/>/>МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ІНАУКИ УКРАЇНИ
ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙЗАКЛАТ
Курсова робота з курсу«Технологічні основи електроніки»
Фізико – технологічні процесистворення електролюмінісцентних плоских пристроїв відображення інформації.
Зміст
Вступ
Розділ 1. Електролюмінісцентнііндикатори
1.1 Порошкові електролюмінісцентнііндикатори
1.2 Плівкові електролюмінісцентнііндикатори
1.3 Плівковіелектролюмінісцентні випромінювачі на шорстких підкладках
1.4Органічніелектролюмінісцентні індикатори
Розділ 2. Конструкції і оптичніпараметри ЕЛ, дисплеїв
2.1 Конструкція стандартного тонкоплівкового ЕЛ, дисплея
2.2 Технологія прозорого ЕЛ, дисплея
2.3 Результати випробувань і оптичніпараметри
2.4 Потенційні застосування для прозорихЕЛ дисплеїв
Розділ 3. Полімерніелектролюмінісцентні панелі
3.1 Фізичні процеси що відбуваються велектролюмінісцентних органічних матеріалах
3.2 Проблеми створення полімернихелектролюмінісцентних панелей
3.3 Технологічні рішення і пропозиціїпровідних фірм
Висновки
Список використаної літератури
Вступ
Кінець XXсторіччя характеризується стрімким розвитком інформатики і обчислювальноїтехніки, яка вимагає для своїх потреб високонадійних, добротних, ергономічних,малогабаритних пристроїв відображення інформації (ПВІ). Такі пристрої, безперебільшення, можна сказати, є невід'ємною частиною технічного прогресу.
Серед різнихтипів ПВІ(електронно-променевих, світлодіодних, рідкокристалічних,вакуумно-флуорисцентных, плазмових) електролюмінісцентні (ЕЛ) займають одне зпровідних місць завдяки безпосередньому перетворенню електричної енергії насвітло, твердотільній плоскій конструкції, швидкодії, широкому куту огляду іширокому діапазону робочих температур.
В областірозробки і побудови даних приладів за останні два десятиліття був виконанийзначний об'єм робіт. На провідних фірмах, таких як «Sharp K.K.»(Японія), «Planar Systems» (США), «Lohja Corp.» (Фінляндія)і ін. був налагоджений їх випуск.
У даній роботі будуть розглянуті електролюмінесцентні індикатори, панеліна основі полімерних електролюмінісцентних індекаторах, нові розробки у сферіTFEL, в яких задні електроди замінені прозорим матеріалом, щоб зробити всюпанель повністю прозорою. Ця розробка має багато потенційних застосувань, якіне можуть бути реалізовані за допомогою невипромінюючих дисплеїв, таких як ЖКИ.
Розділ 1. Електролюмінісцентні індикатори
Однією із основних частин засобів відображення інформації (ЗВІ)являються індикатори – пристрої які перетворюють електричний сигнал впросторове розподілення яскравості (контраст).
Електролюмінісценцією називається явище випромінювання світлатілами під дією електричного поля. Відомі дві що принципово розрізняються повиду електролюмінісценції: перед пробійна, яка виникає в мікроділянкахпорошкових або плівкових електролюмінофорів при напруженості поля, близьких аборівних пробивним, і інжекційна, що відбувається при рекомбінації електронів ідірок на р — n-переході напівпровідникового кристала включеного в прямомунапрямі.
Відповідно до цього виділяють два типи індикаторів — власне електролюмінісцентнііндикатори (ЕЛІ) і Напівпровідникові індикатори (ППІ). Хочу зауважити, що ППІшироко відомі як світло діоди (або світло випромінюючі діоди)[1].
1.1 Порошкові електролюмінісцентнііндикатори
Перше повідомлення про порошковий ЕЛІ змінного струмупоявилось в 1952 р. В даний час порошковий ЕЛІ змінного струму виготовляєтьсяза допомогою напилення прозорого електроду (Sn02) на скляну пластину і подальшогонанесення на електрод світло випромінюючого шару. В більшості випадків світловипромінювачем є суміш порошкового люмінофора ZNS (ZNS:Pb; Zn:Mn; ZnS:Pb, Cu),ZnSe, ZnSiO4 і діелектричної зв'язки. Як зв'язка використовується матеріал звисокою діелектричною проникністю (ε= 20), наприклад стирол, акрил і такдалі Таким чином, підвищується та, що діє напруженість поля в частинці ZNS з діелектричноюпроникністю ε= 10 товщина світло випромінюючого шару 25 – 100мкм.Введеннямактиваторів в люмінофор можна отримати різні кольори свічення — синій, зелений,жовтий, червоний. Біле свічення виходить при використанні каскадноїлюмінесценції. синє люмінесцентне свічення збуджує домішаний жовтийфлюоресцирующий органічний фарбник і виходить білий колір. Йодвмісні електролюмінісцентніпорошки синього кольору свічення, які були відомі до цих пір, мають термінслужби тільки близько 30 год. На синє випромінювання вдалося перевестидовговічні жовто-зелені склади, що світяться, на основі (Zn, Cd) S: Сu, Br,домішувавши до них 5%-ний сульфід магнію .
За допомогою емпірично розроблених порошкових складів в данийчас є можливість виготовлення ЕЛІ із зеленим свіченням, які при ефективнійнапрузі 50 В, частоті 10 кГц і початковій яскравості близько 100 кд/м^2 можутьпрацювати багато тисяч годин, поки яскравість не зменшиться удвічі.
/>
Рис.1.1. Амплітудна характеристика порошкового ЕЛІ змінного струму.
Типова вольт – яркісна характеристика для порошкового ЕЛІзмінного струму приведена на рис.1.1. Як видно, яскравість збільшується іззростанням частоти і напруги приблизно пропорційно U3. Проте в багатьохматеріалах збільшення частоти вище 10 кГц дає незначне збільшення яскравості,але веде до надмірних діелектричних втрат. Разом з розробкою ЕЛІ змінногоструму ведуться дослідження, направлені на створення індикаторів постійногоструму на ZnS-люминофорах.
Світло ізолюючий шар такого приладу складається з люмінофора,в якому порошок ZNS, активований Мn, обробляється іонами Сu, і поверхня зеренZNS покривається CUS з низьким питомим опором. Використання як активатори Mn,Eu, Tu дозволяє відповідно отримати оранжево-жовте, зелене. Крім того, булирозроблені і такі варіанти: зелене свічення при використанні CAS: Це, С1;червоне свічення при CAS: Eu, CI; синьо-зелене свічення при SrS:Ce, С1; зеленесвічення при SrS:і.т.д.
Первиннаяскравість ЕЛІ постійного струму зазвичай вибирається в межах 100 кд/м^2.Яскравість 300—400 кд/м^2 можна отримати, підвищуючи робочу напругу, але прицьому термін служби зменшується. Первинна щільність струму складає, як правило,приблизно 2 мА/см^2. В умовах безперервної роботи яскравість падає удвічіпротягом 103 год. Таке зменшення яскравості супроводжується відповідним зменшеннямструму. Підтримка постійної яскравості протягом тривалого часу можливо приуправлінні ЕЛІ від компенсуючої схеми збудження, яка підвищує напругу,прикладену до індикатора .
Одне з ЕЛІпостійного струму полягає в тому, що яскравість свічення пропорційна напрузі вшостому ступені або навіть вища. Ця характерна особливість сприяє придушеннюкросс-эфекта. Не дивлячись на велику яскравість і інші переваги ЕЛІ постійногоструму мають і істотний недолік — малу світловидатність (близько 10% відповідноївеличини ЕЛІ змінного струму)[1] .
1.2 Плівкові електролюмінісцентнііндикатори
У плівкових ЕЛІ змінного струму на підкладку з скла напитлюєтьсяпрозорий електрод, а на нього тим же способом наноситься шар діелектрика звисокою діелектричною проникністю. Як світло випромінюючого шарувикористовуються плівки люмінофора ZnS:TbF3 завтовшки близько 0.2 мкм. Цейлюмінофор дає зелений колір свічення. На плівку наноситься другий непрозорийелектрод.
Активування люмінофора рідкоземельними фтористими з'єднаннямидозволяє досягти високої світловидатності і яскравості, а також міняти колірсвічення. Наприклад, свічення червоного кольору можна отримати за допомогоювведення SmF3, синього кольору — TmF3. Механізм свічення плівкових електролюмінісцентнихшарів обумовлений рекомбінацією носіїв заряду, інжектованих кристалами люмінофораі електродами або утворених в результаті тунельного ефекту і ударної іонізації.
Аналогічно порошкоподібному люмінофору, на який впливаютьпостійним струмом, тонко плівкові люмінофори мають дуже різкий поріг напруги.При накладанні напруги вище порогового виникає фотопровідність. В результатірівень Фермі і межі зон переходу метал — ізолятор зміщуються таким чином, щовідбувається тунельна інжекція дірок і електронів в плівку ZNS, що приводить довипромінювальної рекомбінації з утворенням кванта світла. У 1974 р. буврозроблений тришаровий плівковий електролюмінісцентний елемент з двомаізоляційними плівками, що забезпечило істотне підвищення яскравості. Як світловипромінюючого шару використовувався плівковий люмінофор ZnS: Мп без домішкиміді. Люмінофор повністю покривався ізоляційними плівками з Y2O3 і Si3N4 звисокою діелектричною проникністю. Оскільки пробивна напруженість діелектрикаY2O3 складає близько 5*106 В/см і перевищує пробивну напруженість люмінофора,яка рівна 1,2*106 В/см, то при збільшенні прикладеної напруги ZnS пробиваєтьсяраніше і «гарячі» електрони порушують іони марганцю. При збільшенні прикладеноїнапруги ZNS пробивається раніше і «гарячі» електрони порушують іони марганцю.Плівковий ЕЛІ на змінному струмі теж тришаровій конструкції, але з ізоляційнимишарами з GeО2 і As2S3 працює при додатку імпульсів змінної напруги 800 В зперіодом 1000 мкс і тривалістю імпульсу 30 мкс. При цьому реалізується яскравість350 кд/м^2, колір свічення — оранжевий, термін служби — до 5000 год. Властивийпорошковим ЕЛІ малий контраст, обумовлений сильним віддзеркаленнямнавколишнього світла, в плівкових ЕЛІ підвищується за рахунок застосуваннячорної поглинаючої плівки, що наноситься на задню підкладку. Хоча при цьомувтрачається половина власного випромінювання в задній стінці, та зате вона жпоглинає 100% падаючого навколишнього розсіяного світла.
Такий недолік тонко плівкових ЕЛІ, як мале число можливих кольорівсвічення, може бути усунений чисто конструктивним способом. Враховуючипрозорість 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 матричнихЕЛІ приведені в таблиці 1.1.
У матричних ЕЛІ виявляється помітний крос-ефект, відношенняяркостей вибраних і напіввибраних елементів не перевищує 10, іншими словами,контраст малий. Одним з методів збільшення контрасту для створення матричнихЕЛІ, кросс-эффекта, що не мають, є покриття зворотної поверхні електролюмінісцентногошару 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 зпластичною звязуючою речовиною.Якщо додати цей матеріал, то відношення яркостей вибраних і напіввибранихелементів ЕЛІ досягає 104. При цьому хоча значно поліпшується контраст, алеприкладена напруга для отримання даної яскравості необхідно збільшити удвічі ібільше, що створює труднощі при управлінні [1].
Залежність яскравості ЕЛІ у включеному стані від опорутонкоплівкового транзистора (б) і яскравості ЕЛІ у вимкненому стані від струмувитоку транзистора (в).
1.3 Плівкові електролюмінісцентнівипромінювачі на шорстких підкладках
Актуальним завданням при створенні плівковихелектролюмінісцентних випромінювачів і індикаторів на їх основі, щовикористовують ефект перед пробійної люмінесценції, є підвищення їх яскравості,особливо синього і червоного кольорів свічення [2]. Для підвищення яскравостісвічення електролюмінісцентних випромінювачів за рахунок збільшення виходувипромінювання із структури були запропоновані конструкції з шорсткою поверхнеюпідкладки, на яку нанесені шари електролюмінісцентного випромінювача [2], і з мікронерівностямина поверхні прозорого електроду структури [3]. У подібних структурах назбільшення виходу випромінювання крім чисто оптичних ефектів може впливати,мабуть, також і неоднорідний розподіл електричного поля в електролюмінісцентномушарі. Як показують дослідження, неоднорідний розподіл електричного поля в шарілюмінофора існує також в тонко плівкових електролюмінісцентних випромінювачах зкомпозиційним рідким діелектриком з концентрацією цього поля в локальнихділянках того, що стосується зерен наповнювача діелектрика і шару люмінофора[4,5]. Це приводить до зменшення необхідного середнього значення пороговоїнапруженості електричного поля в шарі люмінофора, при якому починаєтьсясвічення, в порівнянні із звичайними тонкплівочними електролюмінісцентнимиструктурами. При поєднанні тонко плівкової структури електролюмінісцентноговипромінювача на шорсткій підкладці з шаром композиційного рідкого діелектрикаслід чекати підвищення ступеня неоднорідності електричного поля в шарілюмінофора, що може викликати додаткове збільшення виходу випромінювання.
Для перевірки даного припущення були виконані дослідження електролюмінісцентнихструктур ”метал-напівпровідник-композиційний рідкий діелектрик-метал (МПКМ) ”,нанесених на звичайну ”гладку” і шорстку скляні підкладки, де М — першийпрозорий електрод на основі SnO2 завтовшки 0.2-0.3 µm і другий притискнийметалевий електрод з мікрометричним регулюванням ходу з погрішністю ±5µm; П-ЕЛшар ZnS: Mn (0.5% мас.) завтовшки 1.2-1.5 µm; K — шар композиційного рідкогодіелектрика, що складається з суміші кремнійорганічної рідини ПФМС-4 зпорошкоподібним наповнювачем-титанатом барії BaTiO3 з розміром зерен 1.5-3.0 µмі концентрацією наповнювача в діелектриці приблизно 40% об'єму. Прозорийелектрод з SnO2 отримували методом гідролізу хлорного олова. Шар люмінофорананосився вакуумтермичним випаровуванням в квазізамкнутому об'ємі,композиційний рідкий діелектрик наносили у вигляді пасти. Шорсткі підкладкиотримували таким, що хімічним травленням ”гладкої” підкладки в плавиковійкислоті. За наслідками вимірювань за допомогою мікроскопа МІЇ-4 шорсткіпідкладки мали рівномірно розподілені по поверхні мікронерівності з висотою ілінійними розмірами прядка 1 µm. Поверхневий опір прозорого електроду на”гладких” підкладках складав 100о/D, на шарахуватих — 100пД.
Вольт-яскравісні характеристики (ВЯХ) МПКМ структури нашорсткій і ”гладкій” підкладках були отримані при збудженні досліджуванихструктур синусоїдальною напругою частотою 1 і 5 kHz. Як джерело синусоїдальноїнапруги використовувався генератор Г3-56/1 з трансформатором, що підвищує.Яскравість досліджуваних структур вимірювалася за допомогоюяскравоміра-люксметра ЯРЕМ-3.
Порівняння ВЯХ електролюмінісцентних структур (мал. 1.2, а) свідчитьпро те, що при близьких значеннях порогової напруги (при яскравості В = 1cd/m2)максимальна яскравість свічення електролюмінісцентної структури на шорсткійпідкладці в області насичення ВЯХ в два рази більше відповідного значенняяскравості структури на ”гладкій” підкладці на частоті 5kHz-1445 і 720cd/m2 ібільш ніж в два рази на частоті 1 kHz-560 і 246 cd/m2. ВЯХ електролюмінісцентноїструктури на шорсткій підкладці має також вищу крутизну в порівнянні ізструктурою на ”гладкій” підкладці.
Із збільшенням товщини шаруючи композиційного рідкогодіелектрика (мал. 1.5,b) відмінність порогової напруги структур на шорсткій і”гладкій” підкладках стає істотнішою і складає порядку 60-70 V на частоті 5 kHzі 90-100 V на частоті 1 kHz. Як ВЯХ структури на ”гладкій” підкладці, так і ВЯХструктури на шорсткій підкладці не мають яскраво вираженого переходу ділянкирізкого зростання ВЯХ в область насичення, характерного для тонко плівковихМДПДМ електролюмінісцентних структур.
Залежності яскравості B від частоти f (мал. 1.3, а, b) дляструктур з товщиною шару композиційного рідкого діелектрика dk = 40µm свідчатьпро те, що на ділянці різкого зростання ВЯХ для структури на шорсткій підкладціхарактерна лінійна залежність B(f) (показник ступеня б f = 1), а дляструктури на ”гладкій” підкладці ця залежність носить сублінійний характер з биf = 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 зкомпозиційним рідким діелектриком [5]. Як видно з мал. 9,b, із збільшеннямтовщини шару композиційного рідкого діелектрика до dk = 100 µm для структур нашорсткій і ”гладкій” підкладках практично однаковий і складає ~ 0.25 дляділянки різкого зростання ВЯХ і ~ 0.55 для ділянки насичення ВЯХ відповідно.
Збільшення максимальної яскравості електролюмінісцентноїструктури на шорсткій підкладці в порівнянні з ”гладкою” може бути поясненелокальним підвищенням значення напруженості електричного поля в шарілюмінофора, а також наявністю мікролінзового растру на підкладці імікрорельєфу, що зменшує хвилеводний ефект, що дозволяє збільшити вихідвипромінювання із структури.
Слід зазначити, що свічення електролюмінесцентної структурина шорсткій підкладці має більш яскраво виражену зернистість в порівнянні зісвіченням структури на ”гладкій” підкладці [5], що може бути пояснене мікролінзовимефектом.
/>/>
Рис. 1.2. Вольт-яскравісні характеристики електролюмінісцентнихвипромінювачів при: а — dk = 40 µm, b — dk = 100 µm; 1,3 — на шорсткійпідкладці, 2, 4 — на гладкій підкладці; 1, 2 — f = 5 kHz, 3, 4 — f = 1 kHz.
Таким чином, використання шорстких підкладок у поєднанні зшаром композиційного рідкого діелектрика в електролюмінесцентних випромінювачахдозволяє істотно підвищити вихід випромінювання із структури і яскравістьсвічення випромінювача, що може бути використане при створенніелектролюмінесцентних індикаторів на основі люмінофорів, яскравість свіченняяких в звичайній структурі МДПДМ недостатня.
/>/>
Рис. 1.3.Залежність яскравості електролюмінісцентних структур відчастоти: 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 ділянцізростання ВЯХ.
1.4 Органічні електролюмінісцентнівипромінювачі
Останніми роками інтенсивно ведуться роботи, зв'язані іззастосуванням гнучких органічних електролюмінісцентних елементів (ЕЛЕ). Такимприладам властиві наступні особливості: високий ступінь інтеграції, ефективневикористання площі, велика яскравість, висока надійність, можливість створенняіндикатора будь-якої форми. Електролюмінісцентний елемент змінного струмускладається з прозорого металевого, такого, що світиться, відображаєдіелектричного і контактного шарів[1] .
Розділ 2. Конструкції і оптичніпараметри ЕЛ, дисплеїв
2.1 Конструкція стандартного тонко плівкового ЕЛ, дисплея
Тонкоплівкові електролюмінісцентні (TFEL) дисплеї засновані на розміщенніізолюючих шарів, а також шару світло випромінюючого люмінофора між прозорими іметалевими електродами, як показано на рисунку 2.1. Зазвичай тонко плівковий ЕЛдисплей побудований на скляній підкладці завтовшки 1,1 мм, виконаною з натрієвого вапна (розмір 195 х 265 мм), і герметичним покривним склом завтовшки 1,1 мм. Спеціальною технологією, розробленою компанією Planar Systems, що реалізовується, є атомнеосадження шарів (ALD). Цей метод забезпечує дуже однорідні, добре контрольованіі вільні від пір, шари тонкої плівки і надзвичайно тверді ізолюючі плівки.Світло генерується за допомогою ударного збудження атомів Мn в люмінофорі ZNSелектронами, переміщуваними за допомогою прикладеної напруги змінного струму (див.рис. 2.2)[5]. Збудлива напруга може бути синусоїдальної або прямокутної форми.
/>
Рис 2.1. Тонко плівковий електролюмінісцентний дисплей у конфігураціїматричного дисплея [5].
Воно прикладається методом мультиплексування між електродами стовпців наодній стороні і електродами рядків на іншій стороні люмінофора (див. рисю2.3).Кожного разу, коли напруга перевищує поріг номінальної напруги близько 200 В,генерується короткий імпульс світла з постійною часу загасання менш ніж 1 мс, ітаким чином яскравість випромінюваного світла приблизно пропорційна частоті збудження.
/>
Рис 2.2. Випромінювання світла шляхом збудження атомів Mn за допомогоюелектронів у люмінофорі ZnS[5].
/>
Рис. 2.3. Управління матричним електролюмінісцентним дисплеєм задопомогою напруги змінного струму[6].
У типових застосуваннях матричних дисплеїв частота збудливої напруги можедосягати 250 Гц. У семи сегментних типах дисплеїв (пряме управління безмультиплексування) використовуються навіть вищі частоти. Високовольтні імпульсигенеруються електронікою TFEL дисплея, що управляє. Напруга живлення дисплея 5В і/або 12 В. У стандартному дисплеї ЕЛ як шар люмінофора застосовуєтьсяZnS:Mn, і результуючий спектр випромінювання світла є жовтим (див. рис. 2.4.) змаксимумом близько 580 нм. Залежно від вимог до кольору, шляхом зміни типулюмінофора можуть бути також отримані інші кольори [5,6].
/>
Рис 2.4. Спектр світлової віддачі люмінофора (ZnS:Mn)електролюмінесцентного дисплея[6].
Завдяки справжній структурі твердого тіла досягаються различ ные корисніпараметри. Електролюмінесцентні дисплеї є надзвичайно витривалими в широкомудіапазоні робочих температур (–50.85°С, обмежений електронікою, що управляє ),мають тривалий термін служби більше 100 000 ч, широкий кут огляду (більш 160°),короткий час відгуку (менше 1 мс) у всьому діапазоні температур і хороший контраст[6].
2.2 Технологія прозорого ЕЛ, дисплея
Прозорі електролюмінісцентні дисплеї конструюють на базі структуристандартного дисплея ЕЛ шляхом заміни заднього металевого електроду прозоримелектродом (наприклад, з окислу індия і олова, ITO) і видалення рештинепрозорих шарів із структури дисплея. Для максимального збільшення світлопропускання необхідно погоджувати коефіцієнт заломлення суміжних шарів. Схемапоперечного перетину структури показана на рисунку 2.5. Іншим важливимпараметром в оптимізації шарів прозорого дисплея ЕЛ є зменшення «ефектуореолу», який обумовлений внутрішніми віддзеркаленнями, коли не узгодженийкоефіцієнт заломлення шарів. У оптичних системах цей ефект також називаютьоптичним хвилеводом. Відбите світло переміщається між шарами і врешті-рештпокидає випромінюючий піксель завдяки ефекту розсіяння. Цей ефект спостерігається,головним чином, в прозорому дисплеї ЕЛ, проте їм можна управляти.
/>
Рис 2.5. Схема поперечного перерізу тонко плівкової електролюмінісценції[7].
Критерієм оцінки даного ефекту є відстань від пікселя, на якому невидимий витік світла при спостереженні через мікроскоп. Як показано нижче, зонаефекту ореолу зменшена шляхом оптимізації шарів і переходу на люмінофор безрозсіювання. Іншим способом зменшення ореолу є покриття зовнішніх поверхоньматеріалами, що анти відображають. Іншою важливою проблемою є необхідністьвиготовлення гладкого шару люмінофора з метою мінімізації розсіяння світла. Напочатковій стадії розробки використовувався стандартний склад люмінофора ікоефіцієнт пропускання був всього лише 75%. Розробка гладших плівок поліпшиласвітло пропускання до 84%. Дуже складно зробити електроди прозорими,підтримуючи при цьому високу провідність, таку ж, як у металевих електродів.Під час роботи над цим проектом було пройдено декілька етапів для досягненняналежних параметрів. Вища провідність також була ключовим параметром длязабезпечення надійності панелі при випробуваннях в жорстких умовахнавколишнього середовища, включаючи тривалу експлуатацію при високихтемпературах[7].
Електроніка прозорого дисплея, що управляє, аналогічна стандартнимдисплеям ЕЛ. Підключення до майданчиків електродів контуру може бути виконане,наприклад, за допомогою автоматизованої збірки на стрічковому носієві (TAB) длядрайверів стовпців і термосварки до друкарської плати для з'єднання здрайверами рядків, що управляють, розміщеними в корпусах для поверхневого монтажу.Можуть бути розглянуті і інші схеми підключення[6,7].
2.3 Результати випробувань і оптичні параметри
Хорошою моделлю для демонстрації прозорого TFEL дисплея був дисплей QVGA(дозвіл 320 Ч 240 пікселів) з кроком стовпців і рядків 0,36 мм і сумарним коефіцієнтом заповнення електродів 74,3%. Цей дисплей приводився в дію задопомогою архітектури розділеного екрану, в якій відображення мультиплексуєтьсяяк два роздільних 120 строчних дисплея. Драйвери з 160 виходами на стрічковомуносієві, розташовані на окремих друкарських платах, приєднуються до прозорогодисплея при допомозі
гнучкої сполучної друкарської плати. Аналогічна технологія приміняєтьсядля підключення панелі до драйверів рядків. Логічні схеми, перетворювачіпостійної напруги і схеми, необхідні для формування імпульсів напруги дляуправління TFEL панелью, розташовані на окремій друкарській платі, підключенійдо плати драйверів плоским кабелем. На рисунку 2.6. показаний зовнішній виглядцієї панелі. Характер зміни світло пропускання цієї панелі показаний на рисунку2.7.
/>/>
Рис 2.6. Зовнішній вигляд прозорого електролюмінісцентного дисплеяQVGA[7]. Рис.2.7 Спектр пропускання дисплея QVGA [7]
Були класифіковано три основні типи технологічного процесу люмінофорів:стандартний (розсіюючий), з середнім розсіюванням і без розсіювання. У таблицюзведені основні оптичні властивості, отримані з трьома різними типами рецептурлюмінофорів ZnS:Mn, реалізованих в QVGA дисплеях.
Класифіковано три основні типи технологічного процесу люмінофорів:стандартний (розсіюючий), з середнім розсіюванням і без розсіювання. У таблицюзведені основні оптичні властивості, отримані з трьома різними типами рецептурлюмінофорів ZnS:Mn, реалізованих в QVGA дисплеях. Таблиця ілюструє значнеполіпшення пропускання для люмінофора без розсіювання по відношенню достандартної технології (84% проти 75%). Подальше поліпшення загального світлопропускання може бути досягнуте за допомогою анти відбивного покриття на обохзовнішніх поверхнях стекол.
Таблиця 2. Оптичні параметри прозорого ЕЛ дисплея з трьома рецептурами люмінофорана частоті 247 Гц.
/>
Це може додати близько 7,5% до світло пропускання. Новий технологічнийпроцес без розсіювання світла також зменшив дифузійне віддзеркалення (0,3%проти 1,7%) і розсіяне світло від пікселів, що світяться (половина довжиниореолу зменшена з 20 до 15 пікселів). Проте, існує деяка втрата яскравості щодостандартної технології (109 кд/м2 проти 156 кд/м2). Проте, завдяки зменшеномувіддзеркаленню, відносний контраст при сильному засвіченні на рівніосвітленості 50 000 лк покращуваний з 1,6: 1 до 3,1: 1. Графік залежностівідносного контрасту при яскравому зовнішньому освітленні показаний на рисунку 2.8.Відносний контраст (CR) понад 2: 1 є легко розбірливим, а CR понад 3: 1 єдуже зручним для прочитування буквенноцифрових знаків. Для зовнішніхзастосувань найбільш важливим максимально можливе зменшення дифузних віддзеркалень.Як вже згадувалося, подальше поліпшення може бути досягнуте при допомозіантивідбивних покриттів на зовнішніх поверхнях[5,6,7].
/>
Рис. 2.8. Відносний контраст (CR)при високій зовнішній освітленості дляпрозорих дисплеїв ЕЛ з трьома рецептурами люмінофорів.
Зображення, отримане без розсіювання світла, є значно покращуваним впорівнянні із стандартною технологією. Хоча яскравість в темній кімнаті нижча,ефект ореолу зменшений, а відносний контраст при високій зовнішній освітленостізбільшений. Паралельно було проведено невелике дослідження ергономічниххарактеристик. Це дослідження було експертною оцінкою, де було перевірено часреакції користувача на інформацію, що змінюється на дисплеї. Випробування дляспеціального застосування прозорих ЕЛ панелей першого покоління показали, щояскравість в умовах типового офісу була дуже високою. І несподіваноз'ясувалося, що час реакції на зміну інформації дисплея покращав в умовах вищоїосвітленості. Ще одна система була сконструйована для оцінки суб'єктивногопрочитування зображення людиною. Група спостерігачів оцінювала три типидисплеїв, представлених в таблиці. У всіх вибраних вимірюваннях новий типдисплея без розсіювання світла був визнаний комфортнішим і легшим для читання,ніж тип дисплеї першого покоління з розсіюванням світла.
2.4 Потенційні застосування для прозорих ЕЛ дисплеїв
Прозорі дисплеї знаходять застосування в додатках, де площа є стримуючимчинником і є необхідність забезпечити користувачів подвійним наборомінформації. Наприклад, декілька років була відома ідея використання прозорогодисплея TFEL перед аналоговими вимірювальними приладами в автомобільнійприладовій панелі.
Дисплеї, що проектують зображення на лобове скло, можуть бути ідеальнимзастосуванням для TFEL. Хоча пряме сонячне світло розмиватиме зображення,оскільки сонце, що світить крізь дисплей, було б дуже яскравим для будь-якоївипромінювальної технології дисплеїв, вся інформація на дисплеї для проекції налобове скло багато разів доступна в «звичайних» вимірювальних приладахавтомобіля. Прозорі дисплеї дозволяють створювати вражаючі конструкції як дляпрофесійних, так і для побутових застосувань, наприклад, в додатках, депрозорий дисплей допомагає спостерігачеві визначати місцезнаходження предметівза екраном. На інші інформаційні дисплеї також можуть бути накладені умовнізнаки або повідомлення.
Було запущено декілька проектів з прозорими дисплеями ЕЛ для видозмінивиробу за допомогою унікального візуального оформлення. Інженери і конструкториможуть отримати вигоду із здатності TFEL скла витримувати високі температури(до +600°С), щоб зігнути скло в криву поверхню після того, як дисплей бувпроведений. Це також відкриває можливості обробки TFEL дисплея (без захисногоскла) при високих температурах на території замовника. На малюнку 13представлені зразки прототипів нових концепцій, які були виготовлені длядемонстрації гнучкості.
Розділ 3.Полімерні електролюмінісцентні панелі
3.1Фізичні процеси що відбуваються в електролюмінісцентних органічних матеріалах
Першеповідомлення про випромінювання в зеленій області спектру осадженого з газовоїфази органічного матеріалу (три-8-гидроксихинолін алюміній) з'явилося в 1989році. У 1990-му на основі плівки поліпарафеніленвінілена (PPV) був виготовленийтонкоплівковий полімерний світло випромінюючий діод (СВД). Електролюмінісценціяорганічних матеріалів типу PPV, що отримали назву зв'язаних, пояснюєтьсянаявністю у них напівпровідникових властивостей, обумовлених перекриттям орбітелектронів уздовж ланцюжка полімеру. Перекриття приводить до формуваннявалентної зони і зони провідності – таких же, як і у напівпровідниковогоматеріалу. При подачі напруги, що перевищує порогове значення, у валентну зонуі зону провідності інжектуются, відповідно, електрони і дірки, і відбуваєтьсяїх рекомбінація. Величина порогової напруги залежить від потенційного бар'єру,визначуваного значеннями роботи виходу і спорідненістю до електрона негативнозарядженого електроду, а також від роботи виходу і потенціалу іонізациіпозитивно зарядженого електроду. Загасання утворюваних в результатірекомбінації електронів провідності і дірок валентної зони синглетних ітриплетних екситонів супроводжується вивільненням енергії (триплетних — тепловий,синглетних — світловий). Довжина хвилі світлового випромінювання залежить віденергії синглетного екситона, тобто від ширини забороненої зони матеріалу, аяскравість свічення — від інжекції електронів і дірок в матеріал[6].
3.2Проблеми створення полімерних електролюмінісцентних панелей
Одна знайважливіших проблем при створенні полімерних електролюмінісцентних панелей —вибір матеріалу електроду, придатного для інжекції електронів і дірок зоднаковою швидкістю. Зазвичай електрод, призначений для інжекції електронів,виконують з металу з низькою роботою виходу, оскільки метали з високою роботоювиходу хімічно активні і легко взаємодіють з киснем навколишнього середовища.Така взаємодія приводить до відшаровування електроду від полімеру, утворенню невипромінюючихтемних областей і деградації характеристик приладу6].
3.3Технологічні рішення і пропозиції провідних фірм
Для вирішеннямцієї проблеми багато зроблене фахівцями фірми Cambridge Display Technology(CDT, Великобританія). Сьогодні вони освоюють нову технологію, розроблену однимз першопроходців в цій області, — Кембріджським університетом. Ученіуніверситету запропонували використовувати двошарову гетероструктуру (шар PPV ішар PPV, що переносить електрони), на межі розділу якої унаслідок різниціенергій валентних зон і зон провідності шарів виникає енергетичний бар'єр.Гетероструктура кладеться між прозорим електродом з окислу індія-олова іалюмінієвим електродом. Електрони, інжектіруємі в циано ppv, переносяться вобласть переходу, де і утримуються потенційним бар'єром. Це приводить доформування з обох боків переходу просторового заряду. Завдяки малій товщинігетероструктури (0,1 мкм) електрони тунелюють через бар'єр і рекомбінують здірками. Оскільки полімер в поперечній площині не проводить струм, елементизображення самоізоліровані, тобто включаються тільки при подачі сигналу наверхній і нижній електроди. Крок елементів і, отже, роздільна здатність такоїполімерної індикаторної панелі залежать від роздільної здатності устаткування,використовуваного для створення малюнка електродів.
Яскравістьсвічення полімерного випромінюючого діода з гетероструктурою фірми CDT рівна 10кд/м^2 при напрузі 5 В і щільність струму 1 ма/см2. Частота перемиканняперевищує 1 Мгц, що відповідає вимогам, що пред'являються до промисловихнапівпровідникових СВД. Внутрішній квантовий вихід приладів складає приблизно5% (для індикаторів на основі напівпровідникових СВД — 3%). Правда, термінслужби полімерних діодів невеликий — всього біля 3 тис. годинника. Застосувавшивідповідну герметизацію і устаткування, розробники сподіваються збільшити йогодо 10 тис., а потім і до 20 тис. годинника.
Фірма Uniax,розробляюча полімерні СВД з 1996 року, добилася значних успіхів у вдосконаленніїх конструкції, а також в досягненні ефективної інжекції електронів і дірокнезалежно від відносних значень роботи виходу електродів і енергії носіївполімеру. Це дозволить виконувати електроди з будь-якого металу незалежно відйого роботи виходу. У основу конструкції СВД покладена свіловипромінюючий електрохімічнийосередок, що формуєтьсяз суміші світло випромінюючого полімеру і полімерногоелектроліту. При подачі напруги на такий осередок полімер з одного бокуокислюється (область p-типа провідності), а з іншою відновлюється (областьn-типа), що приводить до формування p-n-перехода. У відсутність напругиp-n-переход зникає. Такий перехід отримав назву динамічного. Поки розробникиукрай обережно оцінюють отримані результати, хоча випробування показали, щопісля зберігання протягом року темні крапки під електродами не утворюються.
Цікавийзапропонований фахівцями університету і фірми Hewlett-packard Рочестерськогометод формування “СВД-МАТРІЦ пікселів” за допомогою звичайного процесуфотолітографії, використовуваного в напівпровідниковій технології. Згідно цьомуметоду, на шар PPV, що формується поверх електродів з окислу індия-олова наскляній підкладці, наносится однорідна плівка фоточутливого кислотногогенератора. Потім проводиться операція експонування через шаблон для отриманняприхованого зображення. І нарешті, структура обробляється в розчині хлороформу,що видаляє неекспоновані ділянки PPV-слоя. Яскравість свічення виготовленихтаким чином матриць складала 100—500 кд/м2 при терміні служби близько 10 тис.годинника. Проте щоб на базі цієї технології організувати виробництвокольорових полімерних дисплеїв, належить виконати великий об'єм робіт.
Розробка в 1990році блакитного полімерного СВД вселила надію, що незабаром вдасться створитиполімерні кольорові індикатори і індикатори білого свічення шляхом формуваннятріад червоних, зелених і синіх СВД. Проте об'єднання на одній підкладці плівокполімерів, випромінюючих на різних довжинах хвиль, виявилося надзвичайно важкимзавданням. Процес нанесення кожного подальшого випромінюючого шару такої структуриприводив до деградації раніше обложених шарів, а індикатори цього типуневідрізнялися високими характеристиками. Проблему, мабуть, вдалося вирішитиученим Центру перспективної технології в області фотоніки і оптоелектронікиПрінстонського університету. Вони створили прилад, випромінюючий комбінаціюосновних квітів, що дозволить формувати “білий” або “кольоровий” піксель задопомогою одного приладу, а не тріади СВД. В результаті число елементівзображення індикаторного пристрою на основі таких органічних СВД збільшується втри рази.
Приладскладається з трьох шарів світло випромінюючого органічного матеріалу ічотирьох шарів електродів. Цю структуру вдалося створити завдяки розробці вуніверситеті Південної Каліфорнії електролюмінісцентного органічного матеріалу(не полімеру), що складається з невеликих молекул. Відмітна властивістьматеріалу — його прозорість. У набірному органічному світло випромінюючомупристрої, запропонованому ученими Прінстонського університету, нижній електрод,що наноситься на скляну або пластмасову підкладку, виготовлений з окислуіндія-олова. Осталеві електроди виконані у вигляді надзвичайних тонкихнапівпрозорих металевих плівок, що облягають методом напилення або ВЧ-ІОННОГОрозпилювання. Колір свічення СВД перебудовується шляхом зміни напруги, щоподається на світло випромінюючі шари. Товщина структури не перевищує 1 мм[5,6,7].
Проте длястворення придатного для застосування індикаторного пристрою на основі новогоприладу необхідно вирішити ряд важливих проблем, зокрема виключити спотвореннякольору, що викликається утворенням мікропорожнеч між шарами. Роботи помоделюванню цих ефектів, оптимізації товщини шарів і пошуку нових матеріалівведуться на фірмі Universal Display — єдиною, кому була надана ліцензія насвітло випромінюючі матеріали і прилади, спільно розроблені Прінстонськимцентром і Університетом Південної Каліфорнії. Якщо цю технологію вдастьсяуспішно реалізувати, то нові органічні пристрої відображення не тількизахоплять частину ринку плоских дисплеїв, але і розширять його. Крім моніторівкомп'ютерів і телевізорів нові пристрої знайдуть застосування в дисплеяхпереднього огляду транспортних засобів і інших технічних новинках. Але цесправа віддаленого майбутнього. Зараз же на ринок поступають перші вироби на базінової технології — монохромні індикатори з пасивною адресацією і діагоналлюекрану не більше 10 см, які призначені для контрольно-вимірювальної апаратури,пейджерів, автомобільних стереосистем, стільникових телефонів або просто дляпідсвічування ЖКИ. Подальші зусилля розробників будуть направлені на створенняекономічно ефективних великоформатних кольорових дисплеїв з терміном служби 50тис. годинника.
У епохунастільних комп'ютерів і великих машин найважливішими параметрами пристроїввідображення інформації були високі яскравість і роздільна здатність, а такожнизька вартість. Всім перерахованим вимогам відповідали ЕЛТ. От чому споживаючінадзвичайно високу потужність виробу до цих пір є основними пристроямивідображення інформації. Проте портативні обчислювальні серйозно змінилиландшафт ринку засобів відображення, висунувши як основних такі вимоги, як малігабарити і споживана потужність. І тут, можливо, відкриваються широкіперспективи для органічних електролюмінісцентних індикаторів. Не випадкововеликий інтерес до них проявляють японські фірми — провідні світовіпостачальники плоских пристроїв відображення інформації. На фірмі SanyoElectric на основі матеріалу з нерегулярною молекулярною структурою,випромінюючого в широкому спектральному діапазоні, виготовлений світловипромінюючий індикатор із зеленувато-білим свіченням. Сила світла його складає10190 кд при напрузі 8 В. Правда, поки споживана потужність індикатора дужевелика. Тому сьогодні розробники фірми намагаються знайти легуючу домішку, якадозволить збільшити ефективність випромінювання. Серйозно займаються вони іпроблемою підвищення терміну служби органічних електролюмінісцентних пристроїв[7].
Інша японськафірма, Pioneer Electronics, з метою отримання матеріалів, випромінюючих вчервоній і синій областях спектру працює з технологією фірми Eastman Kodak.Тут створений монохромний органічний діод зеленого свічення розміром 94,7х21,1мм. Сила світла — 200 кд при споживаній потужності 0,2 Вт; термін служби — 10тис.годин. Дослідні зразки нового індикаторного пристрою, призначеного дляпанельних дощок автомобілів, портативних інформаційних систем, а такождомашньою аудіо- і відеоапаратури, повинні з'явитися весною цього року.
Японська фірмаIdemitsu Kosan, що спеціалізується в області очищення нафти, пішла по іншомушляху. У 1986 році вона почала вивчати випромінюючий в синьому спектріорганічний матеріал, названий Dpvbi. Розроблений на фірмі індикатор міститьнаступні шари: металу (верхні електроди), органічних матеріалів (що переноситьелектрони, випромінюючого, такого, що переносить і інжектуючого дірки) і окислуіндия-олова (нижні електроди). Товщина структури складає 200 нм. Із-заскладності формування багатоколірної структури фахівці фірми не почали шукатиматеріали, що випускають свічення червоного, синього і зеленого кольорів. Щозамість цього наноситься методом осадження з газової фази випромінюючий шарлегується домішкою, що дозволяє збільшити ефективність випромінювання синійобласті спектру (довжина хвилі — 468 нм). Випромінювання проходить через плівкилюмінофорів (так зване середовище, що змінює колір), які виконують функціюсвітлофільтрів, поглинають частину синього світу і випускають зелений ічервоний. Оскільки синє випромінювання характеризується високим енергетичнимрівнем, при його перетворенні в червоне і зелене випромінювання інтенсивністьостанніх достатня велика[5].
На фірмі створенадосвідчена індикаторна панель з розміром екрану по діагоналі 12,7 см, завтовшки 2 мм і масою 80 р. Вона здатна відтворювати 16,77 млн. квітів з 256 відтінкамисірого. Споживана потужність панелі — 500 мвт. Дослідний зразок містить 256(16х16) квадратних “пікселів” (сторона — 4,5 мм), які у свою чергу містять три субпікселі, — червоні, зелені і сині люмінофорні крапки розміром 1,5х4,5 мм кожна(синій люмінофор застосовується для поліпшення чистоти синього свічення). Силасвітла панелі при напрузі 5 В рівна 100 кд, при 10 В — 10 тис. кд. Завдякидовговічності використовуваного матеріалу термін служби панелі досягає 10 тис.годинника, хоча проблема захисту металевих електродів від дії навколишньогосередовища поки не вирішена. Полімери знаходять застосування не тільки пристворенні електролюмінісцентних панелей. Великий інтерес до них проявляють івиробники ЖКІ[6,7].
Висновки
1.Однією з головних частин електролюмінісцентних плоских пристроїввідображення інформації є індикатори. Є три основні види індикаторів:
— Порошкові індикатори. Основною перевагою ПоІ є велика яскравість. Донедоліків слід віднести малу світловіддачу.
— Плівкові індикатори. До переваг ПлІ слід віднести термін служби, донедоліків – малий контраст. Для підвищення яскравості ПлІ використовуютьшорсткі підкладки. Використання шорстких підкладок у поєднанні з шаромкомпозиційного рідкого діелектрика дозволяє істотно підвищити вихідвипромінювання із структури і яскравість свідчення випромінювача.
— Органічні індикатори. ОІ властиві такі особливості: високий ступеньінтеграції, ефективне використання площі, велика яскравість, висока надійність,можливість створення індикаторів будь-якої форми.
2.Сьогодні багато застосувань, які потребують міцних дисплеїв що працюють векстремальних умовах навколишнього середовища по температурах, вібраціях іодночасно при широких кутах огляду, все ще використовують дисплеї, виготовленіза технологією TFEL. Технологія TFEL, не дивлячись на її обмеження по колірномудіапазону, продовжує бути альтернативною технологією для багатьох пристроїв відображення,призначених для жорстких умов експлуатації.
3.Органічні електролюмінісцентні панелі мають ряд переваг над своїмиконкурентами. До них слід віднести малі габарити і малу потужність споживання.
Список використаної літератури
1. Ю.А. Быстров, И.И.Литвак, Г.М.Персиканов. Электронные приборы для отображения информации. Москва «Радио исвязь» 1985р.
2.Власенко Н.А. Электролюминесцентные устройства отображения информации. Киев:Об-во ”Знание” Украины, 1991. 24 с.
3. Бригднов И.Ю.,Гурин Н.Т. // Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16. В. 23. С. 71–74.
4. Бригаднов И.Ю., Гурин Н.Т.,Рябинов Е.Б. //ЖПС. 1993. Т. 59. В. 1–2. С. 175–181.
5. Knoll P.M.,Herzog B., Sybrichs R. Electronics Displays 97 Konferenzband. 1997. P.65.
6. Antikainen M.,Haaranen J., Honkala J., Lahonen M., Liias V._M., Pakkala A., Pitkanen T.,Soinien E., Runar T. Transparent Emissive Thin_Film Electroluminescent Display.SID 00 DIGEST. 2000. P. 885.
7. Kanda S.Reduction of Halo in Transparent Electroluminescent (EL) Display, SID 00 DIGEST.2000. P. 881.