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Elektrolumineszierende Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine elektrolumineszierende
Vorrichtung, bestehend aus einem transparenten Substrat und einer auf dem Substrat
angeordneten transparenten Elektrode, die eine Oberfläche aufweist, auf welcher
eine Schicht eines elektrolumineszierenden Materials angeordnet ist, welches elektrischen
Strom zu leiten vermag.
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Derartige Vorrichtungen werden so hergestellt, daß auf der Oberfläche
eines transparenten Substrats, beispielsweise einer Glasplatte, eine transparente
Schicht eines elektrisch leitenden Materials, wie beispielsweise Zinnoxid, aufgebracht
wird. Die unerwünschten Bereiche dieser Schicht werden sodann beseitigt, so daß
sich eine Elektrode der gewünschten Form ergibt, welche Bereiche aufweist, die späterhin
Licht
aussenden sollen. An einer Kante des Substrats ist ein leitfähiger Streifen angeordnet,
von welchem geeignete Verbindungen zu den vorgenannten Bereichen der Elektrode führen.
Auf die Oberfläche der Elektrode wird sodann eine elektrolumineszierende Schicht
aufgebracht, und zwar in Form einer Farbe, welche aus einem elektrolumineszierenden
Puder und einem damit vermischten geeigneten Binder besteht.
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Nachdem diese Farbe getrocknet ist, wird eine elektrisch leitende
Schicht, beispielsweise aus Aluminium aufgebracht, welche die andere Elektrode der
Vorrichtung bildet. Zum Zwecke des Schutzes wird die Vorrichtung sodann eingekapselt.
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In diesem Zustand ist es noch nicht möglich, daß die Vorrichtung Licht
aussendet. Zuvor muß nämlich ein Schritt ausgeführt werden, damit sich die geeignete
Struktur der elektrolumineszierenden Schicht ausbildet. Um dies zu erreichen, wird
ein Gleichstrom angelegt, wobei die transparente Elektrode als positive Elektrode
angeschlossen wird. Dies bewirkt, daß der Widerstand spezieller Teile der elektrolumineszierenden
Schicht anwächst, der Stromdurchgang sich vermindert und Licht von diesen Bereichen
emittiert wird.
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Das Anlegen einer geeigneten relativ geringen Spannung an die Elektroden
bewirkt sodann, daß unmittelbar Licht emittiert wird.
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Die Funktion und der Aufbau elektrolumineszierender Schichten, das
Verfahren zur Bildung elektrolumineszierender Schichten und der Betrieb elektrolumineszierender
Vorrichtungen wurde in zahlreichen Schriften beschrieben. Zwei derartige Schriften
sind der Artikel "Direct-Current Electroluminescence in Zinc Sulphide: State of
the Act" in IEEE, Band 61, Nr. 7, 3uli 1973, Seiten 902 bis 907 und ein Artikel
"Materials control and d.c. electroluminescence in ZnS: Mn, Cu, C1 powder phosphors"
in Brit. 3. Appl. Phys.
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(J. Phys.D), 1969, Serie 2, Band 2, Seiten 953 bis 966.
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Typische Formierströme liegen im Bereich von lOOmA/cm2 mit Spannungen
in der Größenordnung von 15 bis 80 V, abhängig von der Konstruktion und der Form
der Schichten der Vorrichtung und insbesondere von der Form der transparenten Elektrode.
Beispielsweise sind höhere Formierspannungen notwendig, wenn die transparente Elektrode
relativ lange Zuführungen aufweist, welche den leitfähigen Streifen mit den Bereichen
der Elektrode verbinden, welche späterhin Licht aussenden sollen. Unter diesen Umständen
besteht die Gefahr, daß die Verbindungsleiter sich so erwärmen, daß ein Überhitzen
und/oder Brechen des Substrats eintritt, insbesondere wenn die Licht emittierenden
Bereiche relativ groß sind. Es kann weiterhin ein Verbrennen der transparenten Elektrode
und der elektrolumineszierenden Schicht auftreten.
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Es besteht daher die Aufgabe, die elektrolumineszierende Vorrichtung
so auszubilden, daß für die Formierung relativ wenig Energie, insbesondere wesentlich
geringere Formierströme benötigt werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Es hat sich gezeigt, daß durch die Verwendung so gekennzeichneter
Oberflächenbereiche weniger elektrische Energie benötigt wird, um das elektrolumineszierende
Material zu formieren, wodurch die Gefahr der Beschädigung des Substrats, des elektrolumineszierenden
Materials und der transparenten Elektrode während des Formierprozesses vermindert
wird.
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Vorzugsweise besteht der Oberflächenbereich mindestens teilweise aus
einem Halbleiter- oder Isoliermaterial. Dieser Oberflächenbereich
weist
Eigenschaften auf, welcher im wesentlichen das Durchdringen von Unreinheiten durch
diesen Bereich hindurch verhindert.
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Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste
Ausführungsform einer elektrolumineszierenden Vorrichtung; Fig. 2 Teilschnitte zur
Erläuterung verschiedener und 3 Konstruktionen dieser ersten Ausführungsform; Fig.
4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer elektrolumineszierenden
Vorrichtung; Fig. 5 einen Teilschnitt bei der Ausführungsform nach Fig. 4 und Fig.
6 eine schematische Darstellung des Herstellverfahrens bei einer dritten Ausführungsform.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 weist die mit Gleichstrom betriebene
elektrolumineszierende Vorrichtung ein transparentes Substrat 10 aus Glas oder einem
Polymer-Material auf, auf deren einen Oberfläche eine transparente elektrisch leitende
Schicht 11, welche die positive Elektrode der Vorrichtung bildet, aufgebracht ist.
Die Schicht; 11 kann beispielsweise aus Zinnoxid, dotiert m Antimon, Indiumoxid,
Titandioxid, Kadmiumoxid, dotiert mit Zinn, zinnsaurem Kadmiumsalz oder Wismutoxid
beschichtet mit Gold bestehen.
Die Zinnoxidschicht 11 wird mittels
eines bekannten Prozesses aufgebracht, wie beispielsweise mittels Verdampfen, Aufsprühen,
oder mittels eines chemischen Dampfniederschlags, Alternativ hierzu kann die Schicht
elektrolytisch aufgebracht werden durch Anodisieren einer auf dem Substrat 10 aufgebrachten
Metallschicht, Die unerwünschten Bereiche der Schicht 11 werden sodann mittels eines
bekannten Atzverfahrens entfernt, so daß Bereiche gebildet werden, an denen die
elektrolumineszierende Vorrichtung Licht emittieren soll. Ein oder mehrere Leiterstreifen
nahe den Kanten des Substrats sind mit diesen Elektrodenbereichen über geeignete
Verbindungsleiterstreifen verbunden.
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Damit der Formierprozeß weniger elektrische Energie benötigt, wird
auf der exponierten Oberfläche der Elektrodenschicht 11 mittels eines Verdampfungsverfahrens
eine kontinuierliche Schicht 12 aus Kupfersulfid aufgebracht. Die Dicke dieser Schicht
12 ist geringer als 5 Mikron und liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1 Mikron.
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Zur Bildung der Schicht 12 können verschiedene andere Halbleiter-
oder Isoliermaterialien verwendet werden. Beispielsweise kann diese Schicht aus
Zinksulfid, Kupferoxid, Zinkoxid, Kupferselenit, Zinkselenit, Aluminiumoxid, Siliciummonoxid
oder Ytrium-Sauerstoff-Sulfid bestehen. Die Schicht 12 weist vorzugsweise einen
Arbeitsbereich zwischen 2ev und 6ev auf.
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Die Schicht 12 ist bedeckt durch eine elektrolumineszierende Schicht
13, bestehend aus einer puderförmigen Phosphormischung mit einer Dicke in der Größenordnung
zwischen 30 bis 50 Mikron. Diese Mischung besteht aus Phosphorteilchen,
welche
mit Kupfer überzogen sind und die mit einem Bindemittel vermischt sind. Diese Mischung
wird in der gewünschten Dicke als Schicht 12 aufgetragen und sodann getrocknet.
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Ist die Trocknung abgeschlossen, dann wird ein elektrisch leitfähiges
Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer auf die äußere Oberfläche der
elektrolumineszierenden Schicht 13 aufgebracht und zwar als Schicht 14, welche die
andere Elektrode der elektrolumineszierenden Vorrichtung bildet.
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Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, erstrecken sich das Substrat 10,
die Elektrode 11 und die Schicht 12 über die elektrolumineszierende Schicht 13 und
die Elektrode 14 hinaus, d. h. letztere sind stufenförmig auf der Oberfläche der
Schicht 12 angeordnet. Die elektrolumineszierende Schicht 13 und die Elektrode 14
werden abgedeckt durch eine Glasplatte 16, welche von Streifen 17 aus Butylgummi
gehalten wird, wobei letztere auf der Schicht 12 befestigt sind, so daß sich ein
geschlossener Raum ergibt, in welchem die elektrolumineszierende Schicht 13 und
die Elektrode 14 angeordnet sind. Im geschlossenen Raum befindet sich ein Dessikant
und die äußeren Oberflächen der Platte 16 und der Streifen 17 sind abgedeckt durch
eine Schicht 18 eines geeigneten einkapselnden Materials.
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In diesem Zustand emittiert die elektrolumineszierende Vorrichtung
kein Licht, wenn eine Gleichspannung an die Elektroden 11 und 14 angelegt wird.
Es ist zuerst notwendig, die elektrolumineszierende Schicht 13 zu formieren. Zu
diesem Zweck wird eine Gleichspannung an die Vorrichtung angelegt, wobei die Schicht
11 als positive Elektrode und die
Schicht 14 als negative Elektrode
dient, damit die gewünschte Struktur der elektrolumineszierenden Schicht 14 entstaht.
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Hierbei wird der Widerstand der elektrolumineszierenden Schicht 14
erhöht, wodurch der Stromfluß durch die Schicht 14 vermindert wird und wodurch Licht
von den Bereichen der Schicht 14 emittiert wird, welche durch die Schicht 11 definiert
sind. Wird sodann eine geeignete relativ geringe Gleichspannung als kontinuierliche
oder pulsierende Spannung angelegt, erfolgt unmittelbar eine Lichtaussendung.
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Wird die Spannung in pulsierender Form angelegt, weist sie vorzugsweise
ein Impuls-Pausenverhältnis in der Größenordnung von 1:200 auf bei einer Frequenz
in der Größenordnung von 125 kHz.
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Es wurde gefunden, daß durch die Verwendung einer Schicht 12 zwischen
der Elektrodenschicht 11 und der elektrolumineszierenden Schicht 13 die elektrische
Energie verringert wird, die notwendig ist, um die elektrolumineszierende Schicht
zu formieren. Diese Schicht 12 stellt eine zusätzliche Schicht der Elektrode dar.
Hierdurch wird die Gefahr einer Überhitzung und Beschädigung des Substrats 10 und
der Schichten 11 und 13 während des Formierprozesses wesentlich vermindert.
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Es wurde gefunden, daß dieser Effekt aufgrund der Tatsache auftritt,
daß die Halbleiter- oder Isolierschicht 12 dazu neigt, den Oberflächenbereich der
Elektrode 11 zu modifizieren und den Stromfluß in der Oberfläche der Elektrodensohicht
11 auf diskrete Bereiche begrenzt. Diese Bereiche sind sehr klein mit einer maximalen
Querschnittsabmessung in der Größenordnung von einigen Mikron, jedoch können die
se Bereiche sogar kleiner als 1/10 Mikron sein.
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Die dem Substrat 10 entgegengesetzte Oberfläche der Elektrode 11 ist
wellig ausgebildet mit Spitzen, welche sich in Richtung der elektrolumineszierenden
Schicht 13 erstrecken, wobei die kontinuierliche Schicht 12 zwei verschiedene Formen
aufweisen kann, wie dies den Fig. 2 und 3 entnehmbar ist. Bei Fig. 2 bedeckt die
kontinuierliche Schicht 12 lediglich die kleinen Spitzen der welligen Oberfläche
der Elektrode 11, so daß die größeren Spitzen 20 der Elektrode 11 durch diese Schicht
12 hindurchgehen und sich in das elektrolumineszierende Material hinein erstrecken
und dort elektrischen Kontakt herstellen. Bei dieser Ausführungsform ist der Stromfluß
begrenzt auf diese Spitzen 20. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 bedeckt die Schicht
12 die Elektrode 11 vollständig, wobei der Stromfluß begrenzt ist auf diskrete Bereiche,
welche gebildet werden durch die dünnen Widerstandsbereiche der Schicht 12 zwischen
der elektrolumineszierenden Schicht 13 und den hohen Spitzen 20 der Schicht 11.
In diesen Bereichen herrscht ein hohes elektrisches Feld.
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Die Schicht 12 hat den weiteren Vorteil, daß die Lebensdauer der elektrolumineszierenden
Vorrichtung erhöht wird, da eine Diffusion von Unreinheiten des Substrats 10 und
der Elektrode 11 in die elektrolumineszierende Schicht 13 verhindert wird.
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Obwohl das Halbleiter- oder Isoliermaterial der Schicht 12 verschiedene
Formen aufweisen kann, so sollte doch dieses Material eine Metallchalcogenidverbindung
sein, deren Metall unterschiedlich ist zum Metall der Elektrode 11 und das mit dem
elektrolumineszierenden Metall verträglich ist.
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Vorzugsweise besteht das Material der Schicht 12 aus einer Metallchalcogenidverbindung
der Sauerstoff, Schwefel und Selen enthaltenden Gruppe.
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Obwohl im vorigen Ausführungsbeispiel die Halbleiter- oder Isolierschicht
12 getrennt von der Schicht 11 gebildet wurde, ist es selbstverständlich, daß die
beiden Schichten 11 und 12 integral miteinander sein können. Beispielsweise kann
die transparente Elektrode 11 auf dem Substrat 10 aufgebracht werden, die sodann
so behandelt wird, daß sich die Eigenschaften der Oberfläche der Schicht 11 verändern,
so daß die Oberfläche der Schicht 11 die Eigenschaften oder Charakteristika der
Schicht 12 aufweisen.
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Alternativ hierzu kann die Schicht 11 gebildet werden in zwei voneinander
getrennten Schritten, das heißt in einem ersten Schritt des Aufbringens des ersten
Teils der Schicht 11 auf dem Substrat, wobei diese Schicht 11 die notwendigen Eigenschaften
einer transparenten Elektrode aufweist, und in einem zweiten Schritt, bei welchem
der andere Teil der Schicht 11 gebildet wird unter den notwendigen Bedingungen,
so daß die Oberfläche der Schicht 11, welche in letzterem Schritt erzeugt wird,
die Eigenschaften oder Charakteristika aufweist, welche die zuvor beschriebene getrennte
Schicht 12 besitzt, In einer zweiten Form der elektrolumineszierenden Vorrichtung
wird auf das Glassubstrat 10 eine Schicht 11 aus mit Antimon dotiertem Zinnoxid
aufgebracht. Eine Schicht aus Aluminium wird sodann in die Oberfläche der Schicht
11 eingedampft. Dies ist in Fig. 4 gezeigt, wo die Aluminiumschicht mit 21 bezeichnet
ist. Die Schicht 21 wird sodann entfernt, indem die Vorrichtung in eine Lösung aus
Zinndichlorid eingetaucht wird. Während der Beseitigung der Aluminiumschicht 21
bildet sich eine Isolierschicht aus Aluminiumoxid auf der Oberfläche des Zinnoxids.
Diese Isolierschicht ist in Fig. 5
mit 22 bezeichnet. Sie bedeckt
die gesamte Elektrode 11 mit einer konstanten Dicke.
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In einer dritten Ausführungsform besteht die elektrolumineszierende
Vorrichtung aus einer Schicht 11 aus Zinnoxid, dotiert mit Antimon, welche auf das
Glassubstrat 10 aufgebracht ist, wobei die so gebildete Vorrichtung in einen Elektrolyten
23 eingetaucht wird, wie dies in Fig. 6 gezeichnet ist. Der Elektrolyt besteht aus
geringfügig angesäuertem destillierten Wasser. Die Zinnoxidschicht 11 wird an eine
negative Elektrode einer Stromquelle angeschlossen, deren positive Elektrode mit
der Elektrode 24 verbunden ist, welche ebenfalls in den Elektrolyten eintaucht,
so daß ein elektrolytischer Strom von der Elektrode 24 zu der Schicht 11 fließt.
Die Elektrode 24 besteht aus einem inertem Material, wie beispielsweise Graphit,
Platin oder Zinnoxid.
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Es wurde gefunden, daß sowohl bei der Beseitigung der Aluminiumschicht
21 als auch bei der Elektrolytbehandlung nach Fig. 6 diskrete Teile der Zinnoxidschicht
11 nahe der Oberfläche bezüglich des Zinngehalts reduziert werden, so daß diese
diskreten Bereiche entstehen, auf die der Stromfluß während der Formierung im wesentlichen
begrenzt ist. Bei den beiden letztgenannten Herstellverfahren wird weiterhin das
Verhältnis des dotierten Antimon an der Oberfläche der Schicht 11 verändert zur
Bildung einer Isolieroberfläche an der Schicht 11, die verhindert, daß Unreinheiten
vom Substrat 10 und der Schicht 11 in die elektrolumineszierende Schicht 13 wandern.
Bei der zweiten Ausführungsform ist dieses Wandern der Unreinheiten weiterhin verhindert
durch die Isolierschicht 22 aus Aluminiumoxid.
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Sind bei der zweiten und dritten Ausführungsform die zuvor erwähnten
Verfahrensschritte beendet, dann wird die elektrolumineszierende Schicht 13 und
die Leiterschicht 14 aufgebracht.
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Die Bereiche der elektrolumineszierenden Vorrichtung, welche Licht
ausstrahlen sollen, werden simultan oder aufeinanderfolgend erregt. Im ersteren
Fall sind die Bereiche der Schicht 11, welche diese Bereiche definieren, über Verbindungsleiter
mit einem Leiterstreifen an einer Kante des Substrats 10- verbunden.
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Im letzteren Fall sind die Verbindungsleiterstreifen mit einzelnen
Kontaktstellen am Rand des Substrats verbunden.
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Es ist jedoch auch möglich, daß die Verbindungsleiterstreifen in einzelnen
Gruppen mit einzelnen Leiterstreifen bzw.
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Kontaktstellen verbunden sind, so daß Gruppen von Bereichen erregt
werden können.