МНОГОЦВЕТНЫЙ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ЭКРАН И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПРИБОР НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2007 года по МПК C09K11/84 C09K11/56 H01J31/20 

Предлагаемое изобретение относится к области индикаторной техники, конкретно к материалам и устройствам на основе электронно-лучевых приборов (ЭЛП). Наряду с широко используемыми цветными масочными кинескопами, имеющими существенные недостатки, обусловленные недостаточно высокой разрешающей способностью и средним уровнем яркости свечения, существуют еще два типа ЭЛП, в которых используются немеханические принципы светоделения. Конкретно - это энергетические ЭЛП, с применением разноскоростных пучков электронов и катодолюминофоров, различающихся порогами возбуждения, а также токово-плотностные ЭЛП, с применением катодолюминофоров с различной зависимостью яркости свечения от интегральной плотности возбуждающего тока. Электронно-лучевые приборы, в которых используются оба эти принципа, несмотря на их сложность до настоящего времени используются в специальной индикаторной технике, обеспечивая очень высокую разрешающую способность. Предлагаемое изобретение преимущественно относится к технике многоцветных индикаторных приборов с токово-плотностным принципом цветовоспроизведения.

В подобных приборах используется сверхлинейный и сублинейные катодолюминофоры, при том что для сверхлинейного катодолюминофора характерно излучение в коротковолновой области спектра, преимущественно зеленой или сине-зеленой, тогда как сублинейные катодолюминофоры имеют большей частью длинноволновое излучение. Необходимый для подобного экрана сверхлинейный катодолюминофор описан в статье (Полифункциональные экраны индикаторных ЭЛП, Болыпухин В.А и др. Электронная техника сер. 4, вып.2 стр.36-43 [1]). Недостатком известного аналога является относительно ненасыщенный цвет излучения в экране при возбуждении электронными пучками с высокой поверхностной плотностью.

В статье (Сощин Н.П. и др. Термолюминесценция оксисульфидов. Известия АН СССР, сер физ. том 50 №3 стр.599-602, 1986 г.) описаны термолюминесцентные свойства покрытий на основе сублинейного и сверхлинейного катодолюминофоров с очень высоким показателем нелинейности. Использование подобных люминофоров позволяет несколько (на 15-25%) увеличить яркость свечения красного и зелено-желтого полей экранного покрытия. Однако несмотря на указанное преимущество приведенный прототип имеет ряд существенных недостатков:

- низкое цветоразделение

(Δ, X, Δ Y - параметры, определяемые при пятикратном повышении плотности тока. Эти параметры обычно используются в технике электронно-лучевых приборов для конкретизации цветового деления);

- радиационное разнознаковое изменение коэффициентов нелинейности сублинейного и сверхлинейного люминофоров, что сопровождается уменьшением цветоразделения;

- относительно невысокое значение разрешающей способности экрана во втором "сверхлинейном" поле; обычно не более 2-3 линий/мм.

Целью предлагаемого изобретения является прежде всего создание экрана с высоким цветоразделением. Этот параметр должен обеспечиваться при минимальном соотношении плотностей тока, возбуждающего экранное покрытие. В третьих, экранное многоцветное покрытие должно обеспечивать высокую разрешающую способность прибора в двух воспроизводимых цветовых полях.

В соответствии с поставленной целью для устранения недостатков известного многоцветного катодолюминесцентного покрытия на основе, по крайней мере, двух механически смешанных катодолюминофоров с нелинейными токовыми характеристиками, один из которых является сублинейным на основе оксисульфида иттрия-европия, а второй - сверхлинейным зеленоизлучающим состава ZnS·CdS, Cu, Al, Co, отличающийся тем, что сублинейный катодолюминофор является красноизлучающим, в его состав введен кальций, и он соответствует стехиометрической формуле

Поясним кратко состав и конструкцию предложенного многоцветного экрана. Прежде всего, в состав экранного покрытия входят два различных по химическому составу люминофора, один из которых представляет собой оксисульфид иттрия-европия-кальция с узкополосным спектром излучения в красно-оранжевой области спектра, тогда как второй традиционный полупроводниковый материал состава ZnS_0,9·CdS_0,1, Cu, Al, Со с очень широким спектром излучения в зелено-желтой области видимого спектра. Отметим, что стандартный катодолюминофор на основе оксисульфида иттрия-европия YsO₂S Eu, широко используемый в экранах цветных кинескопов и вычислительных мониторов, имеет линейную характеристику яркости свечения от плотности возбуждающего тока, т.е.

Для придания этому люминофору свойств нелинейности в его состав вводят соединения кальция, преимущественно оксиды и сульфиды, таким образом, что стехиометрическая формула состава люминофора приобретает вид

Нами было установлено, что введение в состав люминофора соединений кальция, сопровождается изменением вида токовой характеристики яркости и появлением так называемой области насыщения. Точка перегиба токовой характеристики яркости и уровень яркости насыщения являются функциями стехиометрического состава люминофора. Так, при низких концентрациях вводимого в состав люминофора соединений кальция [Са]<0,01 мас.%, коэффициент нелинейности токовой характеристики яркости составляет α=0,85; дополнительное увеличение концентрации кальция [Са]<0,05 сопровождается снижением коэффициента нелинейности до α=0,6.

Если концентрация вводимого [Са]<0,07, то коэффициент нелинейности α может принимать значение в интервале от 0,4<α<0,6. Одновременно с вводимыми в состав катионной подрешетки катодолюминофора соединениями кальция в составе его анионной подрешетки образуются вакансии, обозначаемые как V_s, количество которых составляет где Ca_y обозначает узел катионной решетки оксисульфида иттрия, в которой ион Y⁺³ заменен ионом Са. Полученный в соответствии со способом, описанным в [2], сублинейный катодолюминофор со стехиометрической формулой Y_2-x-yEu_xCa_yS_1-z(V_s)_z имеет следующие светотехнические характеристики (табл.1). С ростом содержания [Са] в решетке основания катодолюминофора уменьшается его начальная яркость свечения при константности координат цветности. Выход на насыщение токовой кривой яркости приходится на уровень яркости свечения от 160 до 220 кд/м². Стехиометрический индекс "у" в общей химической формуле основания катодолюминофора соответствует изменению от у=0,01 до у=0,1 для оптимального по составу катодолюминофора при индексе х для оптимального состава х=0,09 (полная концентрация вводимого активирующего иона Eu изменяется в основании катодолюминофора от х=0,01 до х=0,1 атомной доли).

К исходному оптимальному сублинейному красноизлучающему катодолюминофору подбирают сверхлинейный зеленоизлучающий люминофор с химической формулой ZnS·CdS, Cu, Al, Co при вариации массового соотношения люминофоров для красноизлучающего к зеленоизлучающему от 2:1 до 1:2. Соотношение нелинейности подобранных катодолюминофоров изменяется при этом от 0,5 к 4,0 до 0,4 к 3,0. Вариация яркостей свечения оранжево-красного поля составляет от 6 до 12,7 кд/м², тогда как яркость свечения зеленого поля изменяется от 70 до 120 кд/м². Указанные яркости свечения достаточны для уверенного различения сигнальной отметки на экране предложенного электроннолучевого прибора при условиях освещенности экрана световым потоком с F=200 люкс.

Приведенное важное преимущество предложенного многоцветного экрана достигается в нем при том существенном отличии, что дисперсный состав красноизлучающего сублинейного катодолюминофора характеризуется значением среднего диаметра от d₅₀=4,0 мкм до d₅₀=10 мкм, а дисперсный состав зеленоизлучающего катодолюминофора изменяется от d₅₀=14±2 мкм до d₅₀=20±2 мкм, при том что указанная двухкомпонентная смесь люминофоров образует равномерное двухслойное покрытие, первый слой которого выполнен из их смеси, а второй - преимущественно из красноизлучающего сублинейного катодолюминофора.

Таблица 1Светотехнические характеристики нелинейных катодолюминофоровСостав катодолюминофаL, кд/м² при U=14 кВКоэффициент нелинейности L 0,12-0,6Координаты цветностиXYКЛК-3 нл п. [Са]=0,07412200,540,6350,356КЛК-3 нл [Са]=0,09311690,540,6340,352КЛК-3 нл [Са]=0,1412120,520,6290,360ПЦЗ м.в. п.383244,050,3240,557ПЦЗ м.в. п.583464,30,310,56ПЦЗ м.в. п.973585,10,2990,559КЛК-3 нм [Са]=0,01604950,8250,6380,356КЛК-3 нм [Са]=0,05503000,600,6360,354

Таблица 2Светотехнические характеристики двухцветного экрана с токовым управлением цветностиЛюминофорыНагрузка ПЦЗМ м²/см²Нагрузка КЛК-З нлм²/см²Яркость кд/м²XУЯркость кд/м²XУПЦЗМ п.91.0 100,590,384700,4170,478КЛК-3 нл 2,0      ПЦЗМ1,25 11,50,590,387830,4500,465КЛК-3 нл 1,75      ПЦЗМ1,25 12,70,6120,387880,4300,476КЛК-3 нл 1,75      ПЦЗМ2,01,06,00,560,4001200,380,50КЛК-3 нл        

Поясним дополнительно существенные отличия предложенного многоцветного экрана. Прежде всего отметим, что экранное покрытие выполняется из разноразмерных зерен катодолюминофоров, при этом зерна сублинейного красноизлучающего материала имеет существенно меньший средний диаметр d₅₀=4-10 мкм в сравнении с зернами зеленоизлучающего материала, имеющего d₅₀=14-20 мкм. При этом нами использовано известное физико-химическое правило об изменении скорости осаждения дисперсной смеси люминофоров пропорционально квадрату диаметра зерен, составляющих указанную смесь.

Нами было также установлено, что сублинейный материал должен быть более мелким и, следовательно, осаждаться медленнее, чем сверхлинейный материал. Такое различие в скорости осаждения при постоянстве высоты осаждения сопровождается, как было установлено нами в процессе работы над изобретением, образованием двухслойного покрытия, различающего по химическому составу зерен. В нижнем быстро осевшем слое преобладают крупные зерна сублинейного материала и очень крупные зерна сверхлинейного материала. Массовая нагрузка этого композиционного слоя составляет от 1,2 до 2,4 мг/см². Между образовавшимися слоями многоцветного люминофорного покрытия отсутствует физическая граница раздела. Так, на первом композиционном слое, имеющем значительное заполнение рабочей поверхности экрана, формируется менее плотный по плотности заполнения слой, состоящий преимущественно из зерен красноизлучающего сублинейного катодолюминофора. Нами было установлено, что вследствие меньшего размера зерен сублинейного красноизлучающего катодолюминофора оптимальная нагрузка этого материала составляет от 1,2 до 1,6 мг/см² при среднем значении m=1,4 мг/см².

Кратко опишем работу предложенного многоцветного экрана. При возбуждении экрана электронным пучком с низкой плотностью от 0.05 до 0,20 мкА/см² на нем возникает изображение сигнального поля красно-оранжевого цвета. Размер растра при этом составляет 250×330 миллиметров. Расчетная разрешающая способность такого экрана лучше 5 линий на миллиметр. При повышении плотности тока возбуждающего электронного пучка до 1 мкА/см² или более экран приобретает желто-зеленый цвет свечения. Разрешающая способность экрана при этом составляет 4,5-5 линии на миллиметр. Эти высокие параметры многоцветного экрана, отличающегося тем, что указанный экран излучает в оранжево-красной области спектра при его облучении электронным пучком с интегральной плотностью тока j=0.2 мкА/см², обеспечивая при этом разрешающую способность L более 5 линий·миллиметр, тогда как с ростом плотности тока до j более 1 мкА/см² цвет излучения сдвигается в желто-зеленую область спектра.

За очень редким исключением специальных электронных приборов, снабженных тонким металлическим экраном, проницаемым для электронов, люминофорные экранные покрытия ЭЛП располагаются внутри вакуумированного объема стеклооболочки. Поэтому в качестве известного прототипа изобретения предлагается использовать японскую заявку JP-№01-117251 (кл. Н01J 31.12.1989, реферат на англ. языке). Способ формирования предложенного нами в изобретении многоцветного экрана практически аналогичен указанному стандартному методу изготовления экранного покрытия.

Для этого в объем стеклооболочки, например, внешним диаметром 450 мм, заливают 5 литров 0,2% двухмодульного раствора силиката калия. Температуру раствора доводят до 18°С путем обдува стеклооболочки потоком теплого воздуха. В объем раствора по специальной воронке заливают суспензию двухкомпонентного люминофора, состоящую из сублинейного и сверхлинейного катодолюминофора.

Необходимое количество люминофора рассчитывается по уравнению

где d - внутренний диаметр оболочки предлагаемого электроннолучевого прибора. Для d=420 мм масса люминофорной навески составляет m=7,2 грамма и может варьироваться в пределах от 6,8 грамма до 8,2 грамма. Суспензию люминофора приготавливают на дистиллированной воде объемом V=0,25 л, в который дополнительно вводится раствор коагулятора в виде азотнокислой соли стронция Sr(NO₃)₂ (0,2%) или уксуснокислой соли бария (0,1%).

Суспензия двухкомпонентной люминофорной смеси равномерно распределяется по внутренней поверхности оболочки прибора и химически закрепляется на ней. После закрепления люминофорного слоя объем использованной дисперсной среды сливают из оболочки, после чего экранное покрытие подсушивается потоком теплого (60-80°С) воздуха, направляемого внутрь оболочки. На поверхности люминофорного покрытия формируется тонкое промежуточное покрытие на основе бутил-акрилатного лака "Экран", в который для лучшего смачивания добавляется до 0,1% пластификатора в виде дибутилфталата. После созревания лаковой пленки на ней методом термовакуумного напыления формируется тонкое зеркальное покрытие из алюминия толщиной h=1200-1500 Å. Алюминиевое покрытие стабилизируется в процессе термодеструкции промежуточного органического покрытия, проводимого при Т=420°С в течение 6 часов.

Последующие операции изготовления электронно-лучевого прибора также не отличаются от стандартных: формирование аквадага в виде кольцевого покрытия на конической части стеклооболочки прибора; нанесение на горловину прибора полупроводниковой спирали послеускорения, механическая сборка многоэлементной электронно-оптической системы, посадка ЭОС на многоштырьковую стеклянную ножу прибора, огневую заварку ножки с ЭОС в горловину прибора. Собранный подобным образом прибор откачивается с помощью специальных насосов до разрежения 1·10^-6 торр. Штенгель ножки, через который откачивался прибор, отпаивается, после чего в приборе распыляется бариевый геттер для улучшения вакуума.

Электронно-оптическая система многоцветного прибора активируется и тренируется на специальных стендах, в ЭОС стабилизируется оптимальный ток термокатода, который регулируется расположенным на расстоянии δ=120 микрон модуляторным электродом.

На специальном испытательном стенде определяются светотехнические и электрофизические параметры прибора.

При подаче на второй анод прибора напряжение U_a=14 кВ включает электромагнитную развертку прибора, работающую с кадровой частотой f_k=50 Гц и строчной частотой f_стр=15 кГц. Размер вписанного растра составляет при измерении параметров h=250 мм, l=330 мм. С помощью модулятора устанавливается полный ток на экран I_экр=40 мкА. При этом токе "зажигается" красно-оранжевое поле, яркость которого превышает значение L_кр>10-12 кд/м². Координаты цветности этого поля, измеряемое четырех-фильтовым колориметром УФК-1, составляют значение х=0,60 y=0,382. При увеличении плотности возбуждающего экранного тока до j=0,6-0,9 мкА/см² цвет свечения экрана сдвигается через желтый к желто-зеленому с координатами цветности до х=0,420 y=0,460. Более высокая плотность тока с j=1 мкА/см² позволяет достигнуть устойчивого зеленоватого-желтого свечения. Подробные данные по светотехническим параметрам приведены в таблице 2 описания изобретения.

Методом сжатого растра на цветовых полях измеряется ширина (диаметр) горизонтальной строки, формируемой ЭОС прибора.

Было показано, что оранжево-красное поле прибора характеризуется разрешающей способностью 1>5 линий/мм, тогда как в зеленовато-желтом поле достигаемая разрешающая способность хотя и количественно снижается до 1>4 мин/мм, но остается существенно более высокой, чем у современных дисплейных приборов масового типа (1≈2,5-3 лин/мм). Подобное преимущество предложенного многоцветного экрана, отличающегося тем, что указанный экран излучает в оранжево-красной области спектра при облучении его электронным пучком с интегральной плотностью j≤0,2 мкА/см², обеспечивая при этом разрешающую способность экрана 1>5 лин/мм, тогда как с ростом плотности тока до j≥1 мкА/см² цвет излучения сдвигается в коротковолновую область спектра, достигая цветового различия Этот светотехнический параметр легко рассчитывается по координатам цветности двух описанных выше цветовых полей предложенного многоцветного экрана.

Нами было установлено также, что высокая разрешающая способность предложенного многоцветного экрана зависит не только от количественных параметров катодолюминофоров, составляющих основу предложенного многоцветного экрана, но являются также функцией соотношения между геометрической толщиной экрана и диаметром осесимметричного отверстия в модуляторном управляющем электроде электронно-оптической системы прибора. Так нами было показано, что при геометрической толщине экрана h_экр=30 мкм диаметр отверстия в модуляторе целесообразно выполнить с ⊘=120 мкм. При более тонком покрытии с h_экр=25 мкм диаметр отверстия в модуляторном электроде целесообразно довести до значения ⊘=150 мкм, что позволяет достигнуть оптимальных значений разрешающей способности прибора, описанных выше. Эти преимущества предложенного многоцветного экрана реализуются в электронно-лучевом приборе отображения многоцветной информации, содержащем размещенные в вакуумированной стеклооболочке катодолюминесцентный экран, расположенный на ее внутренней фронтальной поверхности, электронно-оптическую систему из термоэмиттера, модуляторного, фокусирующего и ускоряющего электродов, причем катодолюминесцентный экран контактирует со сплошным алюминиевым покрытием ускоряющего электрода, отличается тем, что модуляторный электрод выполнен в виде металлической диафрагмы с осесимметричным отверстием, а экран выполнен многоцветным по пп.1-3.

В процессе работы над изобретением были проведены ресурсные испытания прибора, которые показали его устойчивую работу в течение 3000-5000 часов. Это преимущество предложенного электронно-лучевого прибора отображения информации с электронно-оптической системой из термоэмиттера (катода), модуляторного, фокусирующего и ускоряющего электродов, размещенных в вакуумированной стеклооболочке, отличающегося тем, что модуляторный электрод выполняется в виде металлической диафрагмы с осесимметричным отверстием, диаметр которого от 4 до 6 раз превышает геометрическую толщину указанного двухслойного катодолюминофорного экрана.

В 2003 году намечен массовый производственный выпуск предложенных ЭЛП с многоцветными экранами.

Источники информации

1. Авторское свид. СССР №974791. Катодолюминофор со сверхлинейной токовой характеристикой яркости свечения. Приор. 19.06.1980 г.

2. Люминесцентное покрытие экрана ЭЛП с токовым управлением цветом свечения. Авторское свид. СССР №1510615. Приор. 22.05.1989 г.

3. Способ получения сублинейного катодолюминофора. Авторское свид. СССР №1251521 от 10.02.1984 г.

Изобретение может быть использовано при изготовлении индикаторных устройств. Многоцветный катодолюминесцентный экран содержит покрытие на основе двух механически смешанных катодолюминофоров, один из которых является сублинейным красноизлучающим на основе оксисульфида иттрия-европия, соответствует стехиометрической формуле Y_2-x-yEu_xCa_yO₂S_1-z, где х=0,01-0,1; y=0,001-0,05; z=0,5y, а второй - сверхлинейным зеленоизлучающим состава ZnS·CdS, Cu, Al, Co. Экран излучает в оранжево-красной области спектра при его облучении электронным пучком с интегральной плотностью тока j=0,2 мкА/см², обеспечивая при этом разрешающую способность I>5 лин/мм. С ростом плотности тока до j>1 мкА/см² цвет излучения сдвигается в желто-зеленую область спектра. Электронно-лучевой прибор отображения многоцветной информации содержит размещенные в вакуумированной стеклооболочке многоцветный катодолюминесцентный экран, расположенный на ее внутренней фронтальной поверхности, электронно-оптическую систему из термоэмиттера, модуляторного, фокусирующего и ускоряющего электродов. Катодолюминесцентный экран контактирует со сплошным алюминиевым покрытием ускоряющего электрода. Модуляторный электрод выполнен в виде металлической диафрагмы с осесимметричным отверстием. Изобретение позволяет изменять цвет свечения от красного до зеленого. Электронно-лучевой прибор на основе указанного экрана имеет высокую разрешающую способность. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Многоцветный катодолюминесцентный экран для электронно-лучевых приборов, содержащий покрытие на основе, по крайней мере, двух механически смешанных катодолюминофоров с нелинейными характеристиками, один из которых является сублинейным на основе оксисульфида иттрия-европия, а второй - сверхлинейным зеленоизлучающим состава ZnS·CdS·Cu, Al, Co, отличающийся тем, что сублинейный катодолюминофор является красноизлучающим, в его состав введен кальций и он соответствует стехиометрической формуле Y_2-x-yEu_xCa_yO₂S_1-z, где х=0,01-0,1; y=0,001-0,05; z=0,5 y.2. Многоцветный катодолюминесцентный экран по п.1, отличающийся тем, что дисперсный состав красноизлучающего сублинейного катодолюминофора характеризуется значением среднего диаметра от 4,0 до 5,0 мкм, а дисперсный состав зеленоизлучающего катодолюминофора - средним диаметром от 14±2 до 20±2 мкм, при том, что указанная двухкомпонентная смесь люминофоров образует равномерное двухслойное покрытие, первый слой которого выполнен из их смеси, а второй - преимущественно из красноизлучающего сублинейного катодолюминофора.3. Многоцветный катодолюминесцентный экран по п.1, отличающийся тем, что он излучает в оранжево-красной области спектра при его облучении электронным пучком с интегральной плотностью тока j=0,2 мкА/см², обеспечивая при этом разрешающую способность I>5 лин/мм, тогда как с ростом плотности тока до j>1 мкА/см² цвет излучения сдвигается в желто-зеленую область спектра.4. Электроннолучевой прибор отображения многоцветной информации, содержащий размещенные в вакуумированной стеклооболочке катодолюминесцентный экран, расположенный на ее внутренней фронтальной поверхности, электронно-оптическую систему из термоэмиттера, модуляторного, фокусирующего и ускоряющего электродов, причем катодолюминесцентный экран контактирует со сплошным алюминиевым покрытием ускоряющего электрода, отличающийся тем, что модуляторный электрод выполнен в виде металлической диафрагмы с осссимметричным отверстием, а экран выполнен многоцветным по пп.1-3