Brevet FR2647592A1 — publié le 19901130

ECRAN CATHODOLUMINESCENT A FILM MINCE POUR TUBE A RAYONS CATHODIQUES A HAUTE LUMINANCE L'invention concerne un écran cathodoluminescent du type à film mince, pour tube à rayons cathodiques. et elle concerne particulièrement des moyens pour améliorer le rendement lumineux du film mince cathodoluminescent. Un tube A rayon cathodique comprend une enceinte à vide dans laquelle une source d'électrons produit un faisceau. Le faisceau d'électrons est accéléré et focalisé avant de bombarder un écran luminescent ; une image lumineuse pouvant être formée sur la surface de l'écran en dévlant le faisceau. Un des soucis constants des constructeurs est de conférer A l'image la mellleure définition ou résolution posslble, ainsi que d'améilorer le rendement lumineux. La résolution dépend notamment de la focallsatlon du faisceau ainsi que des caractéristiques de l'écran luminescent, cet écran luminescent ayant également des effets sur le rendement lumineux et la luminance en général. L'écran luminescent comprend au molns une couche lumlnescente formée en général de grains de lumlnophore; cette couche est formée sur une face transparente d'un substrat qui le plus souvent est une dalle en verre. Les luminophores utilisés dans les tubes à rayons cathodiques sont des matériaux qui émettent de la lumière visible quand ils sont bombardés par des électrons (effet de cathodoluminescence). Plusieurs types de lumlnophores peuvent être utlllsés dans les tubes de rayons cathodiques, par exemple . les lumlnophores utllisant des cristaux d'un seul matériau luminescent, matériau choisi en fonction de la longueur d'onde A émettre ; on trouve aussi des luminophores A composants multlples utlllsant un mélange de cristaux de plusieurs matériaux luminescents ; ou encore des luminophores pour écrans en cascade ; ou encore les luminophores pouvant produire des variations de couleur. En prenant pour exemple le cas d'une unique couche cathodoluminescente, cette dernière peut être réalisée notamment, soit sous la forme d'un film mince, soit sous la forme d'une plurallté de grains de luminophore qui sont déposés sur le substrat en verre, les uns à côté des autres de sorte à former une couche dont l'épaisseur comprend plusieurs grains de luminophore superposés ; ce dernier type de couche cathodoluminescente est appelé couche luminophore dans la suite de la description, pour mieux le différencier du type précédent ou la couche cathodoluminescente est formée d'un film appelé film mince luminescent. Dans le cas de la couche luminophore, celle-ci peut être formée sur le substrat par dlfférentes méthodes toutes bien connues, telles que par exemple méthode de dépôt par sédimentation, ou encore par électrophorèse ou centrifugation. Ces deux dernières méthodes permettent d'obtenlr une compacité plus grande de la couche luminophore ; cette compacité est liée également bien entendu A la granulométrle moyenne des grains de luminophore, laquelle granulométrle moyenne est généralement de l'ordre de 2 A 8 micromètres, en fonction des applications. En règle générale, on trouve ensuite au-dessus de la couche luminophore, une couche métalllque relativement mince, en aluminium par exemple qui a pour fonction A la fois d'appliquer la tension accélératrice, d'écouler les charges électriques et, de réfléchlr vers le substrat transparent c'est-8-dire vers l'extérieur du tube, la lumière produite dans la couche luminophore. Une telle couche luminophore permet d'obtenir une luminance globale correcte, mais la résolutlon est médiocre, du fait notamment des multlples réflexion que subissent les photons pour sortir à l'extérieur du tube. Ce type d'écran cathodoluminescent présente également un autre inconvénlent qui réslde dans le fait qu'll exlste un contact thermlque médiocre entre les grains luminophores et le substrat, ce qui tend à élever la température des grains lumlnophores et par suite à détériorer de façon importante leur rendement lumineux. L'importance de ce défaut augmente avec l'intensité du faisceau d'électron, au point qu'il constitue un inconvénient majeur dans le cas de certains tubes A rayons cathodiques tels que les tubes dits de projection, ou encore les tubes pour équipement aéroporté pour lesquels une haute luminescence est exigée compte tenu de leur environnement à haut niveau lumineux. En ce qui concerne le film mince luminescent, il est connu de le réaliser sous forme d'un film en couche mince, déposé par exemple sur un dalle en verre par une méthode classique de dépôt de film en couche mince, par évaporation par exemple, ou encore par une méthode de décomposition chimique en phase gazeuse (CVD). Il est connu également de réaliser les films minces luminescents par des couches mlnces épltaxisles sur un substrat monocristal du même matériau que la couche épltaxlée. Par exemple, le film mince lumincescent peut etre du type YAG (yttrlum-alumlnium-grenat), réalisé par une méthode d'épitaxie en phase liquide sur un monocristal YAG ; dans ce cas, la couche mince épltaxiée peut être dopée avec du terbium Tb par exemple pour obtenir une luminescence verte. Le film mince luminescent, obtenu par la méthode de dépôt de film en couche mince ou par la méthode épltaxlale, possède comme avRntage de présenter une haute résolutlon, et aussi d'avolr un bon contact thermique avec le substrat, mats il a comme inconvénient d'avoir un très faible rendement lumineux. En vue d'illustrer le défaut ci-dessus cité, la flgure 1 montre un écran cathodoluminescent classique du type A film mince luminescent. L'écran cathodoluminescent 1 comprend un substrat 2, une dalle en verre par exemple, dont une face intérleure 3 porte un film mince luminescent 4 qui forme une couche continue et homogène d'une épaisseur E de l'ordre d'un micromètre environ. Dans l'exemple, le film mince 4 est du type formé sur la dalle en verre 2 par une méthode de dépôt classique de film en couche mince, par évaporation par exemple. Le film mince 4 est en un matériau luminescent ou luminophore classique tel que par exemple un composé formé de zinc combiné au soufre et avec des impuretés d'argent ZnS : Ag. Au-dessus du film mince 4 est déposée, de manière classique, une couche 5 d'aluminium. La dalle de verre 2 a un indice de réfraction nO de l'ordre 1,45, et l'indice de réfraction nl du film mince luminescent 4 peut varier en fonctlon du matériau dont il est constitué, mais généralement cet indice nl est de l'ordre de 2. Dans ces conditions, quand un électron pénètre dans le film mince luminescent 4 et engendre dans ce dernier des photons pl, p2 (symbollsés par leur trsjectoire), ces photons ne peuvent traverser l'interface film mince-substrat 4-2 ou surface réfringente, que sl les angles 1, 2 que présentent leur trajectoire par rapport à un axe X normal A la surface réfringente, sont inférieurs A l'angle limite 0 (cet angle limite 0 étant dans l'exemple de l'ordre de 470). En conséquence dans l'exemple représenté, la trajectoire du premier photon pl est telle qu'elle présente un angle G31 inférieur A l'angle limite 0, ce qui lui permet de sortir du film mince luminescent 4 et de sortir du substrat 2, alors que les photons qui sont émis selon des axes formant des angles 2supérleurs A l'ange limite O, comme c'est le cas pour le second photo p2, ces photons subissent des réflexlons totales multiples par la surface réfringente 4-2 et par la surface réfléchissante du film alumlnium 5. I1 en résulte une diminution consldérable du rendement de collectlon de la lumière et donc une perte importante de la luminance. La présente invention concerne un écran cathodolumlnescent dont la substance lumlnescente est formée par un film mince, soit du type formé d'un film en couche mince déposée sur le substrat, soit du type formé d'une couche épitaxlée, écran dont l'agencement nouveau apporte une amélioration considérable au rendement de collection de la lumière, et par suite à la lumlnance globale du tube à rayons cathodiques. Selon l'invention, un écran cathodoluminescent comportant, un substrat sur lequel est formé un film mince luminescent, un film réfléchissant la lumière produite par le film mince luminescent étant dlsposé au-dessus de ce dernler, A l'opposé du substrat, caractérisé en ce qu'il comporte une couche diffusante formée d'une pluralité de grains, cette couche diffusante étant disposée entre le film mince luminescent et le film réfléchissant. De préférence, la couche diffusante est du type monocouche afin de conserver une excellente résolution. Par le terme monocouche nous entendons définir une couche dont l'épaisseur comprend un unique grain, ceci pour toute la surface de la couche (bien qu'en pratique il puisse exister quelques exceptions A cette règle, sans trop dégrader la résolution). En outre les grains qui forment cette couche diffusante sont pratiquement en contact avec la face du film mince luminescent opposé au substrat, de telle sorte que cette couche diffusante tend A constltuer une face rugueuse du film mince luminescent, cette rugosité étant liée A la granulométrle des grains. I1 résulte de cette disposition qu'un grand nombre des rayons lumineux qui dans l'art antérieur seraient perdus par suite de réflexions totales multiples, sont au contraire réfléchis ou rediffusés vers l'utilisation c'est-â-dire vers l'extérieur du tube après avoir traversé le film mince luminescent et le substrat. Ceci peut être obtenu en outre sans perdre de manière significative sur la résolutlon, comme il a été mentionné plus haut, par le falt que la couche diffusante de grains est une monocouche, et que cette monocouche peut être compacte, c'est-8-dire avec des grains sltués très prêts les uns des autres, et avec des grains relativement fins. L'invention sera mieux comprise et d'autres points qui la caractérlsent ainsi que des avantages qu'elle procure apparaîtront mieux A la lecture de la description qui suit, faite uniquement A titre d'exemple non limitatif, et qui se réfère au dessins annexés parmi lesquels - La figure 1 déjà décrite représente partiellement en coupe, et schématiquement, une structure d'écran cathodoluminescent selon l'art antérieur - la figure 2 montre partiellement et schématiquement, par une vue en coupe, une structure d'écran cathodoluminescent conforme à l'invention - La figure 3 montre partiellement et schématiquement, une version préférée de l'écran cathodoluminescent de l'invention. La figure 2 montre un écran cathodoluminescent 10 selon l'invention, destiné à former l'écran d'un tube A rayons cathodiques; En reprenant la structure de base déjå décrlte à le figure 1, pour simplifier la descrlptlon, L'écran 10 comporte un substrat 12 formé d'une dalle en verre dont une face intérieure 13 porte un film mince luminescent 14 du même type par exemple (couche de ZnS : Ag) que le film mince luminescent décrit en référence à la figure 1. Selon une caractéristique de l'invention, l'écran cathodoluminescent 10 comporte une couche dite couche diffusante 15 constltuée de préférence par des grains L1, L2,. Ln) flns formant une monocouche appliquée sur le film mince luminescent 14. rî est utile également que la couche diffusante 15 soit formée de grains L1 A Ln relativement proches les uns des autres ou se touchant, de manière à former une couche compacte, avec des grains relatlvement flns dont le diamètre moyen dl est par exemple Inférleur ou égal A environ 1 micromètre; ceci en vue de ne pas compromettre la résolution de l'ensemble. La couche diffusante 15 est recouverte d'une fine couche d'un matériau électriquement conducteur comme l'aluminium par exemple, de sorte à constituer d'une manière en elle-même classique un film 16 A la fois réfléchissant et conducteur permettant de réfléchir la lumière vers la couche diffusante 15 et le film mince luminescent 14, et d'appliquer la tension accélératrice. Les grains L1 à Ln peuvent être constitués en matériaux de natures diverses, il est cependant recommandé bien entendu qu'ils absorbent peu la lumière émise par le film mince luminescent 14. Du fait de leur seule présence, les grains L1 A Ln permettent de rediffuser une grande partie de la lumière vers le substrat 12, de manière que cette lumière sorte de ce substrat vers l'extérieur du tube c'est-8-dlre A l'opposé du film mince luminescent 14 ; ll s'agit bien entendu de la lumière qui dans l'art antérieur serait perdue par suite des réflexlons totales multiples, produites d'une part par la surface réfringente formée A l'interface du substrat et du film mince luminescent, et d'autre part produite par le film réfléchissant. En effet, si l'on reprend l'exemple commenté en référence A la figure 1, il existe un angle limite 0, formé entre un premier axe x normal au plan du film mince luminescent 14 et un axe limite xl, et tout photon émis dans une direction présentant avec le premier axe x un angle 2 supérieur à l'angle limite subit une réflexion totale. Mais dans la présente invention cecl n'est valable que du côté de la face intérieure 13, à l'interface entre le film luminescent 14 et la dalle en verre 12. Par contre du côté d'une face supérieure 17 du film mince luminescent 14, opposé à la dalle en verre 12, un photon émis vers la face supérieure 17 dans une dlrectlon formant un angle 2 plus grand que l'angle limite 0 peut sortir du film mince luminescent 14 et pénétrer dans un grain L1 A Ln, si un tel grain se trouve sur son trajet et en contact avec la face supérieure 17. Cecl est illustré sur la figure 2 par un photon repéré Pa qui est émis vers la couche diffusante 15 en formant un angle 2 avec l'axe x normal à la face supérieure 17, cet angle 2 étant supérieur A l'angle limite #O : on observe que ce photon p a sort du film mince luminescent 14 pour pénétrer dans un grain L1 dans lequel il subit plusieurs réflexions avant de ressortir selon une trajectoire sensiblement parallèle au premier axe x. IL est A noter que dans le même temps, si un autre photon repéré Pb est émis dans le film mince luminescent 14 en direction du substrat ou dalle en verre 12 en formant un angle #2 supérieur à l'angle limite O, ce second photon Pb subit une réflexion totale ; par suite, ce second photon Pb est réfléchi en direction de la face supérieure 17 du film luminescent 14, et ce second photon Pb traverse le film mince luminescent 14 pour pénétrer dans un grain L2 où il subit plusleurs réflexlons, avant de ressortir pour traverser A nouveau le film mince luminescent 14 selon une trajectoire sensiblement parallèle au premler axe X, de telle sorte qu'il peut traverser la dalle en verre 12 et sortir de cette dernière. Ces explications montrent que la présence de la couche diffusante 15 tend A accroître le rendement de la collection de lumière, sans dégrader de manière significative la résolution, du fait notamment pour ce dernler point de la compacité de cette couche diffusante 15 et du faible diamètre des grains L1 à Ln. Comme il a été précédemment mentionné, les grains L1 A Ln peuvent etre constitués par des matériaux de natures diverses, mals selon une caractéristique de l'invention, ces grains L1 A Ln sont constitués en un matériau luminescent ou lumlnophore, de manière que ces grains L1 A Ln pulssent eux-mêmes engendrer de la lumière pulsqu'ils sont soumis au meme bombardement électronlque que le film mince luminescent 14 ; les grains L1 à Ln sont alors constitués en un matériau choisl pour produire la lumière désirée. Cecl permet d'améllorer l'efficacité de la converslon en lumière, et selon une autre caractéristique de l'lnventlon, les grains L1 A Ln sont au moins partiellement en un meme matériau que celui dont est constitué le film mince luminescent 14. - La flgure 3 montre une version préférée d'un écran cathodoluminescent conforme à l'invention. Dans cette version, L'écran 10 comporte comme dans l'exemple précédent, un substrat 12 sur lequel est formé le film mince luminescent 14, lequel film mince 14 porte à son tour la couche diffusante 15 formée de grains L1 à Lu ; la couche diffusante 15 étant elle-même recouverte du film réfléchissant et conducteur 16. Dans cette version de l'invention, l'écran cathodoluminescent 10 comporte une couche de liaison 20 qui est à la fois en contact avec la face supérieure 17 du film luminescent 14 et en contact avec les grains L1 à Ln de la monocouche diffusante 15 ; ces grains L1 A Ln étant de préférence, dans cette version de l'invention, des lumlnophores. La couche de liaison, 20 a une épaisseur moyenne E3 nettement inférieure au diamètre moyen dl de grains L1 A Ln, de manière A constltuer un absorbant relativement faible vis-A-vis d'électrons passant entre deux grains volslns, tout en enrobant partiellement les grains L1 A Ln de manière A réaliser une jonction thermique efficace entre les grains L1 A Ln de luminophores et le film mince luminescent 14. Cecl permet d'éviter un échauffement prohibitif des grains de luminophores L1 A Ln, et permet de conserver à ces luminophores un bon rendement lumineux même dans le cas de densité de courant élevé. Il est A noter que cette amélioration est intéressante pour tous les types de luminophores, mals qu elle est particulièrement intéressante pour les luminophores les plus sensibles A l'élévation de température, comme ceux de lumlnescence bleue de type sulfure (ZnS:Ag) utilisés pour les tubes dits à projection. En plus de sa fonction de jonction thermique, la couche de liaison 20 permet d'améliorer la collection de lumière, en évitant par sa présence que les rayons lumineux ne subissent une réflexion totale au niveau de la face supérieure 17 du film mince luminescent 14, pour des rayons lumineux qui seraient émis selon un axe X4 formant un angle 2 supérleur A l'angle limite O, et qui en plus atteindraient la face supérieure 17 en un polnt O sltué entre deux grains L1, L2 voisins, comme il est illustré à titre d'exemple sur la flgure 3 par un photon repéré Pc. En l'absence de la couche de liaison 20, le photon p c serait réfléchi comme il est représenté par la flèche en trait pointillé repérée 30, sauf bien entendu sl le point O se trouve suffisamment proche d'un grain luminophore, le second grain L2 par exemple, pour que le phénomène d'onde évanescente puisse se manifester et permette au photon p c de sortir du film mince luminescent 14 et de pénétrer dans le second grain L2. Avec la présence de la couche de liaison 20, le photon Pc, même s'il arrive A le face supérieure 17 en un point de cette dernière relativement éloigné des premier et second grains L1, L2, ce photon sort du film mince luminescent 14, et la couche de liaison 20 capte ce photon et le canalise vers le second grain L2 par exemple où 1l est diffusé vers l'extérieur. Cet effet bénéfique de la couche de liaison 20 provient de ce qu'elle comporte un indice de réfraction n2 supérieur à celul qui existerait en son absence (vlde partiel) ; les conditions les plus favorables étant que la couche de liaison 20 ait un indlce de réfractlon n2 égal ou supérieur A l'indice de réfraction nl du film mince luminescent 14 (nl de l'ordre de 2), l'indice nl étant lul-même supérieur à l'indice nO du substrat (nO de l'ordre de 1,45). Bien entendu la couche de liaison 20 est de préférence aussi transparente que possible à la lumière produite par les grains de luminophore Li A Ln. Alnsi cette couche de liaison 20 peut être par exemple de l'oxyde de titane TlO2 (dont l'indice de réfraction n2 est de l'ordre de 2,35) ; cette couche de liaison 20 en oxyde de titane étant obtenue par exemple par une méthode au trempé d'alcoolate à partir d'un alcoolate de titane Ti(OC2H5)4. Il est à noter que dans l'un ou l'autre des exemples décrits en référence aux figures 2 et 3, le substrat 12 peut être en un matériau autre que le verre. Alnsl par exemple, le substrat 12 peut être un YAG portant une couche mince épitaxiée YAG, dopée, qui forme le film mince luminescent 14 et d'autre part, les grains L1 A Ln de la couche diffusante 15 peuvent être des grains YAG éventuellement dopés pour constituer des luminophores. REVENDICATIONS 1. Ecran cathodoluminescent pour tube A rayons cathodlques, comportant un substrat (12) sur lequel est formé un film mince luminescent (14), un film (16) réfléchissant la lumière produite par le film mince luminescent (14) étant dlsposé su-dessus de ce dernier A l'opposé du substrat (12), caractérisé en ce qu'il comporte une couche diffusante (15) formée d'une pluralité de grains (L1 A Ln), cette couche diffusante (1S) étant dlsposée sur le film mince luminescent (14) entre ce dernier et le film réfléchissant (16). 2. Ecran cathodoluminescent selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche diffusante (15) est une monocouche. 3 Ecran cathodolumlnescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche diffusante (15) est une couche compacte. 4. Ecran cathodolumlnescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grains (L1 à Ln) ont une granulométrie moyenne inférieure à 1 mlcromètre. 5. Ecran cathodoluminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grains (L1 A Ln) sont des lumlnophores . 6. Ecran cathodoluminescent selon l'une des revendications précedentes, caractérisé en ce que les grains (L1 A Ln) sont en un même matériau que le film mince luminescent (14). 7. Ecran cathodolumlnescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'll comporte en outre une couche de liaison (20) formée sur une face supérieure (17) du film mince luminescent (14) opposée au substrat (12), les grains (L1 A Ln) de la couche diffusante (15) étant partiellement enrobés dans ladite couche de liaison (20). 8. Ecran cathodoluminescent selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche de liaison (20) est en un matériau transparent à la lumière. 9. Ecran cathodoluminescent selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la couche de liaison (20) a un indice de réfractlon (n2) égal ou supérieur A l'indice de réfraction (nl) du film mince luminescent (14). 10. Ecran cathodoluminescent selon lune quelconque des revendications 7 ou 8 ou 9, caractérisé en ce que la couche de liaison (20) est en oxyde de titane (tao2). 11 - Ecran cathodolumlnescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le film mince luminescent (14) est une couche mince épitaxiée formée sur le substrat (12), le substrat (12) étant un substrat monocristai du meme matériau que le film mince luminescent (14). 12 - Ecran cathodoluminescent selon la revendication 11, caractérisé en ce que le substrat (12) est un YAG, et en ce que le film mince luminescent (14) est un YAG dopé. 13 - Ecran cathodoluminescent selon le revendication 12, caractérisé en ce que la couche diffusante (15) comporte des grains (L1 à Ln) YAG.