电容存储型场助热电子发射平板显示器及其驱动方法

摘要

本发明属于平板显示器件技术领域,由涂有荧光粉和阳极铝膜的上玻板、制备有发射电子的阴栅极的下玻板、环封玻璃和支撑结构结构组成,中间维持超高真空,其特征在于,所说的阴栅极依次包括下电极、起存储电荷作用的绝缘层、电子传输的半导体层、上电极和电子发射层,还包括印刷在该下极板上连接所说的上、下电极的行列汇流电极。本发明具有器件电容低,器件寿命长,可降低驱动电路成本等优点,特别适于大屏幕高清晰度电视。

说明书

本发明属于显示器件技术领域，特别涉及一种新型电子发射型平板显示器件的结构及其驱动方式。

电子发射型平板显示器件包括金属微尖型场发射显示器件(FED)、表面传导发射显示器件(SED)、真空荧光显示器件(VFD)和各类金属-绝缘体-金属(MIM)或金属-绝缘体-半导体-金属(MISM)结构的场助热电子发射平板显示器件(也被成为场发射器件的一种)。其中，MIM器件结构如图1所示。包括：涂有荧光粉12和阳极铝摸13的上极板11、其上有发射电子阴栅极的下极板18、环封玻璃和支撑结构(图中未画出)。阴栅极的结构依次为金属膜的下电极17、绝缘层(电子传输层)16和金属膜的上电极15。工作时器件处于真空状态。其工作原理是：电子从阴栅下电极17发出穿过绝缘层16后到达阴栅上电极15，部分电子穿过上电极，形成发射电子14。发射电子被阳极电压加速到达阳极13，轰击荧光粉12发光。

很显然，上述结构中，电子要穿过绝缘层。由于绝缘层耐压较高，为了驱动电压不致太高，绝缘层厚度不能太厚，一般在20纳米范围之内，因此器件电容比较大，导致显示器件面积不能太大。上述结构只适合于小尺寸显示器。由于绝缘层中电场太高，容易形成所谓的“形成”结构，即形成一些金属丝状物，使得器件容易击穿，因此寿命较短，实用化受到限制。

在所有已经发表的MIM和MISM显示器件中，其驱动方式都是采用逐行和隔行点亮模式。用这种显示模式，当帧频较低时(例如50赫兹)将会发生闪烁。这一问题在显象管中同样存在，解决的方法是把帧频提高到100赫兹，有些高档彩电已经这么做了。但在平板显示器中，帧频的提到必然导致驱动电路成本的提高，这是限制平板显示器件应用的主要障碍之一。

在已经发表的MIM和MISM显示器件中，实现丰富的灰度级(256级)只能靠脉宽调制。发射电流和电压之间的高度非线性关系导致这类器件不能采用强度调制，否则保证不了足够的灰度级和丰富的色彩。脉宽调制的优点是灰度和色彩丰富，但需要增加驱动电路的带宽，从而导致成本增加。同时，脉宽调制存在固有的闪烁问题，尤其是近距离观看时更为突出。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种电容存储场助热电子发射平板显示器(英文缩写为FAHED)，并实现一种全新的电荷整帧存储同时发射显示模式，具有器件电容低，器件寿命长，可降低驱动电路成本等优点，特别适于大屏幕高清晰度电视。

本发明提出一种电容存储型场助热电子发射平板显示器，由涂有荧光粉和阳极金属膜的上玻板、制备有发射电子的阴栅极的下玻板、环封玻璃和支撑结构结构组成，中间维持超高真空，其特征在于，所说的阴栅极依次包括下电极、起存储电荷作用的绝缘层、电子传输的半导体层、上电极和电子发射层，还包括印刷在该下极板上连接所说的上、下电极的行列汇流电极。

所说的绝缘层其厚度可在100-500纳米的范围。

所说的电子发射层可采用低电子亲和势的N型半导体材料。

所说的行列汇流电极的交叉点上可用丝网印刷法印制绝缘层隔离。

所说的上极板上可采用彩色荧光粉，并在彩色荧光粉条之间加石墨黑底，形成黑矩阵。

所说的支撑结构可放在行汇流电极上。

本发明还包括一种用于上述的电子发射平板显示器的驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)逐行或隔行注入电子到绝缘层和半导体层之间的界面上，并存储在该界面上，列电压大小由图象信号控制，全屏注入完成后，在界面上形成一幅与要显示的图象相对应的电子电荷图；

2)一帧图象注入完成后，全屏行电极加相同的电压，列电极加相同的电压，将电子同时反向引出，部分电子形成发射电子。

本发明用于上述发射平板显示器的另一种驱动方法，其特征在于，包括以下步骡：

1)将一帧图象分成P个子帧：

2)对第一个子帧逐行或隔行注入电子到绝缘体和半导体界面上，并存储在该界面上，列电压大小由图象信号控制，全子帧注入完成后，在界面上形成一幅与要显示的图象相对应的电子电荷图；

3)该子帧图象注入完成后，全子帧行电极加相同的电压，列电极加相同的电压，将电子同时反向引出，部分电子形成发射电子；

4)对第2、3、-----P个子帧依次进行上述2)、3)步骤。

本发明用于电子发射平板显示器的第三种驱动方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)逐行或隔行注入电子到绝缘层和半导体层之间的界面上，并存储在该界面上，列电压大小由图象信号控制，全屏注入完成后，在界面上形成一幅与要显示的图象相对应的电子电荷图；

2)将存储在界面上的电荷按行分P次反向引出，形成发射电子，每次引出总行数的P分之一。

本发明的原理结合图2、3、4说明如下：

本发明所述电容存储型场助热电子发射平板显示器结构包括上极板31、下极板39、中间的抵抗大气压的支撑结构311等。上极板上有阳极铝膜314、荧光粉32等。下极板上有阴栅极，阴栅极详细结构依次为下电极34、绝缘层38、半导体层37(电子传输层)、上电极33和电子发射层41。为了减小电极电阻，阴栅上下电极分别增加了汇流电极35、36，使得电极电阻小于100欧姆。上下玻板之间支撑结构。由于器件工作在真空状态，为了抵抗大气压，支撑结构是必须的。支撑结构一般称为支撑柱或支撑墙，材料一般为高强度陶瓷或单晶材料，如氧化锆单晶等。

阴栅上下电极分别是行电极和列电极，成行列矩阵结构。行列电极的交叉点上是一个子像素，三条列电极和一条行电极的交叉点构成一个像素。

与MIM不同，这里绝缘层的作用是存储电荷，而不是传输电荷。由于电子并不穿过该层，其厚度在100-500纳米的范围，远远大于MIM中绝缘层厚度。这样一来，器件电容大大减小，使得大面积器件可以实现。与MIM相比，本结构中增加了半导体层作为电子传输层明显地增加了电子发射率(可增加三倍以上)。

本发明驱动方法的工作原理如下：电子先由上电极33经电子传输层37注入到绝缘层38界面，存储在界面上。电子逐行注入，当一帧注入完成后，所有行列电极上同时加反向电压，存储在绝缘层和传输层界面上的电子经电子传输层37向上电极33运动，并在其中被加速。部分能量大的电子可以穿过上电极33，经发射层发射41形成真空中的发射电流。发射的电子经阳极高压的加速，轰击荧光粉发光，显示出图象。

图4表示显示器的行和列电极，交叉点处发射电子。行列数分别为N和3M(一行三列对应一个彩色像素)，形成的像素数为M×N。具体器件中，可能行电极在上，也可能列电极在上。计算和实验表明电子在一个方向上有自聚焦效应，可以减小电子的发散作用，有利于提高分辨率。行电极在上则在行方向上有聚焦作用，反之在列方向上有自聚焦作用。具体选用可依器件性能要求为准。

开始时上电极加负电压，下电极加正电压，电子通过传输层注入到绝缘层界面，被存储在界面上。如图4(a)所示，某行注入时，其它行电极接地。依据列电压的高低，交叉处注入不同量的电荷。接地行上，列电压不足以引起电荷注入。这样一行一行地注入，直至整个屏上都注入完毕，形成一幅与显示图象相对应的电荷分布图。整屏注入完成后，全部下电极接到同一电压，上电极也接到同一的电压，形成方向向下的电场，如图4(b)所示。当场强达到一定值时，电子从界面向上电极方向运动，其中部分电子穿过上电极到真空中形成发射。上电极之上的发射层的作用是降低有效功函数，得到较大的发射电流。发射电子经数千伏阳极电压的加速后，以较高的能量轰击荧光屏，得到图象显示。由于是全屏同时按一定周期发光，类似于电影，因此图象稳定。由于电容上存储的电荷基本与电压呈线性关系，因此发射电流与驱动电压也基本呈线性关系。

这种显示器件最大对角尺寸可超过1米，是HDTV最理想的显示屏。

本发明具有如下特点：

(1)器件电容低，由于电子不穿过绝缘层，因此可以用增加该层厚度的方法减小器件电容，从而实现大面积器件，适用于大尺寸显示器。

(2)利用器件自身电容的存储功能，达到稳定均匀的电子发射，其稳定性和均匀性是任何其它类型的场发射显示器件所无法比拟的，器件寿命长，达到实用水平。

(3)实现一种全新的电荷整帧存储同时发射显示模式，即对每一帧图象部实现全屏同时发光，与电影放映模式相同。即使帧频降到50赫兹以下也不闪烁，这是迄今为止最理想的显示模式。

(4)可采用强度调制方式，以降低驱动电路成本，由于发射电流基本与电压呈线性关系，因此采用强度调制模式也可达到丰富的灰度级和色彩。避免了脉宽调制时近距离观看的闪烁现象，因此特别适用于大屏幕高清晰度电视。

附图简要说明：

图1为已有的直流驱动MIM结构原理图。

图2为本发明结构原理图，其中(a)为结构示意图；(b)为工作原理图。

图3为本发明的阴栅极具体结构图。

图4为本发明行列电极排列结构和驱动方式原理图。

本发明所述电容存储型场助热电子发射平板显示器件及其驱动方法的实施例结合各附图详细说明如下：

本实施例的结构和原理如图2所示。其结构包括上极板31、下极板39、中间的抵抗大气压的支撑结构311等。上极板上有阳极铝膜314、荧光粉32等。显示器尺寸4英寸，单色，上玻板31和下玻板38厚度均为2毫米，阳极板(上玻板31)上涂有绿色荧光粉32。

下极板上有阴栅极，阴栅极详细结构依次为下电极34、绝缘层38、半导体层37(电子传输层)、上电极33和电子发射层41。所说的电子发射层采用低电子亲和势的N型半导体材料。如图3所示。本实施例阴栅极的绝缘层38五氧化二钽厚度200纳米，电子传输层37硫化锌厚度50纳米，下电极34钼厚度100纳米，上电极33和发射层41复合薄膜厚度8纳米，阳极板和阴栅极板间距3毫米。阴栅上下电极分别是行电极和列电极，成行列矩阵结构。行列汇流电极的交叉点上用丝网印刷法印制绝缘层隔离。支撑结构311用氧化锆单晶，支撑结构一般长数厘米，厚度200微米，高度等于极板之间距离。支撑结构放在行汇流电极上。上下玻板之间用3毫米高的玻璃框39和低熔点玻璃封接，经过排气和烘烤后封离排气台，形成真空工作条件。测试时，行电极(下电极)注入电压24伏，列电极(上电极)最大电压-18伏。引出电子时，行电极电压-42伏，列电极接地，阳压5000伏，得到稳定均匀可靠的显示。

本实施例的上电极采用金-银双层薄膜，电子发射比单金属电极提高3倍以上。采用金上电极，用硫化物或氮化物N型半导体作发射层，发射提高7倍以上。显示亮度除了阈值附近外，与列电压成近似线性关系。电子束发散很小，在非自聚焦方向，荧光屏发光面积与阴极基本相同。在自聚焦方向，则明显见到发光区域小于电子发射区域。当阳压超过5000伏时，自聚焦效应明显减弱。

本实施例的驱动方法如下：电子先由上电极33经电子传输层37注入到绝缘层38界面，存储在界面上。电子逐行注入，当一帧注入完成后，所有行列电极上同时加反向电压，存储在绝缘层和传输层界面上的电子经电子传输层37向上电极33运动，并在其中被加速。部分能量大的电子可以穿过上电极33，经发射层发射41形成真空中的发射电流。发射的电子经阳极高压的加速，轰击荧光粉发光，显示出图象。

图4表示显示器的行和列电极，交叉点处发射电子。行列数分别为N和3M(一行三列对应一个彩色像素)，形成的像素数为M×N。具体器件中，可能行电极在上，也可能列电极在上。计算和实验表明电子在一个方向上有自聚焦效应，可以减小电子的发散作用，有利于提高分辨率。行电极在上则在行方向上有聚焦作用，反之在列方向上有自聚焦作用。具体选用可依器件性能要求为准。

开始时上电极加负电压，下电极加正电压，电子通过传输层注入到绝缘层界面，被存储在界面上。如图4(a)所示，某行注入时，其它行电极接地。依据列电压的高低，交叉处注入不同量的电荷。接地行上，列电压不足以引起电荷注入。这样一行一行地注入，直至整个屏上都注入完毕，形成一幅与显示图象相对应的电荷分布图。整屏注入完成后，全部下电极接到同一电压，上电极也接到同一的电压，形成方向向下的电场，如图4(b)所示。当场强达到一定值时，电子从界面向上电极方向运动，其中部分电子穿过上电极到真空中形成发射。上电极之上的发射层的作用是降低有效功函数，得到较大的发射电流。发射电子经数千伏阳极电压的加速后，以较高的能量轰击荧光屏，得到图象显示。由于是全屏同时按一定周期发光，类似于电影，因此图象稳定。由于电容上存储的电荷基本与电压呈线性关系，因此发射电流与驱动电压也基本呈线性关系。

本实施例中，采用子帧注入和引出电子的驱动方式时，显示结果与整帧注入和引出时基本相同，但引出时的电流大大小于后者，相对降低了对直流供电电源的要求，但驱动控制相对复杂一些。

这种显示器件最大对角尺寸可超过1米，是HDTV最理想的显示屏。