CZ287498B6 - Frittable evaporable getter unit having a high yield of barium - Google Patents

Description

Fritovatelná jednotka s odpařitelným getrem o vysokém výtěžku barya

Oblast techniky

Vynález se týká fritovatelné jednotky s odpařitelným getrem o vysokém výtěžku barya.

Dosavadní stav techniky

Jak je známo, odpařitelné getry jsou využívány hlavně pro udržení vakua uvnitř obrazovek televizních přijímačů a obrazovek počítačů. Zkoumá se také použití odpařitelného getru uvnitř plochých displejů, které jsou ve fázi vývoje.

Materiálem pro getr, který je obecně používán v obrazovkách, je kovové baryum, které je deponováno ve formě tenkého filmu na vnitřní stěně elektronky. Pro vytvoření takového filmu jsou používána zařízení, známá v této oblasti techniky jako jednotky pro odpařitelný getr, které jsou vkládány do obrazovek během jejich výroby. Tyto jednotky jsou tvořeny otevřeným kovovým zásobníkem, obsahujícím uvnitř prášky sloučeniny barya a hliníku, BaAI₄, a niklové, Ni, prášky v hmotnostním poměru asi 1:1. Baryum je odpařeno indukčním záhřevem jednotky prostřednictvím cívky, která je mimo vlastní obrazovku, při aktivačním procesu, také označeném jako „záblesk“ („flash“); když teplota prášku dosáhne hodnoty asi 800 °C, dochází k následující reakci:

BaAl₄ + 4 Ni -> Ba + 4 NiAl (I)

Tato reakce je silně exotermní a dosahuje se při ní teplota prášku až asi 1 200 °C, při které dochází k odpaření barya; baryové páry pak sublimují a usazují se na stěnách elektronek, přičemž vzniká kovový film. Jednotky s odpařitelným getrem jsou dobře známé v oboru; například patent US 5 118 988, podaný přihlašovatelem, popisuje getrové jednotky, ve kterých jsou vytvořeny na volném povrchu paketu prášků prohlubně pro zpomalení vytváření tepla po obvodu paketu, což dovoluje řízený záblesk barya. Patent US 3 558 962 popisuje getrovou jednotku, ve které je uložen kovový prvek, výhodně drátěná síťka, v paketu prášků v generické poloze z důvodu dosažení jednotné teploty uvnitř paketu prášků.

Výroba obrazovek, je tradičního, tak plochého typu, zahrnuje krok vzájemného tavení dvou skleněných částí, který je prováděn v tak zvané „frit sealing“ („fritovací“) operaci, působením skelné pasty s teplotou tání asi 450 °C, která je roztavena nebo změkčena mezi těmito dvěma částmi v přítomnosti vzduchu. U tradičních obrazovek může být getrová jednotka zavedena po zafritování ústím, vytvořeným pro umístění emitoru elektronů; avšak v tomto případě je velikost getrové jednotky omezena průměrem ústí a přesné umístění zařízení v obrazovce je obtížné. Na druhé straně v případě plochých displejů je prakticky nemožné umístit getrovou jednotku po provedení kroku zafritování. V důsledku toho se mezi výrobci obrazovek stále více projevuje tendence zavádění getrových jednotek před zafritováním. Během kroku zafritování je getrová jednotka vystavena teplotě asi 450 °C, působení atmosférických plynů a par, uvolněných ze skelné pasty o nízké teplotě tání. Hlavním důsledkem je povrchová oxidace niklu. Během baryového záblesku oxid niklu s hliníkem poskytuje silně exotermní reakci, která je obtížně kontrolovatelná: to může vést k vystupování paketu prášků, k tomu, že se z něho odloučí jeho kousky nebo k tomu, že se částečně roztaví zásobník, což je na škodu správné funkci getrové jednotky a elektronky jako takové. Tyto problémy mohou být teoreticky odstraněny menším plněním prášku do jednotky během zábleskové operace; to by mohlo vést k lépe řízenému odpaření barya, ovšem při delší době odpaření, což je nepřijatelné pro průmysl, který se zabývá výrobou obrazovek.

-1 CZ 287498 B6

Jednotka s odpařitelným getrem, která může přečkat zafritování beze změn, nebo bez způsobení výše uvedených nedostatků, je označována jako „fritovatelná“.

Fritovatelné getrové jednotky jsou již vyráběny a prodávány přihlašovatelem. Tyto jednotky mohou být vyráběny tradičními technologiemi, pokud se nepřesáhnou určité kritické hodnoty: zvláště není možné jít mimo určitou danou tloušťku práškového paketu, protože při příliš velké tloušťce se teplo, vytvořené v tělese práškového paketu, rozptyluje pouze pomalu, což dává vzniknout výše uvedeným problémům. Empiricky bylo zjištěno, že poměr mezi baryem, obsaženým v jednotce, udávaném v mg, a průměrem zařízení, udávaném v mm, nesmí být více než asi 10. Z důvodů, souvisejících s výrobou obrazovek, je maximální možný průměr getrové jednotky asi 20 mm, takže maximální množství barya, které může být odpařeno z fritovatelné getrové jednotky, vyrobené tradičními technologiemi, je asi 200 mg. Avšak obrazovky o větších velikostech vyžadují alespoň 300 mg odpařeného barya a takovýto požadavek nelze splnit pomocí fritovatelných jednotek podle dosavadního stavu techniky. Fritovatelné getrové jednotky, schopné vypaření množství barya, přesahujícího 200 mg, budou dále v popise a v nárocích označovány jako „vysokovýtěžné“.

I u řešení, která jsou součástí stavu techniky, která dovolují dosáhnout výtečných výsledků v případě nefritovatelných getrových jednotek, není možné získat fritovatelné getrové jednotky o vysoké výtěžnosti: vytvořením radiálních prohlubní na povrchu paketu prášků, jak je popsáno ve zmiňovaném patentu US 5 118 988, operace odpaření barya po zafritování způsobuje nadouvání samotného paketu nebo uvolňování jeho obsahu. V jednotkách podle patentu US 3 558 962 je kovový prvek, výhodně drátěná síťka, vložen do paketu s prášky v generické pozici. Je tu popsán případ, ve kterém je síťka v kontaktu se dnem zásobníku nebo dokonce přivařená ke dnu, nebo přitlačena na volném povrchu paketu s prášky. Také v tomto případě obě tyto pozice síťky nedovolují získat fritovatelné getrové jednotky, což zapříčiňuje výše uvedené problémy.

Výroba fritovatelných getrových jednotek bez rozměrových omezení a následkem toho s vysokou výtěžností jednotky je předmětem různých patentů.

Patentový spis 4 127 361, který je v majetku přihlašovatele, popisuje getrovou jednotku, která se může stát fritovatelnou prostřednictvím ochranné vrstvy organosilanů; nehledě na svou účinnost, tento povlékací způsob je příliš pomalý a proto nepřijatelný pro průmyslovou výrobu.

Patent US 4 342 662 a patent JP Hei 2-6185, oba patenty firmy Toshiba, popisují jednotky s odpařitelným getrem, které jsou fritovatelné (dále také jednoduše označované jako fritovatelné getrové jednotky), získané zapouzdřením celého paketu prášků filmem oxidu boritého, připomínajícím sklo, obsahujícím až 7 % oxidu křemičitého, nebo obsahujícím nikl pouze se sklu podobným filmem oxidu boritého. Výroba těchto zařízení je však obtížná, protože film musí mít regulovanou a reprodukovatelnou tloušťku.

Předmětem tohoto vynálezu je poskytnutí jednotky s odpařitelným getrem, která nemá nedostatky zařízení, známých z dosavadního stavu techniky.

Podstata vynálezu

Podle vynálezu je tohoto cíle dosaženo fritovatelnou jednotkou s odpařitelným getrem o vysokém výtěžku barya, které obsahuje:

- nahoře otevřený kovový zásobník;

- směs prášků BaAl₄ a niklu v zásobníku, formovanou jako paket, na jehož vršku jsou na povrchu vytvořeny radiální prohlubně;

- diskontinuální kovový prvek v podstatě rovinného tvaru a v podstatě rovnoběžný se dnem zásobníku;

-2CZ 287498 B6 který je charakterizován tím, že kovový prvek je uložen v paketu prášků v pozici, kde je oddělen ode dna zásobníku a tak, aby se nevynořoval na volném povrchu samotného paketu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále popsán s odkazem na obrázky, kde:

- obrázek 1 uvádí několik možných provedení diskontinuálního kovového prvku, který může být použit v jednotce podle vynálezu;

- obrázky 2 až 6 ukazují příčný řez několika možnými provedeními getrové jednotky podle vynálezu.

Pro účely tohoto vynálezu je nezbytné, aby byl kovový prvek uložen v paketu prášků v takové pozici, aby byl oddělen ode dna a nevynořoval se na povrchu. Ve skutečnosti k indukčnímu záhřevu getrové jednotky dochází hlavně prostřednictvím zásobníku a kovového prvku, uloženého do prášku, které poté převádějí teplo do práškových materiálů getru. Bylo pozorováno, že v oblastech kontaktu mezi kovovým prvkem a dnem zásobníku je transfer tepla do prášků málo účinný a dochází k lokálnímu přehřívání; pokud je těchto oblastí příliš mnoho, nebojsou příliš rozsáhlé, následkem toho roste nerozptýlené teplo v paketu prášků a v některých případech způsobuje tavení částí jednotky. Naopak, pokud se kovový prvek vynoří na volný povrch paketu, je samotný povrch rozdělen na podprostory, které jsou k sobě vzájemně špatně vázány a během záblesku jsou vyhozeny dovnitř obrazovky.

Kovový prvek může být vyroben z různých kovů, jako jsou slitiny železa, slitiny niklu nebo hliníkové slitiny, výhodně se používá oceli AISI 304 pro její dobrou zpracovatelnost za studená.

Kovový prvek může mít různé tvary za splnění podmínky, že je diskontinuální a v podstatě plošný.

Podmínka diskontinuity je nezbytná, protože prvek nesmí bránit uvolňování par barya, produkovaných v části prášků mezi samotným prvkem a dnem zásobníku. Tuto podmínku splňují nejrůznější geometrické tvary. Některá možná provedení jsou uvedena na obrázku 1: například může být kovový prvek vytvořen jako kovová přepážka o paprskovitém tvaru, jako prvek _10 na obrázku, který má centrální otvor pro napomáhání uvolňování barya z prášků pod ním; může to být přepážka s množstvím děr, rozložených na povrchu náhodně nebo uspořádaně, jak je uvedeno na příkladu prvku 12; nebo může představovat drátěnou síťku, jak je popsáno ve zmiňovaném patentu US 3 558 962.

Prvek musí být v podstatě plochý, aby ho bylo možno umístit v paketu prášků, který má obecně tloušťku několika málo milimetrů, bez kontaktu se dnem zásobníku a bez vystupování na povrch prášků. Podmínka, že kovový prvek nesmí být v kontaktu se dnem zásobníku, může být splněna různými způsoby. Některá provedení jsou uvedena na obrázcích 2 až 6, kde jsou uvedeny v souladu s různými použitými metodami k udržení jejich vzdálenosti ode dna různé kovové prvky, ale každý z různých typů prvků (paprskovitá přepážka, děrovaná přepážka, drátěná síťka a další) může být použit v kterémkoli z dále popsaných uspořádání. Možná provedení getrové jednotky podle vynálezu jsou uvedena na příčných řezech na obrázku 2; tato jednotka 20 je získána vložením první části 22 prášků na dno zásobníku 21, položením plochého kovového prvku 23 na její povrch, a pokrytí tohoto prvku zbývající částí 24 prášků. Nakonec jsou prášky natlačeny do zásobníku tvarovaným razníkem tak, aby se na povrchu paketu 25 vytvořily radiální prohlubně 26, 26’,... . Hmotnostní poměr mezi množstvím prášků, umístěných do zásobníku před a po umístění kovového prvku 23, určuje úroveň prvku uvnitř uvedeného paketu, a proto je vybrán tak, aby prvek nevystupoval na povrch 25 dokonce ani na místech, kde jsou situovány

-3CZ 287498 B6 prohlubně 26, 26’,; dobrých výsledků je obecně dosaženo, pokud tento poměr je mezi asi 1:2 a 1:3. V jiném možném provedení, jehož příklad je uveden na obrázku 3a, může být kovový prvek 33 zformován tak, aby na něm byly vytvořeny místy „patky“ 34 jak je znázorněno na obrázku 3b, který představuje příčný řez getrovou jednotkou 30 podle vynálezu, když je kovový prvek 33 umístěn v zásobníku 31, v němž jsou přítomny prášky 32, a patky 34 ho udržují v předem určené vzdálenosti ode dna 35 zásobníku. Také v tomto případě jsou na povrchu 36 paketu prášků vytvořeny radiální prohlubně 37, 37’,.... Opět, jak je například uvedeno na obrázku 4, který představuje příčný řez jiným možným provedením getrové jednotky _40 podle vynálezu, je možné získat deformace 44 v bočních stěnách 45 zásobníku 41, ve kterém jsou přítomny prášky 42, a položit kovový prvek 43 na deformace 44; na povrchu 46 paketu prášků jsou vytvořeny prohlubně 47, 47’, .... Konečně, jak je uvedeno na obrázku 5, který představuje příčný řez dalším možným provedením getrové jednotky 50 podle vynálezu, je možné vytvořit výstupky 54 na dně 55 zásobníku 51, který obsahuje prášky 52, čímž jsou vytvořeny podpěry, na nichž může spočívat kovový prvek. Také v tomto případě jsou na povrchu 56 paketu prášků vytvořeny prohlubně 57, 57’,.... Tato poslední možnost je výhodná v případě, že je použit zásobník, který má prvky mechanického přichycení paketu prášků, jak je popsáno v patentu US 4 642 516 a uvedeno na obrázku 6: v tomto případě může být kovový prvek 63 pouze plochý a může spočívat na těchto prvcích 64 mechanického uchycení. V těchto případech, jejichž příkladné provedení je na obrázcích 2 až 6, umístění a velikost deformací jak na zásobníku, tak na kovovém prvku, určují pozici prvku a jsou definovány takovým způsobem, aby prvek nevystupoval na povrch paketu prášků ani na místech, kde jsou situovány radiální prohlubně.

Zásobník jednotky podle vynálezu může být vybrán z jakéhokoliv zásobníku, známého ze stavu techniky. Je obecně vyroben z oceli, výhodně typu AISI 304 nebo 305 pro její snadnou zpracovatelnost tlakem za studená a dobrou odolnost proti oxidačním podmínkám během operace zafritování obrazovky. Tento zásobník je v podstatě tvaru krátkého válce, uzavřeného na dně a otevřeného na vrchu, ačkoliv jsou možné různé modifikace tohoto základního tvaru, jako jsou například deformace na dně nebo na bočních stěnách, jak bylo uvedeno výše.

Paket prášků obsahuje směs práškového BaAl₄ a práškového niklu. Velikost částic prášků BaAl₄ je obecně menší než asi 250 gm; velikost částic prášků niklu je obecně nižší než asi 60 pm. Hmotnostní poměr mezi těmito dvěma materiály je obecně mezi asi 1,2:1 a 1:1,2; výhodně je tento hmotnostní poměr asi 1:1. Paket prášků je tvořen lokálně vložením směsi volných prášků do zásobníku a jejich stlačením vhodným razníkem. Na vrchním povrchu paketu je vytvořeno několik prohlubní v radiálním směru v počtu od 2 do 8, jak je popsáno ve zmiňovaném US patentu 5 118 988.

Jednotky podle vynálezu mohou být také vyrobeny ve verzi, obsahující dusík: v oboru je známo použití getrové jednotky, obsahující malá množství sloučenin dusíku, jako je nitrid železa, Fe₄N, nitrid germania Ge₃N₄ nebo směsné nitridy železa a germania. Účelem těchto složek je vytváření malého tlaku dusíku v obrazovce během kroku baryového záblesku, čímž se dosahuje důkladnějšího a jednotnějšího uložení barya.

Vynález bude dále ilustrován následujícími příklady provedení. Tyto neomezující příklady provedení ukazují odborníkům v oboru, jak uvést do praxe tento vynález a předkládají nejlepší způsob jeho praktického užití.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Getrová jednotka byla připravena za použití zásobníku z oceli AISI 304, který má průměr 20 mm a výšku 4 mm, se dnem s výstupky o výšce 1 mm jako ty, které jsou uvedeny na obrázku 5.

-4CZ 287498 B6

Uvnitř zásobníku byla umístěna síťka z oceli AISI 304 s oky velikosti 1,5 mm, která spočívala na výstupcích dna. Do zásobníku byla vložena homogenní směs, která obsahovala 775 mg práškového BaAl₄, při celkovém obsahu barya 403 mg, a 875 mg práškového niklu. Směs prášků byla poté uvnitř zásobníku stlačena razníkem tvarovaným tak, aby vytvářel na povrchu paketu 4 radiální prohlubně. Takto získaný vzorek byl zpracován při 450 °C po dobu 1 hodiny na vzduchu, aby se simulovaly podmínky zafritování. Vzorek byl poté umístěn do skleněné baňky, napojené na čerpací systém, baňka byla evakuována a byl proveden test odpaření barya podle metody, popsané ve standardu ASTM F 111-72 při vysokofrekvenčním záhřevu jednotky po dobu 35 sekund s takovou intenzitou, že odpaření začalo 15 sekund po začátku zahřívání. Výsledek testu je uveden v tabulce 1, ve které jsou uvedeny poznámky k detailům odpaření, množství zbytku a množství odpařeného barya.

Příklad 2

Test podle příkladu 1 byl opakován se směsí, obsahující látku, uvolňující dusík, která obsahovala 785 mg práškového niklu, 825 mg práškového BaAl₄ a 40 mg Fe₄N. Výsledky testu jsou uvedeny v tabulce 1.

Příklad 3 (srovnávací)

Test podle příkladu 1 byl opakován, ale bez použití drátěné síťky v paketu prášků. Výsledky testu jsou uvedeny v tabulce 1.

Příklad 4 (srovnávací)

Test podle příkladu 1 byl opakován, ale s tím, že ke stlačení prášků v zásobníku bylo použito plochého razníku, takže paket neměl radiální prohlubně. Výsledky testu jsou uvedeny v tabulce 1.

Příklad 5 (srovnávací)

Test podle příkladu 1 byl opakován, ale s použitím zásobníku s plochým dnem, což způsobovalo, že drátěná síťka spočívala na jeho dně. Výsledky testu jsou uvedeny v tabulce 1.

Příklad 6 (srovnávací)

Test podle příkladu 1 byl opakován, ale za použití vzorku, ve kterém síťka vystupovala na povrch paketu prášků: tento vzorek byl získán vložením směsi prášků do zásobníku, položením síťky na povrch prášků a stlačením tohoto celku razníkem. Výsledky testu jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1

Příklad	Poznámky
1	neporušený paket; neporušený zásobník; množství odpařeného barya: 300 mg
2	neporušený paket; neporušený zásobník; množství odpařeného barya: 300 mg
3	uvolnění paketu prášků; množství odpařeného barya: nedetekovatelné
4	znatelná středová výduť na paketu prášků; množství odpařeného barya: 300 mg
5	tavení zásobníku; množství odpařeného barya: nedetekovatelné
6	uvolňování kousků z povrchu paketu prášků; množství odpařeného barya: nedetekovatelné

-5CZ 287498 B6

Jak lze usoudit z výsledků v tabulce, pouze jednotky podle vynálezu (příklady 1 a 2) se jeví být fritovatelné, protože nevykazují problémy, spojené svydouváním nebo uvolňováním paketu prášků nebo s tavením zásobníku; navíc tyto jednotky dovolují získat výtěžnost barya 300 mg nebo více. Naopak se všemi jinými jednotkami byly alespoň částečné problémy s vydouváním nebo uvolňováním prášků, nebo dokonce docházelo k tavení celé jednotky.

Claims (15)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Fritovatelná jednotka (20, 30, 40, 50) s odpařitelným getrem o vysokém výtěžku barya, která obsahuje:

   - nahoře otevřený kovový zásobník;

   - směs práškového BaAl₄ a niklu v zásobníku ve formě paketu, na jehož horním povrchu jsou vytvořeny radiální prohlubně;

   - diskontinuální kovový prvek v podstatě rovinného tvaru, v podstatě rovnoběžný se dnem zásobníku;

   vyznačující se tím, že kovový prvek (23, 33, 43, 53) je uložen v paketu (22, 32, 42, 52) prášků v pozici, kdy je oddělen ode dna (35, 55) zásobníku (21, 31, 41, 51) a tak, aby nevystupoval na volný povrch samotného paketu (22, 32, 42, 52).
2. 2. Fritovatelná jednotka podle nároku 1, v y z n a č u j í c í se tím, že kovový prvek (23, 33, 43, 53), vložený do paketu (22, 32, 42, 52) prášků, je vytvořen jako kovová přepážka (10, 12), která má paprskovitý tvar.
3. 3. Fritovatelná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že kovový prvek (23, 33, 43, 53), vložený do paketu (22, 32, 42, 52) prášků, je vytvořen jako kovová přepážka (10, 12), která má na povrchu řadu otvorů.
4. 4. Fritovatelná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že kovový prvek (23, 33,43, 53), vložený do paketu (22, 32,42, 52) prášků, je vytvořen jako drátěná síťka.
5. 5. Fritovatelná jednotka (20) podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje nahoře otevřený zásobník (21); první část paketu (22) práškového BaAl₄ a niklu na dně zásobníku (21); plochý kovový prvek (23), umístěný na první části prášků a pokrytý zbývající částí (24) paketu práškového BaAl₄ a niklu; radiální prohlubně (26, 26’, ... ) na horním povrchu (25) paketu (22) prášků.
6. 6. Fritovatelná jednotka (30) podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje nahoře otevřený zásobník (31); paket (32) práškového BaAl₄ a niklu, uložený v zásobníku (31); kovový prvek (33) s místními deformacemi, tvarovanými jako patky (34), uložený v paketu prášků tak, že patky (34) jsou v kontaktu se dnem (35) zásobníku; radiální prohlubně (37, 37’,... ) na horním povrchu (36) paketu (32) prášků.
7. 7. Fritovatelná jednotka (40) podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje nahoře otevřený zásobník (41) s deformacemi (44) na bočních stěnách (45); paket (42) práškového BaAl₄ a niklu v zásobníku (41); plochý kovový prvek (43), nesený deformacemi (44); radiální prohlubně (47, 47’,... ) na horním povrchu (46) paketu (42) prášků.

   -6CZ 287498 B6
8. 8. Fritovatelná jednotka (50) podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje nahoře otevřený zásobník (51), na jehož dně (55) jsou výstupky (54); paket (52) práškového BaAl₄ a niklu v zásobníku; plochý kovový prvek (53), spočívající na výstupcích; radiální prohlubně (57, 57’,...) na horním povrchu (56) paketu (52) prášků.
9. 9. Fritovatelná jednotka podle nároku 8, vyznačující se tím, že výstupky na dně zásobníku (51) jsou okrouhlé.
10. 10. Fritovatelná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že prášky BaAl₄ maj í velikost částic menší než 250 pm.
11. 11. Fritovatelná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že prášky niklu mají velikost částic menší než 60 pm.
12. 12. Fritovatelná jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že prášky BaAl₄ a niklu jsou přítomny v hmotnostním poměru mezi asi 1,2:1 a 1:1,2.
13. 13. Fritovatelná jednotka podle nároku 12, vyznačující se tím, že prášky BaAl₄ a niklu jsou přítomny v hmotnostním poměru asi 1:1.
14. 14. Fritovatelná jednotka podle nároků 5, 6, 7a 8, vyznačující se tím, že počet prohlubní na povrchu paketu práškuje mezi 2 a 8.
15. 15. Fritovatelnájednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že směs prášků dále obsahuje sloučeninu, uvolňující dusík, vybranou ze skupiny, zahrnující nitrid železa, nitrid germania nebo směsné nitridy železa a germania.