制作发光面板基片的透明多晶体的制作方法

专利名称：：制作发光面板基片的透明多晶体的制作方法
技术领域：
：本发明属显示
技术领域：
，特别涉及彩色投影电视阴极射线管的发光面板材料及构造。目前，获得大屏幕图文显示的一种产品是彩色投影电视。这种投影电视最初使用的阴极射线管的发光面板，是在玻璃板上涂敷粉末发光体而作成的。这种发光面板的热导率很差。不但玻璃板的导热率差，发光粉末颗粒的热导率也很差。这使得涂敷发光粉末的玻璃发光面板不能负荷较大的发射功率。在功率密度超过1W/Cm2时，发光粉末就会分解。在5W/Cm2时，发光颗粒就会熔化。由于发光颗粒尺寸和界面间散射的限制，这种投影管的分辨率不会小于20μm。发光粉末还存在所谓的库仑退化当电子剂量达到140库仑/Cm2后，其发光强度会下降到初始强度的50％。在最佳的使用环境中，高亮度下运行的寿命也只有1000小时。为了克服粉末涂敷玻璃发光面板这些缺点，研制了新型彩色发光面板。这种新型发光面板，是在导热率很高的纯YAG(钇铝石榴石)单晶基片上同质外延一层高导热的发光晶质材料[例如CeYAG(绿)，TbYAG(兰)或EwYAG(红)]而构成的。由这种高导热单晶和发光晶质作成的彩色投影电视阴极射线管有如下优点(TuckerA.R，kindH.H“SingleCrystalfaceplatevaluation”Report1993OrderNo.AD-A277922)1.发光面板的分辨率只受电子束尺寸的限制，故分辨率极高。2.CeYAG等发光晶质材料的荧光驰豫时间只有10ns，比普通粉末涂敷玻璃发光面板的驰豫时间小一个数量级。3.外延YAG发光面板在高功率工作条件下不会分解，也不会熔化。热淬灭温度比粉末涂敷玻璃发光面板高得多，故适于高功率下运转。4.外延YAG发光面板没有库仑退化现象，故不会老化。5.YAG晶片的机械强度很高，故耐磨损、抗负压。但是，由于YAG晶片与阴极射线管管体之间的热膨胀系数相差较大，两者很难焊接在一起。YAG的折射率也比较大，相应的面板光输出份额只有16％。这两个原因使得用单晶YAG基片作发光面板的阴极射线管无法实用化。几年以后，中国专利95111324.0公开的技术成功地解决了YAG单晶片与管体之间的密封焊接难题。据了解，另一项已申请专利尚未公开的技术解决了光通量偏低的问题，成功地研制出高导热外延YAG单晶发光面板彩色投影电视阴极射线管。其分辨率达2000条线，亮度达105cd/m2以上。不过，用作发光面板基片的YAG单晶生长速度较慢。国内高质量的YAG晶坯直径目前只到三英寸(76.2mm)，使大功率管子的制作受到限制(功率越大，晶片直径也要越大)。而且，YAG单晶的生长装置比较昂贵，故使用纯YAG单晶作发光面板基片不利于大批量生产，不利于投影管功率的提高，不利于成本的降低。为弥补上述不足之外，本发明用高导热的透明多晶体作基片，在其上制备一层厚度数微米至数十微米的高导热发光晶质薄膜，以构成高分辨率、高亮度且可在高功率下长期运行的透明多晶体发光面板。适于本发明使用的透明多晶体在透过率、机械强度、抗腐蚀等物化性能方面，要满足一定的要求。中国专利95111324.0虽提到了显示屏衬底(即这里所说的发光面板基片)材料可以用透明陶瓷，但未公开具体的材料内容和制造技术。下面结合附图和实施例进一步对本发明进行详细说明。图1本发明的透明多晶体制作发光面板基片示意图。图2本发明的透明多晶体外延发光晶质薄膜制备示意图。图3本发明的球面型发光面板增大全反射临界角原理示意图。图4本发明的纯YAG透明多晶体透过率曲线。图5本发明的MgAl2O4透明多晶体透过率曲线。本发明是将透明多晶体用于制作诸如彩色投影电视阴极射线管发光面板的基片。与透明多晶体作透过窗口应用时不同，透明多晶体作发光面板基片应用时，该基片是与发光层固接在一起而发挥作用的。其结构如图1所示。在按要求制备出来的透明多晶体1的一个面上制作一层高导热的发光晶质材料2，以构成发光面板。通过焊料3将面板与阴极射线管的管壳4焊接密封，以便将管体抽成真空。为使焊接能够进行，基片外形尺寸应大于阴极射线管的通光口径，厚度大于1mm。阴极5发射的电子束打在发光晶质薄膜2上使其发射出所需颜色的光，这些光通过透明多晶基片1投射到屏幕上去进行显示。透明多晶体及其制备方法有多种。美国专利NO.3,589,880、NO.3,294,878、NO.3,431,326等，描述了制备金属氟化物，特别是氟化镁透明多晶体的方法；美国专利NO.4,520,116，描述了制备透明氧化铝-氮化铝多晶体的方法；美国专利NO.4,047,960描述了制备透明铌酸铝、钽酸铝多晶体的方法；美国专利NO.3,974,249、NO.3,768,990及中国专利CN1127734A等，描述了制备尖晶石型透明铝酸镁MgAl2O4多晶体的方法等。适于本发明应用的透明多晶体要满足如下要求1、在可见光，特别是红、绿、兰三基色波段的透明度要尽可能高。厚度大于1mm的片状透明多晶体，在0.4-0.8μm波段范围内的透过率不低于80％。2、导热率要高，一般不低于0.05W/cm2.k，以利于在高功率下运行。3、热膨胀系数要能与阴极射线管管体材料的热膨胀系数相匹配，以利于两者的焊接密封。4、机械强度要高。其弯曲强度不低于100MPa，以耐负压。5、抗蚀性能好。在紫外光辐照或在水中浸泡24小时后，其透过率不低于初始透过率的90％。6、硬度要高，折射率要尽可能小。高硬度要求是为了避免面板在使用中被划伤。而低折射率要求是为了增加通过面板出射的光通量分额。透明多晶体基片的折射率越小，发光层发出的光在基片出射面达到的全反射临界角越大，输出的光通量就越大。透明多晶体种类繁多，目前能满足或基本上能满足上述要求的透明多晶体有透明MgAl2O4(铝酸镁、简称MAO)多晶体、透明Y3Al5O12(钇铝石榴石，简称YAG)多晶体、透明Y2O3多晶体、透明5AlN·9A2O3(氮氧化铝、简称ALON)多晶体等。其中氧化钇(Y2O3)透明多晶体随掺入的组分不同又有掺铍(微量)氧化钇透明多晶体，掺钍的90％Y2O·10％ThO2(克分子比)透明多晶体(取名为“Yttralox”)，还有掺镧加强的Y2O3透明多晶体(LSY)等。表I列出MA0、YAG、Y2O3和ALON等透明多晶体的一些主要性能参数。表IMAO、YAG、Y2O3、LAON透明多晶体的一些主要性能参数表I透明MAO、YAG、Y2O3、ALON多晶体的一些主要性能参数<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="1166">名称特性MAOYAGY3O3ALON晶系立方立方立方立方晶格常数a＝8.0831a＝12.00Sa＝10.603折射率1.719(λ＝546nm)1.84(λ＝530nm)1.77(λ＝589nm)1.74(λ＝630nm)热膨胀系数7.0×10-6/℃(25～1000℃)7.7×10-6/℃(25～1200℃)6.6×10-6/℃(20～50℃)7×10-6/℃(30～1000℃)透光范围0.2～6.5μm0.28～5.3μm0.25～7μm0.29～4.8μm0.4～0.8μm范围未镀膜透过率＞80％(厚2mm)＞80％(厚2mm)～80％～80％(厚2.6)导热率0.15W/cm·k0.11W/cm·k0.9W/cm·k0.12W/cm·k弯曲强度122MPa110MPa300MPa硬度8.5(莫氏)8.5(莫氏)7.2(莫氏)1912kg/mm2密度3.58g/cm34.55g/cm35.03g/cm33.68g/cm3熔点2135℃1970℃2688℃2140℃</table></tables>由表I可见，MAO、YAG等透明多晶体都具备制作彩色投影电视发光面板基片的基本特性。比较起来，MAO透明多晶体更优越一些。因为MAO的折射率较小。YAG的n＝1.84，对应的全反射临界角为33°，相应的光输出份额为16％；而MAO的n＝1.719，全反射临界角为35.6°，相应的光输出份额为19％。这说明用透明MAO多晶体制作的发光面板要比用透明YAG多晶体制作的多三个百分点的光输出，即比YAG多晶体发光面板光输出量大近20％。此外，MAO的密度较小，制作同样体积的面板所用的原料较少，且镁的价格只有钇的1/100，从成本方面计，用MAO也比用YAG合算。Y2O3的导热率较大，ALON的折射率也较小，但两者的透过率比起MAO和YAG来要相对小一些，通光量会有所影响。透明多晶体基片尺寸的限度，主要取决于热压机或热等静压机的炉膛大小。目前制备直径＞130mm、厚度＞5mm的透明多晶体是没有问题的。透明多晶体基片的尺寸可以比单晶基片大得多，制备速度也快得多。将制出的透明多晶体切成所需形状和尺寸，磨到近所需厚度，进行精细抛光(平面度为1μ/英寸，光洁度比光学抛光要高，在原子级尺度)，然后在抛光好的基片上制备高导热发光晶质膜。在透明多晶体基片上制备发光晶质薄膜有多种方法，如离子束外延、射频溅射、脉冲激光沉积、溶液-凝胶法等等，但目前比较成熟的还是液相外延法。液相外延法是在如图2所示的外延炉中进行的。将在电子束轰击下能发红、绿、兰三基色光的材料(如CeGd3Al5O12、CeY2GdAl5O12发红光；CeYAG、Tb0.2Y0.1Lu2.7Al3Ga2O12发绿光；TbYAG、CeLa2Be2O5发兰光等)与适当的助熔剂混匀后置入铂金坩埚1中，电阻加热丝3将炉子温度升到1040℃。达到此温度后外部旋转机构通过耐火土连杆4和托盘5使坩埚1以100rpm的速度旋转，以搅拌熔体。半个小时后，将炉温降到98O℃，从炉口放入铂金托架6。6的下端安放精细抛光并认真清洗的透明多晶基片7。先在熔体上方预热20分钟，然后放下使其与熔体表面接触，并以100rpm的速度旋转，其旋转方向与坩埚的旋转方向相反。这种外延体系的生长速度约为1.5μm/分。生长十分钟后将托架6提起，使基片离开熔体表面，并将旋转速度加大到500rpm，以摔掉粘附在外延层下面的液滴，然后将托架转移到降温炉中，两小时内降到室温。在YAG透明多晶基片上外延YAG类发光薄膜属同质外延，这时不存在晶格匹配问题。但若要在YAG透明多晶基片上外延其它晶类的发光薄膜，或在MAO透明多晶基片上外延YAG类发光晶质层，则晶体格往不匹配，属异质外延。这时需先在基片上镀一层适当的过渡层，然后再进行外延。对于小功率阴极射线管，发光面板的直径不需太大(一般为φ50～80mm)，面板可制成平行平面状，厚度在1.5mm左右。若要制作大功率阴极射线管，面板直径较大(一般大于φ100mm)。这时若仍用平面状透明多晶体来制作发光面板，则需增大面板厚度，以增强大跨径下面板抗负压的能力。而厚度增加，吸收也会相应增加，这势必造成光通量的减少。为了克服这一矛盾，可将面板作成凸向阴极射线管外的曲面形状。由于YAG单晶基片是通过切割单晶棒料来制作的，要将单晶基片作成曲面形状，十分困难，而且对棒料的浪费也会很大。对于透明多晶体，则只须将模具由平面形状改成相应的曲面形状即可。这也是透明多晶体在制作大功率阴极射线管发光面板时比单晶材料又一优越之处。面板的曲面形状有多种设计方案。考虑到彩色投影电视的阴极射线管多是单电子束管，观众也不会象看电视那样对着发光面板去观看，故不用耽心面板的外部曲面对入射光的映像是否会失真。再考虑到加工的难易程度，本发明所述的曲面透明多晶发光面板采用的是等厚球面型面板，该球面型面板发光层一侧的曲率半径为电子束偏转中心到面板发光层中心的距离。透明多晶发光面板采用球面形状，除了具有能增强面板抗负压的机械强度，以及能使面板的发光强度更为均匀这两个优点以外，本发明指出还有第三个优点球面型发光面板能够扩大面板基片的全反射临界角，从而增加通过面板基片的光输出份额。图3示出用同一透明多晶基片材料制成的平面型和球面型发光面板光输出的情况比较。图3(A)为平面型面板，图3(B)为球面型面板。图中O点为电子束偏转中心，S点为面板发光层上-发光点。对于图3(A)的平面面板，当S点发出的光其出射角大于该透明多晶体的全反射临界角θ1时，从S点出射的光到达面板外表面T点时，因为T点的入射角θ2＜θ1，故仍有光线从T点射出。只有当S点发射的光其出射角大于θ3时，出射点W才能发生全反射。设球面型面板内外球面的曲率半径分别为R1和R2，则θ3可由下式计算出来Sin&theta;3=R2R1Sin&theta;1]]>因为R2总是比R1大，故R2R1>1]]>，所以θ3＞θ1，可见球面型面板把平面面板发生全反射的临界角θ1扩大到了θ3，通过面板基片的光通量也因此而得以增加。实施例一粒度在1μm以下的光谱纯试剂Y2O3和Al2O3按克分子比3∶5的比例配料，均匀混合后放入冷压机中压成平面片状(压力约为1MPa)，然后放入高温真空炉中烧结成封闭气孔坯料。此坯料冷却出炉后放入热等静压机中热压成YAG透明多晶体。压力约150～200MPa，温度约1500～1800℃，氩气气氛。将热等静压后的YAG透明多晶坯料加工成54mm，厚1.8mm的园片，两面精细抛光，最后片厚为1.4mm。然后置入液相外延炉中，在一表面上外延一层10～20μm厚的CeYAG高导热晶质膜层。这样便制成了一片用于低功率阴极射线管的绿色发光YAG透明多晶面板。其0.4～0.8μm波段的透过率＞80％(见图4)。分辨率＞1300线。实施例二按中国专利CN1127734A公开的方法，制取4N纯度MgAl2O4粉料90克。加入1.4～1.8克LiF混合细磨后，装入直径φ130mm的球面石墨模具内(凸模具曲率半径R1＝147mm，凹模具曲率半径R2＝151mm)在热压机中先冷压成型，低温加热，烘烤原料和炉内湿气。当温度升至1000～1100℃时，保温30分钟，排除原料中的可挥发性杂质，同时加压。在1500～1700℃时，相应压力为65～75吨。在此条件下保持3～4小时，然后以5℃/分的速率降到室温。将这样制得的透明球面型MAO多晶体两面精细抛光，并使R1抛到148mm，R2抛到150mm(即片厚2mm)。在R1＝148的凹面上镀上一层厚约1μm的过渡层，然后置入液相外延炉中外延一层厚约15μm的TbYAG高导热晶质发光膜层。这样即制得一片发兰光的大功率球面型MAO透明多晶发光面板。其兰光透过率＞80％(见图5)，分辨率＞1300线，通光份额比同为2mm厚的MAO透明多晶平面发光面板增大0.57％。实施例三按美国专利№3,873,657所述的方法，将4N纯度的Y2O3加入0.8％重量百分比的BeO混合均匀后，以3吨/cm2的压力冷压成型，在露点为-35℃的纯氢气中在2250℃下烧结300分钟，然后在露点为0℃的纯氢气中在1800℃下再次烧结10分钟，将出炉的烧结体加工成φ76mm×2mm的园片，两面精细抛光后用脉冲激光沉积法在一个面上沉积一层厚约2μm的CeLa2Be2O5的晶质发光层，这样便制得一片发兰光的Y2O3透明发光面板。其兰光透过率～80％，分辨率～1300线。因Y2O3原料价格较贵，在大量应用时会增加整机成本。实施例四在氮气氛中由Al2O3碳热分解合成出ALON粉料。将粉料用球磨机研磨16小时后，在20000PSi的压力下进行等静压。然后放入氮化硼坩埚中在静态的氮气中(～3psig)于1980℃的温度下烧结48小时。将这样制得的ALON透明多晶坯料切割精抛，作成φ76mm×2mm的园片。在一个面上用液相外延法制备一层厚10μm的CeGd3Al5O12晶质薄膜，即得到一片发红光的透明ALON多晶发光面板。红光透过率＞80％。分辨率＞1300线。ALON原料价格较便宜，制得的透明多晶体的机械强度较高，光输出份额与MAO透明多晶体相差不多，若能进一步提高短波部分的透过率，减少散射，则将会是一种很有前途的发光面板基片材料。以上实例只对本发明进行说明，不构成对本发明的限制。权利要求1.一种用于诸如彩色投影电视阴极射线管发光面板的基片。其特征在于制作基片的材料为透明多晶体，包括透明多晶MgAl2O4，透明多晶Y3Al5O12，透明多晶Y2O3系列及透明多晶ALON等。基片形状可以是平行平面状的，也可以是等厚球面状的。其外形尺寸大于阴极射线管的通光口径，厚度大于1mm。导热率不小于0.05W/cm·k。弯曲强度≥100MPa。在0.4～0.8μm波段范围基片厚2mm时的透过率不小于80％。在紫外光辐照或在水中浸泡24小时后，其透过率不小于初始透过率的90％。该透明多晶基片能与高导热的发光晶质层固接在一起而发挥发光面板的作用，并能与阴极射线管管壳密封焊接。2.按照权利要求1所说的透明多晶体基片，其特征在于所说的球面形状的基片可按公式Sin&theta;3=R2R1Sin&theta;1]]>使该基片的全反射临界角从θ1扩大到θ3。式中，θ1是由该基片材料折射率n决定的全反射临界角。R1为此球面型基片构成的发光面板发光层的曲率半径。R2是此球面型基片外表面的曲率半径。全文摘要本发明介绍用透明多晶体作阴极射线管发光面板的基片。该基片具有强度高、传热快、耐浸蚀、成本低、易生产等特点。通过合适的成膜技术，该基片可与高导热的晶质发光材料固接在一起而发挥发光面板的作用，并能与阴极射线管管壳密封焊接。该基片的形状可以是平面的。也可以是球面的。球面型发型面板基片还可以增加光通量。用透明多晶基片制作的阴极射线管分辨率高，使用功率大，在彩色投影电视，广告显示等领域有广泛的应用。文档编号H01J29/86GK1159068SQ9611417公开日1997年9月10日申请日期1996年12月30日优先权日1996年12月30日发明者沈德忠,黄存新,彭载学,刘德铭申请人:国家建筑材料工业局人工晶体研究所