DE2241181A1

DE2241181A1 - Gasentladungs-anordnung mit verbesserter speichergrenze

Info

Publication number: DE2241181A1
Application number: DE2241181A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Wolfe Bode; John William Vincent Miller; Nicholas Thomas Photos
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1971-08-23
Filing date: 1972-08-22
Publication date: 1973-03-01
Also published as: GB1408593A; JPS4830866A; JPS538190B2; FR2150414B1; FR2150414A1; US3806761A; DE2241181C3; CA961087A; DE2241181B2; IT962188B

Description

Patentanwälte 0 0/ 1 IQ

Dr. Ing. H. Negen.dank ZZ** I I O I

Dipl. Ing. H. Hb-.;ck Dipl. Phys. VV. Schmitz

Dipl. ing. E. Gray If s

Dipl. Ing. VV. Wehnort

2 Hamburg 36

Neuer WaIJ 41

OWENS-ILLINOIS, INC. Toledo. Ohio fr36O1/USA 21. August 1972

GASENTLADUNGS-ANORDNUNG MIT VERBESSERTER SPEICHERGRENZE

Die Erfindung bezieht sich auf neue Anzeiger/Speicher-Felder oder -Einheiten mit mehrfacher Gasentladung, die eine elektrische Speicherung haben, und mit denen es möglich ist, eine sichtbare Anzeige oder Darstellung von Daten zu erzeugen, vfe etwa Zahlen, Buchstaben, Fernsehanzeigen, Radaranzeigen, Flugkörper-Anzeigen, Binärwörter, Darstellungen im Erziehungswesen, usw.

Anzeige-/oder Speicherfelder mit Mehrfach-Gasentladung von dem besonderen Typus, mit dem sich die vorliegende Erfindung befaßt, sind gekennzeichnet durch ein ionisierbares Gasmedium, gewöhnlich eine Mischung von wenigstens 2 Gasarten bei einem geeigneten Gasdruck, in einer dünnen Gaskammer oder einem Gasraum zwischen einem Paar gegenüberliegender dielektrischer Ladungsspeicher-Teile, die rückwärtig durch Leiter-(Elektroden)-Teile gehalten werden, wobei die Leiterteile jedes dielektrische Teil halten und typischer Weise transversal ausgerichtet sind, um eine Anzahl diskreter Entladungsräume festzulegen und eine Entladungseinheit zu bilden.

In einigen bereits zuvor beschriebenen Feldern sind die Entladungseinheiten zusätzlich durch sie umgebende oder begrenzende physikalische

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Strukturen festgelegt, wie etwa durch Zeilen oder öffnungen in perforierten Glasplatten und wenden auf diese Weise physikalisch gegenüber den anderen Einheiten isoliert. In federn Fall jedoch, mit oder ohne die begrenzende mechanische Struktur, werden Ladungen (Elektronen, Ionen) durch Ionisation des Gases einer bestimmten Endladungseinheit erzeugt, wenn die entsprechenden Wechselstrom-Operationspotentiale an die jeweiligen Leiter der entsprechenden Entladungseinheit gelegt sind; die Ladungen werden auf den Oberflächen des Dielektrikums an besonders festgelegten Orten gesammelt und wirken als elektrisches Feld, welches dem elektrischen Feld entgegenwirkt, das die Ladungen erzeugt, so daß die Entladung fUr den Übrigen Teil des Halbzykluses beendet wird und den Beginn einer Entladung während des folgenden entgegengesetzt gerichteten Halbzykluses der angelegten Spannung unterstutzt, wodurch die EnN ladungen auf diese Weise gespeichert werden, und dadurch einen elektrischen Speicher ermöglichen.

Auf diese Weise unterbinden die dielektrischen Schichten den übergang des wesentlichsten Teils des leitenden Stromes auf die Leitungsteile zum Gasmedium und dienen weiterhin als SammeI-Oberflächen für die ionisierten Ladungen (Elektronen, Ionen) des Gasmediums während des wechselnden Halbzykluses während der Wechselstrom-Operationspotentiale, wobei sich diese Ladungen zuerst auf ein elementares oder diskretes dielektrisches Oberflächengebiet sammeln und dann auf einem gegenüberliegenden elementaren oder diskreten dielektrischen Oberflächengebiet während des alternierenden Halbzykluses, um einen elektrischen Speicher zu bilden.

Ein Beispiel einer Feldstruktur, welche nicht physikalisch isolierte oder offene Entladungseinheiten enthält, ist in dem U.S.-Patent 3 499 beschrieben.

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Ein Beispiel eines Anzeigefeldes, das physikalisch isolierte Einheiten enthält, ist dargelegt in dem Artikel von D.L. Bitzer und H.G. Slattow, mit dem Titel "The Plasma Display Panel - A Digitally Adressable Display With Inherent Memory", Proceeding of the Fall Joint Computer Converence, IEEE, San Francisco, California, Nov. 1966, Seiten 541-547. Im U. S.-Patent 3 559 190 ist dieser Anzeigefeld-Typus ebenfalls referiert.

Während der Arbeitsbereitschaft des Anzeigefeldes ist eine gleichbleibende Menge ionisierbaren Gases zwischen ein Paar dielektrischer Oberflächen festgelegt, die durch Leitergebiete rückwärtig gehalten werden, welche Matrixelemente bilden. Die gekreuzten Leitergebiete können, gegeneinander orthogonal angeordnet sein (jedoch kann auch jede andere , Konfiguration der Leitergebiet benutzt werden), um eine Anzahl gegenüberliegender Paare von Ladungsspeicher-Gebieten aus den Oberflächen des Dielektrikums festzuhalten, wodurch das Gas begrenzt wird. Auf diese Weise wird eine Leiter-Matrix, die H Reihen und C Spalten aufweist, eine Zahl von elementaren Enladungs-Raumeinheiten besitzen, die dem Projekt HxC entspricht, und die Zahl der elementaren oder diskreten Gebiete wird entsprechend doppelt so groß sein wie die Zahl der elementaren Entladungs-Raumeinheiten.

Darüber hinaus kann das Anzeigefeld eine sog. monoiitische Struktur aufweisen, bei der die Leitergebiet aus einem einzigen Substrat gebildet werden, und wobei zwei oder mehr Gebiete voneinander und von dem Gasmedium durch wenigstens ein isolierendes Teil getrennt werden. In einer derartigen Anordnung findet die Gasentladung nicht zwischen zwei gegenüberliegenden Teilen statt, sondern zwischen zwei benachbarten oder angrenzenden Teilen des gleichen Substrates.

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Es ist weiterhin möglich, eine Gasentladungs-Anordnung zu schaffen, in der einige der leitenden oder Elektrodenteile sich in direkter Verbindung mit dem Gasmedium befinden, und die Übrigen Elektrodenteile in geeigneter Weise vom Gas isoliert sind.

Bezuglich der Matrixkonfiguration können die Leitergebiet auch in anderer Weise geformt sein. Während die bevorzugte Leiteranordnung von dem hier gezeigten Typus eines gekreuzten Gitters ist, ist es augenscheinlich, daß die Leiter je nach Anwendung geformt sein können, nämlich dort, wo eine maximale Anzahl von zwei demensionalen Anzeigerastern nicht notwendig ist, etwa bei speziell standardisierten visuellen Formen (z.B. Ziffern, Buchstaben, Wörtern, usw.), und wo die Bildauflösung nicht kritisch ist.

Das hier verwendete Gas ist von der Art, das sichtbares Licht oder unsichtbare Strahlung erzeugt, welche Phosphor anregen (wenn die sichtbare Anzeige das Ziel ist) und das eine reichliche Ausbeute von Ladungen (Ionen und Elektronen) während der Entladung bereitstellt. In einem offenen Zellen-Anzeigefeld vom Typus, wie er in dem U.S.-PS 3 499 dargelegt wurde, ist der Gasdruck und das elektrische Feld ausreichend, um die Ladungen zeitlich zu begrenzen, die während der Entladung innerhalb eines elementaren oder diskreten dielektrischen Gebietes innerhalb des Umkreises eines derartigen Gebietes gebildet werden, insbesondere in einem Anzeigefeld, welches nicht isolierte Einheiten enthält.

Wie in den U. S.-PS 3 499 167 beschrieben wurde, istder Abstand zwischen den dielektrischen Oberflächen, das vom Gas augefüllt ist, derart, daß es fUr die Photonen, die während der Entladung mit einem ausgewählten diskreten oder elementaren Gasvolumen erzeugt werden, möglich Ist, frei durch den Gasraum zu laufen und auf die Oberflächengebiete des

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Dielektrikums aufzutreffen, die von den ausgewählten Volumeneinheiten weit entfernt sind. Aufgrund des Auftreffens der Photonen auf die Dielektrischen Oberflächengebiete werden Elektronen imitiert, so daß auf diese Weise andere und weiter entfernte elementare Volumeneinheiten fUr die Entladungen bei einem gleichförmig angelegten Potential konditioniert werden.

Im Hinblick auf die Speicherfunktion eines gegebenen Entladungs-Anzeigefeldes hängen die gerad noch möglichen Entfernungen oder Abstände zwischen den dielektrischen Oberflächen unter anderem von der Frequenz de angelegten Wechselstromes ab, wobei der typische Abstand für niedere Frequenzen größer ist.

Während bei den zuvor beschriebenen Anordnungen, bei denen Gasentladungsanordnungen vorgestellt wurden, die extern angebrachte Elektroden zur Erzeugung einer Gasentladung aufweisen, was man als "elektrodenlose Entladung" bezeichnet, benutzen Anordnungen dieser Art solche Frequenzen und solche Abstände oder Entladungsvolumen und solche Arbeitsdrucke, so daß, obwohl Entladungen in dem Gasmedium zwar gezUndet werden, diese Entladungen jedoch nicht effektiv und nicht verwertbar sind fUr Ladungserzeugung und Speicherung bei hohen Frequenzen; obwohl Ladungsspeicherung bei niederen Frequenzen bewerkstelligt werden kann, ist eine derartige Ladungsspeicherung in einer Anzeige-/Speicheranordnung von der Art, wie sie bei Bitzer-Slottow oder in dem US-PS 3 499 167 beschrieben wurde, nicht verwertbar.

Der Term "Speichergrenze" (memory margin) wird hierbei definiert als

VV

f - E M.M. = .., /_n

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wo V- die halbe Amplitude des kleinsten, die Entladung aufrecht erhaltenden Spannungssignales ist, welches in jeder Halb-Periode eine Entladung erzeugt, aber bei der die Zelle noch nicht bistabil ist, und Vp ist die halbe Amplitude der minimalen angelegten Spannung, die ausreicht, um Entladungen aufrecht zu erhalten, die bereits gezUndet sind.

Darunter soll verstanden werden, daß das grundlegende elektrische Phenomen, das in dieser Erfindung angewendet wird, in der Erzeugung von Ladungen (Ionen und Elektronen) besteht, die abwechselnd auf Paaren von gegenüberliegenden diskreten Punkten oder Flächen eines Paares dielektrischer Oberflächen speicherbar sind, wobei die dielektrischen Oberflächen rückwärtig durch Leiter gehaltert sind, die mit einer Quelle fUr das Arbeitspotential verbunden sind. Derartige gespeicherte Ladungen rühren von einem elektrischen Feld her, das dem Feld entgegengesetz ist, das durch das angelegte Potential erzeugt wird, welches die Ladungen erzeugt und auf diese Weise derart wirkt, daß die Ionisation in den elementaren Gasvolumen zwischen den gegenüberliegenden diskreten Punkten oder Flächen der dielektrischen Oberfläche beendet wird. Der Ausdruck "eine Entladung aufrecht erhalten" meint, daß eine Folge von momentanen Entladungen erzeugt werden, jeweils eine Entladung fur jeden Halbzyklus der angelegten alternierenden Spannung zur Aufrechterhaltung, wenn das elementare Gasvolumen erst einmal gezUndet worden ist, um das wechselseitige Speichern der Ladungen auf Paaren von gegenüberliegenden diskreten Gebieten auf den dielektrischen Oberflächen aufrecht zu erhalten.

In Übereinstimmung mit dieser Erfindung ist ein neuer Prozeß und eine Gaszusammensetzung vorgesehen, um die Speichergrenze einer Gasentladungs-Anordnung zu optimalisieren, die mit Spannungen in

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Rechteck-Wellenform arbeitet.

Insbesondere ist ein Gasentiadungs-Anzeigenfeld vorgesehen mit einem Gasmedium, das einen Druck aufweist von etwa 680 bis etwa 160 Torr und im wesentlichen aus Neon und aus etwa 0.02 bis etwa 0,1 Prozent Argonatomen besteht, wobei der Gasdruck und die Argon-Konzentration entsprechend den gestrichelten Bereich der Kurve in Fig. 1 korreliert ist, wenn an das Anzeigefeld Arbeitspotentiale in Rechteckwellenform mit einer Frequenz von etwa 1 bis etwa 200 KHz, vorzugsweise etwa 15 bis 50 KHz angelegt werden.

Zusätzlich kann das Gasmedium in kleinem Umfang andere Gaskomponenten enthalten, beispielsweise Helium, vorausgesetzt, daß diese Komponenten relativ neutral sind und die Kurve von Fig. 1 nicht wesentlich ändern (etwa indem diese Kurve verschoben wird).

In Fig. 1 ist der Gesamt-Gasdruck (Neon und Argon) gegenüber der Argon-Konzentration aufgetragen. Man erhielt diese Kurve beim Arbeiten eines Gasentlade-Speicherfeldes unter Anlegung von Rechteck-Wellen-Potentialen mit einer Frequenz von etwa 1 bis etwa 200 KHz, vorzugsweise bei etwa 15 bis etwa 50 KHz.

Bei Anwendung dieser Erfindung war es Überraschend, festzustellen, daß die Speichergrenze einer Gasen tiadungs-Speicheranordnung optimalisiert werden kann durch Inbetriebsetzen der Anordnung mit Rechteckwellen-Potentialen bei einer Frequenz von etwa 1 bis 200 KHz und mit einem Neon-Argon-Gasmedium bei Bedingungen hinsichtlich des Druckes und der Argonkonzentration, die in dem in etwa durch Strichelung dargestellten Teil von Fig. 1 liegen.

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Darüber hinaus kann diese Erfindung zusätzliche Vorteile aufweisen, einschließlich einer verbesserten dynamischen Adressierbarkeit des Gasentladungs-Anzeigefeldes und einer verbesserten Lebensdauer des Anzeigefeldes aufgrund des Einbrennens bei der Zündung.

In Übereinstimmung mit einem speziellen Ausfuhrungsbeispiel dieser Erfindung arbeitet ein Gasentladungs-Anzeigefeld mit Rechteckwellen-Spannungen bei einer Frequenz von etwa 1 bis 200 KHz und einem Gasmedium, das im wesentlichen aus Neon und etwa 0,02 Prozent Argonatomen besteht, wobei die Gasmischung einen Druck innerhalb des Anzeigefeldes von etwa 600 Torr aufweist.

In Übereinstimmung mit einer weiteren speziellen Ausfuhrungsform wird ein Gasmedium benutzt, das im wesentlichen aus Neon und etwa 0,05 Prozent Argonatomen besteht, wobei die Gasmischung einen Druck von etwa 350 Torr aufweist.

In einer weiteren speziellen Ausfuhrungsform besteht das Gasmedium im wesentlichen aus Neon und etwa 0,07 Prozent Argonatomen, wobei die Gasmischung unter einem Druck von etwa 300 Torr steht.

Ein weiteres spezielles Ausfuhrungsbeispiel ist durch ein Gasmedium gegeben, das im wesentlichen aus Neon besteht und etwa 0,1 Prozent Argonatome enthält, wobei die Gasmischung im Anzeigefeld unter etwa 200 Torr Druck steht. _;,_{; v} ,■,,

Bei der praktischen Anwendung ändert sich die absolute Speichergrenze innerhalb des gestrichelten Teils von Fig. 1 mit Änderung eier Argon-Konzentration. Die Speichergrenze ist jedoch an einem gegebenen Ort

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innerhalb des Bereichs relativ zu einem gegebenen Ort,der außerhalb über oder unter der durch die Begrenzungslinien eingeschlossenen Bereiche liegt, optimal isiert.

Fig. 1 ist nicht nur von großen Nutzen zum Feststellen einer optimalen Speichergrenze, sondern sie kann auch als Entscheidungsmodell zum Ausnützen der Speichergrenze für andere gewünschte Anzeigefeld-Charakte ristiken benutzt werden, wie etwa bei niederen Spannungen, bei ansteigender Helligkeit, usw.

Die Speichergrenzen werden maximalisiert und die die Ladung aufrechterhaltenden Potentiale werden minimalisiert bei Neon-Argonmischungen, bei näherungsweise 0,1 Prozent Argon und niederem Gesamtdruck (beispielsweise 300 Torr); die zum Arbeitspotential in Beziehung stehende Helligkeit wird maximalisiert für niederen Argon-Partialdruck und relativ hohen Gesamtdruck (beispielsweise 0,02 Prozent Argon bei 600 Torr Gesamtdruck).

Die Optimalisierung der Anzeigefeld-Speichergrenze gemäß der Anwendung dieser Erfindung ist nur dann gültig, wenn Arbeitsspannungen mit Rechteckwellenform bei einer Frequenz von etwa 1 bis etwa 200 KHz an das Anzeigefeld gelegt werden.

In diesem Zusammenhang wird der Begriff Arbeitsspannung benutzt, wie er festgelegt ist, nämlich als irgendein Potential, das an das Anzeigefeld gelegt wird, wobei sowohl die Spannung zum Aufrechterhalten der Entladung als auch die Zündspannung enthalten ist. Es ist bereits vorgeschlagen worden, Arbeitspofentiale mit Rechteck-Wellenform zum Betreiben einer Gasentladungsanzeige ^bzw. eines Gasentladung;-Speichers zu verwenden. Beispielsweise wird auf das U.S.-Patent 3.588.597 verwiesen»

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

V\J Gasentladungs-Anzeigefeld mit wenigstens zwei Elektroden, von denen wenigstens eine vom Gasmedium durch ein dielektrisches Teil getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasmedium unter einem Druck von etwa 680 Torr bis etwa 160 Torr steht und im wesentlichen aus Neon und etwa aus 0,02 bis etwa 0,1 Prozent Argonatomen besteht, wobei der Gasmedien-Druck und die Argon-Konzentration gemäß dem gestrichelten Teil der Kurve in Fig. 1 korreliert ist, wenn an das Anzeigefeld rechteckfttrmige Arbeitsspannungen mit einer Frequenz von etwa 1 bis etwa 200 KHz angelegt sind.
2. Gasentladungs-Anzeige/Speicherfeld, dadurch gekennzeichnet, daß ein ionisierbares Gasmedium in einer Gaskammer enthalten ist, die von einem Paar gegenüberliegender Ladungs-Speicherteile aus dielektrischem Material gebildet ist, wobei jedes dieser dielektrischen Teile jeweils rückwärtig durch ein Elektrodengebiet gehaltert ist, und die Elektroden hinter jedem dielektrischen Teil hinsichtlich der Elektroden hinter dem gegenüberliegenden dielektrischen Teil derart ausgerichtet sind, daß eine Anzahl diskreter Entladungs-Volumeneinheiten gebildet werden, wobei jede dieser Volumeneinheiten eine Entladungseinheit darstellt, und wobei Betriebs-Wechselspannungen mit Rechteckwellenform an die Anzeigefeld-Elektroden mit einer Frequenz von etwa 1 bis 200 KHz angelegt werden, und das Gasmedium unter einem Druck von etwa 680 Torr

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bis etwa 160 Torr steht und im wesentlichen aus Neon und etwa 0,02 bis etwa 0,1 Prozent Argonatomen besteht, wobei der Gas-Druck und die Argon-Konzentration gemäß dem gestrichelten Bereich der Kurve von Fig. 1 korreliert ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasmedium einen kleinen, variierenden Anteil von wenigstens einer anderen Gaskomponente enthält, die relativ neutral ist und die die Kurve von Fig. 1 nicht wesentlich ändert.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskomponente Helium ist.
5. Verfahren zum Betreiben eines Gasentladungs-Anzeigefeldes mit einer elektrischen Speicherung, gekennzeichnet durch ein ionisierbares Gasmedium in einer Gaskammer, die von einem Paar gegenüberliegender Ladungs-Speicherte!Ie aus dielektrischem Material gebildet ist, und die Speichergrenze des Anzeigefeldes dadurch optimal isiert wird, daß das Anzeigefeld mit einem Gasmedium gefüllt wird, das unter einem Druck von etwa 680 Torr bis etwa 160 Torr steht und im wesentlichen aus Neon und etwa 0,2 bis etwa 0,1 Prozent Argonatomen besteht, wobei der genannte Druck und die genante Ageronkonzentration gemäß dem gestrichelten Bereich der Kurve in Fig. 1 korreliert ist, und bei dem das Anzeigefeld rnit einer rechteckförmigen Wechselspannung bei einer Frequenz von etwa 1 bis etwa 200 KHz betrieben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasmedium Helium in geringem Umfange enthält, zu gering, um die Kurve von Fig. 1 wesentlich zu ändern.

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7. lonisierbares Gasmedium für ein Gasentladungs-Anzeige/Speicherfeld, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Medium Im wesentlichen aus Neon und etwa 0,02 bis etwa 0,01 Prozent Argonatomen besteht und unter einem Druck von etwa 680 Torr oder etwa 160 Torr steht, wobei der Druck und die Argon"-Konzentration gemäß den gestrichelten Teil der Kurve in Fig. 1 korreliert ist, wenn die rechteckförmige Betrlebs-Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa 1 bis etwa 200 KHz an das Anzeigefeld gelegt wird.
8. Gasmedium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasmedium einen Druck von etwa 600 Torr aufweist und etwa 0,02 Prozent Argonatome enthält.
9. Gasmedium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasmedium einen Druck von etwa 350 Torr aufweist und etwa 0,05 Prozent Argonatome enthält.
10. Gasmedium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasmedium einen Druck von etwa 300 Torr aufweist und etwa 0,07 Prozent Argonatome enthält.
11. Gasmedium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasmedium einen Druck von etwa 200 Torr aufweist und etwa 0,1 Prozent Argonatome enthält.
12. Gasmedium nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz etwa zwischen 15 und etwa 50 KHz liegt.

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