專利名稱：：制作發(fā)光面板基片的透明多晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬顯示
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及彩色投影電視陰極射線管的發(fā)光面板材料及構(gòu)造。目前，獲得大屏幕圖文顯示的一種產(chǎn)品是彩色投影電視。這種投影電視最初使用的陰極射線管的發(fā)光面板，是在玻璃板上涂敷粉末發(fā)光體而作成的。這種發(fā)光面板的熱導(dǎo)率很差。不但玻璃板的導(dǎo)熱率差，發(fā)光粉末顆粒的熱導(dǎo)率也很差。這使得涂敷發(fā)光粉末的玻璃發(fā)光面板不能負(fù)荷較大的發(fā)射功率。在功率密度超過1W/Cm2時(shí)，發(fā)光粉末就會(huì)分解。在5W/Cm2時(shí)，發(fā)光顆粒就會(huì)熔化。由于發(fā)光顆粒尺寸和界面間散射的限制，這種投影管的分辨率不會(huì)小于20μm。發(fā)光粉末還存在所謂的庫侖退化當(dāng)電子劑量達(dá)到140庫侖/Cm2后，其發(fā)光強(qiáng)度會(huì)下降到初始強(qiáng)度的50％。在最佳的使用環(huán)境中，高亮度下運(yùn)行的壽命也只有1000小時(shí)。為了克服粉末涂敷玻璃發(fā)光面板這些缺點(diǎn)，研制了新型彩色發(fā)光面板。這種新型發(fā)光面板，是在導(dǎo)熱率很高的純YAG(釔鋁石榴石)單晶基片上同質(zhì)外延一層高導(dǎo)熱的發(fā)光晶質(zhì)材料[例如CeYAG(綠)，TbYAG(蘭)或EwYAG(紅)]而構(gòu)成的。由這種高導(dǎo)熱單晶和發(fā)光晶質(zhì)作成的彩色投影電視陰極射線管有如下優(yōu)點(diǎn)(TuckerA.R，kindH.H“SingleCrystalfaceplatevaluation”Report1993OrderNo.AD-A277922)1.發(fā)光面板的分辨率只受電子束尺寸的限制，故分辨率極高。2.CeYAG等發(fā)光晶質(zhì)材料的熒光馳豫時(shí)間只有10ns，比普通粉末涂敷玻璃發(fā)光面板的馳豫時(shí)間小一個(gè)數(shù)量級(jí)。3.外延YAG發(fā)光面板在高功率工作條件下不會(huì)分解，也不會(huì)熔化。熱淬滅溫度比粉末涂敷玻璃發(fā)光面板高得多，故適于高功率下運(yùn)轉(zhuǎn)。4.外延YAG發(fā)光面板沒有庫侖退化現(xiàn)象，故不會(huì)老化。5.YAG晶片的機(jī)械強(qiáng)度很高，故耐磨損、抗負(fù)壓。但是，由于YAG晶片與陰極射線管管體之間的熱膨脹系數(shù)相差較大，兩者很難焊接在一起。YAG的折射率也比較大，相應(yīng)的面板光輸出份額只有16％。這兩個(gè)原因使得用單晶YAG基片作發(fā)光面板的陰極射線管無法實(shí)用化。幾年以后，中國專利95111324.0公開的技術(shù)成功地解決了YAG單晶片與管體之間的密封焊接難題。據(jù)了解，另一項(xiàng)已申請(qǐng)專利尚未公開的技術(shù)解決了光通量偏低的問題，成功地研制出高導(dǎo)熱外延YAG單晶發(fā)光面板彩色投影電視陰極射線管。其分辨率達(dá)2000條線，亮度達(dá)105cd/m2以上。不過，用作發(fā)光面板基片的YAG單晶生長速度較慢。國內(nèi)高質(zhì)量的YAG晶坯直徑目前只到三英寸(76.2mm)，使大功率管子的制作受到限制(功率越大，晶片直徑也要越大)。而且，YAG單晶的生長裝置比較昂貴，故使用純YAG單晶作發(fā)光面板基片不利于大批量生產(chǎn)，不利于投影管功率的提高，不利于成本的降低。為彌補(bǔ)上述不足之外，本發(fā)明用高導(dǎo)熱的透明多晶體作基片，在其上制備一層厚度數(shù)微米至數(shù)十微米的高導(dǎo)熱發(fā)光晶質(zhì)薄膜，以構(gòu)成高分辨率、高亮度且可在高功率下長期運(yùn)行的透明多晶體發(fā)光面板。適于本發(fā)明使用的透明多晶體在透過率、機(jī)械強(qiáng)度、抗腐蝕等物化性能方面，要滿足一定的要求。中國專利95111324.0雖提到了顯示屏襯底(即這里所說的發(fā)光面板基片)材料可以用透明陶瓷，但未公開具體的材料內(nèi)容和制造技術(shù)。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖1本發(fā)明的透明多晶體制作發(fā)光面板基片示意圖。圖2本發(fā)明的透明多晶體外延發(fā)光晶質(zhì)薄膜制備示意圖。圖3本發(fā)明的球面型發(fā)光面板增大全反射臨界角原理示意圖。圖4本發(fā)明的純YAG透明多晶體透過率曲線。圖5本發(fā)明的MgAl2O4透明多晶體透過率曲線。本發(fā)明是將透明多晶體用于制作諸如彩色投影電視陰極射線管發(fā)光面板的基片。與透明多晶體作透過窗口應(yīng)用時(shí)不同，透明多晶體作發(fā)光面板基片應(yīng)用時(shí)，該基片是與發(fā)光層固接在一起而發(fā)揮作用的。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在按要求制備出來的透明多晶體1的一個(gè)面上制作一層高導(dǎo)熱的發(fā)光晶質(zhì)材料2，以構(gòu)成發(fā)光面板。通過焊料3將面板與陰極射線管的管殼4焊接密封，以便將管體抽成真空。為使焊接能夠進(jìn)行，基片外形尺寸應(yīng)大于陰極射線管的通光口徑，厚度大于1mm。陰極5發(fā)射的電子束打在發(fā)光晶質(zhì)薄膜2上使其發(fā)射出所需顏色的光，這些光通過透明多晶基片1投射到屏幕上去進(jìn)行顯示。透明多晶體及其制備方法有多種。美國專利NO.3,589,880、NO.3,294,878、NO.3,431,326等，描述了制備金屬氟化物，特別是氟化鎂透明多晶體的方法；美國專利NO.4,520,116，描述了制備透明氧化鋁-氮化鋁多晶體的方法；美國專利NO.4,047,960描述了制備透明鈮酸鋁、鉭酸鋁多晶體的方法；美國專利NO.3,974,249、NO.3,768,990及中國專利CN1127734A等，描述了制備尖晶石型透明鋁酸鎂MgAl2O4多晶體的方法等。適于本發(fā)明應(yīng)用的透明多晶體要滿足如下要求1、在可見光，特別是紅、綠、蘭三基色波段的透明度要盡可能高。厚度大于1mm的片狀透明多晶體，在0.4-0.8μm波段范圍內(nèi)的透過率不低于80％。2、導(dǎo)熱率要高，一般不低于0.05W/cm2.k，以利于在高功率下運(yùn)行。3、熱膨脹系數(shù)要能與陰極射線管管體材料的熱膨脹系數(shù)相匹配，以利于兩者的焊接密封。4、機(jī)械強(qiáng)度要高。其彎曲強(qiáng)度不低于100MPa，以耐負(fù)壓。5、抗蝕性能好。在紫外光輻照或在水中浸泡24小時(shí)后，其透過率不低于初始透過率的90％。6、硬度要高，折射率要盡可能小。高硬度要求是為了避免面板在使用中被劃傷。而低折射率要求是為了增加通過面板出射的光通量分額。透明多晶體基片的折射率越小，發(fā)光層發(fā)出的光在基片出射面達(dá)到的全反射臨界角越大，輸出的光通量就越大。透明多晶體種類繁多，目前能滿足或基本上能滿足上述要求的透明多晶體有透明MgAl2O4(鋁酸鎂、簡稱MAO)多晶體、透明Y3Al5O12(釔鋁石榴石，簡稱YAG)多晶體、透明Y2O3多晶體、透明5AlN·9A2O3(氮氧化鋁、簡稱ALON)多晶體等。其中氧化釔(Y2O3)透明多晶體隨摻入的組分不同又有摻鈹(微量)氧化釔透明多晶體，摻釷的90％Y2O·10％ThO2(克分子比)透明多晶體(取名為“Yttralox”)，還有摻鑭加強(qiáng)的Y2O3透明多晶體(LSY)等。表I列出MA0、YAG、Y2O3和ALON等透明多晶體的一些主要性能參數(shù)。表IMAO、YAG、Y2O3、LAON透明多晶體的一些主要性能參數(shù)表I透明MAO、YAG、Y2O3、ALON多晶體的一些主要性能參數(shù)<tablesid="table1"num="001"><tablewidth="1166">名稱特性MAOYAGY3O3ALON晶系立方立方立方立方晶格常數(shù)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)熱膨脹系數(shù)7.0×10-6/℃(25～1000℃)7.7×10-6/℃(25～1200℃)6.6×10-6/℃(20～50℃)7×10-6/℃(30～1000℃)透光范圍0.2～6.5μm0.28～5.3μm0.25～7μm0.29～4.8μm0.4～0.8μm范圍未鍍膜透過率＞80％(厚2mm)＞80％(厚2mm)～80％～80％(厚2.6)導(dǎo)熱率0.15W/cm·k0.11W/cm·k0.9W/cm·k0.12W/cm·k彎曲強(qiáng)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熔點(diǎn)2135℃1970℃2688℃2140℃</table></tables>由表I可見，MAO、YAG等透明多晶體都具備制作彩色投影電視發(fā)光面板基片的基本特性。比較起來，MAO透明多晶體更優(yōu)越一些。因?yàn)镸AO的折射率較小。YAG的n＝1.84，對(duì)應(yīng)的全反射臨界角為33°，相應(yīng)的光輸出份額為16％；而MAO的n＝1.719，全反射臨界角為35.6°，相應(yīng)的光輸出份額為19％。這說明用透明MAO多晶體制作的發(fā)光面板要比用透明YAG多晶體制作的多三個(gè)百分點(diǎn)的光輸出，即比YAG多晶體發(fā)光面板光輸出量大近20％。此外，MAO的密度較小，制作同樣體積的面板所用的原料較少，且鎂的價(jià)格只有釔的1/100，從成本方面計(jì)，用MAO也比用YAG合算。Y2O3的導(dǎo)熱率較大，ALON的折射率也較小，但兩者的透過率比起MAO和YAG來要相對(duì)小一些，通光量會(huì)有所影響。透明多晶體基片尺寸的限度，主要取決于熱壓機(jī)或熱等靜壓機(jī)的爐膛大小。目前制備直徑＞130mm、厚度＞5mm的透明多晶體是沒有問題的。透明多晶體基片的尺寸可以比單晶基片大得多，制備速度也快得多。將制出的透明多晶體切成所需形狀和尺寸，磨到近所需厚度，進(jìn)行精細(xì)拋光(平面度為1μ/英寸，光潔度比光學(xué)拋光要高，在原子級(jí)尺度)，然后在拋光好的基片上制備高導(dǎo)熱發(fā)光晶質(zhì)膜。在透明多晶體基片上制備發(fā)光晶質(zhì)薄膜有多種方法，如離子束外延、射頻濺射、脈沖激光沉積、溶液-凝膠法等等，但目前比較成熟的還是液相外延法。液相外延法是在如圖2所示的外延爐中進(jìn)行的。將在電子束轟擊下能發(fā)紅、綠、蘭三基色光的材料(如CeGd3Al5O12、CeY2GdAl5O12發(fā)紅光；CeYAG、Tb0.2Y0.1Lu2.7Al3Ga2O12發(fā)綠光；TbYAG、CeLa2Be2O5發(fā)蘭光等)與適當(dāng)?shù)闹蹌┗靹蚝笾萌脬K金坩堝1中，電阻加熱絲3將爐子溫度升到1040℃。達(dá)到此溫度后外部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過耐火土連桿4和托盤5使坩堝1以100rpm的速度旋轉(zhuǎn)，以攪拌熔體。半個(gè)小時(shí)后，將爐溫降到98O℃，從爐口放入鉑金托架6。6的下端安放精細(xì)拋光并認(rèn)真清洗的透明多晶基片7。先在熔體上方預(yù)熱20分鐘，然后放下使其與熔體表面接觸，并以100rpm的速度旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向與坩堝的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種外延體系的生長速度約為1.5μm/分。生長十分鐘后將托架6提起，使基片離開熔體表面，并將旋轉(zhuǎn)速度加大到500rpm，以摔掉粘附在外延層下面的液滴，然后將托架轉(zhuǎn)移到降溫爐中，兩小時(shí)內(nèi)降到室溫。在YAG透明多晶基片上外延YAG類發(fā)光薄膜屬同質(zhì)外延，這時(shí)不存在晶格匹配問題。但若要在YAG透明多晶基片上外延其它晶類的發(fā)光薄膜，或在MAO透明多晶基片上外延YAG類發(fā)光晶質(zhì)層，則晶體格往不匹配，屬異質(zhì)外延。這時(shí)需先在基片上鍍一層適當(dāng)?shù)倪^渡層，然后再進(jìn)行外延。對(duì)于小功率陰極射線管，發(fā)光面板的直徑不需太大(一般為φ50～80mm)，面板可制成平行平面狀，厚度在1.5mm左右。若要制作大功率陰極射線管，面板直徑較大(一般大于φ100mm)。這時(shí)若仍用平面狀透明多晶體來制作發(fā)光面板，則需增大面板厚度，以增強(qiáng)大跨徑下面板抗負(fù)壓的能力。而厚度增加，吸收也會(huì)相應(yīng)增加，這勢必造成光通量的減少。為了克服這一矛盾，可將面板作成凸向陰極射線管外的曲面形狀。由于YAG單晶基片是通過切割單晶棒料來制作的，要將單晶基片作成曲面形狀，十分困難，而且對(duì)棒料的浪費(fèi)也會(huì)很大。對(duì)于透明多晶體，則只須將模具由平面形狀改成相應(yīng)的曲面形狀即可。這也是透明多晶體在制作大功率陰極射線管發(fā)光面板時(shí)比單晶材料又一優(yōu)越之處。面板的曲面形狀有多種設(shè)計(jì)方案?？紤]到彩色投影電視的陰極射線管多是單電子束管，觀眾也不會(huì)象看電視那樣對(duì)著發(fā)光面板去觀看，故不用耽心面板的外部曲面對(duì)入射光的映像是否會(huì)失真。再考慮到加工的難易程度，本發(fā)明所述的曲面透明多晶發(fā)光面板采用的是等厚球面型面板，該球面型面板發(fā)光層一側(cè)的曲率半徑為電子束偏轉(zhuǎn)中心到面板發(fā)光層中心的距離。透明多晶發(fā)光面板采用球面形狀，除了具有能增強(qiáng)面板抗負(fù)壓的機(jī)械強(qiáng)度，以及能使面板的發(fā)光強(qiáng)度更為均勻這兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)以外，本發(fā)明指出還有第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)球面型發(fā)光面板能夠擴(kuò)大面板基片的全反射臨界角，從而增加通過面板基片的光輸出份額。圖3示出用同一透明多晶基片材料制成的平面型和球面型發(fā)光面板光輸出的情況比較。圖3(A)為平面型面板，圖3(B)為球面型面板。圖中O點(diǎn)為電子束偏轉(zhuǎn)中心，S點(diǎn)為面板發(fā)光層上-發(fā)光點(diǎn)。對(duì)于圖3(A)的平面面板，當(dāng)S點(diǎn)發(fā)出的光其出射角大于該透明多晶體的全反射臨界角θ1時(shí)，從S點(diǎn)出射的光到達(dá)面板外表面T點(diǎn)時(shí)，因?yàn)門點(diǎn)的入射角θ2＜θ1，故仍有光線從T點(diǎn)射出。只有當(dāng)S點(diǎn)發(fā)射的光其出射角大于θ3時(shí)，出射點(diǎn)W才能發(fā)生全反射。設(shè)球面型面板內(nèi)外球面的曲率半徑分別為R1和R2，則θ3可由下式計(jì)算出來Sin&theta;3=R2R1Sin&theta;1]]>因?yàn)镽2總是比R1大，故R2R1>1]]>，所以θ3＞θ1，可見球面型面板把平面面板發(fā)生全反射的臨界角θ1擴(kuò)大到了θ3，通過面板基片的光通量也因此而得以增加。實(shí)施例一粒度在1μm以下的光譜純?cè)噭℡2O3和Al2O3按克分子比3∶5的比例配料，均勻混合后放入冷壓機(jī)中壓成平面片狀(壓力約為1MPa)，然后放入高溫真空爐中燒結(jié)成封閉氣孔坯料。此坯料冷卻出爐后放入熱等靜壓機(jī)中熱壓成YAG透明多晶體。壓力約150～200MPa，溫度約1500～1800℃，氬氣氣氛。將熱等靜壓后的YAG透明多晶坯料加工成54mm，厚1.8mm的園片，兩面精細(xì)拋光，最后片厚為1.4mm。然后置入液相外延爐中，在一表面上外延一層10～20μm厚的CeYAG高導(dǎo)熱晶質(zhì)膜層。這樣便制成了一片用于低功率陰極射線管的綠色發(fā)光YAG透明多晶面板。其0.4～0.8μm波段的透過率＞80％(見圖4)。分辨率＞1300線。實(shí)施例二按中國專利CN1127734A公開的方法，制取4N純度MgAl2O4粉料90克。加入1.4～1.8克LiF混合細(xì)磨后，裝入直徑φ130mm的球面石墨模具內(nèi)(凸模具曲率半徑R1＝147mm，凹模具曲率半徑R2＝151mm)在熱壓機(jī)中先冷壓成型，低溫加熱，烘烤原料和爐內(nèi)濕氣。當(dāng)溫度升至1000～1100℃時(shí)，保溫30分鐘，排除原料中的可揮發(fā)性雜質(zhì)，同時(shí)加壓。在1500～1700℃時(shí)，相應(yīng)壓力為65～75噸。在此條件下保持3～4小時(shí)，然后以5℃/分的速率降到室溫。將這樣制得的透明球面型MAO多晶體兩面精細(xì)拋光，并使R1拋到148mm，R2拋到150mm(即片厚2mm)。在R1＝148的凹面上鍍上一層厚約1μm的過渡層，然后置入液相外延爐中外延一層厚約15μm的TbYAG高導(dǎo)熱晶質(zhì)發(fā)光膜層。這樣即制得一片發(fā)蘭光的大功率球面型MAO透明多晶發(fā)光面板。其蘭光透過率＞80％(見圖5)，分辨率＞1300線，通光份額比同為2mm厚的MAO透明多晶平面發(fā)光面板增大0.57％。實(shí)施例三按美國專利№3,873,657所述的方法，將4N純度的Y2O3加入0.8％重量百分比的BeO混合均勻后，以3噸/cm2的壓力冷壓成型，在露點(diǎn)為-35℃的純氫氣中在2250℃下燒結(jié)300分鐘，然后在露點(diǎn)為0℃的純氫氣中在1800℃下再次燒結(jié)10分鐘，將出爐的燒結(jié)體加工成φ76mm×2mm的園片，兩面精細(xì)拋光后用脈沖激光沉積法在一個(gè)面上沉積一層厚約2μm的CeLa2Be2O5的晶質(zhì)發(fā)光層，這樣便制得一片發(fā)蘭光的Y2O3透明發(fā)光面板。其蘭光透過率～80％，分辨率～1300線。因Y2O3原料價(jià)格較貴，在大量應(yīng)用時(shí)會(huì)增加整機(jī)成本。實(shí)施例四在氮?dú)夥罩杏葾l2O3碳熱分解合成出ALON粉料。將粉料用球磨機(jī)研磨16小時(shí)后，在20000PSi的壓力下進(jìn)行等靜壓。然后放入氮化硼坩堝中在靜態(tài)的氮?dú)庵?～3psig)于1980℃的溫度下燒結(jié)48小時(shí)。將這樣制得的ALON透明多晶坯料切割精拋，作成φ76mm×2mm的園片。在一個(gè)面上用液相外延法制備一層厚10μm的CeGd3Al5O12晶質(zhì)薄膜，即得到一片發(fā)紅光的透明ALON多晶發(fā)光面板。紅光透過率＞80％。分辨率＞1300線。ALON原料價(jià)格較便宜，制得的透明多晶體的機(jī)械強(qiáng)度較高，光輸出份額與MAO透明多晶體相差不多，若能進(jìn)一步提高短波部分的透過率，減少散射，則將會(huì)是一種很有前途的發(fā)光面板基片材料。以上實(shí)例只對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。權(quán)利要求1.一種用于諸如彩色投影電視陰極射線管發(fā)光面板的基片。其特征在于制作基片的材料為透明多晶體，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。基片形狀可以是平行平面狀的，也可以是等厚球面狀的。其外形尺寸大于陰極射線管的通光口徑，厚度大于1mm。導(dǎo)熱率不小于0.05W/cm·k。彎曲強(qiáng)度≥100MPa。在0.4～0.8μm波段范圍基片厚2mm時(shí)的透過率不小于80％。在紫外光輻照或在水中浸泡24小時(shí)后，其透過率不小于初始透過率的90％。該透明多晶基片能與高導(dǎo)熱的發(fā)光晶質(zhì)層固接在一起而發(fā)揮發(fā)光面板的作用，并能與陰極射線管管殼密封焊接。2.按照權(quán)利要求1所說的透明多晶體基片，其特征在于所說的球面形狀的基片可按公式Sin&theta;3=R2R1Sin&theta;1]]>使該基片的全反射臨界角從θ1擴(kuò)大到θ3。式中，θ1是由該基片材料折射率n決定的全反射臨界角。R1為此球面型基片構(gòu)成的發(fā)光面板發(fā)光層的曲率半徑。R2是此球面型基片外表面的曲率半徑。全文摘要本發(fā)明介紹用透明多晶體作陰極射線管發(fā)光面板的基片。該基片具有強(qiáng)度高、傳熱快、耐浸蝕、成本低、易生產(chǎn)等特點(diǎn)。通過合適的成膜技術(shù)，該基片可與高導(dǎo)熱的晶質(zhì)發(fā)光材料固接在一起而發(fā)揮發(fā)光面板的作用，并能與陰極射線管管殼密封焊接。該基片的形狀可以是平面的。也可以是球面的。球面型發(fā)型面板基片還可以增加光通量。用透明多晶基片制作的陰極射線管分辨率高，使用功率大，在彩色投影電視，廣告顯示等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。文檔編號(hào)H01J29/86GK1159068SQ9611417公開日1997年9月10日申請(qǐng)日期1996年12月30日優(yōu)先權(quán)日1996年12月30日發(fā)明者沈德忠,黃存新,彭載學(xué),劉德銘申請(qǐng)人:國家建筑材料工業(yè)局人工晶體研究所