DE962357C - Elektrische Leuchtstoffzelle - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 18. APEIL 1957

KLASSE 21 f GRUPPE INTERNAT. KLASSE H 05b

W17 541 VIII Cj 3i f

ist als Erfinder genannt worden

Elektrische Leuchtstoffzelle

Patenterteilung bekanntgemacht am 4. April 1957

Elektrische Leuchtstoffzellen wurden bisher nach Verfahren hergestellt, wie sie beispielsweise in dem London, Edinburgh und Dublin Philosophical Magazine, Series 7, Bd. 38, S. 700 bis 737 (Oktober 1947), .in einem Artikel von G. Destriau, »New Phenomenon of Electrophotoluminescence«, oder in der USA.-Patentschrift 2 566 349 beschrieben sind. Leuchtzellen dieser Art bestehen aus einem in dielektrischem Material eingebetteten Leuchtstoff; dieses Leuchtstoffdielektrikum ist zwischen zwei Elektroden angeordnet. Bei diesen bekannten Zellen ist der Leuchtstoff auch bei Anwendung einer von Leuchtstoff freien Isolierschicht willkürlich und unregelmäßig in dem Einbettungsmaterial verteilt.

Leuchtstoffzellen der bisher üblichen Herstellungsart haben geringe Helligkeit, wodurch ihre praktische Brauchbarkeit sehr beschränkt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Leuchtstoffzellen durch Steigerung ihrer Helligkeit ohne Änderung der Arbeitsbedingungen zu verbessern.

Erfindungsgemäß läßt sich eine solche Helligkeitssteigerung dadurch erreichen, daß die Leuchtstoffpartikeln im Dielektrikum kettenartig auf eine Vielzahl von im wesentlichen geradlinigen Gruppen verteilt sind und jede dieser Gruppen so ausgerichtet ist, daß sie im wesentlichen senkrecht zu den Zellenelektroden verläuft. Eine derartige Anordnung verdreifacht die Leuchtleistung einer Zelle gegenüber Zellen bisher bekannter Ausführung.

Das Gruppieren und Ausrichten der Leuchtstoffpartikeln wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes erreicht, solange sich die Einbettungsmasse

in flüssigem Zustand befindet; dieses Feld wird so lange aufrechterhalten, bis die Embettungsmasse verfestigt ist.

Die Figuren erläutern die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen. Es stellt dar

Fig. ι eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Zelle,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine das Gruppieren und Ausrichten der Leuchtstoffpartikeln bewirkende Einrichtung,

Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer derartigen Einrichtung,

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab einen Querschnitt durch das Leuchtstoff enthaltende Dielektrikum vor dem Gruppieren und Ausrichten der Leuchtstoffpartikeln,

Fig. 5 in vergrößertem Maßstab einen ebensolchen Querschnitt nach dem Gruppieren und Ausrichten der Leuchtstoffpartikeln in' Gruppen, Fig. 6 in vergrößertem Maßstab den Querschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Zelle nach dem Gruppieren und Ausrichten der Leuchtstoffgruppen gegenüber den Zellenelektroden.

In Fig. ι ist mit 10 allgemein eine Leuchtstoffzelle bezeichnet, die aus einer ersten Trägerplatte 12, einer ersten Elektrode 14, einem mit eingebettetem Leuchtstoff versehenen Dielektrikum 16, einer hoch dielektrischen beständigen Schicht 18, einer zweiten Elektrode 20, einer zweiten Trägerplatte 22, Elektrodenanschlußschienen 24 und Anschlußkabeln 25 besteht. Die erste Trägerplatte 12 ist aus durchsichtigem Werkstoff, z. B. Glas, gefertigt; die erste Elektrode 14 ist eine dünne, durchsichtige Leiterschicht, z. B. Zinnoxyd. Der in das Dielektrikum eingebettete Leuchtstoff kann eine der durch D estriau auf S. 710 des oben angegebenen Artikels erwähnten Leuchtstoffarten sein oder irgendein anderer Leuchtstoff, der auf ein elektrisches Feld anspricht. Beispielsweise besteht der Leuchtstoff aus 90% Zink-.40 sulfid und io°/₀ Zinkoxyd, aktiviert durch io~³ Gewichtsteile Kupfer. Als weiteres Beispiel sei erwähnt Zinksulfid, aktiviert durch Kupfer ' und Blei.

Das dielektrische Einbettungsmaterial kann ein thermoplastisches oder ein durch Wärme erhärtbares sein. Beispiele für die letztere Art sind Polyesterharze, Epoxydharze, Akrylmonomere, wie Methylmethakrylatmonomer oder monomeres Styrol. Beispiele für thermoplastische Dielektrika sind Kanada-Balsam, polymerisiertes Äthylmethakrylat oder ein Polyvinylazetat von niedrigem Molekulargewicht. Die zweite Elektrode 20 kann ein dünner Film aus Aluminium oder anderem Leitermaterial oder ein dünner Film aus Zinnoxyd sein. Mindestens eine der beiden Elektroden soll lichtdurchlässig sein. Die zweite Trägerplatte 22 kann aus lichtundurchlässigem, durchscheinendem oder klar durchsichtigem Stoff, z. B. Glas, sein, je nachdem, ob die zweite Elektrode lichtdurchlässig ist oder nicht. Die zweite Trägerplatte 22 kann aber auch weggelassen werden, dadurch, daß man die zweite Elektrode 20 nach dem Verfahren der bekannten Vakuummetallisierung mit Aluminium überzieht.

Die Schienen 24 sind Kupferstreifen. Die dünne Schicht aus hoch dielektrischem, beständigem Werkstoff 18 ist für den Betrieb der Zelle nicht unerläßlich, aber erwünscht zum Zwecke der Verhinderung von Durchschlägen bei höheren Betriebsspannungen an den ausgerichteten Leuchtstoffgruppen. Diese dünne Schicht aus hoch dielektrischem, beständigem Werkstoff kann beispielsweise aus Glimmer einer Stärke von beispielsweise 0,1 mm bestehen.

Das Gerät der Fig. 2 zeigt beispielsweise, wie die Leuchtstoffpartikeln in Gruppen zusammengefaßt und in bezug auf die Zellenelektroden ausgerichtet werden, nach welchem Vorgang man das dielektrische Material, in welchem sich die Leuchtstoffgruppen befinden, erhärten läßt. Eine Trägerplatte 22, die eine Elektrode 20 trägt, bildet die Unterlage für das Gerät. Gewünschtenfalls kann die hoch dielektrische Schicht 18 über die Elektrode 20 und darüber das den Leuchtstoff enthaltende Dielektrikum 16 gelegt werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Über die Schicht 18 wird ein Heizelement 26 abgesenkt, dessen Unterteil die für die Leuchtzelle gewünschte Oberflächenform besitzt. Durch Abstandhalter 27, welche zugleich als Abdichtung gegen das Austreten der Suspension vor der Verfestigung des dielektrischen Materials dienen, wird die Lage der oberen Fläche der dielektrischen Schicht 18 gegenüber der unteren Oberfläche des Heizelements festgelegt. Der Zwischenraum zwischen diesen beiden Flächen entspricht der Stärke der Leuchtschicht und beträgt beispielsweise 0,005 nun. Die Suspension des Leuchtstoffs in seinem Einbettungsmaterial wird über die Schicht 18 ergössen und anschließend das Heizelement darüber in Stellung gebracht. Wenn die Viskosität der Suspension sehr niedrig ist, kann das Heizelement zuerst über der Zelle in Stellung gebracht und anschließend die Suspension durch Überlauföffnungen 28, die sich in den Abstandhaltern befinden, eingeführt werden. Hierauf wird an den in dem Dielektrikum suspendierten Leuchtstoff über das Heizelement 26 und die zweite Elektrode 20 ein elektrisches Feld (Hochspannung) angelegt. Im Falle der Verwendung eines in Wärme aushärtenden dielektrischen Stoffes wird dieser anschließend durch Einwirken des Heizelements verfestigt. Gleichzeitig werden die Leuchtstoffpartikeln gruppiert und ausgerichtet; das Feld wird so lange aufrechterhalten, bis das Dielektrikum vollständig verfestigt ist. Im Falle der Verwendung eines thermoplastischen Dielektrikums dient das Heizelement dazu, das Dielektrikum zu verflüssigen, worauf sich die Leuchtstoffpartikeln ausrichten. Anschließend wird die Hitze weggenommen, das die ¹¹^ Ausrichtung bewirkende Feld aber aufrechterhalten, bis der dielektrische Stoff verfestigt ist.

Das Verhältnis von Leuchtstoff zu dielektrischem Stoff und die Stärke des Leuchtstoffdielektrikums sind nicht von ausschlaggebender Bedeutung: sie werden je nach den Arbeitsbedingungen ausgewählt. Nachstellend werden sechs Beispiele von Leuchtstoffdielektriken aufgeführt, einschließlich der angewendeten Verfahrensweise zur Verfestigung; die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.

Beispiel ι

Angelegte Spannung: 400 bis 800 Volt Wechselspannung von 60 Perioden oder Gleichspannung; Abstand der Elektroden: 0,3 .mm; gesonderte, hoch dielektrische Isolierschicht: Glimmer von 0,1 mm Stärke; thermoplastisches Dielektrikum: Kanada-Balsam; Leuchtstoff: Zinksulfid: Cu Pb; Verhältnis der Gewichte des Leuchtstoffes zu dem Dielektrikum 1:2; Verflüssigungstemperatur des Dielektrikums, 2 Minuten lang wirkend: 66⁰C.

Beispiel 2

Spannung und Verflüssigungstemperatur wie im Beispiel 1; Abstand der Elektroden (ohne Anwendung einer eigenen hoch dielektrischen Isolierschicht) : 0,2 mm; thermoplastisches Dielektrikum: Polyvinylazetat, Molekulargewicht 3500; Leuchtstoff: a.o°/₀ ZnS, 10% ZnO : 10-³ Gewichtsteile Cu; Verhältnis des Gewichtes des Leuchtstoffes zu dem Gewicht des Dielektrikums 1:1.

Beispiel 3

Alle Daten wie im Beispiel 2, nur Anwendung von polymerisiertem Äthylmethakrylat als Einbettungsmaterial; Verflüssigungstemperatur des Dielektrikums: 160⁰C.

Beispiel 4

Angelegte Spannung: 400 bis 800 Volt Wechselspannung mit 60 Perioden oder Gleichspannung; Elektrodenabstand: 0,3 mm (einschließlich 0,1 mm einer gesonderten Schicht aus hoch dielektrischem, beständigem Material); Dielektrikum (Gewichtsverhältnis von Leuchtstoff zu Dielektrikum 1:2): PoIyesterharz (mit einem Zusatz von 2 Gewichtsprozent eines Benzoyl-Peroxyd-Katalysators); Leuchtstoff: 90% ZnS, to°/₀ ZnO :1ο-³ Gewichtsteile Kupfer; Polymerisationstemperatur: 120⁰C 5 Minuten lang.

Beispiel 5

Entspricht Beispiel 4, nur wird als Dielektrikum Epoxydharz mit 6 Gewichtsprozent eines Diäthylentriaminkatalysators verwendet; Polymerisationstemperatur: 100° C, 15 Minuten lang. Epoxydharze sind Polymerisationsharze, welche den Epoxydring

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als polymerisierende Einheit enthalten. Beispiel 6

Wie Beispiel 4, jedoch unter Verwendung von monomeren! Styrol mit 2 Gewichtsprozent Benzoyl—■ Peroxyd als Katalysator; Polymerisationstemperatur: 65⁰C, 20 Minuten lang. Eine gesonderte hoch dielektrische, beständige Schicht ist nicht verwendet; Elektrodenabstand: 0,3 mm.

An Stelle der vorstehend genannten Beispiele können viele andere Dielektrika Verwendung finden, vorausgesetzt, daß das Einbettungsmaterial bei Raumtemperaturen verfestigt und, wenn es thermoplastisch ist, bei erhöhten Temperaturen flüssig wird ohne anzukohlen.

In Fig. 3 ist ein zweites Beispiel eines Verfahrens zum Ausrichten der Leuchtstoffpartikeln innerhalb des Dielektrikums erläutert. Nach diesem Verfahren wird die Zelle zuerst hergestellt und dann entweder auf das Heizelement gesetzt, wie in der Figur gezeigt, oder in einen Ofen eingebracht, unter gleichzeitiger Anlage eines Feldes an die Zellenelektroden zum Gruppieren und Ausrichten der Leuchtstoffpartikeln. Bei dieser Ausführungsform dienen die Abstandselemente 2y_e zur Begrenzung des dielektrischen Stoffes in der Zelle, solange dieser Stoff in flüssigem Zustand ist; außerdem dienen sie zur Einhaltung des geeigneten Abstandes zwischen den Zellenelektroden. Auch bei dieser Ausführungsart können die Dielektrika entsprechend obigem Beispiel variiert werden, ebenso die Heiztemperatur und das angelegte elektrische Feld.

In Fig. 4 ist die Suspension des Leuchtstoffs im Dielektrikum vor dem Ausrichten der Leuchtstoffpartikeln wiedergegeben; wie ersichtlich, sind die Leuchtstoffpartikeln über das Dielektrikum willkürlich verteilt. Nach dem Einwirken des elektrischen Feldes auf die Leuchtstoffpartikeln und nach Verfestigung des Dielektrikums sind die Partikeln in geradlinigen Gruppen zusammengefaßt und so ausgerichtet, daß sie sich im wesentlichen von der einen Elektrode zu der hoch dielektrischen, beständigen Schicht erstrecken, wie in Fig. 5 erkennbar.

Wenn die letzterwähnte Schicht 18 in Wegfall kommt, dann verlaufen die ausgerichteten Gruppen von Leuchtstoffpartikeln von der einen Elektrode 14 zu der anderen Elektrode 20, wie Fig. 6 zeigt. Hervorzuheben ist, daß die Ausrichtung des Leuchtstoffes in dem flüssigen Dielektrikum unter dem Einfluß des angelegten Feldes in erster Linie ein dielektrisches Phänomen ist.

Wenn ein elektrisches Feld mit einer Stärke von 4 · io⁴ Volt/cm an eine Leuchtstoffdielektrikumschicht einer Stärke von 0,2 mm in einer Zelle der in Fig. 1 10g ganz allgemein gezeigten Art, bei welcher die Leuchtstoffpartikeln willkürlich über das Dielektrikum verteilt sind, angelegt wird, kann eine Helligkeit von 30 Einheiten beobachtet werden. Werden die Leuchtstoffpartikeln in dem dielektrischen Stoff nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgerichtet und orientiert, dann ergibt sich bei Anlegen des gleichen Feldes von 4 · io⁴ Volt/cm zwischen den Elektroden an dem ausgerichteten Leuchtstoff und dem Dielektrikum eine Helligkeit von 90 Einheiten. Die Helligkeit hat sich somit lediglich durch Gruppierung der Leuchtstoffpartikeln und Ausrichten dieser Gruppen in bezug auf die Zellenelektroden unter sonst gleichbleibenden Bedingungen verdreifacht.

Für die Zunahme der Helligkeit sind zwei Erklärungen möglich, obwohl keine Gewißheit besteht, ob eine dieser beiden angenommenen Möglichkeiten die Frage ganz oder teilweise beantwortet. Durch die Gruppierung und Ausrichtung des Leuchtstoffs passiert der Feldfluß von einer Elektrode zur anderen über Teile der Zelle lediglich durch dielektrisches Material

und über andere Teile der Zelle lediglich über die ausgerichteten Leuchtstoffgruppen. So läßt beispielsweise Fig. 5 erkennen, daß das Feld zwischen den Leuchtstoffgruppen nur Dielektrikuinsmaterial passiert. Da indessen an dem Dielektrikum wenig Leistung verloren wird, so tritt eine spürbare Minderung des Wirkungsgrades der Zelle nicht ein. Bei den Zellen früherer Herstellungsart, in welchen der Leuchtstoff willkürlich über das Dielektrikum verteilt ist, ίο geht der Feldfluß abwechselnd durch Leuchtstoff und durch dielektrisches Material, wobei ein großer Teil des angelegten Feldes innerhalb des dielektrischen Materials und nicht innerhalb der lichterzeugenden Leuchtstoffpartikeln verbraucht wird. Wenn aber die Partikeln ausgerichtet sind, wird der bei abwechselndem Durchgang des Feldes durch Leuchtstoff und dielektrischen Stoff auftretende Feldverbrauch vermieden, und das angelegte Feld wird wirksamer ausgenutzt, was eine Erhöhung der Helligkeit oder Leuchtstärke bedeutet.

Die zweite Erklärung geht dahin, daß infolge des Ausrichtens der Partikeln zu geradlinigen Gruppen mehr Leuchtstoffpartikeln miteinander in Kontakt treten als bei willkürlicher, ungleichmäßiger Veras teilung der Leuchtstoffpartikeln über das Dielektrikum. Es ist eine Tatsache, daß, wenn Leuchtstoffpartikeln einander berühren, eine innere Oberflächenschranke aufgerichtet wird und daß diese Schranken die Leuchtstärke vergrößern. Mit der Zahl dieser Schranken nimmt die Leuchtstärke zu. Welche der beiden Erklärungen auch die richtige sei, wesenthch ist das Ergebnis der Steigerung der Helligkeit oder Leuchtstärke der Zellen lediglich durch Zusammenfassen der Leuchtstoffpartikeln in Gruppen und Ausrichten dieser Gruppen in bezug auf die Zellenelektroden.

Erwähnt werden muß, daß die Verfahren zum Ausrichten des Leuchtstoffes in dem Dielektrikum variierbar sind. So kann, unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel 2 eine Wasseremulsion eines PoIymethakrylesters mit Leuchtstoff gemischt werden. Dieses Gemisch verfestigt bei Raumtemperaturen. Auch gibt es z. B. ein Äthoxylinharz (Beispiel 5), das bei Raumtemperaturen in ungefähr 30 Minuten mit einem Diäthylentriaminkatalysator polymerisiert. Dies umgeht die Notwendigkeit einer gesonderten technischen Erwärmung. Andere, bei Raumtemperatur verfestigende Stoffe können ebenfalls Anwendung finden.
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Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Elektrische Leuchtstoffzelle mit zwei im wesentlichen parallelen Elektroden, von denen mindestens eine lichtdurchlässig ist, und einem dazwischenliegenden, bei normalen Raumtemperaturen festen dielektrischen Einbettungsmaterial, das die elektrolumineszierenden Leuchtstoffpartikeln einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffpartikeln im Dielektrikum kettenartig auf eine Vielzahl von im wesentlichen geradlinigen Partikelgruppen verteilt sind und jede dieser Gruppen so ausgerichtet ist, daß sie im wesentlichen senkrecht zu den Elektroden verläuft.
2. 2. Elektrische Leuchtstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Einbettungsmaterial ein polymerisiertes Kunstharz ist.
3. 3. Elektrische Leuchtstoff zelle nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material ein solches ist, das bei erhöhten Temperaturen flüssig wird.
4. 4. Verfahren zur Herstellung von Leuchtstoffzellen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß elektrolumineszierende Leucht-Stoffpartikeln in einem flüssigen, dielektrischen Stoff verteilt werden, daß diese Suspension in eine Form mit zwei im wesentlichen parallelen Außenflächen gegossen wird, daß hierauf an diese die Leuchtstoffpartikeln enthaltende flüssige Suspension ein elektrisches Feld angelegt wird zu dem Zweck, die Leuchtstoffpartikeln in eine Vielzahl geradliniger und zu den erwähnten parallelen Oberflächen im wesentlichen senkrechter Gruppen auszurichten und daß schließlich das Dielektrikum unter Erhaltung des die Partikeln gruppierenden und ausrichtenden Feldes erhärtet wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Leuchtstoffpartikeln in einem bei Raumtemperatur festen Dielektrikumsmaterial verteilt, dieses hierauf durch Erwärmung flüssig macht und anschließend durch Kühlung bei Aufrechterhaltung des die Partikeln gruppierenden und ausrichtenden elektrischen Feldes wieder verfestigt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffpartikeln in einem flüssigen, polymerisierbaren dielektrischen Material verteilt werden und daß dieses unter Aufrechterhaltung des die Partikeln gruppierenden und ausrichtenden elektrischen Feldes bis zur Verfestigung polymerisiert wird.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Journal of the Optical Society of America, Bd. 42,

   1952, S. 850 bis 854;
   französische Patentschriften Nr. 1 022 220,

   ι 070 598, ι 075 643.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ©609 660/341 10.56 (609 863 4. 57)