Brevet FR2647591A1 — publié le 19901130

ECRAN CATHODOLUMINESCENT A DUREE DE VIE ELEVEE POUR TUBES A RAYONS CATHODIQUES L'invention concerne un écran cathodoluminescent pour tubes à rayons cathodiques et concerne particulièrement des moyens qui permettent à cet écran de conserver beaucoup plus longtemps ses caractéristiques optImums. Dans un tube à rayons cathodiques, l'écran cathodoluminescent comporte généralement une dalle en verre, servant de substrat, sur laquelle est réalisée au molns une couche d'un matérlau luminescent, c'est-à-dire de luminophore. Sous l'effet d'un bombardement d'électrons, les luminophores émettent de la lumière (phénomène de cathodoluminescence), et les luminophores sont choisis notamment en fonction de la ou des couleurs de luminescence désirée. La flgure 1 montre partiellement et schématiquement par une vue en coupe, un écran cathodolumlnescent classlque pour tubes à rayons cathodiques. L'écran 1 comporte une dalle de verre 2 sur laquelle est réalisée une couche 3 formée d'une pluralité de grains de lumlnophores L1, L2.. Ln. Sur la couche 3 de luminophore est déposée une couche 4 en un matériau électriquement conducteur, en aluminium par exemple, formant un film 4 qut permet, d'une part d'appliquer la tension accélératrice ainsl que d'écouler les charges, et d'autre part de réfléchir la lumière produlte dans la couche 3 de luminophore vers la dalle en verre 2, c'est-à-dire vers l'extérieur du tube. Diverses méthodes classiques peuvent ètre utilisées pour réaliser la couche 3 de luminophore, par exemple : méthode de centrifugation, méthode d'électrophorése ; mais la méthode la plus couramment employée conslste à déposer les grains de luminophore L1 à Ln par une méthode de sédImentation dont la mise en oeuvre est simple, et qui permet en outre généralement d'obtenir le meilleur rendement lumineux de le couche de grains de luminophore. En général la granulométrle des grains de luminophore se répartit selon une courbe de forme gaussiènne dont le maximum se situe vers 8 micromètres, les grains de luminophore les plus gros pouvant atteindre un diamètre de 15 micromètres ou plus. Il est à noter que le rendement lumineux d'un grain de luminophore augmente de manière importante avec l'augmentation de son diamètre. Mais à côté de cet avantage, les grains de grand diamètre conduisent à un grave inconvénient qui réside d'une part dans une plus falble compacité de la couche 3 de luminophore, et d'autre part dans le fait que ces grains de grand diamètre tendent à augmenter de manière considérable les défauts de planéité de la couche 3 de luminophore, et ceci particulièrement (mais non exclusivement) à l'opposé de la dalle 2 en verre. Alnsi on peut observer à l'opposé de la dalle 2 en verre, sur une face 6 de la couche de luminophore 3 (cette face 6 étant symbolisée par la face inférieure du film métallique 4), que la couche 3 de luminophore présente une succession de sommets 7 et de creux 8 par rapport à la face intérieure 10 de la dalle de verre 2. Ainsi par exemple il est courant qu'une couche 3 de luminophore comporte une épaisseur El de l'ordre de 50 micromètres en regard du sommet 7 et une seconde épaisseur E2 de l'ordre de 30 micromètres en regard du creux 8, d'où il résulte une différence de profondeur DE de l'ordre de 20 micromètres. Dans une telle conflguratlon, les électrons (qui sont tous accélérés d'une méme manière) peuvent bombarder la couche 3 de luminophore sur un sommet 7 de cette dernière (où ces électrons sont symbolisés sur la figure par une flèche A), et bombarber cette couche 3 dans un creux 8 (où ces électrons sont symbolisés par une flèche repérée B), de telle sorte que les électrons A trouvent une longueur absorbante (symbollsée par la première épaisseur El) plus grande que la longueur absorbante (symbollsée par la seconde épaisseur E2) que rencontrent les électrons B. Il en résulte que si l'on veut obtenir un rendement lumineux convenable de la couche 3 de luminophore, c'est-à-dire obtenir une émission de lumière par les luminophores qui sont en contact avec la surface intérieure 10 de la dalle 2, les électrons A, B doivent avoir une énergie sufflsante pour traverser la première épaisseur El. En conséquence, les électrons qui rencontrent le seconde épaisseur E2 la plus falble, ont une énergie qui leur permet de pénétrer dans le verre de la dalle ; ce phénomène est encore amplifié par les différences de masse volumique ou densité que présente la couche 3 de luminophore, ces différences pouvant etre d'autant plus grandes que des grains de luminophores plus gros sont présents. Quand les électrons pénètrent dans le verre de la dalle, lls engendrent dans ce verre des modifications de structure qui se manifestent sous la forme de polnts nolrs. La généralisation de ces polnts nolrs condult à une diminution de la transparence de la dalle qui peut avec le temps, affecter le rendement lumineux au polnt que le tube à rayons cathodiques peut etre considéré comme défectueux. Ce phénomène a donc pour conséquence directe la diminution de la durée de vie des écrans cathodoluminescents. Cette diminution de transparence du verre due À la création des points nolrs est appelée "brunlssement". Il est connu que ces polnts nolrs sont dus à la présence (même en faible quantité) de grains métalliques oxydés qui constituent des lons métalliques tels que par exemple, particulièrement Pb2+, mais aussi Na, K , qui sont présents dans le verre même en faible quantité. En fait le phénomène de brunlssement est dû à la transltlon d'un lon métallique chargé positivement, en un atome équilibré, cecl par la capture d'électrons qui pénètrent dans le verre après avoir traversé la couche 3 de luminophore. I1 est à remarquer en outre que ces points nolrs, en plus de ce qu'lls provoquent une baisse de la transparence de l'écran, ont un diamètre qui grandit avec le temps et apparaissent comme des défauts d'aspect de I'écran. Ceci est particulièrement vrai dans les applicatlons de projection où la surface utile de l'écran des tubes dits "de projection" est fortement agrandie par la projection, d'où il résulte une amplification de la taille des défauts d'écran des tubes sur l'écran utlle de projection. A ce jour, la solution utilisée pour tenter de réduire ce défaut consiste à traiter le verre de la daUe pour en éliminer le plus possible les tons métalliques. Ceci conduit å une forte augmentation du coût des dalles en verre sans pour autant résoudre complètement le problème, car les dalles ainsi traitées "brunissent" également mais sur un temps plus long. L'invention a pour objet, entre autres, de remédier aux inconvénients ci-dessus cltés, et de montrer un agencement nouveau d'un écran cathodolumlnescent qui permet de réduire considérablement, volre d'annuler l'effet de brunissement cl-dessus mentionné, et qui permet en outre d'améliorer le rendement lumineux. L'invention s'applique aux écrans cathodolumlnescents de tout tube à rayons cathodiques, et trouve une application partIculièrement intéressante dans les tubes dits "de projection", pour lesquels une haute luminance est recherchée et qui utilisent une haute densité en courant. Selon l'lnvention, un écran cathodoluminescent pour tubes À rayons cathodiques, comprenant une dalle en verre dont une face Intérieure porte au molns une couche de luminophores exposés à un bombardement d'électrons, est caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche barrière disposée entre la face intérleure de la dalle et la couche de luminophores pour absorber au moins partlellement des électrons ayant traversé la couche de luminophores, ladite couche barrière étant d'une part en un matériau transparent à la lumière émise par les luminophores, et d'autre part en un matérlau exempt d'ions métalliques chargés positivement. L'implantation d'une telle couche barrière en un matériau exempt d'ions positifs métalliques (par exemple Na+, K+, Pb2+) a pour fonction d'absorber les électrons qui ont traversé complètement la couche de luminophore. Ceci a pour effet de soustraire la dalle en verre à l'action des électrons, et par suIte d'éviter le phénomène de brunissement du verre tout en ayant une action négligeable sur la transmission de la lumière, la couche barrière transparente ajoutant une opacité additionnelle négligeable du fait qu'elle peut être réallsée, non seulement en un matériau transparent, mais aussi en falble épaisseur (quelques micromètres), compte-tenu qu'elle peut être éventuellement réallsée en un matériau absorbant fortement les électrons ; cette couche barrlère pouvant avolr une épaisseur approprlée à compenser les différences d'absorption que présente la couche de lumlnophore. I1 est à noter cependant que l'épaisseur de la couche barrière n'est pas crltlque dés lors que cette épaisseur est sufflsante à bloquer les électrons, ce qui montre que cette solutlon est intéressante en outre pour la simplicité de sa mise en oeuvre. Selon une autre caractéristique de l'invention, la masse volumlque de la couche barrière est supérieure à celle de la couche de luminophore. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la couche barrlère a une épaisseur égale ou Inférieure à des différences d'épaIsseur présentées par la couche de luminophore. Un autre aspect de l'invention est que la couche de luminophore est formée de grains de luminophore dont la granulométrle moyenne est supérieure à 10 micromètres. Enfin, selon encore une autre caractéristique de l'lnventlon, la couche barrlère est en un matériau ayant un numéro atomique supérieur à celui de la couche luminophore. L'inventIon sera mieux comprlse et les avantages qu'elle procure apparaîtront mleux à la lecture de la descrlptlon qui suint, faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux flgures annexées, parmi lesquelles - la figure 1 déjå décrite montre partiellement, par une vue schématlque en coupe, un écran cathodolumlnescent selon l'art antérieur - la flgure 2 montre schématiquement, par une vue en coupe, un écran cathodoluminescent conforme à l'invention. La flgure 2 montre un écran cathodolumlnescent 20 dont le substrat est formé d'une manière classique par une dalle en verre 21. Dans l'exemple non limitatif de la description, l'écran 20 comporte une unique couche 22 constituée de grains de luminophore L1 à Ln. La couche 22 de luminophore est formée au-dessus d'une face Intérleure 32 de la dalle 21. Selon une caractéristique de l'invention, une couche barrière 23 est interposée entre la couche 22 de luminophore et la dalle 21, c'est-8-dire que la couche 22 de luminophore est portée sur la face intérieure 32 de la dalle 21 par l'intermédiaire de cette couche barrière 23. La couche barrière 23 est destlnée à protéger des électrons, la dalle 21 en verre. Alnsl on trouve la dalle 21 en verre puis sur une face intérieure 32 de cette dernière, on trouve la couche barrière 23, puis on trouve sur la couche barrière 23, la couche 22 de luminophore. On trouve enfin au-dessus de la couche 22 de luminophore, de marnière classique, un film 24 électriquement conducteur, en aluminium par exemple servant de réflecteur de lumière et servant À écouler les charges électriques ainsi qutå appliquer la tension accélératrice. L'écran 20 est soumls de manière classique À un bombardement par des électrons qui, comme dans l'exemple de la figure 1, sont symbolisés par des flèches repérées A, B. En reprenant pour exemple le cas déjà représenté à la flgure 1 où la couche de luminophore est réalisée par un procédé classlque de sédimentation, la couche 22 de luminophore présente lÀ aussi des sommets 26 et des creux 25 au regard desquels elle présente des épaisseurs El, E2 différentes qui déterminent des différences d'épaisseur DE. En conséquence, comme dans l'art antérieur, la couche 22 de luminophore présente une épaisseur El plus grande pour des électrons A qui bombardent cette couche sur un sommet 26 que pour des électrons B qui arrivent en des creux 25. Aussi, les électrons A (qui arrivent sur des sommets 26) sont absorbés dans la couche 22 de luminophore, alors que pour les électrons B qui arrivent dans les creux 25, ces électrons B traversent complètement la couche 2i de luminophore et vont au-delà de cette dernière. Dans l'art antérieur, ces électrons B qui ont entièrement traversé la couche 22 de luminophore pourraient pénétrer dans le verre du substrat et produire les effets néfastes déjà mentlonnés. Par contre dans l'écran 20 conforme a l'invention, les électrons B, qui ont dépassé la couche 22 de luminophore, sont absorbés dans la couche barrière 23 et par suite ne parviennent pas jusqu'à la dalle en verre 21. Selon une caractéristique de l'invention, la couche barrière 23 est en un matériau exempt d'lons positifs métalliques. Par l'expression exempt d'ions positifs métalliques, nous entendons un matériau qui ne comporte pas de tels ions ou qui en comporte en quantité beaucoup plus faible que dans le verre du substrat 21. Le matériau dont est constitué la couche barrière 23 doit permettre À cette dernlère d'être transparente, et de préférence, il comporte un coefficient de dilatation thermique voisin de celui de la dalle 21. Ce matériau peut être un matériau diélectrlque, ou encore un matériau électriquement conducteur auquel cas la couche barrière 23 peut également servlr à écouler des charges ; dans ce dernler cas le matériau peut être SnO2 ou In203 par exemple, et la couche barrière 23 peut être déposée par une méthode classique telle que par exemple la méthode de décomposition chimique en phase gazeuse (CVD) . Si le matériau de la couche barrière 23 est un matériau isolant, il peut être par exemple de l'oxyde de titane T102, ou de l'oxyde de silicium S102, et la couche barrière 23 peut être réallsée sur la dalle en verre 21 par une méthode en elle-même classique, telle qu'une méthode au trempé par exemple, ou encore une méthode de décomposition chimique en phase gazeuse (CVD), ou évaporation sous vide. Outre sa faible teneur en ions positifs métalliques, la couche barrière doit présenter une opacité négligeable vis-à-vis de la lumière engendrée par les luminophores L1 À Ln. L'épaisseur E3 de la couche barrière 23 peut être de quelques micromètres. Elle doit être suffisante, compte-tenu de la nature du matériau dont elle est constituée et de l'absorption des électrons par ce matérlau, pour au moins compenser les différences d'épaisseur DE de la couche 22 de luminophore. Cette différence d'épaisseur DE représente une différence d'absorption de la couche 22 de luminophore, À laquelle s'ajoutent des dlfférences d'absorption liées aux variations de la densité de cette couche 22 de luminophore cette différence de densité étant elle même liée comme 1l a été expllqué dans le préambule, au diamètre moyen dl, d2, dn des grains L1, L2, ..., Ln. On indique ci-après À titre d'exemple non llmltatlf, une valeur de l'épaisseur E3 de la couche barrière 23 qui donne un résultat satisfaisant pour un tube à rayons cathodiques dans lequel le faisceau d'électrons est accéléré sous une tension de l'ordre de 40 KV ; la couche barrière 23 étant en Tir2, ou en S102, ou en SnO2, avec une épaisseur E3 de l'ordre de 5 à 10 micromètres. Comme 1l a été expllqué précédemment, la couche barrière 23 peut compenser les différences d'absorption de la couche 22 de luminophore dues, non seulement à ses variations d'épaisseur, mais également à ses variations de denslté. En conséquence, on peut conférer À la couche 22 de luminophore une caractérlstlque intéressante qui consiste À réaliser cette couche 22 avec des grains L1 À Ln de luminophore ayant une granulométrie moyenne beaucoup plus grande que dans l'art antérleur, de manière à augmenter le rendement lumineux de la couche 22 de luminophore. Ainsi par exemple au lieu de choisir des luminophores dont le diamètre moyen est de l'ordre de 5 microns comme dans l'art antérieur, on peut former la couche de luminophore avec des grains L1 à Ln dont la moyenne des diamètres est centrée sur 10 à 12 micromètres, de sorte que les grains les plus petits ont un diamètre dl de l'ordre de 5 micromètres par exemple, avec pour la plupart des grains des dlamètres d2 de l'ordre de 10 À 12 micromètres de sorte que pour certalns grains plus gros, le diamètre d3 peut dépasser 20 micromètres. Dans ces conditions, la couche de luminophore 22 peut être réalisée par l'une des méthodes classiques connues, et notamment par sédimentation, sans que les différences d'épaisseur nl les dlfférences de densité ne conduisent à l'effet de brunissement de la dalle 21, et ceci grâce À la couche barrière 23. I1 est à remarquer que la couche barrière 23 permet en outre une réduction considérable des coûts, du fait notamment qu'elle autorlse l'utilisation de verre de type standard, et qu'elle évite l'utilisation de méthodes de dépot de luminophore dites "compactes" (électrophorèse, centrifugation, plstolettage), méthodes qui présentent comme inconvénients, d'une part, de conduire À un plus faible rendement lumineux que la sédimentation ; et qui d'autre part, exlgent une Infrastructure industrielle plus lourde pour leur mlse en oeuvre. REVENDICATIONS 1 - Ecran cathodolumlnescent pour tubes À rayons cathodiques, comprenant une dalle en verre (21) dont une face Intérieure porte au moins une couche (22) de luminophore (L1 à Ln) exposée à un bombardement d'électrons (A, B), caractérisé en ce qu'll comporte en outre, une couche barrière (23) disposée entre la face intérieure de la dalle en verre (21) et la couche (22) de luminophore pour absorber au moins partlellement les électrons ayant traverser complètement la couche (22) de luminophore, ladite couche barrière (23) étant d'une part, en un matériau transparent à la lumière émise par les luminophores (L1 À Ln), et d'autre part, en un matériau exempt d'ions métalliques chargés positivement. 2 - Ecran cathodoluminescent selon la revendication 1 caractérisé en ce que la couche barrière (23) est en un matériau diélectrique. 3 - Ecran cathodolumlnescent selon la revendication 1, caractérlsé en ce que la couche barrière (23) est en un matériau électriquement conducteur. 4 - Ecran cathodoluminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse volumique de la couche barrière (23) est supérieure à celle de la couche (22) de luminophore. 5 - Ecran cathodoluminescent selon l'une des revendications précédentes, la couche (22) de luminophore présentant des dlfférences (DE) d'épaisseur, caractérisé en ce que la couche barrière (23) a une épaisseur (E3) égale ou Inférieure aux différences d'épaisseur (DE) présentées par la couche (22) de luminophore. 6 - Ecran cathodoluminescent selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche (22) de luminophore est formée de grains de luminophore (L1 À Ln) dont la granulométrie moyenne est supérleure à 10 micromètres. 7 - Ecran cathodoluminescent selon l'une des revendlcatlons précédentes, caractérisé en ce que la couche barrière (23) est en un matériau ayant un numéro atomique supérieur à celul de la couche (22) luminophore.