FI91272B - Sähköluminoiva elementti - Google Patents

Description

91272 Sähköluminoiva elementti. - Elektroluminescerande element.

Keksinnössä on kyse fluorisoivasta runko-osasta. Tarkemmin sanoen, kyseessä on fluorisoiva runko-osa, jolla on uudentyyppinen luminoiva mekanismi, jota voidaan edullisesti käyttää valmistettaessa eri tyyppisiä sähköluminoivia (EL) elementtejä.

Fluorisoivia runko-osia, joita käytetään EL-elementtien valmistamiseen, tunnetaan useaa tyyppiä. Ne käsittävät pääasiassa luminoivaa ainetta, kuten ZnS ja sisältävät aktivaattoreina alkuaineita Cu, Cl, I, Ai, Mn jne. Niiden yhdistelmiin sisältyvät (ZnS;Cu, Cl), (ZnS;CU, I), (ZnS:Cu, AI) ja (ZnS:Cu, Mn).

Kun mihin tahansa tällaiseen fluorisoivaan runko-osaan kohdistetaan jännite aktivaattorin herättämiseksi, on tarpeen asettaa vähintään 10® V/cm:n jännite tasavirtakentässä. Sähkökentän, jota yleensä käytetään EL-elementtiin, voimakkuus on kuitenkin esim. 1-3 x 104 V/cm ja tämä voimakkuus on itseasiassa tarpeeksi suuri herättämään aktivaattori. Ylempänä mainitunlainen fluorisoiva runko-osa sisältää enemmän kuparia kuin yksikään tavanomaisentyyppinen fluorisoiva runko-osa, joita käytetään katodisäteiden herättämiseen jne., niin että Cux saattaa saostua luminoivan materiaalin (ZnS) kidevirheessä tai raerajalla ja muodostaa jakopinnan ZnS:n kanssa määrittelemällä energia-kynnyksen, joka mahdollistaa sähkökentän, jonka voimakkuus on vähintään 10® V/cm, osittaisen synnyn. Tämä on fluorisoivan runko-osan luminoiva mekanismi.

Fluorisoivan runko-osan sanotaan olevan monikiteinen aine 30, jonka rakenteen halkaisija on useita kymmeniä mikroneja ja joka . sisältää CuxS 31, kuten ilmenee kuviosta 6. Kun valmistetaan dispersiotyypin EL-elementti, sekoitetaan fluorisoiva runko-osaan, jonka rakeen halkaisija on esim. 20-30 mikronia, esim. sideainetta. Seos asetetaan läpinäkyvään elektrodiin, joka sijaitsee lasilevyllä tai kalvolla, muodostaakseen sille luminoi- 2 van kerroksen ja siihen liitetään vastaelektrodi samalla kun näiden väliin luodaan eristyskerros.

Luminoivan kerroksen, joka sijaitsee EL-elementissä, kuten ylempänä on mainittu, paksuus on esim. 50-100 mikronia, kun luminoivan runko-osan rakeen halkaisija on useita kymmeniä mikroneja. Jos käytetään luminoivaa runko-osaa, jonka rakeen koko on pienempi, on mahdollista muodostaa luminoiva kerros, jonka paksuus on pienempi ja joka on tasaisempi ja tiheämpi, joka tekee sen sopivammaksi käytännön sovellutuksiin.

Joukkoa menetelmiä on siksi käytetty tuottamaan fluorisoiva runko-osa, jolla on pienempi rakekoko. Näihin kuuluu etsaus ja mekaaninen murskaus tai luokittelu. Näiden menetelmien perinteisillä tuotteilla on kuitenkin ollut joukko haittoja, mukaanlukien alhainen luminanssi. Koska fluorisoivassa runko-osassa on luminoiva mekanismi luminoivan materiaalin kidevirheessä tai raerajalla, sen luminanssi riippuu suuresti niiden koosta tai lukumäärästä. Jos kidevirheitä jne. lisätään luminoivan mekanismin lisäämiseksi, fluorisoivalla runko-osalla on ainoastaan rajallisesti kiteisyyttä. Kaikki tavanomaiset ylempänä mainitut menetelmät voivat ainoastaan vähentää fluorisoivan runko-osan kokoa esim. tasolle kolme mikronia. Tämä vähennystaso jopa vahingoittaa kidettä, sen sijaan, että se olisi tehokas. Siksi ei tähän asti ole ollut muuta vaihtoehtoa kuin käyttää fluori-soivaa runko-osaa, jossa on useampien kymmenien mikronien suuruinen rakeenhalkaisija, jotta saavutettaisiin käytännön kompromissi kiteisyyden ja luminoivan mekanismin suorituskyvyn välille. On ollut luonnollisesti mahdotonta saada aikaan luminoiva kerros, jolla on riittävän pieni paksuus ja riittävän suuri tasaisuus ja tiheys. Sen takia on ollut vaikeata aikaansaada fluorisoivaa runko-osaa, joka mahdollistaisi suuren luminesenssitehokkuuden, joka toimisi matalalla jännitteellä ja suurella kirkkaudella.

91272 3

Keksinnön tarkoituksena on välttää aikaisempien, ylempänä mainitunlaisten sovellusten haitat ja aikaansaada fluorisoiva runko-osa, jossa on uudentyyppinen luminoiva mekanismi, joka mahdollistaa suuren luminesenssitehokkuuden, suuren luminanssin ja joka toimii matalalla jännitteellä.

Tämän keksinnön keksijä on tarmokkaasti tutkinut mahdollisuutta saavuttaa luminoiva mekanismi, joka eroaa jokaisesta tunnetusta tavanomaisesta sovellutuksesta ja aikaansaada korkea luminesenssi tehokkuus jne. päästäkseen keksinnön tarkoitukseen.

Tuloksena hänellä on ollut, että tarkoitukseen päästään, kun ultrahienorakeisen luminoivan mekanismin pinnalle muodostetaan oksidi-, nitridi- jne. kalvo, jotta saadaan aikaan luminoiva mekanismi.

Keksinnön kohteena oleva sähköluminoiva elementti, joka käsittää sähköluminoivan kerroksen, jossa on fluorisoiva runko-osa, joka sisältää aktivaattorin sisältäviä luminoivaa ainetta olevia rakeita, jotka on dispergoitu orgaaniseen sideaineeseen, on tunnettu siitä, että mainittujen rakeiden koko on useasta sadasta useaan tuhanteen ängströmiä (1 angstrom = 10-1® m) ja niiden pintakerros on muodostettu eri aineesta kuin luminoiva aine, mainitun pintakerroksen muodostaessa luminoivan mekanismin määrittelevän heterorajapinnan mainitun luminoivan aineen ja mainitun pintakerroksen välissä, jolloin mainittu pintakerros sisältää saman metallisen elementin kuin mainittu luminoiva aine ja on muodostettu mainitun luminoivan aineen metallin oksidista, nitridistä tai kloridista kaasuatmosfäärissä tapahtuvan pintakäsittelyn avulla.

Kuviot 1 ja 2 esittävät kaavamaisia kuvauksia laitteesta, jota voidaan käyttää ultrahienorakeisen fluorisoivan runko-osan valmistamiseen, joka ilmentää kyseistä keksintöä, kuvion 1 esittäessä laitetta leimahdushöyrystyksen suorittamiseen kaasussa, 4 kun taas kuvio 2 esittää pyörresintraustyyppistä sähkösulatus-uunia.

Kuvio 3 on poikkileikkaus mittaus-EL-elementistä.

Kuviot 4 ja 5 ovat diagrammeja, jotka esittävät ultrahienora-keisen fluorisoivan runko-osan emissiospektrejä, jotka ilmentävät kyseistä keksintöä verrattuna vastaavasta aineesta tehtyihin, kuvion 4 esittäessä valoluminesenssispektriä, kun taas kuvio 5 esittää sähköluminesenssispektriä.

Kuvio 6 on kaaviomainen kuva perinteisesti tunnetun fluorisoivan runko-osan rakeesta.

Keksinnönmukainen fluorisoiva runko-osa koostuu ultrahienoista rakeista. Mainituilla rakeilla on yleensä lukuisia piirteitä, kuten 1 suuri tarkoin määrätty pinta, 2 suuri kiteistyvyys ja 3 erittäin pieni halkaisija suunnilleen useasta sadasta useaan tuhanteen ängströmiä (1 angstrom = 10”^ m). Keksinnönmukainen fluorisoiva runko-osa käyttää näitä piirteitä tehokkaasti hyväksi, kuten kuvataan seuraavassa.

Luminoivan aineen, kuten esim. ZnS:n, ultrahienojen rakeiden pinnat on päällystetty oksidikalvolla, nitridikalvolla jne., jonka avulla muodostuu tietynlainen korkeasti vastustuskykyinen heterorajapinta jakopintaan. Vaihtoehtoisesti, jos luminoiva aine on n-tyypin (tai p-tyypin) puolijohde, sen pinta on voideltu tai käsitelty muulla tavalla, jotta se muodostaisi sille p-tyypin (tai n-tyypin) puolijohdekalvon, jonka avulla muodostuu p-n-rajapinta. Heterorajapinta tai p-n-rajapinta määrittelee uudenlaisen luminoivan mekanismin luminoivan aineen pinnan läheisyydessä. Koska ultrahienoilla rakeilla on hyvin suuri tarkoin määrätty pinta, luminoiva mekanismi pitää hallussaan suurta alaa ja siksi mahdollistaa suuren kirkkauden. Lisäksi ultrahienojen rakeiden kiteistyvyys mahdollistaa suuren 91272 5 luminesenssitehokkuuden. Siten piirteet 1 ja 2 käytetään tehokkaasti hyväksi.

Piirre 3 merkitsee, että luminoivalla aineella, jota käytetään tuottamaan keksinnönmukainen fluorisoiva runko-osa, on esim. kaksi lukua pienempi rakeenhalkaisija kuin perinteisesti käytetyllä aineella. Ultrahienot rakeet voivat muodostaa lumi-noivan kerroksen, jolla hyvin pieni paksuus, johon voidaan käyttää erittäin voimakasta sähkökenttää. Näin ollen, keksin-nönmukaista fluorisoivaa runko-osaa voidaan käyttää tuottamaan EL-elementti, jonka kirkkaus on suuri tai jota voidaan käyttää matalalla jännitteellä. Se voi myös muodostaa kalvon, jolla on suuri tiheys, mikä tekee mahdolliseksi pistematriisin muodostamisen.

Mainitut ultrahienot rakeet voidaan valmistaa ZnS:n lisäksi myös mistä tahansa sopivasta luminoivasta aineesta, kuten SrS, CaS, (Y202S:En3+), (Ζη2$χθ4:Mn2+) tai (ZnO:Zn), monenlaisella fysikaalisella tai kemiallisella menetelmällä. Fysikaalisten menetelmien esimerkit sisältävät lukuisia menetelmiä haihduttamisen suorittamiseksi kaasussa käyttämällä vastuskuumennusta, leimahdushöyrystystä, plasmasuihkukuumennusta, induktiokuumen-nusta, elektronisädekuumennusta, lasersädekuumennusta tai ruiskutusta. Kemiallisten menetelmien esimerkit sisältävät kaasu-vaihemenetelmiä, jotka käyttävät sähkösulatusuunia, kemiallista liekkiä, plasmaa tai laseria, saostumismenetelmiä joihin kuuluu kerasaostus, hydrolyysi, tasainen saostus, hapettava hydrolyysi ja pelkistys sekä liuottavia haihdutusmenetelmiä, joihin kuuluu pakastekuivaus, ruiskukuivaus ja ruiskulämpöhajaantuminen. Jokaista menetelmää voidaan käyttää, jos se vain tuottaa ultra-hienoja rakeita.

Kerros, joka on muodostettu luminoivasta aineesta eriävästä aineesta, on kerros, joka voidaan muodostaa luminoivan aineen hapetuksella, nitridoimisella tai muulla keinolla. Kyseeseen 6 tulee mm. luminoivan aineen oksidista, nitridista, sulfidista, kloridista, fluoridista, bromidista, jodidista, sulfoksidista, selenidistä, telluridista, fosfidista tai syanidista muodostettu kerros.

Tämän keksinnön ultrahienorakeinen fluorisoiva runko-osa ja sen tuottamiseen käytetettävä menetelmä selostetaan nyt tarkemmin esimerkein. Seuraavan esimerkin tarkoitus ei luonnollisesti ole rajoittaa keksinnön käyttömahdollisuuksia.

Esimerkki

Luminoivan aineen ultrahienot rakeet valmistetaan menetelmällä, joka käyttää iskukuumennusta kaasussa tapahtuvaa haihduttamista varten. Normaalin menetelmän mukaan, joka käyttää vastuskuumennusta yms. haihduttamiseen kaasussa, haihdutettava aine kuumennetaan jalokaasuilmakehässä, jossa on vähennetty paine ja tuloksena oleva höyry keräytyy substraattiin muodostaakseen tähän ultrahienoja rakeita. Iskukuumennusta käyttävän menetelmän mukaisesti sopiva luminoivan aineen (esim. ZnS) jauheen ja akti-vaattorin (esim. Mn) jauheen seos kuumennetaan kuviossa 1 esitetyn esimerkin tyyppisessä laitteessa. Laite käsittää tyhjöas-tian 1, joka tyhjennetään tyhjäpumpulla 2 ja joka sisältää jalokaasua, jolla on useasta torrista useaan sataan torriin oleva alennettu paine. Jauheseos 6 tiputetaan jatkuvasti vähitellen korkealämpöiseen sulatusastiaan 3 värähtelijällä 4 varustettua kourua 5 pitkin. Sulatusastiasta 3 nouseva höyry keräytyy sen yläpuoleiseen substraattiin 7 muodostaakseen siihen ultrahienoja rakeita 8. Jos sulatusastian 3 lämpötila on tarpeeksi korkea, jauhe, jota tiputetaan vähitellen, kuumenee erittäin nopeasti haihtuvaksi. Tämä ei ainoastaan tee mahdolliseksi ultrahienojen rakeiden, joilla on yhteisiä piirteitä niiden kanssa, joita tuotetaan tavanomaisin menetelmin, haihduttamiseksi kaasussa, tuottamiseen, vaan myös helpottaa stökiomet-risen suhteen tarkkailua. Tämä etu saavutetaan myös 91272 7 lasersädekuumennusta käyttävällä menetelmällä. Tämän menetelmän mukaisesti haihdutettava aine asetetaan tyhjiöastiassa olevaan sulatusastiaan ja lasersäde kohdistetaan paikallisesti astian ulkopuolelta ikkunan läpi aineeseen.

Jokainen tavanomainen menetelmä haihtumisen suorittamiseksi kaasussa tai ylempänä mainitunlainen muu menetelmä voi tietenkin olla sopiva valmistamaan ultrahienot rakeet, jotka voidaan käyttää valmistamaan keksinnönmukainen fluorisoiva runko-osa.

Ultrahienot rakeet edellyttävät sitten lämpökäsittelyä, minkä avulla aktivaattori (esim. Mn) hajaantuu ja pintakäsittelyä, jonka avulla muodostetaan oksidikalvo, nitridikalvo jne.

Kuvio 2 esittää esimerkin avulla laitetta, jolla mainitut käsittelyt voidaan suorittaa. Kyseessä on pyörresintraustyyppi-nen sähkösulatusuuni, joka käsittää kvartsilasiputken 9, lasi-filtterin 10, joka sisältyy uuniin, putkea 9 ympäröivän sähköisen kuumennuskäämin 11, tiehyen 13 argonkaasun johtamiseen putkeen 9, tiehyen 14 typpikaasun johtamiseen putkeen 9 ja tiehyen 15 happikaasun johtamiseen putkeen 9.

Sopiva määrä ultrahienoja rakeita 8 asetetaan filtterille 10, jossa on reikiä kaasun läpikulkemiseksi. Kun argonkaasu on johdettu tiehyeeseen 13 puhdistaakseen putken 9, putken 9 pohjalle johdetaan typpikaasua ja värähtelijä 12 laitetaan resonoimaan putkea 9, niin että ultrahienot rakeet 8 voivat muodostaa pyörresintratun alustan. Putki 9 ja siksi myös pyörresint-rattu alusta kuumennetaan sopivan lämpöisiksi käämillä 11, niin että aktivaattori (Mn) voi hajota ultrahienojen rakeiden läpi.

Sen jälkeen typpikaasun syöttö keskeytetään ja putken 9 pohjalle johdetaan happikaasu, samalla kun kuumennuskäämi 11 pidetään toiminnassa. Happikaasun syöttö jatkuu sopivan kauan, 8 niin että ultrahienojen rakeiden pinnat voivat hapettua. Sitten syöttö keskeytetään ja typpikaasun syöttöä jatketaan uudestaan, minkä jälkeen ultrahienojen rakeiden oksidaatio on saatu päätökseen.

Ultrahienojen rakeiden käsittelyllä pyörresintratussa alustassa on paljon etuja. Esimerkiksi, on mahdollista kuumentaa rakeet tasaisesti, saattaa happikaasu tasaiseen kosketukseen rakeiden kanssa ja estää rakeiden sintrautuminen.

Kuviossa 3 esitetyn rakenteen mukainen mittaus-EL- elementti valmistettiin käyttämällä ultrahienorakeista fluorisoivaa runko-osaa, joka valmistettiin ylempänä kuvatunlaisesti. Lumine-senssikoe suoritettiin käyttämällä jännitettä EL-elementtiin. Elementti käsitti luminoivan kerroksen 18, joka sisälsi ultra-hienorakeisen runko-osan 16, joka oli hajaantunut orgaaniseen sideaineeseen 17, läpinäkyvään elektrodiin (ITO) 19 ja vasta-elektrodiin 20, joiden väliin luminoiva kerros 18 oli puristettu, sekä liukulasin 21, joka oli kiinnitetty läpinäkyvään elektrodiin 19. Vertauksen vuoksi saman rakenteen elementti oli tehty ZnS:n, joka ei ollut ollut pintahapetus käsittelyssä, ultrahienoista rakeista.

Molemmat elementit edellyttivät valoluminesenssi- (PL) ja sähkÖluminesenssi (EL) -koetta. Kuvio 4 esittää emissiospek-trejä, jotka saavutettiin PL-kokeesta ja kuvio 5 emissio-spektrejä, jotka saatiin EL-kokeesta.

Kuten tästä tulee selväksi, keksinnönmukaisen fluorisoivan runko-osan sisältävä aine osoitti valoemissiota, joka johtuu Mn:n herättämisestä 575 nm:n aallonpituuden läheisyydessä tuloksena sekä PL- että EL-kokeesta. Toisaalta, verratava aine ei osoittanut mitään samanlaista emissiota tuloksena EL-kokeesta, vaikka se osoittikin samanlaisen emission PL-kokeen tuloksena (kuvio 4). Seikka, että sekä keksinnönmukainen aine että 91272 9 verrattava aine osoittivat valoemissiota johtuen Mn:n herättämisestä PL-kokeen tuloksena vahvisti Mn:n hajaantumisen akti-vaattorina ZnS:n ultrahienoiksi rakeiksi. Tuloksena EL-kokees-ta tosin vain keksinnönmukainen aine osoittivat valoemissiota. Tämä seikka opettaa meille, että ZnO, joka oli syntynyt ZnS:n ultrahienojen rakeiden pintojen hapetuksella, sulki sisäänsä ZnS:sää, joka oli tuloksena luminoivaa mekanismia määrittelevän jakopinnan ZnO:n ja ZnS:n muodostuksessa.

Vaikka keksinnönmukaisen fluorisoivan runko-osan tuottaminen on kuvailtu suorituksena, jossa käytetään kuvioissa 1 ja 2 esitettyä laitetta, on tietenkin mahdollista käyttää mitä tahansa muuta menetelmää tai laitetta. Esimerkiksi on mahdollista käyttää typen sijasta toista jalokaasua tai hapen sijasta toista hapettavaa kaasua.

Keksintö koskee ultrahienorakeista fluorisoivaa runko-osaa, jolla on uudenlainen luminoiva mekanismi, joka on muodostettu ultrahienorakeisen luminoivan aineen pintaan, kuten ylempänä on kuvattu. Sillä on mm. seuraavia etuja: (1) Koska ultrahienojen rakeiden, joilla on erittäin suuri tarkoin määrätty pinta, pintoja käytetään hyväksi muodostamaan luminoiva mekanismi, sillä on myös korkean kirkkauden mahdollistava suuri tarkoin määrätty pinta.

(2) Koska fluorisoivan runko-osan rakeiden koko on ainoastaan esim. muutamasta sadasta muutamaan tuhanteen ängströmiä (1 angstrom = 10”^® m), on mahdollista muodostaa luminoiva kerros, jolla on hyvin pieni paksuus verrattuna tähän asti mahdolliseen 50-100 mikronin paksuuteen.

Tällaisella luminoivalla kerroksella on korkea sähkökenttävoima jännitteen asettamisen jälkeen ja näin ollen se mahdollistaa pistematriisin muodostamisen.

10 (3) Kun perinteinen fluorisoiva runko-osa on monikiteinen runko-osa, jolla on paljon kidevirheitä, keksinnönmukaisen fluo-risoivan runko-osan voi valmistaa yhdestä ainoasta kiteestä, jos käytetään sopivaa menetelmää. Joka tapauksessa, juuri fluorisoiva korkeakiteinen runko-osa mahdollistaa suuren lumi-nesenssitehokkuuden.

Sen takia keksinnönmukaista ultrahienorakeista fluorisoivaa runko-osaa voidaan käyttää tuottamaan EL-elementti, jolla on suuri kirkkaus ja suuri luminesenssitehokkuus ja suuri resoluutio sekä kyky toimia matalalla jännitteellä, mitä ei ole ollut saatavilla tähän asti.

Claims (4)

91272 11

1. Sähköluminoiva elementti, joka käsittää sähköluminoivan kerroksen, jossa on fluorisoiva runko-osa, joka sisältää aktivaat-torin sisältäviä luminoivaa ainetta olevia rakeita, jotka on dispergoitu orgaaniseen sideaineeseen, tunnettu siitä, että mainittujen rakeiden koko on useasta sadasta useaan tuhanteen ängströmiä (1 Angstrom = 10“10 m) ja niiden pintakerros on muodostettu eri aineesta kuin luminoiva aine, mainitun pintakerroksen muodostaessa luminoivan mekanismin määrittelevän heterorajapinnan mainitun luminoivan aineen ja mainitun pintakerroksen välissä, jolloin mainittu pintakerros sisältää saman metallisen elementin kuin mainittu luminoiva aine ja on muodostettu mainitun luminoivan aineen metallin oksidista, nitridistä tai kloridista kaasuatmosfäärissä tapahtuvan pintakäsittelyn avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähköluminoiva elementti, tunnettu siitä, että mainittu luminoiva materiaali valitaan ryhmästä, joka sisältää yhdisteet ZnS, SrS, CaS, Y2O2S, ZnSi04 ja ZnO, jolloin mainittu aktivaattori valitaan ryhmästä, joka sisältää alkuaineet Cu, Cl, I, Ai, Mn ja Eu.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähköluminoiva elementti, tunnettu siitä, että mainittu luminoiva aine on n-tyypin puolijohde ja mainittu kerros on p-tyypin puolijohteen kalvo, jonka avulla mainittu p-n-rajapinta muodostetaan.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sähköluminoiva elementti, tunnettu siitä, että mainittu luminoiva aine on p-tyypin puolijohde ja mainittu kerros on n-tyypin puolijohteen kalvo, jonka avulla mainittu p-n-rajapinta muodostetaan. 12