DE2165424C3

DE2165424C3 - Elektrolumineszenzeinrichtung

Info

Publication number: DE2165424C3
Application number: DE2165424A
Authority: DE
Inventors: Lawrence S. Welland Ontario Sliker (Kanada)
Original assignee: INTERNATIONAL SCANNING DEVICES Inc FORT ERIE ONTARIO (KANADA)
Current assignee: INTERNATIONAL SCANNING DEVICES Inc FORT ERIE ONTARIO (KANADA)
Priority date: 1970-12-29
Filing date: 1971-12-29
Publication date: 1978-03-23
Also published as: FR2120927A5; BR7108645D0; IT951617B; US3749977A; GB1382256A; DE2165424B2; SE7116687L; JPS4862387A; BE777481A; NL7117935A; DE2165424A1; CA947372A

Description

.15

Die Erfindung betrifft eine Elektrolumineszenzeinrichtung mit zwei in Abstand voneinander angeordneten Elektroden und mit zwischen diesen angeordnetem Elektrolumineszenzmaterial, welches ein Dielektrikum und hierin eingebettete Leuchtstoffpartikeln aufweist, wobei die Elektroden mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis verbunden sind, der an eine Werhselstromquelle zur Ansteuerung mit Resonanzfrequenz angeschlossen ist.

Eine derartige Elektrolumineszenzeinrichtung ist in der US-PS 32 35 799 beschrieben. Die Tatsache, daß bei Erregung des Schwingkreises mit seiner Resonanzfrequenz die Elektrolumineszenzeinrichtung am hellsten leuchtet, wird bei dieser bekannten Einrichtung zur Frequenzanalyse der Wechselstromquelle verwendet. Die US-PS 32 35 799 enthält keine Angaben über die Art des zur Einbettung des Leuchtstoffes verwendeten Materials. Eine optimale Möglichkeit bei Resonanzfrequenz wird aber nur erzielt, wenn die Isoliermaterialien richtig ausgewählt sind.

Elektrolumineszenzeinrichtungen haben aus einer Reihe von Gründen keine weitreichende Verbreitung als großflächige Anzeigetafeln gefunden. Der Hauptgrund dafür besteht darin, daß zur Erzielung einer fto ausreichenden Helligkeit bisher eine große Leistung erforderlich war. Abgesehen von dem großen Leistungsbedarf wird bei den bekannten Elektrolumineszenzeinrichtungen dementsprechend viel Wärme erzeugt, wodurch eine rasche Zerstörung eintritt. Damit ist die Lebensdauer bekannter Elektrolumineszenzeinrichtungen so klein, daß ein wirtschaftlicher Einsatz für kommerzielle Zwecke unmöglich ist.

Eine Ausnahme bilden die Elektrolumineszenzeinrichtungen geringer Leistung und geringer Helligkeit, welche z. B. als Nachtleuchten eingesi_'tzt_werden.

Es ist schon bekannt, die Helligkeit einer Elektrolumineszenzeinrichtung über das zwischen die Elektroden eingebrachte Elektrolumineszenzmaterial zu verbessern. So wurden z. B. Dielektrika zur Suspension der Leuchtstoffe vorgeschlagen, die eine große Dielektrizitätskonstante aufweisen, wie etwa Cyanäthylharz. Derartige Elektrolumineszenzmaterialien erfordern nämlich weniger Leistung als Dielektrika kleiner Dielektrizitätskonstante, wenn die Elektrolumineszenzeinrichtung, wie bei Lampen üblich, direkt an eine Wechselstromquelle angeschlossen werden. In der AT-PS 194 978 ist als Dielektrikum mit hoher Dielektrizitätskonstante und niederen dielektrischen Verlusten eine Mischung aus einem Zellulosederivat, einem den Leuchtstoff benetzenden Kondensationskunstharz und einen: Polymerisationskunstharz vorgeschlagenworden. Dabei soll das lelztere hohe Durchschlagsfestigkeit, eine bei der Dielektrizitätskonstanten des Leuchtstoffes liegende Dielektrizitätskonstante und geringe dielektrische Verluste aufweisen. Als Polymerisationskunstharz könnep dem Gemisch Polystyrol oder Polyester zugesetzt werden. Ausschließlich Dielektrika mit kleinen Dielektrizitätskonstanten wurden bisher in der Regel nicht verwendet, da dann für die Elektrolumineszenzoinrichtung eine höhere Leistung bereitgestellt werden muß.

Schließlich ist aus dem Buch »Electroluminescence« von H. K. H e η i s c h , Pergamon Press, 1962, S. 263 und 264, eine elektroluniineszierende Zelle bekannt, bei der Leuchtstoffpartikeln in ein Wachs eingebettet sind. Da die Wachsschicht eine zu hohe Leitfähigkeit aufweist, ist eine gesonderte Isolierschicht vorgesehen, die aus Polyäthylcnterephthalat bestehen kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist die Schaffung einer Elektrolumineszenzeinrichtung der eingangs genannten Art, die hohe Helligkeit und Lebensdauer sowie guten Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Dielektrikum und gegebenenfalls eine weitere dielektrische Schicht ein Verhältnis aus Verlustfaktor zu Dielektrizitätskonstante von höchstens 0,003 aufweisen und jeweils aus einem Material bestehen, welches aus der aus Polystyrol, Polytetrafluoräthylen, Polypropylen, Polysulphones Polyester und Epoxydharzen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

Von besonderem Vorteil ist dabei, wenn das Dielektrikum mit den eingebetteten Leuchtstoffpartikeln auf einen flexiblen Film aus Polystyrol oder Polypropylen aufgebracht ist und das Dielektrikum Epoxydharz oder Polystyrolharz ist, wobei das Verhältnis aus Verlustfaktor zu Dielektrizitätskonstante für den Film zwischen 0,0013 und 00016 und für das Harz zwischen 0,0013 und 0,0025 liegt.

Dabei wurde erkannt, daß vorher verschmähte Dielektrika, die eine kleine Dielektrizitätskonstante besitzen, bessere Ergebnisse liefern als die bisher verwendeten Dielektrika hoher Dielektrizitätskonstante, sofern nur das Verhältnis des Verlustfaktors (D) zur Dielektrizitätskonstanten (Kleinen vorgegebenen niedrigen Wert nicht überschreitet. Ist das Verhältnis D/K klein, so ist der elektrische Verlust infolge des Ohmschen Widerstandes des Dielektrikums ebenfalls niedrig. Wird eine mit einem solchen Dielektrikum ausgerüstete Elektrolumineszenzeinrichtung in einen bei Resonanz arbeitenden Schwingkreis geschaltet, so

ist wegen des geringeren elek'nschen Verlustes des Dielektrikums zum Erreichen einer vorgegebenen Helligkeit weniger Leistung als bisher erforderlich.

Die erfindungsgemäße Elektrolumineszenzeinrichtung zeichnet sich daher durch einen hohen Wirkungsgrad aus, und bei minimalem Leistungsaufwand und entsprechend vergrößerter Lebensdauer wird eine annehmbare Helligkeit erreicht.

An Hand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Elektrolumineszenzeinrichtung,

Fig. 2 ein Schaltdiagramm eines Oszillators, der zum Betreiben der in Fig. 1 gezeigten Elektrolumineszenzeinrichtung verwendet werden kann,

Fig. 3 ein Schaltdiagramm eines etwas abgewandelten Oszillators für den Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Elektrolumineszenzeinrichtung,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Leistungsverbrauchs bei Betrieb mit unterschiedlicher Frequenz und für verschiedene vorgegebene Dielektrika.

Die in Fig. 1 dargestellte plattenförmige Elekirolumineszenzeinrichtung 10 weist ein einstückiges Substrat 12 auf, das als flexible- Film ausgebildet sein kann. Der Film besteht aus einem Material, welches aus der aus Polystyrol, Polytetrafluorethylen, Polypropylen PoIysulfonen, Polyestei und Epoxydharzen bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Das Verhältnis von Verlustfaktor zu Dielektrizitätskonstante darf höchstens 0.003 betragen. Auf der einen Seite des Films 12 befindet sich ein Dielektrikum 14, dessen Eigenschaften im folgenden noch genauer beschrieben werden. In dem Dielektrikum 14 sind Leuchtstoffkristallite 16 eingebettet, deren elektrische Achsen vorzugsweise parallel zueinander und etwa senkrecht zu der äußeren, lichtemittierenden Fläche der Leuchtplaite verlaufen. An der Oberseite des Dielektrikums bzw. der Unterseite des Substrates 12 befindet sich eine Elektrode 17 bzw. 18, von denen zumindest eine aus lichtdurchlässigem Material, beispielsweise einem transparenten dünnen Film, besteht. An den Elektroden 17, 18 sind Leitungen 20, 22 angeschlossen, die zu einer Wechselstromquelle 24 führen. Zwischen der Wechselstromquelle 24 und den Elektroden ist eine Induktionsspule 26 in Reihe geschaltet.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen. Die Elektrolumineszenzeinrichtung 10 ist im Ersatzschaltbild dargestellt. Sie weist dabei einen Kondensator 28 auf, der mit einem Widerstand 30 in Reihe geschaltet ist, der den normalen Lastwiderstand bzw. den elektrischen Verlust des Dielektrikums darstellt. Ein parallclgeschalteter Kondensator 32 und ein Widerstand 34, die den kapazitiven Widerstand und den Ohmschen Widerstand des Leuchtstoffes darstellen, sind am Widerstand 30 angeschlossen. Mit den beschriebenen Bauteilen ist die in Verbindung mit F i g. 1 erwähnte Induktionsspule 26 in Reihe geschaltet.

Die Elektrolumineszenzeinrichtung 10 kann mittels eines aus drei Transistoren 36, 38, 41 bestehenden Oszillators betrieben werden. Die Transistoren 36, 38 bilden Teile des Reihenschaltungs-Ausgangskreises und erfordern eine Phasenumkehr, die von einem Antriebstransformator 40 mit zwei geteilten Sekundärwicklungen 42,44 geliefert wird.

Im Verbraucherteil des Kreises ist die Induktionsspule 26 zu der Elektrolumineszenzeinrichtung 10 in Reihe geschaltet: die InduktionssDule 26 eliminiert die Blindleistung. Der Induktionsspule 26 ist eine Rückkoppiungswicklung 46 zugeordnet, die den Kreis dauernd in Resonanz hält und die Eigenschwingung aufrechterhält.

Statt der in F i g. 2 gezeigten Reihenschaltung von Elektrolumineszenzeinrichtung und Induktionsspule kann die in F i g. 3 gezeigte Parallelschaltung verwendet werden. Der Oszillator der Fig. 1 isi ein selbs; abgestimmter Verstärker, der eine Erregerspannung zwischen der Basis und dem Emitter eines Transistors 48 erzeugt; diese Erregerspannung ist gegenüber der Wechselspannung zwischen dem Kollektor und Emitter des Transistors um 180° phasenverschoben. Die Phasenbeziehung wirkt der durch die Verstärkung erzeugten Phasenumkehr entgegen und sorgt dafür, daß die Erregerspannung die zur Erzeugung des Verstärkerausgangs erforderliche Polarität hat. Die Schwingungsfrequenz wird so eingestellt, daß die von der Kapazität der Elektrolumineszenzeinrichtung 10 herrührende ßlindbelastung eliminiert wird. Gegebenenfalls kann die Elektrolumineszenzeinrichtung bei einer vorgegebenen Frequenz betrieben werden, indem eine zusätzliche Kapazität oder Induktivität zu dem Verbraucher in Reihe oder parallel geschaltet wird. In Fig. 2 ist eine Rückkopplungswicklung 46 vorgesehen, um die Schwingung aufrechtzuerhalten.

Unter Verwendung bekannter Funktionen läßt sich zeigen, daß der elektrische Verlust in einem Dielektrikum beträgt:

9Dd SfKA

10 "Ohm.

Hierin bedeutet:

D = Verlustfaktor des Dielektrikums:
d = Dicke des Dielektrikums (in Meter);
f = Betriebsfrequenz (in Hertz);
K = Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums;
A = Nutzfläche (in m^:).

Wenn die Abmessungen der Elektrolumineszenzeinrichtung und die Frequenz der elektrischen Erregung konstant sind, ist der elektrische Verlust dem Faktor D/K proportional. Wenn eine Elektrolumineszenzeinrichtung mit einem Dielektrikum, dessen Faktor D/K möglichst klein ist, in einen bei Resonanz arbeitenden Schwingkreis geschaltet ist, ist überraschend wenig

so Leistung erforderlich, um sie bei annehmbarer Helligkeit zu betreiben, und zwar trotz der Tatsache, daß das Dielektrikum möglicherweise eine kleinere Dielektrizitätskonstante hat, als dies bisher für zweckmäßig gehalten wurde. Gemäß der der Erfindung zugrundelie-

ss genden Erkenntnis ist nicht die Dielektrizitä'skonstante der maßgebliche Faktor, sondern vielmehr das Verhältnis von Verlustfaktor zu Dielektrizitätskonstante; wie festgestellt wurde, sollte dieses Verhältnis bei der Betriebsfrequenz der Spannungsquelle 0,003 nicht

Ίο überschreiten.

Andere notwendige Eigenschaften, die ein dielektrisches Material zur Verwendung als 1 eil einer Elektrolumines/.enzeinrichtung geeignet machen, sind Kohäsion und Adhäsion, geringe Feuchtigkeitsabsorption, Bear-

(>s beitbarkeit, Aushärtbarkeit und die Durchlässigkeit sowie Absorption für Licht. Die bei der Elektrolumineszenzein.-ichtung nach F i g. 1 verwendeten Werkstoffe, Polvstvrolharze, Polvtetrafluoräthylen, Polypropylen,

Polysulfone, Polyester und Epoxydharze weisen diese Eigenschaften auf.

Es wird nun auf F i g. 4 Bezug genommen, in der über der Frequenz der Leistungsbedarf (in VA) zur Erzeugung einer Leuchtdichte von 0,017 Kandela/cm² (»50 foot-Lamberts«) bei Elektrolumineszenzeinrichtungen gleicher Abmessungen, jedoch unterschiedlicher Dielektrika aufgetragen ist. Die mit 50 bezeichnete Kurve stellt den Leistungsbedarf einer Elektrolumineszenzeinrichtung dar, die ein Dielektrikum mit großer Dielektrizitätskonstante aus einem Zyanäthylharz (D/K = 0,0043) enthält und einen kupferaktivierten, chloraktivierten, grünen, elektrolumineszierenden Leuchtstoff trägt. Das Dielektrikum und die Leuchtstoffpartikeln werden gemischt und bis zu einer Dicke von 35 μίτι auf einem leitenden Substrat aufgetragen, das als die eine Elektrode dient. Diese mißt 0,1 m², und nach Anlegen der zweiten Elektrode hat die Elektrolumineszenzeinrichtung eine Kapazität von 0,32 Mikrofarad. Die im wesentlichen gerade Linie 50 erhält man dadurch, daß die Elektrolumineszenzeinrichtung unmittelbar an einer Wechselstromquelle angeschlossen wird. Die Linie 50 zeigt, daß etwa 723 VA erforderlich sind, um eine Leuchtdichte von 0,017 Kandela/cm² bei 1000 Hertz zu erzeugen. Zyanäthylharz hat eine große Dielektrizitätskonstante, und der L;istungsbedarf von 723 VA bei 1000 Hertz ist wesentlich geringer als der durch die Kurve 52 gezeigte Leistungsbedarf einer in der gleichen Weise geschalteten und aufgebauten Elektrolumineszenzeinrichtung, die ein aus Polystyrolharz bestehendes Dielektrikum mit einer kleinen Dielektrizitätskonstanten enthält. Wie aus der Figur ersichtlich, erfordert das Polystyrolharz 3200 VA bei 1000 Hertz, um die gleiche Leuchtdichte zu erzeugen, die bei Zyanäthylharz mittels 723 VA erzeugt wurde. Dies zeigt deutlich, warum beim Stand der Technik das letztere Dielektrikum dem zuerst genannten Dielektrikum vorgezogen wird.

Außer einer kleinen Dielektrizitätskonstanten besitzt das Polystyrolharz auch einen kleinen Verlustfaktor; das Verhältnis D/K beträgt 0,00013 im Vergleich zu 0,0043 für das Zyanäthylharz. Wenn daher die gleiche Elektrolumineszenzeinrichtung, bei der Polystyrolharz als Dielektrikum verwendet wird, in einen Schwingkreis eingebaut wird, wobei die Parameter des Kreises einschließlich einer Induktionsspule von 365 mH so gewählt werden, daß Resonanz bei 1000 Hertz eintritt, entsteht — wie durch die Kurve 54 dargestellt — ein erheblicher Abfall des Leistungsbedarfs auf 42,7 VA zur Erzeugung derselben Leuchtdichte von 0,017 Kandela/ cm², die bei der direkt angeschlossenen Elektrolumineszenzeinrichtung mittels 3200 Va erzeugt wurde.

Wenn auch die Anordnung einer mit Zyanäthyl ausgestatteten Elektrolumineszenzeinrichtung in einem Schwingkreis den Leistungsbedarf ebenfalls verringern würde, haben Versuche gezeigt, daß dies bestenfalls die Leistung auf etwa 70 bis 80 Va herabsetzen würde, was keine so große Verbesserung gegenüber dem Polystyrolharz mit seinem wesentlich geringeren Faktor D/K darstellt.

Bei einem anderen Versuch wurde ein Epoxydharz mit einem Faktor D/K von 0,0025 als Suspensionsmittel für die Leuchtstoffpartikeln verwendet. Das Harz wurde bis zu einer Trockendichte von 25 μπι auf einem Polyesterfilm mit einer Dicke von 12 μπι und einem Faktor D/K von 0,0016 aufgetragen. Die Elektrolumineszenzeinrichtung hatte eine Fläche von 0,1 m² und (nach Anschluß der Elektroden) eine Kapazität von 0,087 Mikrofarad. Es wurde festgestellt, daß bei direkter Verbindung mit einer Wechselstromquelle 2650 VA bei 1000 Hertz benötigt wurden, um eine Leuchtdichte von 0,017 Kandela/cm² zu erzeugen, wogegen zur Erzeugung derselben Leuchtdichte lediglich 58,7 VA erforderlich waren, wenn die gleiche Elektrolumineszenzeinrichtung in einem Schwingkreis mit einer Induktivität von 292 mH angeordnet wurde.

Durch Verwendung von Werkstoffen mit einem besseren Faktor D/K als bei dem oben beschriebenen Beispiel wurden die Ergebnisse noch merklich verbessert. Beispielsweise wurden ein Polystyrolharz mit einem Faktor D/K von 0,00013 statt des Epoxydharzes auf einem Polypropylenfilm mit einem Faktor D/K von 0,00014 verwendet. Alle Abmessungen und andere Werkstoffe waren dieselben; nach Anschluß der Elektroden besaß die Elektrodenlumineszenzeinrichtung eine Kapazität von 0,06 Mikrofarad. Wurde sie in einem direkt geschalteten Kreis verwendet, waren 3830 VA erforderlich, um eine Leuchtdichte von 0,017 Kandela/cm² zu erzeugen; wenn jedoch in den Kreis eine Induktivität von 420 mH eingebracht wurde wurden zur Erzielung derselben Leuchtdichte lediglich 43,8 VA benötigt.

Als letztes Beispie! zur Veranschaulichung der Bedeutung des niedrigen Faktors D/K sei angeführt Wenn eine zwei μιη dicke elektrolumineszierende Schicht unmittelbar auf einen sechs μπι dicken Polypropylenfilm einer Fläche von 0,1 m² aufgedampft wird, besitzt die auf diese Weise erzeugte Elektrolumineszenzeinrichtung eine Kapazität von 0,28 Mikrofarad Dann sind 820 VA erforderlich, um eine Leuchtdichte von 0,017 Kandela/cm² bei 1000 Hertz zu erzeugen Wenn eine Induktivität von 90 mH in den Kreis eingebaut wird, sinkt der Leistungsbedarf zur Erzeugung derselben Leuchtdichte auf 12.7 Va ab.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrolumineszenzeinrichtung mit zwei in Abstand von einander angeordneten Elektroden und mit zwischen diesen angeordnetem Elektrolumineszenzmaterial, welches ein Dielektrikum und hierin eingebettete Leuchtstoffpartikeln aufweist, wobei die Elektroden mit einer Induktivität zu einem Schwingkreis verbunden sind, der an eine Wechselstromquelle zur Ansteuerung mit Resonanzfrequenz angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (14) und gegebenenfalls eine weitere dielektrische Schicht (12) ein Verhältnis aus Verlustfaktor zu Dielektrizitätskonstante von höchstens 0,003 aufweisen und jeweils aus einem Material bestehen, welches aus der aus Polystyrol, Polytetrafluoräthylen, Polypropylen, Polysulfonen, Polyester und Epoxydharzen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

2. Elektrolumineszenzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (14) mit den eingebetteten Leuchtstoffpartikeln (16) auf einen flexiblen Film (12) aus Polystyrol oder Polypropylen aufgebracht ist und daß das Dielektrikum Epoxydharz oder Polystyrolharz ist, wobei das Verhältnis aus Verlustfaktor zu Dielektrizitätskonstante für den Film zwischen 0,0013 und 0,0016 und für das Harz zwischen 0,0013 und 0,00-5 liegt.