автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование предельных режимов возбуждения поликристаллических электролюминесцентных излучающих структур

Введение.

Глава I. Современное состояние средств отображения информации.

1.1. Сравнительный анализ современных средств отображения информации.

1.2. Отличительные особенности порошковых электролюминесцентных излучателей.

1.3. Светотехнические характеристики порошковых электролюминесцентных излучателей.

1.4. Яркость свечения электролюминесцентных излучателей порошкового типа.

Выводы.

Глава II. Влияние оптических характеристик электролюминесцентных излучателей порошкового типа на яркость свечения.

2.1. Факторы, оптически ограничивающие яркость.

2.2. Оптическая модель порошкового электролюминесцентного излучателя.

2.3. Оптимизация материалов и конструкции порошковых электролюминесцентных излучателей с учетом оптической модели.

Выводы.

Глава III. Электрические факторы, определяющие яркость свечения порошкового электролюминесцентного излучателя.

3.1. Зависимость электрических характеристик электролюминесцентного излучателя от условий возбуждения свечения.

3.2. Электрическая модель порошкового электролюминесцентного излучателя.

3.3. Влияние структуры поверхности излучателя на электрические характеристики.

3.4. Частотная зависимость пробивного напряжения электролюминесцентных структур.

3.5. Оптимизация материалов и конструкции излучателей с учетом электрической модели.

Выводы.

Глава IV. Разработка порошкового электролюминесцентного излучателя повышенной яркости.

4.1. Нанесение слоев излучающей структуры методом шликерного литья.

4.2. Излучатели повышенной яркости, работающие при низких уровнях возбуждающего сигнала.

4.3. Высоковольтные излучатели повышенной яркости.

Развитие электронной техники, систем автоматизированного управления и контроля, информационно-измерительных систем предъявляет высокие требования к средствам отображения информации (СОИ). Они должны обеспечивать адекватную передачу информации и предоставление ее пользователю в наиболее удобном для практического использования виде. В этой связи представляются очень важными улучшение эксплуатационных характеристик СОИ и расширение области их применения.

Электролюминесцентные источники света (ЭЛИС) на основе порошковых электролюминофоров относятся к перспективным СОИ с точки зрения их эксплуатационных характеристик и технико-экономических показателей. Морфологические и структурные особенности порошковых ЭЛИС не имеют аналогов среди других типов излучателей. Они могут быть изготовлены в виде светящихся нитей, лент, пленок и полотен произвольных форм и размеров.

Одним из важнейших параметров ЭЛИС является яркость, которая определяется оптическими свойствами излучающей среды и режимом возбуждения электролюминесцентного слоя. Основной проблемой, стоящей на пути расширения области применения порошковых ЭЛИС, является увеличение яркости свечения при условии надежной и стабильной работы устройства. Большинство современных исследований подобного рода направлено на совершенствование тонкопленочных поликристаллических электролюминесцентных излучателей (ТПЭЛИ), которые хотя и превосходят промышленные порошковые ЭЛИС по ряду показателей (яркость, срок службы), однако сложны в изготовлении и требуют дорогостоящего технологического оборудования, что значительно увеличивает их стоимость.

Задача сохранения достаточной для практических целей яркости при снижении рабочих напряжений ЭЛИС актуальна с точки зрения использования низковольтных схем управления в микроэлектронном исполнении, особенно в случае применения ЭЛИС в сочетании с жидкокристаллическими индикаторами и дисплеями в качестве элементов подсветки, табло отображения информации.

Не менее актуальна задача увеличения яркости ЭЛИС до максимально возможного уровня. Это необходимо для улучшения конкурентноспособности ЭЛИС, их потребительских свойств, эксплуатационных параметров и расширения областей применения, в частности, для использования в излучателях проблескового типа.

Таким образом, исследование предельных режимов возбуждения и улучшение светотехнических показателей порошковых ЭЛИС являются актуальными задачами, связанными с совершенствованием устройств отображения информации и расширением их функциональных возможностей.

Цель настоящей работы состояла в разработке ЭЛИС с улучшенными светотехническими характеристиками в области низких и высоких рабочих напряжений.

Для достижения данной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследование путей повышения яркости ЭЛИС в предельных режимах возбуждения - возможности достижения эксплуатационных уровней яркости при минимальном рабочем напряжении и максимальной яркости при работе на повышенных напряжениях.

2. Построение комплексной модели порошкового электролюминесцентного слоя, учитывающей оптические и электрические свойства ЭЛИС.

3. Оптимизация параметров электролюминесцентной структуры, определяющих значения яркости в предельных режимах возбуждения - толщины и оптической плотности излучающего слоя, гранулометрического состава электролюминофора, толщина и число функциональных слоев ЭЛИС.

4. Выбор и обоснование технологии формирования электролюминесцентного слоя и конструкции ЭЛИС в целом.

5. Экспериментальная проверка результатов оптимизации параметров ЭЛИС, полученных на основе комплексной модели, для различных типов промышленных электролюминофоров, связующих диэлектриков, прозрачных электродов.

6. Создание порошковых ЭЛИС повышенной яркости для работы в предельных режимах возбуждения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Проведен комплексный анализ факторов, влияющих на светотехнические характеристики порошковых ЭЛИС в предельных режимах возбуждения.

2. Проведена оптимизация электрических и оптических параметров порошковых ЭЛИС и разработана модель излучающей структуры для различных режимов возбуждения.

3. Получены оптимальные значения технологических параметров, позволяющие достичь максимальной эффективности работы ЭЛИС, для различных технологий формирования излучающего слоя.

4. Предложена модель, объясняющая характер частотной зависимости пробивного напряжения порошковой электролюминесцентной структуры.

Практическая значимость данной работы заключается в следующем: 6

1. Созданная комплексная модель порошкового ЭЛИС позволяет оптимизировать конструктивно-технологические и эксплуатационные факторы в различных режимах возбуждения.

2. Проведенная оптимизация позволяет выбрать технологии изготовления, наиболее полно удовлетворяющие требованиям к ЭЛИС повышенной яркости.

3. Показано, что при изготовлении порошковых ЭЛИС с соблюдением полученных рекомендаций улучшается воспроизводимость светотехнических характеристик излучающих пленок.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Излучающие свойства порошковых ЭЛИС в области низких напряжений определяются условиями вывода излучения из оптически рассеивающей среды.

2. Предельно достижимое значение яркости ЭЛИС ограничивается напряжением пробоя и тепловыделением электролюминесцентной структуры.

3. Электрическая прочность ЭЛИС возрастает с увеличением частоты вследствие перераспределения электрической мощности между структурными дефектами и квазиоднородной частью излучающего слоя.

Основные результаты диссертационной работы

1. На основе теоретического анализа факторов, влияющих на яркость свечения электролюминесцентной структуры, выявлены группы параметров электролюминесцентной структуры, определяющие яркость в каждом режиме возбуждения.

2. Построена комплексная модель электролюминесцентного слоя, учитывающая оптические и электрические свойства излучающей структуры, адекватно описывающая порошковые ЭЛИС, имеющая общий характер и применимая для различных типов электролюминофоров, диэлектрических связующих и прозрачных электродов.

3. Оптимизированы конструктивно-технологические параметры ЭЛИС с целью достижения максимальной яркости свечения электролюминесцентной структуры в различных режимах возбуждения (низковольтный режим - 20 - 40 В, высоковольтный режим-250-300 В).

4. Установлено, что использование технологии шликерного литья позволяет достичь оптимальных значений конструктивно-технологических параметров порошковых ЭЛИС и является наиболее экономически выгодным.

Заключение

Усовершенствованию технологии формирования слоев, составляющих ЭЛИС, а также материалов для них посвящены работы различных авторов [26, 80-82]. Однако до сих пор не было дано конкретных рекомендаций по улучшению существующих технологий изготовления порошковых ЭЛИС из обычно используемых материалов, что может значительно снизить затраты на модернизацию процесса и позволит, за счет улучшенных светотехнических характеристик, сделать такие излучатели более конкурентоспособными.

Цель настоящей работы состояла в разработке ЭЛИС с улучшенными светотехническими характеристиками в области низких и высоких рабочих напряжений. В процессе выполнения исследований были определены группы конструкторско-технологических факторов, в первую очередь влияющих на яркость свечения порошковых ЭЛИС в различных режимах возбуждения.

На следующем этапе выполнения работы были созданы теоретические модели порошкового ЭЛИС для области низких и высоких напряжений.

Анализ параметров излучающей структуры с помощью оптической модели позволил определить диапазон значений этих параметров для достижения эксплуатационных уровней яркости ЭЛИС при меньшем рабочем напряжении или получения повышенного уровня яркости при неизменном напряжении, т. е. оптимизировать конструкторско-технологические требования для создания порошковых ЭЛИС повышенной яркости в низковольтном режиме возбуждения.

Рассмотрение электролюминесцентной структуры в приближении электрической модели дало возможность определить диапазон значений технологических параметров для достижения максимальной яркости свечения ЭЛИС, т. е. оптимизировать конструкторско-технологические требования для создания порошковых ЭЛИС высокой яркости в высоковольтном режиме возбуждения

Изготовленные с учетом этих требований гибкие порошковые ЭЛИС обладают повышенной яркостью свечения при работе в предельных режимах возбуждения.

1. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника.- М.: Советское радио, 1977.- 232 с.

2. Theis D., J. Lum.-1981.- Vol. 23.- P. 191.

3. Vecht A, J. Crystal Growth.- 1982,- Vol. 59.- P. 81.

4. Яблонский Ф.М. Средства отображения информации/ Ф.М. Яблонский, Ю.В. Троицкий.- М.: Высшая школа, 1985.- 200 с.

5. Индикаторы. Современное состояние и перспективы// Экспресс-информация ВНИИТИ.- М.: Электроника.- 1996.- №23.

6. Лямичев И.Я. Устройства отображения информации с плоскими экранами.- М.: Радио и связь.- 1983.

7. Быстров Ю.А. Электронные приборы для отображения информации/ Ю.А. Быстров, И.И. Литвак, Г.М. Персианов.- М.: Радио и связь.- 1985.

8. Кривошеев М.И. Современные методы и устройства отображения информации/ М.И. Кривошеев и др.- М.: Радио и связь.-1981.

9. Турин Н.Т. Перспективные средства отображения информации/ Н.Т. Турин, Б.А. Соломин.- Саратов: СГУ.- 1986.

10. Биндра А. Увеличение размеров и яркости и увеличение параметров индикаторных панелей// Электроника,- 1984.- №6.- С. 25-40.

11. Кульков В.П. Электролюминесцентные индикаторы с мышьяк-сульфидным связующим/ В.П. Кульков, Н.Д. Лукица// Светотехника.-1985.-№1.- С. 15-16.

12. Прикладная электролюминесценция/ Под ред. М.В. Фока.- М.: Советское радио, 1974.- 416 с.

13. Парфианович И.А. Люминесценция кристаллов: Учеб. пособие/ И.А. Парфианович, В.Н, Саломатов.- Иркутск: Иркутский ГУ, 1988,-248 с.

14. Антипов Б.Л. Электролюминесцентные поликристаллические индикаторные приборы/ Б.Л. Антипов, О.А. Изумрудов, Н.П. Лазарева, Н.Н. Семенов// Петербургский журнал электроники.- 1997.- №3.- С. 5356.

15. Веревкин Ю.Н. Деградационные процессы в электролюминесценции твердых тел.- Л.: Наука, 1983.- 93 с.

16. Ковалев Б. А. Влияние условий эксплуатации на спектры излучений электролюминофоров// Светотехника.- 1981.- №6.- С. 4-5.

17. Агеева О.С. Исследование возможности создания электролюминесцентных устройств с сорбционными функциональными элементами: Дис. канд. техн. наук: Л., 1977.- 188 с.

18. Дмитриева Ю.В. Сенсорные свойства сорбционных датчиков с оптическим выходом/ Ю.В. Дмитриева, О.А. Изумрудов, Е.К. Райская// Петербургский журнал электроники.- 2000.- №1.- С. 61-64.

19. Изумрудов О.А. Исследование порошковых электролюминесцентных излучателей методом линейных диаграмм/ О.А. Изумрудов, Е.К. Райская// Перспективные материалы и приборы оптоэлектроники и сенсорики.- СПб.- 1998.- С. 125-131.- (Изв. ГЭТУ; Вып. 517).

20. Лазарева Н.П. Разработка и исследование полицветных электролюминесцентных устройств для систем контроля и управления: Дис. канд. техн. наук: 01.04.10.- Л., 1988.-225 с.

21. Низник С.З. Электролюминесцентные индикаторы/ С.З. Низник, К.Ю. Ильинкова// Техника индикации.- Киев: Наукова думка. -1976.- С. 137.

22. Изумрудов О.А. Светящиеся пленки. Новый материал для светового дизайна и не только/ О.А. Изумрудов, Н.П. Лазарева, Е.К. Райская// Петербургский журнал электроники. 2001.- № 1.- С. 58-62.

23. Деркач В.П. Электролюминесцентные устройства/ В.П. Деркач, В.М. Корсунский.- Киев: Наукова думка 1968.- 302 с.

24. Электролюминесцентные источники света/ Под ред. И.К. Верещагина.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 168 с.

25. Верещагин И.К. Электролюминесценция кристаллов.- М.: Наука, 1974.- 280 с.

26. Л.Я. Марковский Люминофоры/ Л .Я. Марковский, Ф.М. Пекерман, Л.Н. Петошина.- М.-Л.: Химия, 1966.- 282 с.

27. Люминесцентные материалы и химические вещества: Каталог. -Черкассы: НИИТЭХИМ, 1983.-318 с.

28. Физика и химия соединений AnBVI: Пер. с англ./ Под ред. С.А. Медведева.- М.: Мир.- 1970,- 624 с.

29. Ануфриев Ю.А. Эксплуатационные характеристики и надежность электрических конденсаторов/ Ю.А. Ануфриев, В.Н. Гусев, В.Ф. Смирнов и др.- М.: Энергия.- 1976.

30. Чукова Ю.П. Электрические и оптические свойства электролюминесцентных конденсаторов на основе ZnS-Cu// Тр. ФИАН.-1966.-Т. 37,-С. 149-230.

31. Справочник по электротехническим материалам/ Под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева.- Т.З.- 3-е изд., перераб.-JL: Энергоатомиздат., 1988.- 728 с.

32. Гурвич JI.M. Введение в физическую химию кристаллофосфоров.- М.: Высшая школа.- 1971.

33. Антипов Б.Л. Полупроводниковые излучательные приборы: Учеб. пособие/ Б.Л. Антипов, О.А. Изумрудов, Г.А. Савельев, Н.Н. Семенов.- Л.: ЛЭТИ, 1979.- 88 с.

34. Хениш Г. Электролюминесценция: Пер. с англ./ Под ред. B.C. Вавилова.- М.: Мир.- 1964,- 456 с.

35. Lehmann W., J. Electrochem. Soc.- I960.- Vol. 107.- P. 20.

36. Веревкин Ю.Н. Влияние свойств диэлектрика на свечение электролюминесцентных конденсаторов/ Ю.Н. Веревкин, Л.М. Данилюк и др.// Светотехника.- 1967.- №2.- С. 5-7.

37. Roberts S., Journ. Opt. Soc. of A.- 1952.-V. 42.-№11.- P. 850-861.

38. Агранант Б.Л. О новых материалах, используемых в качестве связующих для электролюминофоров/ Б.Л. Агранант, Л.Л. Гурвич// Тез. докл. XIV совещания по люминесценции, М., 1965.- С. 45.

39. Солодкин В.Е. Новое связующее для электролюминесцентных слоев/ В.Е. Солодкин, Т.В. Еремеева, В.Ф. Соркин и др.// Лакокрасочные материалы и их применение.- 1956.- №6.- С. 26-27.

40. Лукица Н.Д. Разработка порошковых электролюминесцентных индикаторов на халькогенидной связке ASS4: Дис.канд. техн. наук: 01.4.10,-Л., 1983.- 184 с.

41. Букке Е.Е., Винокуров Л.А., Фок М.В.// Инж.-физ. журн.-1958.-Т. 1.-С. 113.

42. Лукица И.Г. Влияние неоднородности зерен электролюминофора на качество и надежность электролюминесцентныхиндикаторов/ И.Г. Лукица, Н.Д. Лукица// Электронная техника.- 1977.-Сер. 8.- Вып. 1.- С. 44.

43. Lehmann W., Phys. Rev.- 1956.- Vol. 101.- P. 489.

44. Верещагин И.К. Влияние влаги на старение электролюминофоров/ И.К. Верещагин, С.М. Кокин// Уч. зап. Тартуского ун-та.- 1983.-Вып. 655.- С. 101-108.

45. Лукица И.Г. Влияние основных технологических и эксплуатационных факторов на надежность электролюминесцентных индикаторов/ И.Г. Лукица, Н.Д. Лукица, В.В. Пасынков, Г.А. Савельев// Электронная техника.- 1980.- Сер. 8.- Вып. 5.- С. 34.

46. Зеге Э.П. Перенос изображения в рассеивающей среде/ Э.П. Зеге, А.П. Иванов, И.Л. Кацев.- Минск: Наука и техника, 1985.- 327 с.

47. Дик В.П. Распространение света в плотноупакованных дисперсных средах/ В.П. Дик, А.П. Иванов, В.А. Лойко Минск: Наука и техника, 1989.- 191 с.

48. Кыласов В.А. Оптические свойства электролюминесцентного конденсатора/ В.А. Кыласов, И.Я. Лямичев, И.Н. Орлов// Пленочные структуры.- Тарту, 1979.- С. 77-86.- ( Уч. зап. Тартуского ГУ; Вып. 509).

49. Иванов А.П. Оптика рассеивающих сред.- Минск: Наука и техника, 1969.- 592 с.

50. Изумрудов О.А. Оптическая модель структуры электролюминесцентного излучающего слоя/ О.А. Изумрудов, Н.П. Лазарева, Е.К. Райская// Петербургский журнал электроники.- 2000.-№2.-С. 71-76.

51. Мах Р. Электролюминесценция в поликристаллических полупроводниках/ Поликристаллические полупроводники: физические свойства и применение: Пер. с англ.- М.: Мир.- 1989.

52. Долгополова JI.H. Влияние оптических свойств и конструкции электродов ЭП на их световые характеристики/ Л.Н. Долгополова, Н.Г. Петрова// Светотехника.- 1970.- №2,- С. 11.

53. Иванов А.П. Оптика люминесцентного экрана/ А.П. Иванов, К.Г. Предко Минск: Наука и техника, 1984.- 272 с.

54. Иванов А.П. Оптика фотографического слоя/ А.П. Иванов, В.А. Лойко Минск: Наука и техника, 1983.- 304 с.

55. Петрова Н.Г. О работе электролюминесцентных панелей в режиме постоянной яркости// Светотехника,- 1976.- №11.- С. 9-11.

56. Стриха В.И. Теоретические основы работы контакта металл-полупроводник.- Киев: Наукова думка.- 1974.- 264 с.

57. Милне А. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник: Пер. с англ./ А. Милне, Д. Фойхт.-М.: Мир.- 1975.- 432 с.

58. Верещагин И.К. Об электролюминесцентных свойствах отдельных частиц поликристаллических образцов ZnS-Cu// Оптика и спектроскопия.- 1966.- Т. 20.- С. 1066-1073.

59. Thornton W.A., J. Electrochem. Soc.- I960.- Vol. 107.- №11.- P. 895-907.

60. Харитонов E.B. Диэлектрические материалы с неоднородной структурой.- М.: Радио и связь, 1983.- 128 с.

61. Simmons J.G., J. Phys. D: Appl. Phys.- 1971.- Vol. 4.- P. 613-649.

62. Pike G.E., Seager C.H., J. Appl. Phys.- 1979.- Vol. 50.- №5.- P. 3414-3422.

63. Красильщиков Б.Р. Статистическая модель пробоя реальных диэлектриков по локальным слабым участкам/ Б.Р. Красильщиков, Е.В. Харитонов// Электричество.- 1979.- №7.- С. 21-25.

64. Самохвалов М.К. Электрическое моделирование тонкопленочных электролюминесцентных конденсаторов.-Микроэлектроника.- 1994.- 23.- №1.- С. 59-64.

65. Хусу А.П. Шероховатость поверхностей. Теоретико-вероятностный подход/ А.П. Хусу, Ю.Р. Витенберг, В.А. Пальмов М.: Наука, 1975.- 343 с.

66. Нетушил А.В. Модели электрических полей в гетерогенных средах нерегулярных структур// Электричество.- 1975.- №10.- С. 1-8.

67. Аморфные и поликристаллические полупроводники: Пер. С англ./ Под ред. В. Хейванга.- М.: Мир.- 1987.- 351 с.

68. Поликристаллические полупроводники. Физические свойства и применение: Пер. с англ./ Под ред. Г. Харбека.- М.: Мир.- 1989.- 344 с.

69. Рудь Б.М. К механизму электропроводности композиционных толстых пленок/ Б.М. Рудь, JI.T. Акулова// Порошковая металлургия.-1981,-№7(223).- С. 50-52.

70. Seto Y.V., J. Appl. Phys.- 1975.- Vol. 46,- №12.- P. 5247-5254.

71. Красильщиков Б.Р. Статистическая модель пробоя случайно-неоднородных диэлектриков/ Б.Р. Красильщиков, Е.В. Харитонов, И.Т. Розин, В.А. Драневич//Изв. вузов. Сер. физика.- 1974.- №11.- С. 84-89.

72. Электролюминесценция твердых тел и ее применение// Тр. IV совещания по электролюминесценции.- Киев: Наукова думка.- 1972.- 366 с.

73. Богородицкий Н.П. Высоковольтные керамические конденсаторы/ Н.П. Богородицкий, В.А. Гедзюн, Н.А. Мандрыка.- М.: Советское радио.- 1970,- 206 с.

74. Самохвалов М.К. Исследование свойств цинк-сульфидных люминофоров в тонкопленочных структурах// Журнал прикладной спектроскопии,- 1995.- Т. 62.- №3.- С. 182-185.

75. Антипов Б.Л. Электрооптическая модель электролюминесцентного источника света/ Б.Л. Антипов, О.А. Изумрудов, Екимова и др.// Современные инженерно-химические основы материаловедения.- СПб., 1999.-С. 114-117.