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Ein VALVO Artikel : Technologie und Eigenschaften
der Leuchtstoffe von Farbbildschirmen

von Dr. rer. nat. Erich Scharrer, VALVO GmbH Sonderdruck aus „FUNKSCHAU" 41 (1969) - Der Verfasser ist Technischer Leiter der Valvo-Bildröhrenfabrik, Aachen.
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Das wohl interessanteste Teilgebiet bei der Herstellung einer Farbbildröhre ist der Bildschirm mit seinen Leuchtstoffen. Der nachfolgende Beitrag ist deshalb speziell auf die Leuchtstoffe, deren Herstellung, Verarbeitung und Eigenschaften ausgerichtet.

Er gibt, neben einer kleinen Einführung in die Farbphysiologie, Farbpsychologie und Farbmetrik, eine Zusammenfassung über den derzeitigen Stand der Technik (es ist 1969 und das Farbfernsehen ist bei uns 2 Jahre alt.) bei den modernen europäischen Farbbildröhren.

Einleitung

Wenn man das Gemälde Le Cirque von George Seurat im Louvre in Paris aus einer Entfernung von 6 ... 10 Metern betrachtet, so sieht man eine Zirkusszene in kühlem, künstlichem Licht mit vielen feinen Farbnuancen, eher fahl als kräftig leuchtend. Die vielen Farbschattierungen verbinden das Bild, obwohl unvollendet, zu einem harmonischen Ganzen.

Beim Nähertreten wird jedoch jemand, dem Seurats Werk nicht vertraut ist, erstaunt feststellen, daß es die aus der Ferne wahrgenommenen Farbnuancen als solche gar nicht gibt. Vielmehr besteht das Bild aus vielen windigen Farbtupfern, eine Technik, die als Pointilismus oder Divisionismus bekannt wurde. Die Mischung und Verschmelzung der Farben findet in Wirklichkeit im Auge des Betrachters statt.

Die pointilistische Struktur

Bild 1. Augenempfindlichkeitskurve. Die Kurve zeigt die Empfindlichkeit des menschlichen Auges bei Hell- (rot) und Dunkeladaptation (schwarz). - Nadv R. L. Gregory; Auge und Gehirn - 1966, München

Auch der Bildschirm einer Farbbildröhre hat eine pointilistische Struktur, jedoch sind die Leuchtstoffpunkte viel kleiner als die Farbtupfer eines in dieser Manier gemalten Bildes. Sie bestehen außerdem nur aus drei Farben und sind in regelmäßiger Anordnung über den ganzen Bildschirm verteilt. Man kann die Struktur leicht mit einer Lupe wahrnehmen. Doch wie beim Bild von Seurat, findet auch beim Farbfernsehbild die Mischung und Verschmelzung der durch den Elektronenstrahl mit den Leuchtstoffpunkten erzeugten Farben im Auge des Betrachters statt.

Unser Auge

Trägt man in einem Diagramm die Empfindlichkeit des Auges gegen die Wellenlänge oder Frequenz des sichtbaren Lichtes auf, dann erhält man die Augenempfindlichkeitskurve (Bild 1).

Der sichtbare Bereich liegt zwischen den Wellenlängen lambda = 380nm und lambda = 780 nm. Die spektrale Empfindlichkeitsverteilung zeigt, daß das menschliche Auge im Bereich des Zäpfchensehens (bei Helladaptation) für ein gelbliches Grün besonders empfindlich ist [lambda = 550 nm).

Etwas "Farbmetrik"

Bild 2. Additive Farblichtmischung. Die Farbschichten der Primärfarben und die Mischfarben wurden mit Farbfernseh- Leuchtstoffen hergestellt. Anregung der Leuchtstoffe durch UV-Licht.

Das heutige Farbfernsehen basiert auf der Young-Helmholtzschen Dreifarbentheorie mit den Grund- und Primärfarben Rot (lambda r = 610nm), Grün (lambda g = 535nm) und Blau (lambda b = 470nm).

Aus diesen Grundfarben entstehen bei der Überschneidung durch additive Farblichtmischungen die Farben Gelb (aus Rot und Grün), Blaugrün (aus Grün und Blau) Purpur (aus Blau und Rot) und beim Zusammentreffen aller drei Farben Weiß (Bild 2).

Gesetze der Farbmischung

Die Mischgesetze der additiven Farbmischung lassen sich mit Hilfe der genormten IBK-Farbarttafel einfach überblicken. In dieser Darstellung [Bild 3, Farbtafel) ist das sichtbare Spektrum hufeisenförmig gebogen und wird zwischen Blau und Rot durch die sog. Purpurlinie geschlossen.

Die Spektralfarben werden durch die Farbwertanteile x und y charakterisiert. Den Purpurfarben lassen sich keine farbtongleichen Wellenlängen zuordnen. Sie entstehen durch additive Mischung von Blau und Rot.

Nach der Mitte des Dreiecks hin werden die Farben "entsättigt" und ergeben bei vollkommener "Entsättigung" die Farbe Weiß (Weißpunkt).

Der Farbort einer aus zwei Grundfarben gemischten Farbe liegt auf der Verbindungslinie der beiden Grundfarben. Die Lage des Farborts wird durch das Leuchtdichteverhältnis der beiden Grundfarben bestimmt. Mit den Grundfarben erhält man eine befriedigende Farbvariation, mit der alle in der Natur vorkommenden Farben wiedergegeben werden können.

Schwarz erhält man, wenn die Leuchtdichte der drei Farben Null ist.

Die IBK-Normfarbtafel

Die nebenstehende Darstellung, das Farbdreieck, ist zusammengefaßt aus praktisch gemessenen Farbmischkurven und Normspektralwertkurven. Sie wurde als Norm von der Internationalen Beleuchtungskommission (IBK) festgelegt.
Die Reproduktion einer solchen Farbtafel ist leider stets bis zu einem gewissen Grade mangelhaft, weil sich die Reinheit von Spektralfarben weder durch Drucken noch durch Malen exakt wiedergeben läßt.
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Bild 3 (war ursprünglich ganz groß auf einer eigenen Seite)

Bild 3.

In das Farbdreieck sind eingezeichnet: der Bereich der natürlichen Farben, der Farbstoffe, Pigmente, Druckfarben (gestrichelte Linie) und der Farbbereich der verbesserten Leuchtstoffe (ausgezogene Linie) im Vergleich zu den alten Leuchtstoffen (strichpunktierte Linie). (Vgl. hierzu auch die Funktechnischen Arbeitsblätter Fs 12, Blatt 3 und 4)
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Allgemeines über die Leuchtstoffe

Alle Stoffe, die Energie in irgendeiner Form absorbieren und diese Energie entweder ganz oder teilweise als Lichtstrahlung wieder abgeben können, faßt man unter dem Begriff der Leuchtstoffe oder Luminophore zusammen.

Man nennt diese Erscheinung allgemein Lumineszenz und unterscheidet speziell zwischen der Fluoreszenz, dem Sofortleuchten, bei der die Leuchterscheinung unmittelbar dem Erregungsvorgang folgt, und der Phosphoreszenz, dem Nachleuchten, bei der das Leuchten Bruchteile von Sekunden bis Tage nach der Erregung erfolgt (Zeitdifferenz etwa > 10 hoch -5s).

Die lumineszierenden Festkörper (Phosphore) bestehen aus dem Kristallgitter der Grundsubstanz (Grundstoffgitter) und eingelagerten Fremdatomen (Aktivatoren oder Leuchtzentren), die entweder normale Gitterbausteine ersetzen (Substitionsphosphore) oder die auf Zwischengitterplätzen sitzen (Addi-tionsphosphore).

Neben den die Fluoreszenz und Phosphoreszenz erzeugenden Aktivatopen gibt es auch sogenannte Killer, das sind negative Aktivatoren, die die Fluoreszenz und Phosphoreszenz schwächen oder ganz tilgen. Zur Erklärung des Mechanismus der Lumineszenz gibt es zwei Modellvorstellungen:

Lumineszenz-Modell a

Bei den Oxidleuchtstoffen spielt sich der ganze Leuchtvorgang im Aktivatoratom ab, wobei das Optimum der Lichtausbeute bei einer Aktivatorkonzentration von rund 0,01g/100 g liegt. Die Wellenlänge des emittierten Lichtes wird hierbei nur wenig vom Grundstoffgitter beeinflußt. Sie hängt hauptsächlich von der Elektronenstruktur der Aktivatoratome ab.

Lumineszenz-Modell b

Bei den Sulfidleuchtstoffen (Zink-, Cadmium- und Zinkcadmiumsulfide sowie Zink-, Cadmium- und Zinkcadmiumselenide) wird nach dem Bändermodell von Riehl und Schön durch Energieabsorption ein ortsfest gebundenes Valenzelektron aus dem Valenzband in ein höher gelegenes Energieniveau gehoben, in dem es frei beweglich ist (Leitfähigkeitsband).

Bei der Fluoreszenz erfolgt unter Lichtemission sofortiges Zurückfallen des Elektrons in das Valenzband. Bei der Phosphoreszenz findet nach Anhebung des Elektrons in das Leitfähigkeitsband zunächst ein Halbleitertransport zwischen Aktivatorterm *1) und Valenzband statt und dann, unter Lichtemission, ein Zurückfallen auf das niedrigere Energieniveau des Aktivatorterms. Die elektrische Leitfähigkeit nimmt während der Energieabsorption zu. Das Optimum der Lichtausbeute liegt für Sulfidphosphore bei einer Aktivatorkonzentration zwischen 0,0001 und 0,000001g/100g. Das Grundstoffgitter bestimmt den Energieunterschied zwischen Leitfähigkeits- und Valenzband (Bandabstand) und hat daher einen Einfluß auf die Wellenlänge des emittierten Lichtes.

*1) Der Aktivatorterm gibt den Energiezustand der Elektronen des Aktivatoratomes an, relativ zum Energieniveau der Elektronen der Atome des Grundgitters. Das Energieniveau der Elektronen des Aktivatorterms liegt höher als das Energieniveau der Grundgitteratome.
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Die Fotolumineszenz

Erfolgt der Erregungsvorgang eines Leuchtstoffes durch eingestrahltes Licht, so spricht man auch von Fotolumineszenz. Hierbei gilt das Gesetz von Stokes, nach dem das ausgestrahlte Licht stets längerwellig als die absorbierte Strahlung ist.

Energieträger können u. a. außerdem sein: Elektronenstrahlen (Katodolumineszenz), elektrische Felder (Elektrolumineszenz) oder radioaktive Strahlen (Radiolumineszenz). Für Fernsehbildschirme sind insbesondere diejenigen anorganischen Leuchtstoffe von Bedeutung, die bei Anregung durch Elektronenstrahlen leuchten. Auf diese Weise können die unsichtbaren Elektronenstrahlen für das menschliche Auge sichtbar gemacht werden, und man kann einen elektrostatisch oder elektromagnetisch bewegten Elektronenstrahl über einen aus Leuchtstoffteilchen zusammengestellten Leuditschirm verfolgen.

Leuchtstoffe für Farbbildröhren

Die bekanntesten Kristallphosphore sind die Sulfidphosphore und darunter besonders das Zinksulfid und die Mischkristalle von Zinksulfid und Cadmiumsulfid. Diese Substanzen eignen sich sehr gut für die Herstellung sowohl von Schwarz weiß- als auch von Farbbildschirmen. Hierfür gibt es folgende Gründe:
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  • a) Niedriger Dampfdruck und gute Entgasbarkeit. Diese Eigenschaften sind für die Herstellung und den Betrieb der Elektronenstrahlröhre im Hochvakuum sowie deren Lebensdauer außerordentlich wichtig.
  • b) Chemische und mechanische Stabilität. Das ist notwendig, weil bei der Herstellung der Leuchtschirme verschiedene chemische und physikalische Prozesse ablaufen.
  • c) Hohe Energieausbeute der Lumineszenz bei Anregung mit Elektronenstrahlen. Diese liegt bei den Sulfidphosphoren erheblich über der anderer Leuchtstoffe.
  • d) Variationsmöglichkeiten der Emissionsfarbe des emittierten Lichtes in weiten Grenzen durch Veränderung des Cadmiumgehaltes im Zinkcadmiumsulfid. Diese Variation ist möglich, weil Zinksulfid und Cadmiumsulfid unbegrenzt Mischkristalle bilden. Je höher der Gehalt an Cadmiumsulfid in diesen Mischkristallen ist, um so langwelliger ist das ausgestrahlte Lumineszenzlicht. Silberaktiviertes Zinksulfid zeigt eine blaue Lumineszenz, ein Zinkcadmium-Mischkristall der Zusammensetzung Zno,65Cdo,35 S/Ag eine grüne, Zno,55Cdo,4sS/Ag eine gelbe und Zno,2Cdo,sS/Ag eine rote Lumineszenz.
  • e) Optimales Nachleuchtverhalten. Unter Nachleuchtdauer oder Abklingzeit versteht man diejenige Zeit, in der die Leuchtintensität auf weniger als 1% abgeklungen ist. Die Abklingkurve der Zn- und Cd- Sulfidleuchtstoffe zeigt einen hyperbolischen Abfall der Lumineszenz. Die Nachleuchtdauer läßt sich durch negative Aktivatoren verkürzen. Bei den für Farbbildröhren verwendeten Leuchtstoffen ist sie < 10-4s.

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Die Herstellung der Sulfid-Leuchtstoffe

Die Herstellung der Zn- und ZnCd-Sulfidleuchtstoffe erfolgt in zwei verschiedenen Prozessen:

a) die Herstellung der Grundsubstanz (Zinksulfid, Cadmiumsulfid oder Mischkristalle) und
b) das Aktivieren.

Die Grundsubstanz wird hergestellt durch Einleiten von Schwefelwasserstoff in wäßrige Lösungen von Zink- bzw Cadmiumverbindungen. Hierbei wird ZnS oder CdS "ausgefällt". Selbstverständlich müssen hierfür sehr reine Rohmaterialien verwendet werden. Nach dem "Ausfällen" wird filtriert und der Rückstand gewaschen und getrocknet.

Zur Aktivierung wird das so gewonnene Zinksulfid oder das in gewünschtem Verhältnis hergestellte ZnS/CdS-Gemisch mit einem Aktivatorgemisch (Aktivator und Schmelzmittel) vermengt und in Korundtiegeln zwischen 900°C und 1000°C geglüht. Nach dem Abkühlen wird das Gemisch zur Entfernung der Schmelzmittel gewaschen und nach dem Filtrieren getrocknet.

Der Aktivatorgehalt (Silber) variiert je nach Art des Leuchtstoffes zwischen 10-2 und 10-5g Ag/100 g Leuchtstoff.

Die Leuchtstoffe der Farbbildröhren

Für Farbbildröhren wird Zinksulfid (ZnS/Ag) als blauer Leuchtstoff verwendet und Zinkcadmiumsulfid ([Zno,65 Cdo,035] S/Ag) als grüner Leuchtstoff. Für Rot verwendete man früher ebenfalls ein Zinkcadmiumsulfid mit der Zusammensetzung (Zn0,2Cd0,8) S/Ag. Es hatte jedoch eine relativ geringe Lichtausbeute und eine sehr intensiv braune Eigenfarbe, die die Schirmfarbe stark verfälschte. Deshalb hat man lange Zeit nach anderen geeigneten Leuchtstoffen für Rot gesucht.

In den Seltenen-Erden-Leuchtstoffen hat man zwar teure, jedoch hervorragend geeignete Substanzen mit relativ schmalen Emissionsbändern gefunden. Natürlich waren auch für die neuen Rotleuchtstoffe niedriger Dampfdruck, gute Entgasbarkeit, chemische und mechanische Stabilität, hohe Lichtausbeute und geeignete Nachleuchtdauer eine Voraussetzung für die Verwendbarkeit für Bildschirme.

Es wird kompliziert - Yttrium-Oxisulfid

In der ersten Zeit verwendete man Yttriumvanadat (YVO4), mit Europium aktiviert, ging jedoch innerhalb relativ kurzer Zeit auf Yttrium-Oxisulfid (Y2O2S), ebenfalls mit Europium aktiviert, über. YVO4/EU und Y2O2S/EU haben beide eine weiße Eigenfarbe, jedoch gibt Y2O2S/E11 unter vergleichbaren Bedingungen eine noch höhere Leuchtdichte als YVO4/EU.

Kostbar und selten in den Seltenen Erden

Der Yttriumoxisulfid-Leuchtstoff ist sehr kostbar, da das als Aktivator verwendete Europium nur in geringer Konzentration, mit anderen Seltenen Erden in verschiedenen Mineralien verteilt, vorkommt.

In Monazitsand, einem für die Gewinnung von Europium sehr wichtigen Rohstoff, sind z. B. nur 0,002g/100g enthalten. Dabei ist Europium gar nicht so selten: die Erdkruste enthält mehr Europium (0,9 • 10-5g/100g) als z. B. Gold (5 • 10-7g/100g), Cadmium (3 • 10-5g/100g) und Quecksilber (5 • 10-5g/100g). Gold ist viel seltener als das wesentlich teurere Europium.

Außer in Monazitsand findet sich Europium in Spuren noch in vielen anderen Materialien. So z. B. auch im Euxenit, einem Mineral, das zur Urangewinnung verwendet wird und bei der das Europium als „Nebenprodukt" abfällt.

Yttrium findet sich in verschiedenen Mineralien, z. B. Yttrofluorit (CaY)F2, Xenotium (YPO4), Gadolinit (Y2FeBe2 [0/Si04]2) und Thalenit (Y2[Si207l).

Wegen des hohen Preises für Y2O2S/EU-Leuchtstoff werden bei der Fertigung des Bildschirms alle Abfälle sorgfältig gesammelt und wieder aufbereitet.

Die Herstellung

Die Herstellung des Y202$/Eu-Leuchtstoffs unterscheidet sich nicht prinzipiell von der der Sulfidleuchtstoffe. Auch hier wird zuerst die Grundsubstanz hergestellt und danach der Aktivierungsprozeß durchgeführt.

Der höheren Lichtausbeute des Yttriumoxisulfids wurden auch die beiden anderen Leuchtstoffe angepaßt, wobei beim grünen ZnCdS der Farbpunkt durch geringfügige Variation des Zn/Cd-Verhältnisses (Erhöhung von Cd) in den grüngelben Bereich verschoben wurde. Beim blauen ZnS-Leuchtstoff wurde ein früher zugegebener inaktiver Anteil fortgelassen.

Einige wichtige Daten von Leuchtstoffen für Farbbildröhren sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Die in der Tabelle angegebenen Werte wurden an den Leuchtstoffen direkt gemessen, mit Ausnahme der Farbkoordinaten, die an Bildröhren bestimmt wurden. Die hellgelbe Eigenfarbe des grünen Leuchtstoffs stört die Qualität der Farbwiedergabe in der Bildröhre nicht.

Tabelle 1. Wichtige Daten von Leuchtstoffen der Farbbildröhre

Farbe__ Chemische Aktivator- mittlere Eigenfarbe Wellenlänge Farbko-   Licht-
  Zusammen- gehalt Korn- - der Energie- ordinaten   aus-
  setzung   größe   maxima     beute
                 
    g/100g um   nm X Y lm/W
Blau ZnS Ag < 10-2 8 weiß 450 0,150 0,060 11
Grün a) (Zn0,65Cd0,35)S Ag < 10-4 8 hellgelb 520 0,310 0,600 75
Grün b) (Zn0.6cd0^)8 Ag < 10-4 9 hellgelb 540 0,304 0,590 87
Rot a) (Zn0,2Cd0,8)S Ag < 10-4 8 gelbbraun 650 0,660 0,340 13
Rot b) YV04 Eu=3,5 9 weiß 615 und 619 0,650 0,325 15
Rot c) Y2Q2S Eu=3,5 9 weiß 617 und 627 0,635 0,335 21

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Wichtig ist das Mischungsverhältnis der Leuchtstoffe

Bild 4.a) Verbesserte Leuditstoffe für Farbbildröhren: mit UV-Lidit angeregt,
Bild 4.b) kalter, nicht angeregter Zustand
Bild 5.a) Mikrofotografien des Leuditsdiirms einer Farbbildröhre (Elektronenstrahlanregung); a) Grünraster,
Bild 5.b) Grün- und Blauraster,
Bild 5.c) Grün-, Blau- und Rotraster

In Bild 4a und b sind die heute verwendeten Leuchtstoffe, auf Glasplatten präpariert, im nicht angeregten Zustand und mit UV-Licht angeregt gegenübergestellt. Die beim Überschneiden der Farbkreise entstehenden Mischfarben (vgl. Bild 2) wurden im richtigen Mischungsverhältnis aus den Leuchtstoffen präpariert.

Die Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Leuchtstoffe ist auch heute noch nicht abgeschlossen. So sind neben den genannten roten Seltenen-Erden-Leuchtstoffen noch weitere geeignete Rotleuchtstoffe bekannt geworden, wie das Y2O3/EU, das ebenfalls teilweise für Farbbildröhren verwendet wird, und das Gadoliniumoxid Gd203/Eu. Aus dieser Kategorie von Leuchtstoffen sind möglicherweise auch noch für die anderen Lumineszenzfarben (Grün und Blau) Fortschritte zu erwarten. Ob diese jedoch dann tatsächlich in Bildröhren verwendet werden können, ist nicht zuletzt eine Frage des Preises.

Die Herstellung von Farbleuchtschirmen

Die Herstellung von Farbbildröhren und der Beschirmungsprozeß wurden bereits eingehend beschrieben (1), weshalb hier auf die Einzelheiten des Prozesses verzichtet werden kann, die nicht direkt mit dem Leuchtstoffpulver zusammenhängen.

Der Farbbildschirm besteht aus einer Vielzahl von regelmäßig angeordneten Leuchtstoffpunkten. Die Farben Rot, Grün und Blau bilden dabei ein gleichseitiges Dreieck (Tripel).

Bild 5a bis 5c zeigt die Punktstruktur des Leuchtschirmes einer im Meßtisch betriebenen Farbbildröhre in drei verschiedenen Variationen:

  1. mit angeregtem Grünraster,
  2. mit angeregtem Grün- und Blauraster und
  3. mit angeregtem Grün-, Blau- und Rotraster.


Diese drei Mikrofotografien sollen gleichzeitig auf die Reihenfolge der Aufbringung des Punktmusters bei der Schirmherstellung hinweisen. Trotz der Vergrößerung kann man auf der Fotografie die kristalline Struktur des Leuchtstoffs nur schwer erkennen. Das ist durchaus verständlich, wenn man bedenkt, daß der mittlere Körngrößendurchmesser der verschiedenen Leuchtstoffpulver weniger als 10um beträgt (vgl. Tabelle 1).

Qualität bedeutet Lichtausbeute, Reinheit und Gleichmäßigkeit

Die Qualität eines guten Farbleuchtschirmes ist gekennzeichnet durch hohe Lichtausbeute, Reinheit und Gleichmäßigkeit der Einzelfarben sowie der daraus sich ergebenden Mischfarben. Zur Herstellung eines solchen Schirmes mit gleichmäßigen und dichten Leuchtstoffpunkten benötigt man ein sehr feines, und auch in seiner Korngröße weitgehend einheitliches Leuchtstoffpulver.

Darüber hinaus ist es notwendig, die Leuchtstoffpunkte gut gegeneinander abzugrenzen und die günstigste Punkt- oder Schichtdicke zu wählen. Eine gute Abgrenzung erhält man durch richtige Wahl der Punktgröße (455 ±20um). Sind die Punkte zu groß, können durch Überlappung Farbunreinheiten auftreten; sind sie zu klein, wird die Lichtausbeute des Schirmes verringert.

Abgesehen davon, können dadurch Fehler in der Landung des Elektronenstrahles im Punktmuster entstehen, die hier jedoch nicht erörtert werden sollen, weil dabei die Ausdehnung der Lochmaske, die Elektronenoptik und die Ablenkfelder eine noch wichtigere Rolle spielen.

Punktdicke und Lichtausbeute

Die Punktdicke hat einen wesentlichen Einfluß auf die Lichtausbeute. Bei zu dünnem Punkt prallen viele Elektronen ohne Lichteffekt auf die Glaswand auf. Bei zu dickem Punkt, wenn die Schicht größer ist als die Eindringtiefe der Elektronen, tritt eine unnötige Lichtabsorption und Lichtstreuung auf.

Da die Eindringtiefe der Elektronen von deren Geschwindigkeit abhängt, ist leicht einzusehen, daß bei dickerer Schicht, um gleiche Lichtausbeute zu erzielen, eine höhere Anodenspannung notwendig ist als bei dünner Schicht. Natürlich spielt auch die Dicke des Binderfilms für die Eindringtiefe der Elektronen eine gewisse Rolle. Sie ist bei Farbbildröhren jedoch zu vernachlässigen, da das Verhältnis des Binderfilmes zum Durchmesser des Leuchtstottkristalls wesentlich geringer ist als bei Schwarzweiß-Bildröhren und bei diesen der Einfluß auf die Leuchtdichte bei maximaler Binderfilmdicke nur etwa 3 ... 5% beträgt.

Die Beherrschung der technologischen Prozesse bei der Leuchtschirmherstellung ist für die Qualität des Leuchtschirms von gleicher Bedeutung wie die Beherrschung der Herstellungsmethoden des Leuchtstoffes selbst.

Die Massenherstellung von Farbbildröhren

Für die Massenherstellung von Farbbildröhren werden heute im wesentlichen zwei Methoden angewandt.

Bild 6. Blick in den Beschirmungsraum der Valvo-Bildröhrenfabrik, Aachen

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Die Aufgußmethode (Flow coat-Verfahren)

Hierbei wird der gewaschene Schirm auf eine drehbare Position gesetzt, mit einer Binderfilmlösung (PVA) vorbenetzt und getrocknet. Dann wird die grüne Leuchtstoffsuspension eingefüllt. Sie besteht aus dem grünen Zinkcadmiumsulfid-Leuchtstoff und dem lichtempfindlichen System (einem Gemisch von Ammoniumdichromat und einer Polyvinyl-Alkohollösung) und muß frei von Luftblasen und groben Teilchen sein, gleichmäßig fließen (konstante Viskosität) und darf sich nicht entmischen (Sedimentation). Sie muß also sehr homogen sein. Um diese Eigenschaften zu gewährleisten, sind Mahl-, Evakuier- und Filtrationsprozesse sowie regelmäßige Kontrollen eingeschaltet. Selbstverständliche Voraussetzung ist natürlich sorgfältiges und sauberes Arbeiten.

Der Beschichtungsprozeß

Das Dosieren der Leuchtstoffsuspension in den Glasschirmen geschieht automatisch aus einer geeigneten Umpumpvorrichtung, um eine Sedimentation des Leuchtstoffes zu vermeiden. Während des Einfüllens dreht sich der Glasschirm um seine Achse mit niedriger Geschwindigkeit zur besseren Verteilung der Suspension. Die überschüssige Suspension wird bei langsamer Steigerung der Umdrehungsgeschwindigkeit in vier Auffangbehältern an den Schirmecken aufgefangen. Hierbei ändert sich kontinuierlich die Neigung des bearbeiteten Schirms gegen die Maschinenachse. Bei senkrecht stehendem Schirm wird die Leuchtstoffschicht mit Infrarotheizstrahlern getrocknet.

Die Belichtung

Nach diesem Beschichtungsprozeß folgt die Belichtung durch die Lochmaske und das Entwickeln der Punktstruktur. Dann wird als zweite Farbe Blau und als dritte Farbe Rot aufgebracht. Wegen der Lichtempfindlichkeit der Schichten muß in einem Raum mit monochromatischem Licht (Bild 6] und wegen der komplizierten chemischen Reaktion beim Belichten bei konstanter Raumfeuchte und Raumtemperatur gearbeitet werden. Selbstverständlich muß bei den oben genannten Prozessen die Raumatmosphäre staubfrei sein.

Die Aufstäubungsmethode

Diese Methode zur Schirmherstellung eignet sich für Leuchtstoffpulver mit größeren Korndurchmessern. Grundsätzlich wird dabei der mit Leuchtstoff zu bedeckende Glasschirm zuerst mit einer Schicht aus einem Bindemittel befeuchtet und danach das mit der fotoempfindlichen Substanz gemischte trockene Pulver vermittels Druckluft aufgestäubt [2].

Man kann als Binder auch das lichtempfindliche System (PVA, Ammoniumdichromat) direkt verwenden. Auch hierbei bildet sich an der Glasoberfläche mit dem aufgestäubten Leuchtstoffpulver eine Suspension, die jedoch rasch trocknet. Der Aufstäubungsprozeß kann auch als Sedimentation eines Feststoff-Aerosols verstanden werden, bei dem der Leuchtstoff sofort über das ganze Glas verteilt wird. Aus diesem Grunde ist dieser Prozeß mit allen Nachteilen eines Sedimentationsvorganges verbunden, die sich besonders in der Gleichmäßigkeit der Verteilung bemerkbar machen.

Hinzu kommen aerodynamische Probleme. Nach der Trocknung erfolgen die nachfolgenden Prozesse (Belichten und Entwickeln) in analoger Weise wie beim Aufgießverfahren.

Abwägen von Vor- und Nachteilen

Ob die eine oder andere Beschirmungstechnologie Vorteile beim Betrieb der Bildröhre hat, läßt sich wohl kaum objektiv nachweisen. Wichtig in beiden Fällen ist sicher die Sorgfalt und Sauberkeit bei der Beschirmung sowie die Verwendung von reproduzierbaren, definierten und reinen Grundmaterialien.

Die heute auf dem Markt befindlichen Farbbildröhren zeigen trotz teilweise unterschiedlicher Beschirmungstechnologie weder Unterschiede in der Lichtausbeute noch in der Farbwiedergabequalität. Nicht das Verfahren selbst, sondern dessen Beherrschung ist eine Gewähr für eine gute Bildschirmqualität. Neben den beschriebenen beiden Verfahren gibt es noch verschiedene andere Methoden zur Herstellung von Bildschirmen, wie z. B. die Aufspritzmethode, das Sedimentationsverfahren aus einer Dispersion (Herstellung von Schwarzweiß-Bildschirmen), die Aufdampfmethode und die elektrostatische Niederschlagsmethode. Alle diese Methoden haben, vielleicht mit Ausnahme der letzten, für die Farbbildschirmtechnologie keine Bedeutung.

Die Eigenschaften des Leuchtschirms

Die Eigenschaften des Leuchtschirms sind komplex zusammengesetzt aus den Eigenschaften der Leuchtstoffschicht, dem aufgedampften dünnen Al-Film (Anmerkung : es ist nicht erklärt, was der Al- Film ist) - (er soll für die Elektronenstrahlen durchlässig und für das Lumineszenzlicht undurchlässig sein), der Struktur und Transparenz der Lochmaske sowie der Transparenz des Glasschirmes (bei den modernen Bildröhren zur Erhöhung des Kontrastes neutral grau eingefärbt). Aus diesem Grunde wird für alle zusätzlichen Parameter von konstanten Bedingungen ausgegangen: Lichtdurchlässigkeit des Glasschirmes 52 ... 54%, Reflexionsgrad der Glasoberfläche ca. 35%, Transparenz der Lochmaske 15 ... 17% und Dicke des Al-Filmes 220 ... 250nm.

Spektrale Energieverteilung der angeregten Leuchtpunkte

Bild 7. Spektrale Energieverteilung des Weißrasters einer Farbbildröhre und die Lichtdurchlässigkeit des Glasschirms

Den relativen Verlauf der spektralen Energieverteilung des Weißrasters einer Farbbildröhre zeigt Bild 7. Die Amplitude der über sämtliche drei Farben gemittelten Kurve liegt deutlich höher als der Mittelwert einer entsprechenden Kurve früher verwendeter Leuchtstoffe. (Wegen der besseren Übersicht wurde die Kurve mit den alten Leuchtstoffen nicht in die Darstellung miteingezeichnet.)

Die aus dieser Kurve errechneten Farbpunkte zeigen deutliche Verschiebungen zu den häufig vorkommenden Gelb- und Orangetönen, die besonders die Abbildung von Haut- und Gesichtspartien natürlicher erscheinen läßt. Zum Vergleich sind in Bild 7 die Augenempfindlichkeitskurve (helladaptiertes Auge) und die Lichtdurchlässigkeit des Schirmglases eingezeichnet.

Die spektrale Energieverteilung und die Lichtdurchlässigkeit des Glases wurden mit einem Spektralradiometer (Doppelgitter-Monochromator) gemessen. Die Augenempfindlichkeitskurve wurde der Literatur entnommen. Für die Anodenspannung der Bildröhre (25kV) während der Messung wurde ein normales Fernsehchassis verwendet.

Die Schwankungen des Strahlstromes waren kleiner als ±1,5uA und hatten somit keinen Einfluß auf die Messung. Die Messungen wurden mit einem Analogrechner ausgewertet.

Bei der Messung der Lichtdurchlässigkeit des Glases wurde als Lichtquelle eine Halogenlampe verwendet. Die Bandbreite des monochromatischen Lichtes betrug 10nm. Da die Ankopplung des Glases an das Meßgerät durch Luft erfolgte, traten Verluste durch Beugung und Reflexion an den Grenzflächen beider Medien beim Ein- und Austritt des Strahles von jeweils 5% auf. Die grafische Darstellung enthält die reinen Meßwerte.

Der Spektralkurvenzug gibt nur die absolute Lage der Maxima wieder. Die Aussage über die Größe der Amplitude ist nur relativ. Auch die Amplitude der eingezeichneten Augenempfindlichkeitskurve ist relativ.

Leuchtdichte und Farbpunkt

Die Kurve der spektralen Energieverteilung wurde bei konstantem Anodenstrom und konstanter Anodenspannung aufgenommen. Ändert man Anodenstrom oder Anodenspannung, so ändern sich auch die Lumineszenzeigenschaften des Leuchtschirmes. Der Einfluß auf die Amplitude, die Leuchtintensität und die Lage der Energiemaxima (Farbpunkte) soll hier kurz betrachtet werden.

Als Maß für die Lichtausbeute, Leuchtintensität oder Helligkeit dient der Begriff der Leuchtdichte, angegeben in "nit". Ein "nit" entspricht einer Lichtstärke pro Fläche von 1cd/m2, wobei 1cd (Candela) die Einheit der Lichtstärke ist (entspricht einer „Neuen Kerze").

Bild 8 zeigt den Zusammenhang zwischen Anodenstrom und Leuchtdichte bei konstanter Anodenspannung (25kV). Im Bereich bis ca. 1,5mA ist der Zusammenhang nahezu linear. Die Energie der Elektronenstrahlen wird vom Leuchtstoffkristall proportional absorbiert und in Lichtenergie gewandelt. Bei weiterer Steigerung des Stromes kommt man in den Bereich der Sättigung, d. h. nun wird mehr Energie eingestrahlt als vom Leuchtstoffkristall absorbiert und gewandelt werden kann. Diese Sättigungserscheinungen treten allerdings erst bei Strahlströmen auf, die in einem Farbfernsehempfänger gar nicht vorkommen können.

Die Abstufung der Leuchtdichte der drei Leuchtstoffe

Bild 8. Einfluß des Anodenstroms auf die Leuchtdichte des Farbbildschirms und die Punktgröße des Elektronenstrahls
Bild 9. Einfluß der Anodenspannung auf die Leuchtdichte des Farbbildschirms und die Punktgröße des Elektronenstrahls

Die Kurven für die Leuchtdichte der drei Leuchtstoffe sind deutlich abgestuft:

Grün liegt am höchsten,
dann folgt Rot
und zuletzt Blau.

Diese Reihenfolge entspricht auch den Werten aus Tabelle 1. In Bild 8 wurde zusätzlich der Verlauf des Punktdurchmessers (jeweils nachfokussiert) in Abhängigkeit des Strahlstromes eingezeichnet. Sowohl die Leuchtdichte des Schirmes als auch der Punktdurchmesser nehmen mit steigendem Anodenstrom zu. Man gewinnt an Bildhelligkeit, verliert aber durch den größeren Punkt an Auflösung, an Bildschärfe. Variiert man nun bei konstantem Anodenstrom (1,5mA) die Anodenspannung (Bild 9), so erhält man für die Leuchtdichte ein ähnliches Bild wie in Bild 8. Mit steigender Anodenspannung nimmt auch hier die Leuchtdichte zu. Der Grund hierfür ist die wachsende mittlere Energie der Elektronen im Elektronenstrahl. Die Energieverteilung der Elektronen im Elektronenstrahl ist ja nicht gleichmäßig, sondern energiereichere und energieärmere Elektronen sind hierin statistisch verteilt.

Um überhaupt eine Lumineszenz zu bewirken, ist ein gewisser Energieschwellenwert, der durch die Anregungsspannung charakterisiert wird, notwendig. Das zeigt auch Bild 9, die Kurven gehen nicht durch den Nullpunkt. Die Anregungsspannung ist bei Grün niedriger als bei Rot und bei Rot niedriger als bei Blau. Eine Lumineszenzsättigung wird dann erreicht, wenn alle Elektronen des Elektronenstrahles (also auch die energieärmeren) genügend Energie haben, um die Elektronen des Leuchtstoffs anzuregen.

Während man durch Erhöhung des Anodenstromes die Zahl der Elektronen bestimmter Energie erhöht, wächst bei Steigerung der Anodenspannung bei bestimmter Zahl von Elektronen deren Energie.

Im Gegensatz zu Bild 8 nimmt mit steigender Anodenspannung der Punktdurchmesser ab. Die Abnahme ist bei einem Anodenstrom von 1,5mA relativ stark zwischen 15 und 20kV, bei Anodenspannungen > 30kV ist sie jedoch nur noch gering.

Der optimale Punktdurchmesser

Im Vergleich zu den früher verwendeten Leuchtstoffen sind die Leuchtdichtekurven deutlich nach links, d. h. zu niedrigen Strahlströmen und niedrigeren Anodenspannungen verschoben. Man hat also bei gleicher Bildhelligkeit im Fernsehgerät an Bildschärfe gewonnen. Trotzdem ist es nicht empfehlenswert, den Punktdurchmesser kleiner als etwa 1,5mm zu machen, weil dadurch eine Moirebildung stark begünstigt wird und andererseits die Bandbreite von 5 MHz keinen geringeren Punktdurchmesser zu übertragen erlaubt.

Für die Leuchtdichtemessungen wurden folgende Meßeinstellungen gewählt: Heizspannung Uf = 6,3V, Gitter-2-Spannung Ug-2 = 300V, Fokussierspannung Ugs = optimal eingestellt. Als Fotozelle wurde eine korrigierte Selenzelle verwendet. Die vom Normraster 140 X 140mm digital erhaltenen Werte wurden auf die Gesamtschirmfläche umgerechnet. Die Angaben in Bild 8 und 9 sind also nicht direkt vergleichbar mit den Angaben in den nachfolgenden Tabellen.

Bewertung der Messungen

Die Ergebnisse der Untersuchung des Einflusses von Anodenstrom und -Spannung auf die Lage der Maxima in der spektralen Energieverteilungskurve (Farbpunkte) zeigt Tabelle 2. Wie hieraus ersichtlich, ändern sich die Farbpunkte der drei Leuchtstoffe praktisch nicht. Die geringfügige Entsättigung mit steigender Anodenspannung hat keine Bedeutung und konnte nur mit den sehr empfindlichen Meßgeräten nachgewiesen werden. Die Koordinaten x und y geben die Lage im Farbdreieck (Bild 3) an.

Eine Gegenüberstellung von Meßwerten für die Leuchtdichte und Farbpunkte der alten und der verbesserten Leuchtstoffkonzeption zeigt die Tabelle 3. Die Angaben sind aus jeweils 100 Farbbildröhren gemittelt. Wie bereits erwähnt, wurde, außer bei Rot, auch bei Grün und Blau die Leuchtdichte verbessert. Das war notwendig, weil die Farbanteile wegen der physiologischen Empfindlichkeit des Auges einem bestimmten Verhältnis entsprechen müssen.

Weißeinstellung

Die Änderung der Farbpunktlagen der einzelnen Farben macht für eine bestimmte Weißeinstellung eine Änderung der Stromverhältnisse der drei Strahlerzeugersysteme erforderlich (Tabelle 4).

Der Weißpunkt W entspricht dem der gegenwärtigen Schwarzweiß-Bildröhren. Für eine optimale Farbwiedergabe wurde als Standard Weißpunkt C gewählt. C/W ist ein Kompromiß zwischen den Weißpunkten C und W, der im Farbfernsehgerät mit nur einem Weißpunkt einen guten Empfang von Schwarzweiß-und Farbsendungen gewährleistet. Wie Tabelle 4 zeigt, haben sich mit den neuen Leuchtstoffen die Stromverhältnisse der drei Strahlerzeuger egalisiert, was wegen der damit erreichten gleichen Punktgröße der Bildqualität zugute kommt.

Alterung des Leuchtschirmes

Selbstverständlich wird bei der im Vergleich zur Schwarzweiß-Bildröhre wesentlich kostspieligeren Farbbildröhre oft die Frage nach der Lebensdauer der Leuchtstoffe gestellt.

Da die Leuchtstoffe aus anorganisch-chemischem Material bestehen und unter normalen Betriebsbedingungen sicher keinen höheren Temperaturen als bei der Herstellung der Bildröhre unterworfen werden, sind die Bildschirme praktisch unbegrenzt haltbar. Ein Ausbleichen, wie z. B. gelegentlich bei den organisch-chemischen Farben der Farbfilme und Farbfotos, findet nicht statt.

Stabilisierend auf die Leuchtschicht wirkt darüber hinaus das für den Betrieb der Bildröhre notwendige Hochvakuum, wodurch mögliche Oxidationsprozesse (z. B. bei ZnS und ZnCdS) vermieden werden. Die bis heute vorliegenden Erfahrungen an Farbbildröhren haben gezeigt, daß die Lebensdauer der Farbleuchtschirme gegenüber der Lebensdauer der Katoden nicht ins Gewicht fällt. Die Verhältnisse sind hierbei denen bei Schwarzweiß-Bildröhren identisch.

Danksagungen

Allen Mitarbeitern und Kollegen, die durch Präparationen, Messungen und Diskussionen an der Entstehung dieses Manuskriptes mitgewirkt haben, sage ich meinen besten Dank. Für die kritische Durchsicht des Kapitels über Leuchtstoffe danke ich besonders Herrn Dr. de Boer von Philips Eindhoven.

Literatur
[1] Scharrer, E.: Die komplizierte Herstellung der Lochmasken-Farbbildröhre. FUNKSCHAU 1967, Heft 9, Seite 513.
[2] Morgan, Ph. O.: Farbbildröhren mit größerer Helligkeit. FUNKSCHAU 1968, Heft 20, Seite 644.
[3] Seifert, H • Verbesserte Farbbildröhren,
FUNKSCHAU 1968, Heft 22, Seite 697.

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