DE19727607A1 - Aluminat-Leuchtstoff mit Polyphosphatbeschichtung - Google Patents

Aluminat-Leuchtstoff mit Polyphosphatbeschichtung

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Description

Die Erfindung betrifft einen lumineszierenden Schirm, insbesondere einen Plasmabildschirm, mit einer Leuchtstoffzubereitung aus einem Aluminat-Leuchtstoff mit einer Beschichtung.
Ein Plasmabildschirm besteht im Prinzip aus zwei Glasplatten, die durch Abstands­ halter miteinander verbunden sind und einen hermetisch verschlossenen Zwischen­ raum bilden. Der Zwischenraum ist mit einem Edelgas oder einer Edelgasmischung gefüllt. Der Zwischenraum enthält Anodendrähte und Kathodendrähte, die gitter­ förmig senkrecht zueinander angeordnet sind. Zwischen den Kreuzungspunkten der Anoden- und Kathodendrähten wird eine Plasmaentladung gezündet. Die UV-Strahlung, die in der Plasmaentladung erzeugt wird, wird durch eine Leuchtstoff­ schicht in rotes, grünes oder blaues Licht umgewandelt. Dieser Prozeß ist ähnlich wie der in Leuchtstoffröhren, aber durch die kleineren Dimensionen der einzelnen Plasmaentladungen bei einem Plasmabildschirm ist die Umwandlung der elektrischen Anregungsenergie in sichtbares Licht sehr viel weniger effizient als es in Leucht­ stoffröhren der Fall ist.
Als Leuchtstoffe für Plasmabildschirme werden Aluminat-Leuchtstoffe verwendet, weil sie unter UV-Anregung besonders effizient sind. Es findet jedoch sowohl unter den Anregungsbedingungen in Fluoreszenzleuchtstoffröhren als auch besonders unter der Vakuum-UV-Anregung in Plasma Displays eine Degradation, d. h. eine Ab­ nahme der Leuchtstoffeffizienz, mit der Anregungszeit statt.
Aus der EP 0 714 967 ist bereits ein lumineszierender Schirm mit einer Leuchtstoff­ zusammensetzung aus einem sulfid- und/oder selenidhaltigen Leuchtstoff mit einer Beschichtung, die ein oder mehrere catena-Polyphosphate von ein oder mehreren Erdalkalimetallen, Zink, Cadmium und/oder Mangan enthält, bekannt. Durch die Beschichtung wird die Degradation von sulfid- und/oder selenidhaltigem Leuchtstoff unter Beschuß mit niederenergetischer Elektronen begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen lumineszierenden Schirm mit einer Leuchtstoffzubereitung aus einem Aluminat-Leuchtstoff mit einer Beschichtung zu schaffen, die bei einer Anregung des Leuchtstoffes durch UV-Strahlung nicht degeneriert.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen lumineszierenden Schirm mit einer Leuchtstoffzubereitung aus einem Aluminat-Leuchtstoff mit einer Beschich­ tung, die ein oder mehrere catena-Polyphosphate von ein oder mehreren Erdalkali­ metallen, Zink, Cadmium und/oder Mangan enthält.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß eine Beschichtung, die ein oder mehrere catena-Polyphosphate von ein oder mehreren Erdalkalimetallen, Zink, Cadmium und/oder Mangan enthält, als stabilisierender Schutzüberzug wirkt, der die Abnahme der Effizienz von Aluminat-Leuchtstoffen mit der Zeit unter UV-Anregung vermindert. Darüberhinaus hemmt die erfindungsgemäße Beschichtung die Verschiebung des Farbpunktes unter UV-Anregung. Damit können die Vorteile der effizienten Aluminat-Leuchtstoffe für lumineszierende Schirme, insbesondere Plasmabild­ schirme, genutzt werden und diese lumineszierenden Schirme bleiben lange Zeit hell und kontrastreich.
Die wasserfreien catena-Polyphosphate der oben genannten Art bilden eine harte, wasserunlösliche Beschichtung auf den Leuchtstoffpartikeln, sie reagieren nicht mit den Aluminat-Leuchtstoffen und sie werden selbst durch Strahlung nicht degradiert. Da sie selbst farblos sind, beeinflussen sie auch nicht die Farbwerte der Leucht­ stoffe. Sie sind hydrophil, so daß sich die beschichteten Partikel leicht dispergieren lassen.
Es ist bevorzugt, daß das oben genannte catena-Polyphosphat eine Kettenlänge von 3 bis 90 hat.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann es bevorzugt sein, daß die Beschichtung ein catena-Polyphospat eines Erdalkalimetalls und 0,1 bis 20 Gew.-% catena-Polyphosphat eines Metalls der Gruppe Zink, Cadmium und Mangan enthält.
Es ist weiterhin bevorzugt, daß Erdalkalimetall wenigstens ein Metall aus der Gruppe Calcium, Strontium und Barium ist und die Beschichtung 5 Gew.-% Zink-catena-polyphosphat und/oder 5 Gew.-% Mangan-catena-polyphosphat enthält. Ein kleiner Anteil an Cadmium, Zink oder Mangan in der Beschichtung wirkt sich positiv auf die Abscheidung der Beschichtung aus.
Die Leuchtstoffzubereitung kann auch eine Deckschicht aus einem Dispersions­ hilfsmittel aufweisen. Ansich ist die erfindungsgemäße Beschichtung abriebfest, so daß der beschichtete Leuchtstoff als solcher transportiert und verwendet werden kann. Es ist jedoch üblich, daß Leuchtstoffpulver eine Deckschicht aus einem Dispersionshilfsmittel erhalten, das die Handhabung des Pulvers erleichtert. Da es sich gezeigt hat, daß Dispersionshilfsmittel, insbesondere solche, die oberflächlich gebundene Hydroxylgruppen enthalten, wie z. B. SiO2, die Alterung der Leuchtstoffe noch verstärken, ist es besonders vorteilhaft, einen Aluminat-Leuchtstoff, der eine Deckschicht aus einem Dispersionshilfsmittel wie SiO2 aufweist, durch eine stabilisierende Zwischenschicht aus ein oder mehreren catena-Polyphosphaten der oben genannten Art zu schützen.
Aus dem gleichen Grund ist die Kombination aus einem Aluminat-Leuchtstoff mit einer stabilisierenden Beschichtung aus ein oder mehreren der oben genannten catena-Polyphosphaten mit einer Deckschicht, die Pigmente enthält, insbesondere solche mit oberflächlich gebundenen Hydroxylgruppen, besonders vorteilhaft.
Es ist bevorzugt, das der Luminat-Leuchtstoff aus Ba(Al,Mg)11O19 : Eu2+ besteht.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Leuchtstoffzubereitung aus einem Aluminat-Leucht­ stoff mit einer Beschichtung, die ein oder mehrere catena-Polyphosphate von Metallen der Gruppe der Erdalkalimetalle, Zink, Cadmium und Mangan enthält.
Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Figur und eines Ausführungsbeispieles weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt die verminderte Abnahme der Effizienz eines erfindungsgemäß beschichteten Aluminat-Leuchtstoffes 2 im Vergleich zu der Degradation dieses Leuchtstoffes ohne Beschichtung 1.
Die Aluminat-Leuchtstoffe, die gemäß der Erfindung mit einer stabilisierenden Beschichtung versehen werden, sind in erster Linie die Leuchtstoffe auf der Basis von MeMgAl10O17 mit Me = Ba, Sr, Eu mit der β-alumina-Kristallstruktur, z. B. BaAl10O17 : Eu (BAM), Ba(MgAl)10O17 : Mn und BaAl12O19 : Mn, sowie die Leuchtstoffe mit verwandter Kristallstruktur wie BaMgAl16O27 : Eu und BaMgAl14O23 : Eu. Weiterhin können erfindungsgemäß auch Aluminat-Leuchtstoffe mit Magnet­ oplumbit-Struktur MeAl12O19 mit Me = Ca, Sr, Eu, bspw. Ba(Mg,Al)11O19 : Eu, verwendet werden. Diese Aluminat-Leuchtstoffe sind besonders effiziente Leuchtstoffe unter UV- bzw. Vakuum-UV-Anregung.
Die Leuchtstoffe können als Primärpartikel oder als Latex und Pigmenten gemischte Granulate vorliegen. Die Korngröße der Leuchtstoffpartikel ist nicht kritisch. Die Primärkorngröße handelsüblicher Leuchtstoffe liegt bei etwa 2 bis 20 µ.
Die Leuchtstoffpartikel werden mit einer dünnen und gleichmäßigen Schicht aus ein oder mehreren catena-Polyphosphaten von Metallen aus der Gruppe der Erdalkalimetalle, z. B. Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Zink, Cadmium und Mangan überzogen. Die Schichtdicke beträgt üblicherweise 0,001 bis 0,2 µm und ist damit so dünn, daß Elektronen ohne wesentlichen Energieverlust durchdringen können.
Die Beschichtung kann zusätzlich organische oder anorganische Bindemittel wie Latex, Methylcellulose oder Aluminiumphosphat und SiO2 enthalten, um die Dichtigkeit der Beschichtung noch zu verbessern und die Möglichkeit von chemischen Angriffen auf das Substrat einzuschränken.
Als Ausgangsverbindungen für die Beschichtung werden lösliche Alkali-Poly­ phosphate, Ammonium-Polyphosphate oder Alkylammonium-Polyphosphate sowie wasserlösliche Magnesium-, Calcium, Strontium- und/oder Bariumsalze eingesetzt, für die weiteren catena-Polyphosphate auch die wasserlöslichen Salze der zweiwertigen Kationen von Cadmium, Mangan und Zink.
Natriumpolyphosphat und Ammoniumpolyphosphat sind in großtechnischen Mengen käuflich, da sie auch als Düngemittel verwendet werden. Die übrigen löslichen Alkalipolyphosphate und die Alkylammoniumpolyphosphate können aus diesen käuflichen Polyphosphaten durch Ionenaustausch oder durch Reaktion von Polyphosphorsäure mit den entsprechenden Hydroxiden bzw. Aminen hergestellt werden.
Polyphosphate der hier verwendeten Art sind unverzweigte, kettenförmige Phosphate mit dem zweifach verknüpften PO4-Tetraeder als Grundeinheit der Kette. Ihre systematische Bezeichnung ist "catena-Polyphosphate". Natriumpolyphosphate werden großtechnisch in einer Kondensationsreaktion aus den sauren, primären Salzen der Orthophosphorsäure gewonnen. Bei dieser Kondensationsreaktion wird Wasser abgespalten, der Wasserdampfdruck über der Schmelze, Heiztemperatur, Heizdauer und die Abkühlgeschwindigkeit bestimmen die Kettenlänge und die Kristallinität des erhaltenen Polyphosphates. Man erhält stets Mischungen mit verschiedenen Kettenlängen. Je nach Reaktionsbedingungen erhält man Produkte, die die Trivialnamen "Graham'sches Salz", "Madrell'sches Salz" (NaPO3)x oder "Kurrol'sches Salz" (KPO3)x führen. Das "Graham'sche Salz" ist im Gegensatz zum praktisch unlöslichen "Madrell'schen Salz" und dem wenig löslichen "Kurrol'schen Salz" leicht wasserlöslich und seine Verwendung im Rahmen dieser Erfindung bevorzugt. Die Kettenlänge hängt sehr empfindlich von den genauen Herstellungs­ bedingungen ab, sie kann von Hersteller zu Hersteller, manchmal auch von Charge zu Charge schwanken. Die analytische Bestimmung der Kettenlängen ist zudem ziemlich aufwendig. Die Angaben über die durchschnittliche Kettenlänge in dem hier bevorzugt verwendeten "Graham'schen Salz" schwanken daher je nach Herkunft zwischen "12-18" und "bis 400". Hinreichend langkettige Polyphosphate unter­ scheiden sich in ihren chemischen Eigenschaften nur noch wenig voneinander und können deshalb alle gleichermaßen für die Erfindung verwendet werden. Eine obere Grenze für die Kettenlänge wird durch die Wasserlöslichkeit gesetzt. Die Wasser­ löslichkeit nimmt mit zunehmender Kettenlänge ab und hängt auch von der Art des Kations ab. Andere wasserlösliche Polyphosphate, die ähnlich wie das "Graham'sche Salz" hergestellt werden und als "Phosphat Glas" oder "wasserlösliches Hexa­ metaphosphat" bezeichnet werden, können ebenfalls verwendet werden. Für die Erfindung sind langkettige, wasserlösliche Polyphosphate mit einer mittleren Kettenlänge von 80-90 noch geeignet. Bei kurzkettigen catena-Polyphosphaten ändern sich die Eigenschaften der Polyphosphate in Richtung der Orthophosphate, da der Einfluß der endständigen Phosphatgruppen auf die chemischen Eigenschaften größer wird. Kurzkettige catena-Polyphosphate mit einer Kettenlänge <3 sind für die vorliegende Erfindung nicht geeignet.
Als wasserlösliche Magnesium-, Calcium-, Strontium- Barium-, Cadmium-, Mangan- oder Zinksalze können insbesondere deren Nitrate, Acetate oder Perchlorate eingesetzt werden. Als wasserlösliche Zink- und Cadmiumsalze eignen sich deren Halogenide, insbesondere Chloride, und deren Sulfate, Nitrate oder Acetate. Diese Zink- und Cadmiumverbindungen werden einzeln oder gemeinsam in Wasser gelöst. Die Konzentration der Zink- oder Cadmiumsalze in der Lösung kann 0,01 bis 1 Mol/l betragen.
Zur Herstellung der Beschichtungslösung werden ein oder mehrere wasserlösliche catena-Polyphosphate einzeln oder gemeinsam in Wasser gelöst. Die Konzentration des Polyphosphates in der wäßrigen Lösung kann je nach Kettenlänge und Kation 0,5 bis 10 Gew.-% betragen.
Üblicherweise wird als Lösungsmittel Wasser verwendet. Ein Anteil von 20 bis 90 Gew.-% eines organischen Lösungsmittels wie Ethanol, Methanol, Aceton usw. fordert zwar besondere Vorsichtsmaßnahmen, verbessert aber die Abscheidung der Polyphosphate. In solchen wäßrig-organischen Lösungsmittelgemischen sind catena-Poly­ phosphate mit organischen quaternären Ammoniumionen wie Tetramethyl­ ammonium-Polyphosphat und Tetrabutylammonium-Polyphosphat noch sehr gut löslich. Alternativ dazu kann die Löslichkeit von Natrium-Polyphosphaten in solchen Lösungsmittelgemischen durch Zugabe von quarternären Ammoniumsalzen wie Tetramethylammoniumnitrat erhöht werden.
In diese Lösung wird der zu beschichtende Leuchtstoff 10 bis 30 min dispergiert.
Weiterhin wird eine Lösung eines wasserlöslichen Magnesium-, Calcium-, Strontium-, Barium,- Cadmium-, Mangan- und/oder Zinksalzes in Wasser in einer Konzentration von 1 bis 15 Gew.-% hergestellt.
Unter ständiger Kontrolle des pH-Wertes wird diese Lösung zu der Leuchtstoff­ suspension hinzugefügt. Der pH-Wert muß im neutralen bis basischen Bereich, bevorzugt bei einem p-H-Wert zwischen 9,5 und 11,5 bleiben, wozu nötigenfalls Natronlauge oder Ammoniak zudosiert wird. Diese Suspension wird noch 1-5 h weiter gerührt, um die kolloidale Beschichtung irreversibel zu altern.
Danach wird der beschichtete Leuchtstoff von der überschüssigen Beschichtungs­ lösung abgetrennt, mit einer Waschflüssigkeit, z. B. Alkohol/Wasser, gewaschen und bei 100-150°C getrocknet. Durch dieses Verfahren wird eine mechanisch und chemisch sehr beständige Beschichtung erhalten, die fest an dem Substrat haftet.
Die so hergestellte Beschichtung hat üblicherweise eine Schichtdicke von 5 bis 100 nm. Durch ESCA-Messungen läßt sich feststellen, daß die Beschichtung die Leuchtstoffsubstrate vollkommen abdeckt, obwohl es für die Erfindung nicht wesentlich ist, daß die Beschichtung die Substratpartikel absolut dicht umschließt.
Die Beschichtung ist hydrophil und ist gut kompatibel mit den üblichen Beschich­ tungen, so daß es als Grundschicht für weitere Beschichtungen geeignet ist, die anschließend noch aufgebracht werden können, um die Pulvereigenschaften oder die Farbwerte des Werkstoffes zu verbessern.
Die Beschichtung selber zeigt keine Degradation. Insgesamt wird die Lebensdauer des Werkstoffes durch die Beschichtung, wie sich durch ALT-Tests zeigen läßt, um den Faktor 5-10 gesteigert.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschichtung zusätzlich SiO2 enthält. Diese SiO2-Beschichtung kann im Gemisch mit der catena-Polyphosphatbeschichtung vorliegen oder sie kann getrennt als Deckschicht auf diese Beschichtung aufgebracht werden. Durch die Beschichtung mit SiO2 wird die Fließfähigkeit des Pulvers weiter erhöht.
Je nachdem, welches Verfahren zur Herstellung der lumineszierenden Schirme angewendet wird, werden die beschichteten Leuchtstoffzubereitungen entweder "trocken", d. h. als trockenes Pulver oder "naß", d. h. suspendiert in einem Photoresist, eingesetzt. Beim Einsatz in einem "Naßverfahren" braucht das Leuchtstoffpulver nach dem Beschichten nicht als trockenes Pulver isoliert zu werden, sondern wird gleich in Lösung weiterverarbeitet. Anstatt den Leuchtstoff von der überschüssigen Beschichtungslösung abzutrennen, mit einer Waschflüssigkeit zu waschen und anschließend zu trocknen, wird dem in der Beschichtungslösung suspendierten Leuchtstoff ein Photoresist zugesetzt, die Leuchtstoff/Resist-Sus­ pension als Film auf einem Substrat aufgebracht, getrocknet, durch eine Schattenmaske belichtet und die nicht belichteten Partien durch Waschen entfernt.
Ausführungsbeispiel
Für ein typisches Ausführungsbeispiel wird 100 g BaAl10O17 : Eu2+ (BAM) in 100 ml aq. dest. dispergiert. Die Dispersion wird 3 min mit Ultraschall behandelt und anschließend unter Ultraschall 10 min gerührt. Eine Lösung von 2.04 g Natrium­ polyphosphat in 100 ml aq. dest. wird zugefügt und die Suspension 2 min mit Ultraschall behandelt. Eine Lösung von 20 ml 1-molarer Ammoniaklösung und 3.54 g Ca(NO3)2.4 H2O in 90 ml aq. dest. werden tropfenweise der Phosphor­ suspension unter Ultraschall zugegeben und 2 min gerührt. Der pH-Wert der Lösung liegt bei etwa 9.7. Der so beschichtete Leuchtstoff wird durch Vakuum­ filtration von der Suspension abgetrennt und zweimal mit 1 l Wasser-Aceton-Ge­ misch (50 : 50) gewaschen und unter Vakuum filtriert, dann mit Aceton gewaschen und bei 100°C eine Stunde getrocknet. Anschließend wird der beschichtete Leucht­ stoff mit einer Heizrate von 2.5°C/min auf 320°C aufgeheizt und eine Stunde bei 320°C gehalten, dann abgekühlt.

Claims (8)

1. Lumineszierender Schirm mit einer Leuchtstoffzubereitung aus einem Aluminat-Leucht­ stoff mit einer Beschichtung, die ein oder mehrere catena-Polyphosphate von Metallen der Gruppe der Erdalkalimetalle, Zink, Cadmium und Mangan enthält.
2. Lumineszierender Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß catena-Polyphosphate eine Kettenlänge von 3 bis 90 haben.
3. Lumineszierender Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung catena-Polyphosphat eines Erdalkalimetalles und 0,1 bis 20 Gew.-% catena-Polyphosphat eines Metalles der Gruppe Zink, Cadmium und Mangan enthält.
4. Lumineszierender Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdalkalimetall wenigstens ein Metall aus der Gruppe Calcium, Strontium und Barium ist und die Beschichtung 5 Gew.-% Zink-catena-Polyphosphat und/oder 5 Gew.-% Mangan-catena-Polyphosphat enthält.
5. Lumineszierender Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffzubereitung eine Deckschicht aus einem Dispersionshilfsmittel aufweist.
6. Lumineszierender Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffzubereitung eine Deckschicht mit einem Pigment aufweist.
7. Lumineszierender Schirm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminat-Leuchtstoff aus Ba(Al,Mg)11O19 : Eu2+ besteht.
8. Leuchtstoffzubereitung aus einem Aluminat-Leuchtstoff mit einer Beschichtung, die ein oder mehrere catena-Polyphosphate von Metallen der Gruppe der Erd­ alkalimetalle, Zink, Cadmium und Mangan enthält.
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