Название: Вестник Ульяновского государственного технического университета (В.В. Ефимов)

Жанр: Гуманитарный

Просмотров: 1133


Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы

 

Приведены результаты исследований физических основ работы, конструкций, мето- дов контроля, технологии изготовления и технических характеристик плоских актив- ных индикаторных устройств на основе тонкопленочных электролюминесцентных структур.

 

С развитием и широким внедрением во многие сферы деятельности че- ловека вычислительной техники, информационных и измерительных при- боров и систем происходит непрерывное совершенствование входящих в их состав средств отображения информации, основой которых являются индикаторные устройства. К наиболее перспективным индикаторным уст- ройствам относятся электролюминесцентные индикаторы. Среди различ- ных типов активных индикаторов электролюминесцентные приборы зани- мают особое место благодаря плоской твердотельной конструкции, быст- родействию, широкому диапазону рабочих температур. К достоинствам тонкопленочных электролюминесцентных источников излучения относят- ся высокая яркость, контраст, разрешающая способность, долговечность, устойчивость к радиационным воздействиям, возможность получения эк- ранов большой площади и др. Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторы нашли применение в портативных приборах, приборных пане-

лях автомобилей и других транспортных средств, промышленном обору-

довании и военной технике.

На кафедре проектирования и технологии электронных средств и в проблемной  научно-исследовательской  лаборатории  микроэлектронных

средств отображения и регистрации информации Ульяновского государст- венного технического университета  в течение ряда лет разрабатывались методы получения и исследования свойств тонкопленочных электролюми- несцентных источников излучения, способы и устройства управления ин- дикаторными приборами и их применение в микроэлектронных средствах отображения информации.

Конструктивно тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения создавались на диэлектрической (стеклянной) подложке в виде системы проводящих электродов (по крайней мере один из которых являл- ся прозрачным, изготовленным из оксида олова-индия) с заключенными между ними двумя слоями диэлектрика и слоем люминофора [1]. Общая толщина исследованных нами многослойных структур составляла 1-2 мкм на стеклянных пластинах толщиной 1,5-3 мм, площадь отдельных светоиз- лучающих элементов – от 0,5 до 50 мм2. В качестве люминофора использо- ван сульфид цинка, легированный марганцем или фторидами редкоземель- ных элементов (тербия или самария) для получения излучения желтого, зе- леного и красного цвета свечения, соответственно [2]. В качестве диэлек- триков использованы пленкообразующие материалы с достаточно большой диэлектрической проницаемостью и электрической прочностью: различ- ные оксиды и цирконаты редкоземельных элементов, в частности, твердые растворы оксидов циркония и иттрия [3]. Слои наносились вакуумным на- пылением методами термического и электронно-лучевого испарения с ис-

пользованием стандартного отечественного и зарубежного технологиче- ского оборудования в лабораториях УлГТУ и в производственных цехах Ульяновского радиолампового завода и завода «Искра» [3,4].

Для разработки надежных индикаторных приборов и повышения эф-

фективности преобразования электрической энергии в световое излучение были проведены исследования физических процессов в тонкопленочных электролюминесцентных структурах и определены закономерности, уста- навливающие зависимости светотехнических характеристик от свойств ис- пользуемых материалов, конструкций и технологии получения тонкопле- ночных структур и условий возбуждения электролюминесценции. Анализ электронных процессов в тонкопленочных электролюминесцентных структурах позволил определить основные физические эффекты, необхо- димые для описания  работы светоизлучающих элементов индикаторных устройств [7,8].

Как показали проведенные теоретические и экспериментальные иссле-

дования, электрические характеристики тонкопленочных излучателей оп-

ределяются процессами перезарядки ловушек границы раздела люминофор

(широкозонный полупроводник) – диэлектрик [9]. Наличие поверхностных состояний связано с собственными дефектами поверхности сульфида цин- ка, их параметры не зависят от вида активатора и материала диэлектриче- ской пленки. По результатам проведенных исследований определены тре- бования к используемым диэлектрическим материалам, конструкции мно- гослойных систем и условиям формирования пленочных структур.

На основе моделей квазиизолированной поверхности широкозонного полупроводника и туннельной перезарядки ловушек границы раздела лю- минофор–диэлектрик проведено математическое описание неравновесных электронных  процессов  в  люминесцентном  слое,  объясняющее  явление

поляризации люминофора, и получены аналитические соотношения для электрических характеристик структур при различных режимах возбужде- ния [8,9]. Показано, что динамические электрические характеристики оп- ределяются формой возбуждающего напряжения, конструкцией излучате- ля и составом схемы управления и не зависят от электрических параметров слоев сульфида цинка, легированного различными активаторами.

Проведены экспериментальные исследования оптических и светотех-

нических характеристик пленок и тонкопленочных структур. На основе модели прямого ударного возбуждения активаторных центров свечения в люминофоре разработано математическое описание светотехнических ха- рактеристик электролюминесцентных источников излучения – вольт- яркостной зависимости и светоотдачи [9,10]. Полученное совпадение экс- периментальных результатов с расчетными данными подтвердило адек- ватность разработанных математических моделей реальным физическим процессам в тонкопленочных структурах [10]. Полученные соотношения необходимы для разработки оптимальных конструкций индикаторных элементов и режимов работы устройств на их основе, обеспечивающих высокую эффективность возбуждения электролюминесценции и выход из- лучения.

Для проведения исследований свойств тонкопленочных электролюми-

несцентных структур и контроля светоизлучающих элементов разработаны методики определения основных параметров светоизлучающих приборов и слоев люминофора. Предложен способ измерения рассеиваемой мощности в люминесцентном слое тонкопленочных излучательных элементов с по- мощью определения площади петли вольт-зарядовой характеристики и созданы измерительные устройства, позволяющие существенно повысить точность и автоматизировать процесс измерений основных электрических и электрооптических характеристик источников излучения. Определены основные параметры, характеризующие эффективность источников излу- чения и люминофора (светоотдача излучателей, эффективная концентра- ция и сечения ударного возбуждения центров свечения в люминесцентных слоях с различными активаторами) [4, 5].

Разработаны электрические и математические модели тонкопленочных

электролюминесцентных элементов и индикаторных устройств на основе описания их эквивалентных схем системами интегральных уравнений, со- ставленными в соответствии с законами Кирхгофа [11-13]. Программная реализация математических моделей выполнена с использованием числен- ных методов Гаусса и Рунге-Кутта-Фельберга. Для определения парамет- ров, характеризующих функционирование индикаторных панелей большой информационной емкости, разработана математическая модель, позво- ляющая формировать систему уравнений, описывающих матрицу индика- торных элементов в автоматическом режиме.

Результаты проведенных исследований были использованы при разра-

ботках конструкций и технологии изготовления тонкопленочных электро- люминесцентных структур на предприятиях, разрабатывающих и изготав- ливающих индикаторные устройства и средства отображения информации. По заказам ряда предприятий были изготовлены образцы индикаторных элементов и устройств мнемонического, знакового, цифро-буквенного, шкального и матричного типов для использования в бортовых средствах отображения информации в транспортных системах. Разработаны способы и устройства управления тонкопленочными электролюминесцентными ин- дикаторными приборами с использованием транзисторных схем и схем на двунаправленных коммутирующих элементах с отрицательным дифферен- циальным сопротивлением, повышающие эффективность средств отобра- жения информации вследствие снижения энергопотребления, увеличения яркости свечения, повышения срока службы и др. [14].

Разработанные нами индикаторные устройства на основе тонкопленоч- ных электролюминесцентных структур имеют следующие основные тех- нические характеристики:

1. Яркость свечения – до 100 кд/м2 при возбуждении   напряжением частотой 50 Гц и до 20000 кд/м2   при частоте возбуждающего напряжения

20 кГц.

2. Цвет свечения – желто-оранжевый, зеленый, красный.

3. Светоотдача – до 4 лм/Вт.

4. Напряжение возбуждения – знакопеременное импульсное или гар-

моническое с действующим значением 80-150 В.

5. Потребляемая мощность – 10-50 мВт/мм2.

6. Напряжение питания индикаторного модуля в целом – постоянное

+12 (24, 48) В или переменное 220 В, 50 Гц (115-200 В, 400 Гц).

7. По сигналам управления модули совместимы с цифровыми инте-

гральными схемами и имеют оптоэлектронную гальваническую развязку.

Технические и эргономические параметры индикаторных устройств обуславливают их максимальную пригодность для создания плоских ком- пактных и высоконадежных средств отображения информации в измери- тельной технике, бортовых системах управления, промышленном обору-

довании и др.