Изобретение относится к светоизлучающим материалам для индикаторной техники, конкретно к фотолюминофорам (Фл) для газоразрядных (плазменных) панелей (ПП), возбуждаемых постоянным и переменным полем, и способу получения такого люминофора. В подобных панелях используются, как правило, три различных фотолюминофора красного, синего и зеленого цветов, сформированных в виде дискретных элементов (пикселей) на внутренней поверхности стеклоподложки панели. Стандартное количество дискретных элементов составляет по горизонтали 612 элементов, по вертикали 480 элементов. Предлагаемое изобретение связано с созданием фотолюминофора для красных элементов экрана, т.е. красноизлучающего фотолюминофора. Панельное индикаторное устройство заполняется смесью инертных газов ксенона (Хе), криптона (Кr) и неона (Ne), которые при зажигании в них электрического разряда излучают в т.н. вакуумной области ультрафиолетового поддиапазона электромагнитного спектра (ВУФ). Это излучение с длиной волны λ =147 нм и 173 нм возбуждает яркую фотолюминесценцию указанных красного, зеленого и синего фотолюминофоров, формирующих изображение на экране ПП при последовательном сканировании с помощью специальных полосчатых электродов внутреннего объема прибора [1].
Энергоинформационные светотехнические параметры плазменных индикаторов определяются, прежде всего, эффективностью фотолюминесценции и используемых в них люминесцентных материалов. Подробная сводка об эффективности различных люминофоров, в том числе с красным цветом излучения приведена в обзорной статье [2]. Ранее, в 1982 г. эти же авторы получили патент [3], в котором подробно описаны свойства предлагаемого ими красноизлучающего Фл на основе ортобората иттрия-европия с общей формулой Y0,95ВО3Еu
Стехиометрическая формула фотолюминофора в публикации-прототипе записывается в виде (Y0,64Gd0,31)BO3:0,05Eu. По данным прототипа красноизлучающий Фл имеет на 10% более высокую яркость, чем известный стандартный образец. Кроме того, Фл отличается округлой формой зерен. Несмотря на указанные преимущества в известной публикации-прототипе отмечаются существенные недостатки Фл:
- зависимость конечной яркости свечения от содержания оксида бора в стехиометрической формуле люминофора;
- чувствительность спектра возбуждения Фл к температуре его синтеза. Так указывается на двукратное уменьшение яркости сигнала при изменении температуры синтеза от 1000° С до 800° С;
- невысокая цветовая насыщенность излучения Фл, имеющего координаты цветности х≥ 0,61, y≤ 0,34;
- значительное послесвечение Фл, достигающее τ 0,05>20 мс, что сопровождается недостаточной четкостью динамического изображения на экране ПП вследствие его т.н. "смазывания".
Целью предлагаемого изобретения является создание красноизлучающего Фл с высокой яркостью свечения при возбуждении в условиях ВУФ.
Кроме того, красноизлучающий Фл должен отличаться устойчивостью к воздействию температур и агрессивных сред при технологическом изготовлении экранов ПП.
Еще одной задачей изобретения является создание Фл с насыщенно красным цветом излучения и пониженными значениями длительности послесвечения. Фл также должен быть прост и стабилен в изготовлении.
Сущность изобретения.
В соответствии с указанной целью, предлагается красноизлучающий фотолюминофор для экранов плазменной дисплейной панели на основе ортоборатов редкоземельных элементов, отличающийся тем, что в состав указанного люминофора дополнительно введены элементы III, взятые из пар Al, Ga и Sc, Yb, образующие общую стехиометрическую формулу в виде (Yx, Gdy, Euz, Lnp)1B1-qMeqO3, где Ln=Sc, Yb, Me=Al и Ga, где стехиометрические индексы имеют значение: 0,50≤ х≤ 0,70, 0,22≤ y≤ 0,38, 0,01≤ z≤ 0,10, 0,02≤ р≤ 0,05, 0,02≤ q≤ 0,10, притом, что указанный состав интенсивно возбуждается в области ВУФ с соотношением основных линий излучения λ 592/λ 628=2:1 до 1:2.
Кратко опишем оптико-физическую сущность предложенного изобретения. В процессе работы над ним нами было установлено, что фотолюминесценция ортоборатных иттрий-гадолиний-европиевых составов возрастает при введении в их состав даже небольших количеств иона скандия Sc. Возможная причина подобного явления, по-видимому, заключается в уменьшении параметров решетки ортобората и соответственном возрастании параметров внутрикристаллического поля решетки фотолюминофора. Последнее явление обуславливает увеличение вероятности излучения с 5D0.1,2 - возбужденных уровней иона Eu+3, что сопровождается ростом яркости Фл. Нами было также обнаружено, что дополнительно вводимый в состав Фл ион иттербия Yb+3 уменьшает вероятность излучения с верхних переходов 5D2, 5D1 иона Еu+3, перераспределяя часть возбужденной энергии в состоянии 5D0, которое является более насыщенно красным, чем излучение с верхних возбужденных уровней 5D1 и 5D2.
Одновременно происходит заметное снижение длительности послесвечения излучения иона Еu+3 с величины τ 0,10=4,5 мс до значения τ 0,10=2,7 мс. Отмеченные нами явления проявляются преимущественно в предложенном нами составе люминофора, в катионную решетку которого входят ионы Y, Gd, Eu, Sc, Yb, образующие между собой гомогенные твердые растворы при указанных концентрациях. Все получаемые в этом случае соединения имеют ромбическую кристаллографическую структуру, принадлежащую пространственной группе D
Одновременно нами было отмечено, что предложенный люминофор излучает многополосный спектр, где превалируют три основные группы линий с λ =587-592 нм, λ =609-612 нм и λ =625-628 нм. При этом было также отмечено, что более насыщенное излучение красного цвета проявляется в спектре фотолюминофора при возрастании в его составе стехиометрического индекса z, определяющего атомную долю содержания иона Eu+3 в кристаллической решетке люминофора. Укажем также, что измерение параметров фотолюминесценции предложенного Фл проводилось нами в специально изготовленном метрологическом вакуумном стенде, где излучатели на основе газоразрядных ксеноновых ламп размещались совместно с люминофором в вакуумированной до 10-3 Торр камере.
Возбуждаемое ксеноновой лампой излучение люминофора фиксировалось внешним фотоэлементом. В качестве постоянного репера в процессе этих измерений нами использовался коммерческий образец люминофора фирмы "Ничия" (Япония) типа PDP-N-1310. Спектр излучения предложенного Фл представлен тремя интенсивными группами линий с λ 1=587-592 нм, λ 2=609-612 нм и λ 3=625-628 нм, которые интерпретированы нами соответственно как переходы 5D2-7F0, 5D1-7F1 и 5D0-7F0. Непосредственное измерение координат цветности свечения и их расчет по спектру указывает на величину х=0,649, y=0,342 при введенной в состав Фл концентрации иона европия Еu+3, равной 0,05 атомных долей в катионной подрешетке. Эта величина является достаточно высокой, на что указывает значение насыщенности цвета р=0,92-0,94 по отношению к стандартному цветовому источнику Е с координатами цветности х=0,333, y=0,333.
Нами в процессе работы над изобретением было обнаружено, что количества дополнительно вводимых ионов из группы (Sc+Yb) могут принимать не произвольные, а только четко обусловленные значения. Так при общей сумме гадолиния и европия Σ Gd+Eu=0,48 атомных долей концентрация Sc+Yb не может превышать значение [Sc+Yb]≤ 0,05, но одновременно не может быть менее величины [Sc+Yb]≥ 0,02. Т.е. общая концентрация этих дополнительно вводимых элементов может изменяться в ~2,5 раза.
Нами было также отмечено, что концентрации дополнительно вводимых в состав анионной подрешетки Фл примесей ионов алюминия и галлия несоразмерны с концентрацией основного элемента - иттрия в решетке. Введение в анионную подрешетку более крупноразмерных, чем ион бора В+3, элементов должно сопровождаться не только изменением (увеличением) параметров кристаллографической решетки вещества Фл, но приводить также к изменению структуры решетки, что крайне нежелательно. Так при полном содержании иона иттрия в решетке от 0,50 до 0,70 атомных долей сумма концентраций вводимых в анионную подрешетку ионов алюминия и галлия не превышает значения Σ (Al+Ga)≤ 0,1.
Найденный нами экспериментальный факт дополнительного введения в анионную решетку фотолюминофора ионов алюминия и галлия позволил химически стабилизировать состав материала. В качестве критерия стабилизации нами использован тест по определению устойчивости рН (концентрации ионов водорода) водной вытяжки люминофора. В соответствии с этим тестом навеска порошка люминофора с массой m=1 грамм перемешивается в постоянном объеме V=50 мл дистиллированной воды. В течение нескольких часов затем измеряются показания рН-метра. Если Δ рН=рНраствора-рНсуспензии≤0,2 на протяжении τ =3 часов, то подобный люминофор является гидролитически устойчивым. При больших значениях приведенной разницы зерна люминофора в процессе взаимодействия с водой подвержены гидролитическому разложению.
Четко установлено, что подобные гидролизующиеся люминофоры в процессе технологического изготовления ПП подвержены воздействию фоторезистов и других технологических сред, что сопровождается деградацией яркости исходного Фл и необратимым изменением его координат цветности.
Нами было установлено, что ни спектральные, ни светотехнические параметры предложенного Фл не изменяются в процессах его взаимодействия с водой или водными технологическими средами.
Подобное преимущество достигается в фотолюминофоре тем, что дополнительно вводимые в его состав оксиды скандия и иттербия распределены равномерно по глубине каждого зерна Фл, что обусловлено оригинальным способом получения люминофора.
Сохранение ромбической кристаллографической структуры при введении в катионную и анионную подрешетки примесей редкоземельных элементов из элементов III группы (Аl и Ga) является еще одним преимуществом предложенного состава Фл, отличающегося тем, что его мелкодисперсные зерна выполнены в виде овальных объемных структур, геометрическая ось которых соотносится с основной длиной волны излучаемого ею света в интервале от 4:1 до 10:1 с преимущественным значением среднего диаметра в интервале от 2.5 микрон до 6 микрон, а указанные овальные зерна образуют плотную упаковку с насыпной массой ρ =1,8 г/см3 и плотный люминесцентный слой, излучающий в просветном режиме при удельной нагрузке люминофора на экран от δ =2 мг/см2 до δ =4,2 мг/см2.
В публикации-прототипе отмечена шаровидная (геометрически круглая) форма зерен люминофора. Однако при укладке подобных зерен на поверхность фронтальной стеклоподложки ПП площадь непосредственного контакта между единичным зерном и подложкой крайне незначительна (единицы мкм2). При значительных мощностях газового разряда воздействующего на зерно Фл последнее может существенно перегреться. Разогрев зерна люминофора из ортобората иттрия-гадолиния-европия сопровождается, как было установлено нами, существенным понижением эффективности его фотолюминесценции; по измерениям спад составляет до 2% на один градус превышения температуры от значения Т=40° С. Следовательно, из-за разогрева отдельных зерен возможна потеря до 80% световой отдачи Фл при повышении температуры подложки от 40 до 80° С.
Нами было установлено, что зерна Фл в виде овальных объемных структур имеют значительно большую площадь контакта с поверхностью стеклоподложки (до десятков мкм2), что обуславливает существенно лучший теплоотвод в экране ПП.
Удельная массовая нагрузка зерен люминофора в экране, излучающем "на просвет", составляет от ρ =2 мг/см2 до ρ =4,2 мг/см2, а ее оптимальное значение определено в узком интервале с ρ =2,4± 0,3 мг/см2.
Как было указано выше, в публикации-прототипе описан оригинальный, как указывают авторы, двухстадийный вариант способа изготовления Фл из ортобората иттрия-гадолиния-европия. В соответствии с описанием [4] предварительно из водорастворимых солей Y, Gd, Eu с помощью горячего раствора мочевины осаждаются зерна, т.н. прекурсора, т.е. первичного вещества, которое по составу, очевидно, приближается к гидроокиси-карбонатам редкоземельных элементов типа Ln2(СО3)3·nН2O. Полученные зерна прекурсора затем прокаливаются при Т=600-1000° С с образованием зернышек твердых растворов оксидов иттрия-гадолиния-европия. После этой первичной стадии порошки оксидов смешивают с твердой борной кислотой и нагревают при Т>1000° С, получая необходимый ортоборат. Для соблюдения стехиометрии в прототипе предлагается дополнительно вводить избыток порошка борной кислоты. Несмотря на известные достоинства, такие как повышенную яркость люминофора, предложенный вариант синтеза имеет ряд существенных недостатков:
- неоднородность фазового состава оксидного прекурсора, в котором наряду с материалом кубической формы образуется также его моноклинная модификация, обуславливающая последующую полифазность синтезируемого люминофора;
- неоднородность полученных зерен люминофора по составу, связанную с тем, что в центре зерна преимущественно будет находиться фаза метабората иттрия, тогда как на его поверхности - полиборатные фазы.
Кроме того, необходимо отметить сложность воспроизведения двухстадийного процесса, его высокую стоимость и низкую производительность.
С целью устранения существенных недостатков известного способа получения ортоборатного Фл с использованием промежуточного оксидного прекурсора нами предлагается способ получения красноизлучающего фотолюминофора приведенного выше состава, заключающийся в смешении азотнокислых кристаллогидратов редкоземельных элементов, алюминия и галлия в необходимых стехиометрических соотношениях, нагреве полученной смеси до 80-100° С, введении осадителя - тетрагидробората натрия при 60° С с получением при интенсивном перемешивании мелкодисперсных зерен Фл с последующим их кислотно-водным освобождением на фильтре от избыточных остатков солей и двухступенчатым прокаливанием при температуре 700-900° С в течение 1-3 часов и при температуре 1100-1300° С в течение 0,5-3 часов.
Поясним сущность предлагаемого способа на конкретном примере получения люминофора.
Пример №1. Смешивают в термостойком стакане
0,6 М Y(NО3)3 6H2O
0,3 М Gd(NO3)3 6Н2О
0,06 М Еu(NО3)3 6Н2О
0,022 М Sс(NО3)3 4Н2O
0,018 М Yb(NО3)3 4Н2O
0,02 М Аl(NО3)3 9Н2O
0,01 М Gа(NО3)3 12Н2O
Смесь нагревают до 88° С и выдерживают до полного обезгаживания в течение 30 минут. В стакан при интенсивном перемешивании его содержимого добавляют 1 М кристаллогидрата метабората натрия. Образовавшийся мелкодисперсный осадок тщательно промывают соляной кислотой (1:5 разбавления) на нутч-фильтре, освобождая от избыточного натрия и нитрогрупп. Полученные мелкодисперсные зерна продукта прокаливают на воздухе в двухступенчатом режиме с Т=700° С в течение 3 часов на первой стадии. Продукт растирают на сите и дополнительно прокаливают при Т=1300° С в течение 2 часов. Материал измеряют в описанной выше тест-установке. Его яркость превышает яркость принятого эталона на 14% при стандартных координатах цветности х=0,646, y=0,341. Средний диаметр зерен люминофора составляет d50=3 микрона, зерна отличает преимущественно овальная форма, массовая нагрузка люминофора на экран ПП составляет 2,5 мг/см2.
Высокие светотехнические качества полученного люминофора являются не единственными преимуществами предложенного способа получения зерен ортоборатного Фл. Люминофор характеризуется также константностью рН водной вытяжки и высокой технологической устойчивостью при изготовлении экранов ПП.
Пример №2. Смешивают в термостойком стакане
0,63М Y(NО3)3 6Н2O
0,29 М Gd(NО3)3 6Н2O
0,06 М Еu(NО3)3 6Н2O
0,05 М Sс(NО3)3 4H2O
0,015 М Yb(NО3)3 4Н2O
0,015 М Аl(NO3)3 9Н2O
0,015 М Gа(NО3)3 12Н2О
Смесь нагревают до 88° С и выдерживают до полного обезгаживания в течение 30 минут. В стакан при интенсивном перемешивании его содержимого добавляют 1 М кристаллогидрата метабората натрия. Образовавшийся мелкодисперсный осадок тщательно промывают соляной кислотой (1:5 разбавления) на нутч-фильтре, освобождая от избыточного натрия и нитрогрупп. Полученные мелкодисперсные зерна продукта прокаливают на воздухе в двухступенчатом режиме с Т=900° С в течение 1 часа на первой стадии. Продукт растирают на сите и дополнительно прокаливают при Т=1100° С в течение 3 часов. Материал измеряют в описанной выше тест-установке. Его яркость превышает яркость принятого эталона на 15% при стандартных координатах цветности х=0,646, y=0,341. Средний диаметр зерен люминофора составляет d50=2,5 микрона, зерна отличает преимущественно овальная форма. Массовая нагрузка люминофора в экране ПП составляет 2,3 мг/см2. В спектре излучения отношение полос 626/592 нм=2:1.
Пример №3.
По составу реакционная смесь аналогична примеру №2. Полученный продукт после осаждения и промывки прокаливают при температуре 800° С 1,5 часа и на второй ступени при температуре 1200° С 1,5 часа. Средний диаметр овальных зерен люминофора 2,5 мкм. Массовая нагрузка люминофора на экране ПП составляет 2,6 мг/см2. В спектре излучения соотношение полос 1,5:1.
Конкретные примеры реализации предлагаемого изобретения даны в таблице, где сопоставлены различные составы ортоборатного Фл по их светотехническим характеристикам.
Как следует из приведенных в таблице данных, практически все предложенные составы имеют высокую яркость, превышающую эталонное значение на 10-20% при сопоставимых или лучших координатах цветности свечения. Во всех предлагаемых люминофорах соотношение полос 628/592 нм более 1. Существенным преимуществом предлагаемых люминофоров является упорядоченная на 18-30% длительность послесвечения при импульсном возбуждении, что позволяет в экране ПП устранить длительно светящиеся (тянущиеся) изображения.
Технический результат, полученный при использовании предлагаемого фотолюминофора: были изготовлены модули ПП размером 400× 400× 10 мм, которые в режиме постоянного тока разряда имели следующие характеристики:
Основное количество цветов и количество пиксел-элементов RGB, 480× 624
Разрешающая способность, см-1 0,3
Яркость свечения экрана, кд/м2 360
Расчетный ресурс работы >6 лет
Расстояние оптимального наблюдения 10 м
Ранее подобные характеристики в ПП не достигались. Намечено крупномасштабное внедрение предложенного Фл.
Источники информации
1. С. Шерр. Электронные дисплеи. М.: Мир, 1982, с.212-250.
2. С. Тамура и др. Tech. Res. Jnst. TV. Eng Jpn., 1994, v.18, p.55-65.
3. С. Тамура и др. Japanese Pat. 1093745, 1982-1988.
4. Sfh-Xose, SiD-2001 Digest, p.742-745, июнь 2001.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СИНЕИЗЛУЧАЮЩИЙ ФОТОЛЮМИНОФОР ДЛЯ ЭКРАНОВ ПЛАЗМЕННЫХ ПАНЕЛЕЙ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2001 |
|
RU2236433C2 |
ФОТОНАКОПИТЕЛЬНЫЙ ЛЮМИНОФОР И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2002 |
|
RU2236434C2 |
КРАСНОИЗЛУЧАЮЩИЙ ФОТОЛЮМИНОФОР ДЛЯ ЭКРАНОВ ПЛАЗМЕННЫХ ПАНЕЛЕЙ | 2017 |
|
RU2693781C2 |
ФОТОЛЮМИНОФОРЫ ДЛЯ КОРОТКОВОЛНОВЫХ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ (СИД) | 2004 |
|
RU2315078C2 |
МНОГОЦВЕТНЫЙ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ЭКРАН И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИБОР НА ЕГО ОСНОВЕ | 2004 |
|
RU2301824C2 |
Фотолюминофор нейтрально-белого цвета свечения со структурой граната и светодиод на его основе | 2015 |
|
RU2619318C2 |
НЕОРГАНИЧЕСКИЙ ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ БЕЛОГО СВЕТА | 2009 |
|
RU2474009C2 |
ФОТОЛЮМИНОФОР СО СВЕРХДЛИТЕЛЬНЫМ ПОСЛЕСВЕЧЕНИЕМ | 2000 |
|
RU2194736C2 |
ФОТОЛЮМИНОФОР ЖЕЛТО-ОРАНЖЕВОГО СВЕЧЕНИЯ И СВЕТОДИОД НА ЕГО ОСНОВЕ | 2010 |
|
RU2455335C2 |
КРАСНЫЙ НИТРИДНЫЙ ЛЮМИНОФОР | 2014 |
|
RU2573467C1 |
Изобретение предназначено для индикаторной техники. Красноизлучающий фотолюминофор имеет формулу (Yx, Gdy, Euz, Lnp)B1-q Ме
ЩИТОВОЙ ДЛЯ ВОДОЕМОВ ЗАТВОР | 1922 |
|
SU2000A1 |
Овощерезка | 1981 |
|
SU1095997A1 |
ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛЕНКИ ТЕПЛИЦ | 1996 |
|
RU2125069C1 |
US 6042747 A, 28.03.2000 | |||
US 6117362 А, 12.09.2000 | |||
ЗАЖИМ КЛУБНЕЙ. ДИСКОВО ЛОЖЕЧНОГО ВЫЧЕРПБШАЮЩЕГО АППАРАТА КАРТОФЕЛЕСАЖАЛКИ | 0 |
|
SU292616A1 |
Способ дегазации угольных пластов | 1980 |
|
SU877071A1 |
Авторы
Даты
2004-09-20—Публикация
2001-11-28—Подача