Гибкие электролюминесцентные источники света

В статье рассматриваются перспективные гибкие электролюминесцентные источники света (ГЭЛИС) на основе полимерных микрогетерогенных люминофорных слоев. У ГЭЛИС имеются определенные преимущества перед светодиодными лампами. В частности, ГЭЛИС можно успешно применять в приложениях с распределенным освещением.

ВВЕДЕНИЕ
В оптимизации состава эмитирующего слоя наполненного полимера использовались результаты исследований и практические результаты внедрения в промышленное производство авторов настоящей работы, которые в течение длительного времени занимались разработкой и производством полимерных композиций для оптоэлектроники, приборов регистрации и отображения информации.

Выбор исходных компонентов учитывает зависимость заданных свойств от светопропускания, показателя преломления, диэлектрической проницаемости; тепло- и электропроводности и требует знания химического состава и технологических параметров процессов формирования многослойных композиционных пленок. Результаты последних исследований выявили возможность применения разрабатываемых электролюминесцентных источников в тяжелых горных климатических условиях.

ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
Несмотря на преимущества, достигнутые в полупроводниковых светодиодах, их главный недостаток в решении задач освещения больших поверхностей является точечный характер источника света. Излучение светодиода легко и без существенных потерь можно сфокусировать с помощью внешней оптики, а для освещения с требуемой индикатрисой рассеяния используются светорассеивающие линзы, фильтры или экраны.

При этом потери света в таких дополнительных конструкциях могут достигать 30-40%. В то же время известные плоские электролюминесцентные источники света сами по себе являются распределенными и по своим характеристикам максимально приближены к идеальному ламбертовскому излучателю. Таким образом, светодиодное решение предпочтительно использовать в сегменте направленных источников света — в светофорах, прожекторах, фонарях, а электролю-минесцентные — в сегменте распределенных. В программе Департамента энергетики США предусмотрено параллельное развитие твердотельной светодиодной тематики и направления органических светодиодов, которые позиционируются не как конкурирующие, а как взаимно дополняющие друг друга.

Неудивительно, что в настоящее время проектами электролюминесцентных источников занимаются такие известные фирмы как DuPont, Verbatim, Philips, Universal Display Corp. Полимерные, в частности пленочные материалы, имеют несомненные достоинства в создании различных изделий электротехники и радиоэлектроники. Их применение снимает ограничения при серийном производстве и повышает конкурентные преимущества в надежности и качестве. В то же время, в истории одной из наиболее развиваемых в настоящее время технологий roll-to-roll было производство малогабаритных пленочных конденсаторов. Сочетание гибкости полиэтилентерефталатных (ПЭТ) пленок с высокими электроизоляционными свойствами (электрическая прочность не менее 250-300 кВ/мм, диэлектрическая проницаемость с = 3,2 по ГОСТ 24234-80) позволяет при сохранении емкости значительно уменьшить размеры конденсатора.

Гибкие электролюминесцентные источники светаАвтоматизированный способ изготовления секций таких конденсаторов намоткой тонких пленок с обкладками, предварительно сформированными методом вакуумной металлизации, обеспечивает емкость в несколько сотен микрофарад. При толщине ПЭТ-пленок 1,5-2,0 мкм удельный заряд конденсаторов составляет 180 мкКл/см3. Регулирование состава пленки введением в нее порошков наполнителей, например из сегнето-керамики с большими значениями с позволяет значительно повысить емкость при тех же габаритах конденсатора. Подобные преимущества в регулировании свойств стали причиной создания гибких электролюминесцентных источников света (ГЭЛИС). Неслучайно конструкция ГЭЛИС аналогична конструкции пленочных конденсаторов.

Отличие только в том, что токопроводящий слой обкладки конденсатора создается на одной поверхности пленки. Между двумя пленками со стороны токопроводящего слоя формируется третий тонкий слой равной толщины, представляющий собой микрогетерогенную полимерную композицию. В качестве непрерывной фазы используются полимерное связующее, а в качестве дискретной фазы — мелкодисперсный порошок люминофора. В настоящее время интенсивно исследуются как традиционные люминофоры [12-14], так и новые светоизлучающие структуры [15-16]. В качестве активного элемента для люминесцентных приборов широко используется ZnS (полупроводник) благодаря таким качествам как широкая запрещенная зона, хорошее оптическое пропускание и малое рассеяние в видимом и ИК-спектре. По механизму возбуждения процессы электролюминесценции подразделяются на два класса: относящиеся к эффекту Лосева (т.н. инжекционная люминесценция) и относящиеся к эффекту Дестрио (предпробойная люминесценция).

В первом случае кристаллы люминофора непосредственно соприкасаются с электродами, и создаются условия для инжекции носителей заряда. Инжекционная люминесценция характерна для p-n-перехода, включенного в прямом направлении; при этом в n-область инжектируются избыточные дырки, а в p-область — электроны, при рекомбинации которых выделяется квант света. Второй вид электролюминесценции — люминесценцию порошкообразных фосфоров — открыл в 1936 г. французский физик Ж. Дестрио. Вещества, которым она свойственна, также являясь полупроводниками, имеют более широкую запрещенную зону, чем карбид кремния (ZnS — 3,9; SiC — 2,36 эВ).

Для разработчиков ГЭЛИС важно то, что свечение может происходить и в том случае, когда люминофор помещен в полимерный диэлектрик. При этом свечение, как правило, возникает только при возбуждении люминофоров переменным электрическим полем. Предпробойная люминесценция наблюдается, например, в порошкообразном ZnS, активированном Cu, Al, Mn и т.д. и помещенном в диэлектрик между обкладками конденсатора, на который подается переменное напряжение. Согласно, процесс предпробойной электролюминесценции можно разделить на три последовательно протекающих процесса: возбуждение кристалла с помощью приложенной разности потенциалов; перемещение энергии возбуждения по кристаллу и испускание видимого или близкого к видимому излучению.

Каждый из этих процессов может проходить по нескольким механизмам, поэтому число комбинаций процессов, которые вносят вклад в электролюминесценцию, весьма велико. В процессе возбуждения электроны ускоряются в области высокой напряженности поля до оптических энергий. Глубокие донорные уровни или заполненные ловушки могут ионизоваться полем высокой напряженности и таким путем снабжать электронами зону проводимости. Другая возможность — опустошенный слой или область высокой напряженности поля, простирающаяся вплоть до поверхности кристалла, может заставить электроны инжектироваться в зону проводимости из-за пределов кристалла.

В ряде случаев пары электрон-дырка порождаются при неупругих соударениях. Пара электрон-дырка захватывается примесной системой, возбуждая ее. В других случаях эти электроны проводимости непосредственно возбуждают или ионизуют активирующую примесь путем неупругих соударений. В любом случае излучение в сульфидных люминофорах происходит на центрах люминесценции, образованных активирующими примесями. После возбуждения электролюминесценции на первый план выдвигается задача эффективного вывода излучения из упомянутого конденсатора. Во-первых, обе обкладки электролюминесцентного конденсатора должны быть максимально прозрачны в видимом диапазоне и иметь достаточную электропроводность.

На сегодняшний день эта задача решена использованием пленки ПЭТ с тонким слоем электропроводящего оксида олова-титана. Коэффициент светопропускания этих пленок достигает 85%, а поверхностное сопротивление — 50-100 Ом. Во-вторых, частицы люминофора необходимо равномерно распределить в слое минимально возможной толщины прозрачной полимерной матрицы между обкладками конденсатора. В итоге получается многослойная композиционная система, в которой необходимо учитывать оптические свойства всех входящих в нее компонентов, а также явления на межфазных границах полимер-наполнитель. Кроме оптических свойств, полимерное связующее должно обеспечивать хорошую адгезию, высокую влагостойкость и долговечность всего изделия.

В опубликованных отечественных и зарубежных статьях и патентах подробные сведения о связующем, как правило, не сообщаются. Указывается, что в качестве связующего можно использовать поликарбонат, полистирол, сополимер стирола с акрилонитрилом и бутадиеном [18], поливиниловый спирт, силиконовый каучук, смесь пластифицированной полиэфирной или фенолформальдегидной смол, эпоксидное связующее ЭП96, цианэтиловый эфир крахмала, полидиметилсилоксан. В Северокавказском горно-металлургическом институте (Государственном технологическом университете) авторами проведены исследования и технологические опробования полиуретановых и эпоксидных смол ЭП, акриловых сополимеров и кремнийорганических лаков в качестве связующего для люминофоров. Перспективным по диэлектрическим свойствам связующим для ГЭЛИС считается цианэтиловый эфир поливинилового спирта (ЦЭПС) с диэлектрической проницаемостью около 20 на частоте 1 кГц. [19]. Высокое значение диэлектрической проницаемости ЦЭПС обусловлено наличием трех подвижных сильнополярных нитрильных, карбонильных и гидроксильных групп.

Гибкие электролюминесцентные источники светаОднако проведенное авторами лабораторное опробование показало, что из-за низкой технологичности ЦЭПС очень сложно, а порой нецелесообразно использовать в высокопроизводительных процессах типа roll-to-roll. Известно, что световой выход ГЭЛИС и его яркость зависят от напряженности и частоты электрического поля на зернах люминофора, а также от светопропускания и показателя преломления полимерного связующего. Исследования зависимости свето-пропускания и показателя преломления от состава связующего позволили определить снижение потерь, связанных со светорассеиванием и отражением светового потока на границе раздела люминофора и оптической среды (связующего) при росте показателя преломления последнего. При преломлении на границе фаз происходит изменение яркости.

Авторы работы описывают люминесценцию в среде с показателем преломления n через плоскую границу. Поток люминесценции, который внутри среды распространялся в элементе телесного угла, распространяется вне среды в телесном угле — полярный и азимутальный углы).

Итак, яркость люминесценции, наблюдаемой через плоскую границу, уменьшается враз. Наблюдаемое снижение яркости вызвано тем, что часть потока люминесценции испытывает полное отражение и выходит из данного объема по другому направлению или, если объем имеет правильную форму и гладкие границы, частично в нем поглощается. Доля потока люминесценции а, выходящая через плоскую переднюю поверхность в телесном угле 2п без учета отражения, равна: Величина а при n = 1,5 составляет 0,25, а при n = 3,5 — только 0,04. Если используется лишь люминесценция, выходящая через плоскую переднюю поверхность, то коэффициент а определяет технический выход излучения.

КОНСТРУКЦИИ, ТЕХНОЛОГИИ, ПРИМЕНЕНИЯ
Как уже отмечалось, конструктивно ГЭЛИС представляет собой плоский конденсатор, у которого одна или обе обкладки выполнены из электропроводящей прозрачной пленки, а третий (внутренний), эмитирующий слой представляет собой композицию из люминофора, равномерно распределенного в полимерном связующем. Этот же слой, обладая диэлектрическими свойствами, также выполняет функцию склеивания электродных пленок, поэтому кроме определенных оптических и электрических свойств он должен обладать хорошими механическими и адгезионными характеристиками.

На рисунке представлены возможные варианты конструкции ГЭЛИС и их эквивалентные схемы. Если один из электродов непрозрачен, его можно выполнить либо из фольги, либо из токопроводящей пасты. Во всех случаях наружные слои ПЭТ-пленки кроме придания конструкции гибкости и механической прочности выполняют защитные функции. Вариант на рисунке 1б отличается от варианта а наличием дополнительного изолирующего слоя со стороны непрозрачного электрода. В первом варианте, как показано Робертсом, значения диэлектрических проницаемостей связующего е1 и люминофора с2 влияют на напряженность электрического поля Е2, приложенного к зерну люминофора, а значит, и на яркость свечения ГЭЛИС. Эта зависимость описывается формулой: где Е1 — напряженность внешнего электрического поля; V — объемная доля люминофора в связующем.

Это явление можно использовать для увеличения яркости свечения ГЭЛИС, но следует учитывать, что сказанное выше относится к слоям с невысоким наполнением люминофором. Во втором варианте, предложенном Вебером, напряженность поля между слоями распределяется как в конденсаторе с двумя диэлектриками: Е2 ?1 Е1 е2 где е1, е2 — диэлектрические проницаемости изоляционного и эмитирующего слоев; Е1, Е2 — напряженности поля в изоляционном и эмитирующем слое, соответственно.

Такая схема имеет ряд преимуществ перед первой. Во-первых, увеличивается электрическая прочность конденсатора, что положительно отражается на надежности прибора. Во-вторых, появляется возможность менять в широком диапазоне свойства связующих материалов как в эмитирующем, так и в изолирующем слоях.

Наконец, введение в изолирующий слой вещества с высоким значением диэлектрической проницаемости позволяет повысить напряженность электрического поля в эмитирующем слое и, как следствие, увеличить яркость свечения. Компания DuPont, например, использует изолирующий слой толщиной 18-20 мкм, наполненный титанатом бария [21], и обеспечивает диэлектрическую проницаемость изолирующего слоя до 35 и электрическую прочность до 20 кВ/мм. Следует заметить, что приведенные эквивалентные схемы являются очень упрощенными, и для отображения всех процессов в реальных диэлектриках они значительно усложняются. Распределенный характер ГЭЛИС играет важную роль в процессе отвода тепла от активной области, которое неизбежно выделяется из-за потерь в структуре.

Гибкие электролюминесцентные источники света

В твердотельных светодиодах рабочие плотности тока достигают десятков A/см2, что при определенном тепловом сопротивлении кристалл-корпус и в отсутствие внешнего теплоотвода от корпуса светодиода приведет к его перегреву, выходу из строя или существенному снижению времени жизни и эффективности. В ГЭЛИС-структурах ток распределен по большой поверхности, а его рабочая плотность составляет десятки мА/см2, что не приводит к существенному разогреву структуры и необходимости в радиаторе. Концентрация частиц люминофора в эмитирующем слое и большая упорядоченность их упаковки в значительной степени могут повысить эффективность люминесценции ГЭЛИС, о чем и говорят результаты исследований фотонных кристаллов.

К фотонным кристаллам относятся такие композитные среды, у которых неоднородности периодически упорядочены с периодом, сравнимым с длиной волны видимого света. Фотонные материалы на основе опалов активно исследуются последние 20 лет. Матрицы для них получают в результате самоорганизации шаров SiO2 при их естественной седиментации. Этот метод обладает существенными трудностями, ограничивающими его использование, т.к. объемные образцы являются поликристаллами. Приготовление тонких пленок из сфер SiO2 с их плотной упаковкой на большой площади является более управляемым технологическим процессом в сравнении с седиментацией объемных образцов.

Систематические опалы, как правило, представляют собой кубические упаковки одинаковых шаров SiO2 с диаметрами от десятков нанометров до нескольких тысяч нанометров. Использование опаловых решеток с размером сфер нанометрового диапазона позволяет формировать в них наноструктуры различного типа с числом элементов, намного превосходящим возможности планарной технологии. Правильные 3D-упаковки наносфер SiO2 наиболее эффективно можно использовать в технических устройствах в сочетании со слоями других материалов. Исследовалась люминесценция ZnS, введенного в опаловые матрицы методом ВЧ-магнетронного распыления.

Из рисунка видно, что в образцах на основе опаловых матриц наблюдается существенное увеличение выхода фотолюминесценции. Возможными причинами увеличения интенсивности люминесценции в опаловой структуре могут быть значительно большая внутренняя поверхность нанокомпозита «опаловая матрица — ZnS» и многократное рассеяние света в подобных образцах.

ВЫВОДЫ
Еще рано говорить о возможности применения ГЭЛИС для освещения, о создании из них светящихся стен и потолков. В настоящее время сферами применения ГЭЛИС является декоративная подсветка помещений, световая реклама, оконтуривание зданий, дежурное, аварийное освещение, подсветка шкал и приборных досок. Кстати, в российском авиационном стандарте предполагается использование элек-тролюминесцентных источников света и оговорены светотехнические параметры, которые вполне могут обеспечить гибкие ЭЛИС при питании от бортовой сети.

Например, в грузовом отсеке ИЛ-76 установлено 10 плафонов ПС-45 дежурного освещения и 30 плафонов ПС-45 подсвета швартовочных узлов — это осветительная арматура весом 4 кг с потребляемой мощностью 800 Вт. Использование для этих целей ГЭЛИС позволит на порядок уменьшить оба показателя. Другой областью применения ГЭЛИС является обеспечение требований безопасности: светящаяся разметка, указатели, подсветка ступенек (в Европе, например, по закону обязательно должна существовать световая маркировка ступеней эскалаторов и лестниц в общественных зданиях).

Светящиеся вставки на спецодежде могут значительно повысить эффективность спасательных работ. Возможность использования ГЭЛИС в экстремальных условиях определяется высокой степенью их влаго- и ударостойкости, а также малым энергопотреблением. Результаты последних исследований выявили возможность применения разрабатываемых электролюминесцентных источников в горных и тяжелых климатических условиях. Опытные образцы изделий проработали при повышенной влажности г. Владикавказа более 15000 ч. В настоящее время испытания продолжаются.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS