Struktury elektroluminescencyjne i wybrane przykłady ich zastosowań

fot. Planar Systems Inc.

Charakterystyczne cechy struktur elektroluminescencyjnych, jak: zimne równomierne i nierażące światło, dobra ich widoczność z dużych odległości w mrocznym i zamglonym środowisku, mały pobór mocy, możliwość płynnej regulacji natężenia światła czy wysoka odporność na narażenia mechaniczne i klimatyczne, umożliwiają ich szerokie stosowanie. Obecnie są wykorzystywane tam, gdzie istnieje potrzeba zastosowania elastycznych i lekkich źródeł jednorodnego światła. W niedalekiej przyszłości mogą być stosowane do oświetlania różnego rodzaju pomieszczeń.

Struktury elektroluminescencyjne (EL), spośród innych źródeł światła, wyróżniają się szeregiem zalet, które predestynują je do zastosowań wszędzie tam, gdzie problem jakości światła ma zasadnicze znaczenie.

Ich charakterystyczne cechy, takie jak zimne równomierne i nierażące światło, bardzo dobrze widoczne z dużych odległości w mrocznym i zamglonym środowisku, bardzo mały pobór mocy, możliwość płynnej regulacji natężenia światła, a także wysoka odporność na narażenia mechaniczne i klimatyczne powodują, że mogą być znakomitymi źródłami światła do szerokiego wykorzystania.

Patrząc na historię dokonującego się na przestrzeni lat postępu w zakresie inżynierii materiałowej widać wyraźnie, że zjawisko elektroluminescencji wewnętrznej (różniące się od elektroluminescencji na złączu p-n) kolejno znajdowało coraz to szersze obszary zastosowań.

Od chwili odkrycia tego zjawiska przez francuskiego fizyka Georges’a Destriau (1936 r.) do pierwszego zastosowania przemysłowego upłynęło prawie 15 lat, kiedy to w 1960 r. amerykańska firma Sylvania opracowała prototypy tzw. świateł nocnych. Niestety charakteryzowały się one zbyt niską trwałością eksploatacyjną co spowodowało, że nie znalazły praktycznego zastosowania przez kolejne 20 lat [1, 2]. Był to jednak okres intensywnych badań nad mechanizmem zjawiska elektroluminescencji wewnętrznej, nad materiałami oraz nad technologią wytwarzania struktur elektroluminescencyjnych.

Dzięki dalszemu modyfikowaniu stosowanych rozwiązań konstrukcyjno-technologicznych uzyskano struktury o znacznie podwyższonej trwałości i dużej odporności na działanie wilgoci tak, że już w 1970 r. struktury elektroluminescencyjne (EL) zaczęto stosować w samolotowych systemach bezpieczeństwa, a od 1980 r. także w pojazdach samochodowych.

Od połowy lat 90., po wprowadzeniu technologii mikrozabezpieczenia proszków elektroluminescencyjnych przed oddziaływaniem wilgoci, nastąpił dynamiczny wzrost zastosowań struktur EL, zarówno komercyjnych jak i konsumpcyjnych.

Wszędzie tam, gdzie obecnie istnieje potrzeba zastosowania elastycznych, lekkich, cienkich źródeł jednorodnego światła, tam coraz powszechniej wykorzystywane są struktury elektroluminescencyjne.

Mogą one także znaleźć zastosowania, przynajmniej w niektórych przypadkach, do oświetlania różnego rodzaju pomieszczeń.

Wyświetlacze elektroluminescencyjne 

W ostatnich latach w różnorodnych urządzeniach coraz częściej stosowane są wyświetlacze elektroluminescencyjne. Dzięki temu, że takie wyświetlacze emitują również światło białe, to przy zastosowaniu odpowiednich filtrów, można uzyskiwać kolorowe obrazy podobnie jak to ma miejsce w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych. Wyświetlacze EL mają jednak istotną zaletę w porównaniu z ciekłokrystalicznymi, mianowicie taką, iż nie jest tu potrzebne żadne podświetlanie. Postęp, jaki się dokonał w dziedzinie otrzymywania materiałów elektroluminescencyjnych oraz w ich technologii [2 – 7], wpłynął w istotny sposób na znaczne zwiększenie luminancji takich wyświetlaczy, a także na ich trwałość.

W roku 1997 amerykańska firma Planar Systems Inc. zademonstrowała prototyp wyświetlacza elektroluminescencyjnego o dużej wydajności, emitującego światło białe, przy zastosowaniu luminoforu SrS:Cu/ZnS:Mn o strukturze wielowarstwowej [3]. Wkrótce też firma ta podjęła, na szeroką skalę, produkcję kolorowych wyświetlaczy EL.

Rys. 1. Schemat typowej struktury wyświetlacza elektroluminescencyjnego [8]

Typową strukturę wyświetlacza elektroluminescencyjnego pokazano na rysunku 1. Swą budową przypomina ona kanapkę, w której centralną warstwę stanowi warstwa emitująca światło (elektroluminofor; zwykle jest to ZnS:Cu,Cl,Mn lub też ZnS, ale z innymi domieszkami), umieszczona pomiędzy warstwami dielektrycznymi.

Górne i dolne warstwy są transparentnymi warstwami przewodzącymi, stanowiącymi elektrody wyświetlacza. Doprowadzenie napięcia do określonych elektrod rzędu i kolumny powoduje „zapalenie piksela” położonego na ich skrzyżowaniu.

Precyzja wykonania każdej z warstw ma istotny wpływ na jakość wyświetlacza, na jego jasność świecenia, kontrast, rozdzielczość, jak również na szybkość odpowiedzi na impulsy sterujące poszczególnymi punktami matrycy.

Wyprodukowany w 1996 r. przez firmę Planar prototyp wyświetlacza miał przekątną 6,1 cala (15,5 cm), rozdzielczość 512x256 pikseli oraz czas odpowiedzi poniżej 1 ms. Dzięki dalszym udoskonaleniom technologicznym osiągnięto czas eksploatacji na poziomie 50 tys. godzin oraz znakomite właściwości wyświetlaczy w zakresie ich wytrzymałości mechanicznej, odporności na wstrząsy, uderzenia i wibracje, a także zakresu temperatur pracy (od - 40 do + 800C) [8].

Wyświetlacze elektroluminescencyjne charakteryzują się również niskim poborem mocy (przy przekątnej 10,4 cala – około 1W), niższym niż diod podświetlających w typowych wyświetlaczach LCD, jak również są niewrażliwe na obce pola elektromagnetyczne, a same nie generują sygnałów mogących zakłócić prawidłową pracę innych urządzeń elektrycznych i elektronicznych [8].

Te wszystkie wymienione zalety spowodowały, że wyświetlacze EL znalazły zastosowanie przede wszystkim w sprzęcie o charakterze militarnym oraz w przenośnym sprzęcie medycznym.

Od kilkunastu lat amerykańska firma Planar Systems Inc. jest światowym liderem w dziedzinie produkcji wyświetlaczy przeznaczonych do pracy w ekstremalnych warunkach. Obecnie produkowane przez nią wyświetlacze mają wiele zalet w porównaniu z dostępnymi na rynku innego typu wyświetlaczami, a mianowicie ich temperaturowy zakres pracy jest od - 50 do + 850C, mają też bardzo dobry kąt widzenia bez zmiany emitowanych kolorów, bardzo długą żywotność (po 50 000 godzin luminancja zmniejsza się o około 15%), średnica piksela nie przekracza wartości 0,36 mm, charakteryzują się też bardzo dobrym kontrastem i dużą niezawodnością i stabilnością pracy [9]. Ich typowe wartości jasności są od 20 do 150 cd/m2 w zależności od modelu, ale w wykonaniach specjalnych jasność może przekraczać nawet wartość 1000 cd/m2.

Na rysunku 2 pokazano typową zależność jasności świecenia od wartości skutecznej napięcia zmiennego zasilającego wyświetlacz. Czas reakcji wyświetlaczy EL jest poniżej 2 ms. Pobór mocy takich wyświetlaczy wynosi od 1 do 15 W i jest uzależniony od modelu monitora, liczby klatek na sekundę i wyświetlanego obrazu. Przykładowo dla modelu EL320.240HB typowa moc to 5,5 W przy 20% pikseli i przy maksymalnej ilości klatek na sekundę. Najwyższy pobór mocy ma miejsce, gdy od 50 do 80% pikseli w każdym rzędzie emituje światło.

Rys. 2. Zależność jasności świecenia od wartości skutecznej napięcia zmiennego zasilającego typowy wyświetlacz EL [9] 1 – krzywa dotyczy wyświetlacza zaraz po wytworzeniu, 2 – krzywa dotyczy wyświetlacza poddanego procesowi starzenia

Na rysunku 3 przedstawiono zależność pobieranej mocy od procentowego udziału świecących pikseli, dla wyświetlacza EL320.240HB.

Rys. 3. Zależność pobieranej mocy od procentowego udziału świecących pikseli, dla wyświetlacza EL320.240HB [9]

Obecnie wyświetlacze elektroluminescencyjne znajdują zastosowania nie tylko jako urządzenia przeznaczone do pracy w warunkach ekstremalnych, lecz od kilku już lat nabrały również charakteru bardziej komercyjnego. Powszechnie stosuje się je do podświetlania skal w różnego typu zegarkach, do podświetlania klawiatur komputerowych, telefonów komórkowych i innego typu sprzętu elektronicznego. W tych zastosowaniach stawiane im wymagania nie są wysokie, gdyż wystarczy, aby ich luminancja była na poziomie 10 – 30 cd/m2, a trwałość do kilku tysięcy godzin. 

Rys. 4. Oznaczenia wyjść awaryjnych i dróg ewakuacji w budynkach [1]

Podświetlanie za pomocą świecących warstw elektroluminescencyjnych stosuje się również w pojazdach samochodowych; także do podświetlania różnorodnych wskaźników oraz wnętrza samochodu, lecz tutaj wymagania co do luminancji są większe, bo jej wartość powinna być na poziomie do 100 cd/m2. Przy luminancji na poziomie 300 cd/m2 można je wykorzystywać także w charakterze świateł awaryjnych i ostrzegawczych, jak również do ogólnie pojmowanych celów reklamowych.

W roku 1997 firma Planar Systems Inc. zademonstrowała prototyp wyświetlacza elektroluminescencyjnego o dużej wydajności, emitującego światło białe, dzięki zastosowaniu luminoforu SrS:Cu/ZnS:Mn o strukturze wielowarstwowej [2]. Pozwoliło to na podjęcie produkcji na szerszą skalę kolorowych wyświetlaczy EL. Postęp, jaki się dokonał w dziedzinie otrzymywania materiałów elektroluminescencyjnych oraz w ich technologii [2, 5], wpłynął w istotny sposób na znaczne zwiększenie luminancji takich wyświetlaczy, a także na ich trwałość.

Pierwsze prototypy wyświetlaczy EL z lat 80. miały luminancję około 60 cd/m², a ich trwałość była na poziomie 1000 godzin. Pod koniec lat 90. wyświetlacze EL miały już luminancję około 350 cd/m² oraz trwałość do 10 cd/m² oraz o trwałości około 20 000 godzin [2].

Materiały elektroluminescencyjne 

Przy wytwarzaniu grubowarstwowych struktur elektroluminescencyjnych najczęściej stosuje się technologię nakładania warstw za pomocą sitodruku. Do wytwarzania poszczególnych warstw struktury elektroluminescencyjnej stosuje się pasty, których głównymi składnikami są polimerowe żywice termoutwardzalne oraz proszki materiałów decydujących o właściwościach i przeznaczeniu pasty [1].

Podstawowymi składnikami past przewodzących są żywice poliestrowe, winylowo-epoksydowe lub poliolkilakrylowe oraz wypełniacze w postaci sproszkowanego srebra, węgla i grafitu. W przypadku transparentnej pasty przewodzącej jako wypełniacza używa się nanoproszku domieszkowanego cyną i tlenkiem antymonu (ATO).

W pastach elektroluminescencyjnych, podobnie jak w pastach przewodzących, głównymi składnikami są żywice termoutwardzalne (poliestrowe, winylowo-epoksydowe, poliolkilakrylowe) oraz najczęściej proszki ZnS aktywowane zwykle miedzią, srebrem i chlorem. Granulacja proszków jest zawarta w granicach od 5 do 40 μm. 

Tabela 1. Wybrane materiały elektroluminescencyjne proszkowe [2, 11]

W pastach najnowszej generacji stosowane są proszki elektroluminescencyjne, w procesie reaktywnego nanoszenia z fazy gazowej pokryte cienką przezroczystą warstwą TiO2 lub SiO2 [54], której zadaniem jest zabezpieczenie ziaren ZnS przed oddziaływaniem na nie wilgoci.

Dla elektroluminoforu wytworzonego na bazie ZnS, w zależności od rodzaju zastosowanych aktywatorów i ich stężenia, można uzyskiwać różne charakterystyki widmowe elektroluminescencji [9] (rys. 5).

Rys. 5. Charakterystyki widmowe elektroluminescencji dla różnych elektroluminoforów [5]

Pasty dielektryczne zwykle wytwarzane są z termoutwardzalnej żywicy oraz proszków TiO2 lub BaTiO3, ponieważ oba te materiały charakteryzują się wysoką wartością współczynnika przenikalności elektrycznej (ε), a także wysoką odpornością na przebicie. Względna stała dielektryczna warstw utworzonych z past dielektrycznych zwykle przyjmuje wartości od 8 do 20, a napięcie przebicia jest wyższe od 500 V dla warstw o grubości około 25 μm [1, 2].

Jako pasty izolacyjne i zabezpieczające w strukturach elektroluminescencyjnych najczęściej stosuje się jednoskładnikowe żywice akrylowe, utwardzane za pomocą promieniowania ultrafioletowego.

Obecnie czołowe firmy, w tym Du Pont oferują specjalne zestawy past wyłącznie do wytwarzania grubowarstwowych struktur elektroluminescencyjnych. Pasty te charakteryzują się bardzo starannym doborem materiałów w celu uzyskania pełnej kompatybilności z stosowanymi podłożami oraz pomiędzy warstwami i tym samym przyczynia się to do wydłużenia czasu pracy takich struktur.

Trwałość struktur elektroluminescencyjnych 

Z punktu widzenia zastosowań struktur elektroluminescencyjnych istotne znaczenie ma ich trwałość, która pozwala określić efektywny czas pracy oraz wielkości luminancji dla takich struktur.

Badania prowadzone przez wielu autorów dotyczyły między innymi wpływu parametrów sinusoidalnego napięcia (amplitudy i częstotliwości) zasilającego strukturę elektroluminescencyjną, jak również czynników klimatycznych, takich jak temperatura i wilgotność atmosfery, w której znajdowały się badane struktury [4 – 7], na ich efektywny czas pracy.

Otrzymane wyniki wskazują wyraźnie, że istotne znaczenie ma przede wszystkim wilgotność środowiska i w związku z tym struktury elektroluminescencyjne należy starannie hermetyzować, aby ten wpływ w największym możliwym stopniu wyeliminować.

Na trwałość struktur, a także wartość ich luminancji, ma również wpływ temperatura środowiska. Wzrost temperatury w przedziale od wartości pokojowej (20^oC) do około 40^oC powoduje niewielki wzrost luminancji oraz dość istotne zmniejszenie się efektywnego czasu pracy. Dalszy wzrost temperatury, zwłaszcza gdy przekroczy wartość 600C, powoduje nawet kilkakrotne skrócenie efektywnego czasu pracy (rys. 6), a przy tym występuje zmniejszenie się luminancji (tzw. efekt gaszenia).

Rys. 6. Zależności luminancji od czasu pracy struktury elektroluminescencyjnej dla trzech różnych wartości temperatur oraz przy ustalonych parametrach napięcia zasilającego

W pracach wielu autorów można także znaleźć stwierdzenie, że na szybkość procesu degradacji istotny wpływ mają również parmerty sinusoidalnego napięcia zasilającego strukturę elektroluminescencyjną, głównie amplituda i częstotliwość. Zauważono przy tym, że największe zmiany luminancji zachodzą w początkowej fazie eksploatacji, a później z upływem czasu ulegają spowolnieniu [1, 11]. Ponadto stwierdzono, że przy ustalonej częstotliwości szybkość zmian luminancji rośnie wraz ze wzrostem amplitudy napięcia zasilającego [1 – 3, 11].

Wyniki badań uzyskane przez wielu autorów wskazują na to, że wzrost amplitudy napięcia zasilającego w mniej-szym stopniu wpływa na szybkość procesu starzenia niż częstotliwość tego napięcia [1, 2,]. W jednej z prac stwierdzono, że przy zasilaniu struktury elektroluminescencyjnej napięciem o wartości skutecznej 150 V zmiana częstotliwości tego napięcia od 100 do 2000 Hz spowodowała ponad 10-krotne zwiększenie szybkości procesu starzenia, podczas gdy zmiana amplitudy napięcia od 110 do 420 V zwiększyła szybkość tego procesu tylko dwukrotnie (przy częstotliwości 400 Hz) [2].

Zaobserwowany efekt zmniejszania się wartości luminancji struktur EL, postępujący wraz z upływem czasu, jest związany z procesem naturalnego starzenia się, a tym samym z trwałością takich struktur. Ten proces, z punktu widzenia zastosowań struktur elektroluminescencyjnych, ma istotne znaczenie zwłaszcza przy określaniu efektywnego czasu ich pracy oraz przy planowaniu wielkości luminancji.

Korzystając więc ze znanych z literatury przedmiotu modeli procesów starzeniowych dla warstw elektroluminescencyjnych [1, 2, 10] można tak optymalizować parametry napięcia zasilającego oraz zakres temperatury pracy, aby uzyskać pożądane wielkości luminancji i wystarczająco długi efektywny czas pracy.

Podsumowanie

Wprowadzenie technologii mikrozabezpieczenia proszków elektroluminescencyjnych przed oddziaływaniem wilgoci spowodowało dynamiczny wzrost zastosowań struktur EL, zarówno komercyjnych jak i konsumpcyjnych. Struktury elektroluminescencyjne mają szereg zalet w porównaniu z innymi źródłami światła i w związku z tym mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie problem jakości światła ma zasadnicze znaczenie.

Cechuje je zimne równomierne i nierażące światło, emitowane z dużych powierzchni (rzędu nawet kilku m²), bardzo dobrze widoczne z dużych odległości w mrocznym i zamglonym środowisku, bardzo mały pobór mocy czynnej (struktura elektroluminescencyjna z punktu widzenia obwodu elektrycznego jest kondensatorem), możliwość płynnej regulacji natężenia światła, a także wysoka odporność na narażenia mechaniczne i klimatyczne. Charakteryzują się też dość długim efektywnym czasem pracy (około 20 000 godz.) i tym samym mogą być znakomitymi źródłami światła do szerokiego wykorzystania.

Wszędzie tam, gdzie obecnie istnieje potrzeba zastosowania elastycznych, lekkich, cienkich źródeł jednorodnego światła, tam coraz powszechniej wykorzystywane są struktury elektroluminescencyjne.

W niedalekiej przyszłości mogą one także znaleźć zastosowania, przynajmniej w niektórych przypadkach, do oświetlania różnego rodzaju pomieszczeń. 

Literatura:

[1] Cież M.: Wpływ czynników konstrukcyjno-technologicznych na luminancję i procesy starzeniowe w strukturach elektroluminescencyjnych z grubą warstwą luminoforu”, AGH, Kraków 2006, praca doktorska

[2] Porada Z.: Elektroluminescencja wewnętrzna – wybrane zagadnienia związane z zastosowaniami, Politechnika Krakowska, Kraków 2012 (oddano do druku)

[3] Hart J. A., Lenway S. A., Murtha T.: A History of Electroluminescent Display(1999), www.indiana.edu/~hightech/fpd/papers/ELDs.html (dostęp 4.06.2012)

[4] Ono Y. A.: Electroluminescent Displays, World Scientific, 1995, Singapore, New Jersey, London, Hong Kong

[5] Smet P. F., Moreels I., Hens Z., Poelman D.: Luminescence in Sulfides: A Rich History and a Bright Future, Materials, 3 (2010), 2834 – 2883

[6] Bredol M., Schulze Dieckhoff H.: Materials for Powder-Based AC-Electroluminescence, Materials, 3 (2010) 1353 – 1374

[7] Vij D.,: Ed., Handbook of Electroluminescent Materials, Institute of Physics, Bristol, UK, 2004

[8] Płachta M.: Wyświetlacze elektroluminescencyjne firmy Planar, Elektronika Praktyczna 2005, nr 6, s. 63 – 66

[9] www.planarembedded.com/products/el/ (dostęp w kwietniu 2012)

[10] Kitai A. H.: Solid State Luminescence, Chapman & Hall, London 1993

[11] Kitai A. H.: ed., Luminescent Materials and Applications, JohnWiley & Sons, Ltd, Chichester 2008

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego na V Krajowej Konferencji Naukowo-Technicznej „Inżynieria elektryczna w budownictwie”, zorganizowanej w Krakowie, 25 października 2012 r., przez Oddział Krakowski SEP.