12.5.2. Автоэлектронды эмиттерлі катодолюминесцентті дисплейлер

Нано өлшемді құрылымды дисплейлер оқу құралының осы бөлімін дайындауда пайдаланылған әдеби материалдарда [71] қарастырылған. Катодолюминесцентті дисплейлер жұмысы автоэлектронды эмиссиялар құбылыстарына – электрондардың алаңдық эмиссиясында(FieldEmission) негізделген. Эмиссия шығарып салушы материал (катод) шекарасында, мысалы металл және катод пен шығарушы электродтар арасындағы потенциалдардың үлкен айырмашылығындағы вакуумда (gate) пайда болады.

Электронды эмиссия негізіндегі дисплейлер 20 жылдан астам жасақталып келеді. Салқын катодтардың негізгі екі нұсқасы белгілі:

1) өткір ұштардан бірнеше ондаған үлестегі микрометр қашықтықта орналасқан сорып алушы электодтардан және диаметрі 1 мкм кем емес болатын өте жұқа өткір ұштардан (кремний және молибден) тұратын төсемдегі жүйеде қалыптасқан өткір ұшты катод (Спиндт катоды);

2) өткір кескішті – екі жағынан сорып алушы электродтар түзілген қабықшалы электродтар.Электрондар ұстара тілдері секілді қабықша шетін жібереді. ТВ-бейнелерін шығаруға қабілетті алғашқы дисплей 1990 жылдардың басында LETI (Франция) зертханасында жасқталған. Ол Спиндт катодтары негізінде орындалды.Бұл технология PixTech (Тайвань), FutabaCorporationofAmerica, Samsung, «Волга»ҒЗИ компаниялары жұмыстарында даму тапты.Бұл жұмыстардың нәтижесі – диагоналі 15 см-ге дейін, пиксел өлшемі 0,3 мм-ге дейін және ашықтығы шаршы метрге бірнеше жүз канделге дейін түрлі-түсті дисплейлер. Өткір ұштарда автокатодтар құрудағы негізгі міндеттер - субмикронды өлшемді өткір ұштарды құру технологиясының жоғары бағасын түсіру. Бұл автоэмиссия алу үшін жарамды басқа құрылымдарды, соның ішінде қабықшалы көміртекті құрылымдарды, көміртекті нано түтікшелер негізіндегі құрылымдарды (CarbonNanotubes — CNT) сәулелендіруді ыңғайластырды. «Волга» ҒЗИ-да катодтың планарно-торцты жұқа қабықшалы катод деп аталатын қарапайым құрылымы құрылған. Планарно-торцты катод дисплейінің құрылымы 12.26-суретте көрсетілген.

12.26 сурет. Планарно-торцты катод дисплейінің құрылымы

Қабықша шыны төсемде құрылған дайындалған құрылымға тұндыру әдісімен жағылады. Электрондар көміртекті қабықша астында орналасқан сорып алу электродтары алаңдары әсерінен көміртектің жұқа қабықшасын түзеді. Электрондардың бір бөлігі люминофорға жағылған анодты электродқа бейнеленеді.

Электронды эмиттерлі катодолюминесцентті дисплейлер жетістіктеріне төмендегілерді жатқызуға болады:

1) планарлық технология бойынша, осындай әдебиеттік микро сызбалар технологиясы бойынша дайындау;

2) өте жоғары шешімді қымбат тұратын жабдықтарды қолдануды талап ететін фотолитография операцияларының жоқтығы;

3) төсем ретінде кез келген ыңғайлы материалды пайдалану мүмкіндігі;

4) төменгі вольтті басқару;

5) катод жиектері иондарымен атқылау кезінде катодтардың аз мөлшерде бұзылуы;

6) эмиттерлер мен сорып алушы электродтар арасындағы өте аз қашықтық арқасында жұмыстың жоғары тұрақтылығы.

Эмиттердің осындай құрылымы негізінде 64 (RGB)x64шешімді, ашықтығы 300 кд/м² және жоғары біртекті жарық беру қасиеті бар түрлі-түсті дисплейлер дайындалды. Катодолюминесцентті дисплейлерді өндірістік шығару перспективалары жаңа материалдарды, соның ішінде нано түтікшелерді пайдаланумен байланысты. Зерттеулер едәуір көп уәде беретін механикалық және электрлік сипаттамалары бар көміртекті нано түтіктерді анықтады. Теориялық есептеулерге сәйкес CNT негізіндегі дисплейлердің негізгі жетістіктері – көрсетілімнің жоғары сапасы және төмен бағасы. Алайда көміртекті нано түтікшені пайдаланып, электрондық құралдарды жасау, әсіресе дисплейлер мен белсенді компоненттерді шығару – өте оңай міндет емес. Нано түтіктерді алғашқы фазадан (CVD) 800...1200ºC температурасы кезінде химиялық тұндырумен белгілі әдіс арқылы шығару төсем ретінде шыны тақшаларды қолдануға рұқсат етпейді. CNT-ні шыны төсемге шығару үшін, оларды төмен температуралы әдістермен алу қажет. Сонымен бірге, дисплейлерді дайындау кезінде көміртекті нано түтікшелер төсемде тегіс орналастырылуы тиіс, олай болмаса көз көршілес элементтердің жарық беру ашықтығындағы айырмашылықты байқауы мүмкін. Motorola компаниясының ғылыми-зерттеу бөлімдерінің мамандары өте кіші өлшемді (диаметрі 3 нм) бөлшектердің шыны төсемдерде өздігінен түзілуіне қабілетті материалды пайдаланып, CNT-құрылымын тікелей өсіру арқылы нано сәулелендіру дисплейлерін дайындаудың төмен температуралы технологиясын (NanoEmissiveDisplay — NED) жасақтап шығарды. Көмірсутек атмосферасында 500ºС температура кезінде бөлшектер өздерін диаметрі 3 нм CNT өсуіне қолайлы катализатор секілді көрсетеді. Шыны төсемдерде берілген өлшемді және саңылаулы CNT орналастыру есебінен жоғары сапалы кескін бейнеленуі, оптималды ашықтығы, жарық тазалығы және шешімі бар тегіс тақталы дисплейлер құруға болады.Мұндай дисплейлер жетістігіне өте төмен электр пайдалану және 30 000 сағатқа дейін қызмет ету мерзімі жатады, ал тегіс тақталы газ-разрядты қондырғылар үшін 40 дюйм (100 см) экранды бағасы 400 доллар тұратын дисплейлермен салыстырғанда 2000 сағат. MotorolaLabs компаниясы 2005 жылы толық түсті бес дюймді (12,5 см) NED) 1280х720 кескін элементтері шешімді секцияның құрылғандығы туралы хабарлады. Стандарт ЭСТ люминофорлары пайдаланылатын панельдер қалыңдығы небәрі 3,3 мм құрайды. NED сипаттамалары (іске қосылу уақыты, шолу бұрышы, жұмыс температурасының диапазоны) бойынша ЭСТ-мен бірдей немесе одан асып түседі. ISEElectronics компаниясы диагоналі 40 дюйм (100 см) CNT-панель жасақтап шығарды. Нано түтіктерді басып шығару әдісімен катодты пластинаға жалғады. Сорып алушы электродтары болуы кезінде люминесценция біртектілігі өте жоғары болды. Кескін көрсету өлшемі 2,54x7,62 мм, немесе 3 (RGB)x2,54 мм, шешімі — 342x204 пиксел. Анодтың 5 кВ кернеуінде жарық сәулелену жарықтығы 105 кд/м² құрады. 20 мкм-ге дейін сорып алушы электродты пластинаның қалыңдығын азайту кезінде басқару кернеуін 100 В дейін төмендете аламыз. Кенг Хи Университеті және

Кроеяның электроника және байланыс құралдары Ғылыми-зерттеу институты мамандары CNT және жұқа қабықшалы алаң транзисторлары (ЖҚТ) негізінде аморфты кремнийде (а)-SiTFT) диагоналі 5 дюйм (12,5 см) болатын белсенді-матрицалы дисплей (AMFED) жасақтап шығарды.Бейнелеу элементі жоғары вольтті а-SiTFT және басу әдісімен жағылған CNT-эмиттерлерін түзеді. Панельдер шешімі 136x160 пиксел. Жұқа қабықшалы басқару транзисторларын қолданумен эмиссия тогының біртектілігі артты. Панельдердің жоғары сипаттамалары 15 В дейін қоздыру кернеуі кезінде алынды. Энергия тұтынуды азайту – AMFED тағы бір жетістігі. Ресейде көміртекті нано түтіктер негізіндегі дисплейлер «Волга»ҒЗИ-да жасақталады.

Үш түрлі дисплей дайындау технологиясы ұсынылған:

1. планарлық, мұнда CNT және люминофор пластинаның бір жазықтығында түзілген электродтарға жағылады;

2. катафорез әдісі арқылы CNT жағылатын диаметрі 17 мкм W-тәріздес сымнан аспалы катодтар.

Мұндай панельдер оксидті катодтар нано түтікшелермен алмастырылған топтама шығарылған вакуумды люминесцентті индикаторлар базасында дайындалды;

1) вакуумды люминесцентті құралдардың диодтары түріндегі матрицалы экранның (In₂O₃ или Al) электродтары жағылған анодты (люминофор) және катодты (CNT) платаларға өзгеруі . Мұнда анодты және катодты тақша электродтары перпендикуляр болып келеді. . Топтама дисплейлерін құру кезіндегі негізгі мәселелер — пиксельдердің тегіс жарықтануын алу және тасымалдау кезінде автоэмиссиялы катодтардың азу үрдісін минимизациялау. Автоэмиссиялық дисплейлер физикалық және техникалық сипатамалары, мүмкіндіктері және қолдану салалары бойынша – ақпараттарды бейнелеу қондырғыларының ең қызықты түрі. Қазіргі уақытта көптеген фирмалар үстіңгі эмиссиялы электронды дисплейлер құруға тырысуда (Surface!conductionElectron! emitterDisplay — SED).

Алғаш рет үстіңгі эмиссиялы электронды нәтижесі 1963 жылы УКСР ҒА физика Институты ғалымдарымен анықталды. Оның нәтижесі электр тогының қалыңдығы бірнеше ондаған ангстрем (алтын үшін 48 нм) болатын жұқа металл құрылымдар арқылы өтуі кезінде эмиссиялық ток туындауында, бұның қабықшадағы металл аралдар арасындағы заряд тасымалдаушы электрондарының бір бөлігі қабықша бетіне қалыпты жылдамдық беретіндігінде. Барий тотығын шашырату кезінде алтынның жұқа қабатына қабат өткізгіштігі мен ток эмиссиясы өседі. Зерттеулер көрсеткендей, диспергирленген алтын қабықшалар эмиссиясы электр алаңының 4*10³...4*10⁴ В/см кернеуі кезінде басталады. 1,2*10⁴ В/см кернеуі кезінде ток эмиссиясы 0,35...0,4 А/см² құрайды. Құрылым (аралшалар өлшемі және олардың арасындағы заряд) жүйенің эмиссиялық өлшемдеріне әсер етеді. Эмиссияланатын алаң үшін аралшалардың оптимал өлшемдері 8 мкм және олардың арасындағы өлшемдер ~ 10 нм құрайды.

SED жоғары ашықтық кескінімен және төмен қуат тұтынуымен сипатталады (плазмалы дисплейлерге қарағанда 3 есе төмен, және кинескоп қуатына қарағанда екі есе кем). Бұл шағын дисплейлер (экран қалыңдығы – бірнеше сантиметр) жоғары тез әрекет етуді, жақсы қарама-қарсылықты және тон градацияларының жоғары деңгейін қамтамасыз етеді.Ашықтығы мен түс беруі бойынша SED және плазмалық дисплейлер өте жақын, қара түс деңгейі бойынша SED көптеген плазмалы дисплейлерден асып түседі. СК-дисплейлер ашықтығы едәуір жоғары, алайда SED олардан тез әрекет етуімен асып түседі. Плазмалы және СК-дисплейлерде қозғалмалы кескіндердің шығарылымының бөлшектенуі сурет статикасын шығару бөлшектеріне едәуір жол береді. SED-те барлық қозғалмалы кескіндер анық және толық болып қалады. SED ұзақтығы бойынша ЭЛТ-пен салыстыруға болады (ашықтығының 30 000 сағат ішінде 50% төмендеуі). SED, плазмалық және СК-дисплейлер бағалары салыстырмалы. SED қол жетімді және күтілетін көрсеткіштер 12.3-кестеде көрсетілген. [84].

12.3 кесте. SED қол жетімді және күтілетін көрсеткіштері.