Probl´ ematique

Ce travail de th`ese porte sur l’´etude de l’am´elioration des propri´et´es de d´eformation d’un masque de tube cathodique. Le masque est une feuille m´etallique de 200 µm d’´epais-seur, en Invar ou en Akoca, perc´ee de 300 `a 500 000 trous (rectangulaires de 200 × 400

µm2) comme nous pouvons le voir sur la figure suivante (fig. 1.2).

1.2.(a): Photographie MEB des trous d’un masque ×25000, 20 kV

1.2.(b): Photographie MEB des trous d’un masque ×140000, 20 kV

Fig. 1.2 – Photographies MEB des trous d’un masque `a diff´erents grossissements

´elec-6 Chapitre 1. Pr´esentation du travail de th`ese trons qui g´en`ere trois faisceaux d’´electrons. Le masque assure la s´eparation g´eom´etrique des trois faisceaux d’´electrons de mani`ere `a leur assigner des points d’impacts corres-pondants aux luminophores auxquels ils sont associ´es. Chaque faisceau est d´edi´e `a une couleur de base. Le m´ecanisme de s´election des couleurs est fond´e sur la cr´eation d’ombres empˆechant un faisceau donn´e d’atteindre des luminophores qui ne lui sont pas associ´es.

`

A chaque perforation du masque correspond un triplet (bleu, rouge, vert) sur l’´ecran. Les ombres sont cr´e´ees par les diff´erences d’angle d’incidence des trois faisceaux au passage des trous. Les diff´erences d’´eclairement entraˆınent une r´epartition non uniforme du gra-dient de temp´erature car le faisceau d’´electrons est focalis´e sur un endroit du masque et ´echauffe localement celui-ci. C’est cette r´epartition non uniforme qui est responsable de la d´eformation de l’image. La g´eom´etrie du masque (courbure, r´eseau de trous) est li´ee `a celle de l’´ecran. La position relative du masque et de la couche des luminophores a une grande influence sur la qualit´e de l’image. Un d´eplacement du masque affecte les points d’impacts des ´electrons sur l’´ecran et cause donc une perturbation : d´efaut de brillance, contraste, qualit´e de la couleur. . . Une modification de la distance masque-´ecran conduit `a une d´ecoloration de l’image. C’est la raison pour laquelle la dilatation du masque est un point critique pour les performances d’un tube cathodique (fig. 1.3).

20%

Luminophores Fonction principale du masque :

sélection des couleurs

Fonction contrainte : doming

Déformation du masque "à chaud" : doming Décoloration

80%

Position du masque à froid

Faisceau d'électrons

Fig. 1.3 – Principe du doming

1.1. Motivation du travail 7 moins soumis aux effets d’un gradient de temp´erature car il poss`ede un faible coefficient

d’expansion thermique de 1, 2·10−6K−1 `a 300 K avec un coefficient d’´emissivit´e thermique

ε= 0, 5 (alors que pour l’Akoca, la valeur est de 12 · 10−6 K−1 `a 300 K avec un coefficient

d’´emissivit´e thermique ε = 0, 8).

La d´eformation du masque est ´egalement li´ee au coefficient de r´etrodiffusion des ´elec-trons (β). Si les ´elec´elec-trons sont suffisamment r´etrodiffus´es le masque sera moins ´echauff´e lo-calement. Pour am´eliorer le coefficient de r´etrodiffusion des ´electrons des masques (Akoca

ou Invar), une projection d’oxyde de bismuth (Bi2O3), qui est un mat´eriau lourd, est

r´ealis´e. Le coefficient de r´etrodiffusion des ´electrons (β) d´epend du num´ero atomique de l’´el´ement et de l’´energie des ´electrons incidents (en g´en´eral 25 − 30 keV pour un tube cathodique) comme nous pouvons le voir dans le tableau 1.1 suivant.

Mat´eriaux Formule Pourcentage

massique de l’´el´ement (%) Num´ero ato-mique (Z) β Fer Fe 100 26 0, 277 Invar Fe_xNi_1−x Fe : 64 ; Ni : 36 Fe : 26 ; Ni : 28 0, 283 Oxyde de Fer Fe₃O₄ Fe : 72, 3 ; O : 27, 7 Fe : 26 ; O : 8 0, 223 Oxyde de Bismuth Bi₂O₃ Bi : 89, 7 ; O : 10, 3 Bi : 83 ; O : 8 0, 453 Tungst`ene W 100 74 0, 48

Tab. 1.1 – βcalcul´e par De Vries [3] pour des mat´eriaux ayant des num´eros atomiques diff´erents

Le d´epˆot de la couche d’oxyde de bismuth sur le masque pr´esente deux inconv´enients majeurs : d’une part la technique de d´epˆot utilis´ee, projection de type pistolet `a peinture qui g´en`ere des particules `a l’int´erieur du tube et d’autre part le d´epˆot n’est pas homog`ene en surface. Il est souhaitable que cette ´etape disparaisse de la chaˆıne de production.

Notre projet doit de plus pouvoir s’adapter `a la chaˆıne de production d´ecrite sur le sch´ema suivant (fig. 1.4).

8 Chapitre 1. Pr´esentation du travail de th`ese F o urn is se ur d em éta l G r a v ure Ava n t a ss em bla g e Ap r è s a ss em bla g e R e cui t E m b o u t iss a g e Dég r a iss ag e O xy da t ion N e tt oy a g e E x p o si t ion F ri tta g e P om pa g e É vap or a t ion Dépôt Pla sm a P ro j e c t ion d e B i 2 O 3

Fig. 1.4 – Principales ´etapes de la fabrication du masque

Elle comprend un certain nombre d’´etapes qu’il convient de d´ecrire. La gravure sert `a former les trous du masque. Le recuit permet de relaxer les contraintes contenues dans le mat´eriau mais ´egalement d’assurer une recristallisation afin de faciliter le pressage et aussi d’am´eliorer les propri´et´es magn´etiques. Pour ce faire les toiles de masque subissent

un traitement thermique (> 750◦C) en atmosph`ere l´eg`erement r´eductrice (N2 + H2).

L’ emboutissage permet de mettre en forme la toile du masque, cette mise en forme

d´etermine le rayon de courbure du masque. Le d´egraissage sert `a nettoyer le masque

mais aussi `a pr´eparer la surface pour l’´etape d’oxydation. Le d´egraissage consiste `a

rin-cer la toile du masque dans des solvants organiques (trichloro´ethyl`ene `a chaud : 80◦C).

L’oxydation permet de r´etablir les propri´et´es magn´etiques et de relaxer les contraintes.

De plus, faire croˆıtre une couche d’oxyde (Fe3O4) en surface permet d’augmenter le

coef-ficient d’´emissivit´e thermique et d’avoir une couche anti-corrosion pour les ´etapes qui suivent dans le proc´ed´e. Cependant la couche d’oxyde diminue la r´eflexion des ´electrons. Au cours de cette ´etape, la combustion des gaz est incompl`ete pour s’assurer qu’il n’y ait pas d’oxyg`ene libre dans le four. L’exposition permet le d´epˆot des phosphores de trois couleurs (bleu, rouge, vert) sur la dalle de verre en fonction de la position de chaque trou du masque. Le masque est recouvert d’une couche d’oxyde de bismuth par projection (`a l’aide d’un pistolet `a peinture) puis s´ech´e `a l’aide d’un jet d’air. Apr`es cette ´etape le

1.1. Motivation du travail 9 masque est d´efinitivement fix´e `a la dalle de verre (par des clips). Le frittage permet de sceller la dalle et le cˆone (partie arri`ere du tube) pour ainsi former une ampoule. Le pom-page a pour but de faire le vide `a l’int´erieur de l’ampoule. Cette ´etape est accompagn´ee

d’un cycle thermique pour acc´el´erer le d´egazage. L’´evaporation a pour but d’am´eliorer le

vide dans le tube. Pendant cette phase, nous ajoutons du baryum qui a pour cons´equence

de cr´eer des successions de r´eactions chimiques avec O2, N2, CO, CO2, H2 et H2O selon

les r´eactions suivantes 1.1.

2 Ba + O2 −→ 2 BaO 3 Ba + N2 −→ Ba3N2 3 Ba + 2 CO −→ BaC2 + 2BaO 5 Ba + 2 CO₂ −→ BaC2 + 4BaO Ba + H2 −→ BaH2 Ba + H₂O −→ BaO + H2 (1.1)

Ces esp`eces hormis H₂ condensent sur les parois.

D’apr`es le sch´ema (fig. 1.4), nous pouvons intervenir dans les ´etapes du proc´ed´e indus-triel en choisissant bien le moment du d´epˆot de couches minces par pulv´erisation plasma. Certaines ´etapes seront supprim´ees si nous d´eposons des mat´eriaux qui poss`edent les bonnes propri´et´es et notamment celles similaires `a la couche d’oxyde de bismuth (am´e-lioration du coefficient de r´etrodiffusion des ´electrons). Pour comprendre ce qui se passe sur le masque, il faut prendre en compte tous les param`etres externes ou internes qui influencent son comportement.

Des contraintes, li´ees au fonctionnement du tube, dites internes (faisceau d’´electrons, vide) ou externes (choc m´ecanique, champ magn´etique, vibration) affectent la fonction principale du masque.

Les contraintes internes au fonctionnement du tube • La d´eformation du masque ou « doming » (fig. 1.3)

Dans un tube cathodique environ 20 % des ´electrons passent au travers du masque et viennent exciter les luminophores sur l’´ecran. Les 80 % restant sont absorb´es ou

10 Chapitre 1. Pr´esentation du travail de th`ese r´efl´echis par le masque lors du balayage du faisceau. L’´echauffement li´e `a la dis-sipation de l’´energie de ces ´electrons provoque une d´eformation locale du masque conduisant `a la diminution ou la perte de la s´election des couleurs. Ce ph´enom`ene, appel´e « doming », est particuli`erement critique pour la qualit´e de l’image. Ce com-portement du masque d´epend de sa g´eom´etrie (rayon de courbure), de sa stabilit´e thermique (coefficient de dilatation thermique) et de sa capacit´e `a dissiper l’´energie re¸cue (coefficient d’´emissivit´e).

• Le contraste

Le contraste lumineux d’un tube cathodique est li´e aux diff´erences de luminosit´e entre les parties claires et les parties fonc´ees de l’image. Le noir est l’´el´ement pr´e-pond´erant, sa qualit´e permet de d´eterminer le contraste. En effet, le noir est r´ealis´e par des diff´erences de luminosit´e sur les luminophores. Il est une des couleurs qui sollicite le plus le masque. Le noir entraˆıne un ´echauffement local du masque car au-cun luminophore n’est atteint. L’un des effets n´efastes sur un bon niveau de noir est la r´eflexion multiple des ´electrons primaires sur les diverses parties du tube (´ecran, cˆone m´etallique et masque). Ces ´electrons g´en`erent une lumi`ere parasite sur tout l’´ecran, ce qui d´egrade le contraste.

Les contraintes externes au fonctionnement du tube • La microphonie

Lorsqu’un t´el´eviseur est en fonctionnement, diff´erentes contraintes apparaissent. En effet, le t´el´eviseur est soumis aux vibrations dues `a de nombreuses sources d’ex-citation (haut-parleur, chassis. . . ). Ces parasites sont responsables de la vibration du masque. Ainsi ce dernier perd toutes ses propri´et´es initiales en s’´ecartant de sa position initiale : des d´ecolorations de l’image apparaissent.

Le comportement vibratoire du masque (fr´equence et amplitude de r´esonance) est fonction des propri´et´es m´ecaniques, de la g´eom´etrie et de l’´epaisseur du masque. • Les chocs

Lors du transport ou de l’utilisation, le tube cathodique peut subir des secousses ou des vibrations. Ces secousses ou vibrations affectent la tenue m´ecanique du masque.

1.1. Motivation du travail 11 En effet le masque plac´e derri`ere l’´ecran est fix´e sur des ressorts, mais ces ressorts peuvent casser et ne plus assurer leur rˆole : stabilisation du masque. Le masque se d´et´eriorera alors de mani`ere irr´eversible au-del`a d’une certaine valeur de d´eforma-tion.

• La protection magn´etique

Le faisceau d’´electrons est sensible au champ magn´etique terrestre. Le masque avec le cˆone m´etallique jouent un rˆole protecteur en ´ecrantant le champ magn´etique terrestre.