Informations- und Kommunikationstechnik

Das Feldemissionsdisplay

Diese Seite stellt eine neue Bildschirmtechnik vor, deren Entwicklungsphase noch nicht abgeschlossen ist. Beschrieben wird das Feldemissionsdisplay, FED. Wie bei einer Kathodenstrahlröhre treffen im Vakuum beschleunigte Elektronen auf Luminophore und setzen ihre Bewegungsenergie in sichtbares Licht um. Im Gegensatz zur CRT oder der Vakuumfluoreszenzanzeige werden die Elektronen nicht durch einen Glühdraht als thermische Elektronen erzeugt. Die Freisetzung erfolgt durch die Einwirkung hoher Feldstärken auf metallische Oberflächen.

Das Funktionsprinzip eines Feldemissionsdisplays

Starke elektrische Felder um 109 V/cm können im Vakuum bei Raumtemperatur aus Metalloberflächen Elektronen freisetzen. Physikalisch wirkt dabei der Tunneleffekt. Am leichtesten lassen sich die Elektronen aus Metallspitzen freisetzen, da dort die Feldliniendichte am höchsten ist. Die Elektronenemission beginnt ab 50 V zwischen Kathode und Gitter. Die gewählte Spannung liegt um (80 ... 100) V. Die freien Elektronen werden dann zu einer positiven Anode hin beschleunigt. Dort treffen sie auf die Leuchtschicht, deren Moleküle von der Stoßenergie angeregt werden und daraufhin sichtbares Licht aussenden.

Die Anodenspannung kann zwischen (0,5 ... 10) kV liegen. Sollen die bekannten Luminophore der CRTs verwendet werden, dann sind zu ihrer Anregung hohe Anodenspannungen notwendig. Bei neu entwickelten Leuchtstoffen reichen schon Anodenspannungen um 500 V aus. Die Bilderzeugung geschieht zeilenweise durch eine Matrixansteuerung. Die notwendigen Spannungsimpulse werden an das Gitter und an die Anode gelegt, wobei die Kathodenspannung konstant bleibt.

Der Displayaufbau

Microtips und Zellenschema

Auf einem Kathodenmaterial befinden sich pro Bildpixel bis zu 1000 Emitter (Microtips), deren Durchmesser 1 μm beträgt. Die Emitterspitzen können aus Halbleitermaterial, Metall oder Diamant sein. Sie sind voneinander durch eine Isolierschicht getrennt. Die oben offene Isolierung trägt die Gitterelektrode. Von oben gesehen ergibt sich ein Lochraster, wobei der Durchmesser der Gitterlöcher bei 50 μm liegt. Oberhalb der Gitter- oder Gateelektrode befindet sich im Abstand von (0,2 ... 0,5) mm die durchsichtige Anode, auf deren Unterseite die Leuchtschicht aufgebracht ist. Die Bauhöhe des Displays ist mit rund 2 mm sehr flach.

Der obere Bildteil skizziert den Aufbau eines Microtip-FEDs. Der untere Bildteil zeigt eine überarbeitete elektronenmikroskopische Aufnahme (FUTUBA GmbH) von Microtips für Feldemissionsdisplays.

 

Entwicklungstendenzen für FED-Flachbildschirme

Falls sich die FED-Technik ausbauen lässt, könnte sie in naher Zukunft die CRT- und LCD-Bildschirme ablösen. Der FED-Bildschirm kann Bilder in hoher Auflösung mit großer Farbbrillanz, hohem Kontrast und großer Helligkeit erzeugen. Durch die eigene Lichtaussendung und den Wegfall von Polarisations- und Farbfolien lassen sich große seitliche Blickwinkel ohne Einschränkungen in der Bildqualität erzielen.

Hervorgehoben wird die relativ einfache Herstellung im Vergleich mit TFT-LCD-Paneelen. Die FED-Paneele lassen sich mittels lithografischer Prozesse produziert. Es werden nur 5 Schichten benötigt, während es beim TFT-LCD bis zu 22 Schichten sind. Es ist lediglich ein hoch präziser Maskenprozess gegenüber 10 derartiger beim TFT-LCD notwendig. Die neueste Entwicklung eines Diamant-Microtip-FED würden nur 3 Schichten benötigen und ließen sich ohne einen kritischen Maskenprozess herstellen. Die Massenproduktion von Microtip-FEDs wäre bereits möglich. Die Kapitalkosten einer FED-Fabrikationsanlage soll nur 20% der einer TFT-LCD-Produktionsstraße betragen.

Die Vakuumabdichtung des Feldemissionsdisplays über lange Zeiträume ist noch nicht zufriedenstellend gelöst. Bei der flachen Bauweise gibt es noch Probleme in der Zuführung der Matrixleitungen zur Ansteuerung. Eine geringfügige Verschlechterung des Vakuums bedeutet ein Abbremsen der Elektronen und damit ein Helligkeitsverlust. Die Elektronen besitzen aufgrund der kurzen Beschleunigungsstrecke und der im Vergleich zur CRT geringeren Anodenspannung auch weniger Energie zur Erzeugung großer Lichtintensitäten. Ein Vakuumverlust macht sich daher wesentlich stärker bemerkbar.

Die von der Firma Sony und einem Investor einst beabsichtigte Produktionsaufnahme ab 2009 kam nicht zustande. Bis derzeit (2016) gibt es keinen Neubeginn für eine FED Produktion.