Struktury elektroluminescencyjne i wybrane przykłady ich zastosowań

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.