ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2000 года по МПК H05B33/26 

Изобретение относится к электронике и светотехнике и может быть использовано для подсветки жидкокристаллических экранов систем отображения информации, для создания светящихся панелей управления электронных устройств, применяемых в промышленности, на транспорте, в медицине и др., элементов рекламных стендов, индикаторов бытовых приборов и т.д.

Одним из основных препятствий на пути широкого применения полупроводниковых электролюминесцентных устройств (ЭЛУ) на основе сульфида цинка в качестве источников света, например, для подсветки пассивных матричных экранов является относительно низкий срок их службы. Так, время t_0,5 полуспада яркости порошковых ZnS: Cu-электролюминесцентных конденсаторов обычно редко превышает несколько сотен часов, чего недостаточно для решения многих практических задач. Увеличения времени полуспада яркости стараются достичь, главным образом, либо подбирая гидрофобные, препятствующие проникновению внутрь панелей атмосферной влаги связующие диэлектрики, в том числе - стеклоэмалевые, либо пытаясь синтезировать новые, более стабильные электролюминофоры. Однако указанные направления совершенствования ЭЛУ в настоящее время себя практически исчерпали. Это связано прежде всего с самим механизмом люминесценции подобных структур: при подаче напряжения на образцы одновременно с предпробойной ионизацией атомов решетки ZnS:Cu начинается электродиффузия ионов междоузельной меди, формирующих области концентрации электрического поля, в результате чего эти области расплываются, средняя напряженность электрического поля в них падает, и, как результат, вероятность самих предпробойных процессов резко снижается, что означает, в итоге, спад яркости (старение, деградацию) образцов.

Ударная ионизация развивается в энергетических барьерах (например, в гетеропереходах сульфид цинка - вкрапления сульфида меди), которые при подаче внешнего напряжения оказываются включенными в запирающем направлении. При возбуждении переменным напряжением попеременно работают те барьеры, которые оказываются включенными навстречу друг другу, и плоскость раздела фаз ZnS: Cu - CuS которых перпендикулярна направлению силовых линий электрического поля. Именно эти барьеры и расплываются по мере работы ЭЛУ.

Помимо данных барьеров в зернах люминофора есть и другие, плоскости раздела которых, однако, ориентированы в пространстве чисто вероятностным образом и неперпендикулярны силовым линиям. В процессах, приводящих к электролюминесценции, они не участвуют, являясь, по сути, пассивным резервом повышения ресурса работы ЭЛУ. Этот факт хорошо известен исследователям: если люминофор извлечь из ЭЛУ - это возможно в случае разборных ячеек, используемых для изучения свойств люминофоров, перемешать его и вновь поместить в пространство между электродами, панель будет светиться практически так же, как и до начала эксплуатации [1]. Процедуру перемешивания можно повторять много раз, включая в работу новые и новые барьеры. Яркость свечения подобного разборного устройства постепенно также снизится, однако общее время ее полуспада оказывается существенно выше, чем у обычного ЭЛУ с жестко фиксированным расположением зерен люминофора внутри люминофорно-диэлектрического слоя.

На практике обойтись без использования затвердевающего (полимеризующегося) диэлектрика-связки не удается, а это означает, что от идеи перемешивать люминофор по мере эксплуатации ЭЛУ приходится отказаться. Но если нельзя поворачивать зерно люминофора, то можно попытаться менять ориентацию вектора напряженности электрического поля, увеличивая число барьеров, дающих вклад в электролюминесценцию. Поочередное включение разных барьеров позволяет понизить частоту их использования (глазом воспринимается лишь средняя за период яркость свечения люминофора), что означает возможность увеличения общего времени t_0,5. Для этого, однако, необходимо предложить новую конструкцию ЭЛУ, одновременно изменив режим его возбуждения.

Известно предложение [2] по изменению конструкции и режима возбуждения электролюминесцентного индикатора. Свечение слоя люминофора возбуждается двумя проводящими плоскими электродами, имеющими форму треугольника, причем к вершинам одного из электродов - прозрачного - подведены три фазы переменного напряжения, а другой электрод соединен с источником нулевого потенциала: в этом устройстве реализуется известная схема включения звездой нагрузки в сеть трехфазного напряжения. Срок службы подобного устройства, однако, не увеличивается, поскольку такой индикатор также является плоским конденсатором, силовые линии электрического поля внутри которого пронизывают расположенный между электродами - обкладками слой люминофора лишь вдоль направления, перпендикулярного плоскости электродов.

Наиболее близким к заявляемому устройству является электролюминесцентный источник излучения - гибкая лента типа StarTrack, прототип [3]. Для создания электрического поля в подобных лентах используются определенным образом расположенные в пространстве (например, параллельно друг другу идущие) провода. На эти провода наносится люминофорно-диэлектрическая смесь; провода электрически соединяются через один, образуя систему электродов, на которую подается переменное напряжение. Недостатком прототипа является то, что в его межэлектродных областях по определенному, например, синусоидальному закону меняется лишь величина вектора напряженности электрического поля, вращения же этого вектора не происходит.

Технический результат, достигаемый изобретением, - повышение времени полуспада яркости при той же абсолютной величине начальной яркости свечения.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что устройство состоит из системы изолированных друг от друга электродов и размещенной в промежутках между электродами люминофорно-диэлектрической смеси. Отличие от прототипа заключается в том, что электроды объединены в три или более группы, подключаемые к источнику трехфазного или более напряжения, причем электроды расположены в пространстве таким образом, чтобы обеспечить вращение вектора напряженности электрического поля, возбуждающего свечение зерен люминофора. Под термином "группа" понимается система, которая в общем случае может состоять из любого числа элементов, в том числе и из одного.

Технический результат достигается тем, что определенным расположением электродов в пространстве, после подачи на эти группы электродов переменного напряжения, такого, что на каждой следующей группе напряжение сдвинуто по фазе по сравнению с напряжением на предыдущей группе, обеспечивается вращение вектора напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве. В устройстве-прототипе вектор меняет свое направление лишь вдоль одной прямой, заставляя светиться те барьеры внутри зерен люминофора, плоскость раздела которых после фиксации зерна люминофора в связующем диэлектрике перпендикулярна направлению этого вектора. Плоскостью раздела может являться поверхность, отделяющая фазы сульфида меди и сульфида цинка в зерне люминофора, одно зерно от другого в месте их контакта и др. Ориентация границ раздела в готовом люминофорно-диэлектрическом слое произвольна и, таким образом, значительное число барьеров в создании свечения участия не принимают. Непрерывное вращение вектора приводит к тому, что ударные процессы начинают поочередно развиваться уже во всех барьерах, поверхности раздела которых перпендикулярны плоскости вращения : включение дополнительного числа барьеров означает возможность снижения напряжения на образце без потери яркости, а поскольку время полуспада яркости тем больше, чем меньше это напряжение, срок службы образца увеличивается.

Фиг. 1. Возбуждение электролюминесценции в зернах люминофора при различной ориентации вектора напряженности электрического поля относительно плоскостей энергетических барьеров (перпендикулярные плоскости рисунка барьеры обозначены символами A, A', B, B', C и C').

Фиг. 2. Примеры возможных вариантов расположения групп электродов, обеспечивающих вращение вектора напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве, в котором располагаются зерна люминофора. На схемах 2а, 26, 2г и 2д на группы электродов, обозначенные цифрой 1, подается напряжение U = U₀sin(ωt-2π/3), на группы 2 - напряжение U = U₀sin(ωt-4π/3), на группы 3 - напряжение U = U₀sin(ωt) Схема 2в иллюстрирует возможность создания устройства с пятью труппами электродов (обозначены цифрами от 1 до 5), фазы подаваемого напряжения на которые отличаются на 2π/5.
Фиг. 3. Пример практической реализации электролюминесцентного устройства: 1 - подложка, 2 - две группы электродов: параллельные витки проволоки в эмалевой изоляции; 3 - прозрачный электрод; 4 - стекло, на которое нанесен прозрачный электрод; 5 - люминофорно-диэлектрический слой.

Фиг. 4. Схема возбуждения люминофорно-диэлектрической смеси при вращении вектора напряженности электрического поля (направление вращения вектора показано стрелками).

Возможность осуществления изобретения поясняется рисунками (фиг. 1 - 4). Если при обычном синусоидальном возбуждении зерна люминофора работают лишь барьеры A и A' - фиг. 1a, плоскости раздела которых перпендикулярны силовым линиям внешнего электрического поля и плоскости рисунка, а барьеры B и B', C и C' совсем не участвуют в создании электролюминесценции, то изменение ориентации вектора приводит к вовлечению в ударные процессы уже не только барьеров A и A', но и барьеров B и B' (фиг. 16), а также C и C' (фиг. 1в).

Для достижения технического результата - повышения срока службы ЭЛУ - группы электродов могут располагаться в пространстве разным образом. На фиг. 2а показан вариант ЭЛУ с двумя светящимися поверхностями, по-разному ориентированными в пространстве; вариант торцевого излучателя (световой поток идет в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка) с тремя группами электродов представлен на фиг. 2б. На фиг. 2в изображена схема ЭЛУ с пятью группами электродов, напряжение между соседними электродами сдвинуто по фазе на 2π/5; свет выводится через прозрачный электрод.

Если прозрачный электрод нанести на гибкую прозрачную подложку, можно получить гибкое ЭЛУ - фиг. 2г; создание второго прозрачного электрода, электрически соединенного с первым, позволяет получать ЭЛУ, которые способны излучать свет не в одну, а в разные стороны - фиг. 2д.

Если электроды торцевого, подобного изображенному на фиг. 2б, излучателя выполнить в виде наложенных друг на друга с некоторым смещением изолированных плоских тонких сетчатых структур, а перпендикулярно этим торцам (параллельно плоскости рисунка: один выше, другой - ниже) расположить еще два электрода, по крайней мере один из которых - прозрачный, и на эти электроды также подать переменное напряжение с собственным сдвигом по фазе, то в зернах люминофора, оказавшихся в межэлектродном пространстве - ячейках, окруженных электродами со всех сторон, вектор напряженности электрического поля будет не просто вращаться, а менять направление в пространстве по спирали. Число барьеров, вовлекаемых в электролюминесценцию, при этом возрастет еще в большей мере, чем при плоском вращении вектора , что приведет к еще большему увеличению срока службы ЭЛУ.

Пример реализации заявляемого устройства поясняется фиг. 3. Устройство состоит из оправки 1, имеющей плоскую поверхность, на которую в один слой намотаны два идущих параллельно друг другу, покрытых изолирующим лаком медных провода 2 диаметром 0,1 мм. Третьим электродом является прозрачная пленка 3 двуокиси олова, нанесенная на стеклянную пластину 4; электроды-провода 2, находящиеся на плоской части оправки, прижаты к пленке двуокиси олова. Поскольку провода имеют изолирующую оболочку, электрический контакт между всеми электродами отсутствует. Начало и конец каждого провода спаяны друг с другом. Люминофорно-диэлектрическая смесь 5 находится в пространстве между электродами. Таким образом, роль первой группы электродов играют витки первого провода, роль второй группы - витки второго провода, третья группа представлена одним электродом - прозрачным.

При подаче трехфазного (сдвиг по фазе на 120^o) напряжения на электроды устройства (фиг. 4) происходит вращение вектора напряженности электрического поля в межэлектродном пространстве, подобно тому, как это имеет место в случае вектора индукции магнитного поля у асинхронных и синхронных электродвигателей. В результате в процесс электролюминесценции поочередно вовлекаются все те энергетические барьеры люминофора, граница раздела которых перпендикулярна плоскости чертежа. Техническим результатом является повышение срока службы устройства при той же задаваемой начальной яркости. Так, например, при одинаковой начальной яркости 20 кд/м² время полуспада яркости у описываемого экспериментального образца оказалось в четыре раза выше, чем у прототипа (ленты вида StarTrack с люминофорно-диэлектрическим слоем того же состава).

Литература
1. Верещагин И. К. и др. Электролюминесцентные источники света - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 168.

2. Авт. св. СССР 248083, H 05 B 33/26, 1969 г.

3. Патент РФ 2000678, H 05 B 33/26, 1993 г. (прототип).

Использование: в электронике и светотехнике для подсветки жидкокристаллических экранов систем отображения информации, для создания светящихся панелей управления электронных устройств, применяемых в промышленности, на транспорте, в медицине, элементов рекламных стендов и индикаторов бытовых приборов. Результатом является повышение времени полуспада яркости при том же ее начальном значении. Сущность изобретения: устройство состоит из системы изолированных друг от друга электродов и размещенной в промежутках между электродами люминофорно-диэлектрической смеси. Электроды объединены в три или более группы, подключаемые к источнику трехфазного или более напряжения, причем электроды расположены в пространстве таким образом, чтобы обеспечить вращение вектора напряженности электрического поля, возбуждающего свечение зерен люминофора. 4 ил.

Электролюминесцентное устройство, состоящее из системы изолированных друг от друга электродов и размещенной в промежутках между электродами люминофорно-диэлектрической смеси, отличающееся тем, что электроды объединены в три или более группы, подключаемые к источнику трехфазного или более напряжения, причем электроды расположены в пространстве таким образом, чтобы обеспечить вращение вектора напряженности электрического поля, возбуждающего свечения зерен люминофора.