes gegenüberliegend voneinander und jeweils mit zwei Drähten 43 verbunden, angebracht.
Weiterhin kann die vorliegende Erfindung auch auf eine Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode in der Form eines L, eine Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode in der Form eines U und auf eine Fluoreszenzlampe mit Kaltkathode in der Form eines S angewendet werden, die in den Fig. 26, 27 bzw. 28 gezeigt sind. Die L-förmige Lampe umfaßt eine L-förmige Glasröhre 51, ein Paar von Elektronen emittierenden Elektroden 52, die an den Endbereichen 50 der Röhre 51 gebildet sind, und zwei Drähten 53, die jeweils mit den Elektroden 52 verbunden sind. Die U-förmige Lampe umfaßt eine U-förmige Glasröhre 61, ein Paar von Elektronen emittierenden Elektroden 62, die in den Endbereichen 64 der Röhre 61 gelagert sind, und zwei Drähten 63, die jeweils mit den Elektroden 62 verbunden sind. Die S-förmige Lampe umfaßt eine S-förmige Glasröhre 71, ein Paar von Elektronen emittierenden Elektroden 72, die an den Endbereichen 74 der Röhre 71 gelagert sind, und zwei Drähten 73, die jeweils mit den Elektroden 72 verbunden sind. Die Elektroden 52, 62 und 72 haben einen Elektronen emittierenden Film, der ein Oxid einer seltenen Erde ist, so daß die fluoreszierende Schicht, die auf der inneren Oberfläche der Glasröhren angebracht ist, Licht emittieren kann.
Die vorstehend beschriebenen Fluoreszenzlampen mit Kaltkathode können als eine Weißlicht emittierende rückseitige Leuchte in einer Flüssigkeitskristallanzeige verwendet werden. Die Fig. 29 zeigt eine Flüssigkeitskristallanzeige 81, die eine Fluoreszenzlampe 86 mit Kaltkathode gemäß der Erfindung beinhaltet. Wie es in der Fig. 29 dargestellt ist, umfaßt die Anzeige 81 zwei transparente Substrate 82 und 83, die beabstandet voneinander angebracht sind, ein rahmenförmiges Siegel 85, das zwischen den Substraten 81 und 83 gelagert ist und diese an ihren Kanten verbindet und TN- oder STN-Flüssigkeitskristalle 84, die in den Zwischenraum eingefüllt sind, der durch die beiden Substrate 81 und 82 und die Versiegelung 85 definiert ist. Jedes der transparenten Substrate ist aus Glas oder einem organischen Film gemacht und hat eine Elektrode oder mehrere Elektroden auf der Oberfläche, die dem anderen transparenten Substrat gegenüberliegen. Die Flüssigkeitskristallanzeige 81 kann durch Schaltelemente wie TFTs geschaltet werden.
Auf einer Seite der Flüssigkeitskristallanzeige 81 ist eine gerade, zylinderförmige Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe 86 positioniert. Eine Platte 87 zur Lichtführung ist neben der Lampe 86 unterhalb der Flüssigkeitskristallanzeige 81 bereitgestellt, um das Licht von der Lampe 86 zu der Rückseite der Anzeige 81 zu führen. Die Platte 87 ist aus einem Acrylkunststoff hergestellt. Auf der umgebenden Oberfläche, von einer oberen Oberfläche und einer Oberfläche gegenüberliegend zu der Lampe 86 der Platte 87 abgesehen, ist eine lichtreflektierende Schicht 88 und auf der oberen Oberfläche der Platte 87 ist eine lichtstreuende Schicht 89 angebracht.
Die Elektronen emittierenden Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung können in einem mit Gleichstrom betriebenen PDP der Art verwendet werden, wie sie in der Fig. 30 dargestellt ist.
Wie es in der Fig. 30 dargestellt ist, hat das PDP 91 rot-emittierende Pixel, grün- emittierende Pixel und blau-emittierende Pixel, die in einer Ebene in Zeilen und Spalten angebracht sind: Die Pixel sind voneinander durch Barrieren 101 getrennt, die zwischen einem transparenten oberen Substrat 92 und einem transparenten unteren Substrat 93 angebracht sind. Die Barriere 101 beinhaltet ein Material, das für sichtbare Lichtstrahlen lichtundurchlässig ist und aus mehreren Streifen oder einem Gitter hergestellt ist. Hilfskathoden 94 sind auf dem unteren Substrat 93 in Zeilen und Spalten angebracht, wobei jede im Zentrum eines Pixels positioniert ist. Jede Hilfskathode 94 ist ein Element mit zwei Schichten, das eine Grundschicht 95 und einen Elektronen emittierenden Film 96 umfaßt, der auf der Schicht 95 angebracht ist. Die Grundschicht 95 ist zumindest aus einem leitfähigen Material mit niedriger Austrittsenergie z. B. Y, Ni, Cr, Al und Mo gemacht. Der Film 96 ist aus Yttriumoxid (einem Oxid einer seltenen Erde) gemacht. Das Yttriumoxid ist eines, das im Kristallsystem entweder ein A-Typ Gitter, AB-Typ Gitter, B-Typ Gitter, BC-Typ Gitter oder C-Typ Gitter ist. Von diesen Yttriumoxiden sind diejenigen bevorzugt, deren Kristallsystem ein B-Typ Gitter, ein BC-Typ Gitter oder ein C-Typ Gitter ist.
Wie es in der Fig. 30 dargestellt ist, sind Datenelektroden 97 auf dem unteren Substrat 93 angebracht, die die Hilfskathoden 94 umgeben. Weiterhin sind auf dem unteren Substrat 93 stromregelnde Filme 98 bereitgestellt, die aus amorphem Silicium oder dergleichen gemacht sind und die Datenelektroden 97 umgeben. Zudem sind auf dem unteren Substrat 93 Kathoden 102 angebracht, die die stromregulierenden Filme 98 umgeben und den Bereich von deren äußere Umfangskante bedecken. Jede Kathode 102 ist ein Element mit zwei Schichten, das aus einer Grundschicht 103 und einen Elektronen emittierenden Film 104 besteht, der auf der Schicht 103 gebildet ist. Die Grundschicht 103 ist zumindest aus einem leitfähigen Material wie Y, Ni, Cr, Al oder Mo gemacht. Der Elektronen emittierende Film 104 ist aus Yttriumoxid (einem Oxid einer seltenen Erde) hergestellt. Das Yttriumoxid ist eines mit einem Kristallsystem, das ein A- Typ Gitter, ein AB-Typ Gitter, ein B-Typ Gitter, ein BC-Typ Gitter bzw. ein C-Typ Gitter hat. Von diesen Yttriumoxiden sind diejenigen Kristallsystem bevorzugt, die ein B-Typ Gitter, ein BC-Typ Gitter bzw. ein C-Typ Gitter haben.
Die stromregelnden Filme 98 regeln den Strom, der den Kathoden 102 zugeführt wird, um das Zerstäuben der Kathode 102 zu unterdrücken. Die Filme 98 können jeden gewünschten Widerstand durch Einstellen ihrer Dicke und Länge und durch Wahl einer geeigneten Verunreinigung, die dem amorphen Silicium zugefügt wird, haben. Wie es in der Fig. 30 dargestellt ist, ist ein isolierender Film 105 im wesentlichen auf der gesamten Oberfläche des unteren Substrates 93 bis auf diejenigen Bereiche aufgebracht, die mit den Elektronen emittierenden Filmen 96 der Hilfskathoden 94 und den Elektronen emittierenden Filmen der Kathoden 102 bedeckt sind. Hilfsweise Barrieren 106 sind auf denjenigen Bereichen des isolierenden Films aufgebracht, welche die Hilfskathoden 94 umgeben. Eine rot-emittierende fluoreszierende Schicht 107A, eine grün-emittierende fluoreszierende Schicht 107 G und eine blau-emittierende fluoreszierende Schicht 107B sind für jedes Pixel auf der Barriere 101 und der Hilfsbarriere 106 bereitgestellt.
Die rot-emittierende fluoreszierende Schicht 107R ist aus (Y, Gd) BO&sub3;:Eu³&spplus; oder Y&sub2;O&sub3;:Eu³&spplus; gemacht. Die grün-emittierende fluoreszierende Schicht 107G ist aus Zn&sub2;SiO&sub4;:Mn oder BaAl&sub1;&sub2;O&sub1;&sub9;:Mn gemacht. Die blau-emittierende fluoreszierende Schicht 107B ist aus BaMgAl&sub1;&sub4;O&sub2;&sub3;:Eu²&spplus; oder SrMg(SiO&sub4;)&sub2;:Eu²&spplus; gemacht.
Auf dem oberen Substrat 92 sind Farbfilter 111R, 111G und 111B zum Durchlassen von nur rotem Licht, grünem Licht bzw. blauem Licht angebracht. Die Filter 111R, 111G und 111B sind mit transparenten Elektroden 112 bedeckt, die aus ITO gemacht sind. Die Zwischenräume, die durch das obere Substrat 92, das untere Substrat 93 und die Barrieren 101 definiert sind, sind mit einem Edelgas wie He oder Xe gefüllt.
Nun wird erklärt werden, wie das PDP 91 angetrieben wird. Zuerst wird eine vorbestimmte Spannung zwischen die transparente Elektrode 112 und die Hilfskathode 94 angelegt, um dazwischen ein Hilfsplasma zu erzeugen.
Anschließend wird eine Datenspannung an die Datenelektrode 97 von jedem Bildpunkt angelegt. Als ein Ergebnis wird ein geregelter Strom von dem Stromregelfilm 98 zu der Kathode 102 fließen. Wegen der Hilfe des Hilfsplasmas wird ohne weiteres ein Plasma zwischen der Kathode 102 und der transparenten Elektrode 112 gebildet werden. Das Plasma regt das Edelgas an, welches ultraviolette Strahlung erzeugt. Die ultravioletten Strahlen wirken auf die fluoreszierenden Schichten ein, die auf den Barrieren 101 und der Hilfsbarriere 106 aufgebracht sind. Die fluoreszierenden Schichten emittieren dann Licht mit einem vorbestimmten Wellenlängenbereich. Das Licht läuft durch das obere Substrat 92, wodurch jeder Bildpunkt einen Lichtstrahl emittiert, um eine Anzeige auszuführen.
Wenn externe Lichtstrahlen auf das PDP 91 auftreffen, werden sie außen durch die Farbfilter 111R, 111G und 111B als ein roter Lichtstrahl, ein grüner Lichtstrahl bzw. ein blauer Lichtstrahl emittiert. Diese Lichtstrahlen verbinden sich mit den Lichtstrahlen, die von den fluoreszierenden Schichten 107R, 107G bzw. 107B emittiert werden. Als ein Ergebnis haben die Lichtstrahlen, die von dem PDP 91 emittiert werden, einen ausreichend intensiven Farbton. Da weiterhin jeder der Farbfilter 111R, 111G und 111B das externe Licht bis auf das Licht absorbiert, das den jeweiligen vorbestimmten Wellenlängenbereich hat, wird das externe Licht nicht zu sehr von der Anzeigenoberfläche des PDPs 91 reflektiert. Dies unterdrückt das Flackern auf der Anzeigenoberfläche, wodurch das PDP 91 klare Farbbilder anzeigen kann.
Die Anzeigeoberfläche des PDP 91 kann mit einer Flüssigkeitskristallanzeige bedeckt sein, die als ein Lichtabschatter dient. In diesem Fall kann das PDP 91 Bilder mit einer genauen Graustufenskala darstellen.
Es könnten auch in dem PDP 91, das Elektronen emittierende Elektroden hat, die jeweils einen Yttriumoxidfilm umfassen, keine fluoreszierenden Schichten vorhanden sein. Wenn dies der Fall wäre, würden die Bildpunkte des PDPs 91 orangefarbenes Licht ausstrahlen, das aus dem Plasma austritt, und keine Lichtstrahlen von unterschiedlichen Farben.
In dem PDP 91, kann Yttrium durch ein anderes Element einer seltenen Erde bzw. mehrere dieser Elemente ersetzt werden. Insbesondere kann Scandium (Se), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) oder Lutetium (Lu) anstelle von Yttrium (Y) verwendet werden. Weiterhin ist das Material der Grundschichten 95 und 103 nicht auf Y, Ni, Cr, Al und Mo beschränkt. Eher können sie aus irgendeinem anderen Material gemacht werden, das eine niedrigere Austrittsenergie als die transparenten Elektroden 112 der Anode hat.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können die Elektroden 94, 102 selber die Zerstäubung vermindern und eine große Menge von Elektronen mit niedriger Spannung emittieren.
Die Elektronen emittierenden Elektroden gemäß der vorliegenden Erfindung können auch in einem FED des Typs verwendet werden, der in der Fig. 31 dargestellt ist.
Wie in der Fig. 31 gezeigt ist, hat das FED 121 rot-emittierende Bildpunkte, grün- emittierende Bildpunkte und blau-emittierende Bildpunkte, die in einer Ebene in Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Bildpunkte sind voneinander durch Barrieren isoliert, die zwischen einem transparenten oberen Substrat 122 und einem transparenten unteren Substrat 123 angebracht sind. Die Barriere sind aus mehreren Streifen oder einem Gitter konstruiert. Datenelektroden 124, auf die Spannungen entsprechend der Leuchtdichtedaten angelegt werden, sind auf dem unteren Substrat 123 aufgebracht. Ein Stromregelungsfilm 125, der aus amorphem Silicium gemacht ist, ist auf den Datenelektroden 124 aufgebracht. Konische kalte Kathoden 126 sind auf dem Stromregelungsfilm 125 in Spalten und Zeilen aufgebracht. Ungefähr 2000 kalte Kathoden 126 sind für jeden Bildpunkt bereitgestellt. Jede kalte Kathode 126 ist ein Element mit zwei Schichten, das aus einer konischen Basis 127 und einem Elektronen emittierenden Film 128 besteht, der die Basis 127, von ihrem Grund abgesehen, vollständig abdeckt. Die Basis 127 ist aus zumindest einem leitfähigen Material gemacht, das eine niedrige Arbeitsfunktion (Austrittsenergie) hat, z. B. aus Y, Ni, Cr, Al bzw. Mo. Der Elektronen emittierende Film 128 ist aus Yttriumoxid (einem Oxid einer seltenen Erde) gemacht. Die kalten Kathoden 128 sind elektrisch voneinander durch isolierende Filme 129 getrennt. Eine Gate-Elektrode 130 ist auf den isolierenden Filmen 129 aufgebracht. Die Gate-Elektrode 130 hat solche Öffnungen, daß die Spitzen der konischen kalten Kathoden 126 auf das obere Substrat hinweisen. Das Yttriumoxid ist eines, dessen Kristallsystem ein A-Typ Gitter, ein AB-Typ Gitter, ein B-Typ Gitter, ein BC-Typ Gitter bzw. ein C-Typ Gitter ist. Von diesen Yttriumoxiden sind diejenigen bevorzugt, deren Kristallsystem ein B-Typ Gitter, ein BC-Typ Gitter bzw. ein C-Typ Gitter ist.
Die Stromregelungsfilme 125 regeln den Strom, der den kalten Kathoden 126 zugeführt wird, um das Zerstäuben der Kathoden 126 zu unterdrücken. Der Film 125 kann einen geeigneten Widerstand haben, der durch Einstellen seiner Dicke und Länge und durch das Auswählen einer geeigneten Verunreinigung, die dem amorphen Silicium zugefügt wird, eingestellt werden kann.
Auf dem transparenten oberen Substrat 122 sind transparente Elektroden 131 aufgebracht, die aus ITO gemacht sind und den jeweiligen konischen kalten Kathoden 126 gegenüberliegen. Rot-emittierende fluoreszierende Schichten 132R sind auf einigen der Anoden 131 angebracht, grün-emittierende fluoreszierende Schichten 132G sind auf einigen anderen Anoden 131 angebracht und blau-emittierende fluoreszierende Schichten 132B sind auf den verbleibenden der Anoden 131 angebracht.
Im folgenden wird nun beschrieben werden, wie das FED 121 betrieben wird.
Zuerst wird eine Datenspannung für die Bildpunkte zwischen die transparenten Anoden 131 auf der einen Seite und die Datenelektrode 124 auf der anderen Seite angelegt. Der Strom, der durch den Stromregelungsfilm 125 geregelt wird, fließt von der Datenelektrode 124 zu den konischen Basen 127 der kalten Kathoden 126. Zur gleichen Zeit wird eine Auswahlspannung an die Gate-Elektrode 130 angelegt. Die Gate-Elektrode wählt einige der kalten Kathoden 126 aus. Der Elektronen emittierende Film oder die Filme 128 von jeder der kalten Kathode bzw. Kathoden 126, die ausgewählt wurde bzw. wurden, emittiert bzw. emittieren Elektronen in Übereinstimmung mit der Datenspannung.
Die transparenten Anoden 131, an die eine vorgeschriebene Spannung angelegt wird, ziehen die Elektronen an, die von den ausgewählten kalten Kathoden 126 emittiert wurden. Deshalb treffen die Elektronen auf die fluoreszierenden Schichten 132R, 132G und 132B, die auf den transparenten Anoden 131 aufgebracht sind. Von den Elektronen angeregt, emittieren die fluoreszierenden Schichten 132R, 132G und 132B sichtbare Lichtstrahlen. Die sichtbaren Lichtstrahlen laufen nach außen durch das transparente obere Substrat 122. Als ein Ergebnis zeigt das FED 121 ein Farbbild an.
Die Anzeigeoberfläche des FEDs 121 kann mit einer Flüssigkeitskristallanzeige bedeckt sein, welches als ein Lichtabschattungselement dient. In diesem Fall kann das FED 121 Bilder mit einer genauen Graustufenskala anzeigen.
Die Elektronen emittierenden Elektroden, die jeweils einen Yttriumoxidfilm haben, können auch in monochromatischen FEDs verwendet werden.
Bei dem FED 121 kann das Yttrium durch ein anderes Element einer seltenen Erde ersetzt werden. Im besonderen kann Scandium (Sc), Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) oder Lutetium (Lu) anstelle von Yttrium (Y) verwendet werden. Weiterhin ist das Material der Basen 127 nicht auf Y, Ni, Cr, Al und Mo beschränkt. Eher kann es aus irgendeinem anderen Material gemacht sein, das eine Austrittsenergie hat, die niedriger als die der transparenten Anode 131 ist.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können die Elektroden 126 ihre Zerstäubung unterdrücken und eine große Menge an Elektronen mit niedriger Spannung emittieren.

Claims

1. Kaltkathodenvorrichtung mit einer Umhüllung (23, 41, 51, 61, 71), die einen Teil umfaßt, der für sichtbares Licht transparent ist, mehreren Elektroden (22, 42, 52, 62, 72), die eine Grundplatte (2, 12, 25) haben, die in der Umhüllung angeordnet ist, und mit einem seltenen Erden Gas, das in der Umhüllung eingefüllt ist, wobei eine der mehreren Elektroden R&sub2;O3-z (wobei R ein Atom oder eine Atomgruppe von Elementen von seltenen Erden, O Sauerstoff und z zwischen 0,0 und 1,0 ist) enthält und zumindest ein Kristallgitter hat, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem einfach kubischen Gitter, einem kubisch flächenzentrieren Gitter und einem kubisch raumzentrierten Gitter besteht.

2. Kaltkathodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das R&sub2;O3-z Yttriumoxid ist.

3. Kaltkathodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das R&sub2;O3-z ein Kristallgitter hat, welches eines zwischen einem einfach kubischen Gitter und einem kubisch flächenzentrierten Gitter oder zwischen einem einfach kubischen Gitter und einem kubisch raumzentrierten Gitter ist.

4. Kaltkathodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der mehreren Elektroden (22, 42, 54, 62, 72) eine Schicht (3, 26) einer seltenen Erde und eine Schicht (4, 27) eines Oxids einer seltenen Erde aus diesem R&sub2;O3-z auf der Schicht der seltenen Erde hat.

5. Kaltkathodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (2, 12, 25) aus einem Material gemacht ist, das zumindest ein Element beinhaltet, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Nickel (Ni), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) und Aluminium (Al) besteht.

6. Kaltkathodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Kaltkathoden-Gasentladungs-Fluoreszenzlampe (21) ist.

7. Kaltkathodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Plasmaanzeigentafel ist.

8. Verfahren zum Herstellen einer Kaltkathodenvorrichtung, die eine Umhüllung (23, 41, 51, 61, 71) und mehrere Elektroden (22, 52, 43, 62, 72) und einen Oxidfilm (36) einer seltenen Erde beinhaltet, wobei ein Teil der Umhüllung transparent für sichtbares Licht ist, die Elektroden eine Grundplatte (33) haben und sich der Oxidfilm (36) auf der Grundplatte in der Umhüllung befindet, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: das Erwärmen eines seltenen Erden Films (34), der ein seltenes Erden Element enthält, in einer Gasatmosphäre, die Sauerstoff und/oder eine sauerstoffhaltige Substanz in einer Konzentration von 1 Vol.-% oder weniger enthält, um eine der mehreren Elektroden zu bilden, die den seltene Erden Oxidfilm (36) umfaßt.

9. Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Erwärmungsschritt ein Bereich des seltenen Erden Films, der der Gasatmosphäre ausgesetzt ist, oxidiert wird und der Rest (35) des seltenen Erden Films so bleibt, wie er ist.

10. Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, daß die sauerstoffhaltige Substanz H&sub2;O ist.

11. Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre eine Wasserstoff- und/oder Edelgasatmosphäre ist.

12. Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwärmungsschritt ein Erwärmen des seltenen Erden-Films (34) bei einer Temperatur in einem Bereich von 300ºC bis 1000ºC beinhaltet.

13. Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Erwärmungsschritt einen Unterschritt der Erwärmung des seltenen Erden- Films (34) in einer Wasserstoffatmosphäre und einem Unterschritt der Dehydrierung des seltenen Erden Oxidfilms beinhaltet.

14. Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Dehydrierungs Unterschritt einen Schritt der Erwärmung des seltenen Erden Oxidfilms (36) in einer druckverminderten Atmosphäre beinhaltet.

15. Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8, dadurch gekennzeichnet, daß der seltene Erden Film (34) ein Metallfilm ist, der nur aus Yttrium besteht, das der seltene Erden Oxidfilm (36) eine Zusammensetzung nach Y&sub2;O3-z hat, wobei Y Yttrium, O Sauerstoff und z zwischen 0,0 und 1,0 ist.