CC BY
156
УДК 621.31.29
РАЗРАБОТКА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ПАНЕЛЕЙ
Н.Е. Шубин, Е.Н. Козырев, А.А. Платова, А.А. Брежнев, А.И. Малдзигати
В статье рассматриваются подходы к повышению яркости свечения электролюминесцентных панелей (ЭЛП), используемых для подсветки различного назначения. Предложены компоненты, позволяющие максимально концентрировать электрическое поле переменного напряжения питания на кристаллах электролюминофора. Разработана технология изготовления ЭЛП. Представлены и обобщены результаты измерений оптико-электрических параметров изготовленных ЭЛП
Ключевые слова: электролюминофор, диэлектрическое связующее, суспензия люминофора, напряженность электрического поля, спектр излучения, яркостная характеристика
Государственной программой Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» запланировано планомерное внедрение эффективных систем освещения. Весьма актуальной сегодня является задача отечественной разработки и внедрения в производство высокоэффективных сверхтонких элек-тролюминесцентных источников равномерного света для подсветки жидкокристаллических индикаторов и шкал в различных приборных панелях автомобилей и самолетов, в телефонных дисплеях, для табло, цифробуквенных индикаторов с цифровым и позиционным кодированием, для производства светобумаги, анимационных панелей, дежурных и аварийных све-тоуказателей и др .
Светящаяся панель состоит из нескольких слоёв, выполняющих различные функции. Её конструкция приведена на рис. 1. Важнейшие потребительские качества ЭЛП, а именно яркость свечения, которая у зарубежных аналогов принимает значения от 40 до 450 кд/м2 при различных режимах работы, равномерность свечения; малое энергопотребление, составляющее не более 35Вт/м2; толщина изделия, характеризуемая величиной <1мм; долговечность более 2000 часов непрерывной работы во многом определяются свойствами используемых при изготовлении ЭЛП электролюминофоров (ЭЛФ) и диэлектрических связующих (ДС).
Шубин Николай Евгеньевич - СКГМИ, НИИЭМ, д-р хим. наук, профессор, тел. 8 (672) 40-71-02 Козырев Евгений Николаевич - СКГМИ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8 (672) 40-74-43
Платова Алла Ашотовна - НИИЭМ, инженер, тел. 8-918-827-14-16
Брежнев Андрей Алексеевич - НИИЭМ, инженер, тел. 8-918-823-71-62
Малдзигати Алан Ильич - СКГМИ, студент, тел. 8 (672) 40-74-43
Очевидно, что необходимо также найти оптимальные технологические и конструктивные решения, которые позволят самым выгодным образом осуществить взаимодействие люминофора и диэлектрического связующего в процессе горения ЭЛП в режиме предпробойной электролюминесценции, или иными словами, низковольтной ударной ионизации, уравновешиваемой рекомбинационными процессами, в структуре полупроводника.
1
Рис. 1. Конструкция ЭЛП:
1 - лавсановая пленка;
2 - прозрачный электрод 1ТО;
3 - люминесцентный слой;
4 - диэлектрический слой;
5 - непрозрачный электрод (А1)
Цель работы
Проведенные нами исследования в значительной степени были направлены на поиск возможности максимальной концентрации электрического поля, возникающего в толще электролюминесцентной панели при подаче напряжения питания, на кристаллах электролюминофора. Выполнение данного условия обеспечит максимум светоотдачи ЭЛП.
В этой связи важна роль диэлектрического связующего. Кроме выполнения функции скрепления частиц фосфора, защиты их от пробоя и воздействия внешней среды он формирует внутреннее поле, воздействующее на зерна
ЭЛФ. Напряженность внутреннего электрического поля Е6Н можно рассчитать, воспользовавшись формулой:
Щ
и — и _________ _____ ( \ \
^ср р ^ ’
где е - средняя напряженность поля в
слое в целом, В/м;
£й - относительная диэлектрическая проницаемость ДС;
£эл - относительная диэлектрическая проницаемость зерен электролюминофора;
X - доля объема, занятого фосфором.
Из (1) можно сделать вывод, заключающийся в том, что рост Евя в максимальной степени определяется значением £д. причем зависимость эта прямая. Эту закономерность подтверждают и другие проведенные расчеты и эксперименты [1, 2].
Ход работы
В соответствии с данным обстоятельством осуществлялся выбор вещества для диэлектрического связующего. Рассматривались следующие реактивы: эпоксидные смолы ЭД-5, ЭД-6, лак ЭП-096, фенолформальдегидная смола СТ, синтетический каучук СКИ-40, кремний органический лак КО-08, цианэтиловый эфир поливинилового спирта (ЦЭПС) [3].
Инструментальный анализ данных веществ, произведенный посредством макетирования конденсаторов и замера их электроемкости при известной площади пластин и зазора между НИМИ, ПОЗВОЛИЛ определить для каждого из перечисленных реактивов. В большинстве случаев £й = 4 л. 5. В более выгодном положении оказался ЦЭПС, его £ =11,5. Данное обстоятельство, а также хорошая совместимость ЦЭПС с фосфорами обусловило выбор в его пользу.
Следует отметить, что было принято решение использовать ЦЭПС и в составе диэлектрического слоя ЭЛП (см. рис. 1). Для дополнительного повышения £й ЦЭПС, используемого в диэлектрическом слое ЭЛП, в его состав был введен порошкообразный кристаллический материал из группы дипольных сегнетоэлек-триков. Известно, что данные вещества характеризуются весьма высокой диэлектрической проницаемостью, достигающей нескольких сотен и более. Сравнительный анализ различных соответствующих материалов, в частности, се-гнетовой соли, фосфата калия, порошковых ке-
рамик, ниобата калия, титаната бария позволил сделать выбор в пользу ВаТЮ3. Данный материал в чистом виде обладает £■ ~ юоо- а также нерастворим в воде, что важно при изготовлении диэлектрическом слоя; его кристаллы бесцветны, что предотвращает потери света в панели. Его коэффициент термического расширения равен з,5 » ю-61С1, коэффициенты преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответственно составляют п0 = 2.4164 • = 2.363 7, Все обстоятельства располагают к использованию титаната бария в составе диэлектрического слоя ЭЛП.
Серьезное внимание также было уделено работе с фосфорами и поиску возможности их оптимизации. Рассматривались и исследовались различные цинк-сульфидные электролюминофоры. Эксперименты, проводимые с люминофорами, были в значительной степени направлены на исследование и преобразование степени совершенства их кристаллической структуры, в особенности поверхности кристаллов. Поверхностные свойства порошковых цинк-сульфидных ЭЛФ играют важную роль в процессах капсулирования и взаимодействия люминофора с диэлектрическим связующим при изготовлении ЭЛП. Известно, что степень ее дефектности во многом определяет квантовый выход фосфора, его светоотдачу.
Методика исследования люминофоров
Критерием оценки степени дефектности кристаллической решетки зерен люминофора было принято считать наличие характерной спектральной линии свечения фосфора, принадлежащей к фиолетовой области. Ее появление обусловлено рекомбинационными переходами электронов, которые происходят в цинк-сульфидном люминофоре при достаточном количестве дефектов решетки, содержащей вакансии серы ^ и вакансии цинка У2п ■ Фиолетовая полоса спектра наблюдалась с помощью универсального монохроматора УМ-2 при возбуждении изготовленных на основе соответствующих люминофоров ЭЛП. Измерения проводились при нескольких условиях возбуждения панели, в частности, при неизменном значении переменного напряжения питания, составляющем 200 В. При этом варьировалась частота сигнала: 450 Гц, 1500 Гц, 2000Гц.
Известно, что высокое содержание меди, как активатора в 2и8-люминофорах в виде включений Си8, приводит к снижению интенсивности фиолетового свечения, что свидетельствует о высоком совершенстве кристаллической структуры фосфора. Поэтому методом
атомно-сорбционного анализа контролировалось содержание меди в образцах люминофоров. Для этого порцию люминофора массой 0,3 г растворяли в 30мл кипящей ИЧ03 концентрации 1 мол-л-1. Далее раствор анализировался на атомно-абсорбционном спектрометре «Квант».
Для оптимизации люминесцентных свойств готовых цинк-сульфидных ЭЛФ порошки модифицировались путем их облучения электронными пучками с энергией до 700 кэВ при дозе облучения 50 кГр. Предполагалось, что данное воздействие позволит повысить интенсивность и стабильность электролюминесценции за счет стимулирования распада перенасыщенного твердого раствора меди в сульфиде цинка. В ходе облучения должно происходить перераспределение фазы Сих8 в глубь кристалла, что отражается и на поверхностных свойствах кристаллов.
Была разработана технология изготовления ЭЛП. Схематически она представлена на рис. 2.
Результаты исследований
Далее следует привести результаты исследований оптико-электрических свойств
ЭЛП, изготовленных на основе применения рассмотренных фосфоров, диэлектрических связующих и сегнетоэлектриков. Было изготовлено несколько десятков образцов панелей формата 75x40 мм, реализующих различные конструктивные и технологические подходы и решения. Образцы запитывались от звукового генератора ГЗМ-3, позволяющего подавать регулируемое переменное напряжение в диапазоне 0^300В с частотой 50^1500Гц. Наиболее важные результаты проведенных измерений представлены на рис. 3. Здесь построены яр-костные характеристики экспериментальных образцов, а также приведены соответствующие зависимости для известного зарубежного аналога КЕР - A1W (Китай).
Лучшие экспериментальные образцы в количестве 3 штук, характеристики которых представлены на рис. 3, отличаются следующими технологическими и конструктивными особенностями:
образец №1 - люминесцентный слой: люминофор китайского производства зеленого свечения ЕБ-512 + диэлектрическое связующее ЦЭПС, их весовое соотношение 2:1; толщина данного слоя 30 мкм. Диэлектрический слой: ЦЭСП + титанат бария, их весовое соотношение 1,5:1; толщина данного слоя 20мкм;
образец №2 - соответствует образцу №1, но в качестве фосфора использовался 2и8:Си, А1 -электролюминофор зеленого свечения, синтезированный в лаборатории Санкт-Петербургского государственного технологического института [4];
образец №3 - соответствует образцу №2, однако предварительно ЭЛФ подвергался бомбардировке электронным лучом с энергией до 700 кэВ при дозе облучения 50 кГр.
Рис. 2. Технология изготовления ЭЛП
Из рис. 3 видно, что лучшими яркостны-ми свойствами обладает образец ЭЛП № 1. Его яркость при всех напряжениях и частотах в среднем на 15% превышает соответствующую
характеристику одного из лучших зарубежных аналогов КЕР - A1W. Видно, что зависимости В=/(и) имеют классический характер, с ростом напряжения и частоты яркость свечения образцов возрастает. На рис. 3 для частоты 50Гц приведены только 2 зависимости, поскольку свечение остальных образцов (№№2 и 3) в данном режиме было весьма слабым.
о
iw і so :оо :<о з™
Нилрэнхншг. її
Рис. 3. Яркостные характеристики ЭЛП:
-------------- образец 1
-------------- образец 2
-------------- образец 3
............. аналог KEP-A1W
■ 50 Гц; ▲ 400 Гц; • 1,5 кГц
Следует отметить, что в ходе работы с помощью электронного микроскопа производился предварительный замер зерен порошков
ЭЛФ. Наилучшие результаты достигнуты при диаметре зерен фосфора, не превышающем 1015 мкм.
Очевидно, что разработанные конструкция, состав и технология, соответствующие образцу №1, следует принять за основу для дальнейших исследований, связанных, в частности, с ужесточением требований к равномерности свечения изделия и его долговечности. Также будет продолжена работа, направленная на модернизацию состава диэлектрического связующего, суспензии фосфора и технологии изготовления ЭЛП на базе люминофоров, обработанных электронным лучом, с целью выявления возможности нахождения оптимальных соотношений компонентов и технологических приемов для более полной реализации яркостного потенциала таких ЭЛФ.
Литература
1. Гончаров И.Н. Автоматизированное проектирование канальных электронных умножителей // Приборы и системы. -2009. -№3. С.38-44.
2. Гончаров И.Н., Козырев Е.Н. Моделирование траекторий электронов в канальных вторичноэлектронных умножителях // Известия вузов. Проблемы энергетики. - Казань: Казанский государственный энергетический университет. -2009. -№3-4. С.94-103.
3. Козырев Е.Н., Гончаров И.Н., Душкин Д.Е. Минимизация дефекта «цезирование экрана» в электроннооптических преобразователях // Труды СевероКавказского государственного технологического университета. -2001. Вып.8. С.265-269.
4. Бахметьев В.В., Сычёв ММ, Корсаков В.Г. Модель активных кислотно-основных центров на поверхности цинк-сульфидных электролюминофоров // Журнал прикладной химии. -2011. Т.83. Вып.11. С.1770-1777.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Научно- исследовательский институт электронных материалов
DEVELOPMENT AND MANUFACTURING OF HIGH-PERFOMANCE ELECTROLUMINESCENT PANELS
N.E. Shubin, A.A. Platova, A.A. Brezhnev, E.N. Kozyrev, A.I. Maldzigaty
It describing approaches to rise of brightness luminescence of the electroluminescent (EL) panels, which be used for the illumination different nomination. We are propounding components, which allow to concentrate the electric field of alternating voltage on the electroluminofor’s crystals. Developed the technology for manufacture of EL panels. Presented and summarized the results of measurements of optical-electrical parameters of manufactured EL panels
Key words: electroluminofor, dielectric binder, suspension of the phosphor, the electric field strength, the radiation spectrum, brightness characteristics
