FR2829770A1 - Preparing precursor component of luminophoric powder or crystals in form of aerogel comprises adding organic solvent, mixing under agitation, and eliminating solvent by drying in autoclave - Google Patents
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Abstract
Description
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La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de matériaux précurseurs de poudre luminophore. The present invention relates to a process for manufacturing phosphor powder precursor materials.
Les luminophores sont des matériaux qui ont comme principale propriété celle d'émettre de la lumière colorée après qu'ils aient absorbés de l'énergie fournie par une source excitatrice. The phosphors are materials whose main property is to emit colored light after they have absorbed energy supplied by an excitation source.
Ce sont des matériaux qui se présentent sous la forme de poudre blanche et dans lesquels on peut introduire volontairement des dopants qui vont leur conférer leurs propriétés luminescentes. These are materials which are in the form of white powder and into which dopants can be introduced voluntarily which will give them their luminescent properties.
Ces dopants sont soit des ions de transition comme par exemple le manganèse et le chrome, soit plus souvent des ions de terre rare comme par exemple l'europium et le terbium. These dopants are either transition ions such as for example manganese and chromium, or more often rare earth ions such as for example europium and terbium.
Les applications qui utilisent les luminophores peuvent être classées en quatre catégories : les sources de lumière comme les lampes fluorescentes, les écrans d'affichage, - les détecteurs de rayon X, et l'ensemble des applications de marquage comme les peintures phosphorescentes, les marquages de timbres ou de billets de banque, etc. The applications that use phosphors can be classified into four categories: light sources such as fluorescent lamps, display screens, - X-ray detectors, and all marking applications such as phosphorescent paints, markings stamps or banknotes, etc.
Les nouvelles techniques d'affichage comme les écrans luminescents, les écrans à plasma et les écrans à micropoints ont été récemment à l'origine de recherche de nouveaux matériaux plus performants que ceux actuellement disponibles sur le marché. New display techniques such as luminescent screens, plasma screens and microdot screens have recently been the source of research into new materials that are more efficient than those currently available on the market.
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En effet, dans ces panneaux, l'adressage de chaque point de l'écran se fait de façon matricielle et non plus par technique de balayage, ce qui exige la mise au point de nouveaux matériaux luminophores performants et/ou l'amélioration des performances des luminophores préexistants. Indeed, in these panels, the addressing of each point of the screen is done in a matrix fashion and no longer by scanning technique, which requires the development of new high-performance phosphor materials and / or the improvement of performance. pre-existing phosphors.
Les poudres doivent d'une part être le plus homogènes possible et d'autre part correspondre à des formulations chimiques très précises, ce qui permet d'obtenir un degré de pureté chimique très élevé. The powders must on the one hand be as homogeneous as possible and on the other hand correspond to very precise chemical formulations, which makes it possible to obtain a very high degree of chemical purity.
Un tel degré de pureté chimique est difficile à obtenir par les réactions en milieu solide qui sont classiquement utilisées. C'est pourquoi des procédés de préparation en milieu liquide ont été mis au point pour préparer le luminophore ZnzSiOMn, procédé qui permet de travailler à des températures plus basses. Toutefois, les poudres obtenues par ces techniques ne sont encore pas suffisamment homogènes. Such a degree of chemical purity is difficult to obtain by the reactions in a solid medium which are conventionally used. This is why preparation processes in a liquid medium have been developed to prepare the phosphor ZnzSiOMn, a process which makes it possible to work at lower temperatures. However, the powders obtained by these techniques are not yet sufficiently homogeneous.
Tout récemment, des procédés en phase gazeuse ont été mis au point qui permettent de produire des particules de petite taille et relativement sphériques. Very recently, gas phase processes have been developed which allow the production of small and relatively spherical particles.
Ces techniques combinent l'utilisation du C02 en phase critique avec des solutions aqueuses de nitrate métallique soluble ou d'acétate qui conduit à la formation d'émulsion. These techniques combine the use of C02 in critical phase with aqueous solutions of soluble metal nitrate or acetate which leads to the formation of emulsion.
Ces procédés, s'ils sont intéressants, ne permettent que de fabriquer des compositions simples. These processes, if they are of interest, only allow simple compositions to be manufactured.
Plus récemment, Kang et coll. (Material Research Bulletin (2000) vol. 35,1143-1151) ont décrit la préparation de particules de Zn2SiO4Mn par pyrolyse utilisant un générateur filtre à expansion d'aérosol More recently, Kang et al. (Material Research Bulletin (2000) vol. 35,1143-1151) described the preparation of Zn2SiO4Mn particles by pyrolysis using an aerosol expansion filter generator
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(FEAG : Filter Expansion Aerosol Generator). Les particules obtenues par ce procédé présentent une taille submicrométrique et sont sphériques, mais leur pureté n'est pas totale puisqu'on y trouve des impuretés, notamment de l'oxyde de zinc. (FEAG: Filter Expansion Aerosol Generator). The particles obtained by this process have a submicrometric size and are spherical, but their purity is not total since there are impurities, in particular zinc oxide.
Or, les inventeurs ont trouvé qu'en faisant appel à la chimie des solutions, on pouvait résoudre les problèmes évoqués précédemment, notamment en utilisant un procédé appelé solution sol-gel qui permet de préparer à l'aide de réactifs chimiques de très grande pureté facilement disponibles des formulations précises sous la forme de gel mixte. However, the inventors have found that by using solution chemistry, the problems mentioned above could be solved, in particular by using a process called sol-gel solution which makes it possible to prepare using chemical reagents of very high purity. readily available precise formulations in the form of mixed gel.
Aussi, la présente invention a-t-elle pour objet un procédé de préparation d'une composition précurseur de poudre luminophore, ladite composition étant sous forme d'aérogel, caractérisée en ce qu'elle comprend les étapes suivantes : (a) addition dans un solvant organique, en présence d'eau, de différents éléments chimiques nécessaires à l'obtention dudit précurseur, lesdits éléments chimiques étant sous forme soluble, (b) mélange sous agitation à une température inférieure à la température d'ébullition du solvant, de préférence à la température ambiante, et (c) séchage en autoclave à une température supérieure à la température critique du solvant. Also, the present invention relates to a process for preparing a precursor composition of phosphor powder, said composition being in airgel form, characterized in that it comprises the following steps: (a) addition to an organic solvent, in the presence of water, of various chemical elements necessary for obtaining said precursor, said chemical elements being in soluble form, (b) mixing with stirring at a temperature below the boiling point of the solvent, preferably at room temperature, and (c) autoclaving at a temperature above the critical temperature of the solvent.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, la solution initiale doit contenir tous les éléments chimiques nécessaires à l'obtention de la composition précurseur dans un rapport stoechiométrique. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the initial solution must contain all the chemical elements necessary for obtaining the precursor composition in a stoichiometric ratio.
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Dans un autre mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, les formes solubles des éléments chimiques nécessaires à l'obtention dudit précurseur sont choisies dans le groupe constitué par les acétates, les alcoxydes, les oxalates et les acétylacétonates. In another particularly advantageous embodiment of the invention, the soluble forms of the chemical elements necessary for obtaining said precursor are chosen from the group consisting of acetates, alkoxides, oxalates and acetylacetonates.
La solution obtenue à l'étape (a) peut être obtenue soit en introduisant directement les formes solubles dans la phase solvant organique, soit en procédant à des mélanges de solutions organiques préalablement préparés. The solution obtained in step (a) can be obtained either by directly introducing the soluble forms into the organic solvent phase, or by proceeding with mixtures of organic solutions prepared beforehand.
La phase solvant organique doit être de préférence telle que les formes solubles des divers éléments chimiques requis à l'obtention du précurseur soit solubles dans ledit solvant organique ou bien susceptibles de former des solutions colloïdales homogènes et stables. The organic solvent phase should preferably be such that the soluble forms of the various chemical elements required to obtain the precursor are soluble in said organic solvent or else capable of forming homogeneous and stable colloidal solutions.
Pour augmenter la solubilité et/ou la stabilité de certaines de ces formes solubles, il peut être éventuellement nécessaire d'ajouter des composés chimiques bien connus de l'homme du métier dans ce domaine. To increase the solubility and / or the stability of some of these soluble forms, it may optionally be necessary to add chemical compounds well known to those skilled in the art in this field.
Des solvants organiques particulièrement avantageux pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention sont les alcools, notamment le méthanol, l'éthanol, l'isopropanol, l'acétone et le CO2. Particularly advantageous organic solvents for carrying out the process according to the invention are alcohols, in particular methanol, ethanol, isopropanol, acetone and CO2.
Dans un mode de réalisation encore plus avantageux de l'invention, l'étape (b) est réalisée soit par agitation ultrasonique, soit par agitation mécanique. In an even more advantageous embodiment of the invention, step (b) is carried out either by ultrasonic agitation or by mechanical agitation.
Le procédé de l'invention s'applique plus particulièrement aux précurseurs de luminophores choisis dans le groupe constitué par Zn/Si/Mn (III)/O et The process of the invention applies more particularly to the precursors of phosphors chosen from the group consisting of Zn / Si / Mn (III) / O and
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Zn/Si/Mn (II)/O et aux précurseurs de luminophores 3+ 3+ 3+ BaMgAl10O17 : Eu, Y203 : Eu et CaTi03 : Par.
Zn / Si / Mn (II) / O and the 3+ 3+ 3+ phosphor precursors BaMgAl10O17: Eu, Y203: Eu and CaTi03: Par.
A l'issue de ces trois étapes, on obtient un aérogel dont le volume apparent est égal à celui du mélange liquide initial. At the end of these three stages, an airgel is obtained, the apparent volume of which is equal to that of the initial liquid mixture.
L'aérogel se présente sous la forme d'une poudre sèche, amorphe, extrêmement divisée, dont la surface spécifique est comprise entre 240 et 300 m2/g et dont l'homogénéité chimique est tout à fait comparable à celle d'un liquide. The airgel is in the form of a dry, amorphous, extremely divided powder, the specific surface of which is between 240 and 300 m2 / g and the chemical homogeneity of which is quite comparable to that of a liquid.
Un autre objet de l'invention est une composition précurseur de luminophores sous forme d'un aérogel, caractérisé en ce qu'elle est obtenue directement par le procédé de l'invention. Another subject of the invention is a phosphor precursor composition in the form of an airgel, characterized in that it is obtained directly by the process of the invention.
Les composés initiaux mis en oeuvre sont de préférence choisis dans le groupe comprenant le zinc, la silice, le manganèse, le barium, l'aluminium et le magnésium, le calcium et le titane. Les dopants peuvent être choisis dans le groupe comprenant le manganèse et les terres rares comme l'europium et le praseodyme. The initial compounds used are preferably chosen from the group comprising zinc, silica, manganese, barium, aluminum and magnesium, calcium and titanium. The dopants can be chosen from the group comprising manganese and rare earths such as europium and praseodymium.
Comme déjà indiqué précédemment, les compositions obtenues par le procédé de l'invention constituent des précurseurs privilégiés de luminophores. Elles peuvent être tout d'abord utilisées à la préparation de luminophores cristallins se présentant sous la forme d'une poudre très fine, c'est-à-dire présentant une granulométrie moyenne de l'ordre du micron, c'est-à-dire avantageusement comprise entre 0,1 et 3 ; jm, de préférence égale à 1 pm et très homogène chimiquement (poudre monophasique), c'est-à-dire avec une absence quasi-totale ou totale de phase parasite non luminescente. As already indicated above, the compositions obtained by the process of the invention constitute privileged precursors of phosphors. They can be used first of all for the preparation of crystalline phosphors in the form of a very fine powder, that is to say having an average particle size of the order of a micron, that is to say say advantageously between 0.1 and 3; jm, preferably equal to 1 μm and very homogeneous chemically (single-phase powder), that is to say with an almost total or total absence of non-luminescent parasitic phase.
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Pour obtenir les luminophores à partir desdites compositions, il suffit de porter les compositions précurseurs à une température comprise entre 800 et 1 2000C pendant 30 minutes à 8 heures, de préférence à une température de 1 050 C pendant 30 minutes, sous atmosphère contrôlée. To obtain the phosphors from said compositions, it suffices to bring the precursor compositions to a temperature of between 800 and 1200C for 30 minutes to 8 hours, preferably at a temperature of 1050C for 30 minutes, under a controlled atmosphere.
Les poudres luminophores ainsi obtenues peuvent être avantageusement utilisées pour l'élaboration d'écrans à plasma, comme catalyseurs dans les réactions de combustion des hydrocarbures, des composés organiques volatiles ou de l'oxydation du monoxyde de carbone en gaz carbonique. The phosphor powders thus obtained can be advantageously used for the production of plasma screens, as catalysts in reactions for the combustion of hydrocarbons, volatile organic compounds or the oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide.
L'état fortement divisé et l'homogénéité chimique sont à l'origine de la très forte réactivité chimique de ces poudres. Ils impliquent les avantages suivants dans l'utilisation de précurseurs sous forme"aérogel" : (1) les traitements thermiques se réalisent à basse température et les cinétiques de réaction sont très fortement accélérées, (2) les problèmes liés à la volatilisation à haute température de certains réactifs sont supprimés : pas d'ajustement de stoechiométrie en fonction du traitement thermique, (3) la poudre cristallisée conserve l'état de division du précurseur sans phénomène de frittage, et (4) aucune homogénéisation n'est nécessaire. The strongly divided state and the chemical homogeneity are at the origin of the very strong chemical reactivity of these powders. They imply the following advantages in the use of precursors in "airgel" form: (1) the heat treatments are carried out at low temperature and the reaction kinetics are very strongly accelerated, (2) the problems associated with volatilization at high temperature certain reagents are omitted: no stoichiometry adjustment as a function of the heat treatment, (3) the crystallized powder retains the state of division of the precursor without sintering phenomenon, and (4) no homogenization is necessary.
Les composés obtenus par cette voie peuvent être utilisés directement, sans conditionnement (tel que broyage, tamisage, calibrage de la poudre, etc. ), en vue de la préparation"d'encres de sérigraphie"qui est la technique mise en oeuvre dans la fabrication à application plasma. The compounds obtained by this route can be used directly, without conditioning (such as grinding, sieving, calibrating the powder, etc.), with a view to the preparation of "screen printing inks" which is the technique used in the process. plasma application manufacturing.
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Les exemples et la figure qui suivent illustrent l'invention sans toutefois la limiter. The examples and the figure which follow illustrate the invention without, however, limiting it.
La figure 1 représente l'affinement par la méthode de Rietveld du spectre de diffraction des rayons X du composé cristallin obtenu à l'exemple 3. FIG. 1 represents the refinement by the Rietveld method of the X-ray diffraction spectrum of the crystalline compound obtained in Example 3.
Exemple 1 : aérogel Zn/Si/Mn (III)/O
1) Préparation. Example 1: Zn / Si / Mn (III) / O airgel
1) Preparation.
'Préparation de la solution de précurseur de silice (solution A) : 6,67 ml de tetraméthoxysilane (TMOS) sont dilués dans 50 ml de méthanol en présence de 10 ml d'eau sous agitation ultrasonique. Preparation of the silica precursor solution (solution A): 6.67 ml of tetramethoxysilane (TMOS) are diluted in 50 ml of methanol in the presence of 10 ml of water with ultrasonic stirring.
'Préparation de la solution de précurseur de manganèse (solution B) : 3,19 g d'acétylacétonate de manganèse (III) (Mn (III) acac) sont mélangés à 50 ml de méthanol sous agitation ultrasonique. Preparation of the manganese precursor solution (solution B): 3.19 g of manganese (III) acetylacetonate (Mn (III) acac) are mixed with 50 ml of methanol with ultrasonic stirring.
'Préparation de la solution de précurseur de zinc (solution C) : 21,49 g d'acétylacétonate de zinc (Zn (II) acac) sont dissous dans 300 ml de méthanol sous agitation ultrasonique. Preparation of the zinc precursor solution (solution C): 21.49 g of zinc acetylacetonate (Zn (II) acac) are dissolved in 300 ml of methanol with ultrasonic stirring.
Les trois solutions A, B et C sont mélangées sous agitation ultrasonique et une solution brune est obtenue. The three solutions A, B and C are mixed with ultrasonic stirring and a brown solution is obtained.
Cette dernière solution est placée dans l'autoclave avec 50 ml de méthanol supplémentaire puis l'autoclave est fermé et porté à la température de 260 C où il est dépressurisé jusqu'à la pression atmosphérique puis refroidi à la température ambiante. This latter solution is placed in the autoclave with 50 ml of additional methanol then the autoclave is closed and brought to the temperature of 260 ° C. where it is depressurized to atmospheric pressure and then cooled to ambient temperature.
A l'issue de cette opération, un solide jaune, sous forme de carotte, d'un volume égal à celui de la solution liquide, soit 420 ml, est récupéré et correspond à 10,79 g. At the end of this operation, a yellow solid, in the form of a carrot, with a volume equal to that of the liquid solution, ie 420 ml, is recovered and corresponds to 10.79 g.
2) Résultat. 2) Result.
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L'absence de raie de diffraction avec un temps de comptage élevé dans le spectre de diffraction des rayons X de l'aérogel démontre un état parfaitement amorphe du réactif en sortie de l'autoclave. The absence of a diffraction line with a long counting time in the X-ray diffraction spectrum of the airgel demonstrates a perfectly amorphous state of the reagent leaving the autoclave.
La poudre ainsi obtenue est parfaitement homogène du point de vue chimique à une échelle submicronique. The powder thus obtained is perfectly homogeneous from the chemical point of view on a submicron scale.
Exemple 2 : Aérogel Zn/Si/Mn (II)/O
1) Préparation. Example 2: Zn / Si / Mn (II) / O airgel
1) Preparation.
Les solutions A et C sont préparées comme il est décrit dans l'exemple 1. Une solution B' d'acétylacétonate de manganèse (II) (Mn (II) acac) est préparée en dissolvant 2,29 g de ce solide dans 50 ml de méthanol sous agitation ultrasonique. La solutions B'est mélangée aux solutions A et C toujours sous agitation ultrasonique. Solutions A and C are prepared as described in Example 1. A solution B 'of manganese (II) acetylacetonate (Mn (II) acac) is prepared by dissolving 2.29 g of this solid in 50 ml. of methanol with ultrasonic stirring. Solution B ′ mixed with solutions A and C, still with ultrasonic stirring.
2) Résultat. 2) Result.
Une solution de couleur brun foncé est obtenue qui est ensuite traitée comme dans l'exemple 1. Une carotte d'un solide jaune et d'un volume de 450 ml, d'une masse égale à 11,7 g est récupérée. A dark brown solution is obtained which is then treated as in Example 1. A core of a yellow solid with a volume of 450 ml, with a mass equal to 11.7 g is recovered.
Exemple 3 : Préparation du composé cristallin luminophore
1) Préparation. Example 3: Preparation of the crystalline phosphor compound
1) Preparation.
Après chauffage de l'aérogel obtenu à l'exemple 1 à 1 050 C pendant 30 minutes en creuset d'alumine sous atmosphère d'oxygène pur, on obtient le composé pur Zn2SiO4 et la solution solide Zns-xMnxSiO. After heating the airgel obtained in Example 1 at 1050 ° C. for 30 minutes in an alumina crucible under an atmosphere of pure oxygen, the pure compound Zn2SiO4 and the solid solution Zns-xMnxSiO are obtained.
2) Résultat. 2) Result.
Le composé cristallin obtenu présente une structure de type Willemite. The crystalline compound obtained has a Willemite type structure.
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La finesse des raies de diffraction et l'absence de raies parasites prouvent respectivement l'excellent état cristallin et la pureté de la phase. The fineness of the diffraction lines and the absence of parasitic lines respectively prove the excellent crystalline state and the purity of the phase.
Les paramètres affinés de la maille rhomboédrique (a=13,958 À et c=9,343 À en description hexagonale) sont en accord avec le composé Zn1,8Mn0,2SiO4. The refined parameters of the rhombohedral lattice (a = 13.958 Å and c = 9.343 Å in hexagonal description) are in agreement with the compound Zn1.8Mn0.2SiO4.
Le résultat est donné dans la figure 1 en annexe. The result is given in Figure 1 in the appendix.
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Citations (6)
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- 2002-09-16 WO PCT/FR2002/003147 patent/WO2003025087A1/en not_active Application Discontinuation
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WO2003025087A1 (en) | 2003-03-27 |
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