DE69834559T2

DE69834559T2 - Sauerstoffhaltige Phosphorpulver, Verfahren zur Herstellung von Phosphorpulvern und Vorrichtung hiermit

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Publication number: DE69834559T2
Application number: DE69834559T
Authority: DE
Inventors: J. Mark Albuquerque HAMPDEN-SMITH; T. Toivo Albuquerque KODAS; James Albuquerque CARUSO; J. Daniel Albuquerque SKAMSER; H. Quint Albuquerque POWELL
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: US6153123A; US20010042853A1; DE69834559T3; US20040195548A1; AU6665598A; US7022261B2; US6555022B2; JP2001513828A; US7005085B2; WO1998037166A1; US6645398B1; EP0985007A1; US7316790B2; DE69834559D1; US20040080256A1; EP0985007B1; EP0985007B2; US6180029B1; US20060231795A1; WO1998037165A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft sauerstoffhaltige Phosphorpulver, Methoden zur Herstellung solcher Pulver und Vorrichtungen, die dieselben enthalten. Insbesondere richtet sich die vorliegende Erfindung auf sauerstoffhaltige Pulver, die eine kleine mittlere Teilchengröße, eine enge Teilchengrößenverteilung, hohe Kristallinität und kugelförmige Morphologie haben. Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Methode zur kontinuierlichen Herstellung solcher sauerstoffhaltigen Pulver und Vorrichtungen, die solche Pulver beinhalten.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Phosphore sind Verbindungen, die fähig sind durch Anregung des Materials durch eine externe Energiequelle nutzbare Mengen von Strahlung im sichtbaren und/oder ultravioletten Spektrum zu emittieren. Dank dieser Eigenschaft werden Phosphorverbindungen seit langem in Kathodenstrahlröhrenbildschirmen (CRT) für Fernseher und ähnliche Vorrichtungen verwendet. Typischerweise enthalten anorganische Phosphorverbindungen ein mit einer kleinen Menge eines Aktiviatorions dotiertes Wirtsmaterial.
Seit kürzerer Zeit sind Phosphorpulver in vielen hoch entwickelten Displayvorrichtungen verwendet worden, die beleuchteten Text, Graphiken oder Videooutput liefern, einschließlich Flachbildschirmvorrichtungen wie Flüssigkristalldisplays, Plasmadisplays, Dickfilm- und Dünnfilm-Elektrolumineszenz-Displays und Feldemissionsdisplays.
Flüssigkristalldisplays (LCDs) nutzen ein elektrisches Feld geringer Leistung, um eine Lichtbahn zu verändern und werden gemeinhin in Armbanduhren, Taschenfernsehern, Gaspumpen, Funkrufempfängern und ähnlichem genutzt. Plasmadisplays verwenden ein zwischen transparenten Schichten eingeschlossenes Gas, das ultraviolettes Licht aussendet, wenn es durch ein elektrisches Feld angeregt wird. Das ultraviolette Licht regt Phosphore auf dem Bildschirm an, sichtbares Licht zu emittieren. Plasmadisplays sind besonders nützlich für größere Displays, wie z. B. solche, die größer als ungefähr 20 diagonale Zoll sind. Dünnfilm- und Dickfilm-Elektrolumineszenz-Displays (TFELs) verwenden einen zwischen Glasplatten und Elektroden eingeschlossenen Film aus phosphoreszierendem Material, um in einem elektrischen Feld Licht zu emittieren. Solche Displays werden üblicherweise in gewerblichen Transportfahrzeugen, Fabrikfußböden und Notaufnahmen benutzt. Feldemissionsdisplays (FEDs) sind im Prinzip den CRTs ähnlich, worin von einer Düse emittierte Elektronen Phosphore anregen, die dann Licht verschiedener Farbe aussenden.
Phosphorpulver werden ebenfalls in Elektrolumineszenzlampen (ELs) verwendet, die auf einem Polymersubstrat abgeschiedenes Phosphorpulver enthalten, das bei Anlegung eines elektrischen Feldes Licht emittiert.
Es gibt etliche Anforderungen für Phosphorpulver, die abhängig von der spezifischen Anwendung des Pulvers variieren können. Im Allgemeinen sollten Phosphorpulver eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften haben: hohe Reinheit, hohe Kristallinität, kleine Teilchengröße, enge Teilchengrößenverteilung, kugelförmige Morphologie, kontrollierte Oberflächenchemie, homogene Verteilung des Aktivatorions, gute Dispergierbarkeit und niedrige Porosität. Die geeignete Kombination der vorstehenden Eigenschaften ergibt ein Phosphorpulver mit hoher Lumineszenzintensität und hoher Lebensdauer, das in vielen Anwendungen genutzt werden kann. Für viele Anwendungen ist es auch vorteilhaft Phosphorpulver bereitzustellen, die oberflächenpassiviert oder beschichtet sind, so wie z. B. mit einer dünnen, gleichmäßig dielektrischen oder halbleitenden Beschichtung.
Zahlreiche Methoden sind zur Herstellung von sauerstoffhaltigen Phosphorteilchen vorgeschlagen worden. Eine solche Methode wird Festkörpermethode genannt. In diesem Verfahren werden die Phosphorvorstufenmaterialien im festen Zustand vermischt und erhitzt, so dass die Vorstufen reagieren und ein Pulver des Phosphormaterials bilden. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 4.925.703 von Kasenga et al. eine Methode zur Herstellung eines manganaktivierten Zinksilikatphosphors. Die Methode enthält einen Schritt von Trockenvermischung einer Mischung von Ausgangskomponenten wie Zinkoxid, Kieselsäure und Mangancarbonat und ein Brennen der Mischung bei etwa 1250°C. Der resultierende Phosphor wird in kleinere Teilchen gebrochen oder zerdrückt. Festkörperrouten und viele andere Herstellungsmethoden verwenden solch einen Mahlschritt, um die Teilchengröße der Pulver zu verringern. Das mechanische Mahlen zerstört die Oberfläche des Phosphors, indem tote Zonen (dead layer) gebildet werden, die den Glanz des Phosphorpulvers unterdrücken.
Phosphorpulver wurden auch durch flüssige Ausfällung hergestellt. In diesen Methoden wird eine Lösung, die Phosphorteilchenvorstufen enthält, chemisch behandelt, um Phosphorteilchen oder Phosphorteilchenvorstufen auszufällen. Diese Teilchen werden typischerweise bei einer erhöhten Temperatur kalziniert, um die Phosphorverbindung zu erzeugen. Die Teilchen müssen oft weiter zerdrückt werden, wie in dem Fall der Festkörpermethoden. Bei noch einer anderen Methode werden Phosphorteilchenvorstufen oder Phosphorteilchen in einer Lösung fein verteilt, die dann sprühgetrocknet wird, um die Flüssigkeit zu verdampfen. Die Phosphorteilchen werden danach im festen Zustand bei erhöhter Temperatur gesintert, um das Pulver zu kristallisieren und einen Phosphor zu bilden. Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 4.948.527 von Ritsko et al. ein Verfahren zur Herstellung von Y₂O₃:Eu-Phosphoren durch Dispergieren von Yttriumoxid in einer Europiumcitratlösung zur Bildung eines Schlamms, der dann sprühgetrocknet wird. Das sprühgetrocknete Pulver wurde dann durch Brennen für zwei Stunden bei etwa 1000°C und dann für etwa vier Stunden bei 1600°C in ein Oxid umgewandelt. Das gebrannte Pulver wurde daraufhin leicht zerdrückt und gereinigt, um verwendbare Phosphorteilchen zu erhalten Das Dokument US-A-5.413.736 offenbart eine Methode für das gemeinsame Ausfällen von Eu und Y aus einer harnstoffhaltigen Lösung. Die Struktur der kalzinierten Teilchen ist eine Mischung aus Y₂O₃ und Eu₂O₃. Das Dokument US-A-5.037.577 offenbart eine Methode zur Herstellung von feinen Einphasen-YAG-Phosphorteilchen, wobei in einer wässrigen alkalischen Lösung gelöstes Yttrium und Aluminium einer Erhitzungsreaktion nicht unter 270°C unterworfen werden.
Trotz des Vorstehenden bleibt der Bedarf nach sauerstoffhaltigen Phosphorpulvern mit hoher Lumineszenzintensität, die Teilchen enthalten, die eine im Wesentlichen kugelförmige Morphologie, eine enge Teilchengrößenverteilung, einen hohen Grad an Kristallinität und eine gute Homogenität haben. Das Pulver sollte eine gute Dispergierbarkeit und die Fähigkeit haben, in dünnen Schichten mit gleichmäßiger Stärke hergestellt werden zu können, wobei sich eine Vorrichtung mit hoher Helligkeit ergibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt verbesserten Pulverbatch zur Verfügung, der sauerstoffhaltige Phosphorteilchen enthält, die eine kleine Teilchengröße, eine enge Teilchengrößenverteilung, eine kugelförmige Morphologie und gute Kristallinität haben und worin besagte Phosphorteilchen ein Wirtsmaterial und mindestens ein erstes Aktivatorion enthalten. Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls Methoden zur Bildung solcher sauerstoffhaltigen Phosphorpulverbatches und Vorrichtungen, die solche Pulverbatche enthalten, bereit.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Verfahrensblockschema, das eine Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausführung eines Aerosolgenerators der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Draufsicht einer Wandlermontageplatte, die eine 49-Wandler-Anordnung für die Verwendung in einem Aerosolgenerator der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist eine Draufsicht auf eine Wandlermontageplatte für eine 400-Wandler-Anordnung zur Verwendung in einem Ultraschallgenerator der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Seitenansicht der in 4 gezeigten Wandlermontageplatte.
6 ist eine Teilseitenansicht, die das Profil eines einzelnen Wandlermontageanschlusses der in 4 gezeigten Wandlermontageplatte zeigt.
7 ist eine Teilseitenansicht im Querschnitt, die eine alternative Ausführung zur Montage eines Ultraschallwandlers zeigt.
8 ist eine Draufsicht einer unteren Halteplatte zum Halten einer Trennvorrichtung zur Verwendung in einem Aerosolgenerator der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Draufsicht eines Flüssigkeitszulaufgefäßes, das eine untere Halteplatte hat, um beim Halten einer Trennvorrichtung zur Verwendung in einem Aerosolgenerator der vorliegenden Erfindung mitzuwirken.
10 ist eine Seitenansicht des in 5 gezeigten Flüssigkeitszulaufgefäßes.
11 ist eine Seitenansicht eines Gasrohrs zur Gaslieferung innerhalb eines Aerosolgenerators der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine Teildraufsicht von Gasrohren, angeordnet in einem Flüssigkeitszulaufgefäß zur Gasverteilung bezüglich von Ultraschallwandlerpositionen zur Verwendung in einem Aerosolgenerator der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt eine Ausführung für eine Gasverteilungskonfiguration für den Aerosolgenerator der vorliegenden Erfindung.
14 zeigt eine andere Ausführung für eine Gasverteilungskonfiguration für den Aerosolgenerator der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine Draufsicht einer Ausführung einer Gasverteilungsplatte/Gasrohrgruppe des Aerosolgenerators der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine Seitenansicht einer Ausführung der in 15 gezeigten Gasverteilungsplatte/Gasrohrgruppe.
17 zeigt eine Ausführung zur Ausrichtung eines Wandlers in dem Aerosolgenerator der vorliegenden Erfindung.
18 ist eine Draufsicht eines Gasverteilers zur Verteilung von Gas innerhalb eines Aerosolgenerators der vorliegenden Erfindung.
19 ist eine Seitenansicht des in 18 gezeigten Gasverteilers.
20 ist eine Draufsicht eines Generatordeckels einer Haubenausführung zur Verwendung in einem Aerosolgenerator der vorliegenden Erfindung.
21 ist eine Seitenansicht des in 20 gezeigten Generatordeckels.
22 ist ein Verfahrensblockschema einer Ausführung in der vorliegenden Erfindung, die einen Aerosolkonzentrator enthält.
23 ist eine Draufsicht im Querschnitt eines virtuellen Impaktors, der zur Konzentrierung eines Aerosols gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt werden kann.
24 ist eine Vorderansicht eines vorgeschalteten Plattenbauteils des in 23 gezeigten virtuellen Impaktors.
25 ist eine Draufsicht des in 24 gezeigten vorgeschalteten Plattenbauteils.
26 ist eine Seitenansicht des in 24 gezeigten vorgeschalteten Plattenbauteils.
27 ist eine Vorderansicht eines nachgeschalteten Plattenbauteils des in 23 gezeigten virtuellen Impaktors.
28 ist eine Draufsicht des in 27 gezeigten nachgeschalteten Plattenbauteils.
29 ist eine Seitenansicht des in 27 gezeigten nachgeschalteten Plattenbauteils.
30 ist ein Verfahrensblockschema einer Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, die eine Tropfenfraktioniervorrichtung enthält.
31 ist eine Draufsicht im Querschnitt eines Impaktors der vorliegenden Erfindung zur Verwendung bei der Fraktionierung eines Aerosols.
32 ist eine Vorderansicht einer Durchflussregelplatte des in 31 gezeigten Impaktors.
33 ist eine Vorderansicht einer Montageplatte des in 31 gezeigten Impaktors.
34 ist eine Vorderansicht eines Impaktorplatteneinbaus des in 31 gezeigten Impaktors.
35 ist eine Seitenansicht des in 34 gezeigten Impaktorplatteneinbaus.
36 zeigt eine Seitenansicht im Querschnitt eines virtuellen Impaktors in Kombination mit einem Impaktor der vorliegenden Erfindung zur Konzentrierung und Fraktionierung von Tropfen in einem Aerosol.
37 ist ein Verfahrensblockschema einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, die einen Teilchenkühler enthält.
38 ist eine Draufsicht eines Gasquenchkühlers der vorliegenden Erfindung.
39 ist eine Endansicht des in 38 gezeigten Gasquenchkühlers.
40 ist eine Seitenansicht einer perforierten Leitung des in 38 gezeigten Quenchkühlers.
41 ist ein Verfahrensblockschema einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, die eine Teilchenbeschichtungseinrichtung enthält.
42 ist ein Verfahrensblockschema einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, die eine Teilchenmodifiziereinrichtung enthält.
43 zeigt Querschnitte verschiedener Teilchenmorphologien einiger Verbundteilchen, die gemäß der vorliegenden Erfindung herstellbar sind.
44 zeigt eine Seitenansicht einer Apparatausführung der vorliegenden Erfindung, die einen Aerosolgenerator, einen Aerolsolkonzentrator, eine Tropfenfraktioniervorrichtung, einen Ofen, einen Teilchenkühler und einen Teilchenkollektor enthält.
45 stellt eine Fotomikrographie eines sauerstoffhaltigen Phosphorpulvers gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung dar.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist im Allgemeinen auf sauerstoffhaltige Phosphorpulver und Methoden zur Herstellung der Pulver sowie auf Vorrichtungen, die die Pulver enthalten, gerichtet. Unter sauerstoffhaltigen Phosphorpulvern, -teilchen und -verbindungen werden hier jene verstanden, die ein Wirtsmaterial enthalten, das eine sauerstoffhaltige Verbindung ist, einschließend Metalloxide, Silikate, Borate oder Aluminate. Spezifische Beispiele solcher sauerstoffhaltiger Phosphorverbindungen sind weiter unten genau beschrieben.
Unter einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Methode zur Herstellung eines partikulären Produktes bereit. Ein Zulauf eines flüssigkeitsenthaltenden, fließfähigen Mediums, das mindestens eine Vorstufe des gewünschten partikulären Produktes enthält, wird in Aerosolform umgewandelt, wobei Tropfen des Mediums in einem Trägergas dispergiert und von ihm suspendiert werden. Flüssigkeit von den Tropfen in dem Aerosol wird dann entfernt, um die Bildung der gewünschten Teilchen in einem dispergierten Zustand zu gestatten. Typischerweise wird die Zulaufvorstufe in einem Ofen zur Bildung der Teilchen pyrolysiert. In einer Ausführung werden die Teilchen, während sie noch in einem dispergierten Zustand vorliegen, einer Zusammensetzungs- oder Strukturänderung unterworfen, wenn dies gewünscht ist. Die Zusammensetzungsänderung kann zum Beispiel die Beschichtung der Teilchen umfassen. Die Strukturänderung kann zum Beispiel die Kristallisation, Rekristallisation oder morphologische Veränderung der Teilchen einschließen. Der Begriff Pulver wird hier oft benutzt, um sich auf das partikuläre Produkt der vorliegenden Erfindung zu beziehen. Die Benutzung des Begriffes Pulver gibt jedoch nicht an, dass das partikuläre Produkt trocken sein oder in einer besonderen Umgebung vorliegen muss. Obwohl das partikuläre Produkt typischerweise in einem trockenen Zustand hergestellt wird, kann das partikuläre Produkt nach der Herstellung in eine feuchte Umgebung eingebracht werden, wie z. B. in eine Paste oder einen Schlamm.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet für die Produktion von partikulären Produkten von fein getrennten Teilchen, die ein kleines Gewichtsmittel der Teilchengröße haben. Zusätzlich zum Herstellen von Teilchen innerhalb eines gewünschten Bereiches eines Gewichtsmittels der Teilchengröße können die Teilchen mit der vorliegenden Erfindung mit einer wünschenswert engen Größenverteilung produziert werden, wobei für Größengleichmäßigkeit gesorgt wird, die für viele Anwendungen gewünscht ist.
Zusätzlich zur Kontrolle der Teilchengröße und der Größenverteilung stellt die Methode der vorliegenden Erfindung eine deutliche Flexibilität zur Herstellung von Teilchen variierender Zusammensetzung, Kristallinität und Morphologie zur Verfügung. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung dazu benutzt werden, homogene Partikel herzustellen, wobei nur Einphasen- oder Mehrphasenteilchen, die mehrere Phasen enthalten, einbezogen werden. Im Falle von Mehrphasenteilchen können die Phasen in einer Vielfalt von Morphologien vorliegen. Zum Beispiel kann eine Phase gleichmäßig in einer Matrix einer anderen Phase fein verteilt sein. Alternativ kann eine Phase einen inneren Kern bilden, während eine andere Phase eine Beschichtung bildet, die den Kern umgibt. Andere Morphologien sind auch möglich, wie unten ausführlicher besprochen.
Unter Bezug auf 1 wird eine Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Flüssigkeitszulauf 102, der wenigstens eine Vorstufe für die gewünschten Teilchen enthält, und ein Trägergas 104 werden einem Aerosolgenerator 106 zugeführt, wo ein Aerosol 108 produziert wird. Das Aerosol 108 wird dann einem Ofen 110 zugeführt, wo die Flüssigkeit in dem Aerosol 108 entfernt wird, um Teilchen 112 zu produzieren, die in Gas dispergiert und durch Gas suspendiert werden, das den Ofen 110 verlässt. Die Teilchen 112 werden dann in einem Teilchenkollektor 114 gesammelt, um ein partikuläres Produkt 116 zu produzieren.
Unter dem Flüssigkeitszulauf 102 wird hier ein Zulauf verstanden, der eine oder mehrere fließfähige Flüssigkeiten als Hauptbestandteile) enthält, so dass der Zulauf ein fließfähiges Medium ist. Der Flüssigkeitszulauf 102 muss nicht nur flüssige Bestandteile enthalten. Der Flüssigkeitszulauf 102 kann nur Bestandteile in einer oder mehr flüssigen Phasen umfassen oder er kann auch in einer flüssigen Phase suspendiertes partikuläres Material enthalten. Der Flüssigkeitszulauf 102 muss allerdings zerstäubt werden können, um Tropfen von ausreichend kleiner Größe für die Herstellung des Aerosols 108 zu erhalten. Dafür sollten, wenn der Flüssigkeitszulauf 102 suspendierte Teilchen enthält, diese Teilchen im Verhältnis zur Größe der Tropfen im Aerosol 108 relativ klein sein. Solche suspendierten Teilchen sollten größenmäßig typischerweise kleiner sein als etwa 1 μm, vorzugsweise größenmäßig kleiner als etwa 0,5 μm und mehr bevorzugt größenmäßig kleiner als etwa 0,3 μm und am meisten bevorzugt größenmäßig kleiner als etwa 0,1 μm. Am meisten bevorzugt sollten die suspendierten Teilchen in der Lage sein, ein Kolloid zu bilden. Die suspendierten Teilchen können fein zerteilte Teilchen sein oder können Agglomeratmassen sein, die agglomerierte kleinere Primärteilchen enthalten. Zum Beispiel können 0,5 μm-Teilchen Agglomerate von nanometergroßen Primärteilchen sein. Wenn der Flüssigkeitszulauf 102 suspendierte Teilchen enthält, umfassen die Teilchen typischerweise nicht mehr als 25 bis 50 Gewichtsprozent des Flüssigkeitszulaufs.
Wie erwähnt, enthält der Flüssigkeitszulauf 102 mindestens eine Vorstufe für die Herstellung der Teilchen 112. Die Vorstufe kann eine Substanz entweder in einer flüssigen oder in einer festen Phase des Flüssigkeitszulaufs 102 sein. Häufig wird die Vorstufe ein in einem flüssigen Lösungsmittel des Flüssigkeitszulaufs 102 gelöstes Material sein, wie z. B. ein Salz. Die Vorstufe kann im Ofen 110 eine oder mehrere chemische Reaktionen durchlaufen, um die Herstellung der Teilchen 112 zu unterstützen. Alternativ kann das Vorstufenmaterial zur Bildung der Teilchen 112 beitragen, ohne eine chemische Reaktion zu durchlaufen. Dies könnte zum Beispiel der Fall sein, wenn der Flüssigkeitszulauf 102 als Vorstufenmaterial suspendierte Teilchen enhält, die im Ofen 110 nicht chemisch verändert werden. Auf jeden Fall umfassen die Teilchen 112 mindestens eine ursprünglich von der Vorstufe beigetragene Komponente.
Der Flüssigkeitszulauf 102 kann mehrere Vorstufenmaterialien enthaften, die zusammen in einer einzelnen Phase oder getrennt in mehreren Phasen vorliegen können. Zum Beispiel kann der Flüssigkeitszulauf 102 mehrere Vorstufen in Lösung in einem einzigen Flüssigkeitsträger enthalten. Alternativ könnte ein Vorstufenmaterial in einer festen partikulären Phase sein und ein zweites Vorstufenmaterial in einer flüssigen Phase. Auch könnte ein Vorstufenmaterial in einer flüssigen Phase vorliegen und ein zweites Vorstufenmaterial könnte in einer zweiten flüssigen Phase vorliegen, so wie es der Fall sein könnte, wenn der Flüssigkeitszulauf 102 eine Emulsion enthält. Verschiedene von unterschiedlichen Vorstufen beigesteuerte Komponenten können in den Teilchen zusammen in einer einzelnen Materialphase vorliegen, oder die verschiedenen Komponenten können in verschiedenen Materialphasen vorliegen, wenn die Teilchen 112 Verbunde mehrerer Phasen sind. Spezifische Beispiele von bevorzugten Vorstufenmaterialien werden weiter unten vollständiger besprochen.
Das Trägergas 104 kann jedes gasförmige Medium enthalten, in dem von dem Flüssigkeitszulauf 102 produzierte Tropfen in Aerosolform dispergiert sein können. Auch kann das Trägergas 104 inert sein, wobei das Trägergas 104 nicht an der Bildung der Teilchen 112 beteiligt ist. Alternativ kann das Trägergas eine oder mehrere aktive Komponenten haben, die zur Bildung der Teilchen 112 beitragen. In diesem Zusammenhang kann das Trägergas eine oder mehrere reaktive Komponenten enthalten, die im Ofen 110 reagieren, um zur Bildung der Teilchen 112 beizutragen. Bevorzugte Trägergaszusammensetzungen werden unten ausführlicher beschrieben.
Der Aerosolgenerator 106 zerstäubt den Flüssigkeitszulauf 102, um Tropfen in einer Weise zu bilden, die dem Trägergas 104 gestattet, die Tropfen vom Aerosol 108 wegzureißen. Die Tropfen enthalten Flüssigkeit vom Flüssigkeitszulauf 102. Die Tropfen können jedoch auch nichtflüssiges Material enthalten, wie ein oder mehrere kleine Teilchen, die von der Flüssigkeit im Tropfen gehalten werden. Zum Beispiel kann, wenn die Teilchen 112 Verbund- oder Mehrphasenteilchen sind, eine Phase des Verbundes im Flüssigkeitszulauf 102 in Form von suspendierten Vorstufenteilchen zur Verfügung gestellt werden, und eine zweite Phase des Verbundes kann im Ofen 110 aus einem oder mehreren Vorstufen in der flüssigen Phase des Flüssigkeitszulaufs 102 hergestellt werden. Weiterhin können die Vorstufenteilchen im Flüssigkeitszulauf 102 enthalten sein und deswegen auch in Tropfen des Aerosols 108, nur zu dem Zweck, die Teilchen für darauf folgende Veränderung in der Zusammensetzung oder Struktur während oder nach der Verarbeitung im Ofen 110 zu dispergieren.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Erzeugung des Aerosols 108 mit Tropfen kleinen Größenmittels, enger Größenverteilung. Auf diese Weise können die Teilchen 112 in einer gewünschten kleinen Größe mit einer engen Größenverteilung produziert werden, die für viele Anwendungen vorteilhaft ist.
Der Aerosolgenerator 106 ist in der Lage, das Aerosol 108 derart zu produzieren, dass es Tropfen enthält, die ein Gewichtsmittel der Größe in einem Bereich haben, der eine untere Grenze von etwa 1 μm und bevorzugt von etwa 2 μm und eine obere Grenze von etwa 10 μm, bevorzugt von etwa 7 μm, mehr bevorzugt von etwa 5 μm und am meisten bevorzugt von etwa 4 μm hat. Ein Gewichtsmittel der Tropfengröße in einem Bereich von etwa 2 μm bis zu etwa 4 μm ist für die meisten Anwendungen mehr bevorzugt, wobei ein Gewichtsmittel der Tropfengröße von etwa 3 μm für einige Anwendungen besonders bevorzugt ist. Der Aerosolgenerator ist auch in der Lage, das Aerosol derart zu produzieren, dass es Tropfen in einer engen Größenverteilung enthält. Bevorzugt sind die Tropfen im Aerosol so beschaffen, dass mindestens etwa 70 Prozent (mehr bevorzugt mindestens etwa 80 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt mindestens etwa 85 Gewichtsprozent) der Tropfen kleiner als etwa 10 μm sind und dass mehr bevorzugt mindestens etwa 70 Gewichtsprozent (mehr bevorzugt mindestens etwa 80 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt mindestens etwa 85 Gewichtsprozent) kleiner als etwa 5 μm sind. Weiterhin sind vorzugsweise nicht mehr als etwa 30 Gewichtsprozent, mehr bevorzugt nicht mehr als etwa 25 Gewichtsprozent und am meisten bevorzugt nicht mehr als etwa 20 Gewichtsprozent der Tropfen im Aerosol 108 größer als das zweifache Gewichtsmittel der Tröpfchengröße.
Ein anderer wichtiger Aspekt der Erfindung ist, dass das Aerosol 108 erzeugt werden kann, ohne überhöhte Mengen des Trägergases 104 zu verbrauchen. Der Aerosolgenerator 106 ist in der Lage, das Aerosol 108 derart zu produzieren, dass es eine hohe Beladung oder hohe Konzentration des Flüssigkeitszulaufs 102 in Tropfenform hat. In diesem Zusammenhang enthält das Aerosol 108 vorzugsweise mehr als etwa 1 × 10⁶ Tropfen pro Kubikzentimeter des Aerosols 108, mehr bevorzugt mehr als etwa 5 × 10⁶ Tropfen pro Kubikzentimeter und noch mehr bevorzugt mehr als etwa 1 × 10⁷ Tropfen pro Kubikzentimeter und am meisten bevorzugt mehr als etwa 5 × 10⁷ Tropfen pro Kubikzentimeter. Dass der Aerosolgenerator 106 ein so schwer beladenes Aerosol 108 produzieren kann, ist in Anbetracht der hohen Qualität des Aerosols 108 mit Bezug auf die kleine mittlere Tröpfchengröße und enge Tröpfchengrößenverteilung besonders überraschend. Typischerweise ist die Tröpfchenbeladung in dem Aerosol derart, dass das Volumenverhältnis von Flüssigkeitszulauf 102 zu Trägergas 104 in dem Aerosol 108 größer ist als etwa 0,04 Milliliter Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104 im Aerosol 108, bevorzugt mehr als etwa 0,083 Milliliter Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104 im Aerosol 108, mehr bevorzugt mehr als etwa 0,167 Milliliter Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104, noch mehr bevorzugt mehr als etwa 0,25 Milliliter Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104 und am meisten bevorzugt mehr als etwa 0,333 Milliliter Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104 beträgt.
Diese Fähigkeit des Aerosolgenerators 106 schwer beladenes Aerosol 108 zu produzieren, ist sogar noch überraschender angesichts der hohen Tropfenausstoßrate, deren der Aerosolgenerator 106 fähig ist, wie weiter unten genauer besprochen wird. Es versteht sich, dass die Konzentration des Flüssigkeitszulaufs 102 im Aerosol 108 von den spezifischen Komponenten und Eigenschaften des Flüssigkeitszulaufs und besonders von der Größe der Tröpfchen im Aerosol 108 abhängen wird. Wenn zum Beispiel die mittlere Tröpfchengröße zwischen etwa 2 μm und etwa 4 μm liegt, ist die Tröpfchenbeladung bevorzugt größer als etwa 0,15 Milliliter Aerosolzulauf 102 pro Liter Trägergas 104, mehr bevorzugt größer als etwa 0,2 Milliliter Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104 und sogar mehr bevorzugt größer als etwa 0,2 Milliliter Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104 und am meisten bevorzugt größer als 0,3 Milliliter Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104. Wenn hier Bezug auf die Liter Trägergas 104 genommen wird, bezieht es sich auf das Volumen, das das Trägergas 104 unter Standardtemperatur- und Standarddruckbedingungen einnehmen würde.
Der Ofen 110 kann jede geeignete Vorrichtung zur Erhitzung des Aerosols 108 sein, um Flüssigkeit aus den Tropfen des Aerosols 108 zu verdampfen und dabei die Bildung der Teilchen 112 zu gestatten. Die maximale mittlere Stromtemperatur, oder Reaktionstemperatur, bezieht sich auf die maximale mittlere Temperatur, die ein Aerosolstrom erreicht, während er durch den Ofen fließt. Dies wird typischerweise durch einen Temperaturfühler bestimmt, der in den Ofen eingeführt ist. Bevorzugte Reaktionstemperaturen gemäß der vorliegenden Erfindung werden weiter unten vollständiger diskutiert.
Obwohl längere Verweilzeiten möglich sind, ist für viele Anwendungen eine Verweilzeit in der Heizzone des Ofens 110 von weniger als etwa 4 Sekunden typisch, wobei weniger als 2 Sekunden bevorzugt sind, weniger als 1 Sekunde mehr bevorzugt ist, weniger als 0,5 Sekunden noch mehr be vorzugt sind und weniger als 0,2 Sekunden am meisten bevorzugt sind. Die Verweilzeit sollte jedenfalls lang genug sein, um zu garantieren, dass die Teilchen 112 die gewünschte maximale Stromtemperatur für eine gegebene Wärmeübergangszahl erreichen. In diesem Zusammenhang können bei extrem kurzen Verweilzeiten höhere Ofentemperaturen eingesetzt werden, um die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung so lange zu erhöhen, bis die Teilchen 112 eine Höchsttemperatur innerhalb des gewünschten Stromtemperaturbereichs erreichen. Dieser Betriebsmodus ist jedoch nicht bevorzugt. Außerdem wird angemerkt, dass als Verweilzeit hier die tatsächliche Zeit bezeichnet wird, die ein Material braucht, um die entsprechende Verfahrensanlage zu durchlaufen. Im Falle des Ofens enthält dies den Effekt der Geschwindigkeitssteigerung mit der Gasexpansion aufgrund der Erwärmung.
Typischerweise ist der Ofen 110 ein röhrenförmiger Ofen, so dass das Aerosol 108 beim Eintritt und Durchlaufen des Ofens auf keine scharfen Kanten trifft, an denen Tropfen sich sammeln könnten. Verlust von Tropfen durch Sammlung an scharten Oberflächen resultiert in einer niedrigeren Ausbeute der Teilchen 112. Wichtiger noch kann die Akkumulierung von Flüssigkeit an scharfen Kanten jedoch in der erneuten Freisetzung von unerwünscht großen Tropfen zurück ins Aerosol 108 resultieren, was eine Kontaminierung des partikulären Produktes 116 mit unerwünscht großen Teilchen hervorrufen kann. Auch kann im Zeitablauf eine solche Flüssigkeitsansammlung an scharten Oberflächen das Verschmutzen von Verfahrensausrüstung bewirken, wobei die Verfahrensleistung beeinträchtigt wird.
Trotzdem die vorliegende Erfindung mit primärem Bezug auf einen Ofenreaktor, der bevorzugt ist, beschrieben wird, sollte auch zur Kenntnis genommen werden, dass außer dem genannten jeder andere thermische Reaktor, einschließlich eines Flammen-oder Plasmareaktors, stattdessen genutzt werden kann. Ein Ofenreaktor ist allerdings wegen der allgemein gleichmäßigen Heizcharakteristik eines Ofens zum Erreichen einer gleichmäßigen Stromtemperatur bevorzugt.
Der Teilchenkollektor 114 kann jeder geeignete Apparat zur Sammlung von Teilchen 112 zur Herstellung des partikulären Produktes 116 sein. Eine bevorzugte Ausführung des Teilchenkollektors 114 verwendet einen oder mehrere Filter, um die Teilchen 112 vom Gas zu trennen. Solch ein Filter kann von jeder Art sein, einschließlich eines Schlauchfilters. Eine andere bevorzugte Ausführung des Teilchenkollektors verwendet einen oder mehrere Zyklone, um die Teilchen 112 abzutrennen. Ein anderer Apparat, der in dem Teilchenkollektor 114 benutzt werden kann, enthält einen elektrostatischen Abscheider. Auch sollte die Sammlung normalerweise bei einer Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur des Gasstromes, in dem die Teilchen suspendiert sind, stattfinden. Ebenso sollte die Sammlung normalerweise bei einer Temperatur stattfinden, die niedrig genug ist, um einer signifikanten Agglomerierung der Teilchen 112 vorzubeugen.
Von signifikanter Bedeutung für den Ablauf des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist der Aerosolgenerator 106, der in der Lage sein muss, wie zuvor erwähnt, ein Aerosol hoher Qualität mit hoher Tropfenbeladung herzustellen. Mit Bezug auf 2 wird eine Ausführung eines Aerosolgenrators 106 der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der Aerosolgenerator 106 enthält eine Vielzahl von Ultraschallwandlerscheiben 120, die jeweils in einem Wandlergehäuse 122 montiert sind. Die Wandlergehäuse 122 sind auf einer Wandlermontageplatte 124 montiert, wobei eine Anordnung der Ultraschallwandlerscheiben 120 erzeugt wird. Jeder geeignete Abstand kann für die Ultraschallwandlerscheiben 120 verwendet werden. Ein Mitte-zu-Mitte-Abstand der Ultraschallwandlerscheiben 120 von etwa 4 Zentimetern ist oft passend. Der Aerosolgenerator 106, wie in 2 gezeigt, enthält neunundvierzig Wandler in einer 7 × 7-Anordnung. Die Anordnungskonfiguration ist wie in 3 gezeigt, sie stellt die Lagen der auf der Wandlermontageplatte 124 montierten Wandlergehäuse 122 dar.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 wird eine Trennvorrichtung 126 im Abstand zu den Wandlerscheiben 120 zwischen einer unteren Halteplatte 128 und einer oberen Halteplatte 130 gehalten. Gaslieferungsrohre 132 sind mit Gasverteilerrohren 134 verbunden, die Gaslieferungsmündungen 136 haben. Die Gasverteilerrohre 134 sind in einem Generatorkörper 138 untergebracht, der von einem Generatordeckel 140 bedeckt wird. Ein Wandlertreiber 144, der über eine Schaltung zum Antreiben der Wandlerscheiben 120 verfügt, ist elektronisch über elektrische Kabel 146 mit den Wandlerscheiben 120 verbunden.
Während des Betriebs des Aerosolgenerators 106, wie in 2 gezeigt, werden die Wandlerscheiben 120 durch den Wandlertreiber 144 über die elektrischen Kabel 146 angetrieben. Die Wandler schwingen vorzugsweise mit einer Frequenz von etwa 1 MHz bis zu etwa 5 MHz, mehr bevorzugt von etwa 1,5 MHz bis zu etwa 3 MHz. Oft verwendete Frequenzen liegen bei etwa 1,6 MHz und bei etwa 2,4 MHz. Weiterhin sollten alle Wandlerscheiben 110 bei grundsätzlich derselben Frequenz arbeiten, wenn ein Aerosol mit einer engen Tropfengrößenverteilung gewünscht ist. Dies ist wichtig, da handelsübliche Wandler deutlich in der Dicke variieren können, manchmal mehr als 10 %. Es wird allerdings bevorzugt, dass die Wandlerscheiben 120 bei Frequenzen innerhalb eines Bereichs von 5 % oberhalb und unterhalb der mittleren Wandlerfrequenz arbeiten, mehr bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 2,5 %, und am meisten bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 1 %. Dies kann durch eine sorgfältige Auswahl der Wandlerscheiben 120 erreicht werden, so dass sie alle vorzugsweise Dicken innerhalb von 5 % der mittleren Wandlerdicke aufweisen, mehr bevorzugt innerhalb von 2,5 % und am meisten bevorzugt innerhalb von 1 %.
Der Flüssigkeitszulauf 102 tritt durch einen Zulaufeinlass 148 ein und fließt durch Strömungskanäle 150, um durch den Zulaufauslass 152 auszutreten. Ein ultraschalldurchlässiges Fluid, typischerweise Wasser, tritt durch einen Wassereinlass 154 ein, um ein Wasserbadvolumen 156 zu füllen, und fließt durch Strömungskanäle 158, um durch einen Wasserauslass 160 auszutreten. Eine geeignete Durchflussmenge des ultraschalldurchlässigen Fluids ist nötig, um die Wandlerscheiben 120 zu kühlen und um eine Überhitzung des ultraschalldurchlässigen Fluids vorzubeugen. Ultraschallsignale von den Wandlerscheiben 120 werden über das ultraschalldurchlässige Fluid durch das Wasserbadvolumen 156 und letztendlich durch die Trennvorrichtung 126 zum Flüssigkeitszulauf 102 in Strömungskanälen 150 übertragen.
Die Ultraschallsignale von den Ultraschallwandlerscheiben 120 erzeugen Zerstäubungskegel 126 so, dass sie sich im Flüssigkeitszulauf 102 an Positionen entwickeln, die den Wandlerscheiben 120 entsprechen. Trägergas 104 wird in die Gaslieferungsrohre 132 eingeführt und über Gaslieferungsmündungen 136 in die Nähe der Zerstäubungskegel 162 geliefert. Trägergasstrahle verlassen die Gaslieferungsmündungen 136 in einer Richtung derart, dass sie auf die Zerstäubungskegel 162 auftreffen, wobei zerstäubte Tropfen des Flüssigkeitszulaufs 102, die von den Zerstäubungskegeln 162 produziert werden, weggerissen werden und das Aerosol 108 bilden, das den Aerosolgenerator 106 durch eine Aerosolaustrittsöffnung 164 verlässt.
Eine effiziente Nutzung des Trägergases 104 ist ein wichtiger Aspekt des Aerosolgenerators 106. Die in 2 gezeigte Ausführung des Aerosolgenerators 106 enthält zwei Gasaustrittsmündungen pro Zerstäubungskegel 162, wobei die Gasmündungen oberhalb des flüssigen Mediums 102 über Mulden angeordnet sind, die sich zwischen den Zerstäubungskegeln 162 bilden, so dass das austretende Trägergas 104 horizontal auf die Oberfläche der Zerstäubungskegel 162 gerichtet wird, wobei das Trägergas 104 in effizienter Weise an entscheidende Teile des Flüssigkeitszulaufs 102 verteilt wird, um Tropfen effektiv und effizient wegzureißen, so wie sie sich über den ultraschallangeregten Zerstäubungskegeln 162 bilden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass wenigstens ein Teil der Öffnung einer jeden Gaslieferungsmündung 136, durch die das Trägergas die Gaslieferungsrohre verlässt, unterhalb der Spitze der Zerstäubungskegel 162 angeordnet ist, auf die das Trägergas 104 gerichtet ist. Diese relative Anordnung der Gaslieferungsmündungen 136 ist sehr wichtig für die effiziente Nutzung des Trägergases 104. Die Ausrichtung der Gaslieferungsmündungen 136 ist ebenfalls wichtig. Vorzugsweise sind die Gaslieferungsmündungen 136 positioniert, um Strahle des Trägergases 104 horizontal auf die Zerstäubungskegel 162 zu richten. Der Aerosolgenerator 106 gestattet die Erzeugung des Aerosols 108 mit einer schweren Beladung mit Tropfen der Trägerflüssigkeit 102, anders als Aerosolgeneratorbauweisen, die die Gaslieferung nicht effizient auf die Orte der Tropfenbildung fokussieren.
Eine andere wichtige Eigenschaft des Aerosolgenerators 106 ist, wie in 2 gezeigt, die Nutzung der Trennvorrichtung 126, die die Wandlerscheiben 120 vor direktem Kontakt mit dem Flüssigkeitszulauf 102 schützt, der oft hoch korrosiv ist. Die Höhe der Trennvorrichtung 126 über dem Kopfende der Wandlerscheiben 120 sollte normalerweise so klein wie möglich gehalten werden und liegt oft im Bereich von etwa 1 Zentimeter bis zu etwa 2 Zentimetern. Das obere Ende des Flüssigkeitszulaufs 102 in den Strömungskanälen über den Kopfenden der Ultraschallwandlerscheiben 120 liegt typischerweise in einem Bereich von etwa 2 Zentimetern bis zu etwa 5 Zentimetern, egal ob der Aerosolgenerator die Trennvorrichtung 126 enthält oder nicht, wobei ein Abstand von etwa 3 bis 4 Zentimetern bevorzugt ist. Obwohl der Aerosolgenerator 106 ohne die Trennvorrichtung 126 realisiert werden kann, in welchem Fall der Flüssigkeitszulauf 102 in direktem Kontakt mit den Wandlerscheiben 120 wäre, kann die hochkorrosive Natur des Flüssigkeitszulaufs 102 oft den vorzeitigen Ausfall der Wandlerscheiben 120 hervorrufen. Die Verwendung der Trennvorrichtung 126 in Kombination mit der Verwendung des ultraschalldurchlässigen Fluids in dem Wasserbadvolumen 156 zur Bereitstellung von Ultraschallkopplung verlängert signifikant die Lebensdauer der Ultraschallwandler 120. Ein Nachteil der Nutzung der Trennvorrichtung 126 ist jedoch, dass die Tropfenproduktionsrate der Zerstäubungskegel 162 im Vergleich zu Bauweisen, in denen der Flüssigkeitszulauf 102 in direktem Kontakt mit den Ultraschallwandlerscheiben 102 steht, reduziert ist, oft um einen Faktor von zwei oder mehr. Sogar mit der Trennvorrichtung 126 ist der in der vorliegenden Erfindung genutzte Aerosolgenerator 106 wie zuvor diskutiert in der Lage, Hochqualitätsaerosol mit schwerer Tropfenbeladung zu produzieren. Geeignete Materialien für die Trennvorrichtung beinhalten zum Beispiel Polyamide (wie Kapton^TM-Membranen von DuPont) und andere Polymermaterialien, Glas und Plexiglas. Die Hauptanforderungen an die Trennvorrichtung 126 sind, dass sie ultraschalldurchlässig, korrosionsbeständig und undurchlässig sein muss.
Eine Alternative zur Nutzung der Trennvorrichtung 126 ist, auf die Oberfläche der Ultraschallwandlerscheiben 120 eine korrosionsbeständige schützende Beschichtung aufzubringen, wobei der Flüssigkeitszulauf 102 davon abgehalten wird, mit der Oberfläche der Ultraschallwandlerscheiben 120 in Kontakt zu kommen. Wenn die Ultraschallwandlerscheiben 120 eine schützende Beschichtung haben, wird der Aerosolgenerator 106 typischerweise ohne das Wasserbadvolumen 156 konstruiert, und der Flüssigkeitszulauf 102 fließt direkt über die Ultraschallwandlerscheiben 120. Beispiele derartiger schützender Beschichtungsmaterialien schließen Platin, Gold, TEFLON^TM, Epoxide und verschiedene Plastikmaterialien ein. Solch eine Beschichtung verlängert typischerweise signifikant die Wandlerlebensdauer. Wenn ohne die Trennvorrichtung 126 gearbeitet wird, produziert der Aerosolgenerator 106 ferner typischerweise das Aerosol 108 mit einer sehr viel höheren Tropfenbeladung als wenn die Trennvorrichtung 126 verwendet wird.
Die auf einer Anordnung von Ultraschallwandlern basierende Bauweise für den Aerosolgenerator 106 ist vielseitig und kann leicht modifiziert werden, um verschiedene Generatorgrößen an verschiedene Spezialanwendungen anzupassen. Der Aerosolgenerator 106 kann gebaut sein, um eine Vielzahl von Ultraschallwandlern in jeglicher zweckmäßiger Anzahl zu enthalten. Sogar für kleineren Produktionsumfang hat der Aerosolgenerator 106 jedenfalls vorzugsweise mindestens neun Ultraschallwandler, mehr bevorzugt mindestens 16 Ultraschallwandler und noch mehr bevorzugt mindestens 25 Ultraschallwandler. Für die Massenproduktion enthält der Aerosolgenerator 106 jedoch mindestens 40 Ultraschallwandler, mehr bevorzugt mindestens 100 Ultraschallwandler und noch mehr bevorzugt mindestens 400 Ultraschallwandler. In einigen Großvolumenanwendungen kann der Aerosolgenerator 106 mindestens 1000 Ultraschallwandler haben.
Die 4-21 zeigen Komponentenbauweisen für einen Aerosolgenerator 106, der eine Anordnung von 400 Ultraschallwandlern enthält. Unter Bezugnahme auf die 4 und 5 wird die Wandlermontageplatte 124 mit einem Aufbau zur Aufnahme von einer Anordnung von 400 Ultraschallwandlern gezeigt, die jeweils in vier Unteranordnungen zu 100 Ultraschallwandlern angeordnet sind. Die Wandlermontageplatte 124 hat eingebaute senkrechte Wände 172 zur Aufnahme des ultraschalldurchlässigen Fluids, typischerweise Wasser, in einem Wasserbad ähnlich dem Wasserbadvolumen 156, das zuvor mit Bezug auf 5 beschrieben wurde.
Wie in den 4 und 5 gezeigt, werden in der Wandlermontageplatte 124 vierhundert Wandlermontageanschlüsse zur Montage der Ultraschallwandler für die gewünschte Anordnung zur Verfügung gestellt. Mit Bezug auf 6 wird das Profil eines individuellen Wandlermontageanschlusses 174 gezeigt. Ein Montagesitz 176 nimmt einen Ultraschallwandler zur Montage auf, wobei ein montierter Ultraschallwandler über Schraubenlöcher 178 am Platz gehalten wird. Gegenüber dem Montageanschluss 176 befindet sich eine glockenartige Öffnung 180, durch die ein Ultraschallsignal zum Zweck der Erzeugung des Aerosols 108 übertragen werden kann, wie zuvor mit Bezug auf 2 beschrieben.
Eine bevorzugte Wandlermontagekonfiguration ist jedenfalls in 7 für eine andere Konfiguration der Wandlermontageplatte 124 gezeigt. Wie in 7 gesehen, ist eine Ultraschallwandlerscheibe 120 durch den Einsatz einer Druckschraube 177, die in einen Gewindeanschluss 179 gefädelt ist, auf die Wandlermontageplatte 124 montiert. Die Druckschraube 177 drückt gegen die Ultraschallwandlerscheibe 120, wobei ein O-Ring 181, der sich in einem O-Ring-Sitz 182 auf der Wandlermontageplatte befindet, zusammengedrückt wird, um eine Dichtung zwischen der Wandlermontageplatte 124 und der Ultraschallwandlerscheibe 120 zu bilden. Diese Art der Wandlermontage ist besonders bevorzugt, wenn die Ultraschallwandlerscheibe 120 eine schützende Oberflächenbeschichtung hat, wie zuvor diskutiert, da sich die Dichtung des O-Ringes mit der Ultraschallwandlerscheibe 120 innerhalb der äußeren Kante der schützenden Dichtung befindet, wobei Flüssigkeit davon abgehalten wird, von den Kanten der Ultraschallwandlerscheibe 120 unter die schützende Oberflächenbeschichtung zu dringen.
Unter Bezug auf 11 wird die untere Halteplatte 128 für eine 400 Wandler-Anordnung gezeigt, die einen Aufbau hat, der sich der Wandlermontageplatte 124 (gezeigt in den 4-5) anpasst. Die untere Halteplatte 128 hat achtzig Öffnungen 184, angeordnet in vier Untergruppen 186 zu jeweils zwanzig Öffnungen 184. Jede der Öffnungen 184 entspricht fünf der Wandlermontageanschlüsse 174 (gezeigt in den 4 und 5), wenn die untere Halteplatte 128 der Wandlermontageplatte 124 angepasst ist, um ein Volumen für ein Wasserbad zwischen der Wandlermontageplatte 124 und der untere Halteplatte 128 zu schaffen. Die Öffnungen 184 stellen daher einen Weg für Ultraschallsignale zur Verfügung, die durch Ultraschallwandler generiert wurden und durch die untere Halteplatte übertragen werden müssen.
Bezieht man sich jetzt auf die 9 und 10, wird ein Flüssigkeitszulaufgefäß 190 für eine 400-Wandler-Anordnung gezeigt, deren obere Halteplatte 130 entworfen wurde, um über die untere Halteplatte 128 (gezeigt in 8) zu passen, wobei eine Trennvorrichtung 126 (nicht gezeigt) zwischen der unteren Halteplatte 128 und der oberen Halteplatte 130 gehalten wird, wenn der Aerosolgenerator 106 zusammengebaut ist. Das Flüssigkeitszulaufgefäß 190 enthält auch sich vertikal ausdehnende Wände 192 zur Aufnahme des Flüssigkeitszulaufs 102, wenn der Aerosolgenerator in Betrieb ist. In den 9 und 10 werden auch der Zulaufeinlass 148 und der Zulaufauslass 152 gezeigt. Ein einstellbares Wehr 198 bestimmt während des Betriebs des Aerosolgenerators 106 das Niveau des Flüssigkeitszulaufs 102 in dem Flüssigkeitszulaufgefäß 190.
Die obere Halteplatte 130 des Flüssigkeitszulaufgefäßes 190 hat achtzig Öffnungen 194, die in vier Untergruppen 196 zu jeweils zwanzig Öffnungen 194 angeordnet sind. Die Öffnungen 194 der oberen Halteplatte 130 entsprechen in der Größe den Öffnungen 184 der unteren Halteplatte 128 (gezeigt in 8). Wenn der Aerosolgenerator 106 zusammengebaut ist, fluchten die Öffnungen in der oberen Halteplatte 130 mit den Öffnungen 184 in der unteren Halteplatte 128, um die Übertragung von Ultraschallsignalen zu gestatten, wenn der Aerosolgenerator 106 in Betrieb ist, wobei die Trennvorrichtung 126 dazwischen angeordnet ist.
Bezieht man sich jetzt auf die 9-11, erstreckt sich eine Vielzahl von Gasrohrdurchführungslöchern 202 über die sich vertikal erstreckenden Wände 192 zu beiden Seiten der Einheit, wobei der Zulaufeinlass 148 und -auslass 152 des Flüssigkeitszulaufgefäßes 190 eingeschlossen sind. Die Gasrohrdurchführungslöcher 202 sind gestaltet, um die Einführung von Gasrohren 208 der in 14 gezeigten Bauweise zu erlauben. Wenn der Aerosolgenerator 106 zusammengebaut wird, wird ein Gasrohr 208 durch jedes der Gasrohrdurchführungslöcher 202 eingeführt, so dass die Gaslieferungsmündungen 136 im Gasrohr 208 richtig positioniert und anliegend an die Öffnungen 194 in der oberen Halteplatte 130 ausgerichtet sind, um Gas zu den Zerstäubungskegeln, die sich in dem Flüssigkeitszulaufgefäß 190 während des Betriebs des Aerosolgenerators 106 entwickeln, zu liefern. Die Gaslieferungsmündungen 136 sind typischerweise Löcher, die einen Durchmesser Von etwa 1,5 Millimetern bis zu etwa 3,5 Millimetern aufweisen.
Unter Bezug auf 12 wird eine Teilansicht des Flüssigkeitszulaufgefäßes 190 gezeigt, wo die Gasleitungen 208A, 208B und 208C so positioniert sind, dass sie an den Öffnungen 194 durch die obere Halteplatte 130 anliegen. In 12 werden auch die relativen Lagen gezeigt, die Ultraschallwandlerscheiben 120 einnehmen würden, wenn der Aerosolgenerator 106 zusammengebaut ist. Wie aus 12 ersichtlich, hat das Gasrohr 208A, das sich an der Kante der Anordnung befindet, fünf Gaslieferungsmündungen 136. Jede der Gaslieferungsmündungen 136 ist angeordnet, um Trägergas 104 zu einem jeweils anderen Zerstäubungskegel abzulenken, die sich über der Anordnung der Ultraschallwandlerscheiben 120 entwickeln, wenn der Aerosolgenerator 106 in Betrieb ist. Das Gasrohr 208B, das sich eine Reihe von der Kante der Anordnung befindet, ist ein kürzeres Rohr, das zehn Gaslieferungsmündungen 136 hat, jeweils fünf auf gegenüberliegenden Seiten des Gasrohrs 208B. Daher hat das Gasrohr 208B Gaslieferungsmündungen 136 zur Lieferung von Gas zu Zerstäubungskegeln, die jeder von zehn Ultraschallwandlerscheiben 120 entsprechen. Das dritte Gasrohr 208C ist ein längeres Rohr, das auch zehn Gaslieferungsmündungen 136 zur Lieferung von Gas an Atomisierungskegel hat, die zehn Ultraschallwandlerscheiben 120 entsprechen. Der in 12 gezeigte Aufbau enthält deshalb eine Gaslieferungsmündung 136 pro Ultraschallwandlerscheibe 120. Obwohl dies eine niedrigere Dichte von Gaslieferungsmündungen 136 als für die Ausführung des in 2 gezeigten Aerosolgenerators 106 ist, der zwei Gaslieferungsmündungen pro Ultraschallwandlerscheibe 120 enthält, ist der in 12 gezeigte Aufbau nichtsdestoweniger in der Lage, ein dichtes Hochqualitätsaerosol ohne unnötige Verschwendung von Gas zu produzieren.
Mit Bezug auf 13 wird die Strömung des Trägergases 104 relativ zu Zerstäubungskegeln 162 während des Betriebs des Aerosolgenerators 106 gezeigt, der eine Gasverteilungskonfiguration zur Lieferung von Trägergas 104 von den Gaslieferungsmündungen 136 auf beiden Seiten der Gasrohre 208 hat, wie es für die Gasrohre 208A, 208B und 208C in der in 11 gezeigten Gasverteilungskonfiguration gezeigt wurde. Das Trägergas streicht über beide Richtungen von jeder der Gasleitungen 208.
Eine Alternative und bevorzugte Strömung des Trägergases 104 ist in 14 gezeigt. Wie in 14 gezeigt, wird das Trägergas 104 nur von einer Seite von jeder der Gasleitungen 208 geliefert. Dies resultiert in einem Streichen des Trägergases von allen Gasleitungen 208 zu einer zentralen Fläche 212. Dies ergibt ein gleichmäßigeres Strömungsmuster für die Aerosolerzeugung, was die Effizienz signifikant erhöhen kann, mit der das Trägergas 104 verwendet wird, um ein Aerosol zu produzieren. Das erzeugte Aerosol neigt deswegen dazu, schwerer mit Flüssigkeitstropfen beladen zu sein.
Eine andere Konfiguration zur Verteilung von Trägergas im Aerosolgenerator 106 ist in den 15 und 16 gezeigt. In dieser Konfiguration hängen die Gasrohre 208 von einer Gasverteilungsplatte 216 und liegen dabei neben Gasströmungslöchern 218 durch die Gasverteilungsplatte 216. Im Aerosolgenerator 106 würde die Gasverteilungsplatte 216 über dem Flüssigkeitszulauf montiert werden, wobei die Gasströmungslöcher so positioniert sind, dass sie jeweils einem darunterliegenden Ultraschallwandler entsprechen. Unter spezieller Bezugnahme auf 16: Wenn sich der Ultraschallgenerator 106 in Betrieb befindet, entwickeln sich Zerstäubungskegel 162 durch die Gasströmungslöcher 218, und die Gasrohre sind derart angeordnet, dass aus den Mündungen in den Gasrohren 208 austretendes Trägergas 104 auf die Zerstäubungskegel 162 auftrifft und aufwärts durch die Gasströmungslöcher fließt. Die Gasströmungslöcher 218 wirken daher unterstützend bei der effizienten Verteilung des Trägergases 104 über die Zerstäubungskegel 162 zur Aerosolbildung. Es sollte wahrgenommen werden, dass die Gasverteilungsplatten 218 konstruiert werden können, um jede Anzahl von Gasrohren 208 und Gasströmungslöchern 218 aufzunehmen. Zur Darstellungsvereinfachung zeigt die in den 15 und 16 gezeigte Ausführung einen Aufbau, der nur zwei der Gasrohre 208 und nur 16 der Gasströmungslöcher 218 hat. Außerdem sollte man sich dessen bewusst sein, dass die Gasverteilungsplatte 216 alleine verwendet werden kann, ohne die Gasrohre 208. In diesem Fall wird ein leicht positiver Druck des Trägergases 104 unter der Gasverteilungsplatte 216 beibehalten, und die Gasströmungslöcher 218 würden so gestaltet werden, dass die geeignete Geschwindigkeit des Trägergases 104 durch die Gasströmungslöcher 218 zur effizienten Aerosolerzeugung beibehalten wird. Wegen der relativen Komplexität des Betriebs in diesem Modus ist er jedoch nicht bevorzugt.
Die Aerosolerzeugung kann auch dadurch verstärkt werden, dass Ultraschallwandler in einem leichten Winkel montiert werden und dass das Trägergas zu sich ergebenden Zerstäubungskegeln geleitet wird, so dass sich die Zerstäubungskegel in derselben Richtung wie die Strömungsrichtung des Trägergases neigen. Mit Bezug auf 17 wird eine Ultraschallwandlerscheibe 120 gezeigt. Die Ultraschallwandlerscheibe 120 ist in einem Neigungswinkel 114 (typischerweise weniger als 10 Grad) geneigt, so dass der Zerstäubungskegel 162 auch eine Neigung haben wird. Es ist bevorzugt, dass die auf den Zerstäubungskegel 162 gerichtete Strömungsrichtung des Trägergases 104 in derselben Richtung liegt wie die Neigung des Zerstäubungskegels 162.
Unter Bezugnahme auf die 18 und 19 ist ein Gasverteiler 220 zur Gasverteilung in die Gasrohre 208 in einem 400-Wandler-Aufbau gezeigt. Der Gasverteiler 220 enthält ein Gasverteilungsgefäß 222 und Rohrleitungsstutzen 224 für den Anschluss von Gasrohren 208 (gezeigt in 11). In dem Gasverteilungsgefäß 222 gibt es zwei Gasverteilungsplatten 226, die einen Strömungsweg bilden, um bei der gleichmäßigen Verteilung des Gases über das Gasverteilungsgefäß 222 zu helfen, dies zur grundsätzlichen Förderung einer im Wesentlichen gleichmäßigen Lieferung von Gas durch die Rohrleitungsstutzen 224. Der Gasverteiler 220, wie gezeigt in den 18 und 19, ist bemessen, um elf Gasrohre 208 zu speisen. Für den 400-Wandler-Aufbau werden insgesamt vier Gasverteiler 220 benötigt.
Beziehen wir uns jetzt auf die 20 und 21, wird der Generatordeckel 140 für einen 400-Wandler-Anordungsaufbau gezeigt. Der Generatordeckel 140 passt zum Flüssigkeitszulaufgefäß 190 (wie gezeigt in den 9 und 10) und deckt dieses ab. Der Generatordeckel 140, wie gezeigt in den 20 und 21, hat einen Haubenaufbau, um eine leichte Sammlung des Aerosols 108 zu gestatten, ohne Tropfen in dem Aerosol 108 scharten Kanten auszusetzen, an denen Tropfen zusammenfließen und verloren gehen könnten und möglicherweise den richtigen Betrieb des Aerosolgenerators 106 störend beeinflussen könnten. Wenn der Aerosolgenerator 106 in Betrieb ist, wird das Aerosol 108 durch die Aerosolaustrittsöffnung 164 durch den Generatordeckel 140 entzogen.
Obwohl der Aerosolgenerator 106 ein Hochqualitätsaerosol 108 erzeugt, das eine hohe Tropfenbeladung hat, ist es oft wünschenswert, das Aerosol 108 vor der Einführung in den Ofen 110 zu konzentrieren. Unter Bezug auf 22 wird ein Verfahrensfließschema für eine Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die solch eine Konzentrierung des Aerosols 108 einschließt. Wie in 22 gezeigt, wird das Aerosol 108 von dem Aerosolgenerator 106 zu einem Aerosolkonzentrator 236 geschickt, wo überschüssiges Trägergas 238 dem Aerosol 108 entzogen wird, um ein konzentriertes Aerosol 240 zu produzieren, womit dann der Ofen 110 gespeist wird.
Der Aerosolkonzentrator 236 enthält typischerweise einen oder mehrere virtuelle Impaktoren, die in der Lage sind, die Tropfen im Aerosol 108 um einen Faktor größer als etwa 2, vorzugsweise um einen Faktor größer als etwa 5 und mehr bevorzugt um einen Faktor größer als etwa 10 zu konzentrieren, um das konzentrierte Aerosol 240 zu erzeugen. Erfindungsgemäß sollte das konzentrierte Aerosol 240 typischerweise mehr als etwa 1 × 10⁷ Tropfen pro Kubikzentimeter und mehr bevorzugt etwa 5 × 10⁷ Tropfen bis zu etwa 5 × 10⁸ Tropfen pro Kubikzentimeter enthalten. Eine Konzentration von etwa 1 × 10⁸ Tropfen pro Kubikzentimeter des konzentrierten Aerosols ist besonders bevorzugt, da bei einer schwereren Beladung des konzentrierten Aerosols 240 die Häufigkeit von Kollisionen zwischen Tropfen groß genug wird, um die Eigenschaften des konzentrierten Aerosols 240 zu verschlechtern, was in einer möglichen Kontamination des partikulären Produktes 116 mit einer uner wünscht großen Menge von übergroßen Teilchen resultiert. Wenn beispielsweise das Aerosol 108 eine Konzentration von etwa 1 × 10⁷ Tropfen pro Kubikzentimeter hat und der Aerosolkonzentrator 236 die Tropfen um einen Faktor 10 konzentriert, hat das konzentrierte Aerosol 240 dann eine Konzentration von etwa 1 × 10⁸ Tropfen pro Kubikzentimeter. Es wird ein anderer Weg angegeben, wenn der Aerosolgenerator zum Beispiel ein Aerosol 108 mit einer Tropfenbeladung von etwa 0,167 Millilitern Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104 erzeugt, ist das konzentrierte Aerosol 240 mit etwa 1,67 Millilitern Flüssigkeitszulauf 102 pro Liter Trägergas 104 beladen, in der Annahme dass das Aerosol 108 um einen Faktor 10 konzentriert wird.
Eine hohe Tropfenbeladung in der Aerosolzufuhr in den Ofen liefert den wichtigen Vorteil, die Heizanforderung an den Ofen 110 und die Größe der benötigten Strömungsleitungen durch den Ofen zu reduzieren. Ebenso schließen andere Vorteile eines dichten Aerosols eine Minderung der Anforderungen an Kühl- und Teilchensammelkomponenten ein, was signifikante Ausrüstungs- und Betriebsersparnisse bedeutet. Weiterhin ist mit der Größenreduzierung der Systemkomponenten der Pulverstau innerhalb des Systems reduziert, was ebenfalls wünschenswert ist. Konzentrierung des Aerosolstroms vor dem Eintritt in den Ofen 110 stellt daher einen wesentlichen Vorteil gegenüber Verfahren dar, die weniger konzentrierte Aerosolströme verwenden.
Das überschüssige Trägergas 238, das im Aerosolkonzentrator 236 entfernt wird, enthält typischerweise extrem kleine Tropfen, die ebenfalls aus dem Aerosol 108 entfernt werden. Vorzugsweise haben die mit dem überschüssigen Trägergas 238 entfernten Tropfen ein Gewichtsmittel der Größe von weniger als etwa 1,5 μm, mehr bevorzugt weniger als etwa 1 μm, und die in dem konzentrierten Aerosol 240 zurückgehaltenen Tropfen haben eine mittlere Tropfengröße von mehr als 2 μm. Zum Beispiel kann ein zur Behandlung von einem Aerosolstrom mit einem Gewichtsmittel der Tropfengröße von etwa drei μm bemessener virtueller Impaktor realisiert werden, um mit dem überschüssigen Trägergas 238 die meisten Tropfen, die größenmäßig kleiner sind als etwa 1,5 μm, zu entfernen. Andere Gestaltungen sind ebenso möglich. Wenn der Aerosolgenerator 106 mit dieser Erfindung verwendet wird, macht der Verlust dieser sehr kleinen Tropfen in dem Aerosolkonzentrator 236 typischerweise jedoch nicht mehr als etwa 10 Gewichtsprozent aus, und mehr bevorzugt nicht mehr als etwa 5 Gewichtsprozent der Tropfen, die ursprünglich in dem Aerosolstrom vorlagen, der den Konzentrator 236 speist. Obwohl der Aerosolkonzentrator 236 in einigen Situationen nützlich ist, wird er normalerweise im Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht benötigt, da der Aerosolgenerator 106 in den meisten Situationen in der Lage ist, einen Aerosolstrom zu erzeugen, der ausreichend dicht ist. So lange der aus dem Aerosolgenerator 106 stammende Aerosolstrom ausreichend dicht ist, wird bevorzugt, dass der Aerosolkonzentrator nicht verwendet wird. Es ist ein erheblicher Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass der Aerosolgenerator 106 normalerweise einen so dichten Aerosolstrom erzeugt, dass der Aerosolkonzentrator 236 nicht gebraucht wird. Daher können die Komplexität des Betriebs des Aerosolkonzentrators 236 und begleitende Flüssigkeitsverluste typischerweise vermieden werden.
Es ist wichtig, dass der Aerosolstrom (ob er nun verdichtet worden ist oder nicht), mit dem der Ofen 110 gespeist wird, einen hohen Tropfendurchfluss und eine hohe Tropfenbeladung hat, wie es für die meisten industriellen Anwendungen gefordert wird. Erfindungsgemäß enthält der dem Ofen zugeführte Aerosolstrom vorzugsweise eine Tropfenströmung von mehr als etwa 0,5 Litern pro Stunde, mehr bevorzugt von mehr als etwa 2 Litern pro Stunde, noch mehr bevorzugt von mehr als etwa 5 Litern pro Stunde und sogar noch mehr bevorzugt von mehr als etwa 10 Litern pro Stunde, insbesondere von mehr als etwa 50 Litern pro Stunde und am meisten bevorzugt von mehr als etwa 100 Litern pro Stunde; und mit einer Tropfenbeladung, die typischerweise größer ist als etwa 0,04 Milliliter Tropfen pro Liter Trägergas, vorzugsweise größer als etwa 0,083 Milliliter Tropfen pro Liter Trägergas 104, mehr bevorzugt größer als etwa 0,167 Milliliter Tropfen pro Liter Trägergas 104, noch mehr bevorzugt größer als etwa 0,25 Milliliter Tropfen pro Liter Trägergas 104, insbesondere größer als etwa 0,33 Milliliter Tropfen pro Liter Trägergas 104 und am meisten bevorzugt größer als etwa 0,83 Milliliter Tropfen pro Liter Trägergas 104.
Eine Ausführung eines virtuellen Impaktors, der als der Aerosolkonzentrator 236 genutzt werden könnte, wird nun mit Bezug auf die 23-29 beschrieben. Ein virtueller Impaktor 246 enthält ein vorgeschaltetes Plattenbauteil 248 (Details gezeigt in den 24-26) und ein nachgeschaltetes Plattenbauteil 250 (Details gezeigt in den 21-39), mit einer zwischen dem vorgeschalteten Plattenbauteil (248) und dem nachgeschalteten Plattenbauteil (250) angeordneten Konzentrierkammer (262).
In dem vorgeschalteten Plattenbauteil 248 gibt es eine Vielzahl sich vertikal erstreckender Einlassschlitze 254. Das nachgeschaltete Plattenbauteil 250 enthält eine Vielzahl von sich vertikal erstreckenden Auslassschlitzen 256, die mit den Einlassschlitzen 254 fluchten. Die Auslassschlitze 256 sind allerdings leicht breiter als die Einlassschlitze 254. Das nachgeschaltete Plattenbauteil 250 enthält auch Strömungskanäle 258, die sich im Wesentlichen über die Breite des gesamten nachgeschalteten Plattenbauteils 250 erstrecken, wobei jeder Strömungskanal 258 an eine Öffnung 260 zum Entzug überschüssigen Gases angrenzt.
Während des Betriebs tritt das Aerosol 108 durch die Einlassschlitze 254 in die Konzentrierkammer 262 ein. Überschüssiges Trägergas 238 wird aus der Konzentrierkammer 262 über die Öffnungen 260 zum Entzug überschüssigen Gases entzogen. Das entzogene überschüssige Trägergas 238 tritt dann über einen Gasleitungsanschluss 264 aus. Der Anteil des Aerosols 108, der nicht über die Öffnungen 260 für den Entzug überschüssigen Gases entzogen worden ist, passiert die Auslassschlitze 256 und die Strömungskanäle 258, um das konzentrierte Aerosol 240 zu bilden. Diese die Konzentrierkammer 262 und die Auslassschlitze passierenden 256 Tropfen sind jene Tropfen einer Größe, die ausreichend ist, um eine ausreichende Bewegungsenergie zu besitzen, dem Entzug mit dem überschüssigen Trägergas 238 zu widerstehen.
Wie am besten in den 24-29 gesehen werden kann, enthalten die Einlassschlitze 254 des vorgeschalteten Plattenbauteils 248 Einlassdüsenerweiterungsteile 266, die sich von der Plattenoberfläche 268 des vorgeschalteten Plattenbauteils 248 nach außen erstrecken. Die Austrittsschlitze 256 des nachgeschalteten Plattenbauteils 250 enthalten Austrittsdüsenerweiterungsteile 270, die sich von ei ner Plattenoberfläche 272 des nachgeschalteten Plattenbauteils 250 nach außen erstrecken. Diese Düsenerweiterungsteile 266 und 270 sind wichtig für den Betrieb des virtuellen Impaktors 246, da das Vorhandensein dieser Düsenerweiterungsteile 266 und 270 sehr enge Abstände gestattet, die zwischen den Einlassschlitzen 254 und den Austrittsschlitzen 256 über die Konzentrierkammer 262 erreicht werden, wobei außerdem ein relativ großer Raum in der Konzentrierkammer bereitgestellt wird, um die effiziente Entfernung des überschüssigen Trägergases 238 zu erleichtern.
Wie auch am besten ersichtlich aus den 24-29, haben die Einlassschlitze 254 Breiten, die sich nach außen zu der Seite des vorgeschalteten Plattenbauteils 248 aufweiten, die vom Aerosol 108 während des Betriebs zuerst angetroffen wird. Diese aufgeweitete Konfiguration reduziert die Schärfe der vom Aerosol 108 getroffenen Oberflächen, wobei der Aerosoltropfenverlust und ein möglicher störender Einfluss vom Flüssigkeitsaufbau, die auftreten können, wenn scharfe Oberflächen vorliegen, reduziert werden. Gleichfalls haben die Austrittsschlitze 256 eine Breite, die sich nach außen zu den Strömungskanälen 258 aufweitet, wobei dem konzentrierten Aerosol 240 gestattet wird, sich in die Strömungskanäle 258 auszudehnen, ohne scharfe Kanten anzutreffen, die Probleme bereiten könnten.
Wie zuvor dargelegt, erstrecken sich sowohl die Einlassschlitze 254 des vorgeschalteten Plattenbauteils 248 und die Austrittsschlitze 256 des nachgeschalteten Plattenbauteils vertikal. Die Konfiguration ist vorteilhaft, um der Flüssigkeit, die sich um die Ein- und 254 Auslassschlitze 256 ansammelt, das Ablaufen zu gestatten. Die Einlass- 254 und Austrittsschlitze 256 brauchen jedoch keine perfekte vertikale Ausrichtung zu haben. Vielmehr ist es oft wünschenswert, die Schlitze nach hinten um etwa fünf bis zehn Grad relativ zur Vertikalen abzuschrägen (wobei sie in der Strömungsrichtung aufwärts weggeschrägt sind), um das Abfließen von Flüssigkeit von dem vorgeschalteten Plattenbauteil 248 und dem nachgeschalteten Plattenbauteil 250 zu erhöhen. Diese Abflussfunktion der sich vertikal erstreckenden Konfiguration der Einlassschlitze 254 und der Auslassschlitze 256 verhindert auch den Flüssigkeitsaufbau in der Nähe der Einlassschlitze 248 und der Auslassschlitze 250, wobei der Flüssigkeitsaufbau in der Freisetzung von unerwünscht großen Tropfen in das konzentrierte Aerosol 240 resultieren könnte.
Wie zuvor diskutiert, erzeugt der Aerosolgenerator 106 der vorliegenden Erfindung ein konzentriertes Hochqualitätsaerosol von Mikrotropfen, die eine relativ enge Größenverteilung haben. Es ist jedenfalls festgestellt worden, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung für viele Anwendungen signifikant verbessert wird durch die weitere Größenfraktionierung der Tropfen im Aerosol 108, bevor die Tropfen dem Ofen 110 zugeführt werden. Auf diese Weise werden die Größe und die Größenverteilung der Teilchen in dem partikulären Produkt 116 weiter kontrolliert.
Unter Bezug auf 30 wird ein Verfahrensfließschema für eine Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gezeigt, das eine derartige Tropfenfraktionierung beinhaltet. Wie in 30 gezeigt, begibt sich das Aerosol 108 vom Aerosolgenerator 106 zu einer Tropfenfraktioniereinrichtung 280, wo übergroße Tropfen aus dem Aerosol 108 entfernt werden, um ein fraktioniertes Aerosol 282 zu bilden. Flüssigkeit 284 von den übergroßen Tropfen, die entfernt werden, fließt von der Tropfenfraktioniereinrichtung 280 ab. Diese abgelaufene Flüssigkeit 284 kann vorteilhafter Weise zur Nutzung in der Herstellung von zusätzlichem Flüssigkeitszulauf 102 wieder verwendet werden.
Jede geeignete Tropfenfraktioniereinrichtung kann zum Entfernen von Tropfen oberhalb einer vorgegebenen Größe verwendet werden. Zum Beispiel kann zur Entfernung von übergroßen Tropfen ein Zyklon verwendet werden. Eine bevorzugte Tropfenfraktioniereinrichtung für viele Anwendungen ist jedoch ein Impaktor. Eine Ausführung eines Impaktors zur Nutzung in der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 31-35 jetzt beschrieben.
Wie in 31 gesehen, sind in einem Impaktor 288 in einer Strömungsleitung 286 eine Durchflussregelplatte 290 und ein Impaktorplattenbauteil 292 angeordnet. Die Durchflussregelplatte 290 ist in geeigneter Weise auf einer Montageplatte 294 montiert.
Die Durchflussregelplatte 290 wird verwendet, um den Fluss des Aerosolstromes zum Impaktorplattenbauteil 292 derart zu kanalisieren, dass kontrollierte Strömungscharakteristiken vorliegen, die für einen geeigneten Aufprall von übergroßen Tropfen auf das Impaktorplattenbauteil 292 zur Entfernung über die Ableitungen 296 und 314 wünschenswert sind. Eine Ausführung der Durchflussregelplatte 290 ist in 32 gezeigt. Die Durchflussregelplatte 290 hat eine Anordnung von kreisförmigen Strömungsöffnungen 296 zur Kanalisierung der Strömung des Aerosols 108 zum Impaktorplattenbauteil 292, dies mit den gewünschten Strömungseigenschaften.
Details der Montageplatte 294 sind in 33 gezeigt. Die Montageplatte 294 hat einen Montageflansch 298 mit einer diesen passierenden Strömungsöffnung 300 großen Durchmessers, um den Zutritt des Aerosols 108 zu den Strömungsmündungen 296 der Durchflussregelplatte 290 (gezeigt in 32) zu erlauben.
Mit Bezug auf die 34 und 35 wird eine Ausführung eines Impaktorplattenbauteils 292 gezeigt. Das Impaktorplattenbauteil 292 enthält eine Impaktorplatte 302 und Montagebügel 304 und 306, um die Impaktorplatte 302 innerhalb der Strömungsleitung 286 zu montieren. Die Impaktorplatte 302 und die Strömungskanalisierungsplatte 290 sind so gestaltet, dass die Tropfen, die eine vorgegebene Größe überschreiten, einen Impuls haben, der zu groß ist für diese Teilchen, die Fließrichtung zu ändern, um die Impaktorplatte 302 zu umschiffen.
Während des Betriebs des Impaktors 288 passiert das Aerosol 108 vom Aerosolgenerator 106 die vorgeschaltete Durchflussregelplatte 290. Die meisten Tropfen im Aerosol umschiffen die Impaktorplatte 302 und verlassen den Impaktor 288 durch die nachgeschaltete Durchflussregelplatte 290 in dem fraktionierten Aerosol 282. Tropfen im Aerosol 108, die zu groß sind, um die Impaktorplatte 302 zu umschiffen, treffen auf die Impaktorplatte 302 und fließen durch die Ableitung 296 ab, um mit der abgeflossenen Flüssigkeit 284 (wie gezeigt in 31) gesammelt zu werden.
Die Konfiguration der in 30 gezeigten Impaktorplatte 302 stellt nur eine von vielen möglichen Konfigurationen für die Impaktorplatte 302 dar. Der Impaktor 288 könnte zum Beispiel eine vorgeschaltete Durchflussregelplatte 290 enthalten, die sich durch sie vertikal erstreckende Strömungsschlitze 290 hat, die gegenüber sich vertikal durch die Aufprallplatte 302 erstreckenden Strömungsschlitzen versetzt sind, so dass Tropfen, die zu groß sind, dem Strömungswechsel aufgrund der Versetzung der Strömungsschlitze zwischen der Durchflussregelplatte 290 und der Impaktorplatte 302 zu folgen, auf die Impaktorlplatte 302 auftreffen, um abgeleitet zu werden. Andere Gestaltungen sind ebenso möglich.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Tropfenfraktioniereinrichtung 280 typischerweise gestaltet, um Tropfen vom Aerosol 108 zu entfernen, die größenmäßig größer als etwa 15 μm sind, mehr bevorzugt um Tropfen größer als etwa 10 μm in der Größe zu entfernen, und noch mehr bevorzugt um Tropfen einer Größe von mehr als etwa 8 μm zu entfernen und am meisten bevorzugt, um Tropfen zu entfernen, die größer sind als etwa 5 μm. Die Tropfenfraktioniergröße in der Tropfenfraktioniereinrichtung ist vorzugsweise kleiner als etwa 15 μm, mehr bevorzugt kleiner als etwa 10 μm, noch mehr bevorzugt kleiner als etwa 8 μm und am meisten bevorzugt kleiner als etwa 5 μm. Die Fraktioniergröße, auch Fraktioniertrennpunkt genannt, ist die Größe, bei der die Hälfte der Tropfen dieser Größe entfernt werden und die Hälfte der Tropfen dieser Größe zurückgehalten werden. Abhängig von der spezifischen Anwendung kann die Fraktioniergröße jedoch variiert werden, wie z. B. durch Änderung des Abstandes zwischen der Impaktorplatte 302 und der Durchflussregelplatte 290 oder durch Steigerung oder Verringerung der Aerosolgeschwindigkeit durch die Düsen in der Durchflussregelplatte 290. Da der Aerosolgenerator 106 der vorliegenden Erfindung von Beginn an ein Hochqualitätsaerosol 108 erzeugt, das eine relativ enge Größenverteilung der Tropfen hat, werden typischerweise weniger als etwa 30 Gewichtsprozent des Flüssigkeitszulaufs 102 aus dem Aerosol 108 als abgeleitete Flüssigkeit 284 in der Tropfenfraktioniereinrichtung 288 entfernt, wobei bevorzugt weniger als etwa 25 Gewichtsprozent entfernt werden, noch mehr bevorzugt weniger als etwa 20 Gewichtsprozent entfernt werden und am meisten bevorzugt weniger als etwa 15 Gewichtsprozent entfernt werden. Das Minimieren der Entfernung von Flüssigkeitszulauf 102 vom Aerosol 108 ist besonders wichtig für die gewerbliche Anwendung, um die Ausbeute an partikulärem Produkt hoher Qualität 116 zu erhöhen. Es sollte allerdings zur Kenntnis genommen werden, dass es wegen der höheren Leistung des Aerosolgenerators 106 häufig nicht nötig ist, einen Impaktor oder eine andere Tropfenfraktioniereinrichtung zu verwenden, um eine gewünschte Abwesenheit von übergroßen Tropfen im Ofen zu erhalten. Dies ist ein Hauptvorteil, da die zusätzliche Komplexität und Flüssigkeitsverluste, die die Verwendung eines Impaktors begleiten, durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung oft vermieden werden können.
Manchmal ist es wünschenswert, sowohl den Aerosolkonzentrator 236 als auch die Tropfenfraktioniereinrichtung 280 zu nutzen, um einen Aerosolstrom extrem hoher Qualität für die Einführung in den Ofen zur Erzeugung von Teilchen hoch kontrollierter Größe und Größenverteilung zu erzeugen. Mit Bezug auf 36 wird eine Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt, die den virtuellen Impaktor 246 und den Impaktor 288 enthält. Basiskomponenten des virtuellen Impaktors 246 und des Impaktors 288, wie gezeigt in 36, sind im Wesentlichen so wie zuvor mit Bezug auf die 26-38 beschrieben. Wie in 36 gesehen, wird das Aerosol 108 vom Aerosolgenerator 106 dem virtuellen Impaktor 246 zugeführt, wo der Aerosolstrom konzentriert wird, um das konzentrierte Aerosol 240 zu erzeugen. Das konzentrierte Aerosol 240 wird dann dem Impaktor 288 zugeführt, um große Tropfen daraus zu entfernen und das fraktionierte Aerosol 282 zu erzeugen, das dann dem Ofen 110 zugeführt werden kann. Es sollte auch bemerkt werden, dass durch die Verwendung sowohl eines virtuellen Impaktors als auch eines Impaktors sowohl unerwünscht große als auch unerwünscht kleine Tropfen entfernt werden, wobei ein fraktioniertes Aerosol mit einer sehr nahen Tropfengrößenverteilung erzeugt wird. Ebenso können die Reihenfolge vom Aerosolkonzentrator und der Aerosolfraktioniereinrichtung umgekehrt werden, so dass der Aerosolkonzentrator 236 der Aerosolfraktioniereinrichtung 280 folgt.
Ein wichtiges Merkmal der Gestaltung aus 36 ist die Einfügung von Ableitungen 310, 312, 314, 316 und 296 an strategischen Positionen. Diese Ableitungen sind sehr wichtig für die Teilchenproduktion im industriellen Maßstab, da der Flüssigkeitsaufbau in der Verfahrensausrüstung die Qualität des erzeugten partikulären Produktes 116 mindert. In diesem Zusammenhang leitet die Ableitung 310 Flüssigkeit von der Einlassseite des ersten Plattenbauteils 248 des virtuellen Impaktors 246 weg. Die Ableitung 312 leitet Flüssigkeit vom Inneren der Konzentrierkammer 262 im virtuellen Impaktor 246 weg, und die Ableitung 314 entfernt Flüssigkeit, die sich aus dem überschüssigen Trägergas 238 absetzt. Die Ableitung 316 entfernt Flüssigkeit aus der Nähe der Einlassseite der Durchflussregelplatte 290 des Impaktors, während die Ableitung 296 Flüssigkeit aus der Nähe der Impaktorplatte 302 entfernt. Ohne diese Ableitungen 310, 312, 314, 316 und 296 würde die Leistung des in 36 gezeigten Apparates deutlich geschwächt werden. Alle in den Ableitungen 310, 312, 314, 316 und 296 abgeleiteten Flüssigkeiten können vorteilhafterweise zur Verwendung bei der Herstellung des Flüssigkeitszulaufs 102 wiederverwertet werden.
Bei einigen Anwendungen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung kann es möglich sein, die Teilchen 112 direkt vom Auslass des Ofens 110 zu sammeln. Öfter jedoch wird es wünschenswert sein, die den Ofen 110 verlassenden Teilchen 112 vor der Sammlung der Teilchen 112 im Teilchenkollektor 114 zu kühlen. Mit Bezug auf 37 wird eine Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gezeigt, in der die den Ofen 110 verlassenden Teilchen 112 zu einem Teilchenkühler 320 geschickt werden, um einen gekühlten Teilchenstrom 322 zu erzeugen, der dann dem Teilchenkollektor 114 zugeführt wird. Obwohl der Teilchenkühler 320 jeder Kühlapparat sein kann, der in der Lage ist, die Teilchen 112 auf die für die Einführung in den Teilchenkollektor 114 gewünschte Temperatur zu kühlen, sind traditionelle Wärmeaustauschergeräte nicht bevorzugt. Dies weil eine traditionelle Wärmeaustauscherbauweise gewöhnlich den Aerosolstrom, in dem die heißen Teilchen 112 suspendiert sind, direkt kalten Oberflächen aussetzt. In dieser Situation treten deutliche Verluste der Teilchen 112 wegen der thermophoretischen Ablagerung der heißen Teilchen 112 auf den kalten Oberflächen des Wärmeaustauschers auf. Erfindungsgemäß wird ein Gasquenchapparat zur Verwendung als Teilchenkühler 320 zur Verfügung gestellt, der die thermophoretischen Verluste im Vergleich zu einem traditionellen Wärmeaustauscher erheblich reduziert.
Mit Bezug auf die 38-40 ist eine Ausführung eines Gasquenchkühlers 330 gezeigt. Der Gasquenchkühler enthält eine perforierte Leitung 332, die in einem Kühlergehäuse 334 mit einem zwischen dem Kühlergehäuse 334 und der perforierten Leitung 332 angeordneten ringförmigen Raum beherbergt ist. In Fluidkommunikation mit dem ringförmigen Raum 336 ist eine Quenchgaseinlassbox 338, in der ein Teil einer Aeroslauslassleitung 340 angeordnet ist. Die perforierte Leitung 332 erstreckt sich zwischen der Aerosolauslassleitung 340 und einer Aerosoleinlassleitung 342. Zwei Quenchgaszuführungsrohre 344 sind an eine Öffnung in die Quenchgaseinlassbox 338 angeschlossen. Mit speziellem Bezug auf 40 ist das perforierte Rohr 332 gezeigt. Das perforierte Rohr 332 hat eine Vielzahl von Öffnungen 345. Die Öffnungen 345 gestatten die Strömung des Quenchgases 346 vom kreisförmigen Raum 336 in den Innenraum 348 der perforierten Leitung 332, wenn die perforierte Leitung 332 in den Gasquenchkühler 330 eingebaut ist. Auch wenn die Öffnungen 345 als runde Löcher gezeigt sind, kann jede Öffnungsform genutzt werden, wie z. B. Schlitze. Die perforierte Leitung 332 kann ein poröses Sieb sein. Zwei Wärmestrahlungsschilder 347 vermeiden stromabwärtige Strahlungsheizung vom Ofen. In den meisten Fällen jedoch ist es nicht nötig, Wärmestrahlungsschilder 347 einzuschließen, da das stromabwärtige Strahlungsheizen vom Ofen normalerweise kein bedeutendes Problem ist. Die Verwendung von Wärmestrahlungsschildern 347 ist wegen Teilchenverlusten, die ihre Verwendung begleiten, nicht bevorzugt.
Mit weiterem Bezug auf die 38-40 wird jetzt die Funktion des Gasquenchkühlers 330 beschrieben. Während des Betriebs treten die vom Gasstrom transportierten und in ihm dispergierten Teilchen 112 den Gasquenchkühler 330 durch die Aerosoleinlassleitung 342 ein und fließen in den Innenraum 348 der perforierten Leitung 332. Quenchgas 346 wird durch die Quenchgaszuführungsrohre 344 in die Quenchgaseinlassbox 338 eingeführt. Das in die Quenchgaseinlassbox 338 eintretende Quenchgas 346 trifft auf die äußere Oberfläche der Aerosolauslassleitung 340, wobei das Quenchgas 346 gezwungen wird, in spiraliger, wirbelnder Weise in den kreisförmigen Raum 336 zu fließen, wo das Quenchgas 346 durch die Öffnungen 345 durch die Wände der perforierten Leitung 332 fließt. Vorzugsweise behält das Gas 346 eine Wirbelbewegung sogar nach dem Passieren in den Innenraum 348 bei. Auf diesem Weg werden die Teilchen 112 schnell gekühlt, mit geringen Verlusten von Teilchen an die Wände des Gasquenchkühlers 330. Auf diese Weise tritt das Quenchgas 346 in einer radialen Richtung in den Innenraum 348 der perforierten Leitung 332 um die gesamte Peripherie oder den gesamten Umfang der perforierten Leitung 332 herum und über die gesamte Länge der perforierten Leitung 332 ein. Das kalte Quenchgas vermischt sich mit den heißen Teilchen 112 und kühlt sie, die dann durch die Aerosolauslassleitung 340 als der gekühlte Teilchenstrom 322 austreten. Der gekühlte Teilchenstrom 322 kann dann zum Teilchenkollektor 114 zur Teilchensammlung geschickt werden. Die Temperatur des gekühlten Teilchenstromes 322 wird kontrolliert durch den Einlass von mehr oder weniger Quenchgas. Wie in 38 gezeigt, wird das Quenchgas 346 außerdem im Gegenstrom zur Strömung der Teilchen dem Quechkühler 330 zugeführt. Alternativ kann der Quenchkühler so gestaltet sein, dass das Quenchgas 346 im Konkurrenzstrom zur Strömung der Teilchen in den Quenchkühler geführt wird. Die Menge des dem Quenchkühler 330 zugeführten Quenchgases 346 hängt von seinem spezifischen Material und den spezifischen Betriebsbedingungen ab. Die Menge des verwendeten Quenchgases 346 muss jedoch ausreichend sein, um die Temperatur des die Teilchen 112 enthaltenden Aerosolstroms auf die gewünschte Temperatur zu kühlen. Typischerweise werden die Teilchen auf eine Temperatur von mindestens unter etwa 200°C und oft niedriger gekühlt. Die einzige Beschränkung dafür, wie stark die Teilchen 112 gekühlt werden, besteht darin, dass der gekühlte Teilchenstrom 322 eine Temperatur haben muss, die oberhalb der Kondensationstemperatur für Wasser als einem anderen kondensierbaren Dampf im Strom liegt. Die Temperatur des gekühlten Teilchenstromes 322 ist oft eine Temperatur von etwa 50°C bis zu etwa 120°C.
Wegen des Eintritts von Quenchgas 346 in den Innenraum 348 der perforierten Leitung 322 in einer radialen Richtung über den gesamten Umfang und die gesamte Länge der perforierten Leitung 322 wird ein Puffer des kalten Quenchgases 346 über der inneren Wand der perforierten Leitung 322 gebildet, wodurch der Verlust von heißen Teilchen 112 wegen der thermophoretischen Ablagerung auf der kalten Wand der perforierten Leitung 322 deutlich gehemmt wird. Im Betrieb sollte das aus den Öffnungen 345 austretende und in den Innenraum 348 eintretende Quenchgas 346 eine radiale Geschwindigkeit (ins Innere des Zentrums des kreisförmigen Querschnitts der perforierten Leitung 322 gerichtete Geschwindigkeit) größer als die thermophoretische Geschwindigkeit der Teilchen in der perforierten Leitung 332 mit einer radialen nach außen zu der perforierten Wand der perforierten Leitung 332 gerichteten Richtung haben.
Wie in den 38-40 gesehen, enthält der Gasquenchkühler 330 einen Strömungsweg für die Teilchen 112 durch den Gasquenchkühler von einer im Wesentlichen konstanten Querschnittsform und -fläche. Vorzugsweise hat der Strömungsweg durch den Gasquenchkühler 330 dieselbe Querschnittsform und -fläche wie der Strömungsweg durch den Ofen 110 und durch die Leitung, die das Aerosol 108 vom Aerosolgenerator 106 zum Ofen liefert. Die Teilchenkühlung im Quenchkühler wird ferner sehr schnell ausgeführt, wobei das Potential für thermophoretische Verluste während des Kühlens reduziert wird. Die gesamte Verweilzeit für das durch die geheizte Zone des Ofens 110 und durch den Quenchkühler fließende Aerosol ist typischerweise kürzer als etwa 5 Sekunden, mehr bevorzugt kürzer als etwa 3 Sekunden, noch mehr bevorzugt kürzer als etwa 2 Sekunden und am meisten bevorzugt kürzer als etwa 1 Sekunde.
In einer zusätzlichen Ausführung kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch eine Zusammensetzungsänderung der Teilchen 112, die den Ofen verlassen, beinhalten. Am häufigsten beinhaltet die Zusammensetzungsänderung die Bildung einer Materialphase auf den Teilchen 112, die sich von der der Teilchen 112 unterscheidet, wie durch Beschichtung der Teilchen 112 mit einem Beschichtungsmaterial. Eine Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, die Teilchenbeschichtung einschließt, ist in 41 gezeigt. Wie aus 41 ersichtlich, begeben sich die aus dem Ofen 110 austretenden Teilchen 112 zu einer Teilchenbeschichtungseinrichtung 350, wo auf der äußeren Oberfläche der Teilchen 112 eine Beschichtung aufgebracht wird, um beschichtete Teilchen 352 zu bilden, die zur Herstellung des partikulären Produktes 116 zum Teilchenkollektor 114 geschickt werden. In der Teilchenbeschichtungseinrichtung 350 eingesetzte Beschichtungsmethodiken werden weiter unten detaillierter diskutiert.
Mit weiterem Bezug hauptsächlich auf 41 werden die Teilchen 112 in einer bevorzugten Ausführung durch das Aerosolverfahren der vorliegenden Erfindung, wie zuvor beschrieben, hergestellt, wenn die Teilchen 112 nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung beschichtet werden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann jedoch verwendet werden, um Teilchen zu beschichten, die durch ein anderes Verfahren vorhergestellt worden sind, wie durch eine Route der flüssigen Niederschlagsbildung. Beim Beschichten der Teilchen, die durch einen anderen Weg hergestellt worden sind, wie durch flüssige Niederschlagsbildung, ist es bevorzugt, dass die Teilchen in einem dispergierten Zustand verbleiben, von der Zeit der Herstellung bis zur Zeit, in der die Teilchen in Schlammform zur Herstellung des Aerosols 108 in den Aerosolgenerator 106 eingeführt werden, um im Ofen 110 trockene Teilchen 112 zu bilden, welche Teilchen 112 dann in der Teilchenbeschichtungseinrichtung 350 beschichtet werden können. Das Erhalten der Teilchen in einem dispergierten Zustand von der Herstellung bis zur Beschichtung vermeidet Probleme, die mit Agglomerisierung und der Redispersion von Teilchen verbunden sind, wenn Teilchen im Flüssigkeitszulauf 102 zur Speisung des Aerosolgenerators 106 redispergiert werden müssen. Zum Beispiel kann bei ursprünglich von einem flüssigen Medium ausgefällten Teilchen das die suspendierten, ausgefällten Teilchen enthaltene flüssige Medium verwendet werden, den Flüssigkeitszulauf 102 zum Aerosolgenerator 106 zu bilden. Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass die Teilchenbeschichtungseinrichtung 350 eine integrierte Erweiterung des Ofens 110 sein kann oder ein separater Ausrüstungsteil.
In einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung können die Teilchen 112 nach der Herstellung der Teilchen 112 im Ofen 110 dann strukturell modifiziert werden, um ihnen vor der Teilchensammlung gewünschte physikalische Eigenschaften zu verleihen. Mit Bezug auf 42 ist eine Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung gezeigt, die eine solche strukturelle Teilchenmodifizierung enthält. Die den Ofen 110 verlassenden Teilchen 112 begeben sich zu einer Teilchenmodifiziereinrichtung 360, wo die Teilchen strukturell modifiziert werden, um modifizierte Teilchen 362 zu bilden, die dann zur Herstellung des partikulären Produktes 116 zum Teilchenkollektor 114 gesendet werden. Die Teilchenmodifiziereinrichtung 360 ist typischerweise ein Ofen, wie z. B. ein Temperofen, der ein Bestandteil des Ofens 110 oder eine separate Heizvorrichtung sein kann. Ungeachtet dessen ist es wichtig, dass die Teilchenmodifiziereinrichtung 360 eine Temperaturkontrolle hat, die unabhängig vom Ofen 110 ist, so dass die richtigen Bedingungen für die Teilchenmodifizierung getrennt von den für den Ofen 110 erforderlichen Bedingungen zur Zubereitung der Teilchen 112 bereitgestellt werden können. Die Teilchenmodifiziereinrichtung 360 stellt deswegen typischerweise eine temperaturkontrollierte Umgebung und nötige Verweilzeit zur Verfügung, um die gewünschte strukturelle Modifikation der Teilchen 112 zu bewirken.
Die strukturelle Modifizierung, die in der Teilchenmodifiziereinrichtung 360 stattfindet, kann jede Veränderung der kristallinen Struktur oder der Morphologie der Teilchen 112 sein. Zum Beispiel können die Teilchen 112 in der Teilchenmodifiziereinrichtung 360 getempert werden, um die Teilchen 112 zu verdichten oder die Teilchen in eine polykristalline oder Einkristallform umzukristallisieren. Speziell im Fall vom Verbundteilchen 112 können die Teilchen für eine ausreichende Zeit auch getempert wer den, um die Umverteilung verschiedener Materialphasen innerhalb der Teilchen zu erlauben. Besonders bevorzugte Parameter für solche Verfahren werden weiter unten detaillierter diskutiert.
Die anfängliche Morphologie der Verbundteilchen, die im Ofen 110 entstanden ist, kann erfindungsgemäß eine Vielfalt von Formen annehmen, abhängig von den vorgegebenen einbezogenen Materialien und den spezifischen Prozessbedingungen. Beispiele einiger möglicher Verbundteilchenmorphologien, die erfindungsgemäß hergestellt werden können, sind in 43 gezeigt: Diese Morphologien der Teilchen können anfänglich im Ofen 110 produzierte sein oder von der strukturellen Modifizierung in der Teilchenmodifiziereinrichtung 360 stammen. Weiterhin können die Verbundteilchen eine Mischung von morphologischen Eigenschaften enthalten, wie in 43 gezeigt.
Mit Bezug auf 44 ist eine Ausführung des Apparates der vorliegenden Erfindung gezeigt, der den Aerosolgenerator 106 (in Form der 400-Wandler-Anordnung), den Aerosolkonzentrator 236 (in Form eines virtuellen Impaktors), die Tropfenfraktioniereinrichtung 280 (in Form eines Impaktors), den Ofen 110, den Teilchenkühler 320 (in Form eines Gasquenchkühlers) und den Teilchenkollektor 114 (in Form eines Schlauchfilters) enthält. Alle Verfahrensausrüstungskomponenten sind über geeignete Strömungsleitungen verbunden, die im Wesentlichen frei von scharten Kanten sind, die in schädlicher Form Flüssigkeitsansammlungen im Apparat hervorrufen könnten. Es sollte außerdem bemerkt werden, dass stromaufwärts und stromabwärts des Aerosolkonzentrators 236 und der Tropfenfraktioniereinrichtung 280 flexible Anschlussstücke 370 verwendet werden. Durch Nutzung der flexiblen Anschlussstücke 370 ist es möglich, den Neigungswinkel der sich vertikal erstreckenden Schlitze im Aerosolkonzentrator 236 und/oder in der Tropfenfraktioniereinrichtung 280 zu variieren. Auf diesem Wege kann eine gewünschte Neigung für die sich vertikal ausdehnenden Schlitze festgelegt werden, um die Ableitungscharakteristiken der sich vertikal erstreckenden Schlitze zu optimieren.
Aerosolerzeugung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist bis hierhin unter Bezug auf den Ultraschallaerosolgenerator beschrieben worden. Die Nutzung des Ultraschallgenerators ist für das Verfahren der vorliegenden Erfindung wegen der extrem hohen Qualität und Dichte des erzeugten Aerosols bevorzugt. In einigen Fällen jedoch kann die Aerosolerzeugung nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung abhängig von der spezifischen Anwendung anders gestaltet sein. Wenn zum Beispiel größere Teilchen gewünscht sind, solche mit einem Gewichtsmittel der Größe von mehr als 3 μm, kann ein Sprühdüsenzerstäuber bevorzugt sein. Für Anwendungen mit kleineren Teilchen jedoch und insbesondere für jene Anwendungen, bei denen Teilchen kleiner als 3 μm und vorzugsweise kleiner als 2 μm erzeugt werden, wie es für die Teilchen der vorliegenden Erfindung allgemein gewünscht ist, ist der hier beschriebene Ultraschallgenerator besonders bevorzugt. In diesem Zusammenhang ist der Ultraschallgenerator der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, wenn Teilchen mit einem Gewichtsmittel der Größe von etwa 0,2 μm bis zu etwa 3 μm hergestellt werden.
Obwohl Ultraschallaerosolgeneratoren in medizinischen Anwendungen und Hausbefeuchtern benutzt worden sind, ist die Nutzung von Ultraschallgeneratoren für Sprühpyrolyseteilchenerzeugung weitestgehend auf experimentelle Situationen kleinen Maßstabs begrenzt gewesen. Der Ultraschallaero solgenerator der vorliegenden Erfindung, beschrieben mit Bezug auf die 2-21, ist jedoch gut geeignet für die gewerbliche Produktion von Hochqualitätspulvern mit einem kleinen Größenmittel und einer engen Größenverteilung. In diesem Zusammenhang erzeugt der Aerosolgenerator ein Hochqualitätsaerosol mit schwerer Tropfenbeladung und einer hohen Produktionsrate. Solch eine Kombination kleiner Tropfengröße, enger Größenverteilung, schwerer Tropfenbeladung und hoher Produktionsrate liefert deutliche Vorteile gegenüber existierenden Aerosolgeneratoren, die gewöhnlich unter mindestens einem Nachteil leiden, der ungeeignet engen Größenverteilung, der unerwünscht niedrigen Tropfenbeladung oder unakzeptabel geringen Produktionsrate.
Durch die sorgfältige und kontrollierte Gestaltung des Ultraschallgenerators der vorliegenden Erfindung kann ein Aerosol produziert werden, dass typischerweise mehr als etwa 70 Gewichtsprozent (und bevorzugt mehr als etwa 80 Gewichtsprozent) von Tropfen im Größenbereich von etwa 1 μm bis zu etwa 10 μm, bevorzugt in einem Größenbereich von etwa 1 μm bis zu etwa 5 μm und mehr bevorzugt von etwa 2 μm bis zu etwa 4 μm aufweist. Der Ultraschallgenerator der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls in der Lage, hohe Outputmengen des Flüssigkeitszulaufs im Aerosol zu liefern. Die Flüssigkeitszulaufmenge mit den zuvor beschriebenen hohen Flüssigkeitsbeladungen ist vorzugsweise größer als etwa 25 Milliliter pro Stunde und Wandler, mehr bevorzugt größer als etwa 37,5 Milliliter pro Stunde und Wandler, noch mehr bevorzugt größer als etwa 50 Milliliter pro Stunde und Wandler und am meisten bevorzugt größer als etwa 100 Milliliter pro Stunde und Wandler. Dieses hohe Leistungsniveau ist wünschenswert für gewerbliche Anwendungen und wird mit der vorliegenden Erfindung mit einem relativ einfachen Aufbau, der ein einziges Vorläuferbad über einer Anordnung von Ultraschallwandlern enthält, erreicht. Der Ultraschallgenerator ist gemacht für hohe Aerosolproduktionsraten mit hoher Tropfenbeladung und mit einer engen Größenverteilung der Tropfen. Der Generator erzeugt vorzugsweise ein Aerosol mit einer Menge von mehr als etwa 0,5 Litern Tropfen pro Stunde, mehr bevorzugt mehr als etwa 2 Litern Tropfen pro Stunde, noch mehr bevorzugt mehr als etwa 5 Litern Tropfen pro Stunde, noch mehr bevorzugt mehr als etwa 10 Litern Tropfen pro Stunde und am meisten bevorzugt mehr als etwa 40 Litern Tropfen pro Stunde. Wenn der Aerosolgenerator zum Beispiel einen wie mit Bezug auf die 4-21 beschriebenen 400-Wandler-Aufbau hat, ist der Aerosolgenerator in der Lage, ein Hochqualitätsaerosol zu erzeugen, das eine wie zuvor beschriebene hohe Tropfenbeladung hat, bei einer Gesamtproduktionsrate von vorzugsweise mehr als etwa 10 Litern Flüssigkeitszulauf pro Stunde, mehr bevorzugt von mehr als etwa 15 Litern Flüssigkeitszulauf pro Stunde, noch mehr bevorzugt von mehr als etwa 20 Litern pro Stunde Flüssigkeitszulauf und am meisten bevorzugt von mehr als etwa 40 Litern Flüssigkeitszulauf pro Stunde.
Unter den meisten Betriebsbedingungen beträgt das gesamte produzierte partikuläre Produkt bei der Verwendung eines solchen Aerosolgenerators vorzugsweise mehr als etwa 0,5 Gramm pro Stunde und Wandler, mehr bevorzugt mehr als etwa 0,75 Gramm pro Stunde und Wandler, noch mehr bevorzugt mehr als etwa 1,0 Gramm pro Stunde und Wandler und am meisten bevorzugt mehr als etwa 2,0 Gramm pro Stunde und Wandler.
Für die Produktion von sauerstoffhaltigen Phosphoren gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der Flüssigkeitszulauf die chemischen Komponenten, die die Phosphorteilchen bilden werden. Zum Beispiel kann der Flüssigkeitszulauf eine Lösung enthalten, die Nitrate, Chloride, Sulfate, Hydroxide oder Oxalate der Phosphorverbindung enthält. Eine bevorzugte Vorstufe sind die Nitrate, wie Yttriumnitrat, Y(NO₃)₃·6H₂O, zur Herstellung von Yttriaphosphorteilchen. Nitrate sind typischerweise gut löslich in Wasser, und die Lösungen behalten sogar bei hohen Konzentrationen eine geringe Viskosität. Ein typischer Reaktionsmechanismus könnte sein: 2Y(NO₃)₃ + H₂O + Wärme ------> Y₂O₃ + NO_x + H₂O
Die Lösung ist mit der Vorstufe vorzugsweise nicht gesättigt, um die Niederschlagsbildung in der Flüssigkeit zu vermeiden. Die Lösung enthält vorzugsweise zum Beispiel ausreichend Vorstufe für Ausbeuten von etwa 1 bis 50 Gewichtsprozent der Phosphorverbindung, wie z. B. von etwa 1 bis 15 Gewichtsprozent, basierend auf der Menge an Metallen in der Lösung. Die endgültige Teilchengröße der Phosphorteilchen wird auch von der Vorstufenkonzentration beeinflusst. Im Allgemeinen erzeugen niedrigere Vorstufenkonzentrationen in der Flüssigkeit Teilchen mit einem kleineren Größenmittel.
Zusätzlich zum Wirtsmaterial enthält der Flüssigkeitszulauf vorzugsweise die Vorstufe des Aktivatorions. Zum Beispiel enthält die Vorstufenlösung für die Erzeugung von Y₂O₃:Eu-Phosphorteilchen Yttriumnitrat, wie zuvor diskutiert, und auch Europiumnitrat. Die relativen Konzentrationen der Vorstufen können eingestellt werden, um die Konzentration an Aktivatorion im Wirtsmaterial zu variieren.
Vorzugsweise ist zur Erleichterung des Vorgehens das Lösungsmittel auf Wasserbasis, auch wenn andere Lösungsmittel, wie Toluol, wünschenswert sein können. Die Verwendung von organischen Lösungsmitteln kann zur unerwünschten Kohlenstoffverunreinigung in den Phosphorpartikeln führen. Der pH-Wert der Lösungen auf Wasserbasis kann eingestellt werden, um die Löslichkeitseigenschaften der Vorstufe in der Lösung zu verändern.
Zusätzlich zu dem Vorstehenden kann der Flüssigkeitszulauf auch andere Additive beinhalten, die zur Bildung der Teilchen beitragen. Zum Beispiel kann der Lösung ein Fließmittel zugesetzt werden, um die Kristallinität und/oder Dichte der Teilchen zu erhöhen. Zum Beispiel kann der Zusatz von Harnstoff zu Metallsalzlösungen, wie einem Metallnitrat, die Dichte der aus der Lösung erzeugten Teilchen erhöhen. In einer Ausführung werden der Vorstufenlösung bis zu etwa 1 Molequivalent Harnstoff zugesetzt, gemessen gegen die Mole der Phosphorverbindung in der Metallsalzlösung. Weiterhin kann eine lösliche Vorstufe sowohl für die sauerstoffhaltige Phosphorverbindung als auch für die Beschichtung benutzt werden, wenn die Teilchen, wie weiter unten detaillierter diskutiert, beschichtete Phosphorteilchen sein sollen, wobei die Beschichtungsvorstufe eine nicht flüchtige oder flüchtige Spezies ist.
Zur Erzeugung von sauerstoffhaltigen Phosphorteilchen kann das Trägergas jedes gasförmige Medium enthalten, in dem aus dem Flüssigkeitszulauf produzierte Tropfen in Aerosolform dispergiert werden können. Das Trägergas kann auch inert sein, so dass das Trägergas an der Bildung der Phosphorteilchen nicht teil hat. Alternativ kann das Trägergas eine oder mehr aktive Komponenten haben, die zur Bildung der Phosphorteilchen beitragen. In diesem Zusammenhang kann das Trägergas eine oder mehrere reaktive Komponenten enthalten, die im Ofen reagieren, um zur Bildung der Phosphorteilchen beizutragen. In vielen Anwendungen zur Herstellung von sauerstoffhaltigen Phosphorteilchen ist Luft ein zufriedenstellendes Trägergas. In anderen Fällen kann ein relativ inertes Gas wie Stickstoff erforderlich sein.
Wenn die sauerstoffhaltigen Phosphore beschichtete Phosphore sind, können Vorstufen für Metalloxidbeschichtungen ausgewählt werden aus flüchtigen Metallacetaten, -chloriden, -alkoxiden oder -halogeniden. Solche Vorstufen sind dafür bekannt, bei hohen Temperaturen zu reagieren, um die entsprechenden Metalloxide zu bilden und unterstützende Liganden oder Ionen abzugeben. Zum Beispiel kann SiCl₄ als eine Vorstufe für SiO₂-Beschichtungen verwendet werden, wenn Wasserdampf vorliegt: SiCl_4(g) + 2H₂O(g) ------> SiO_2(s) + 4HCl_(g)
SiCl₄ ist ebenfalls sehr flüchtig und ist bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit, was den Transport in den Reaktor kontrollierbarer macht.
Metallalkoxide können zur Erzeugung von Metalloxidfilmen durch Hydrolyse verwendet werden. Die Wassermoleküle reagieren mit der Alkoxid-M-O-Bindung, was zur sauberen Abspaltung des entsprechenden Alkohols unter der Bildung von M-O-M-Bindungen führt: Si(OEt)₄ + 2H₂O ------> SiO₂ + 4EtOH
Die meisten Metallalkoxide haben einen einigermaßen hohen Dampfdruck und sind deswegen als Beschichtungsvorstufen gut geeignet.
Metallacetate sind ebenso nützlich als Beschichtungsvorstufen, da sie sich durch thermische Aktivierung unter Abspaltung von Acetanhydrid leicht zersetzen: Mg(O₂CCH₃)₂ ------> MgO + CH₃C(O)OC(O)CH₃
Metallacetate sind als Beschichtungsvorstufen vorteilhaft, da sie wasserstabil und einigermaßen kostengünstig sind.
Beschichtungen können auf der Teilchenoberfläche durch eine Vielzahl verschiedener Mechanismen erzeugt werden. Eine oder mehrere Vorstufen können die heiße Phosphorteilchenoberfläche be dampfen und in sie einschmelzen und thermisch reagieren, was in der Bildung von einer Dünnfilmbeschichtung durch chemische Dampfabscheidung (CVD) resultiert. Bevorzugte durch CVD abgeschiedene Beschichtungen umfassen Metalloxide und elementare Metalle. Weiterhin kann die Beschichtung durch physikalische Dampfabscheidung (PVD) erfolgen, wobei ein Beschichtungsmaterial physikalisch an der Oberfläche der Teilchen abgeschieden wird. Bevorzugte durch PVD abgeschiedene Beschichtungen schließen organische Materialien und elementares Metall ein. Alternativ kann die gasförmige Vorstufe in der Gasphase unter Bildung von kleinen Teilchen reagieren, zum Beispiel kleiner als etwa 5 Nanometer in der Größe, die dann zu der größeren Teilchenoberfläche diffundieren und in die Oberfläche einsintern, wodurch eine Beschichtung gebildet wird. Diese Methode wird bezeichnet als Gas-zu-Teilchen-Umwandlung (GPC). Ob solche Beschichtungsreaktionen durch CVD, PVD oder GPC erfolgen, ist abhängig von den Reaktorbedingungen, wie Vorstufenpartialdruck, Wasserpartialdruck und der Konzentration der Teilchen im Gasstrom. Eine andere mögliche Oberflächenbeschichtungsmethode ist die Oberflächenumwandlung der Oberfläche des Teilchens durch Reaktion mit einem Dampfphasenreaktanden, um die Oberfläche der Teilchen in ein anderes Material als das ursprünglich in den Teilchen enthaltene umzuwandeln.
Zusätzlich kann ein flüchtiges Beschichtungsmaterial wie PbO, MoO₃ oder V₂O₅ in den Reaktor eingeführt werden, so dass die Beschichtung sich durch Kondensation auf dem Teilchen absetzt. Hochflüchtige Metalle wie Silber können auch durch Kondensation abgeschieden werden. Außerdem können die Phosphorpulver durch die Verwendung anderer Techniken beschichtet werden. Zum Beispiel kann eine lösliche Vorstufe des Phosphorpulvers und der Beschichtung in der Vorstufenlösung verwendet werden, wobei die Beschichtungsvorstufe nicht flüchtig (z. B. Al(NO₃)₃) oder flüchtig ist (z. B. Sn(OAc)₄, worin Ac für Acetat steht). In einer anderen Methode können eine kolloidale Vorstufe und eine lösliche Phosphorvorstufe genutzt werden, um eine kolloidale partikuläre Beschichtung auf dem Phosphor zu bilden.
Die strukturelle Modifizierung, die in der Teilchenmodifiziereinrichtung stattfindet, kann jede Modifizierung der kristallinen Struktur oder der Morphologie der Teilchen sein. Zum Beispiel können die Teilchen in der Teilchenmodifiziereinrichtung getempert werden, um die Teilchen zu verdichten oder die Teilchen in eine polykristalline oder Einkristallform zu rekristallisieren. Speziell im Fall von Verbundteilchen können die Teilchen auch für eine ausreichende Zeit getempert werden, um innerhalb der Teilchen eine Neuverteilung der verschiedenen Materialphasen oder eine Umverteilung des/der Aktivatorions/en zu gestatten.
Noch spezifischer: Während die sauerstoffhaltigen mit der vorstehenden Methode erzeugten Phosphorpulver eine gute Kristallinität haben, kann es wünschenswert sein, die Kristallinität (durchschnittliche Kristallitgröße) nach der Herstellung zu erhöhen. Folglich können die Pulver für eine Zeitspanne und in einer vorgewählten Umgebung getempert (erhitzt) werden, um die Kristallinität der Phosphorteilchen zu erhöhen. Erhöhte Kristallinität kann vorteilhafterweise eine gesteigerte Helligkeit und Effizienz der Phosphorteilchen erzeugen. Wenn solche Temperschritte durchgeführt werden, sollten die Tempertemperatur und -zeit derart gewählt werden, dass das Ausmaß an Sinterungen zwischen den Teilchen, die oft mit dem Sintern einhergehen, minimiert wird. Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das sauerstoffhaltige Phosphorpulver vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 700°C bis zu etwa 1700°C getempert, mehr bevorzugt von etwa 1100°C bis zu etwa 1400°C. Die Temperdauer beträgt vorzugsweise nicht mehr als etwa 2 Stunden und kann so kurz wie etwa 1 Minute sein. Die sauerstoffhaltigen Phosphorpulver werden typischerweise in Inertgas wie Argon oder in einem sauerstoffhaltigen Gas wie Luft getempert.
Weiterhin kann die Kristallinität der Phosphore durch Verwendung eines Fließmittels erhöht werden, entweder in der Vorstufenlösung oder in einem Temperschritt nach der Bildung. Ein Fließmittel ist ein Reagenz, das die Kristallinität des Materials verglichen mit dem Erhitzen des Materials auf dieselbe Temperatur in der Abwesenheit des Fließmittels verbessert, wenn das Reagenz und das Material zusammen erhitzt werden. Die Fließmittel rufen typischerweise die Bildung eines Eutektikums hervor, was zu einer flüssigen Phase an den Korngrenzen führt, wodurch der Diffusionskoeffizient erhöht wird. Das Fließmittel, zum Beispiel Alkalimetallhalogenide wie NaCl oder KCl oder eine organische Komponente wie Harnstoff (CO(NH₂)₂) kann der Vorstufenlösung zugesetzt werden, wo es die Kristallinität und/oder Dichte der Teilchen während ihrer folgenden Bildung verbessert. Alternativ kann das Fließmittel mit den Phosphorpulverbatches kontaktiert werden, nachdem diese gesammelt worden sind. Durch Tempern verbessert das Fließmittel die Kristallinität des Phosphorpulvers und verbessert deswegen andere Eigenschaften wie die Helligkeit des Phosphorpulvers. Die Teilchen können im Falle von Verbundteilchen 112 auch für eine ausreichende Zeit getempert werden, um die Neuverteilung verschiedener Materialphasen in den Teilchen 112 zu erlauben.
Die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf sauerstoffhaltige Phosphore. Phosphore sind Materialien, die in der Lage sind, durch Anregung Strahlung im sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich auszusenden, wie z. B. durch Anregung durch ein äußeres elektrisches Feld oder andere externe Energiequelle. Sauerstoffhaltige Phosphore sind die Phosphore, die ein Wirtsmaterial haben, das Sauerstoff enthält, wie ein auf ein Metalloxid, ein Silikat, Borat oder Aluminat basierendes Wirtsmaterial. Beispiele für solche sauerstoffhaltige Phosphore werden weiter unten detaillierter aufgeführt. Die sauerstoffhaltigen Phosphore können chemisch maßgeschneidert werden, um spezifische Wellenlängen sichtbaren Lichts, wie rotes, blaues oder grünes Licht, auszusenden. Durch Dispergieren verschiedener Phosphorpulver in einer vorgegebenen Anordnung und durch kontrollierte Anregung der Pulver kann eine Vollfarbensichtanzeige erhalten werden.
Sauerstoffhaltige Phosphore umfassen typischerweise eine Matrixverbindung, bezeichnet als Wirtsmaterial, und der Phosphor enthält weiter ein oder mehrere Dotierungsreagenzien, bezeichnet als Aktivatorionen, um eine spezifische Farbe zu emittieren oder die Lumineszenzeigenschaften zu verstärken. Einige Phosphore, wie Up-Converter-Phosphore schließen mehr als ein Aktivatorion ein.
Phosphore können durch ihre phosphoreszierenden Eigenschaften klassifiziert werden, und die vorliegende Erfindung ist anwendbar auf alle Arten dieser Phosphore. Zum Beispiel sind Elektrolumineszenzphosphore Phosphore, die Licht nach Anregung durch ein elektrisches Feld aussenden. Die se Phosphore werden für Dünnfilm- und Dickfilmelektrolumineszenzdisplays, Hintergrundbeleuchtung für LCDs und Elektrolumineszenzlampen in Armbanduhren und ähnlichem verwendet. Kathodenlumineszenz-Phosphore senden Licht durch Anregung durch Elektronenbeschuss aus. Diese Phosphore werden in CRTs (z. B. übliche Fernsehgeräte) und FEDs verwendet.
Photolumineszenz-Phosphore emittieren Licht durch Anregung durch anderes Licht. Das anregende Licht hat gewöhnlich höhere Energie als das emittierte Licht. Zum Beispiel kann ein Photolumineszenz-Phosphor sichtbares Licht aussenden, wenn er durch ultraviolettes Licht angeregt wird. Diese Phosphore werden in Plasmadisplaytafeln und gewöhnlichen Fluoreszenzlampen verwendet.
Up-Converter-Phosphore emittieren ebenfalls Licht durch Anregung durch anderes Licht, aber üblicherweise Licht niedrigerer Energie als das emittierte Licht. Zum Beispiel kann Infrarotlicht verwendet werden, um einen Up-Converter-Phosphor anzuregen, der dann sichtbares oder ultraviolettes Licht emittiert. Up-Converter-Phosphore enthalten typischerweise mindestens 2 Aktivatorionen, die das infrarote Licht niedrigerer Energie umwandeln. Diese Materialien sind nützlich in Immunoassay- und Sicherheitsanwendungen. Ähnlich werden Röntgenstrahlenphosphore verwendet, um Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umzuwandeln und sind nützlich bei der medizinischen Diagnose.
Das sauerstoffhaltige Wirtsmaterial ist mit mindestens einem Aktivatorion dotiert, wie z. B. in einer Menge von etwa 0,02 bis zu etwa 15 Atomprozent, bevorzugt von etwa 0,02 bis zu etwa 10 Atomprozent und mehr bevorzugt von etwa 0,02 bis zu etwa 5 Atomprozent. Es wird begrüßt werden, wie es detaillierter weiter unten diskutiert wird, dass die bevorzugte Konzentration des Aktivatorions im Wirtsmaterial für verschiedene Anwendungen variieren kann. Im Falle der Phosphorverbindung ZnO wird das Metalloxid mit leichter Nichtstöchiometrie hergestellt, so dass Zn das Aktivatorion ist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Aktivatorion über das gesamte Wirtsmaterial homogen verteilt ist. Durch Festkörpermethoden hergestellte Phosphorpulver führen nicht zu einer gleichförmigen Konzentration des Aktivatorions in kleinen Teilchen, und Wege mit Lösungen führen ebenso wegen verschiedener Niederschlagsbildungsgeschwindigkeiten nicht zur homogenen Verteilung des Aktivatorions.
Besondere Phosphorverbindungen können für bestimmte Anwendungen bevorzugt sein und keine einzelne Phosphorverbindung ist notwendigerweise für alle möglichen Anwendungen bevorzugt. Hier werden unter sauerstoffhaltigen Phosphorverbindungen jene verstanden, die ein aus einfachen oder komplexen Metalloxiden, Metallsilikaten, Metallboraten oder Titanaten ausgewähltes Wirtsmaterial enthalten.
Beispiele für Metalloxidphosphorverbindungen umfassen, aber sind nicht beschränkt auf Y₂O₃:Eu, ZnO:Zn, Y₃Al₅O12:Tb und Bariumaluminate, wie BaMgAl₁₄O₂₃:Eu.
Beispiele für Metallsilikatphosphore umfassen Silikate wie Zn₂SiO₄:Mn, Ca₂SiO₄:Eu, Ba₂SiO₄:Eu, Gd₂SiO₅:Ce und Y₂SiO₅:Ce. Beispiele für Metallborate enthalten (Y,Gd)BO₃:Eu. Ein Beispiel für ein Titanat ist CaTiO₃:RE, wobei RE ein Element der Seltenen Erden ist.
Besonders bevorzugte sauerstoffhaltige Phosphorwirtsmaterialien für einige Displayanwendungen umfassen ZnO:Zn und Y₂O₃:Eu. Weitere Beispiele bevorzugter sauerstoffhaltiger Phosphorwirtsmaterialien und Aktivatorionen sind in Tabelle I aufgelistet.
TABELLE I: Beispiele für sauerstoffhaltige Phosphormaterialien
Erfindungsgemäß umfasst das sauerstoffhaltige Phosphorpulver Teilchen, die ein kleines Größenmittel haben. Obwohl das bevorzugte Größenmittel der Phosphorteilchen mit der Anwendung des Phosphorpulvers variiert, ist die mittlere Teilchengröße der Phosphorteilchen nicht größer als etwa 5 μm. Für die meisten Anwendungen liegt die mittlere Teilchengröße zwischen etwa 0,1 μm und etwa 5 μm und mehr bevorzugt ist sie nicht größer als etwa 3 μm, wie von etwa 0,3 μm bis zu etwa 3 μm. Unter der mittleren Teilchengröße wird hier das Gewichtsmittel der Teilchengröße verstanden.
Erfindungsgemäß hat der Pulverbatch der Phosphorteilchen auch eine enge Teilchengrößenverteilung, so dass die Mehrheit der Teilchen im Wesentlichen gleich groß sind, so dass mindestens 90 Gewichtsprozent der Teilchen und mehr bevorzugt mindestens etwa 95 Gewichtsprozent der Teilchen nicht größer sind als die zweifache mittlere Teilchengröße. Folglich wird, wenn die mittlere Teilchengröße etwa 2 μm beträgt, bevorzugt, dass mindestens etwa 90 Gewichtsprozent der Teilchen nicht größer sind als 4 μm und mehr bevorzugt mindestens etwa 95 Gewichtsprozent der Teilchen nicht größer sind als 4 μm. Weiterhin ist bevorzugt, dass mindestens etwa 90 Gewichtsprozent der Teilchen und mehr bevorzugt mindestens etwa 95 Gewichtsprozent der Teilchen nicht größer sind als etwa die 1,5 fache mittlere Teilchengröße. Daher wird, wenn die mittlere Teilchengröße etwa 2 μm beträgt, bevorzugt, dass mindestens etwa 90 Gewichtsprozent der Teilchen nicht größer sind als etwa 3 μm, und es ist mehr bevorzugt, dass mindestens etwa 95 Gewichtsprozent der Teilchen nicht größer sind als etwa 3 μm.
Die Phosphorteilchen der vorliegenden Erfindung können im Wesentlichen Einkristallteilchen sein oder eine Anzahl von Kristalliten enthalten. Erfindungsgemäß sind die Phosphorteilchen hochkristallin und es ist bevorzugt, dass die mittlere Kristallitgröße sich der mittleren Teilchengröße annähert, so dass die Teilchen meist Einkristalle sind oder nur aus wenigen großen Kristallen bestehen. Die mittlere Kristalligröße der Teilchen beträgt vorzugsweise mindestens etwa 25 Nanometer, mehr bevorzugt mindestens etwa 40 Nanometer, noch mehr bevorzugt mindestens etwa 60 Nanometer und am meisten bevorzugt mindestens etwa 80 Nanometer. In einer Ausführung beträgt die mittlere Kristallitgröße etwa mindestens 100 Nanometer. Da die mittlere Kristallitgröße mit der Teilchengröße zusammenhängt, beträgt sie vorzugsweise mindestens etwa 20 Prozent, mehr bevorzugt mindestens etwa 30 Prozent und am meisten bevorzugt mindestens etwa 40 Prozent der mittleren Teilchengröße. Solche hochkristallinen Phosphore sollen verglichen mit Phosphorteilchen mit kleineren Kristalliten eine erhöhte Lumineszenzeffizienz und Helligkeit haben.
Die sauerstoffhaltigen Phosphorteilchen der vorliegenden Erfindung haben vorteilhafterweise einen hohen Reinheitsgrad, was ein geringes Niveau von Verunreinigungen bedeutet. Verunreinigungen sind solche Materialien, die im Endprodukt nicht erwartet werden. Daher wird ein Aktivatorion nicht als Verunreinigung betrachtet. Das Niveau der Verunreinigungen in den Phosphorpulvern der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise nicht größer als etwa 1 Atomprozent, mehr bevorzugt nicht größer als etwa 0,1 Atomprozent und noch mehr bevorzugt nicht größer als etwa 0,01 Atomprozent.
Die sauerstoffhaltigen Phosphorteilchen sind auch sehr dicht (nicht porös), wie mittels Helium-Pyknometrie gemessen. Vorzugsweise haben die Teilchen eine Teilchendichte von mindestens etwa 80 Prozent der theoretischen Dichte des Wirtsmaterials, mehr bevorzugt von mindestens etwa 90 Prozent der theoretischen Dichte des Wirtsmaterials und noch mehr bevorzugt von mindestens etwa 95 Prozent der theoretischen Dichte des Wirtsmaterials.
Die sauerstoffhaltigen Teilchen der vorliegenden Erfindung sind auch im Wesentlichen kugelförmig. Das bedeutet, dass die Teilchen nicht zackig oder unregelmäßig geformt sind. Kugelförmige Teilchen sind besonders vorteilhaft, da sie in fähig sind, zu dispergieren und eine Vorrichtung wie eine Displaytafel gleichmäßiger mit einer reduzierten mittleren Dicke zu beschichten. Obwohl die Teilchen hauptsächlich kugelförmig sind, können die Teilchen facettiert werden, wenn die Kristallitgröße zunimmt und sich der mittleren Teilchengröße nähert.
Zusätzlich haben die sauerstoffhaltigen Phosphorteilchen der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise eine geringe Oberfläche. Die Teilchen sind im Wesentlichen kugelförmig, was die Gesamtoberfläche für eine gegebene Pulvermasse reduziert. Weiterhin eliminiert die Entfernung von größeren Teilchen aus den Pulverbatches die Porosität, die verbunden ist mit offenen Poren auf der Oberfläche solch größerer Teilchen. Wegen der Entfernung der großen Teilchen hat das Pulver vorteilhaft erweise eine geringere Oberfläche. Die Oberfläche wird typischerweise durch Nutzung einer BET-Stickstoffadsorptionsmethode gemessen, die Indikativ ist für die Oberfläche des Pulvers, einschließlich der Oberfläche von zugänglichen Oberflächenporen auf der Oberfläche der Pulver. Für eine gegebene Teilchengrößenverteilung zeigt ein niedriger Wert einer Oberfläche pro Masseneinheit des Pulvers massive und nicht poröse Teilchen an. Eine verringerte Oberfläche reduziert die Empfänglichkeit des Phosphorpulvers für ungünstige Oberflächenreaktionen, wie z. B. Abbau durch Feuchtigkeit. Diese Charakteristik kann vorteilhaft die nutzbare Lebensdauer der Phosphorpulver verlängern.
Die Oberflächen der erfindungsgemäßen sauerstoffhaltigen Phosphorteilchen sind typischerweise glatt und sauber mit einer minimalen Ablagerung von Fremdkörpern auf der Teilchenoberfläche. Zum Beispiel sind die äußeren Oberflächen nicht mit oberflächenaktiven Stoffen kontaminiert, wie es oft bei Teilchen der Fall ist, die durch Wege der flüssigen Niederschlagsbildung hergestellt worden sind.
Zusätzlich sind die Pulverbatche der erfindungsgemäßen sauerstoffhaltigen Phosphorteilchen im Wesentlichen keine Agglomerate, das bedeutet, dass sie im Wesentlichen keine harten Agglomerate oder Teilchen enthalten. Harfe Agglomerate sind physikalisch vereinigte Klumpen zweier oder mehrerer Teilchen, die sich wie ein großes Teilchen verhalten. Agglomerate sind in den meisten Anwendungen von Phosphorpulvern nachteilig. Es wird bevorzugt, dass nicht mehr als etwa 1 Gewichtsprozent der Phosphorteilchen in dem Pulverbatch der vorliegenden Erfindung in Form harter Agglomerate vorliegt. Mehr bevorzugt liegen nicht mehr als etwa 0,5 Gewichtsprozent der Teilchen in Form von harten Agglomeraten vor, und noch mehr bevorzugt liegen nicht mehr als etwa 0,1 Gewichtsprozent der Teilchen in Form von harten Agglomeraten vor.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die sauerstoffhaltigen Phosphorteilchen Verbundphosphorteilchen, worin die individuellen Teilchen mindestens eine sauerstoffhaltige Phosphorphase enthalten und mindestens eine zweite Phase, die mit der Phosphorphase verbunden ist. Die zweite Phase kann eine andere Phosphorverbindung oder keine Phosphorverbindung sein. Solche Verbunde können vorteilhafterweise die Verwendung von Phosphorverbindungen in Vorrichtungen erlauben, die andernfalls nicht nutzbar wären. Weiterhin kann die Kombination von verschiedenen Phosphorverbindungen innerhalb eines Teilchens die Emission einer ausgewählten Farbe erzeugen. Die Emission der zwei Phosphorverbindungen würde zu näherungsweise weißem Licht kombinieren. Außerdem kann das Matrixmaterial in Kathodenlumineszenzanwendungen die aufprallenden Elektronen beschleunigen, um die Lumineszenz zu erhöhen.
Gemäß einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung sind die Phosphorteilchen oberflächenmodifizierte oder beschichtete Phosphorteilchen, die eine Teilchenbeschichtung (43d) für nicht partikuläre (Film-)Beschichtung (43a) enthalten, die im Wesentlichen eine äußere Oberfläche der Teilchen einkapselt. Die Beschichtung kann ein Metall, eine nichtmetallische Verbindung oder eine organische Verbindung sein.
Beschichtungen sind oft wünschenswert, um den Abbau des sauerstoffhaltigen Phosphormaterials aufgrund von Feuchtigkeit oder anderer Einflüsse, wie z. B. des Plasmas in Plasmadisplayvorrichtungen oder des Elektronenbeschusses hoher Dichte in Kathodenlumineszenzvorrichtungen, zu reduzieren. Die dünnen, gleichmäßigen erfindungsgemäßen Beschichtungen werden vorteilhafterweise die Verwendung der Phosphorpulver bei Hochspannungs-, Starkstrombedingungen gestatten. Beschichtungen schaffen auch eine Diffusionsbarriere, so dass Aktivatorionen (z. B. Cu und Mn) nicht von einem Teilchen zum anderen wandern können, wodurch die Lumineszenzeigenschaften verändert werden. Beschichtungen können auch die Oberflächenenergieniveaus der Teilchen steuern.
Die Beschichtung kann ein Metall, Metalloxid oder eine andere anorganische Verbindung wie ein Metallsulfid sein, oder sie kann eine organische Verbindung sein. Zum Beispiel kann eine Metalloxidbeschichtung vorteilhaft genutzt werden, wie ein aus der aus SiO₂, MgO, Al₂O₃, ZnO, SnO₂ oder In₂O₃ bestehenden Gruppe ausgewähltes Metalloxid. Besonders bevorzugt sind SiO₂- und Al₂O₃-Beschichtungen. Halbleitende Oxidbeschichtungen wie SnO₂ oder In₂O₃ können in einigen Anwendungen wegen der Fähigkeit der Beschichtung, sekundäre Elektronen, die vom Phosphor emittiert werden, zu absorbieren, vorteilhaft sein. Metallbeschichtungen wie Kupfer können für Phosphorteilchen nützlich sein, die in Gleichstromelektrolumineszenzanwendungen genutzt werden. Zusätzlich können Phosphatbeschichtungen wie Zirkoniumphosphat oder Aluminiumphosphat für die Verwendung in einigen Anwendungen vorteilhaft sein.
Die Beschichtungen sollten relativ dünn und gleichmäßig sein. Die Beschichtung sollte das gesamte Teilchen einkapseln, aber ausreichend dünn sein, so dass die Beschichtung die Lichtdurchlässigkeit nicht störend beeinflusst. Vorzugsweise hat die Beschichtung eine durchschnittliche Stärke von nicht mehr als etwa 200 Nanometern, mehr bevorzugt von nicht mehr als etwa 100 Nanometern und noch mehr bevorzugt von nicht mehr als etwa 50 Nanometern. Die Beschichtung kapselt vorteilhafterweise das Phosphorteilchen vollständig ein und sollte deshalb eine durchschnittliche Stärke von mindestens etwa 2 Nanometern haben, mehr bevorzugt von wenigstens etwa 5 Nanometern. In einer Ausführung hat die Beschichtung eine Stärke von etwa 2 bis 50 Nanometern, wie z. B. von etwa 2 bis zu 10 Nanometern. Weiterhin können die Teilchen mehr als eine Beschichtung haben, die die Teilchen im Wesentlichen einkapseln, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.
Die Beschichtung, entweder partikulär oder nicht partikulär, kann auch ein Pigment oder anderes Material, das die Lichteigenschaften des Phosphors verändert, enthalten. Rote Pigmente können Verbindungen wie die Eisenoxide (Fe₂O₃), Cadmiumsulfidverbindungen (CdS) oder Quecksilbersulfidverbindungen (HgS) enthalten. Grüne oder blaue Pigmente enthalten Cobaltoxid (CoO), Cobaltaluminat (CoAl₂O₄) oder Zinkoxid (ZnO). Pigmentbeschichtungen sind in der Lage, selektierte Wellenlängen aus Licht, das den Phosphor verlässt, zu absorbieren, wodurch sie als Filter wirken, um den Farbkontrast und die Farbreinheit zu verbessern, besonders in CRT-Vorrichtungen.
Zusätzlich können die Phosphorteilchen mit einer organischen Verbindung wie PMMA (Polymethylmethacrylat), Polystyrol oder ähnlichen organischen Verbindungen beschichtet werden, die oberflä chenaktive Stoffe enthalten, die bei der Dispersion und/oder Suspension der Teilchen in einem fließfähigen Medium helfen. Die organische Beschichtung ist bevorzugt nicht mehr als etwa 100 Nanometer dick und ist im Wesentlichen dicht und erstreckt sich kontinuierlich über das Teilchen. Die organischen Beschichtungen können vorteilhafterweise der Korrosion der Phosphorteilchen vorbeugen, speziell in Elektrolumineszenzlampen, und können ebenso die Dispersionseigenschaften der Teilchen in einer Paste odere einem anderen fließfähigen Medium verbessern.
Die Beschichtung kann ebenfalls aus einer oder mehreren Monoschichtbeschichtungen bestehen, wie aus etwa 1 bis 3 Monoschichtbeschichtungen. Eine Monoschichtbeschichtung wird durch die Reaktion eines organischen oder anorganischen Moleküls mit der Oberfläche der Phosphorteilchen gebildet, um eine Beschichtungsschicht zu bilden, die im Wesentlichen eine Molekülschicht dick ist. Insbesondere kann die Bildung einer Monoschichtbeschichtung durch die Reaktion der Oberfläche des Phosphorpulvers mit einem funktionalisierten Organosilan wie Halogen- oder Aminosilan, zum Beispiel Hexamethyldisilazan oder Trimethylsilylchlorid benutzt werden, um die Hydrophobie und Hydrophilie der Phosphorpulver zu verändern. Monoschichtbeschichtungen aus Metalloxiden (z. B. ZnO oder SiO₂) oder Metallsulfiden (z. B. Cu₂S) können als Monoschichtbeschichtungen gebildet werden. Monoschichtbeschichtungen gestatten eine breitere Kontrolle der Dispersionscharakteristiken des Phosphorpulvers in einer breiten Vielfalt von Pastenzusammensetzungen und von anderen fließfähigen Medien.
Die Monoschichtbeschichtungen können auch auf Phosphorpulver angewendet werden, die bereits mit einer organischen oder anorganischen Beschichtung beschichtet worden sind, wodurch für eine bessere Kontrolle der Korrosionseigenschaften (bei der Nutzung einer dickeren Beschichtung) und der Dispergierbarkeit (bei der Nutzung einer Monoschichtbeschichtung) des Phosphorpulvers gesorgt wird.
Als ein direktes Ergebnis der vorstehenden Pulvereigenschaften haben die sauerstoffhaltigen Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung viele einzigartige und vorteilhafte Eigenschaften, die sich in bisher bekannten Phosphorpulvern nicht finden.
Die Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung haben eine hohe Wirksamkeit, manchmal als Quantenwirksamkeit bezeichnet. Wirksamkeit ist die Gesamtumwandlungsrate der Anregungsenergie (Elektronen oder Photonen) zu sichtbaren emittierten Photonen. Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung beträgt die Wirksamkeit des Phosphorpulvers mindestens etwa 90%. Die fast perfekte Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Phosphorpulver soll auf die hohe Kristallinität und homogene Verteilung des Aktivatorions im Wirtsmaterial zurückzuführen sein.
Die sauerstoffhaltigen Phosphorpulver haben auch gut kontrollierte Farbeigenschaften, manchmal als Emissionsspektrumeigenschaften oder Chromatizität bezeichnet. Diese wichtige Eigenschaft ist auf die Fähigkeit zur präzisen Kontrolle der Zusammensetzung des Wirtsmaterials, die homogene Verteilung des Aktivatorions und die hohe Reinheit der Pulver zurückzuführen.
Die Phosphorpulver haben auch eine verbesserte Abklingzeit, auch als Persistenz bezeichnet. Unter Persistenz wird die Menge an Zeit verstanden, in der die Lichtemission auf 10% ihrer Helligkeit abklingt. Phosphore mit langen Abklingzeiten können zu unscharfen Bildern führen, wenn das Bild sich über den Display bewegt. Die verbesserte Abklingzeit der Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung wird hauptsächlich auf die homogene Verteilung des Aktivatorions im Wirtsmaterial zurückgeführt.
Die Phosphorpulver haben außerdem eine verbesserte Helligkeit gegenüber Phosphorpulvern des Stands der Technik. Dies bedeutet, dass die Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung bei einer gegebenen Aufbringung von Energie mehr Licht produzieren.
Daher haben die sauerstoffhaltigen Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung eine einzigartige Kombination von Eigenschaften, die in herkömmlichen Phosphorpulvern nicht anzutreffen sind. Die Pulver können vorteilhaft genutzt werden, um eine Anzahl von Zwischenprodukten zu bilden, zum Beispiel Pasten oder Schlämme, und können in eine Anzahl von Vorrichtungen eingebunden werden, wobei die Vorrichtungen eine deutlich erhöhte Leistung haben, die direkt aus den Eigenschaften der Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung stammen. Die Vorrichtungen können Licht emittierende Lampen und Displayvorrichtungen zur visuellen Bereitstellung von Information und Graphiken enthalten. Solche Displayvorrichtungen schließen traditionelle Displayvorrichtungen auf CRT-Basis, wie Fernsehgeräte, und auch Flachdisplays ein. Flachdisplays sind relativ dünne Vorrichtungen, die Graphiken und Bilder ohne die Verwendung einer traditionellen Bildröhre zeigen und mit bescheidenem Energiebedarf arbeiten. Im Allgemeinen schließen Flachdisplays ein auf einer Sichttafel selektiv dispergiertes Phosphorpulver ein, wobei die Anregungsquelle in enger Nähe zur Tafel hinter dieser liegt. Flachdisplays umfassen Flüssigkristalldisplays (LCD), Plasmadisplays (PDPs), Elektrolumineszenz-Displays (EL) und Feldemissionsdisplays (FEDs).
CRT-Vorrichtungen, die eine Kathodenstrahlröhre nutzen, schließen traditionelle Displayvorrichtungen, wie Fernsehgeräte und Computermonitore, ein. CRTs arbeiten durch den selektiven Beschuss von kathodenlumineszenten Phosphorteilchen, die sich an vorgegebenen Stellen (Bildpunkte) des Bildschirms befinden, mit Elektronen aus einer oder mehreren Kathodenstrahlröhren. Die Kathodenstrahlröhre ist in einem Abstand vom Displaybildschirm angeordnet, der mit der Zunahme der Schirmgröße zunimmt. Durch selektive Richtung des Elektronenstrahls auf bestimmte Bildpunkte (Pixel) kann ein Vollfarbdisplay mit hoher Auflösung erhalten werden.
Flachdisplays (FPDs) bieten gegenüber CRTs viele Vorteile, einschließlich geringeres Gewicht, Tragbarkeit und verminderten Energiebedarf. Flachdisplays können entweder Monochrom- oder Farbdisplays sein. Flachdisplays sollen eventuell die sperrigen CRT-Vorrichtungen wie Fernsehgeräte durch ein dünnes Produkt ersetzen, das wie ein Bild an die Wand gehängt werden kann. Zur Zeit können die Flachdisplays dünner, leichter und mit niedrigerem Energieverbrauch als CRT-Vorrichtungen hergestellt werden, aber nicht mit der visuellen Qualität und Preisleistung einer CRT-Vorrichtung.
Die hohen Elektronenspannungen und kleinen Ströme, die traditionell benötigt werden, um Phosphore wirksam in einer CRT-Vorrichtung zu aktivieren, haben die Entwicklung von Flachdisplays behindert. Phosphore für Flachdisplays wie Feldemissionsdisplays müssen typischerweise bei einer niedrigeren Spannung, höherer Stromdichte und höherer Effizienz arbeiten als in bestehenden CRT-Vorrichtungen verwendete Phosphore. Die in derartigen Displays benutzten niedrigen Spannungen resultieren in einer Elektroneneindringtiefe im Bereich von einigen Mikrometern bis hinunter zu einigen zehn Nanometern, abhängig von der angelegten Spannung. Daher ist die Kontrolle der Größe und Kristallinität der Phosphorteilchen kritisch für die Vorrichtungsleistung. Wenn große oder agglomerierte Teilchen genutzt werden, kann nur eine kleine Fraktion der Elektronen mit dem Phosphor Wechselwirken. Verwendung von Phosphorpulvern mit einer breiten Größenverteilung können ebenfalls zu nicht gleichförmigen Bildpunkten und Unterbildpunkten führen, die ein unscharfes Bild hervorrufen.
Eine Art von FPD ist ein Plasmadisplay (PDP). Plasmadisplays haben eine Bildqualität, die mit gängigen CRT-Vorrichtungen vergleichbar ist, und können leicht in großen Größen wie 20 bis 60 diagonale Zoll bemessen werden. Die Displays sind hell und leichtgewichtig und haben eine Dicke von etwa 1,5 bis 3 Zoll. Ein Plasmadisdplay funktioniert ähnlich der Neonbeleuchtung. In einem Plasmadisplay wird eine Plasmaquelle, typischerweise eine Gasmischung, zwischen eine entgegengesetzte Anordnung ansprechbarer Elektroden plaziert, und ein elektrisches Feld hoher Energie wird zwischen den Elektroden erzeugt. Durch Erreichen einer kritischen Spannung wird aus dem. Gas das Plasma gebildet und UV-Photonen werden vom Plasma ausgesendet. Farbige Plasmadisplays enthalten Dreifarbenphotolumineszenzphosphorteilchen, die auf der Innenseite der Glasfrontplatte abgeschieden sind. Die Phosphore emittieren selektiv Licht, wenn sie von den Photonen beleuchtet werden. Plasmadisplays arbeiten bei relativ geringen Strömen und können entweder von einem AC- oder DC-Signal angetrieben werden. AC-Plasmasysteme benutzen eine dielektrische Schicht auf der Elektrode, die einen Kondensator bildet. Diese Impedanz begrenzt den Strom und sorgt für eine nötige Ladung in der Gasmischung.
Erfindungsgemäße sauerstoffhaltige Phosphore, die besonders nützlich für Plasmadisplays sind, beinhalten (Y,Gd)BO₃:Eu für Rot, Y₃Al₅O₁₂:Tb für Blau/Grün, Zn₂SiO₄:Mn für Grün und BaM-gAl₄O₂₃:Eu für Blau. Die Phosphore können vorteilhafterweise beschichtet sein, wie mit MgO, um den Abbau durch das Plasma zu verringern.
Eine andere Art von Flachdisplay ist ein Feldemissionsdisplay (FED). Diese Vorrichtungen beseitigen vorteilhafterweise die Größen-, Gewichts- und Energieverbrauchsprobleme von CRTs, während sie eine vergleichbare Bildqualität beibehalten und daher besonders nützlich für tragbare Elektronikgeräte sind, wie für Laptopcomputer. FEDs erzeugen Elektronen von Millionen von kalten Mikrotip-Emittern niedriger Energieausstrahlung, die in einem matrixadressierten Array angeordnet sind, wobei einige Tausend Emitter jedem Bildpunkt des Displays zugeordnet sind. Die Mikrotip-Emitter sind näherungsweise 0,2 Millimeter von dem kathodenlumineszenten Phosphor-Bildschirm, der das Displaybild erzeugt, entfernt angeordnet. Dies ermöglicht ein dünnes leichtgewichtiges Display.
Sauerstoffhaltige Phosphore, die besonders nützlich für FED-Vorrichtungen sind, schließen Y₂O₃:Eu für Rot, ZnO für Grün und Barium-Magnesium-Aluminat BAM:Eu für Blau ein. Diese Phosphore können beschichtet werden, wie z. B. mit einem Metalloxid, da die hohen Elektronenstrahlstromdichten einen Zusammenbruch und die Dissoziation des Phosphorwirtsmaterials hervorrufen können. Dielektrische Beschichtungen wie SiO₂ und Al₂O₃ können verwendet werden. Außerdem können halbleitende Beschichtungen wie SnO₂ oder In₂O₃ besonders vorteilhaft sein, um sekundäre Elektronen zu absorbieren.
Beschichtungen für die sauerstoffhaltigen FED-Phosphore haben vorzugsweise eine durchschnittliche Dicke von etwa 1 bis 10 Nanometern, mehr bevorzugt von etwa 1 bis zu 5 Nanometern. Beschichtungen mit einer Dicke von mehr als etwa 10 Nanometern erniedrigen die Helligkeit der Vorrichtung, da die Elektroneneindringtiefe von 1-2 kV-Elektronen nur etwa 10 Nanometer beträgt. Solch dünne Beschichtungen können vorteilhafterweise Monoschichtbeschichtungen, wie oben diskutiert, sein.
Das Haupthindernis für die weitere Entwicklung von FEDs ist das Fehlen von geeigneten Phosphorpulvern. FEDs benötigen Hochspannungsphosphormaterialien, das heißt, Phosphore, die ausreichend Licht unter angelegten niedrigen Spannungen, wie z. B. weniger als 500 Volt, und hohen Stromdichten emittieren. Die sauerstoffhaltigen Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung haben vorteilhafterweise eine verbesserte Helligkeit bei solchen niedrigen angelegten Spannungen, und die beschichteten Phosphorteilchen widerstehen dem Abbau unter hohen Stromdichten. Die verbesserte Helligkeit kann der hohen Kristallinität und hohen Reinheit der Teilchen zugeschrieben werden. Phosphorteilchen mit niedriger Kristallinität und starken Verunreinigungen aufgrund von Prozessen wie Mahlen haben nicht die gewünschte große Helligkeit. Die Phosphorteilchen der vorliegenden Erfindung haben auch die Fähigkeit, die Helligkeit und die Chromatizität über lange Zeitspannen beizubehalten, wie mehr als 10.000 Stunden. Weiterhin verbessert die kugelförmige Morphologie der Phosphorpulver die Lichtstreuung, und damit verbessern sich die visuellen Eigenschaften des Displays. Die kleine mittlere Größe der Teilchen ist vorteilhaft, da die Elektroneneindringtiefe wegen der niedrigen angelegten Spannung nur einige Nanometer beträgt.
Für jede der vorstehenden Displayeinrichtungen, Kathodenstrahlröhrenvorrichtungen und Flachdisplayvorrichtungen, einschließlich Plasmadisplays und Feldemissionsvorrichtungen, ist es wichtig, dass die einen Bildpunkt bildende Phosphorschicht so dünn und gleichförmig wie möglich ist, mit einer Minimalanzahl von Fehlstellen.
In einer bevorzugten Ausführung hat die den Bildpunkt bildende Phosphorschicht eine mittlere Dicke von nicht mehr als der dreifachen mittleren Teilchengröße des Pulvers, vorzugsweise nicht mehr als etwa die zweifache mittlere Teilchengröße und noch mehr bevorzugt nicht mehr als die 1,5 fache mittlere Teilchengröße. Diese einzigartige Charakteristik ist wegen der einzigartigen Kombination von kleiner Teilchengröße, enger Größenverteilung und kugelförmiger Morphologie der Phosphorteilchen möglich. Die Vorrichtung produziert daher ein Bild, das wegen der Fähigkeit, kleinere gleichförmigere Bildpunkte zu bilden, eine viel höhere Auflösung und eine größere Helligkeit hat, da die Lichtstreuung signifikant reduziert ist und die aufgrund von nicht-lumineszenten Teilchen verlorene Lichtmenge reduziert wird.
Elektrolumineszenz-Displays (EL-Displays) arbeiten mit Elektrolumineszenz. EL-Displays sind sehr dünne Strukturen, die sehr kleine Bildschirmgrößen haben können, wie z. B. wenige diagonale Zoll, während sie ein sehr hoch aufgelöstes Bild produzieren. Diese Displays werden wegen der sehr kleinen Größe in vielen militärischen Anwendungen verwendet, wo die Größe eine strikte Anforderung ist, wie in Flugzeugcockpits, kleinen Handbildschirmen und Warnungsdisplays. Diese Displays funktionieren durch Anlegen eines hohen elektrischen Potentials zwischen zwei adressierenden Elektroden. EL-Displays werden am häufigsten von einem elektrischen AC-Signal gesteuert. Die Elektroden befinden sich in Kontakt mit einem halbleitenden dünnen Phosphorfilm, und die hohe Potentialdifferenz erzeugt heiße Elektronen, die sich durch den Phosphor bewegen, die Anregung ermöglichen, die von Lichtemission gefolgt ist.
Während gängige Elektrolumineszenz-Displaykonfigurationen eine Dünnfilmphosphorschicht 1122 verwenden und typischerweise keine Phosphorpulver verwenden, ist die Verwendung von sehr kleinen monodispergierten Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft für den Gebrauch in solchen Vorrichtungen. Zum Beispiel können kleine monodispergierte Teilchen auf einem Glasssubstrat durch Nutzung einer Dickfilmpaste abgeschieden und gesintert werden, um einen gut zusammenhängenden Film zu erzeugen und können daher die teure und materialbegrenzte derzeit zur Filmabscheidung genutzte CVD-Technologie ersetzen. Solch ein gut zusammen hängenden Film kann nicht von großen, agglomerierten Phosphorteilchen gebildet werden. Ähnlich sind Verbundphosphorteilchen eine begehbare Alternative zu dem relativ teuren Vielschichtstapel, der gängigerweise in Elektrolumineszenz-Displays eingesetzt wird. Daher kann ein Verbundphosphorteilchen verwendet werden, das den Phosphor und ein dielektrisches Material enthält.
Eine andere Verwendung für Phosphore gemäß der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich der Elektrolumineszenzlampen. Elektrolumineszenzlampen werden auf einem starren oder flexiblen Substrat gebildet, so wie einem Polymersubstrat, und werden gewöhnlich verwendet als Hintergrundlichter in Membranschaltern, Handys, Uhren, Minicomputern und Ähnlichem. Zusätzliche Farben, höhere Verlässlichkeit und Pulver höherer Helligkeit sind kritische Erfordernisse für die Elektrolumineszenzlampen-Industrie, um die Designer mit der Möglichkeit zu versorgen, neue Marktsegmente zu betreten. Die Phosphorschichten sollten auch dünner und dichter sein, ohne die Helligkeit zu opfern, um den Wassereintritt zu minimieren und die Lichtstreuung zu eliminieren. Elektrolumineszenzlampen höherer Helligkeit erfordern dünnere Phosphorschichten, die Phosphorpulver kleinerer Teilchengrößen erfordern, die mit konventionellen Methoden nicht produziert werden können. Solche dünnen Schichten verwenden auch weniger Phosphorpulver. Zur Zeit erhältliche EL-Lampen verwenden Pulver, die eine mittlere Größe von etwa 5 μm oder mehr haben, typischerweise viel größer sind. Die Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung ermöglichen durch eine kleine Teilchengröße und eine enge Größenverteilung die Produktion hellerer und verlässlicherer EL-Lampen, die eine höhere Le benserwartung haben. Außerdem ermöglichen die Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung die Produktion von EL-Lampen, in denen die Phosphorschicht eine deutlich reduzierte Dicke hat, ohne die Helligkeit oder andere wünschenswerte Eigenschaften zu opfern. Konventionelle EL-Lampen haben Phosphorschichten mit einer Dicke in der Größenordnung von 100 μm. Die Pulver der vorliegenden Erfindung ermöglichen vorteilhafterweise die Produktion einer EL-Lampe, die eine Phosphorschicht hat, die nicht dicker ist als 15 μm, wie z. B. nicht dicker als 10 μm. Die Phosphorschicht ist vorzugsweise nicht dicker als etwa das dreifache Gewichtsmittel der Teilchengröße, mehr bevorzugt nicht stärker als etwa das zweifache Gewichtsmittel der Teilchengröße.
Wie oben angegeben, werden Elektrolumineszenzlampen zunehmend wichtig für die Beleuchtung von hinten von alphanumerischen Displays in kleinen elektrischen Vorrichtungen wie Handys, Pagern, Minicomputern, Armbanduhren, Taschenrechnern und Ähnlichem. Sie sind auch nützlich in Anwendungen wie Instrumententafeln, tragbaren Mitteilungstafeln, Sicherheitsbeleuchtung, Notfallbeleuchtung für Erste-Hilfe- und Sicherheitsvorrichtungen, photographische Hintergrundbeleuchtung, Membranschalter und andere ähnliche Anwendungen. Eines mit den Elektrolumineszenz-Vorrichtungen verbundenes Problem ist, dass sie im Allgemeinen die Anwendung von Wechselstrom (AC) erfordern, um Licht zu erzeugen. Ein bedeutendes Hindernis für die Entwicklung der verwendbaren Gleichstrom-Elektrolumineszenz-Vorrichtungen (DCEL) ist ein Bedarf an einem Phosphorpulver, das in einem elektrischen DC-Feld zulänglich funktioniert. Das Phosphorpulver zur Funktion in einem elektrischen DC-Feld sollte mindestens drei Anforderungen erfüllen: 1) die Teilchen sollten eine kleine mittlere Teilchengröße haben; 2) die Teilchen sollten eine gleichmäßige Größe haben, das heißt, die Teilchen sollten eine enge Größenverteilung haben ohne große Teilchen oder Agglomerate und 3) sollten die Teilchen gute Lumineszenzeigenschaften haben, insbesondere eine hohe Helligkeit. Die Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung erfüllen vorteilhaft diese Anforderungen. Daher gestatten die Phosphorpulver der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise die Verwendung von Elektrolumineszenz-Vorrichtungen, ohne einen Inverter zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung zu erfordern. Solche Vorrichtungen sind im Handel zurzeit nicht erhältlich. Wenn sie in einer Vorrichtung, die DC-Spannung verwendet, benutzt werden, ist es bevorzugt, die Phosphorteilchen mit einer dünnen Schicht eines leitenden Materials zu beschichten, so wie Kupfer, oder mit einer leitenden Verbindung wie Kupfersulfid.
Für viele der vorstehenden Anwendungen werden Phosphorpulver oft in einer Paste dispergiert, die dann auf eine Oberläche aufgetragen wird, um eine phosphoreszierende Schicht zu erhalten. Diese Pasten werden gewöhnlich für Elektrolumineszenzlampen, FEDs, Plasmadisplays, CRTs, Lampenphosphore und Dickfilm-Elektrolumineszenzdisplays verwendet. Die Pulver der vorliegenden Erfindung bieten viele Vorteile, wenn sie in einer solchen Paste dispergiert werden. Zum Beispiel dispergieren die Pulver besser als nicht kugelförmige Pulver mit breiter Größenverteilung und können daher dünnere und gleichförmigere Schichten mit einer reduzierten Klumpenzahl produzieren. Solch eine Dickfilmpaste erzeugt einen helleren Display. Die Packungsdichte der Phosphore ist auch höher. Die Anzahl der Prozessschritte kann auch vorteilhaft reduziert werden. Zum Beispiel werden bei der Herstellung von Elektrolumineszenzlampen oft zwei dielektrische Schichten gebraucht, um die Phosphorpastenschicht abzudecken, da viele der Phosphorteilchen groß genug sind, durch eine Schicht herauszuragen. Kugelförmige Teilchen, die im Wesentlichen größengleichmäßig sind, beseitigen dieses Problem, und die EL-Lampe erfordert vorteilhafterweise eine dielektrische Schicht.
BEISPIELE
Y₂O₃ – Phosphore
Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung darzulegen, wird europiumdotierter Yttriaphosphor (Y₂O₃:Eu³⁺) unter verschiedenen Bedingungen hergestellt. Diese Phosphorverbindung ist ein roter Phosphor mit einer Peak-Anregungswellenlänge bei 253 nm. Diese Phosphorverbindung ist einer der am meisten verwendeten roten Phosphore und ist in vielen Anwendungen nützlich.
Für jedes dieser Beispiele werden die Pulver in Übereinstimmung mit der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt. Ein Aerosol einer Vorstufenlösung wurde durch Verwendung einer Ultraschallzerstäubungstechnik erzeugt. Die Ultraschallwandler hatten eine Frequenz von etwa 1,6 MHz. Die Tropfen wurden in einem Trägergas (Luft) durch einen Röhrenofen ohne Fraktionierung der Tropfen in einem Impaktor transportiert. Die mittlere Verweildauer der Teilchen im Ofen wurde auf etwa 10 Sekunden geschätzt. Die Vorstufen waren Yttriumnitrat (Y(NO₃)₃·6H₂O und Europiumnitrat (Eu(NO₃)₃ 6H₂O). Wenn nicht anders aufgeführt, betrug die Konzentration der Vorstufen für alle Experimente enthaltene 2,9 Gewichtsprozent Yttria in der Lösung oder 10 Gramm Yttriumnitrat pro 100 ml Wasser.
Eine erste Reihe von Experimenten wurde durchgeführt, um die optimale Reaktionstemperatur zur Herstellung von Y₂O₃:Eu mit 1 Atomprozent zu bestimmen. Die Reaktionstemperatur wurde in 100°C-Intervallen zwischen 700°C und 1500 °C variiert. Die relative Photolumineszenzintensität stieg von 700°C zu 1000°C an und hatte ein Maximum bei einer Reaktionstemperatur von 1000°C. Von 1000°C bis 1500°C nahm die relative Intensität ständig ab. Die mittlere Kristallitgröße der Pulver nahm ebenso mit der Reaktionstemperatur von 700°C bis 1500°C zu und stieg von etwa 15 Nanometern (700°C) bis zu etwa 50 Nanometern (1500°C). Die mittlere Kristallitgröße bei 1000°C betrug etwa 28 Nanometer.
Basierend auf dem Vorhergehenden wurden weitere Beispiele bei einer Reaktionstemperatur von 1000°C hergestellt. Die Europiumkonzentration wurde von etwa 1 Atomprozent bis zu etwa 15 Atomprozent variiert. Die relative Photolumineszenzintensität stieg stetig bis zu etwa 11 Atomprozent Eu und nahm dann schnell ab. Die Höchstintensität gab es bei einem Eu-Pegel von etwa 11 Atomprozent. Es wird angenommen, dass Phosphorpulver, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung produziert worden sind, vorteilhafterweise diese erhöhte Menge an Aktivatorion wegen der ver besserten Atommischung des Aktivatorions im Wirtsgitter beinhalten, wodurch höhere Mengen an Aktivatorion zur Nutzung während der Lumineszenz gestattet sind.
Um den Effekt des Temperns auf die Y₂O₃:Eu-Pulver der vorliegenden Erfindung zu bestimmen, wurden Pulver, die 2 Atomprozent Eu enthielten und bei 1000°C hergestellt wurden, unter verschiedenen Bedingungen getempert, um den Einfluss der Tempertemperatur zu bestimmen. Das Pulver wurde in einem Quarzschiff platziert und bei einer Geschwindigkeit von 10°C pro Minute erhitzt und für etwa 6 Minuten bei einer Maximaltemperatur in unbewegter Luft belassen. Die Tempertemperatur wurde von 1000°C bis 1600°C variiert. Die höchste Photolumineszenzintensität wurde bei einer Tempertemperatur von 1500°C beobachtet. Bei Tempertemperaturen unterhalb von etwa 1400°C änderte sich die Helligkeit des Pulvers wenig. Die mittlere Kristallitgröße nahm stetig von etwa 22 Nanometern bis zu etwa 68 Nanometern bei 1500°C zu. Es wurde auch beobachtet, dass, wenn das hellste nicht getemperte Pulver (hergestellt bei 1000°C mit 10 Atomprozent Eu) bei 1400°C für etwa 6 Minuten getempert wurde, die Photolumineszenzintensität um etwa 55 % zunahm.
In einer weiteren Reihe von Beispielen wurde der Vorstufenlösung Harnstoff zugesetzt, um die Dichte des Y₂O₃:Eu-Phosphors zu erhöhen. Speziell wurde Harnstoff in Mengen von 0,5 Molequivalenten bis zu etwa 4 Molequivalenten der Vorstufenlösung zugesetzt. Die Raumdichte wurde durch Einsatz einer Standard-Helium-Pyknometrietechnik gemessen. Wenn die Teilchen ohne Harnstoff produziert wurden, hatten die Teilchen eine Dichte von etwa 4,1 g/cm³, die leicht größer ist als 80 % der theoretischen Dichte (5,01 g/cm³). Der Zusatz von 0,5 Molequivalenten von Harnstoff erhöhte die Dichte auf etwa 5,0 g/cm³ oder 99 % der theoretischen Dichte. Ein Molequivalent Harnstoff erzeugte ein Pulver, das eine leicht niedrigere Dichte hatte, etwa 4,95. Höhere Zusätze von Harnstoff erzeugten Pulver mit einer stetig abnehmenden Dichte.
Weitere Experimente wurden durchgeführt, um die optimale Konzentration der Nitratvorstufe zum Erhalt der höchsten Produktionsrate zu bestimmen. Die Löslichkeit des Nitratsalzes in einer Wasserlösung beträgt etwa 57,3 Gewichtsprozent, was etwa 28 Gewichtsprozent Yttria entspricht. Es wurden Lösungen hergestellt, die 5, 10 und 20 Gewichtsprozent Y₂O₃ enthielten. Die höchste Produktionsrate ergab sich bei der 5-Prozent-Lösung. Höhere Konzentrationen der Vorstufe schienen explodierte Teilchen mit vielen Fragmenten und Trümmern zu erzeugen. Die beste Morphologie wurde bei 5 Gewichtsprozent Yttria erzeugt, da das Pulver nur minimale Trümmer aufwies.
Unter Verwendung ähnlicher Prozessparameter wurden andere sauerstoffhaltige Phosphore produziert. Zum Beispiel wurde ein intrinsisches ZnO:Zn-Pulver auf eine ähnliche Weise aus einer Zinknitratvorstufe bei einer Reaktionstemperatur von etwa 700°C bis zu etwa 900°C produziert. Der Grad, zu dem ZnO und demzufolge die Lumineszenzeigenschaften reduziert werden, kann vorteilhaft durch Variation der Trägergaszusammensetzung kontrolliert werden. Ein erfindungsgemäß erzeugtes ZnO:Zn-Phosphorpulver ist in 45 dargestellt. Das Pulver hat eine kleine mittlere Teilchengröße und besteht aus Teilchen, die eine im Wesentlichen kugelförmige Morphologie haben.

Claims

Ein Pulverbatch, enthaltend sauerstoffhaltige Phosphorteilchen, worin besagte Phosphorteilchen ein Gewichtsmittel der Teilchengröße von nicht mehr als 5 μm und eine Teilchengrößenverteilung aufweisen, worin mindestens 90 Gewichtsprozent besagter Teilchen nicht größer sind als die zweifache mittlere Teilchengröße und worin besagte Phosphorteilchen ein Wirtsmaterial und mindestens ein erstes Aktivatorion enthalten.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 1, worin mindestens 95 Gewichtsprozent besagter Phosphorteilchen nicht größer sind als die zweifache besagte mittlere Teilchengröße.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 1, worin mindestens 90 Gewichtsprozent der besagten Phosphorteilchen nicht größer sind als die eineinhalbfache besagte mittlere Teilchengröße.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 1, worin besagte durchschnittliche Teilchengröße zwischen 0,3 μm und 5 μm liegt.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 1, worin die besagte durchschnittliche Teilchengröße zwischen 0,3 μm und 3 μm liegt.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen ein aus der aus Zinkoxid, Yttriumoxid, Y₃Al₅O₁₂ und Bariumaluminaten bestehenden Gruppe ausgewähltes Metalloxidwirtsmaterial enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen ein Silikatwirtsmaterial enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen ein aus der aus Zinksilikat, Calciumsilikat, Bariumsilikat, Gadoliniumsilikat und Yttriumsilikat bestehenden Gruppe ausgewähltes Wirtsmaterial enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen ein Boratwirtsmaterial enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen (Y,Gd)BO₃ enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen ein Titanatwirtsmaterial enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen ein hauptsächlich aus Zinkoxid bestehendes Wirtsmaterial enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen ein hauptsächlich aus Yttriumoxid bestehendes Wirtsmaterial enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen von 0,02 bis zu 15 Atomprozent eines Aktivatorions enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen ein Yttriumwirtsmaterial und Europium als Aktivatorion enthalten.
Ein Pulverbatch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin besagte Phosphorteilchen eine mittlere Kristallitgröße von mindestens 25 Nanometern haben.
Ein Pulverbatch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin besagte Phosphorteilchen eine mittlere Kristallitgröße von mindestens 40 Nanometern haben.
Ein Pulverbatch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin besagte Phosphorteilchen im Wesentlichen kugelförmig sind.
Ein Pulverbatch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin nicht mehr als 1 Gewichtsprozent besagter Phosphorteilchen in der Form von harten Agglomeraten vorliegen.
Ein Pulverbatch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin besagte Phosphorteilchen beschichtete Teilchen sind, enthaltend eine im Wesentlichen einheitliche Beschichtung auf einer Außenfläche davon.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 20, worin besagte Beschichtung besagte Phosphorteilchen im Wesentlichen vollständig einkapselt.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 20, worin besagte Beschichtung eine im Wesentlichen einheitliche nicht-partikuläre Beschichtung ist.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 20, worin besagte Beschichtung eine im Wesentlichen einheitliche partikuläre Beschichtung ist.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 20, worin besagte Beschichtung eine mittlere Dicke von nicht mehr als 100 Nanometern aufweist.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 20, worin besagte Beschichtung eine mittlere Dicke von 2 Nanometern bis zu 10 Nanometern hat.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 20, worin besagte Beschichtung hauptsächlich aus einem Metall besteht.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 20, worin besagte Beschichtung ein Pigment enthält.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 20, worin besagte Beschichtung eine organische Verbindung enthält.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-20, worin besagte Phosphorteilchen Verbundphosphorteilchen sind, worin besagte Verbundphosphorteilchen mindestens eine erste sauerstoffhaltige Phosphorverbindungsphase und mindestens eine zweite Phase enthalten, die ganz in der besagten ersten sauerstoffhaltigen Phosphorverbindung fein verteilt ist.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 29, worin besagte zweite Phase eine zweite sauerstoffhaltige Phosphorverbindung enthält.
Ein Pulverbatch nach Anspruch 29, worin besagte zweite Phase eine Metallsulfid-Phosphorverbindung enthält.
Ein Verfahren zur Herstellung der Phosphorteilchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend die Schritte: a) Bildung eines Aerosols von Tröpfchen aus einer Flüssigkeit, worin besagte Flüssigkeit eine sauerstoffhaltige Phosphorvorstufe enthält; b) Überführung besagter Tröpfchen in ein Trägergas und c) Erwärmen besagter Tröpfchen, um daraus die Flüssigkeit auszutreiben und um sauerstoffhaltige Phosphorteilchen zu bilden.
Ein Verfahren nach Anspruch 32, worin besagtes Trägergas Luft enthält.
Ein Verfahren nach Anspruch 32, worin besagter Erwärmungsschritt das Durchführen besagter Tröpfchen durch eine Erwärmungszone enthält, die eine Temperatur von 400°C bis 1500°C aufweist.
Ein Verfahren nach Anspruch 32, ferner enthaltend den Schritt der Entfernung eines Teils der Tröpfchen aus besagtem Aerosol, wobei besagte entfernte Tröpfchen einen aerodynamischen Durchmesser aufweisen, der größer ist als ein vorgewählter Höchstdurchmesser.
Ein Verfahren nach Anspruch 32, worin besagte Flüssigkeit eine Lösung ist, eine ein Metallnitrat enthaltende sauerstoffhaltige Phosphorvorstufe enthaltend.
Ein Verfahren nach Anspruch 32, ferner enthaltend den Schritt der Beschichtung einer Außenfläche besagter sauerstoffhaltiger Phosphorteilchen.
Ein Verfahren nach Anspruch 32, worin besagtes Verfahren ferner den Schritt enthält, besagte Phosphorteilchen zu tempern, um die Kristallinität besagter Teilchen zu erhöhen.
Eine Displayvorrichtung, um visuelle Graphiken und Information zu übermitteln, enthaltend: a) eine Vielzahl von Bildpunktregionen enthaltend Phosphorpulverschichten, worin besagte Phosphorpulverschichten einen Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-31 enthalten und b) eine Anregungsquelle, die geeignet ist, besagtes Phosphorpulver anzuregen, Licht auszusenden, das von einem Zuschauer gesehen werden kann.
Eine Displayvorrichtung nach Anspruch 39, worin besagte Phosphorpulverschichten eine mittlere Dicke von nicht mehr als etwa dem Dreifachen der mittleren Teilchengröße aufweisen.
Ein Flachdisplay enthaltend: a) eine Anregungsquelle, die geeignet ist einen Phosphor anzuregen und b) eine Sichttafel nächst besagter Anregungsquelle, enthaltend ein transparentes Substrat, auf dem der Phosphorpulverbatch nach Anspruch 1 angeordnet ist, der Bildpunkte definiert.
Ein Flachbildschirm nach Anspruch 41, worin besagte Bildpunkte eine Phosphorpulverschicht enthalten, die eine mittlere Dicke von nicht mehr als der dreifachen besagten mittleren Teilchengröße aufweisen.
Ein Pulverbatch nach einem der Ansprüche 1-5, worin besagte Phosphorteilchen ein aus der aus einfachen Metalloxiden, komplexen Metalloxiden, Metallsilikaten, Metallboraten und Titanaten bestehenden Gruppe ausgewähltes Wirtsmaterial enthalten.
Verwendung von Up-Konverter-Phosphoren nach den Ansprüchen 1-31 in Sicherheitsanwendungen.