FI91272C - Sähköluminoiva elementti - Google Patents

Description

91272 Såhkoluminoiva elementti. - Elektroluminescerande element.

Keksinnosså on kyse fluorisoivasta runko-osasta. Tarkemmin sanoen, kyseesså on fluorisoiva runko-osa, jolla on uuden-tyyppinen luminoiva mekanismi, jota voidaan edullisesti kåyttåa valmistettaessa eri tyyppisiå såhkoluminoivia (EL) elementtejå.

Fluorisoivia runko-osia, joita kaytetaan EL-elementtien valmis-tamiseen, tunnetaan useaa tyyppiå. Ne kåsittåvåt pååasiassa luminoivaa ainetta, kuten ZnS ja sisaltavat aktivaattoreina alkuaineita Cu, Cl, I, Al, Mn jne. Niiden yhdistelmiin sisålty-vat (ZnS;Cu, Cl), (ZnS:CU, I), (ZnS:Cu, Al) ja (ZnSiCu, Mn).

Kun mihin tahansa tallaiseen fluorisoivaan runko-osaan kohdis-tetaan jannite aktivaattorin herattamiseksi, on tarpeen asettaa vahintaan 10^ V/cm:n jannite tasavirtakentåssa. Såhkokentan, jota yleensa kaytetaan EL-elementtiin, voimakkuus on kuitenkin esim. 1-3 x 104 V/cm ja tåma voimakkuus on itseasiassa tarpeek-si suuri heråttamaan aktivaattori. Ylempana mainitunlainen fluorisoiva runko-osa sisåltaa enemman kuparia kuin yksikåan tavanomaisentyyppinen fluorisoiva runko-osa, joita kaytetaan katodisåteiden herattamiseen jne., niin ettå Cux saattaa saos-tua luminoivan materiaalin (ZnS) kidevirheessa tax raerajalla ja muodostaa jakopinnan ZnS:n kanssa maarittelemalla energia-kynnyksen, joka mahdollistaa sahkokentan, jonka voimakkuus on vahintaan 10® V/cm, osittaisen synnyn. Tama on fluorisoivan runko-osan luminoiva mekanismi.

Fluorisoivan runko-osan sanotaan olevan monikiteinen aine 30, jonka rakenteen halkaisija on useita kymmenia mikroneja ja joka . sisaltaa 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 lapinåkyvaan elektrodiin, joka si-jaitsee lasilevylla tai kalvolla, muodostaakseen siile luminoi- 2 van kerroksen ja siihen liitetåån vastaelektrodi samalla kun nåiden våliin luodaan eristyskerros.

Luminoivan kerroksen, joka sijaitsee EL-elementisså, kuten ylempånå on mainittu, paksuus on esim. 50-100 mikronia, kun luminoivan runko-osan rakeen halkaisija on useita kymmenia mikroneja. Jos kåytetåån luminoivaa runko-osaa, jonka rakeen koko on pienempi, on mahdollista muodostaa luminoiva kerros, jonka paksuus on pienempi ja joka on tasaisempi ja tiheåmpi, joka tekee sen sopivammaksi kåytånnon sovellutuksiin.

Joukkoa menetelmia on siksi kåytetty tuottamaan fluorisoiva runko-osa, jolla on pienempi rakekoko. Nåihin kuuluu etsaus ja mekaaninen murskaus tai luokittelu. Nåiden menetelmien perin-teisillå tuotteilla on kuitenkin ollut joukko haittoja, mukaan-lukien alhainen luminanssi. Koska fluorisoivassa runko-osassa on luminoiva mekanismi luminoivan materiaalin kidevirheesså tai raerajalla, sen luminanssi riippuu suuresti niiden koosta tai lukumååråstå. Jos kidevirheitå jne. lisåtåån luminoivan meka-nismin lisååmiseksi, fluorisoivalla runko-osalla on ainoastaan rajallisesti kiteisyyttå. Kaikki tavanomaiset ylempana mainitut menetelmat voivat ainoastaan våhentåå fluorisoivan runko-osan kokoa esim. tasolle kolme mikronia. Tåmå våhennystaso jopa vahingoittaa kidettå, sen sijaan, ettå se olisi tehokas. Siksi ei tåhån asti ole ollut muuta vaihtoehtoa kuin kåyttåå fluori-soivaa runko-osaa, jossa on useampien kymmenien mikronien suuruinen rakeenhalkaisija, jotta saavutettaisiin kåytånnon kompromissi kiteisyyden ja luminoivan mekanismin suorituskyvyn vålille. On ollut luonnollisesti mahdotonta saada aikaan luminoiva kerros, jolla on riittåvån pieni paksuus ja riittåvån suuri tasaisuus ja tiheys. Sen takia on ollut vaikeata aikaan-saada fluorisoivaa runko-osaa, joka mahdollistaisi suuren luminesenssitehokkuuden, joka toimisi matalalla jånnitteellå ja suurella kirkkaudella.

91272 3

Keksinnon tarkoituksena on vålttåå aikaisempien, ylempånå mai-nitunlaisten sovellusten haitat ja aikaansaada fluorisoiva runko-osa, jossa on uudentyyppinen luminoiva mekanismi, joka mahdollistaa suuren luminesenssitehokkuuden, suuren luminanssin ja joka toimii matalalla jånnitteellå.

Tåmån keksinnon keksijå on tarmokkaasti tutkinut mahdollisuutta saavuttaa luminoiva mekanismi, joka eroaa jokaisesta tunnetusta tavanomaisesta sovellutuksesta ja aikaansaada korkea lumine-senssitehokkuus jne. pååståkseen keksinnon tarkoitukseen.

Tuloksena hånellå on ollut, ettå tarkoitukseen pååståån, kun ultrahienorakeisen luminoivan mekanismin pinnalle muodostetaan oksidi-, nitridi- jne. kalvo, jotta saadaan aikaan luminoiva mekanismi.

Keksinnon kohteena oleva såhkoluminoiva elementti, joka kåsit-tåå såhkoluminoivan kerroksen, jossa on fluorisoiva runko-osa, joka sisåltåå aktivaattorin sisåltåviå luminoivaa ainetta ole-via rakeita, jotka on dispergoitu orgaaniseen sideaineeseen, on tunnettu siitå, ettå mainittujen rakeiden koko on useasta sa-dasta useaan tuhanteen ångstromiå (1 ångstrom = 10-1® m) ja niiden pintakerros on muodostettu eri aineesta kuin luminoiva aine, mainitun pintakerroksen muodostaessa luminoivan mekanismin måårittelevån heterorajapinnan mainitun luminoivan aineen ja mainitun pintakerroksen vålissa, jolloin mainittu pintakerros sisåltåå saman metallisen elementin kuin mainittu luminoiva aine ja on muodostettu mainitun luminoivan aineen metallin ok-sidista, nitridistå tai kloridista kaasuatmosfåårisså tapahtu-van pintakåsittelyn avulla.

Kuviot 1 ja 2 esittåvåt kaavamaisia kuvauksia laitteesta, jota voidaan kåyttåa ultrahienorakeisen fluorisoivan runko-osan val-mistamiseen, joka ilmentåå kyseistå keksintoå, kuvion 1 esittå-esså laitetta leimahdushoyrystyksen suorittamiseen kaasussa, 4 kun taas kuvio 2 esittåa pyorresintraustyyppista såhkosulatus-uunia.

Kuvio 3 on poikkileikkaus mittaus-EL-elementistå.

Kuviot 4 ja 5 ovat diagrammeja, jotka esittavat ultrahienora-keisen fluorisoivan runko-osan emissiospektrejå, jotka ilmen-tavat kyseistå keksintoå verrattuna vastaavasta aineesta teh-tyihin, kuvion 4 esittåesså valoluminesenssispektria, kun taas kuvio 5 esittåa sahkoluminesenssispektriå.

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

Keksinnonmukainen fluorisoiva runko-osa koostuu ultrahienoista rakeista. Mainituilla rakeilla on yleensa lukuisia piirteitå, kuten 1 suuri tarkoin maaratty pinta, 2 suuri kiteistyvyys ja 3 erittain pieni halkaisija suunnilleen useasta sadasta useaan tuhanteen ångstromia (1 ångstrom = 10”^ m)# Keksinnonmukainen fluorisoiva runko-osa kayttaa naita piirteitå tehok-kaasti hyvaksi, kuten kuvataan seuraavassa.

Luminoivan aineen, kuten esim. ZnS:n, ultrahienojen rakeiden pinnat on paallystetty 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 voi-deltu tai kasitelty muulla tavalla, jotta se muodostaisi siile p-tyypin (tai n-tyypin) puolijohdekalvon, jonka avulla muodostuu p-n-rajapinta. Heterorajapinta tai p-n-rajapinta maaritte-lee uudenlaisen luminoivan mekanismin luminoivan aineen pinnan laheisyydessa. Koska ultrahienoilla rakeilla on hyvin suuri tarkoin maaratty pinta, luminoiva mekanismi pitaa hallussaan suurta alaa ja siksi mahdollistaa suuren kirkkauden. Lisaksi ultrahienojen rakeiden kiteistyvyys mahdollistaa suuren luminesenssitehokkuuden. Siten piirteet 1 ja 2 kaytetaan tehokkaasti hyvåksi.

91272 5

Piirre 3 merkitsee, ettå luminoivalla aineella, jota kaytetaan tuottamaan keksinnonmukainen fluorisoiva runko-osa, on esim. kaksi lukua pienempi rakeenhalkaisija kuin perinteisesti kaytetylla aineella. Ultrahienot rakeet voivat muodostaa lumi-noivan kerroksen, jolla hyvin pieni paksuus, johon voidaan kayttaa erittain voimakasta sahkokenttaa, Nain olien, keksin-nonmukaista fluorisoivaa runko-osaa voidaan kayttaa tuottamaan EL-elementti, jonka kirkkaus on suuri tai jota voidaan kayttaa matalalla jannitteella. Se voi myos muodostaa kalvon, jolla on suuri tiheys, mika tekee mahdolliseksi pistematriisin muodosta-misen.

Mainitut ultrahienot rakeet voidaan valmistaa ZnS:n lisaksi myos mista tahansa sopivasta luminoivasta aineesta, kuten SrS, CaS, (Y202S:En3+), (Ζη2$ίθ4:Mn2+) tai (ZnO:Zn), monenlaisella fysikaalisella tai kemiallisella menetelmalla. Fysikaalisten menetelmien esimerkit sisaltavat lukuisia menetelmia haihdutta-misen suorittamiseksi kaasussa kayttamalla vastuskuumennusta, leimahdushoyrystysta, plasmasuihkukuumennusta, induktiokuumen-nusta, elektronisadekuumennusta, lasersådekuumennusta tai ruis-kutusta. Kemiallisten menetelmien esimerkit sisaltavat kaasu-vaihemenetelmia, jotka kayttavat sahkosulatusuunia, kemiallista liekkia, plasmaa tai laseria, saostumismenetelmia joihin kuuluu kerasaostus, hydrolyysi, tasainen saostus, hapettava hydrolyysi ja pelkistys seka liuottavia haihdutusmenetelmiå, joihin kuuluu pakastekuivaus, ruiskukuivaus ja ruiskulampohajaantuminen. Jokaista menetelmaa voidaan kayttaa, jos se vain tuottaa ultra-hienoja rakeita.

Kerros, joka on muodostettu luminoivasta aineesta eriavasta 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, selenidistå, telluridista, fosfidista tai syanidista muodostet-tu kerros.

Tåmån keksinnon ultrahienorakeinen fluorisoiva runko-osa ja sen tuottamiseen kåytetettåvå menetelmå selostetaan nyt tarkemmin esimerkein. Seuraavan esimerkin tarkoitus ei luonnollisesti ole rajoittaa keksinnon kåyttomahdollisuuksia.

Esimerkki

Luminoivan aineen ultrahienot rakeet valmistetaan menetelmållå, joka kåyttåå iskukuumennusta kaasussa tapahtuvaa haihduttamista vårten. Normaalin menetelmån mukaan, joka kåyttåå vastuskuumen-nusta yms. haihduttamiseen kaasussa, haihdutettava aine kuumen-netaan jalokaasuilmakehåsså, jossa on våhennetty paine ja tu-loksena oleva hoyry keråytyy substraattiin muodostaakseen tåhån ultrahienoja rakeita. Iskukuumennusta kåyttåvån menetelmån mu-kaisesti sopiva luminoivan aineen (esim. ZnS) jauheen ja akti-vaattorin (esim. Mn) jauheen seos kuumennetaan kuviossa 1 esi-tetyn esimerkin tyyppisesså laitteessa. Laite kåsittåå tyhjoas-tian 1, joka tyhjennetåån tyhjåpumpulla 2 ja joka sisåltåå jalokaasua, jolla on useasta torrista useaan sataan torriin oleva alennettu paine. Jauheseos 6 tiputetaan jatkuvasti våhi-tellen korkealåmpoiseen sulatusastiaan 3 våråhtelijållå 4 va-rustettua kourua 5 pitkin. Sulatusastiasta 3 nouseva hoyry keråytyy sen ylåpuoleiseen substraattiin 7 muodostaakseen sii-hen ultrahienoja rakeita 8. Jos sulatusastian 3 låmpotila on tarpeeksi korkea, jauhe, jota tiputetaan våhitellen, kuumenee erittåin nopeasti haihtuvaksi. Tåmå ei ainoastaan tee mahdolli-seksi ultrahienojen rakeiden, joilla on yhteisiå piirteitå nii-den kanssa, joita tuotetaan tavanomaisin menetelmin, haihdutta-miseksi kaasussa, tuottamiseen, vaan myos helpottaa stokiomet-risen suhteen tarkkailua. Tåmå etu saavutetaan myos 91272 7 lasersådekuumennusta kåyttavållå menetelmållå. Taman menetelman mukaisesti haihdutettava aine asetetaan tyhjioastiassa olevaan sulatusastiaan ja lasersade kohdistetaan paikallisesti astian ulkopuolelta ikkunan lapi aineeseen.

Jokainen tavanomainen menetelma haihtumisen suorittamiseksi kaasussa tai ylempånå mainitunlainen muu menetelma voi tie-tenkin olla sopiva valmistamaan ultrahienot rakeet, jotka voidaan kayttaa valmistamaan keksinnonmukainen fluorisoiva runko-osa.

Ultrahienot rakeet edellyttavat sitten låmpokåsittelyå, minka avulla aktivaattori (esim. Mn) hajaantuu ja pintakasittelyå, jonka avulla muodostetaan oksidikalvo, nitridikalvo jne.

Kuvio 2 esittåå esimerkin avulla laitetta, jolla mainitut kasittelyt voidaan suorittaa. Kyseesså on pyorresintraustyyppi-nen sahkosulatusuuni, joka kasittaa kvartsilasiputken 9, lasi-filtterin 10, joka sisaltyy uuniin, putkea 9 ymparoivan såhkoi-sen kuumennuskåamin 11, tiehyen 13 argonkaasun johtamiseen put-keen 9, tiehyen 14 typpikaasun johtamiseen putkeen 9 ja tiehyen 15 happikaasun johtamiseen putkeen 9.

Sopiva maara ultrahienoja rakeita 8 asetetaan filtterille 10, jossa on reikia kaasun lapikulkemiseksi. Kun argonkaasu on johdettu tiehyeeseen 13 puhdistaakseen putken 9, putken 9 poh-jalle johdetaan typpikaasua ja varahtelija 12 laitetaan reso-noimaan putkea 9, niin etta ultrahienot rakeet 8 voivat muodos-taa pyorresintratun alustan. Putki 9 ja siksi myos pyorresint-rattu alusta kuumennetaan sopivan lampoisiksi kaamilla 11, niin etta aktivaattori (Mn) voi hajota ultrahienojen rakeiden lapi.

Sen jalkeen typpikaasun syotto keskeytetaan ja putken 9 pohjalle johdetaan happikaasu, samalla kun kuumennuskaami 11 pidetaan toiminnassa. Happikaasun syotto jatkuu sopivan kauan, 8 niin ettå ultrahienojen rakeiden pinnat voivat hapettua. Sitten syotto keskeytetåån ja typpikaasun syottoå jatketaan uudestaan, minkå jålkeen ultrahienojen rakeiden oksidaatio on saatu pååtokseen.

Ultrahienojen rakeiden kåsittelyllå pyorresintratussa alustassa on paljon etuja. Esimerkiksi, on mahdollista kuumentaa rakeet tasaisesti, saattaa happikaasu tasaiseen kosketukseen rakeiden kanssa ja eståå rakeiden sintrautuminen.

Kuviossa 3 esitetyn rakenteen mukainen mittaus-EL- elementti valmistettiin kåyttåmållå ultrahienorakeista fluorisoivaa run-ko-osaa, joka valmistettiin ylempånå kuvatunlaisesti. Lumine-senssikoe suoritettiin kåyttåmållå jånnitettå EL-elementtiin. Elementti kåsitti luminoivan kerroksen 18, joka sisålsi ultra-hienorakeisen runko-osan 16, joka oli hajaantunut orgaaniseen sideaineeseen 17, låpinåkyvåån elektrodiin (ITO) 19 ja vasta-elektrodiin 20, joiden våliin luminoiva kerros 18 oli puristet-tu, sekå liukulasin 21, joka oli kiinnitetty låpinåkyvåån elektrodiin 19. Vertauksen vuoksi saman rakenteen elementti oli tehty ZnS:n, joka ei ollut ollut pintahapetus kåsittelysså, ultrahienoista rakeista.

Molemmat elementit edellyttivåt valoluminesenssi- (PL) ja såhkoluminesenssi (EL) -koetta. Kuvio 4 esittåå emissiospek-trejå, jotka saavutettiin PL-kokeesta ja kuvio 5 emissio-spektrejå, jotka saatiin EL-kokeesta.

Kuten tåstå tulee selvåksi, keksinnonmukaisen fluorisoivan runko-osan sisåltåvå aine osoitti valoemissiota, joka johtuu Mn:n heråttåmisestå 575 nm:n aallonpituuden låheisyydesså tuloksena sekå PL- etta EL-kokeesta. Toisaalta, verratava aine ei osoittanut mitåån samanlaista emissiota tuloksena EL-kokeesta, vaikka se osoittikin samanlaisen emission PL-kokeen tuloksena (kuvio 4). Seikka, ettå sekå keksinnonmukainen aine ettå 91272 9 verrattava aine osoittivat valoemissiota johtuen Mn:n heratta-misestå PL-kokeen tuloksena vahvisti Mn:n hajaantumisen akti-vaattorina ZnS:n ultrahienoiksi rakeiksi. Tuloksena EL-kokees-ta tosin vain keksinnonmukainen aine osoittivat valoemissiota.

. Tama seikka opettaa meille, etta ZnO, joka oli syntynyt ZnS:n ultrahienojen rakeiden pintojen hapetuksella, sulki sisaansa ZnS:saa, joka oli tuloksena luminoivaa mekanismia maarittelevan jakopinnan ZnO:n ja ZnS:n muodostuksessa.

Vaikka keksinnonmukaisen fluorisoivan runko-osan tuottaminen on kuvailtu suorituksena, jossa kaytetaan kuvioissa 1 ja 2 esitet-tya laitetta, on tietenkin mahdollista kayttåa mita tahansa muuta menetelmaa tai laitetta. Esimerkiksi on mahdollista kåyt-taa typen sijasta toista jalokaasua tai hapen sijasta toista hapettavaa kaasua.

Keksinto koskee ultrahienorakeista fluorisoivaa runko-osaa, jolla on uudenlainen luminoiva mekanismi, joka on muodostettu ultrahienorakeisen luminoivan aineen pintaan, kuten ylempana on kuvattu. Silla on mm. seuraavia etuja: (1) Koska ultrahienojen rakeiden, joilla on erittain suuri tarkoin maaratty pinta, pintoja kaytetaan hyvaksi muodostamaan luminoiva mekanismi, silla on myos korkean kirkkauden mahdol-listava suuri tarkoin maaratty pinta.

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

Tallaisella luminoivalla kerroksella on korkea sahkokenttavoima jannitteen asettamisen jalkeen ja nain olien se mahdollistaa pistematriisin muodostamisen.

10 (3) Kun perinteinen fluorisoiva runko-osa on monikiteinen runko-osa, jolla on paljon kidevirheita, keksinnonmukaisen fluo-risoivan runko-osan voi valmistaa yhdestå alnoasta kiteesta, jos kaytetaan sopivaa menetelmaa. Joka tapauksessa, juuri fluorisoiva korkeakiteinen runko-osa mahdollistaa suuren lumi-nesenssitehokkuuden.

Sen takia keksinnonmukaista ultrahienorakeista fluorisoivaa runko-osaa voidaan kayttaa tuottamaan EL-elementti, jolla on suuri kirkkaus ja suuri luminesenssitehokkuus ja suuri reso-luutio seka kyky toimia matalalla jannitteella, mita ei ole ollut saatavilla tahan asti.

Claims (4)

91272 11

1. Sahkoluminoiva elementti, joka kåsittåå såhkoluminoivan ker- roksen, jossa on fluorisoiva runko-osa, joka sisaltaa aktivaat-torin sisaltavia luminoivaa ainetta olevia rakeita, jotka on dispergoitu orgaaniseen sideaineeseen, tunnettu siita, etta mainittujen rakeiden koko on useasta sadasta useaan tuhan-teen ångstromiå (1 Angstrom = m) ja niiden pintakerros on muodostettu eri aineesta kuin luminoiva aine, mainitun pinta-kerroksen muodostaessa luminoivan mekanismin måarittelevån heterorajapinnan mainitun luminoivan aineen ja mainitun pinta-kerroksen vålisså, jolloin mainittu pintakerros sisaltaa saman metallisen elementin kuin mainittu luminoiva aine ja on muodostettu mainitun luminoivan aineen metallin oksidista, nitridista tai kloridista kaasuatmosfåårisså tapahtuvan pintakåsittelyn avulla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sahkoluminoiva elementti, tunnettu siita, etta mainittu luminoiva materiaali valitaan ryhmasta, joka sisaltaa yhdisteet ZnS, SrS, CaS, Y2O2S, ZnSi04 ja ZnO, jolloin mainittu aktivaattori valitaan ryhmasta, joka sisaltaa alkuaineet Cu, Cl, I, Al, Mn ja Eu.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen sahkoluminoiva elementti, tunnettu siita, etta 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 sahkoluminoiva elementti, tunnettu siita, etta mainittu luminoiva aine on p-tyypin puolijohde ja mainittu kerros on n-tyypin puolijohteen kalvo, jonka avulla mainittu p-n-rajapinta muodostetaan. 12