DE19632414A1

DE19632414A1 - Schattenmaske für Farbbildröhren

Info

Publication number: DE19632414A1
Application number: DE19632414A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Heine; Bernhard Schonert; Peter Dr Neumann; Ulrich Dr Schuelke
Original assignee: Samsung Display Devices Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1996-08-05
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2016-08-06
Also published as: BR9711025A; CN1232573A; JP3140792B2; WO1998006124A1; US6320306B1; EP0917724A1; DE19632414C2; JP2000505236A; AR008828A1; MY119188A; AU4297497A; EP0917724B1; KR100336697B1; CN1146006C; KR20000029777A; TW312800B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schattenmaske für Farbbildröhren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einer Farbbildröhre mit Schattenmaske ist die Maske in unmittelbarer Nähe der inneren Fläche des Bildschirmes angeordnet. Bedingt durch die Herstellung der Lumineszenzsegmente auf der Innenfläche des Bildschirmes, ist es erforderlich, daß die Schattenmaskengeometrie beim Betrieb der Farbbildröhre mit der Anordnung dieser Lumineszenzsegmente übereinstimmt. Die maximale Treffgenauigkeit der Elektronenstrahlen auf die Lumineszenzsegmente wird erreicht, wenn bei Arbeitstemperatur die Lochgeometrie der Schattenmaske mit der Verteilung der Lumineszenzsegmente auf der Innenfläche des Bildschirmes in Überstimmung ist. Da jedoch nur ein kleiner Teil der ausgestrahlten Elektronen die Maske passiert und auf die Lumineszenzsegmente trifft und der überwiegende Teil der Elektronen direkt auf die Maske trifft, führt das zu einer Aufheizung der Maske bis zu 80°C. Als Folge ändert sich die Maskengeometrie und es kommt zu Aufwölbungen der Maske (Doming-Effekt).

Die Übereinstimmung der Lochgeometrie der Schattenmaske mit der Verteilung der Lumineszenzsegmente ist nicht mehr gegeben. Es kommt zu einer Fehllandung der Elektronen. Die Farbwiedergabequalität des Bildschirmes ist gestört.

Bei sehr kontrastreichen Bildern werden verschiedene Bereiche der Maske unterschiedlich stark aufgeheizt. Es kommt so zu einer partiellen Wölbung der Maske (lokales Doming), was bei Toleranzüberschreitung ebenfalls zu Bildfehlern führt.

Es sind eine Reihe von Versuchen unternommen worden, dieses nachteilige thermische Verhalten der Schattenmaske zu begrenzen oder zu verhindern. So sind verschiedentlich Maßnahmen vorgeschlagen worden, ein starkes Aufheizen der Maske einzuschränken.

Im US-Patent 3887828 ist vorgeschlagen worden, auf die metallische Lochmaske eine poröse Mangandioxidschicht und darüber eine dünne metallische Aluminiumschicht anzuordnen. Die Aluminiumschicht hat mit der Lochmaske nur an den Lochkanten Kontakt. Sie soll elektrisch leitende und elektronenabsorbierende Eigenschaften aufweisen. Auf dieser Aluminiumschicht ist eine weitere Schicht aus Graphit, Nickeloxid oder Nickeleisen aufgebracht.

Die Porösität der hier vorgeschlagenen Manganoxid-Schicht soll im wesentlichen durch die einzeln angeordneten Teilchen entstehen, die mit der dünnen Aluminiumschicht eine sandwichartige Struktur bildet. Die beim Auftreffen der Elektronen entstehende Wärme soll nun aufgrund dieses Schichtaufbaus von der metallischen Lochmaske ferngehalten werden und in die entgegengesetzte Richtung abgestrahlt werden.

Diese Lösung weist verschiedene Nachteile auf. So hat sich gezeigt, daß das Fernhalten entstehender Wärme von der Lochmaske nicht funktioniert, da der Hauptteil der Wärme nicht in der Aluminiumschicht und in darüberliegenden Graphitschicht, sondern in der Lochmaske entsteht. Die elektronenreflektierenden, elektronenabsorbierenden und wärmeemittierenden Eigenschaften der Aluminiumschicht sind zu gering. Die auf der Lochmaske angeordnete, wärmedämmende Sandwichstruktur bewirkt nun das Gegenteil. Die Wärme kann nur erschwert abgestrahlt werden.

In der DE 31 25 075 C2 wird eine elektronenreflek tierende Schicht beschrieben, die unmittelbar auf die Schattenmaske aufgetragen ist. Diese Schicht enthält Schwermetalle insbesondere in Form ihrer Karbide, Sulfide oder Oxide. Beim Auftreffen der Elektronenstrahlen können hierbei bis zu 30% der Elektronen reflektiert werden. Das bedeutet, daß eine geringere Erwärmung der Schattenmaske erfolgt. Allerdings erreicht immer noch der überwiegende Teil der Elektronenstrahlen die Schattenmaske und führt dort zu unerwünschten Wärmeentwicklungen und damit zu globalen und lokalen Domingerscheinungen der Schattenmaske.

In dem US-Patent Nr. 4,671,776 wird eine Beschichtung der Schattenmaske mit Boratglas vorgeschlagen. Das Glaspulver wird auf die Maske gespritzt und anschließend aufgeschmolzen. Die Glasschicht haftet äußerst fest auf dem Untergrund. Der Domingeffekt im Betriebszustand wird durch eine gewisse Wärmedämmung, zum größeren Teil jedoch durch Zugkräfte in der Maske gemindert, welche aus dem unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Schicht und des Metalls der Schattenmaske resultieren. Elektronenreflektierende Effekte sind bei dieser Beschichtung kaum zu beobachten, so daß immer noch ein großer Teil der Energie der auf treffenden Elektronenstrahlen auf die Maske übertragen wird und dort das nachteilige Verhalten des Domings erzeugt.

Hinzu kommt, daß eine Verspannung der Maske mittels einer stabilen Glasschicht den gestiegenen Forderungen an die Farbbildqualität im Multimedia-Zeitalter nicht gerecht wird.

Eine weitere Möglichkeit, die unerwünschten Domingerscheinungen stark einzuschränken, ist der Einsatz hochwertiger Metallegierungen wie Invar für die Schattenmaske, da diese Legierung besonders günstige Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Dieses Material ist kostenmäßig allerdings sehr anspruchsvoll.

Da jedoch der Kostenanteil der Schattenmaske an den Gesamtkosten einer Farbbildröhre bereits relativ hoch ist, würde die Verwendung von Spezial-Metallegierungen eine weitere Kostensteigerung nach sich ziehen.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, zu erreichen, daß weitgehend das durch die Wirkung der Elektronenstrahlen verursachte Doming der Schattenmaske vermieden wird, wobei Maskenmaterial aus preiswertem Stahl Verwendung finden soll.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die kathodenseitige Oberfläche einer Lochmaske mit einer Wärmedämmschicht versehen wird und auf dieser Schicht eine elektronen reflektierende und -absorbierende sowie eine wärme emittierende Deckschicht aufgebracht wird. Ein Teil der Elektronen wird dadurch reflektiert, während ein weiterer Teil der Elektronen in der Deckschicht absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, wobei aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung einer Wärmedämmschicht die Wärme nicht unmittelbar auf die Lochmaske einwirkt, sondern ins Röhreninnere emittiert wird. Ebenfalls vermindert werden dadurch örtliche Temperaturunterschiede, die partielle Wölbungen der Lochmaske hervorrufen können. Diese örtlichen Temperaturunterschiede treten insbesondere bei sehr kontrastreichen Bildern auf.

Die Wärmedämmschicht besteht aus temperaturbeständigen porösen Feststoffen, die in einem Bindemittel eingebet tet sind. Als poröse Feststoffe sind erfindungsgemäß oxidische, sulfidische, silikatische und/oder alumo phosphatische Stoffe oder Stoffgemische vorgesehen. Als oxidische poröse Stoffe eignen sich unter anderem Kie selsäure, Zirkoniumdioxid und Titandioxid. Zu den porö sen silikatischen Stoffen zählt insbesondere die große Gruppe der Zeolithe. Hier eignen sich insbesondere die Molekularsiebe wie zum Beispiel die natürlichen Mole kularsiebe Chabasit, Mordenit, Erionit, Faujasit und die Clinoptilolit und die synthetischen Zeolithe A, X, Y, L, ß beziehungsweise vom ZSM-Typ. Die Strukturen der Zeolithe sind sehr vielfältig, so daß an dieser Stelle nicht alle Typen genannt werden können. Es hat sich überraschend gezeigt, daß, auch bereits in dünner Schicht auf eine Schattenmaske aufgetragen, eine effek tive Wärmedämmung gegenüber der Maske erzielt werden kann. Die vorteilhaften Wirkungen entstehen auch bei der Verwendung von porösen phosphatischen Feststoffe wie die sogenannten Alumophosphate, Silicoalumophos phate und Metallalumophosphate, die synthetisch her stellbar sind und die in eng-, mittel- und weitporige Typen eingeteilt werden.

Weitere geeignete poröse Feststoffe sind intercalierte Tonmineralien, Schichtphosphate und Silikagel und eine Reihe weiterer an sich bekannter Alumosilicate.

Die mit der Wärmedämmschicht kombinierte elektronen reflektierende und -absorbierende sowie wärme emittierende Deckschicht enthält insbesondere Schwer metallverbindungen, wobei sich hier besonders vorteil haft Wismutoxid und Wismutsulfid sowie Bleioxid und Bleisulfid als auch Tantaloxid, Ceroxid und Bariumtitanat einsetzen lassen.

Als Bindemittel für die Deckschicht und für die Wärme dämmschicht sind insbesondere kristalline und glas artige Silikate, Phosphate und Borate vorgesehen, wobei sich Wasserglas und tiefschmelzendes Glas wie Lotglas sowie Metallphosphate bewährt haben. Die genannten Bin demittel zeichnen sich durch sehr gute Haftungseigen schaften sowohl auf der Oberfläche der Maske als auch zwischen den Schichten aus. Das führt zu einer außeror dentlich mechanisch stabilen Beschichtung, was zu einer zusätzlichen Formstabilisierung der Lochmaske führt.

Das Auftragen der Schichten erfolgt nach an sich bekannten Auftragsverfahren wie zum Beispiel durch Besprühen der Oberfläche der Maske und ist dadurch kostengünstig durchführbar.

Die Wärmedämmschicht weist eine Schichtdicke zwischen 10 und 50 µm, bei einer mittleren Teilchengröße zwischen 1 und 10 µm auf, während die Schwermetall chalkogenidschicht in der Regel mit einer Dicke von 1,5 bis 4,5 µm verwendet wird. Die Lochmaske kann unter der Wärmedämmschicht eine an sich bekannte Schwärzung zum Beispiel aus Fe₃O₄ aufweisen.

Die Vorteile der Erfindung liegen in einer beachtlichen Verbesserung des Doming-Verhaltens von Eisenmasken, wodurch in vielen Fällen auf den Einsatz von teurem Invar für die Masken verzichtet werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung und mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Farbbildröhre in Schnittdarstellung

Fig. 2 Schattenmaske in Draufsicht

Fig. 3 Schattenmaske im Schnitt

Fig. 4 Schnitt eines erfindungsgemäßen Schichtaufbaus.

Fig. 1 zeigt eine Farbbildröhre, die in ihren Haupt teilen aus einem Kolben 1 mit einem Schirm 2 und einen im Röhrenhals 5 angeordneten Strahlsystem 7 besteht. Der Schirm 2 weist auf einer Innenseite 3 eine strukturierte Lumineszenzschicht auf, die bekannterweise beim Auftreffen der Elektronenstrahlen ein Bild erzeugt. Ein Konus 4 des Kolbens 1 bildet das trichterförmige Übergangsstück zwischen dem Schirm 2 und dem Röhrenhals 5. Der Röhrenhals 5 wird durch einen Sockel 6 begrenzt. Das Strahlsystem 7 enthält mehrere Kathoden und weitere Elektroden für die Erzeugung und Steuerung der Elektronenstrahlen.

Eine Schattenmaske 8 ist an der Innenseite 3 des Schirms 2 mit Hilfe eines hier nicht dargestellten Maskenrahmens angeordnet.

Über einen Anodenkontakt 9 wird die Hochspannung (Betriebsspannung 25-30 kV) zugeführt.

Fig. 2 zeigt einen hier als Lochmaske 22 bezeichneten Teil der Schattenmaske 8 in Draufsicht. Die Dicke der Lochmaske 22 liegt üblicherweise im Bereich von 0,130-0,280 mm mit enger Toleranz. Die gewünschten Lochmuster werden chemisch geätzt.

Die für die Funktion der Röhre erforderliche Formgebung der Schattenmaske 8 erfolgt mittels Tiefziehen.

Zur Bewertung der Röhren unter Elektronenstrahlbeschuß während des Betriebes wird das Landungsverhalten der Elektronenstrahlen untersucht. Dazu werden die am stärksten beeinflußten Bereiche der Lochmaske 22, repräsentiert durch die vier Meßpunkte 25 sowie die Meßpunkte 24, 26 und 27, herangezogen. Die Strahllandungsdrift, verursacht durch die Aufheizung der Maske unter Elektronenstrahlbeschuß, ist ein Maß für die Röhrenqualität und letztlich ein Maß für den Erfolg jedweder Maßnahmen zur Vermeidung des Domings in Bildröhren.

Der Aufbau der Lochmaske 22 ist in Fig. 3 und 4 gezeigt. Die mit geätzten Löchern 33 versehene Lochmaske 22 ist mit einer Fe₃O₄-Schwärzeschicht 36 versehen. Kathodenseitig ist diese Schicht mit einer Wärmedämmschicht 32 überzogen.

Die Wärmedämmschicht 32 wird von einer Deckschicht 34 aus Schwermetallchalkogeniden abgedeckt. Bedingt durch die konstruktive Gestaltung der Schattenmaske 8 passiert nur ein Teil der Elektronen die Lochmaske 22 und erreicht die Leuchtstoffschicht. Der größere Teil 38 der Elektronenstrahlen trifft auf die Lochmaske 22. Bedingt durch die in der Deckschicht 34 vorhandenen Schwermetallatome wird ein kleinerer Teil 40 der Elektronenstrahlen reflektiert (ca. 30%), die übrigen verlieren ihre Energie in der Deckschicht, was zu einer Erwärmung der selben führt. Die Wärmedämmschicht 32 verhindert den Übergang der Wärme auf die stählerne Lochmaske 22. Die Wärme wird rücksichtig, d. h. in Richtung des Strahlsystems 7 abgestrahlt.

Hauptbestandteil der Deckschicht 34 ist ein Schwermetallchalkogenid mit einer Korngröße kleiner 1 µm. Die Chalkogenidkörner werden mit herkömmlichen Bindern auf der darunterliegenden Wärmedämmschicht 32 befestigt.

Die Wärmedämmschicht 32 besteht erfindungsgemäß aus porösen Feststoffen, wobei das poröse Material hier im wesentlichen aus synthetischem Zeolith M_2/nO _* Al₂O₃ _* xSiO₂ _* yH₂O, einem Alkali enthaltenden Aluminiumsilikat (M=Metallion) besteht. Zeolithe zum Beispiel des Strukturtyps A haben einen Modulwert x = 2, enthalten also 2 Teile SiO₂ zu 1 Teil Al₂O₃. Bei Zeolith 4A ist die Porengröße 0,4 nm und das Porenvolumen ca. 23%.

Das von der Firma Degussa unter dem Handelsnamen "WESSALITH P" vertriebene Zeolith wurde mit Erfolg eingesetzt. Die Korngröße des Zeolith-Pulvers lag zwischen 0,5 und 9 µm bei einer mittleren Teilchengröße D₅₀ von 3,5 µm. Durch einen Mahlprozeß wurde die Teilchengröße weiter reduziert.

Die porösen Feststoffe werden mit Wasserglas auf der Unterlage befestigt. Durch die Anwendung von Wasserglas als Binder kann eine gute Haftung von Wärmedämmschicht 32 und Deckschicht 34 erreicht werden, durch Zusätze wie Tenside und Wasser kann das erforderliche Benetzungsverhalten der Suspension vor dem Auftragen eingestellt werden.

Sowohl für den Auftrag der Wärmedämmschicht 32 als auch für den Auftrag der Deckschicht 34 erwies sich das Sprühverfahren als ein geeignetes Verfahren.

Die Messungen der Lebensdauer, der nach der Erfindung hergestellten Bildröhren, zeigten ein vergleichbares Verhalten gegenüber Bildröhren ohne A/D-Schichten. Ein Vergleich der Purity-drift von Röhren mit unbeschichte ter Eisen-Maske und von Röhren, deren Maske einer er findungsgemäßen Beschichtung unterworfen worden waren, ergaben eine erheblich reduzierte Purity-drift für be schichtete Masken. So wurde die Purity-drift auf 50% des Wertes nicht beschichteter Masken reduziert. Das ist auch erheblich besser als die Purity-drift nur mit Bi₂O₃ beschichteter Masken (30%).

Bei den Messungen wurden in den kritischen Bereichen der Röhre Flächen von 10 × 10 cm² mit einem Elektronen strahl bei 270 µA und 24 kV abgerastert, der übrige Schirm wurde nicht mit Elektrodenstrahlen angeregt.

Ausführungsbeispiel 1

Auf eine überwiegend aus Eisenmetall bestehende Loch maske, die beidseitig mit einer Fe₃O₄-Schwärzeschicht versehen ist, werden kathodenseitig in zwei auf einanderfolgenden Sprühprozessen eine Wärmedämmschicht und eine Deckschicht aufgebracht.

Die erste direkt auf der Maske befindliche 20 µm dicke Wärmedämmschicht wird durch Aufsprühen einer Dispersion bestehend aus 20 Teilen Zeolith 4A Na₁₂[[AIO₂)₁₂(SiO₂)₁₂] 12 H₂O (mittlere Teilchengröße 2 µm), 5 Teilen Natrium silicatlösung (5,8 molar, Na : Si = 0,61 : 0,1), 30 Teilen Wasser und 0,001 Teil eines Tensides hergestellt.

Die Deckschicht, die eine Dicke von 3 µm besitzt, wird nach dem Trocknen der Wärmedämmschicht im Heißluftstrom durch Aufsprühen einer Dispersion bestehend aus 20 Teilen Wismutoxid, Bi₂O₃, (mittlere Teilchengröße 0,9 µm), 10 Teilen Natriumsilicatlösung (5,8 molar, Na Si = 0,61 : 1.0), 75 Teilen Wasser und 0,001 Teil eines Tensides auf die Wärmedämmschicht erzeugt.

Nach dem Aufsprühen der Deckschicht wird nun die Maske bei Temperaturen von 300°C ausgeheizt.

Ausführungsbeispiel 2

Wie Ausführungsbeispiel 1, jedoch wird die Wärmedämmschicht durch Aufsprühen einer Dispersion aus 20 Teilen mesoporösem Zirconiumdioxid, ZrO₂ (mittlere Teilchengröße 2,5 µm), 4 Teilen Zirconiumtetrapropylat, Zr(OH₂Cr)₄, 4 Teilen Tetraethoxysilan, (C₂H₅O)₄Si, alkalisch vorhydrolysiert, 20 Teilen Propanol, C₃H₇OH, und 0,2 Teilen Wasser hergestellt.

Ausführungsbeispiel 3

Wie Ausführungsbeispiel 1, jedoch wird die Wärmedämmschicht durch Aufsprühen einer Dispersion aus 20 Teilen mikroporösem α-Zirconiumdihydrogenphosphat, α-Zr(HPO₄)₂, thermisch stabil mit Aluminiumoxid, Al₂O₃), und Chromoxid, Cr₂O₃₁ aufgeweitet (pillared), 2 Teilen 80%ige Phosphorsäure, H₃PO₄, und 40 Teilen Wasser hergestellt.

Bezugszeichenliste

1 Kolben
2 Schirm
3 Innenseite
4 Konus
5 Röhrenhals
6 Sockel
7 Strahlsystem
8 Schattenmaske
9 Anodenkontakt
22 Lochmaske
24 Meßpunkt
25 Meßpunkt
26 Meßpunkt
27 Meßpunkt
32 Wärmedämmschicht
34 Deckschicht
36 Fe₃O₄-Schwärzschicht
38 größerer Teil
40 kleinerer Teil

Claims

1. Schattenmaske für Farbbildröhren, bestehend aus einer überwiegend Eisenmetall enthaltenen Lochmaske, die in einem Rahmen gehaltert ist und die vor dem geformten Bildschirm angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die kathodenseitige Oberfläche der Lochmaske mindestens eine Wärmedämmschicht und mindestens eine schwermetallenthaltende Deckschicht aufweist, wobei die Wärmedämmschicht zwischen der Lochmaske und der Deckschicht angeordnet ist und aus temperaturbeständigen porösen Feststoffen besteht, und daß die Schichten ein Bindemittel enthalten.

2. Schattenmaske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Feststoffe oxidische und/oder silikatische und/oder phosphatische Feststoffe beziehungsweise Feststoffgemische sind.

3. Schattenmaske nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidischen Feststoffe poröse Metalloxide wie Titandioxid, Zirkoniumdioxid, Siliciumdioxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid sowie weitere Nebengruppenelementoxide sind.

4. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die silikatischen Feststoffe Zeolithe, Pillared Clays und/oder Silikagel sind.

5. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die phosphatischen Feststoffe Alumophosphate, Silicoalumophosphate und Metallalumophosphate und Metallphosphate wie Zirkoniumphosphat sind.

6. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht aus Schwermetallverbindungen und einem Bindemittel besteht.

7. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallverbindungen Schwermetallchalkogenide, -nitride und/oder -carbide sind.

8. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallchalkogenide der Deckschicht Oxide und/oder Sulfide sind.

9. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallverbindungen schwarze Verbindungen von Schwermetallen oder Schwermetallgemischen sind.

10. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß schwarze und nichtschwarze Schwermetallverbindungen kombiniert sind.

11. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Deckschicht geschwärzt ist.

12. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwermetallverbindungen Barium-, Blei-, Tantal-, Wismut-, Cer- oder Wolframverbindungen sind.

13. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittel silikatische und/oder phosphatische Materialien sind.

14. Schattenmaske nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittel kristalline- und/oder glasartige Metallsilikate, Metallphosphate, Metallborate und/oder Gläser sind.