DE10206330A1 - Verfahren zur Aufbringung von Keramikschichten auf ein Substrat - Google Patents

Verfahren zur Aufbringung von Keramikschichten auf ein Substrat

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Abstract

Leuchtstoffschichten und andere anorganische Funktionsschichten werden als keramische und zusammenhängende Schicht mit Hilfe der Flammenpyrolyse abgeschieden. Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Schichten können sich vorteilhaft von herkömmlichen Leuchtstoffschichten unterscheiden. Neuartige stoffliche Zusammensetzungen sind darstellbar.

Description

  • In dieser Anmeldung wird ein neuartiges Verfahren zur Aufbringung von keramischen Schichten auf ein Substrat beschrieben. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Aufbringung von anorganischen Leuchtstoffbeschichtungen auf Glassubstrate. Dabei wird das Material aus einer Flamme heraus abgeschieden. Die Synthese des Materials findet durch Pyrolyse von geeigneten Ausgangssubstanzen in der Flammenzone statt. Die hier beschriebenen Schichten sind hart und mechanisch zusammenhängend.
    • Stand der Technik
  • Leuchtstoffschichten finden verbreitet z. B. in Leuchtstoffröhren oder Bildschirmröhren Verwendung. Die Aufbringung der anorganischen Leuchtstoffkristallpulver findet häufig durch einen Aufschlemmprozess statt. Dabei wird eine wässrige Dispersion des fertig vorbereiteten Pulvers auf die Oberfläche aufgetragen und getrocknet. Die zurückbleibende Pulverschicht ist häufig noch mit anorganischen Haftvermittlern versetzt, somit entsteht eine selbsttragende Leuchtstoffbeschichtung. Allerdings stellt diese Schicht - wie eine Staubschicht - immer noch einen recht lockeren Verbund dar, der keineswegs mechanischen Belastungen ausgesetzt werden darf.
  • Auch andere anorganische Funktionsschichten - insbesondere mit Verwendung in der Beleuchtungstechnik - werden häufig aufgeschlemmt. Genannt seien hier beispielsweise Wärmereflexionsschichten auf SnO2-Basis.
    • Das neuartige Verfahren und die Vorteile
  • Das hier vorgestellte Verfahren der Flammenpyrolyse von Funktionsschichten für die Lichttechnik liefert Schichten mit neuartigen und vorteiligen Eigenschaften:
    • - Die Schichten haften fest am Substrat und die Körner halten untereinander zusammen. Es handelt sich somit um eine dünne Keramikschicht und nicht um eine Pulverschicht.
    • - Die mechanischen Eigenschaften der Leuchtstoffschichten, insbesondere Wisch- und Vibrationsfestigkeit, sind entsprechend besser.
    • - Die optischen Eigenschaften sind wegen der höheren Dichte ebenfalls besser: Die Transparenz nimmt gegenüber Pulver zu und die Lichtstreuung nimmt ab.
    • - Die elektronischen Eigenschaften können wegen einer verbesserten Oberflächenabschließung ebenfalls günstiger ausfallen, dies äußert sich in höheren Quantenwirkungsgraden und längerer Lebensdauer von keramischen Leuchtstoffschichten.
    • - Der Beschichtungsvorgang erlaubt schnell wechselnde Schichtzusammensetzungen, somit können neuartige vertikale und/oder laterale Keramikstrukturen geschrieben werden.
    • - Der Beschichtungsvorgang erlaubt chemisch neuartige Materialzusammensetzungen, somit können entsprechend neuartige Funktionsstoffe synthetisiert werden.
    Beschreibung des Verfahrens
  • Eine Verbrennungsdüse (1) ist derart gestaltet, dass mehrere Gase und Flüssigkeiten in eine Verbrennungsflamme (2) eingebracht werden können. In der Zeichnung ist exemplarisch eine koaxiale Geometrie dargestellt. Dabei werden die Flüssigkeiten vorzugsweise aus Düsen (3) zu einem feinen Nebel (4) versprüht. Insgesamt ist eine innige Durchmischung der eingebrachten Medien in der Flammenzone (2) wünschenswert. Eine beispielhafte Zusammenstellung von Medien sieht etwa so aus:
    Als Gase werden Sauerstoff (5) und ein Brenngas (6) auf Kohlenwasserstoffbasis (z. B. Acetylen) im richtigem Verhältnis in die koaxiale Düse eingebracht. Die Flüssigkeit ist Wasser, in dem sich wasserlösliche Salze (z. B. unter anderem Yttriumchlorid) in einer eingestellten Zusammensetzung befinden. Die Salzlösung wird als feiner Nebel in die Mischzone der Gase (2) eingesprüht. Bei Zündung der Flamme stellen sich extrem hohe Temperaturen ein, der Salznebel wird in kristalline Oxidpartikel mit der vorgesehenen Zusammensetzung überführt. Aufgrund der hohen Temperaturen in der Gasphase erfolgt dieser Prozeß sehr schnell, zudem haften die Partikel aneinander und bilden die o. a. Keramikschicht (8). Die Flamme wird auf die zu beschichtenden Oberflächen (7) gerichtet.
  • Bei Vorliegen von in der Lösung unverträglicher Komponenten (z. B. Phosphat und Yttrium) können mehrere verschiedene Lösungen über mehrere Düsen (3) in die Flamme eingesprüht werden, z. B. Yttriumchlorid und wässerige Phosphorsäure.
  • Auch durch Wahl von besonderen Brenngasen (6) bzw. Beimischungen (z. B. Phosphin oder Organophosphine) können chemisch aktive Komponenten in die Leuchtstoff-Keramik eingebracht werden (hier zur Darstellung von Phosphaten).
  • Durch Modifikation bzw. Veränderung der Salzinjektionen können chemisch sehr verschiedene Schichten vertikal übereinander gewachsen werden. In der Flamme können sowohl oxidierende (bei Sauerstoffüberschuss) als auch reduzierende (bei Sauerstoffmangel) Milieus dargestellt werden. Diese Eigenschaft ist interessant für die Synthese von Terbium- oder Cer-haltigen Leuchtstoffen.
  • Das Verfahren erlaubt aufgrund der sehr hohen Synthesetemperaturen und hohen Abkühlungsraten auch die Darstellung von exotischen oder gar nur metastabilen Leuchtstoff- Substanzen.
  • Auch andere Funktionsmaterialien können mit diesem Verfahren abgeschieden werden. Genannt seien:
    • - Leitfähige Oxidschichten (z. B. ITO)
    • - Hochtemperatur-Supraleiter (auch metastabile Phasen)
    • - Dielektrische, piezoelektrische, ferroelektrische oder magnetische Schichten
    • - Schichten mit besonderen mechanischen, optischen oder chemischen Eigenschaften

Claims (9)

1. Verfahren zur Aufbringung von anorganischen Keramikschichten auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikpartikel oder -Molekel insbesondere mit Leuchtstoffzusammensetzung aus einer Flamme (2) zu einer keramikartigen Schicht (8) auf ein Substrat (7) - insbesondere Glassubstrat - abgeschieden werden und dass die Synthese der Leuchtstoffpartikel in situ in der Flamme erfolgt, indem flüssige Lösungen von Ausgangssubstanzen als Sprühnebel (4) oder entsprechende gasförmige Bestandteile (5, 6) in die Flamme eingebracht werden.
2. Verfahren zur Aufbringung von keramischen Schichten insbesondere mit Leuchtstoffeigenschaften auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme mit einem Brenngas (6) vorzugsweise auf Kohlenwasserstoffbasis und Sauerstoff bzw. Luft (5) gespeist wird und in die Mischzone der Gase aus einer oder mehrerer Düsen (3) ein Nebel (4) einer Lösung aus Ausgangsmaterialien eingesprüht wird.
3. Verfahren zur Aufbringung von keramischen Schichten insbesondere mit Leuchtstoffeigenschaften auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der sehr hohen Temperaturen und Abkühlgeschwindigkeiten auch neuartige und metastabile Substanzen herstellbar sind.
4. Verfahren zur Aufbringung von keramischen Schichten insbesondere mit Leuchtstoffeigenschaften auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einbringung von entsprechenden Ausgangssubstanzen als Lösungsnebel oder Gas nahezu alle bekannten Leuchtstoffe und auch andere oxidische Funktionsmaterialien synthetisiert werden können.
5. Verfahren zur Aufbringung von keramischen Schichten insbesondere mit Leuchtstoffeigenschaften auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Flamme abgeschiedenen Schichten (8) auf dem Substrat (7) haften und die Partikel wie bei einer Keramik aneinander haften.
6. Verfahren zur Aufbringung von keramischen Schichten insbesondere mit Leuchtstoffeigenschaften auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten verbesserte mechanische, optische und elektronische Eigenschaften haben.
7. Verfahren zur Aufbringung von keramischen Schichten insbesondere mit Leuchtstoffeigenschaften auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsvorgang über die Injektion von Ausgangssubstanzen gut steuerbar ist und schnell wechselnde Materialzusammensetzungen in lateraler und/oder vertikaler Richtung aufgebracht werden können.
8. Verfahren zur Aufbringung von keramischen Schichten insbesondere mit Leuchtstoffeigenschaften auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl oxidierende als auch reduzierende Flammenmilieus eingestellt werden können und somit entsprechende Leuchtstoffe darstellbar sind.
9. Verfahren zur Aufbringung von keramischen Schichten insbesondere mit Leuchtstoffeigenschaften auf ein Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass auch andere keramische Funktionsschichten, z. B. leitfähige Oxidschichten (z. B. ITO), Hochtemperatur-Supraleiter (auch metastabile Phasen) dielektrische, piezoelektrische, ferroelektrische oder magnetische Schichten, Schichten mit besonderen mechanischen, optischen oder chemischen Eigenschaften vorteilhaft mit diesem Verfahren darstellbar sind.
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