RU2418340C2 - Column structure and device based on said structure - Google Patents
Column structure and device based on said structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2418340C2 RU2418340C2 RU2004128734/28A RU2004128734A RU2418340C2 RU 2418340 C2 RU2418340 C2 RU 2418340C2 RU 2004128734/28 A RU2004128734/28 A RU 2004128734/28A RU 2004128734 A RU2004128734 A RU 2004128734A RU 2418340 C2 RU2418340 C2 RU 2418340C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- column
- columnar structure
- particles
- radiation
- structure according
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Luminescent Compositions (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области светотехники, элементной базы микроэлектроники, электронного и электромагнитного материаловедения, включая вакуумную микроэлектронику, рентгенооптику, люминесценцию, в том числе катодо-, фото- и электролюминесценцию, конкретно, к технике люминесцентных экранов, используемых в полевых эмиссионных дисплеях, электронно-лучевых трубках, источниках света, рентгеновских электронно-оптических преобразователях, а также оптических дозиметрах и др.The invention relates to the field of lighting, the elemental base of microelectronics, electronic and electromagnetic materials science, including vacuum microelectronics, X-ray optics, luminescence, including cathode, photo and electroluminescence, in particular, to the technique of luminescent screens used in field emission displays, electron beam tubes, light sources, X-ray electron-optical converters, as well as optical dosimeters, etc.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION
Задача реализации люминесценции и создания эффективных твердотельных источников света решается уже более 60 лет. В классическом случае для этих целей применяются порошковые люминофоры. Однако в настоящий момент известны предложенные для этих целей конструкции устройств [1, 3, 4], по своим характеристикам значительно превосходящие указанные классические решения. Это достигается путем создания светопроводящих структур из материала самого люминофора. Тем не менее считать их в полной мере совершенными конструкциями нельзя. В предложенных вариантах возможно включение боковой поверхности в процесс активации материала люминофора для генерации излучения (см. Фиг.1а). Это увеличивает эффективность люминофора, то есть часть возбуждающих частиц, попадающая под углом в просвет между столбиками 6, также участвует в активации люминофора. Однако в таком случае не реализуются в полной мере преимущества световодной концепции столбчатого экрана, суть которого в полном внутреннем отражении генерируемого излучения. Такая структура работает практически как обычный люминофор. Поток частиц 3, попадающий на боковую поверхность 4 и распространяющийся 5а (и генерирующий в материале люминофора излучение) в материале такого люминофора, проникает 5b через границы столбиков в поперечном направлении и претерпевает многократное преломление на границе соседних столбиков. Если же согласно указанным изобретениям заполнить пространство между зернами материала светоотражающим материалом 7 (см. Фиг.1b), то поток частиц 3, падающий под углом α в просвет между столбиками, не будут участвовать в процессах активации излучения в материале люминофора. Настоящее изобретение предлагает гибкий вариант конструкции структуры люминофора и способ его производства, позволяющие реализовать преимущества столбчатой структуры, а именно полного внутреннего отражения, при этом, включив, по крайней мере, часть боковой поверхности каждого столбика в процесс генерации искомого излучения. Тем самым настоящее изобретение предлагает конструкцию столбчатого люминофора повышенной эффективностью с сохранением свойств световода. Изготовление предлагаемой конструкции значительно проще, что снижает себестоимость при ее производстве.The task of realizing luminescence and creating effective solid-state light sources has been solved for more than 60 years. In the classical case, powder phosphors are used for these purposes. However, at present, the device designs proposed for these purposes are known [1, 3, 4], which by their characteristics are significantly superior to these classical solutions. This is achieved by creating light-conducting structures from the material of the phosphor itself. Nevertheless, it is impossible to consider them to be fully perfect designs. In the proposed options, it is possible to include a side surface in the activation process of the phosphor material to generate radiation (see Fig. 1a). This increases the efficiency of the phosphor, that is, part of the exciting particles falling at an angle into the gap between the
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Настоящее изобретение предлагает столбчатую структуру на прозрачной подложке, которая содержит излучающие, светопроводящие, диэлектрические и проводящие элементы, по крайней мере, один излучающий элемент столбчатой структуры представляет собой столбик, проводящий и/или излучающий поток частиц, поверхность одного торца столбика обращена к внутренней стороне подложки и имеет с ней непосредственный или опосредованный контакт, через поверхность другого торца осуществляется прохождение частиц-возбудителей излучения внутрь столбика, причем часть боковой поверхности может быть покрыто материалом, отражающим поток частиц, распространяющихся в материале столбика, а проникновение частиц может происходить также и через часть боковой поверхности столбика. Указанный столбик может представлять собой монокристаллическую структуру. На поверхности торца столбика, через который осуществляется прохождение частиц внутрь столбика, может иметься покрытие из светоотражающего проводящего материала. Также такое покрытие может иметься на внешней или на внутренней стороне подложки. В качестве материала столбика может быть применен люминофор, причем плотность, по крайней мере, одного активатора в нем может иметь заданное распределение вдоль оси столбика. При этом в качестве материала, по крайней мере, части столбика может использоваться, по крайней мере, еще один люминофор иного состава. Столбик также может быть полностью покрыт слоем материала, отражающим поток частиц, распространяющихся в материале столбика. Причем материал, покрывающий часть боковой поверхности и отражающий поток частиц, распространяющихся в материале столбика, может представлять собой материал, которым заполнена часть пространства между столбиками. В таком случае остальная часть боковой поверхности и торец столбика, через который поток частиц-возбудителей излучения проникает внутрь его, могут быть покрыты тонким слоем светоотражающего материала. В любом из перечисленных выше случаев в качестве материала столбика может применяться как неорганическое соединение, так и органическое соединение.The present invention provides a columnar structure on a transparent substrate, which contains emitting, light-conducting, dielectric and conductive elements, at least one radiating element of the columnar structure is a column, conducting and / or emitting a stream of particles, the surface of one end of the column faces the inner side of the substrate and has direct or indirect contact with it, through the surface of the other end, the pathogen particles pass through the column, whereby part of the side surface can be coated with a material that reflects the flow of particles propagating in the material of the column, and the penetration of particles can also occur through part of the side surface of the column. The specified column may be a single crystal structure. On the surface of the end of the column, through which particles pass into the column, there may be a coating of reflective conductive material. Also, such a coating may be provided on the outer or inner side of the substrate. A phosphor may be used as the material of the column, and the density of at least one activator in it may have a predetermined distribution along the axis of the column. Moreover, at least one other phosphor of a different composition can be used as the material of at least part of the column. The column can also be completely covered with a layer of material reflecting the flow of particles propagating in the material of the column. Moreover, the material covering a part of the side surface and reflecting the flow of particles propagating in the material of the column can be a material with which part of the space between the columns is filled. In this case, the rest of the side surface and the end face of the column through which the flow of particles of radiation pathogens penetrates inside it, can be covered with a thin layer of reflective material. In any of the above cases, both an inorganic compound and an organic compound can be used as the column material.
Согласно настоящему изобретению предлагается источник света, содержащий источник частиц, способных генерировать кванты электромагнитного излучения в твердом теле, материал, в котором происходит генерация квантов электромагнитного излучения, указанный материал имеет столбчатую структуру согласно описанной выше конструкции.According to the present invention, there is provided a light source comprising a source of particles capable of generating quanta of electromagnetic radiation in a solid, a material in which the generation of electromagnetic radiation quanta occurs, said material has a columnar structure according to the construction described above.
Настоящее изобретение также предлагает конструкцию рентгеновского электронно-оптического преобразователя, содержащего материал, в котором происходит генерация квантов электромагнитного излучения при поглощении рентгеновского излучения, при этом указанный материал имеет столбчатую структуру согласно описанной выше конструкции.The present invention also provides the construction of an X-ray electron-optical converter containing a material in which generation of electromagnetic radiation quanta occurs upon absorption of X-ray radiation, wherein said material has a columnar structure according to the construction described above.
Оптический дозиметр, который можно реализовать согласно настоящему изобретению, содержит материал, в котором происходит генерация квантов электромагнитного излучения при поглощении радиационного излучения, причем указанный материал имеет столбчатую структуру согласно описанной выше конструкции.An optical dosimeter that can be implemented according to the present invention contains a material in which the generation of electromagnetic radiation quanta occurs upon absorption of radiation, said material having a columnar structure according to the construction described above.
Настоящее изобретение также предлагает способ изготовления столбчатой структуры излучающего материала, включающий в себя нанесение на подложку, по крайней мере, одного промежуточного вещества иного состава, чем излучающий материал, которое при температуре кристаллизации излучающего материала образует жидкую фазу в виде изолированных или фрагментарно изолированных частиц, осаждение излучающего материала вещества из паровой фазы, причем перед нанесением на подложку промежуточного вещества, образующего затем жидкую фазу, на поверхность подложки наносится вещество, повышающее адгезию промежуточного вещества к материалу подложке. Дополнительно к этому предлагается после нанесения вещества, повышающего адгезию промежуточного вещества к материалу подложки, на подложку наносится еще одно вещество, которое при образовании промежуточным веществом жидкой фазы способствует формированию формы капли промежуточного вещества, близкой к сфере, и фиксации капли на заданном участке подложки.The present invention also provides a method for manufacturing a columnar structure of a radiating material, comprising applying to the substrate at least one intermediate material of a different composition than the radiating material, which at the crystallization temperature of the radiating material forms a liquid phase in the form of isolated or fragmentary isolated particles, deposition the radiating material of the substance from the vapor phase, and before applying to the substrate an intermediate substance, which then forms the liquid phase, on the surface be applied to the substrate material enhances the adhesion of the intermediate substance to the substrate material. In addition to this, it is proposed that after applying a substance that increases the adhesion of the intermediate to the substrate material, another substance is applied to the substrate, which, when the intermediate forms a liquid phase, promotes the formation of a drop form of an intermediate substance close to the sphere and fixation of the drop on a given section of the substrate.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУРBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Фиг.1a - предшествующий уровень техники. Столбчатая структура в поперечном срезе без заполнения промежуточного пространства, предложенная в [1]. 1b - предшествующий уровень техники. Столбчатая структура в поперечном срезе с заполнением промежуточного пространства, предложенная в [1]. Схематичное изображения процесса проникновения падающего потока частиц в материал столбчатой структуры, распространения и отражения генерированного им излучения. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего попадающих в него энергию частиц в кванты электромагнитного излучения, 3 - поток падающих на столбчатую структуру частиц, 4 - боковая поверхность столбиков, 5a, b - поток квантов генерируемых в материале столбиков, а также частиц, попадающих в него, 6 - пространство между столбиками, 7 - материал, непрозрачный для частиц, распространяющихся в материале столбиков.Figa - prior art. Columnar structure in cross section without filling in the intermediate space, proposed in [1]. 1b is a prior art. Columnar structure in cross section with filling of the intermediate space, proposed in [1]. Schematic representation of the process of penetration of an incident stream of particles into the material of a columnar structure, propagation and reflection of the radiation generated by it. 1 - a transparent substrate, 2 - columns of material that converts the energy of the particles that enter it into quanta of electromagnetic radiation, 3 - the flow of particles incident on the columnar structure, 4 - the lateral surface of the columns, 5a, b - the flow of quanta of the columns generated in the material, as well as particles falling into it, 6 - the space between the columns, 7 - material opaque to particles propagating in the material of the columns.
Фиг.2а - столбчатая структура в поперечном срезе для генерации излучения частицами, способными проникнуть через дополнительный слой на поверхности столбчатой структуры. 2b - столбчатая структура в поперечном срезе с частично покрытой боковой поверхностью для генерации излучения частицами, способными проникнуть лишь через непокрытую поверхность. Схематичное изображения процесса проникновения падающего потока частиц в материал столбчатой структуры, распространения и отражения генерированного им излучения. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего попадающих в него энергию частиц в кванты электромагнитного излучения, 3 и 3а - поток падающих на столбчатую структуру частиц, 4 - боковая поверхность столбиков, 5а, с - поток квантов генерируемых в материале столбиков, а также частиц, попадающих в него, 6 - пространство между столбиками, 8 - покрытие на боковой поверхности, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 10 - внутренний торец столбика, обращенный к подложке.Fig. 2a is a cross-sectional columnar structure for generating radiation by particles capable of penetrating through an additional layer on the surface of the columnar structure. 2b is a columnar structure in cross section with a partially coated side surface for generating radiation by particles capable of penetrating only through an uncovered surface. Schematic representation of the process of penetration of an incident stream of particles into the material of a columnar structure, propagation and reflection of the radiation generated by it. 1 - a transparent substrate, 2 - columns of material that converts the energy of the particles into it into quanta of electromagnetic radiation, 3 and 3a - the flow of particles incident on the columnar structure, 4 - the lateral surface of the columns, 5a, c - the flow of quanta of the columns generated in the material, and also particles falling into it, 6 - the space between the columns, 8 - the coating on the side surface, opaque to the quanta generated in the material of the columns, 9 - the outer end of the column, 10 - the inner end of the column facing the substrate.
Фиг.3а - микрофотография излучения в оптическом диапазоне регулярной столбчатой структуры, выполненной согласно настоящему изобретению. Получено при облучении материала столбиков электронным потоком.Figa - micrograph of radiation in the optical range of a regular columnar structure made in accordance with the present invention. Obtained by irradiating the material of the columns with an electron beam.
Фиг.3b - микрофотография морфологии регулярной столбчатой структуры, выполненной согласно настоящему изобретению.Fig. 3b is a micrograph of the morphology of a regular columnar structure made in accordance with the present invention.
Фиг.4a-i - столбчатая структура в поперечном срезе. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего попадающих в него энергию частиц в кванты электромагнитного излучения, 7 - материал, непрозрачный для частиц, распространяющихся в материале столбиков, 8 - покрытие на боковой поверхности, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, δ1 - часть боковой поверхности столбиков, свободная от непрозрачного материала, δ2 - часть боковой поверхности столбиков, покрытая непрозрачным материалом.Figa-i is a columnar structure in cross section. 1 - transparent substrate, 2 - columns of material that converts the energy of the particles that enter it into quanta of electromagnetic radiation, 7 - material opaque to particles propagating in the column material, 8 - coating on the side surface, opaque to quanta generated in the column material, δ 1 - part of the side surface of the columns, free from opaque material, δ 2 - part of the side surface of the columns, covered with opaque material.
Фиг.5a, b, c - схематичное изображение процесса проникновения падающего потока частиц (например, электронов) в материал столбчатой структуры, распространения и отражения генерированного им излучения. 1 - прозрачная подложка, 8 - покрытие на боковой поверхности, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 10 - внутренний торец столбика, обращенный к подложке, 11 - поток падающих на столбчатую структуру частиц. 11а - генерация в материале столбика излучения частицей падающего потока, 12 - направление распространения генерированных в материале столбиков излучения, 13 - частица-возбудитель излучения, проникающая в материал столбиков через боковую поверхность и генерирующая излучение, 14 - частица-возбудитель излучения, проникающая в материал столбиков через боковую поверхность и не генерирующая излучение, 15 - покрытие на внутренней поверхности подложки, отражающее излучение, генерированное в материале столбиков, 16 - покрытие на внешней поверхности подложки, отражающее излучение, генерированное в материале столбиков, 17 - направление распространения генерированного в материале столбиков излучения в устройстве, использующего принцип люминесценции “на отражение”.5a, b, c is a schematic representation of the process of penetration of an incident stream of particles (eg, electrons) into the material of a columnar structure, propagation and reflection of the radiation generated by it. 1 - a transparent substrate, 8 - a coating on the side surface, opaque for quanta generated in the material of the columns, 9 - the outer end of the column, 10 - the inner end of the column facing the substrate, 11 - flow of particles incident on the columnar structure. 11a - generation of a radiation column in a material of a radiation column by a particle of incident flow, 12 - direction of propagation of radiation columns generated in a material, 13 - particle-exciter of radiation penetrating the material of columns through a side surface and generating radiation, 14 - particle-exciter of radiation penetrating into the material of columns through the side surface and not generating radiation, 15 - coating on the inner surface of the substrate, reflecting radiation generated in the material of the columns, 16 - coating on the outer surface p radiation reflecting radiation generated in the material of the columns, 17 - the direction of propagation of the radiation generated in the material of the columns of radiation in a device using the principle of luminescence "reflection".
Фиг.6 - схематичное изображение процесса проникновения падающего потока частиц (например, фотонов) в материал столбчатой структуры, распространения и отражения генерированного им излучения. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего попадающих в него энергию частиц в кванты электромагнитного излучения, 7 - материал, непрозрачный для частиц, распространяющихся в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 10 - внутренний торец столбика, обращенный к подложке, 11 - поток падающих на столбчатую структуру частиц. 11а - генерация в материале столбика излучения частицей падающего потока, 12 - распространение генерированных в материале столбиков излучения, 18 - поток частиц, падающих на материал столбиков, проникающих в него, распространяющийся через его массив, проходящий через прозрачную для него подложку и выходящий из нее, 19 - интегрированное (суммарное) излучение, полученное в результате наложения определенной доли потока падающих на столбчатую структуру частиц с определенной долей потока частиц, генерированных в материале столбиков частицами-возбудителями, составляющими определенную долю в потоке падающих частиц.6 is a schematic representation of the process of penetration of an incident stream of particles (for example, photons) into the material of the columnar structure, propagation and reflection of the radiation generated by it. 1 - transparent substrate, 2 - columns of material that converts the energy of the particles into it into electromagnetic radiation quanta, 7 - material opaque to particles propagating in the column material, 9 - outer end of the column, 10 - inner end of the column facing the substrate, 11 - a stream of particles incident on the columnar structure. 11a - generation of a radiation beam by a particle of an incident stream in a material, 12 - propagation of radiation columns generated in a material, 18 - flow of particles incident on a material of columns penetrating into it, propagating through its array, passing through and leaving a transparent substrate for it, 19 - integrated (total) radiation obtained by superimposing a certain fraction of the stream of particles incident on the columnar structure with a certain proportion of the particle stream generated in the column material by particles uditelyami constituting a certain proportion of the stream of falling particles.
Фиг.7a-d - схематичное изображение технологии изготовления столбчатой структуры. 1 - прозрачная проводящая подложка, 20 - шероховатость на прозрачной подложке, 21 - частицы тугоплавкого материала, 22а - материал катализатора, нанесенного на подложку, 22b - образовавшаяся сфера из материала катализатора при его разогреве.Figa-d is a schematic depiction of the manufacturing technology of the columnar structure. 1 - transparent conductive substrate, 20 - roughness on a transparent substrate, 21 - particles of refractory material, 22a - catalyst material deposited on the substrate, 22b - the resulting sphere from the catalyst material when it is heated.
Фиг.8 - схематичное изображение процесса осаждения материала столбчатой структуры из газовой фазы. 1 - прозрачная подложка, 2 - столбики материала, преобразующего энергию попадающих в него частиц в кванты электромагнитного излучения, 21 - частицы тугоплавкого материала, 22b - образовавшаяся сфера из материала катализатора при его разогреве, 23 - осаждающийся из газовой фазы материал столбчатой структуры.Fig. 8 is a schematic illustration of a process of deposition of a columnar material from a gas phase. 1 - a transparent substrate, 2 - columns of material that converts the energy of the particles falling into it into electromagnetic radiation quanta, 21 - particles of refractory material, 22b - the resulting sphere from the catalyst material when it is heated, 23 - columnar material deposited from the gas phase.
Фиг.9 - предшествующий уровень техники. Микрофотография морфологии регулярной столбчатой структуры, выполненной согласно [2].Fig.9 - prior art. A micrograph of the morphology of a regular columnar structure made according to [2].
Фиг.10 - схематичное изображение процесса нанесения материала покрытия поверхности столбиков столбчатой структуры, 1 - прозрачная подложка, 1а - внутренняя сторона прозрачной подложки, 2 - столбики материала, преобразующего энергию попадающих в него частиц в кванты электромагнитного излучения, 4 - боковая поверхность столбиков, 8 - покрытие на поверхности столбиков, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 24 - источник напыляемого материала, 25 - вращение подложки со структурой.Figure 10 - schematic representation of the process of applying the coating material to the surface of the columns of the columnar structure, 1 - a transparent substrate, 1a - the inner side of the transparent substrate, 2 - columns of material that converts the energy of the particles entering it into electromagnetic radiation quanta, 4 - side surface of the columns, 8 - coating on the surface of the columns, opaque to the quanta generated in the material of the columns, 9 - the outer end of the column, 24 - the source of the sprayed material, 25 - rotation of the substrate with the structure.
Фиг.11 - схематичное изображение процесса испарения с внешнего торца столбиков и части его боковой поверхности материала, непрозрачного для квантов, генерированных в материале столбиков. 1 - прозрачная подложка, 1a - внутренняя сторона прозрачной подложки, 2 - столбики материала, преобразующего энергию попадающих в него частиц в кванты электромагнитного излучения, 4 - боковая поверхность столбиков, 8 - покрытие на поверхности столбиков, непрозрачное для квантов, генерированных в материале столбиков, 9 - внешний торец столбика, 26 - кванты теплового излучения, разогревающие материал покрытия, нанесенного на поверхность столбчатой структуры, 27 - излучатель, генерирующий кванты теплового излучения.11 is a schematic representation of the evaporation process from the outer end of the columns and part of its side surface of the material, opaque to the quanta generated in the material of the columns. 1 - transparent substrate, 1a - the inner side of the transparent substrate, 2 - columns of material that converts the energy of the particles entering it into electromagnetic radiation quanta, 4 - the lateral surface of the columns, 8 - the coating on the surface of the columns, opaque to the quanta generated in the material of the columns, 9 - the outer end of the column, 26 - quanta of thermal radiation, heating the coating material deposited on the surface of the columnar structure, 27 - emitter, generating quanta of thermal radiation.
ПРИМЕРЫEXAMPLES
Согласно настоящему изобретению излучающие элементы устройства выполнены на светопроводящей подложке (например: стеклянной, кварцевой, сапфировой, карбида кремния и других прозрачных материалов) в виде светопроводящей структуры из столбиков, между которыми имеются просветы. Для более эффективного прохождения излучения через материал столбиков они предпочтительно являются монокристаллическими. Для падающего потока частиц 3 (Фиг.2а) под углом α и попадающего на участок между столбиками люминофора 6 имеется возможность участвовать в процессе генерации излучения 5а в самом материале люминофора 2. Генерируемое таким образом излучение 5а, распространяясь в массиве люминофора, отражается 5с от материала 8, которым покрыта поверхность 4 столбика. Далее, излучение, распространяясь в материале люминофора по законам полного внутреннего отражения, достигает светопрозрачной подложки 1.According to the present invention, the radiating elements of the device are made on a light-conducting substrate (for example: glass, quartz, sapphire, silicon carbide and other transparent materials) in the form of a light-conducting structure of columns between which there are gaps. For a more efficient passage of radiation through the material of the columns, they are preferably single crystal. For the incident particle flux 3 (Fig. 2a) at an angle α and incident on the area between the columns of the
Если для потока частиц 3, генерирующих излучение в материале люминофора 2 покрытие 8 является непрозрачным, то настоящее изобретение предлагает вариант конструкции, схематично изображенной на фиг.2b. Здесь удалена часть покрытия 8 с внешнего торца 9 столбика и части боковой поверхности 4. Поток частиц 3, попадая на боковую поверхность 4, проникает в материал люминофора 2, генерируя излучение 5а. Часть потока частиц 3а, которая попадает на покрытый материалом 8 (в качестве такого материала можно выбрать любой проводящий материал, например Al) участок поверхности 4, не участвует в процессе генерации излучения.If the
Настоящее изобретение также предлагает использовать преимущества столбчатой структуры как световода при размещении материала-активатора в люминофоре. Если распределить плотность активатора таким образом, чтобы ближе к внешнему торцу 9 столбика она была больше, а ближе к внутреннему торцу 10 меньше или вовсе была нулевой, то можно достичь одновременного решения сразу двух задач: создания люминофора для генерации квантов излучения и обеспечить их распространение в малом телесном угле. То есть плотность может иметь заданное распределение вдоль оси столбика. Это особенно актуально для получения направленного пучка света прожекторов. После генерации излучения на участке люминофора с большой концентрацией активаторов (в части столбиков, ближней к внешнему его торцу) поток фотонов, распространяясь вдоль столбика от внешнего торца к внутреннему торцу и к подложке, не должен претерпевать поглощения и рассеивания на примесях, которыми, в частности, являются частицы активатора. Таким образом, участок столбика из люминофора без активатора может иметь значительно большую протяженность по сравнению с той его частью, где имеется активатор. Согласно настоящему изобретению (см. фото на фиг.3а и на фиг.3b) столбчатую структуру следует использовать как световодную структуру для получения узконаправленных (с малым телесным углом) пучков света.The present invention also proposes to take advantage of the columnar structure as a light guide when placing an activator material in a phosphor. If the activator density is distributed in such a way that it is larger closer to the
Настоящее изобретение предлагает конструкцию, которая может быть гибко подстроена под различные потребительские условия. Такими условиями могут быть выбор определенного вида частиц-возбудителей излучения с учетом их энергии применительно к конкретному случаю и определенного материала (в частности, люминофора), из которого необходимо изготовить столбчатую структуру. В одном случае энергия и природа применяемых частиц-возбудителей излучения позволяет ограничиться малыми поверхностями для проникновения в материал столбика. В таком случае может больше понадобиться та способность столбчатой структуры, которая позволяет без потери энергии проводить излучение вдоль оси столбика (указанное выше свойство световодности столбчатой структуры: полное внутренне отражение распространяемого излучения). Для реализации конструкции данного конкретного случая целесообразно использовать ее вариант, изображенный на фиг.4a, d, g. Здесь соотношение между высотой δ1 свободного участка боковой поверхности 4 и высотой δ2 боковой поверхности, имеющей отражающую способность (благодаря частичному заполнению промежутков между столбиками материалом 7 или слою 8, нанесенному на боковую поверхность столбиков), должно быть в пользу последней, то есть соблюдаться условие δ1<δ2.The present invention provides a design that can be flexibly adjusted to various consumer conditions. Such conditions may be the choice of a certain type of particle-exciter of radiation, taking into account their energy in relation to a particular case and a certain material (in particular, phosphor) from which it is necessary to make a columnar structure. In one case, the energy and nature of the used radiation excitation particles allows us to confine ourselves to small surfaces for penetration into the column material. In this case, the ability of the columnar structure, which allows radiation without loss of energy along the axis of the column (the above-mentioned light guide property of the columnar structure: total internal reflection of the propagated radiation), may be more needed. To implement the design of this particular case, it is advisable to use its variant, depicted in figa, d, g. Here, the ratio between the height δ 1 of the free portion of the
В другом случае, когда энергия частиц-возбудителей излучения недостаточно велика, и в первую очередь необходимо обеспечить генерацию как можно большего количества квантов излучения в материале столбика, но при этом решить задачу по достижению контрастности изображения на внешней стороне прозрачной подложки, соотношение между рассмотренными выше высотами может приобрести иной вид: δ1>δ2. Такой вариант конструкции изображен на фиг.4c, f, i. В случае отсутствия особых потребительских условий, указанных выше, конструкция может иметь промежуточный вариант исполнения 4b, e, h, при этом справедливо условие δ1≈δ2.In another case, when the energy of the radiation exciter particles is not large enough, and first of all it is necessary to ensure the generation of as many radiation quanta as possible in the column material, but at the same time solve the problem of achieving image contrast on the outer side of the transparent substrate, the ratio between the heights discussed above may acquire a different form: δ 1 > δ 2 . Such an embodiment is shown in FIG. 4c, f, i. In the absence of special consumer conditions specified above, the design may have an intermediate version of 4b, e, h, and the condition δ 1 ≈δ 2 is true.
Таким образом, результат достигается благодаря использованию части боковых поверхностей столбчатых структур в процессе поглощения частиц и последующей генерации излучения с сохранением способности столбчатых структурах к эффективной передаче такого излучения при его распространении в них посредством полного внутреннего отражения. “Вертикальная” составляющая участка материала столбчатой структуры (в частности, люминофора), которая представлена частью боковой поверхности столбика, позволяет увеличить количество квантов излучаемой энергии, получаемой с единицы площади излучаемой поверхности.Thus, the result is achieved through the use of part of the side surfaces of columnar structures in the process of particle absorption and subsequent generation of radiation while maintaining the ability of columnar structures to effectively transmit such radiation when it propagates through them through total internal reflection. The “vertical” component of the material section of the columnar structure (in particular, the phosphor), which is represented by part of the side surface of the column, allows you to increase the number of quanta of radiated energy obtained from a unit area of the emitted surface.
В качестве типичного примера исполнения настоящего изобретения следует рассмотреть конструкцию столбчатой структуры для реализации катодолюминесценции. На стеклянной (либо, например, кварцевой, нитрида кремния, сапфировой или др.) подложке 1 (Фиг.5а) на некотором расстоянии друг от друга (с зазором 6) расположены столбики 2, представляющие столбчатую структуру катодолюминесцентного экрана. Один торец (внутренний) 10 каждого столбика прикреплен к указанной стеклянной светопроводящей подложке 1. Другой торец (внешний) 9 каждого столбика свободен и обращен к источнику электронов - катоду. При этом сама структура экрана является анодом. Если в качестве материала 2 столбчатой структуры использовать такой люминофор, как ZnO:Zn, то в качестве покрытия 8 на боковой поверхности 4 и внешнем торце 9, прозрачного для потока электронов 11 (как частиц-возбудителей генерации), можно использовать металлическую пленку из Zn (или Al). Она дополнительно будут служить активатором, наряду с частицами Zn, расположенными в массиве материала ZnO. По этому же слою отводится электрический заряд, накапливаемый при бомбардировке материала люминофора, из которого изготовлен столбик. Наличие светоотражающей металлической пленки на боковой поверхности столбика 8 и его внешнем торце 9 обеспечивает полное отражение всего сгенерированного в материале люминофора электромагнитного излучения - фотонов, которые имеют возможность выхода из указанного материала только через внутренний торец 10, обращенный к подложке и далее через подложку.As a typical embodiment of the present invention, a columnar structure for implementing cathodoluminescence should be considered. On a glass (or, for example, quartz, silicon nitride, sapphire or other) substrate 1 (Fig. 5a) at a certain distance from each other (with a gap of 6) there are
Электроны 11, падающие на столбчатую структуру под углами и попадающие в промежуток между столбиками, имеют разную перспективу. Часть из них 13, попадающие на боковую поверхность столбика, покрытого Zn, под достаточно большим углом, имеют шансы проникнуть через указанный слой металла в массив материала люминофора и генерировать 11а квант излучения, который имеет направление распространения 12. Другая часть 14 с малыми углами к боковой поверхности столбиков не преодолевает барьер из металла Zn, значительное время пролетая вдоль такой поверхности и взаимодействуя с ней.
Настоящий вариант исполнения предложенной конструкции может быть трансформирован из катодолюминесцентного экрана “на просвет” в катодолюминесцентный экран “на отражение”. В этом случае (Фиг.5b) светоотражающее покрытие на поверхности внешнего торца 9 отсутствует, а на внутренней стороне стеклянной подложки 15 такое покрытие имеет место. Так же возможен вариант, когда вместо покрытия на внутренней стороне подложки 15 оно имеется на внешней стороне подложки 16 (Фиг.5с). В таких случаях генерируемые в материале люминофора фотоны отражаются от всех светоотражающих поверхностей столбика и выходят 17 из него через его внешний торец 9. Таким образом, выходят они через тот же торец, через который электроны попадают в материал люминофора.The present embodiment of the proposed design can be transformed from a cathodoluminescent screen “to the light” into a cathodoluminescent screen “to the reflection”. In this case (Fig. 5b), there is no reflective coating on the surface of the
Другим примером исполнения настоящего изобретения следует рассмотреть конструкцию столбчатой структуры для реализации источника света. Как и в предыдущем примере, на стеклянной подложке 1 (Фиг.6) на некотором расстоянии друг от друга расположены столбики 2, представляющие столбчатую структуру источника света. Один торец (внутренний) 10 каждого столбика прикреплен к указанной стеклянной светопроводящей подложке 1. Другой торец (внешний) 9 каждого столбика свободен и обращен к источнику фотонов - диоду или иному источнику электромагнитного излучения. В качестве диода можно использовать, например, на основе соединений GaNInN. Если в качестве материала 2 столбчатой структуры использовать гранатовый (стоксовский) люминофор, как, например. Y3Al5O12:Ce или CdSZnS:Ag, то в качестве покрытия 8 на боковой поверхности 4 можно использовать металлическую пленку из Al (Pt, Ag или др.), предварительно подготовив поверхность при помощи напыления Cr. Генерируемый диодом поток фотонов 11 со спектром излучения от ультрафиолетового (УФ) до синего, попадая в материал люминофора, претерпевает трансформацию. Фотоны УФ излучения 11 генерируют 11а в материале указанного люминофора кванты излучения (имеющего направление распространения 12), соответствующие желтому цвету. При наложении этого излучения с квантами синего цвета 18 получается интегральный (сложенный) результат - белый цвет 19. Светоотражающий материал в такой конструкции имеется лишь на части боковой поверхности столбика, что обеспечивает эффективное использование поверхности столбика (в том числе и части боковой) для проникания частиц-возбудителей излучения (генерирующих кванты электромагнитного излучения внутри столбика люминофора) и канализирования сгенерированного в материале люминофора электромагнитного излучения - фотонов вдоль столбика, подобно световоду. Такое излучение выходит из указанного материала через внутренний торец 10, обращенный к подложке и далее через подложку. Часть излучения имеет возможность выхода из материала люминофора и через внешний торец 9 столбика. На этом торце светоотражающее покрытие отсутствует, так же как и отсутствует часть покрытия на боковой поверхности, вблизи внешнего торца 9 столбика. Это связано с тем, что фотоны, необходимые для генерации и суммирования итогового излучения, выходящего из столбика-люминофора, должны проникать в материал люминофора через внешний торец 9 столбика и через часть боковой поверхности.Another exemplary embodiment of the present invention should consider the construction of a columnar structure for realizing a light source. As in the previous example, on the glass substrate 1 (Fig.6) at a certain distance from each other are
В качестве примера способа изготовления столбчатой структуры согласно настоящего изобретения можно рассмотреть следующий. На поверхность подложки наносится вещество, например Cr, которое образует соединение с материалом подложки. В результате на поверхности подложки образуются островки 20 (Фиг.7а), которые “разрывают” химические связи на этой поверхности, создавая шероховатость поверхности. Это важно особенно для таких материалов, как стекло. Благодаря таким островкам 20 напыляемый затем в малом количестве тугоплавкий материал 21 имеет возможность закрепиться на гладкой поверхности (Фиг.7b). Таким материалом может служить любое тугоплавкое вещество, например Pt. После нанесения на такую поверхность материала-катализатора 22а (Фиг.7с) (посредством литографии или напыления через маску), например Cu, (или Ag, Au, Al и т.д.) и последующего нагрева достигается эффект, являющийся важным при создании столбчатой структуры, которой задается конкретное распределение на поверхности подложки. Суть эффекта в том, чтобы капля металла-катализатора приобрела форму 22b (Фиг.7d), близкую к сферической, при этом практически не сместившись от заданного положения. Это достигается благодаря тому, что более тугоплавкий материал Pt при температурах, когда менее тугоплавкий материал сплавляется, образуя каплю, сохраняет свое состояние и положение неизменным 21 (Фиг.7d). Благодаря этому у капли снижается способность к перемещению по гладкой поверхности, то есть происходит “закрепление” ее в заданной точке поверхности, и она приобретает форму сферы, не разбиваясь на фрагменты. После этого осуществляется осаждение из газовой фазы материала вещества 23 (Фиг.8) будущего столбика 2, который по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК) приобретает структуру монокристалла. Получаемая описанным способом, структура приобретает более совершенные формы, чем полученные согласно [2]. Эффект этот виден при сравнении структуры, полученной благодаря описанному способу и изображенной на фотографии фиг.3b, со структурой, полученной согласно [2] и изображенной на фотографии фиг.9. Как видно из фотографий, структура, изображенная на фиг.9, имеет упорядоченный характер, то есть при ее изготовлении использовался один из способов задания положения капли. Однако способ создания такой структуры несовершенен, результатом чего явилось наличие разных по формам и размерам (условным диаметрам) столбиков. Способ, который предложен настоящим изобретением, позволяет формировать практически одинаковые излучающие элементы столбчатой структуры и четко в заданных точках поверхности подложки (Фиг.3b).As an example of a method for manufacturing a columnar structure according to the present invention, the following can be considered. A substance, such as Cr, is deposited on the surface of the substrate, which forms a compound with the substrate material. As a result,
При создании столбчатой структуры согласно настоящему изобретению металл-катализатор может быть выбран таким образом, что он будет являться для будущего люминофора активатором генерации излучения (если в газовой фазе материала активатора будет мало или его не будет вовсе). Это может быть не только один материал, то есть в качестве металла-катализатора может быть использован и сплав различных металлов и иных химических элементов. В процессе роста он будет захватываться формирующейся структурой столбика. Причем в зависимости от выбранного режима роста количество “захватываемого” материала активатора-катализатора можно варьировать. Если в качестве материала-катализатора роста по методу ПЖК применяется вещество, не являющееся будущим активатором для получаемого таким образом материала столбика 2 (Фиг.8), то после формирования столбика 2 такой материал удаляется любым из известных доступных способов (например, травлением или испарением). В таком случае внедрение материала-активатора возможно осуществить путем ионной имплантации или напылением материала активатора на поверхность столбиков и последующим отжигом его для внедрения в поверхность столбиков, или другим известным доступным образом. Также возможно на определенном этапе создания столбика осуществить внесение в материал катализатора необходимого активатора. Это особенно важно при создании источников света с узконаправленными лучами испускаемого излучения, как это описано выше.When creating a columnar structure according to the present invention, the metal catalyst can be selected so that it will be an activator of radiation generation for the future phosphor (if there is little or no activator material in the gas phase). This can be not only one material, that is, an alloy of various metals and other chemical elements can also be used as a metal catalyst. During growth, it will be captured by the emerging column structure. Moreover, depending on the selected growth mode, the amount of “captured” activator-catalyst material can be varied. If a substance that is not a future activator for the thus obtained column material 2 (Fig. 8) is used as a growth catalyst material by the PZhK method, then after the formation of
Далее для реализации одного из вариантов создания столбчатой структуры производят напыление из источника 24 на внешние торцы 9, боковые поверхности столбиков и часть 1а поверхности подложки (Фиг.10) с одновременным вращением 25 подложки относительно оси, перпендикулярной плоскости подложки. Полученная таким образом структура подходит для генерации излучения в материале столбиков за счет проникновения частиц, для которых нанесенный слой 8 прозрачен. Например, для случая применения столбчатой структуры в качестве катодолюминесцентного экрана: электроны способны проникать через тонкий слой металла. Если же для генерации излучения в материале (люминофоре) столбика используются кванты электромагнитного излучения, например ультрафиолетового диапазона, то поверхности 9 и 4 столбика, покрытые тонким слоем 8 металлической пленки, не будут прозрачны. Для того чтобы сделать часть поверхностей столбика прозрачными для указанных возбудителей генерации, удаляют часть тонкого слоя. Это можно осуществить, например, с помощью разогрева потоком квантов 26 от теплового излучателя 27 (Фиг.11).Further, to implement one of the options for creating a columnar structure, the
Для заполнения пространства между столбиками и получения структур, изображенных на фиг.4(а-с), можно использовать гальванику, предварительно разместив на частях 1а поверхности подложки проводящий материал. Также подобного результата можно достичь, напылив достаточное количество металла на всю столбчатую структуру, затем расплавив ее с помощью теплового излучателя, изображенного на фиг.11, и удалив оставшийся на внешнем торце 9 столбика и части его боковой поверхности металл. При необходимости для создания тонкой пленки металла дополнительно к заполненному металлом пространству после этих операций можно осуществить повторное напыление с помощью способа, изображенного на фиг.10. А затем можно и удалить часть при помощи испарения (такая структура изображена, например, на фиг.4g, h, i).To fill the space between the columns and obtain the structures depicted in Fig. 4 (a-c), it is possible to use electroplating, having previously placed conductive material on
Для получения рентгеновского электронно-оптического преобразователя необходимо в качестве материала столбика использовать CsI. При этом для более эффективного использования всего генерируемого излучения целесообразно использовать столбчатую структуру, представляющую собой столбики, имеющие вдоль их оси разный состав люминофоров 2а и 2b и соответствующих активаторов (Фиг.12). Такая структура может быть эффективна и для катодо-, электро- и фото-люминесцирующих экранов.To obtain an X-ray electron-optical converter, it is necessary to use CsI as the material of the column. Moreover, for a more efficient use of the entire generated radiation, it is advisable to use a columnar structure, which is a column having along their axis a different composition of
Настоящее изобретение может быть использовано и для изготовления оптического дозиметра, содержащего в качестве материала, способного поглотить γ-частицы, тяжелые элементы либо органические соединения, например биокристаллы.The present invention can also be used for the manufacture of an optical dosimeter containing, as a material capable of absorbing γ-particles, heavy elements or organic compounds, for example biocrystals.
Источники информацииInformation sources
1. “Катодолюминесцентный экран”, патент РФ №2144236, 10.01.2000 г.1. “Cathodoluminescent screen”, RF patent No. 2144236, 01/10/2000
2. “Способ изготовления люминесцирующих экранов со столбчатой структурой”, патент РФ №2127465, 10.03.1999 г.2. “A method of manufacturing luminescent screens with a columnar structure”, patent of the Russian Federation No. 2124465, 03/10/1999
3. "Cathodoluminescent screen with a columnar structure …", PCT Application WO 99/22394, 06/05/1999.3. "Cathodoluminescent screen with a columnar structure ...", PCT Application WO 99/22394, 06/05/1999.
4. “Источник белого света”, патент РФ №2214073, 10.10.2003 г.4. “White light source”, RF patent No. 2214073, 10/10/2003
Claims (11)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004128734/28A RU2418340C2 (en) | 2004-09-29 | 2004-09-29 | Column structure and device based on said structure |
PCT/RU2005/000475 WO2006033601A2 (en) | 2004-09-20 | 2005-09-20 | Columnar structure, method for the production thereof and devices based thereon |
EP05798720A EP1801840A4 (en) | 2004-09-20 | 2005-09-20 | Columnar structure, method for the production thereof and devices based thereon |
US11/688,763 US7843122B2 (en) | 2004-09-20 | 2007-03-20 | Columnar structure, method of its production and devices based thereon |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2004128734/28A RU2418340C2 (en) | 2004-09-29 | 2004-09-29 | Column structure and device based on said structure |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004127851 Substitution | 2004-09-20 | 2004-09-20 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2004128734A RU2004128734A (en) | 2006-03-10 |
RU2418340C2 true RU2418340C2 (en) | 2011-05-10 |
Family
ID=36115812
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2004128734/28A RU2418340C2 (en) | 2004-09-20 | 2004-09-29 | Column structure and device based on said structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2418340C2 (en) |
-
2004
- 2004-09-29 RU RU2004128734/28A patent/RU2418340C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2004128734A (en) | 2006-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6489829B2 (en) | Fluorescent light source device | |
US5418377A (en) | Pixelized phosphor | |
US4298820A (en) | Luminescent screen | |
US5302423A (en) | Method for fabricating pixelized phosphors | |
JP5580866B2 (en) | Ultraviolet light generation target, electron beam excited ultraviolet light source, and method for producing ultraviolet light generation target | |
US4287230A (en) | Process for producing a scintillator screen | |
JPS5950195B2 (en) | luminous screen | |
TW200814858A (en) | A method of increasing the conversion efficiency of an EUV and/or soft X-ray lamp and a corresponding apparatus | |
JP5580932B2 (en) | Ultraviolet light generation target, electron beam excited ultraviolet light source, and method for producing ultraviolet light generation target | |
JP2005009872A (en) | Scintillation plate and manufacturing method thereof | |
EP0645778A1 (en) | Process for forming a phosphor | |
US8040931B2 (en) | Dual layer color-center patterned light source | |
RU2418340C2 (en) | Column structure and device based on said structure | |
WO2006033601A2 (en) | Columnar structure, method for the production thereof and devices based thereon | |
JP6029926B2 (en) | Ultraviolet light generation target, electron beam excited ultraviolet light source, and method for producing ultraviolet light generation target | |
JPH0689075A (en) | Production of display device and fluorescent screen used therein | |
CN107615442B (en) | Target for ultraviolet light generation and method for producing same | |
RU2144236C1 (en) | Cathodic luminescent screen | |
JPH11266055A (en) | Semiconductor light-emitting device and manufacture thereof | |
JP6747285B2 (en) | Light emitting device, fluorescent light source device | |
Vanderwerf et al. | Natural and Artificial Sources of Light | |
JP2002298753A (en) | Manufacturing method for thin film light emitting element | |
Bonfigli et al. | Optical emitters based on color centers in lithium fluoride exposed by soft x-ray radiation | |
JP2004079518A (en) | Manufacturing method of thin film shape light emitting element | |
JP2019096441A (en) | Planar light emitter, illumination device and information display device using the same, and manufacturing method for planar light emitter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20100905 |
|
FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20100824 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110228 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20120720 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130930 |