DE2363744B2 - Verfahren zum Herstellen eines lumineszierenden Sulfids - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines lumineszierenden Sulfids

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines lumineszierenden Sulfids aus mindestens einem der Elemente Zink und Kadmium und auf ein in einem derartigen Verfahren gewonnenes lumineszierendem Sulfid. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Kathodenstrahlröhre mit einsm derartigen lumineszierenden Sulfid.
Bekanntlich bilden die Sulfide von Zink und Kadmium und auch die Zinkkadmiumsulfide hervorragende Grundgitter zum Aktivieren mit einwertigen Aktivatormetallen, wie Silber, Kupfer und Gold. Dabei werden Stoffe gewonnen, die beim Anregen durch verschiedenartige Anregungsmittel wie Elektronen, Ultraviolettstrahlung oder Röntgenstrahlung besonders wirksam lumineszieren. Auch die sogenannten selbstaktivierten Sulfide, die keine fremden Aktivatorelemente enthalten, sind wirksame Leuchtstoffe. Es wird angenommen, daß in diesen selbstaktivierten Sulfiden geringe Mengen einwertiger Zink- oder Kadmiumionen vorhanden sind, die die lumineszierenden Zentren bilden. Die lumineszierenden Sulfide werden insbesondere häufig in Kathodenstrahlröhren zum Wiedergeben von Bildern,
z. B. Fernsehbildern sowohl in Schwarzweiß als auch in Farbe, angewandt
Hohe Strahlungsausbeuten können mit den lumineszierenden Sulfiden nur dann erreicht werden, wenn das Aktivatorelement einwandfrei in das Grundgitter eingebaut ist Um einen guten Einbau der erwähnten, einwertigen Aktivatoren in das Grundgitter, das aus zweiwertigen Ionen aufgebaut ist, zu erzielen, ist ein Ladungsausgleich erforderlich. Dieser Ladungsausgleich kann bekanntlich durch gleichzeitiges Einbauen einwertiger Anionen, z. B. von Halogenen, zusammen mit den einwertigen Aktivatorionen in das Grundgitter erzielt werden. Weiter ist es möglich, den erwähnten Ladungsausgleich dadurch zu erzielen, daß in das Grundgitter neben den einwertigen Aktivatorionen auch dreiwertige Kationen eingebaut werden (siehe den Artikel von Kroger und Dikhoff in »Physica XVI, Nr. 3 (1950) Seite 297, und die US-Patentschrift 26 23 858). Hierfür kommen die dreiwertigen Metalle Aluminium, Gallium, Indium, Scandium und die Seltenen Erden in Betracht. Zu den Seltenen Erden werden in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen auch die Elemente Yttrium und Lanthan gerechnet.
Die zum Ladungsausgleich benutzten Elemente werden ira allgemeinen Koaktivatoren genannt. Auch im Falle der selbstaktivierten Sulfide ist zum Gewinnen eines wirksamen Leuchtstoffes das Einbauen eines Koaktivators notwendig. Die Koaktivierung mit Hilfe der erwähnten dreiwertigen Metalle weist gegenüber der Koaktivierung mit Hilfe von Halogenen unter anderem den Vorteil auf, daß das Verhältnis zwischen den Aktivator- und den Koaktivatormengen besser eingestellt werden kann, wodurch sehr gut reproduzierbare Stoffe gewonnen werden.
Die mit dreiwertigen Metallen koaktivierten Sulfide werden im allgemeinen hergestellt, indem ein Reaktionsgemisch, das Zink- und/oder Kadmiumsulfid und die Aktivator- und Koaktivatorelemente enthält, auf hohe Temperatur, l. B. auf eine Temperatur zwischen 950 und 1250° C, erhitzt wird. Diese Erhitzung erfolgt vorzugsweise in einer schwefelhaltigen Atmosphäre, weil in einer derartigen Atmosphäre der dreiwertige Koaktivator gut in das Sulfidgitter aufgenommen wird. Es ist bekannt, dazu während der Erhitzung ein Gasgemisch, das Schwefelwasserstoff (H2S) und/oder Schwefelkohlenstoff (CS2) enthält, durch ein Reaktionsgefäß zu leiten, in dem sich das Reaktionsgemisch befindet. Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß mit einer verhältnismäßig verwickelten Ofenapparatur
gearbeitet werden muß, was zumal bei der Herstellung in größerem Umfange nachteilig ist Ein großer Nachtei! des bekannten Verfahrens ist weiter, daß eine ausgedehnte Anlage erforderlich ist, um das erwähnte Gasgemisch zu gewinnen und zum Ofen zu transportieren. Da das übliche Gasgemisch sehr giftig und übelriechend ist, sind dabei umfangreiche Sicherheitsmaßnahmen notwendig.
Aus der US-Patentschrift 35 95 804 ist ein Verfahren zum Herstellen von mit Aluminium koaktivienen Sulfiden bekannt, bei dem die vorgenannten Nachteile zum größten Teil beseitigt sind. Bei diesem Verfahren wird nämlich die schwefelhaltige Atmosphäre im Reaktionsgefäß selbst während der Erhitzung gebildet Dazu wird das Reaktionsgemisch mit Kohlenstoff, z. B. in Form von Aktivkohlekörnern, und mit Schwefel gemischt Während der Erhitzung wird in dem mit einem Deckel geschlossenen Reaktionsgefäß vorwiegend CS2 aus dem beigemischten Kohlenstoff und Schwefel gebildet Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß nach der Erhitzung eine zusätzliche Pearbeitung, nämlich die Trennung des Reaktionsproduktes von den Kohlenkörnern stattfinden muß. Diese Trennung kann z. B. durch Sieben erfolgen. Eine völlige Abscheidung des Kohlenstoffes aus dem lumineszierenden Sulfid ist jedoch in der Praxis nur schwer durchführbar. Dies ist vorwiegend eine Folge davon, daß das Reaktionsprodukt meistens die Form einer leicht gesinterten Masse hat, die pulverisiert werden muß, wonach die Siebbearbeitung stattfinden kann. Während der Pulverisier- und so Siebvorgänge wird eine Menge feiner Kohlepartikel gebildet, die sich nicht auf einfache Weise vom lumineszierenden Sulfid trennen lassen. Beim Auftragen des lumineszierenden Sulfids auf einen Leuchtschirm, z. B. für eine Kathodenstrahlröhre, findet meistens noch eine weitere Verkleinerung der Kohlepartikel statt Das Vorhandensein von Kohlepartikeln, insbesondere von äußerst feinen Kohiepartikeln, in einem Leuchtschirm ist deshalb störend, weil dadurch ein Teil des emittierten Lichtes absorbiert wird, so daß, z. B. beim Anregen durch Elektronen, eine unerwünschte Herabsetzung der Helligkeit des Leuchtschirmes auftritt.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Herstellung lumineszierender Sulfide zu schaffen, bei dem gleichfalls eine schwefelhaltige Atmosphäre während der Erhitzung im Reaktionsgefäß entsteht, wobei aber die Nachteile des aus der US-Patentschrift 35 95 804 bekannten Verfahrens vermieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines lumineszierenden Sulfids von mindestens einem der Elemente Zink und Kadmium, welches selbstaktiviert oder mit mindestens einem der Elemente Silber, Kupfer und Gold aktiviert und mit mindestens einem der Elemente Aluminium, Gallium, Indium, Scandium und Seltenen Erden koaktiviert ist, wobei ein Reaktionsgemisch (a), das Zinksulfid und/oder Kadmiumsulfid und/oder Zinkkadmiumsulfid und die Aktivator- und Koaktivatorelemente in den gewünschten Mengen in Form von Verbindungen dieser Elemente enthält, sowie ein Stoff (b) aus dem bei Erhitzung eine Kohlenstoff-Schwefel-Verbindung und/oder Schwefelwasserstoff entstehen kann, in ein Reaktionsgefäß gebracht werden, wonach das Reaktionsgefäß geschlossen und anschließend auf eine Temperatur zwischen 950 und 125O0C erhitzt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff (b) durch eine Zwischenwand vom Reaktionsgemisch (a) getrennt in das Reaktionsgefäß eingebracht wird, wobei ein Materialtransport zwischen (b) und (a) über die Gasphase erfolgen kann.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Stoff. aus dem eine Kohlenstcff-Schwefel-Verbindung und/ oder Schwefelwasserstoff entstehen kann, nicht wie bei dem aus der US-Patentschrift 35 95 804 bekannten Verfahren, mit dem Reaktionsgemisch homogen gemischt sondern durch eine Zwischenwand vom Reaktionsgemisch getrennt in das Reaktionsgefäß eingebracht Dabei ist ein Materialtransport zwischen dem Stoff (b) und dem Reaktionsgemisch (a) über die Gasphase möglich. Bei Versuchen, die zur Erfindung geführt haben, hat sich überraschenderweise herausgestellt daß die Bildung der schwefelhaltigen Atmosphäre nicht unbedingt in gleichmäßiger Verteilung über dem Reaktionsgemisch stattzufinden braucht Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die schwefelhaltige Atmosphäre im Reaktionsgefäß örtlich getrennt gebildet wird, werden lumineszierende Sulfide gewonnen, bei denen die dreiwertigen Koaktivatorionen sehr gut in das Kristallgitter eingebaut sind. Das erfindungsgemäße Verfahren hat weiter den Vorteil, daß die gewonnenen kimineszierenden Sulfide nicht mit Kohlenstoffpartikeln verunreinigt sind. Die Helligkeit der erfindungsgemäßen lumineszierenden Sulfide bei Anregung durch Elektronen ist denn auch sehr hoch. Mit diesen Sulfiden können Helligkeiten erreicht werden, die denen der nach bekannten Verfahren durch Erhitzung eines Reaktionsgemisches unter Hindurchleiten von Schwefelwasserstoff bereiteten Sulfiden gleich sind.
Ais Zwischenwand zwischen dem Stoff (b) und dem Reaktionsgemisch (a) kann man z. B. eine Quarzwolleschicht anwenden. Der Stoff (b) wird dann auf dem Boden des Reaktionsgefässes angebracht, wonach die Quarzwolleschicht und darauf das Reaktionsgemisch angebracht werden. Die Quarzwolleabtrennung verhindert eine Verunreinigung des Reaktionsgemisches (a) mit dem Stoff (b) und erlaubt den Transport von Gasen zwischen (a) und (b).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Zwischenwand aus mindestens einem Behälter, der mit einem oder mehreren öffnungen versehen ist Dieser Behälter wird mit dem Stoff (b) gefüllt und im Reaktionsgefäß in der Nähe des Reakticnsgemisches (a) aufgestellt. Bei diesem Verfahren kann der Behälter nach der Erhitzung besonders leicht aus dem Reaktionsgefäß entfernt werden, wonach das Reaktionsprodukt auf bekannte Weise auf Leuchtschirme aufgetragen werden kann.
Der erwähnte Behälter für den Stoff (b) besteht vorzugsweise aus einem Rohr aus feuerfestem Material, z. B. Quarz, dessen Wand mit Perforationen versehen ist. Dieses Rohr wird derart im Reaktionsgefäß aufgestellt, daß es zum größten Teil oder völlig vom Reaktionsgemisch umgeben ist
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Gebrauch eines Stoffes (b) bevorzugt der bei der Erhitzung hauptsächlich Schwefelkohlenstoff liefert Es hat sich nämlich herausgestellt, daß mit einer Schwefelkohlenstoffatmosphäre sehr gute Ergebnisse erzielt werden.
Ein derartiger Stoff, der Schwefelkohlenstoff liefert und äußerst zweckmäßig beim erfindungsgemäßen Verfahren angewandt werden kann, ist Aktivkohle, die Schwefel aufgenommen hat Dieser Stoff kann durch Erhitzung eines Gemisches aus Aktivkohle und Schwefel hergestellt werden. Während der Erhitzung bei der Herstellung des lumineszierenden Sulfids liefert dieser Stoff vorwiegend Schwefelkohlenstoff und
außerdem geringere Mengen organischer Sulfide und Schwefelwasserstoff.
Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren als Ausgangsmaterial für den Stoff (b) ein Gemisch aus Aktivkohle und Schwefel angewandt. In der ersten Phase der Erhitzung bei der Herstellung des lumineszierenden Sulfids wird der Schwefel wenigstens zum Teil vom Kohlenstoff aufgenommen. Der so gebildete Stoff (b) liefert während der weiteren Erhitzung die gewünschte Schwefelkohlenstoffatmosphäre.
Es ist weiter möglich beim erfindungsgemäßen Verfahren als Ausgangsmaterial für den Stoff (b) Aktivkohle anzuwenden. Dabei wird das Reaktionsgemisch (a) mit Schwefel gemischt. Der Schwefel wird während der Erhitzung wenigstens zürn Teil vorn Kohlenstoff aufgenommen und der so gebildete Stoff (b) liefert die gewünschte Schwefelkohlenstoffatmosphäre.
Wenn man beim erfindungsgemäßen Verfahren als Stoff (b) Aktivkohle benutzt, die Schwefel aufgenommen hat, wird vorzugsweise eine Kohlenstoffmenge zwischen 1 und 100 g und eine Schwefelmenge zwischen 5 und 200 g pro 1000 g Reaktionsgemisch (a) gewählt.
Die lumineszierenden Sulfide enthalten eine Aktivatorelementmenge von 0,001 bis 0,1 At°/o und eine Koaktivatorelementmenge von 0,001 bis 0,5 At% welche beiden Mengen in bezug auf Zink und Kadmium zusammen berechnet werden. Die erwähnten Mengen führen nämlich zu den wirksamsten lumineszierenden Stoffen.
Die größten Helligkeiten werden mit lumineszierenden Sulfiden erzielt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind und Silber und/oder Kupfer aU Aktivator und Aluminium als Koaktivator enthalten.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung und einer Anzahl Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die Zeichnung gibt, teilweise im Schnitt, ein Beispiel für ein Reaktionsgefäß, das mit einem Reaktionsgemisch (a) und mit einem Behälter mit einem Stoff (b) versehen ist, welches Reaktionsgefäß bei der Durchführung des crfir.dungsgcmäßcn Verfahrens angewandt werden kann.
In der Zeichnung ist 1 ein Quarztiegel, der mit einem Quarzdeckel 2 abgeschlossen und mit einem Reaktionsgemisch 3 gefüllt ist, aus dem bei der Erhitzung ein lumineszierendes Sulfid gebildet werden kann. Im Tiegel 1 ist ein Quarzglasrohr 4 derart aufgestellt, daß das Rohr völlig vom Reaktionsgemisch 3 umgeben ist. Das Rohr 4 ist mit einer Anzahl Löcher 5 versehen, durch die ein Materialtransport über die Gasphase zwischen dem Inneren des Rohres 4 und dem Reaktionsgemisch 3 möglich ist. Das Rohr 4 ist mit einem Stoff 6 gefüllt, aus dem sich bei der Erhitzung eine Kohlenstoff-Schwefel- Verbindung und/oder Schwefelwasserstoff bilden kann. Das Rohr 4 ist an der Unterseite mit einem Quarzwollepfropfen 7 abgeschlossen. Der Tiegel 1 hat einen Inhalt von ungefähr V2 L ist ungefähr 15 cm hoch und hat an der Oberseite einen Durchmesser von ungefähr 11 cm. Das Rohr 4 hat einen Durchmesser von ungefähr 3,5 cm und eine Höhe von ungefähr 10 cm.
Beispiel 1
Eine Menge von 450OgZnS wird in Wasser suspendiert. Dieser Suspension wird 0,452 g Silber in Form von Silbernitrat und 0,113 g Aluminium gleichfalls als Nitrat zugesetzt. Die Suspension wird darauf eingedampft, wonach das gewonnene Produkt homogenisiert wird. Von dem auf diese Weise gewonnenen Reaktionsgemisch wird 500 g mit 15 g Schwefel gemischt und in einen Tiegel, wie in der Zeichnung dargestellt, eingebracht. In ein perforiertes Quarzglasrohr gemäß der Zeichnung wird ein Gemisch von 10 g
■·, Schwefel und 10 g Aktivkohle gebracht. Anschließend wird dieses Rohr derart im Tiegel aufgestellt, daß es völlig vom Reaktionsgemisch umgeben ist. Der Tiegel wird jetzt mit einem Deckel abgeschlossen und danach 1 Stunde auf eine Temperatur von 1100°C erhitzt. Nach
hi dem Erkalten wird der Tiegelinhalt, der die Form einer das Quarzglasrohr völlig umschließenden, leicht gesinterten Masse hat, aus dem Tiegel entfernt. Das Quarzglasrohr läßt sich leicht vom Reaktionsprodukt trennen. Das Reaktionsprodukt, das nach dem Homoge-
·,-, nisieren und Sieben gebrauchsfertig ist. besteht aus einem blau lumineszierenden mit Silber aktivierten und mit Aluminium koaktivierten Zinksulfid. Das gewonnene lumineszierende Sulfid weist keine Kohlepartikel auf und besitzt bei der Anregung durch Elektronen die
2{, gleiche Helligkeit wie ein lumineszierendes Sulfid mit der gleichen Zusammensetzung, das auf bekannte Weise durch die Erhitzung eines Reaktionsgemisches unter Hindurchleitung von Schwefelwasserstoff hergestellt worden ist.
'' Beispiel 2
Es wird auf analoge Weise wie im Beispiel 1 beschrieben vorgegangen. Ausgegangen wird jedoch von einer Suspension von 920 g ZnS und 80 g CdS in
jo Wasser, der 0,032 g Kupfer als Kupfersulfat und 0,014 g Aluminium als Aluminiumsulfat zugesetzt wird. Nach dem Eindampfen und Homogenisieren wird 500 g des gewonnenen Reaktionsgemisches 15 g Schwefel beigemischt und danach in den Tiegel gebracht. Das
;, Quarzglasrohr wird mit 10 g Aktivkohle gefüllt. Nach einer Erhitzung von 1,5 Stunden auf 1050°C wird ein grün lumineszierendes mit Kupfer aktiviertes und mit Aluminium koaktiviertes Zinkkadmiumsulfid gewonnen, das frei von Kohlepartikeln ist und bei Elektronenanre-
äo gung die gleiche Helligkeit aufweist wie ein Sulfid mit gleicher Zusammensetzung, das nach einem bekannten Verfahren gewonnen wird, bei dem ein Schwefelwasserstoffstrom während des Erhitzens durch das Reaktionsgemisch hindurchgeleitet wird.
Beispiel 3
Nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren wird ein gelb lumineszierendes Zinkkadmiumsulfid, das mit Kupfer aktiviert und mit Aluminium koaktiviert ist,
w hergestellt. Hierbei wird von einer Suspension von 850 g ZnS und 15OgCdS in Wasser ausgegangen, der 0.062 g Kupfer als Sulfat und 0,053 g Aluminium als Sulfat zugesetzt ist. Vom gewonnenen Reaktionsgemisch wird 500 g in den Tiegel gebracht Das Quarzglasrohr wird mit einem Gemisch von 25 g Schwefel und 10 g Aktivkohle versehen. Der Tiegel samt Inhalt wird 2 Stunden auf eine Temperatur von 1025° C erhitzt Das auf diese Weise gewonnene lumineszierende Sulfid ist frei von Kohlepartikeln und
bo besitzt eine Helligkeit, die nahezu gleich der eines Sulfids mit der gleichen Zusammensetzung ist, das unter Hindurchleiten von Schwefelwasserstoff während tier Erhitzung des Reaktionsgemisches hergestellt ist
Beispiel 4
Ein blau lumineszierendes Zinksulfid, das selbstaktiviert ist und Aluminium als Koaktivator enthält, wird ausgehend von einem Reaktionsgemisch aus Zinksulfid
7 8
und dem Aluminiiimkoaktivalor, hergestellt. Von IO g Aktivkohle und 25 g Schwefel gebildet, welches
diesem lU-aklionsgemisch wird 1JOOg in einem Tiegel Gemisch sich in einem perforierten Quar/.glasrohr
1 Stunde ;nil eine Temperatur von 1050"C erhitzt. befindet. Dieses Rohr ist im Tiegel derart aufgestellt.
Während der lirhil/iing wird die gewünschte schwefel- daß es völlig vom Reaktionsgctniseh umgeben ist.
haltige Atmosphäre im Tiegel durch ein Gemisch von r>
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines lumineszierenden Sulfids von mindestens einem der Elemente Zink und Kadmium, welches selbstaktiviert oder mit mindestens einem der Elemente Silber, Kupfer und Gold aktiviert und mit mindestens einem der Elemente Aluminium, Gallium, Indium, Scandium und Seltene Erden koaktiviert ist, wobei ein Reaktionsgemisch (a), das Zinksulfid und/oder Kadmiumsulfid und/oder Zinkkadmiumsulfid und die Aktivator- und Koaktivatorelemente in den gewünschten Mengen in Form von Verbindungen dieser Elemente enthält, sowie ein Stoff (b), aus dem bei Erhitzung eine Kohlenstoff-Schwefel-Verbindung und/oder Schwefelwasserstoff entstehen kann, in ein Reaktionsgefäß gebracht werden, wonach das Reaktionsgefäß geschlossen und anschließend auf eine Temperatur zwischen 950 und 12500C erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff (b) durch eine Zwischenwand vom Reaktionsgemisch (a) getrennt in das Reaktionsgefäß eingebracht wird, wobei ein Materialtransport zwischen (b) und (a) über die Gasphase erfolgen kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwand aus mindestens einem mit einer oder mehreren öffnungen versehenen Behälter besteht, daß der Behälter mit dem Stoff (b) gefüllt und im Reaktionsgefäß in der Nähe des Reaktionsgemisches (a) aufgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus einem Rohr aus feuerfestem Material besteht, wobei die Rohrwand mit Perforationen versehen ist, und daß das Rohr derart im Reaktionsgefäß aufgestellt wird, daß das Rohr mindestens zum größten Teil vom Reaktionsgemisch umgeben ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stoff (b) angewandt wird, der bei der Erhitzung hauptsächlich Schwefelkohlenstoff liefert.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoff (b) Aktivkohle angewandt wird, die Schwefel aufgenommen hat.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial für den Stoff (b) ein Gemisch aus Aktivkohle und Schwefel angewandt wird, und daß der Schwefel bei der Erhitzung wenigstens zum Teil vom Kohlenstoff aufgenommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial für den Stoff (b) Aktivkohle angewandt wird, daß das Reaktionsgemisch (a) mit Schwefel gemischt und der Schwefel bei der Erhitzung wenigstens zum Teil vom Kohlenstoff aufgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffmenge von 1 bis 100 g und die Schwetelmenge von 5 bis 200 g beträgt, wobei beide Mengen pro 1000 g des Reaktionsgemisches berechnet sind.
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