Курсовая работа: Фізико–технологічні процеси створення електролюмінісцентних плоских пристроїв відображення інформації

Світло ізолюючий шар такого приладу складається з люмінофора, в якому порошок ZNS, активований Мn, обробляється іонами Сu, і поверхня зерен ZNS покривається CUS з низьким питомим опором. Використання як активатори Mn, Eu, Tu дозволяє відповідно отримати оранжево-жовте, зелене. Крім того, були розроблені і такі варіанти: зелене свічення при використанні CAS : Це, С1; червоне свічення при CAS : Eu, CI; синьо-зелене свічення при SrS:Ce, С1; зелене свічення при SrS:і .т.д.

Первинна яскравість ЕЛІ постійного струму зазвичай вибирається в межах 100 кд/м^2. Яскравість 300—400 кд/м^2 можна отримати, підвищуючи робочу напругу, але при цьому термін служби зменшується. Первинна щільність струму складає, як правило, приблизно 2 мА/см^2. В умовах безперервної роботи яскравість падає удвічі протягом 103 год. Таке зменшення яскравості супроводжується відповідним зменшенням струму. Підтримка постійної яскравості протягом тривалого часу можливо при управлінні ЕЛІ від компенсуючої схеми збудження, яка підвищує напругу, прикладену до індикатора .

Одне з ЕЛІ постійного струму полягає в тому, що яскравість свічення пропорційна напрузі в шостому ступені або навіть вища. Ця характерна особливість сприяє придушенню кросс-эфекта. Не дивлячись на велику яскравість і інші переваги ЕЛІ постійного струму мають і істотний недолік — малу світловидатність (близько 10% відповідної величини ЕЛІ змінного струму)[1] .

1.2 Плівкові електролюмінісцентні індикатори

У плівкових ЕЛІ змінного струму на підкладку з скла напитлюється прозорий електрод, а на нього тим же способом наноситься шар діелектрика з високою діелектричною проникністю. Як світло випромінюючого шару використовуються плівки люмінофора ZnS:TbF3 завтовшки близько 0.2 мкм. Цей люмінофор дає зелений колір свічення. На плівку наноситься другий непрозорий електрод.

Активування люмінофора рідкоземельними фтористими з'єднаннями дозволяє досягти високої світловидатності і яскравості, а також міняти колір свічення. Наприклад, свічення червоного кольору можна отримати за допомогою введення SmF3, синього кольору — TmF3. Механізм свічення плівкових електролюмінісцентних шарів обумовлений рекомбінацією носіїв заряду, інжектованих кристалами люмінофора і електродами або утворених в результаті тунельного ефекту і ударної іонізації.

Аналогічно порошкоподібному люмінофору, на який впливають постійним струмом, тонко плівкові люмінофори мають дуже різкий поріг напруги. При накладанні напруги вище порогового виникає фотопровідність. В результаті рівень Фермі і межі зон переходу метал — ізолятор зміщуються таким чином, що відбувається тунельна інжекція дірок і електронів в плівку ZNS, що приводить до випромінювальної рекомбінації з утворенням кванта світла. У 1974 р. був розроблений тришаровий плівковий електролюмінісцентний елемент з двома ізоляційними плівками, що забезпечило істотне підвищення яскравості. Як світло випромінюючого шару використовувався плівковий люмінофор ZnS : Мп без домішки міді. Люмінофор повністю покривався ізоляційними плівками з Y2O3 і Si3N4 з високою діелектричною проникністю. Оскільки пробивна напруженість діелектрика Y2O3 складає близько 5*106 В/см і перевищує пробивну напруженість люмінофора, яка рівна 1,2*106 В/см, то при збільшенні прикладеної напруги ZnS пробивається раніше і «гарячі» електрони порушують іони марганцю. При збільшенні прикладеної напруги ZNS пробивається раніше і «гарячі» електрони порушують іони марганцю . Плівковий ЕЛІ на змінному струмі теж тришаровій конструкції, але з ізоляційними шарами з GeО2 і As2S3 працює при додатку імпульсів змінної напруги 800 В з періодом 1000 мкс і тривалістю імпульсу 30 мкс. При цьому реалізується яскравість 350 кд/м^2, колір свічення — оранжевий, термін служби — до 5000 год. Властивий порошковим ЕЛІ малий контраст, обумовлений сильним віддзеркаленням навколишнього світла, в плівкових ЕЛІ підвищується за рахунок застосування чорної поглинаючої плівки, що наноситься на задню підкладку. Хоча при цьому втрачається половина власного випромінювання в задній стінці, та зате вона ж поглинає 100% падаючого навколишнього розсіяного світла.

Такий недолік тонко плівкових ЕЛІ, як мале число можливих кольорів свічення, може бути усунений чисто конструктивним способом. Враховуючи прозорість тонко плівкової електролюмінісцентної структури, можна, в принципі, напилити подвійний або потрійний шар люмінофора з електродами для кожного шару. При відповідній адресації можна отримати поліцвітний індикатор. Параметри матричних ЕЛІ приведені в таблиці 1.1.

У матричних ЕЛІ виявляється помітний крос-ефект, відношення яркостей вибраних і напіввибраних елементів не перевищує 10, іншими словами, контраст малий. Одним з методів збільшення контрасту для створення матричних ЕЛІ, кросс-эффекта, що не мають, є покриття зворотної поверхні електролюмінісцентного шару матеріалом, що має надзвичайно нелінійні вольт-амперні характеристики.

Таблиця 1.1. Параметри матричних ЕЛІ.

Характеристика	Тип ЕЛІ
	Порошковій змінного струму			Порошковій постійного струму	Плівковій змінного струму
Підкладка	Скло	Скло	Скло	Скло	Скло
Прозорий електрод	SnО2	Sn02	РЬО	Sn02	In20з
Перший ізоляційний шар.	—	—	Метілметакрілат	—	Y2О3; Si3N4
Світло випромінюючий шар	ZNS : Сu, Br	ZNS: Сu, Al	(Zn, Cd)S	ZNS : Мn, Сu	ZNS : Mn
(товщина, мкм)	(40—50)	(0.2—0,3)
Другий ізоляційний шар	BaTsO3	Нелінійний опір	—	—	Si3N4
(товщина, мкм)	(10)	(0,2—0,3)
Непрозорий електрод	Al	А1	Al	Al	Al
Захисна плівка	Епоксидна	Епоксидна	Використовується	Епоксидна	Епоксидна смола
смола	смола	пластина з перемикальними схемами з тонкоплівкових транзисторів	смола	або кремній органічне мастило
Колір свічення	Зелений	Жовто-зелений	Зелений	Жовто-оранжевий	Жовто-оранжевий
Розміри панелі, мм^2	75X200	207X276	152X152	201X269	90X120
Розміри елементу, мм^2	0,8X0,45	0,75X1,00	0,63X0,88	0,75X1,00	0,35X0,35
Число елементів	80X80	230X230	120X120	224X224	240X180
Яскравість, кд/м2	14—40	2—4	150	35	100
Контраст	10:1	5:1	50 : 1	20: 1	15:1
Робоча напруга, В	350	80	180	210

Таким матеріалом може служити порошок карбіду кремнію з пластичною звязуючоюречовиною. Якщо додати цей матеріал, то відношення яркостей вибраних і напіввибраних елементів ЕЛІ досягає 104. При цьому хоча значно поліпшується контраст, але прикладена напруга для отримання даної яскравості необхідно збільшити удвічі і більше, що створює труднощі при управлінні [1].

Залежність яскравості ЕЛІ у включеному стані від опору тонкоплівкового транзистора (б) і яскравості ЕЛІ у вимкненому стані від струму витоку транзистора (в).

1.3 Плівкові електролюмінісцентні випромінювачі на шорстких підкладках

Актуальним завданням при створенні плівкових електролюмінісцентних випромінювачів і індикаторів на їх основі, що використовують ефект перед пробійної люмінесценції, є підвищення їх яскравості, особливо синього і червоного кольорів свічення [2]. Для підвищення яскравості свічення електролюмінісцентних випромінювачів за рахунок збільшення виходу випромінювання із структури були запропоновані конструкції з шорсткою поверхнею підкладки, на яку нанесені шари електролюмінісцентного випромінювача [2], і з мікронерівностями на поверхні прозорого електроду структури [3]. У подібних структурах на збільшення виходу випромінювання крім чисто оптичних ефектів може впливати, мабуть, також і неоднорідний розподіл електричного поля в електролюмінісцентному шарі. Як показують дослідження, неоднорідний розподіл електричного поля в шарі люмінофора існує також в тонко плівкових електролюмінісцентних випромінювачах з композиційним рідким діелектриком з концентрацією цього поля в локальних ділянках того, що стосується зерен наповнювача діелектрика і шару люмінофора [4,5]. Це приводить до зменшення необхідного середнього значення порогової напруженості електричного поля в шарі люмінофора, при якому починається свічення, в порівнянні із звичайними тонкплівочними електролюмінісцентними структурами. При поєднанні тонко плівкової структури електролюмінісцентного випромінювача на шорсткій підкладці з шаром композиційного рідкого діелектрика слід чекати підвищення ступеня неоднорідності електричного поля в шарі люмінофора, що може викликати додаткове збільшення виходу випромінювання.

Для перевірки даного припущення були виконані дослідження електролюмінісцентних структур ”метал-напівпровідник-композиційний рідкий діелектрик-метал (МПКМ) ”, нанесених на звичайну ”гладку” і шорстку скляні підкладки, де М — перший прозорий електрод на основі SnO2 завтовшки 0.2-0.3 µm і другий притискний металевий електрод з мікрометричним регулюванням ходу з погрішністю ±5µm; П-ЕЛ шар ZnS: Mn (0.5% мас.) завтовшки 1.2-1.5 µm; K — шар композиційного рідкого діелектрика, що складається з суміші кремнійорганічної рідини ПФМС-4 з порошкоподібним наповнювачем-титанатом барії BaTiO3 з розміром зерен 1.5-3.0 µм і концентрацією наповнювача в діелектриці приблизно 40% об'єму. Прозорий електрод з SnO2 отримували методом гідролізу хлорного олова. Шар люмінофора наносився вакуумтермичним випаровуванням в квазізамкнутому об'ємі, композиційний рідкий діелектрик наносили у вигляді пасти. Шорсткі підкладки отримували таким, що хімічним травленням ”гладкої” підкладки в плавиковій кислоті. За наслідками вимірювань за допомогою мікроскопа МІЇ-4 шорсткі підкладки мали рівномірно розподілені по поверхні мікронерівності з висотою і лінійними розмірами прядка 1 µm. Поверхневий опір прозорого електроду на ”гладких” підкладках складав 100о/D, на шарахуватих — 100пД.

Вольт-яскравісні характеристики (ВЯХ) МПКМ структури на шорсткій і ”гладкій” підкладках були отримані при збудженні досліджуваних структур синусоїдальною напругою частотою 1 і 5 kHz. Як джерело синусоїдальної напруги використовувався генератор Г3-56/1 з трансформатором, що підвищує. Яскравість досліджуваних структур вимірювалася за допомогою яскравоміра-люксметра ЯРЕМ-3.

Порівняння ВЯХ електролюмінісцентних структур (мал. 1.2,а) свідчить про те, що при близьких значеннях порогової напруги (при яскравості В = 1cd/m2) максимальна яскравість свічення електролюмінісцентної структури на шорсткій підкладці в області насичення ВЯХ в два рази більше відповідного значення яскравості структури на ”гладкій” підкладці на частоті 5kHz-1445 і 720cd/m2 і більш ніж в два рази на частоті 1 kHz-560 і 246 cd/m2. ВЯХ електролюмінісцентної структури на шорсткій підкладці має також вищу крутизну в порівнянні із структурою на ”гладкій” підкладці.

Із збільшенням товщини шаруючи композиційного рідкого діелектрика (мал. 1.5,b) відмінність порогової напруги структур на шорсткій і ”гладкій” підкладках стає істотнішою і складає порядку 60-70 V на частоті 5 kHz і 90-100 V на частоті 1 kHz. Як ВЯХ структури на ”гладкій” підкладці, так і ВЯХ структури на шорсткій підкладці не мають яскраво вираженого переходу ділянки різкого зростання ВЯХ в область насичення, характерного для тонко плівкових МДПДМ електролюмінісцентних структур.

Залежності яскравості B від частоти f (мал. 1.3, а, b) для структур з товщиною шару композиційного рідкого діелектрика dk = 40µm свідчать про те, що на ділянці різкого зростання ВЯХ для структури на шорсткій підкладці характерна лінійна залежність B(f) (показник ступеня б _f = 1), а для структури на ”гладкій” підкладці ця залежність носить сублінійний характер з би _f = 0.6. На ділянці насичення ВЯХ нахил прямих в координатах lgB — lgf для обох структур практично однаковий з показником ступеня б _f = 2/3, що узгоджується з результатами досліджень електролюмінесцентних структур з композиційним рідким діелектриком [5]. Як видно з мал. 9,b, із збільшенням товщини шару композиційного рідкого діелектрика до dk = 100 µm для структур на шорсткій і ”гладкій” підкладках практично однаковий і складає ~ 0.25 для ділянки різкого зростання ВЯХ і ~ 0.55 для ділянки насичення ВЯХ відповідно.

Збільшення максимальної яскравості електролюмінісцентної структури на шорсткій підкладці в порівнянні з ”гладкою” може бути пояснене локальним підвищенням значення напруженості електричного поля в шарі люмінофора, а також наявністю мікролінзового растру на підкладці і мікрорельєфу, що зменшує хвилеводний ефект, що дозволяє збільшити вихід випромінювання із структури.

Слід зазначити, що свічення електролюмінесцентної структури на шорсткій підкладці має більш яскраво виражену зернистість в порівнянні зі свіченням структури на ”гладкій” підкладці [5], що може бути пояснене мікролінзовим ефектом.

Рис. 1.2. Вольт-яскравісні характеристики електролюмінісцентних випромінювачів при: а — dk = 40 µm, b — dk = 100 µm; 1,3 — на шорсткій підкладці, 2, 4 — на гладкій підкладці; 1, 2 — f = 5 kHz, 3, 4 — f = 1 kHz.

Таким чином, використання шорстких підкладок у поєднанні з шаром композиційного рідкого діелектрика в електролюмінесцентних випромінювачах дозволяє істотно підвищити вихід випромінювання із структури і яскравість свічення випромінювача, що може бути використане при створенні електролюмінесцентних індикаторів на основі люмінофорів, яскравість свічення яких в звичайній структурі МДПДМ недостатня.

Рис. 1.3.Залежність яскравості електролюмінісцентних структур від частоти: а — dk = 40 µm, b — dk = 100 µm; 1, 3 — на шорсткій підкладці, 2, 4 — на гладкій підкладці; 1, 2 — на ділянці насичення ВЯХ, 3, 4 — на ділянці зростання ВЯХ.

1.4 Органічні електролюмінісцентні випромінювачі

Останніми роками інтенсивно ведуться роботи, зв'язані із застосуванням гнучких органічних електролюмінісцентних елементів (ЕЛЕ). Таким приладам властиві наступні особливості: високий ступінь інтеграції, ефективне використання площі, велика яскравість, висока надійність, можливість створення індикатора будь-якої форми. Електролюмінісцентний елемент змінного струму складається з прозорого металевого, такого, що світиться, відображає діелектричного і контактного шарів[1] .

Розділ 2. Конструкції і оптичні параметри ЕЛ, дисплеїв

2.1 Конструкція стандартного тонко плівкового ЕЛ, дисплея