Razvoj in optimizacija postopka izdelave zaslonov z luminoforom P-53
Development and optimization of screen deposition technique vvith phosphor P-53
Lea Županc-Mežnar, Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, Ljubljana, Slovenija
Razvili smo postopek izdelave zaslonov za miniaturno katodno elektronko z magnetnim odklonom (MKEM) z visoko ločljivostjo in svetlostjo. Potrebno je bilo optimirati debelino in gostoto nanosa ter porazdelitev velikosti delcev luminiscentne snovi. Izbrali smo luminofor z oznako P-53 (Y3Al5On: Tb), ki najbolje ustreza zahtevam glede obstojnosti pri obremenitvi z veliko gostoto elektronskega curka.
Ključne besede: zasloni, miniaturne katodne elektronke, sedimentacijski postopek v centrifugi, luminofor P-53.
Screen deposition technique was adaptedfor manufacturing screens with high resolution and brightness for miniature cathode ray tube with magnetic deflection. Thickness andpacking den-sity of screen layer as well as particle size distribution were optimized. Phosphor powder P-53 (Y} Al p : Tb) was chosen due to its good ageing characteristics under high energy electron beam excitation.
Key words: screens, miniature cathode ray tubes, centrifugal method, phosphor P-53.
1 Uvod
Na IEVT poteka razvoj in laboratorijska proizvodnja miniaturnih katodnih elektronk, ki se uporabljajo v zahtevnih elektrooptičnih napravah. V dolžino merijo 125 mm, zunanj i premer je enak 27 mm, uporabni premer zaslona pa 20 mm. Zaslon je 5-10 (im debela plast luminiscentne snovi (fosforja ), nanešene na steklen substrat, ki jo vzbujamo z elektronskim snopom. Fosforji so visoko prečiščene anorganske spojine (predpisana je čistost luminescence pure, 99,9999 %), katerim so dodane majhne količine aktivatorjev. Od vrste snovi je odvisno, katero spektralno območje pokriva emitirana svetloba zaslona in kolikšen je izkoristek pretvorbe kinetične energije elektronov v vidno svetlobo. Najpogosteje se uporabljajo fosforji, ki oddajajo rumenozeleno svetlobo, za katero je oko najobčutljivejše. Glede na elektronske prehode pri vzbujanju in s tem povezano območje valovnih dolžin, ki jo pokriva emisijski vrh, ločimo dve skupini fosforjev; v prvi so oksidi, silikati in sulfidi s širokim emisijskim vrhom, v drugi pa so lantanidne spojine, slika 1, ki izsevajo večino svetlobe pri točno določeni valovni dolžini »■".
Pri višjih energijah vzbujanja je potrebno na pol-prevodno plast fosforja nanesti prevodno plast aluminija,
VALOVNA D0L2INA (nm) Slika 1. Sevalni spekter fosforja P-53 (Y3Al5012:Tb). Figure 1. Spectral energy distribution of phosphor P-53 (Y,Al5012:Tb).
kije hkrati tudi zrcalo za emitirano svetlobo. Razmeroma groba površina zaslona se najprej prekrije s tanko nitroce-lulozno mrenico, tako da dobimo nad njo zvezen sloj naparjenegaaluminija. Najpomembnejšielektrooptični last-
nosti zaslonov sta ločljivost in svetlobni izkoristek. Ločljivost zvišujemo s tanjšanjem fosforne plasti, bolj gostim zlaganjem delcev, z izborom fosforja z manjšimi zrni m z ožanjem elektronskega snopa. Svetlobni izkoristek pa je višj i pri debelej š ih plasteh, pri fosforj lh z večj imi zrn i m pri višjih gostotah elektronskega snopa. Za zaslone, kjer se zahteva visoka svetlost (npr. v letalu), se uporablja fosfor P-53 z ozkim vrhom pri 544 nm, s katerim lahko dosežemo svetlo-stido 100 000cd/m2131 in ima, v primerjavizostalimi zelenimi fosforji, najdaljšo življensko dobo pri visokih tokovnih obremenitvah <21.
2 Izdelava zaslonov
Zasloni se lahko izdelujejo po več postopkih: s prosto sedimentacijo, s sedimentacijo v centrifugi, z nanosom suhega fosforja na lepljivo površmo substrata ali z elektro-forezo. Podatki o samih postopkih so skromni, več je znanega o metodah za karakterizacijo zaslonov. Glede na rezultate zaporednih poskusov smo razvili postopek nanašanja zaslonov v centrifugi, ki je enostaven in omogoča ločitev večj ih delcev med samim postopkom. Uporabili smo fosfor Green B-53 proizvajalca Riedel-de Haen z 2-15 ^m velikimi delci, srednja velikost delcev je bila 4,5 um.
a)	Sedimentacijski postopek: iz točno določene količine luminiscentnega prahu, elektrolita in veziva se pripravi suspenzija, ki se prefiltrira skozi stekleni filter in nalije v centrifiigirko z vgrajenim substratom. Suspenzija se centri-fugira 3 mmute pri 3000 obr./min.
b)	Metode za karakterizacijo zaslona:
-	tehtanje suhega luminiscentnega sloja za določitev ploskovne gostote nanosa v enotah mg/cm2;
-	kontrola z optičnim mikroskopom za določitev kakovosti zaslona (enakomemost debeline, velikost praznih mest). Pri tem se poleg vidne uporablja tudi UV svetloba;
-	zaslonom, vzbujenim z UV svetlobo, se s fotoelementom pomeri svetlobni odziv;
-	ločljivost zaslonov sedoloči zmerilno testno tarčo (USAF 1951), ki se projecira z belo svetlobo na zaslon w;
-	pri izdelani elektronki se pomerita ločljivost in svetlobni izkoristek, kakor tudi kakovost zaslona, vzbujenega z elektroni;
-	luminiscentni prah m zasloni, izdelani pri različnih pogojih, se pregledajo z elektronskim mikroskopom (SEM).
3 Rezultati
SEM posnetki fosforja P-53 so pokazali, da ima večina delcev premer do 5 um, nekaj pa je velikih tudi 10-15 jim, slika 2. Ker smo želeli izdelati zaslone z visoko ločljivostjo, smo te delce in hkrati tudi večje skupke separirali s filtriranjem skozi steklen filter. Tako smo dobili tanjši m bolj gosto zloženi nanos, v katerem se je svetloba manj sipala.
S postopnim in počasnim dvigovanjem števila obratov pri centrifugiranju smodobilibolj gladko površino zaslonov, slika 3. Groba površina, v literaturi imenovana tudi pomarančna lupina, ki se opazi pri kontroli zaslona, vzbujenega z UV svetlobo, je izločilna napaka. Zaradi neenakomerne
Slika 3. Prikaz valovite in gladke površine zaslona, dobljene pri različnih pogojih centrifugiranja.
Figure 3. Waved and uniform surface of screens got at difTerent accelerating rates of centrifuge.
debeline m/ali nehomogene gostote nanosa se pri zaslonu pojavi šum, ki zmanjšuje kontrast slike.
Količina veziva v suspenzij i vpliva na optični kontakt med delci in s tem na optične lastnosti zaslona [51, kakor tudi na adhezijo m kohezijo. Pri nizki koncentracij i so bile vezi med delci in podlago ter med samimi delci premajhne, pri visoki koncentraciji pa je prišlo do luščenja luminis-centne plasti, ker so bile vezi v plasti močnejše kot vezi
Slika 2. Posnetek luminiscentnega prahu P-53 (Y3Al5012:Tb). Figure 2. SEM image of phosphor powder P-53 (Y3Al,012:Tb).
med plastjo in steklenim substratom, slika 4.
Na ločlj ivost celotne katodne elektronke vplivata kvaliteta elektronske puške in kvaliteta zaslona. Širino svetlobne črte lahko ponazorimo z naslednjim izrazom: dc2 = dp2+ dz2 [4), kjer je dc celotna širina črte pri elektronki, dp vsota prispevkovelektronskepuške indzprispevek samega zaslona. Z merilno testno tarčo smo pri zaslonu brez aluminija in s ploskovno gostoto nanosa 1,1 mg/cm2 določili premer črte okrog 6 pm, ločljivost elektronke pa je bila 20 pm. Dobljeni rezultat za zaslon je primerljiv z novejšimi rezultati v literaturi [4].
4	Sklep
5	serijami poskusov smo izbrali parametre za pripravo stabilne suspenzije in pogoje centrifiigiranja. Debelino zaslona smo ocenili s tehtanjem in optičnim mikroskopom, s SEM pa smo določili število plasti, gostoto zloženih zrn in porazdelitev velikosti zrn. Zasloni, narejeni po tem postopku, so bili vgrajeni v testno količino MKEM in meritve so pokazale, da ustrezajo tudi strogim elektrooptičnim zahtevam.
5 Literatura
1	H.W. Leverenz, An Introduction to Luminescence of Solids, 136-362, John Wiley & Sons, Inc., Nevv York (1950)
2	A. Martin, Cathode Ray Tubes for Military Applications, Advances in Electronics and Electron Physics, 67, p. 183, Academic Press (1986)
3	J.P. Sembely and W.R. House, Photonics Spectra 8, 121 (1989)
4	E. Sluzky, T. Avalos, K.R. Hesse, J. ofthe SID 1,3 (1993)
5	K. Franz, G. Kochmann and R. Lahmann, Advances in Electronics and Electron Physics, 33A, p. 483, Academic Press (1972)
Stika 4. Posnetek zaslona, kije bil po centrifugiranju pomočen v raztopino veziva (levo) ali v vodo (sredina). Pri previsoki koncentraciji
veziva se je zaslon luščil; čez oluščen del ie napeta nitrocelulozna mrenica (desno). Figure 4. Surface of sereen layer dippccl into the solution of binder (left) or into the vvater (middle). Sereen layer has poor adhesion at higher binder concetration; nitrocellulose film can be seen over the scale of layer (right).