Elektroluminescencyjne źródła światła: LED, OLED i struktury Destriau

Struktury elektroluminescencyjne Destriau 

W ostatnich latach w różnorodnych urządzeniach coraz częściej stosowane są wyświetlacze elektroluminescencyjne.

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 Georgesa Destriau (1936 r.) do pierwszego zastosowania przemysłowego upłynęło prawie 15 lat. 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, 16]. 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. Mogą one także znaleźć zastosowania, przynajmniej w niektórych przypadkach, do oświetlania różnego rodzaju pomieszczeń.

Rys. 4. Schemat typowej struktury wyświetlacza elektroluminescencyjnego [16]

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 [1]. Wkrótce też firma ta podjęła, na szeroką skalę, produkcję kolorowych wyświetlaczy EL.

Typowa struktura wyświetlacza elektroluminescencyjnego została pokazana na rysunku 4. 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 512 x 256 pikseli oraz czas odpowiedzi poniżej 1 ms. Dzięki dalszym udoskonaleniom technologicznym osiągnięto czas eksploatacji na poziomie 50 000 godzin oraz znakomite właściwości wyświetlaczy w zakresie ich wytrzymałości mechanicznej, odporności na wstrząsy, uderzenia i wibracje, a także zakresu temperatur pracy (od -40 do +80^oC) [16].

Wyświetlacze elektroluminescencyjne charakteryzują się również niskim poborem mocy (przy przekątnej 10,4 cala - około 1 W), 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 [16]. 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 +85^oC, 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 [17]. 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 5 pokazano typową zależność jasności świecenia od wartości skutecznej napięcia zmiennego zasilającego wyświetlacz. Tę zależność można opisać przybliżonym wzorem [1]:

B = B₀ exp(-b/√U)

gdzie B₀ oraz b są parametrami stałymi dla danej warstwy.

Powyższy wzór (4) jest zgodny z relacją podaną przez Alfrey’a i Taylora [18], opisującą zależność luminancji B komórki elektroluminescencyjnej od przykładanego do niej napięcia U. Zadziwiającą własnością wielu materiałów luminescencyjnych jest to, że powyższa relacja Alfrey’a - Taylora w przybliżeniu jest spełniona nawet przy wzroście natężenia promieniowania o kilka rzędów wielkości [19]. Znikomo małe jest jednak prawdopodobieństwo, aby na granicy kryształu luminoforu istniała taka idealna bariera Schottky’ego, szczególnie gdy rozważany układ składa się z proszku luminoforu znajdującego się w osnowie dielektryka.

Rys. 5. Zależność jasności świecenia od wartości skutecznej napięcia zmiennego zasilającego typowy wyświetlacz EL [17] 1 – krzywa dotyczy wyświetlacza zaraz po wytworzeniu, 2 – krzywa dotyczy wyświetlacza poddanego procesowi starzenia.

Czas reakcji wyświetlaczy EL to 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 wtedy, gdy od 50 do 80% pikseli w każdym rzędzie emituje światło.

Postęp, jaki się dokonał w dziedzinie wytwarzania materiałów elektroluminescen-cyjnych oraz w ich technologii [1, 16], 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 10 000 godzin. W latach 2010-2012 pojawiło się wiele doniesień o otrzymaniu wyświetlaczy EL o luminancji nawet kilku tysięcy cd/m² oraz o trwałości około 20 000 godzin [1, 17].

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.

W pastach najnowszej generacji stosowane są proszki elektroluminescencyjne, w procesie reaktywnego nanoszenia z fazy gazowej pokryte cienką przezroczystą warstwą TiO₂ lub SiO₂ [1], 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 [20] (rys. 6).

Rys. 6. Charakterystyki widmowe elektroluminescencji dla różnych elektroluminoforów [20]

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].

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; przyczynia się to do wydłużenia czasu pracy takich struktur.

Z punktu widzenia zastosowań struktur elektroluminescencyjnych istotne znaczenie ma ich trwałość, która pozwala określić efektywny czas pracy oraz wielkość 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 jakiej znajdowały się badane struktury [1-21], 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 wpływ wilgotności w możliwie największym 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 60^oC, powoduje nawet kilkakrotne skrócenie efektywnego czasu pracy, a przy tym występuje zmniejszenie się luminancji (tzw. efekt gaszenia).

Zaobserwowany efekt zmniejszania się wartości luminancji struktur EL, postępujący wraz z upływem czasu – jak stwierdzono – 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, 21], można tak optymalizować parametry napięcia zasilającego oraz zakres temperatury pracy, aby uzyskać pożądane wielkości luminancji i wystarczająco długi efektywny czas pracy. 

Podsumowanie 

Zasadniczą różnicą w konstrukcji organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED) i struktur Destriau w porównaniu z diodami LED jest to, że OLED i struktury Destriau są powierzchniowymi źródłami światła o niewielkiej grubości, w których emisja światła następuje w półprzewodniku organicznym lub nieorganicznym, natomiast diody LED są punktowymi źródłami emitującymi światło w obszarze złącza p-n wytworzonego na bazie krystalicznej struktury półprzewodników nieorganicznych.

W związku z tym, że diody LED mają bardzo małą powierzchnię, z której emitowane jest światło, ich luminancja jest bardzo duża i może wynosić nawet do 10 Mcd/m2. Tak wysoka luminancja diody LED jest niebezpieczna dla oczu i nieprawidłowe stosowanie LED może powodować efekt olśnienia lub nawet oślepienia.

OLED-y podobnie jak struktury Destriau, charakteryzują się dużo niższą luminancją (1000 - 3000 cd/m2) i jest to ich niewątpliwą zaletą w stosunku do technologii LED. Ponadto technologia produkcji OLED jak również struktur Destriau umożliwia uzyskiwanie warstw emitujących światło o dużej powierzchni i o dobrej równomierności promieniowania.

Największym problemem technologii OLED jest niewielka jeszcze trwałość diod organicznych, szacowana obecnie na 5000 - 10 000 godzin (w opracowaniach laboratoryjnych uzyskuje się już wyraźnie większe wartości) i jest ona kilkakrotnie mniejsza niż trwałość diod LED.

LED i OLED należą jednak do najnowszych typów źródeł światła i to do tych, których konstrukcja rozwija się najbardziej dynamicznie. W Europie i na świecie w wielu ośrodkach prowadzone są intensywne prace nad udoskonalaniem konstrukcji zarówno OLED jak i LED. Według szacunków uważa się, że przy obecnym tempie prac badawczych i ich znacznym zaawansowaniu, za około 10 lat staną się masowymi źródłami światła, przy czym w różnorodnych zastosowaniach będą wzajemnie się uzupełniać, a nie konkurować ze sobą. Wprowadzenie technologii mikrozabezpieczenia proszków elektroluminescencyjnych przed oddziaływaniem wilgoci spowodowało także dynamiczny wzrost zastosowań struktur elektroluminescencyjnych Destriau, zarówno komercyjnych jak i konsumpcyjnych.

Struktury elektroluminescencyjne mają szereg zalet w porównaniu z klasycznymi źródłami światła i w związku z tym mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie problem jakości światła ma zasadnicze znaczenie. Cechują je:

• zimne równomierne i nierażące światło, emitowane z dużych powierzchni (rzędu nawet kilku m2),
• bardzo dobra widoczność 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,
• wysoka odporność na narażenia mechaniczne i klimatyczne,
• dość długi efektywny czas pracy (około 20 000 godzin); mogą być zatem znakomitymi źródłami światła do szerokiego wykorzystania.

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

Literatura:

[1] Porada Z., Elektroluminescencja - wybrane zagadnienia związane z zastosowaniami, Politechnika Krakowska, Kraków 2013.

[2] Round H.J., A note on Carborundum, Electrical World, 19 (1907), 309.

[3] Destriau G., Recherches sur les scintillations des sulfures de zinc aux rayons, Journal de Chemie Physique, 33 (1936), 587-625.

[4] Gooch C.H., Przyrządy elektroluminescencyjne ze złączem p-n. Wydanie w języku polskim, WNT, Warszawa 1977.

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Oled

[6] Tomita Y., PhD Dissertation. Alternative transparent electrodes for organic light emitting diodes, Technische Universität Dresden, 2008. (http://www.qucosa.de/fileadmi/data/qucosa/documents/437/1236711483222-3521.pdf dostęp: 9 sierpnia 2011)

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

[8] http://www.ele.uri.edu/courses/ele432/spring08/LEDs.pdf

[9] Mroziewicz B., Bugajski M., Nakwaski W., Lasery półprzewodnikowe. PWN, Warszawa 1985.

[10] http://www.lediko.com/Zasilanie_diod_LED/61/

[11] Siłacz Ł., Współczesne zastosowania diod elektroluminescencyjnych, http://etacar.put.poznan.pl/jan.deskur/EN_n3_09/Diody_LED.pdf

[12] Porada Z., Strzałka-Gołuszka K., LED – diody elektroluminescencyjne, Podręcznik dla Elektryków. INPE 2013, z. 44.

[13] http://pl.wikipedia.org/wiki/Organiczna_dioda_elektroluminescencyjna (dostęp: 9 sierpnia 2011)

[14] Łuka G., Warstwy ZnO i ZnO:Al otrzymane metodą osadzania warstw atomowych do zastosowań w organicznej elektronice. Instytut Fizyki PAN, Warszawa 2011, praca doktorska.

[15] Stępień I., Synteza i polimeryzacja nowych monomerów na bazie pochodnych karbozolu i kumaryny dla optoelektroniki. Politechnika Krakowska 2006, praca doktorska.

[16] Płachta M., Wyświetlacze elektroluminescencyjne firmy Planar, Elektronika Praktyczna nr 6 (2005), s. 63-66.

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

[18] Alfrey G. F., Taylor J. B., Brit. J. Appl. Phys., Supplement, 4 (1955), s. 44-46.

[19] Tyagi R. C., Garlick G. F. J., The enhancement of visible and infra-red electroluminescence in zinc sulphide crystals by infra-red irradiation, Brit. J. Appl. Phys., 17 (1966), s. 747-755.

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

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