DE2925122A1

DE2925122A1 - Leuchtschirm

Info

Publication number: DE2925122A1
Application number: DE19792925122
Authority: DE
Inventors: Piet Frans Bongers; John Mackay Robertson; Maurits Willem Van Tol
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-06-26
Filing date: 1979-06-22
Publication date: 1980-01-10
Also published as: US4298820A; IT7923814A0; FR2430086A1; CA1135775A; GB2024842B; BR7903981A; AU4835779A; JPS6258101B2; BE877244A; IT1121900B; FR2430086B1; AU527573B2; JPS554898A; DD144622A5; GB2024842A; MX148925A; ES481797A1; NL7806828A

Description

-3- 2325122

Leuchtschirm

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leuchtschirm, bestehend aus einem Substrat mit einer Leuchtschicht, die eine einkristalline St-tiktur und mindestens einen Aktivator aufweist.

Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine mit einem derartigen Leuchtschirm versehene Kathodenstrahlröhre.

Ein derartiger Leuchtschirm ist aus der DE-PS 810 108 bekannt. Derartige Leuchtschirme werden in Kathodenstrahlröhren, z.B. Fernsehbildröhren, in Elektronenmikroskopen und -Spektroskopen und bei der Erzeugung von Bildern in Röntgenvorrichtungen, wie Röntgenbildverstärkern, verwendet.

In der DE-PS 810 108 wird beschrieben, daß ein einkristalliner Leuchtschirm dadurch erhalten werden kann, daß auf einer Hilfsplatte eine aktivierte einkristalline Schicht, z.B. durch Aufdampfen oder Aufsublimieren, angewachsen wird. Die Hilfspla-tte besteht vorzugsweise aus einem Kristall mit gleichen oder nahezu gleichen Gitterabmessungen und ist selbst ein Einkristall. Gegebenenfalls wird die Hilfs-

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platte gelöst, nachdem die aktivierte einkristalline Schicht auf einem anderen Träger, z.B. einer Glasplatte, angeheftet ist. Ein Nachteil derartiger Leuchtschirme ist der, daß bei hoher Anregungsenergie die thermische Belastbarkeit für eine Anzahl von Anwendungen viel zu gering ist und daß an den Grenzflächen zwischen dem Träger oder der Hilfsplatte und der aktivierten Schicht diffuse Reflexionen des in der aktivierten Schicht erzeugten Lichtes auftreten.

Auch ist es bekannt, Pulverleuchtstoffe, auf einem Träger angebracht, als Leuchtschirm anzuwenden. Auch diese Schirme weisen eine nur geringe thermische Belastbarkeit auf, weil die Wärme in ungenügendem Maße aus den Leuchtstoffkörnern abgeleitet wird. Außerdem wird das Auflösungsvermögen des Bildschirtaes durch die Kornabmessungen begrenzt. Durch die große Anzahl von K5rnem ist der spezifische Flächeninhalt des Schirmes groß, was einen ungünstigen Einfluß auf das Vakuum in einer Kathodenstrahlröhre ausübt.

Eine andere Konstruktion, bei der die genannten diffusen Reflexionen auftreten, ist in der NL-Pat.-Anm. 61 451 beschrieben, nach der der Schirm aus auf einem Träger angebrachten stabförmigen aufleuchtenden Kristallen aufgebaut ist, die alle zueinander nahezu parallel sind und mit ihrer Längsrichtung senkrecht oder nahezu senkrecht auf der Oberfläche des Trägers stehen, so daß die Richtung der anregenden Strahlen zu der Längsrichtung der Kristalle nahezu parallel ist. Ein Nachteil dieser Konstruktion ist wieder der, daß die thermische Belastbarkeit des Leuchtschirmes für eine Anzahl von Anwendungen zu gering ist. Außerdem ist das Auflösungsvermögen durch die Abmessungen der einzelnen Kristalle beschränkt.

In der US-PS 2,882,413 ist ein Bildschirm für eine Röntgenvorrichtung beschrieben, bei dem die Lichtintensität durch das Anbringen V-förmiger Nuten in einer Trägerplatte erhöht

PHN 9165 909882/0836 " ⁵ ~

ist, wobei die Nutenwände eine reflektierende Schicht aufweisen. Ein aufleuchtender kristalliner Werkstoff ist in den Nuten angeordnet. Die Seite des Schirmes, ataf der der Leuchtstoff in den Nuten angeordnet ist, ist die Seite, auf der das Bild sichtbar ist. Auch bei einem derartigen Schirm wird das Auflösungsvermögen durch die Kristallabmessungen des Leuchtstoffes beschränkt und die thermische Belastbarkeit ist gering.

In der US-PS 2,436,182 ist ein Leuchtschirm beschrieben, der aus einer Kunstharzplatte besteht, in die Farbstoff und Leuchtstoff eingebettet sind. Derartige Schirme sind thermisch kaum belastbar und das Auflösungsvermögen läßt noch viel zu wünschen übrig.

Die Aufgabe der Erfindung bestand daher darin, einen Leuchtschirm anzugeben, der eine sehr hohe thermische Belastbarkeit und ein großes Auflösungsvermögen aufweist, in dem keine diffusen Reflexionen auftreten und bei dem ein sehr großer Teil des erzeugten Lichtes durch das Substrat heraustritt.

Diese Aufgabe wird bei einem Leuchtschirm der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Leuchtschicht und das Substrat zusammen einen selbsttragenden einkristallinen Körper bilden, und die Leuchtschicht ein Muster V-förmiger Nuten aufweist.

Derartige einkristalline Schirme ohne Nuten sind in der DE-Pat.-Anm. 28 26 788 beschrieben.

Die V-förmigen Nuten entsprechen dabei vorzugsweise der nachstehenden Beziehung:

2,5 <£ d/h^4,5 (1),

PHN 9165 - 6 -

- 809882/0836

in der d den Teilungsabstand zwischen zwei in derselben Richtung aufeinanderfolgenden Nuten und h die Nutentiefe darstellen, weil in diesem Fall die durch das Substrat hindurchfallende Lichtmenge maximal ist. Der Lumineszenzverlust durch das Vorhandensein von Nuten in der Leuchtschicht und die Zunahme des durch das Substrat hindurchfallenden Lichtes sind in diesem Falle optimiert. Die Nutenwände reflektieren das ursprünglich seitlich in der Schicht ausgestrahlte Licht in Richtung des nichtaktivierten Teiles des Einkristalls. Dadurch tritt eine anderthalb bis zweimal größere Lichtmenge im Vergleich zu einem Leuchtschirm ohne Nuten auf.

Dadurch, daß das Substrat und die Leuchtschicht außerdem zusammen einen Einkristall bilden, gibt es keine kristallographische Grenzfläche und keine Kornstruktur, so daß auch keine diffusen Reflexionen auftreten können.

Weiterhin ist durch diesen Aufbau die Wärmeableitung von der Leuchtschicht zu dem Substrat hin sehr gut uiü der Schirm kann thermisch stark belastet werden. Der Einkristall kann aus einer großen Anzahl von Stoffen, z.B. Oxiden, Silikaten, Aluminaten und Gallaten der seltenen Erden, gebildet werden. Der Leuchtschirm weist vorzugsweise eine Stärke auf, die zwischen dem 0,01- und dem 0,1-fachen des Durchmessers des Leuchtschirmes liegt, weil er dann selbsttragend ist. Dabei weist die Leuchtschicht vorzugsweise eine Stärke von 1 bis 6 /um, insbesondere etwa 2 /um, auf, was nahezu der Eindringtiefe der Elektronen entspricht. Die Nuten weisen vorzugsweise eine Tiefe auf, die nahezu gleich der Schichtdicke ist.

Es ist möglich, einen Leuchtschirm nach der Erfindung dadurch herzustellen, daß eine Aktivatormenge in die Oberfläche eines Einkristalls eindiffundiert wird.

PHN 9165 - 7 -

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-7- 292512a

Dies ist aber ein sehr langsamer Vorgang. Es ist auch möglich, eine Aktivatorschicht aufzudampfen und anschließend eine Wärmebehandlung durchzuführen.

Vorzugsweise wird die aktivierte Schicht epitaktisch aus einer Lösung (einem Flußmittel) angewachsen (Liquid Phase Epitaxy = LPE) und das Nutenmuster in die Schicht eingeätzt. Dieses Einätzen kann z.B. durch reaktives Sputterätzen erfolgen, das aus der Halbleitertechnik bekannt ist. Ein Leuchtschirm nach der Erfindung kann mit Erfolg in einer Kathodenstrahlröhre zum Erzeugen eines sehr hellen Bildes verwendet werden. Die Erzeugung sehr heller Bilder ist in Projektionsfernsehbildröhren erforderlich. Um ein genügend helles Bild zu erhalten, mußten diese Röhren bisher Bildschirme mit verhältnismäßig großen Abmessungen enthalten. Dabei mußte das auf dem Schirm erzeugte Bild, mit einem Durchmesser von z.B. 13 cm, sehr hell sein, um einen genügenden Lichtstrom für die Projektion zu erzeugen. Es wurden Röhren mit einem Durchmesser von 13 cm mit einer mittleren Oberflächenhelligkeit von etwa 1,5 mW/cm²«sr hergestellt.

Eine Kathodenstrahlröhre., nach der Erfindung eignet sich besonders gut zur Anwendung in einer Projektionsfernsehvorrichtung, weil die gute Wärmeableitung es ermöglicht, den erforderlichen Lichtstrom mit Hilfe eines viel kleineren Schirmes zu erzeugen. Es ist z.B. möglich, einen Leuchtschirm

ρ mit einem Flächeninhalt von weniger als 20 cm , vorzugs-

weise weniger als 5 cm , herzustellen, wobei die mittlere Leistungsdichte des ausgestrahlten Lichtes bestimmt größer als 2 mW/cm «sr und in den meisten Fällen sogar größer als 5 mW/cm -sr ist.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Leuchtschirmes nach dem Stand der Technik,

N 9165 109882/0838 _₈_

Fig. 2 schematisch einen Schnitt durch einen Teil eines Leuchtschirmes nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 bis 5 eine nähere Erläuterung der Wirkung der V-förmigen Nuten,

Fig. 6a, b und c eine Anzahl möglicher Nutenmuster,

Fig. 7 eine graphische Darstellung I der großen mittleren Oberflächenhelligkeit B eines Leuchtschirmes nach der Erfindung im Vergleich zu einem Leuchtschirm ohne V-förmige Nuten (graphische Darstellung II),

Fig. 8 in einzelnen Teilen und perspektivisch eine Kathodenstrahlröhre nach der Erfindung, und

Fig. 9 perspektivisch in montiertem Zustand eine Röhre nach Fig. 8

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Teil eines einkristallinen Leuchtschirmes der bisher bekannten Form dargestellt. Das Substrat besteht aus Steinsalz (mineralischem Kochsalz), auf dem nach der Erfindung bei etwa 175° C eine Zinksulfidschicht durch Aufdampfen aufgebracht ist, die bei etwa 350⁰C mit Blei oder Kupfer aktiviert und bei derselben Temperatur ausgeglüht ist. Die Wärmeübertragung von der Schicht auf das Substrat 1 ist für viele Anwendungen ungenügend und es treten weiterhin diffuse Reflexionen des erzeugten Lichtes an der Grenzfläche 3 auf.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Teil eines einkristallinen Leuchtschirmes nach der Erfindung dargestellt. Das Substrat besteht in diesem Falle aus Yttrium-Aluminium-Granat (YjAl₅O₁₂). Auf diesem Substrat ist durch epitaktisches Anwachsen aus der flüssigen Phase (LPE) eine mit Cer aktivierte Leuchtschicht 5 aus Yttrium-Aluminium-Granat (Y₉ Q^Ce_{n Λ},Α1ς0₁₉) angewachsen. Auf diese Weise wird ein einkristalliner Körper erhalten, der in einer Oberflächenschicht eine Anzahl von Ceratomen aufweist. Dadurch, daß keine kristallographiecne Grenzfläche zwischen der aktivierten Schicht (über der gestrichelten Linie) und d«m nlchtektivierten SS&betre/tf (unter ^!

PHN 9165 ~ § -

der gestrichelten Linie) vorhanden ist, können auch keine diffusen Reflexionen auftreten« In der aktivierten Schicht ist ein Nutenmuster mit Nuten 6 angeordnet. Die Nuten 6 bilden Quadrate mit Seiten von etwa 20 /um. Die Tiefe der Nuten 6 beträgt etwa 1,5 /um. Die Lichtausbeute eines derartigen Schirmes mit Nuten 6 ist anderthalbmal größer als die Lichtausbeute bei einem ähnlichen Schirm ohne Nuten 6c . -

Eine Anzahl der Eigenschaften des hier angewandten Y-zAl_c Substrats und der Y₂ 07Ce₀ ^,AlcO^-Schicht sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:

Substrat

Y₃Al₅O₁₂

Struktur

Härte

Schmelzpunkt Wärmeleitung Ausdehnung Brechungsindex

kubisch A₀ = 12,001 Ä 8 - 8,5 Moh

2220°K

0,13 W/cmK

7,5 . 10"⁶

1,84

Aktivierte Schicht

^Y2,97^Ce0,03^Al5°12

Kathodenstrahl Snergieausbeute Abklingzeit

Wellenlänge der maximalen Emission

Löschtemperatur Nutentiefe Muster

Teüungsabstand PHN 9165

00988 2/0 8 3$

3 % (15 Lumen/W)
70 nsec

555 nm
580°K
1,5 /um

zueinander senkrechte Nuten 20 /Ui in beiden Richtungen

- 10 .

In den Fig. 3, 4 und 5 wird die Wirkung eines Musters von Nuten bei einem Leuchtschirm näher erläutert.

Fig. 3 zeigt eine Kathodenstrahlröhre 7 mit einem Leuchtschirm 8 nach der Erfindung. In einiger Entfernung vor dem Bildschirm befindet sich ein optisches Element,in diesem Falle eine Linse 9, die einen größten Lichtkegel mit einem halben Scheitelwinkelot¹ aufweist, abgestimmt auf ein aufleuchtendes Teilchen in der Mitte der aktivierten Schicht des Leuchtschirmes. Für andere nicht in der Mitte liegende Teilchen ist ^¹ daher etwas kleiner.

Infolge der Brechung an der Oberfläche des Leuchtschirmes, wie in Fig. 4 dargestellt, ist der halbe Scheitelwinkel oL ' in dem Material mit dem Brechungsindex η des Schirmes kleiner, und zwar c*»» wobei sin OC¹ = n-sinOCist.

In Fig. 5 ist dargestellt, wie die durch das Substrat hindurchfallende Lichtmenge durch das Anbringen von Nuten vergrößert werden kann. Ohne Nuten 6 würde nämlich ein aufleuchtendes Teilchen 10 nur einen Lichtkegel a in Richtung auf die Linse ausstrahlen. Durch die Anordnung der Nuten 6 und eines Aluminiumfilmes 12 entstehen reflektierende Nutenwände 11 _t wodurch das ursprünglibh seitlich ausgestrahlte Licht nun in Form von Lichtkegeln b und c, die größer als der Lichtkegel a sind, zu der L^nse hin reflektiert wird.

Weiterhin tritt auch eine Reflexion an den Oberflächen 13 zwischen den Nuten 6 auf. Infolgedessen gibt es auch eine optimale Neigung der Nutenwand β . Nicht nur das unmittelbar auf die Nutenwand 11 fallende Licht, sondern auch das an der Oberfläche 13 reflektierte Spiegelbild wird reflektiert, Das vollständige Spiegelbild trägt nur dann zu einer größeren

PHN 9165 —11 -

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INSPECTED

- 11 - 292&122

Lichtausbeute bei, wenn

j5= 45° - OC/2 ist,

so daß in diesem Falle die Reflexion optimal ist. In Fig. 6 sind eine Anzahl möglicher Nutenmuster dargestellt.

In Fig. 7 ist anhand einer graphischen Darstellung die mittlere Oberflächenhelligkeit B als Funktion der von dem Elektronenstrahl zugeführten mittleren Energiedichte P bei einer Röhre mit einem Leuchtschirm nach der obenstehenden Tabelle (Graphische Darstellung I) im Vergleich zu einem ähnlichen Leuchtschirm ohne Nuten (Graphische Darstellung II) gezeigt.

Bei einem Leuchtschirm mit einem bekannten Pulverleuchtstoff wird bei einer bestimmten zugeführten Leistung der Leuchtwerkstoff zu heiß. Außerdem gerät der Leuchtstoff in die Sättigung und strahlt nicht mehr Licht bei einer Steigerung der zugeführten Leistung' aus.

Der Leuchtstoff, konstruiert nach der Erfindung, wird nicht zu heiß. Die Leuchtschicht wird infolge des sehr guten thermischen Kontaktes dieser Schicht mit dem Substrat, mit dem die Leuchtschicht ein Einkristall bildet, nicht zu heiß. Durch die Nuten 6 fällt ein größerer Teil des erzeugten Lichtes durch das Substrat hindurch.

Fig. 8 zeigt in Einzelteilen perspektivisch eine Kathodenstrahlröhre mit einem Leuchtschirm nach der Erfindung. In einer zylindrischen Umhüllung 21 aus Aluminiumoxid, die auf der Innenseite einen mit dem Anodenkontakt 23 verbundenen elektrisch leitenden Überzug 22 aufweist, befindet äch ein Elektronenitrahlerzeugungssystem 24. Dieses Erzeugungssyste» 24 ist aus einer Kathode (hier nicht dargestellt),,

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1Q1882/083t

die isoliert in der Wehneltelektrode 25 angeordnet ist, und einer Anzahl von Gittern 26» 27 und 28 aufgebaut. Die Elektroden des Erzeugungssystems sind in bekannter Weise mit gläsernen Montagestäben 29 aneinander befestigt. Das Erzeugungssystem weist an seinem einen Ende Zentrierfedern auf. Das andere Ende des Erzeugungssystems ist an der Grundplatte 31 befestigt, die Kontaktdurchführungen 32 und einen Pumpstengel 33 aufweist. Das andere Ende der Umhüllung 21 ist durch den Leuchtschirm 34 verschlossen, der in diesem Falle aus Gadolinium-Galliura-Granat besteht und auf der dem Elektronenstrahlerzeugungssystem 24 zugekehrten Seite mit Europium aktiviert ist. Die aktivierte Schicht ist mit einem honigwabenförmigen Muster von Nuten 6 mit einer Tiefe von 2 /um und einem Teilungsabstand von 20 /um versehen. Die Dicke des Leuchtschirmes beträgt 500 /um und der Durchmesser 25 mm. Der Leuchtschirm ist mit einem Aluminiumfilm (hier nicht dargestellt) überzogen.

Der Leuchtschirm 34 wird durch eine Wärme-Druck-Verbindung mit der Aluminiumoxidumhüllung 21 verbunden. Dazu wird ein Alurainiumring 35 zwischen der Stirnfläche 36 der Umhüllung und dem Leuchtschirm 34 als Verbindungswerkstoff verwendet. Der Ausdehnungskoeffizient des Aluminiumoxids der Umhüllung und der Ausdehnungskoeffizient des Leuchtschirmes sind nur wenig voneinander verschieden, so daß keine unerwünschten Spannungen infolge einer Wärmeausdehnung auftreten. Die Ablenkung des von dem Elektronenstrahlerzeugungssystem 24 erzeugten Elektronenstrahls wird in bekannter Weise mit magnetischen Ablenkfeldern erhalten. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, elektrostatische Ablenkung anzuwenden, weil bei diesen kleinen Bildschirmen nur eine geringe Ablenkung erforderlich ist.

In Fig. 9 ist die Röhre nach Fig. 8 in montiertem Zustand perspektivisch und teilweise aufgebrochen als Einzelteil

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einer Projektionsfernsehvorrichtung dargestellt. Rings um die Umhüllung 21 sind Ablenkspulen 38 angeordnet. Das sehr helle Bild auf dem Leuchtschirm 34 wird durch ein Linsensystem 37 auf einen (hier nicht dargestellten) Projektionsschirm projiziert.

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Leerseite

Claims

N.V. Philips¹Gloexlampenfabrieken, Eindhoven/Holland

PATENTANSPRÜCHE:

(1·) Leuchtschirm, bestehend aus einem Substrat mit einer Leuchtschicht, die eine einkristalline Struktur und mindestens einen Aktivator aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtschicht (5) und das Substrat (4) zusammen einen selbsttragenden einkristallinen Körper bilden und die Leuchtschicht (5) ein Muster V-förmiger Nuten (6) aufweist.
2. Leuchtschirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 2,5^. d/h^4,5 ist, wobei d der Teilungsabstand zwischen zwei in einer Richtung aufeinanderfolgenden Nuten (6) und h die Nutentiefe ist.
3. Leuchtschirm nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Leuchtschirmes (5) zwischen dem 0,01- und dem 0,1-fachen des Durchmessers des Leuchtschirms liegt.
4. Leuchtschirm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtschicht (5) eine Stärke von 1 bis 6 /um aufweist.
5. Leuchtschirm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtschicht (5) epitaktisch aus einer Lösung, auch als Flußmittel bezeichnet, angewachsen (LPE) und das Nutenmuster in die Leuchtschicht (5) eingeätzt ist.
6. Kathodenstrahlröhre zum Erzeugen eines hellen Lichtflecks, die in einer evakuierten Umhüllung Mittel zum Erzeugen mindestens eines. Elektronenstrahls und einen Bildschirm aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildschirm ein Leuchtschirm nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ist.

9165 ·088»2/0»3· -²-
7. Projektionsfernsehvorrichtung mit optischen Mitteln zum Abbilden eines sehr hellen Bildes auf einem Projektionsschirm, dadurch gekennzeichnet, daß das sehr helle Bild mit einer Kathodenstrahlröhre nach Anspruch 6 erzeugt wird.
8. Projektionsfernsehvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

ß* 45°-«/2,

wobei β die Neigung der Nutenwand (11) ist, d.h. dem Winkel zwischen der Ebene, in der eine Nutenwand (11) liegt, und einer zu dem Bildschirm senkrechten Linie, entspricht, oC¹ der halbe Scheitelwinkel des von den optischen Mitteln akzeptierten und von der Mitte des Bildschirmes herrührenden Lichtkegels und & der halbe Scheitelwinkel in dem Werkstoff des Leuchtschirmes für eine Brechung ist, für die

sin Ol · = nsinOl
gilt.

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