Електролюмінесцентний пристрій із змінним спектром випромінювання і спосіб його збудження

Запропоновані технічні рішення стосуються автоматики ы обчислювальної техніки, зокрема, багатоколірних тонкоплівкових електролюмінесцентних пристроїв знакозмінної напруги, ы можуть бути використані при побудові кольорових індикаторів. Відома електролюмінесцентна структура із змінним спектром випромінювання за заявкою Японії №49 - 39318, публ. 1974р.: ИЗР. вып.36, №7, 1975г. МКИ1 H01L17/00 (МКИ5 H05B33/00), яка містить у собі два електролюмінесцентних шари різного кольору свічення, які розташовані один над одним і розміщені між двома прозорими діелектричними шарами; між електролюмінесцентними плівками знаходяться переривчастий електрод і ще один прозорий діелектричний шар; на вільній поверхні одного із зовнішніх (по відношенню до електролюмінесцентного шару) діелектриків є шар резистора, електричний опір якого змінюється під впливом зовнішнього (видимого, інфрачервоного, ультрафіолетового, і т.д.) випромінювання. Цю структуру розміщено між двома прозорими струмопровідними електродами. Спосіб збудження електролюмінесцентної структури включає подачу на електроди, спільні для обох електролюмінесцентних шарів, збуджуючої напруги; подачу електричної напруги на переривчастий електрод; дію на структуру зовнішнього випромінювання. Останнє викликає зміну опору резистора, що веде до перерозподілу збуджуючої напруги між шарами структури. При слабкому опромінюванні відбуваються невеликі зміни опору резистора і при цьому відбувається випромінювання в основному одного електролюмінесцентного шару, при сильному другого. Таким чином, завдяки наявності в структурі резистора із змінним опором досягнено можливості перебудови спектру випромінювання. Недоліками структури є: 1) вузький робочий діапазон зміни спектру випромінювання внаслідок обмеженої можливості зміни кольору свічення, оскільки при варіації інтенсивності зовнішнього опромінювання випромінювання пристрою в значній мірі виявляється змішаним внаслідок того, що при засвічуванні електролюмінесцентного шару одного кольору, неможливо повністю виключити свічення другого; 2) низька якість зображення, пов'язана з неможливістю одержання градацій яскравості через неідентичність ходу вольт-яскравісних характеристик електролюмінесцентних шарів різного кольору свічення; 3) зниження яскравості одного з електролюмінесцентних шарів, пов'язане з поглинанням його випромінювання в переривчастому електроді й діелектричному шарі. Відома електролюмінесцентна структура за заявкою Японії №55 - 23439, публ. 1980р., ИЗР. вып.116, №12, 1980г., МКИ5 H05B33/26, G01R13/00, яка містить у собі два електролюмінесцентних шари з різними спектрами випромінювання, що розташовані поруч один з одним і знаходяться між двома діелектричними шарами; на зовнішню поверхню одного з них (непрозорого шару діелектрика) нанесено тонкий (декілька мкм) шар резистора, який має нелінійну залежність опору від електричної напруги (наприклад, та інш.); на вільній поверхні останнього знаходиться шар з лінійною залежністю струму від напруги з порівняно високим опором (наприклад, оксид танталу) на бокову поверхню якого нанесено електрод; другим електродом є прозорий струмопровідний шар, який нанесено на вільну поверхню другого (прозорого) шару діелектрика. Електролюмінесцентну структуру збуджують способом підведення збуджуючої напруги на спільні для обох електролюмінесцентних шарів електроди. Управління спектром випромінювання здійснюють шляхом зміни величини збуджуючої напруги. Це досягається завдяки лінійному зменшенню падіння збуджуючої напруги в шарі з лінійною провідністю. Внаслідок цього більш віддалені від останнього ділянки електролюмінесцентного шару через недостатню величину збуджуючої напруги не засвічуються, а ближчі ділянки при цьому світяться. При збільшенні напруги підвищується потенціал дальньої частини шару з лінійною провідністю, а внаслідок нелінійності опору шару нелінійного резистора величина напруги, яка падає на дальніх ділянках електролюмінесцентного шару, різко збільшується, що приводить до засвічування віддалених ділянок, а при великій їх площі порівняно з площею близьких ділянок буде мати перевагу спектр випромінювання останніх. Завдяки тому, що в цій структурі перерозподіл збуджуючої напруги між електролюмінесцентними шарами здійснюється шляхом використання в ній нелінійного резистора, можливо виключити з його складу переривчастий електрод і діелектричний шар між електролюмінесцентними шарами, що залишає непослабленим випромінювання дальнього електролюмінесцентного шару. Недоліками структури є: 1) вузький робочий діапазон зміни спектру випромінювання через обмежену можливість вибору кольору свічення внаслідок того, що при зміні величини збуджуючої напруги при засвічуванні дальніх ділянок панелі (одного кольору свічення) неможливо повністю виключити внесок ближніх, тобто другого кольору свічення; 2) низька якість зображення, оскільки неможливо одержати градації яскравості без зміни кольору свічення через неідентичність ходу вольтяскравісних характеристик електролюмінесцентних шарів різного кольору свічення, а також внаслідок того, що при підвищенні збуджуючої напруги змінюється площа електролюмінесцентного шару, що світиться; 3) обмеження розміру світловипромінюючої області, що обумовлено необхідністю використання як світловипромінюючий шар високоомного матеріалу. За прототип вибрано електролюмінесцентну структуру Із змінним спектром випромінювання за заявкою Японії №60 - 15115, публ. 1986р., ИСМ, вип.128, №11, 1985г., МКИ5 H05B33/14, який складається з двох тонкоплівкових світловипромінюючих шарів із однієї і тієї ж напівпровідникової речовини, але легованих різними домішками, розташованих безпосередньо один над одним і розміщених між двома діелектричними шарами, на вільних поверхнях яких розташовані струмопровідні шари, один із яких прозорий. Спосіб збудження електролюмінесцентної структури включає на струмопровідні шари спільної для обох електролюмінесцентних шарів знакозмінної електричної напруги. Завдяки тому, що в цій структурі використано електролюмінесцентні шари із однієї і тієї ж речовини, але легованої різними домішками (тобто, які мають близкі пороги засвічування) і внаслідок неідентичного ходу вольт - яскравісних характеристик цих шарів була досягнена деяка можливість зміни спектру випромінювання електролюмінесцентної структури при одноканальному її збудженні. Завдяки тому, що в цій структурі не потрібен високоомний матеріал для електродів, є можливість розширити лінійні розміри випромінюючої світло області. Недоліками структури є: 1) вузький робочий діапазон зміни спектру випромінювання через те, що в ній можливо збуджувати лише свічення змішаного кольору, оскільки при спільних електродах для шарів із різним кольором свічення неможливо впливати окремо на яксравість кожного кольору; 2) низька якість зображення через неможливість одержання градацій яскравості внаслідок неідентичності ходу вольтяскравісних характеристик електролюмінесцентних шарів різного кольору свічення без спотворення кольору свічення; 3} обмеження на вибір матеріалів для електролюмінесцентних шарів, що пов'язане з необхідністю їх підбору за принципом близьких значень порогу засвічування. У всіх відомих електролюмінесцентних структурах із змінним спектром випромінювання використовувалися два різного кольору свічення електролюмінесцентні шари при одноканальному збудженні і при цьому можна було одержувати змішане випромінювання, або здійснювалося лише переважне висвічування того чи іншого шару, що досягалося за допомогою ускладнення структури, при цьому при зміні яскравості відбувалося спотворення кольору свічення. Це завжди приводило до звуження діапазону (по довжинах хвиль) зміни спектру випромінювання структури і до неможливості одержання градацій яскравості без спотворення кольору свічення. Таким чином, всі відомі електролюмінесцентні структури із змінним спектром випромінювання і з одноканальним збудженням мають вузький робочий діапазон довжин хвиль спектру випромінювання при низькій якості зображення. Запропонованими технічки и рішеннями вирішується задача розширення робочого діапазону за спектром випромінювання і підвищення якості зображення електролюмінесцентної структури з одноканальним збудженням, яка містить у собі, у всякому разі, два тонкоплівкові електролюмінесцентні шари різного кольору свічення, шляхом введення до складу структури п'єзоелектричного перетворювача МГц-діапазону, що випромінює у структуру ультразвукові коливання інтенсивністю (0,2 - 1,0) × 104Вт/м2, які впливають на поріг засвічування окремих електролюмінесцентних шарів, що дає можливість за допомогою зміни інтенсивності ультразвукових коливань і величини збуджуючої напруги змінювати яскравість шарів різного кольору свічення і тим самим збільшувати кількість кольорів і відтінків і регулювати яскравість зображення без спотворення кольору. Тонкоплівкова електролюмінесцентна структура має у своєму складі два або більше електролюмінесцентних шарів різного кольору, свічення, яких розміщено поруч один з одним між діелектричними шарами, на вільні поверхні яких нанесено спільні для всіх електролюмінесцентних шарів струмопровідні шари (електроди); електролюмінесцентні шари зроблено із сульфіду цинку (один з них з домішкою другий П'єзоелектричний перетворювач являє собою п'єзоелектричну керамічну пластину, з металізованими плоскими поверхнями. Його суміщено із електролюмінесцентною структурою з боку непрозорого струмопровідного шару через прозорий буфер за допомогою акцетичної зв'язки. На фіг.1 показано електролюмінесцентну структуру; 1, 2 - електролюмінесцентні шари різного кольору свічення; 3, 4 - діелектричні шари; 5, 6 -струмпровідні шари; 7 - буфер; 8 п'єзоелектричний перетворювач. На фіг.2 приведено вольт-яскравісні характеристики електролюмінесцентних шарів різного кольору свічення: В - яскравість, збуджуюча напруга, напруга на п'єзоелектричному перетворювачі, криві шар де - шар На фіг.3 показано двокольорову структуру: С скляна основа; З - шар зеленого кольору свічення; О - оранжового; - діелектричні шари; - електроди. На фіг.4 зображено вольт-яскравісні характеристики структури, зображеної на фіг.3. Криві 1, 2, 3 - шар - шар з (при всіх значеннях Спосіб збудження структури включає подачу на струмопровідні шари знакозмінної збуджуючої напруги і одночасно з цим збуджують у них ультразвукові коливання МГц діапазону інтенсивністю (0,2 - 1,0) × 104Вт/м2. Збудження ультразвукових коливань в електролюмінесцентній структурі здійснюють шляхом подачі на п'єзоелектричний перетворювач змінної електричної напруги При і при при умові, що де і - пороги засвічування електролюмінесцентних шарів 1 і 2, відповідно, буде світитися лише шар 1, а при - одночасно обидва шари (1 і 2). При вводі в структуру ультразвукових колисань (тобто при як це було виявлено авторами експериментально, починаючи з деякого значення буде зменшуватися поріг засвічування електролюмінесцентних шарів, при цьому зміщення порогу в шарах різного кольору свічення здійснюється при різних величинах внаслідок різних фізичних процесів, що в них відбуваються під впливом ультразвукових коливань. При відповідному виборі першого і другого шарів можливо досягти значного (на 20 30В) зміщення порогу засвічування в одному з них, при практичній відсутності зміщення порогу в другому при одних і тих же значеннях Комбінацію значень (фіг.2). при фіксованому значенні одержують як роздільне, так і сумісне випромінювання електролюмінесцентних шарів різного кольору. Величину яка забезпечує певний колір свічення, знаходять експериментально. Нижня і верхня границя частоти і амплітуди зумовлені інтенсивністю ультразвукових коливань яку вводять в електролюмінесцентні шари. При не відбувається порогу засвічування електролюмінесцентних шарів; зміщення відомих при можуть виникнути необоротні зміни в електролюмінесцентних шарах. Запропонований спосіб збудження кольорової структури дозволяє одержувати бажане співвідношення яскравостей свічення шарів різного кольору свічення шляхом зміни величини при фіксованих значеннях Це відкриває можливість збільшувати кількість кольорів і відтінків, тобто приводить до розширення робочого діапазону спектру випромінювання пристрою. З другого боку, при фіксованому співвідношенні яскравості шарів різного кольору за допомогою варіації величин змінювати сумарну яскравість і (фіг.2, можна криві Це дає можливість одержувати ряд послідовних градацій яскравості без спотворення кольору, тобто цим підвищується якість зображення. Досі для простоти міркувань ми розглянули кольорову структуру лише з двома шарами різного кольору свічення. Викладене вище може бути перенесене на електролюмінесцентні структури з трьома електролюмінесцентними шарами різного кольору свічення, якщо вони будуть по-різному відчувати вплив ультразвукових коливань. Суттєвою відмітною ознакою запропонованих нами технічних рішень є наявність п'єзоелектричного перетворювача МГц діапазону у складі заявленого пристрою і одночасна подача на електролюмінесцентну структуру збуджуючої напруги і введення в неї ультразвукових коливань МГц діапазону інтенсивністю (0,2 - 1,0) × 104Вт/м2 в запропонованому способі. Завдяки зміщенню вольт-яскравісних характеристик під впливом ультразвукових коливань в електролюмінесцентних шарах виникає можливість управління спектром випромінювання і яскравістю структури. Таким чином, наявність п'єзоелектричного перетворювача і електролюмінесцентних шарів із сульфіду цинку, легованого марганцем, і сульфіду цинку, легованого фторидом тербію, та одночасне із збуджуючого напругою введення в електролюмінесцентну структуру ультразвукових коливань МГц діапазону інтенсивністю (0,2 - 1,0) × 104Вт/м2 приводить до розширення робочого діапазону спектру випромінювання при підвищенні якості зображення. Механізм знайденого авторами ефективного впливу ультразвукових коливань на поріг засвічування одних електролюмінесцентних шарів (наприклад, при його незмінності в інших (наприклад, в складний і ще до кінця не з'ясований. Ймовірно, що він полягає в ось у чому. Відомо, що засвічування електролюмінесцентного шару відбувається при такому значенні збуджуючої напруги, коли забезпечується, по-перше, наявність вільних носіїв і, по-друге, надання їм енергії, достатньої для збудження центрів свічення. Тобто існує 2 пороги засвічування: за концентрацією та за прискоренням носіїв. Під впливом ультразвукових коливань, як ми вважаємо, відбувається поява або активація постачальників електронів (поверхневих електричних станів на границях розділу діелектрик-електролюмінесцентний шар) із зниженою енергією активації. Це повинно полегшити перехід з таких енергетичних центрів у зону провідності електролюмінесцентного шару. Якщо має місце поріг засвічування за концентрацією - ультразвукові коливання на нього впливають, якщо за прискоренням носіїв - то ні. Таким чином, виходячи із викладеного механізму, при одночасному впливі ультразвукових коливань на електролюмінесцентні Шари, можна вибірково впливати лише на окремі із них, що дає змогу управляти випромінюванням декількох електролюмінесцентних шарів при одному єдиному каналі збудження. Завдяки тому, що при введенні ультразвукових коливань в електролюмінесцентний шар зменшується його засвічування, відбувається підвищення яскравості при тій самій збуджуючій напрузі. Можливість підвищення яскравості одного із електролюмінесцентних шарів без зміни яскравості інших відкриває можливість зрівняти яскравість електролюмінесцентних шарів, які є у складі пристрою, без ускладнення схем збудження. Можливість управління порогом засвічування різних шарів структури дає змогу розширити вибір електролюмінесцентних матеріалів при створенні структури. Зниження робочої напруги внаслідок зниження порогу засвічування шарів структури приводить до підвищення надійності його роботи. Приклад. Тонкоплівкова електролюмінесцентна структура, яку одержано вакуумним розпорошенням, містить у собі розташовані поруч один з одним (фіг.3) пари двох тонких (товщиною ~0,6мкм) електролюмінесцентних шарів оранжового зеленого і кольору свічення відповідно, які розміщені між тонкими (~0,2мкм) діелектричними шарами із на вільні поверхні яких нанесено спільні для обох електролюмінесцентних шарів струмопровідні шари - прозорий із і непрозорий із Електролюмінесцентна структура суміщена з боку електроду (через шар сіліконового масла і буфер) із п'єзоелектричним перетворювачем з резонансною частотою 5,3МГц. Перетворювач має вигляд пластини, яку виготовлено із п'єзокераміки типу ЦТС-23. Для збудження структури на спільні для обох електролюмінесцентних шарів електроди подають збуджуючу електричну напругу (Ub) з частотою 5кГц і з регульованою амплітудою. Одночасно з нею на п'єзоелектричний перетворювач подають електричну напругу з частотою 5,3МГц теж з регульованою амплітудою. Оптичні характеристики пристрою (колір і яскравість) задають комбінацією значень за допомогою командних сигналів, які надходять від логічної схеми системи управління. На фіг.4 показано такі характеристики. При 124В до 133В і при зелений, при від колір свічєння - оранжовий, а при проміжних значеннях одержують набір змішаних кольорів з перевагою тих чи інших відтінків. Розглядаючи перетин кривих 1 і 4, 3 і 4, неважко зробити висновок, що в запропонованій структурі можливо регулювати яскравість без спотворення кольору. При можливо здійснити вирівнювання яскравості випромінювання зеленого і оранжового шарів структури. Таким чином, наявність в електролюмінесцентній структурі із змінним спектром випромінювання п'єзоелектричного перетворювача МГц діапазону приводить до розширення робочого діапазону спектру випромінювання з можливістю управління, яскравістю без спотворення кольору, тобто при підвищенні якості зображення, а також до можливості управління яскравістю випромінювання електролюмінесцентних шарів різного кольору свічення безподаткового ускладнення структури і, завдяки зниженню порогу засвічування одного із електролюмінесцентних шарів, - до підвищення надійності його роботи. Електролюмінесцентна структура із змінним спектром випромінювання, яку взято нами за прототип, за заявкою Японії №60 - 15115, публ. 1985р.: ИСМ, вып.128, №11, 1985г. МКИ4 H05B33/14 - має таку техніко-економічну перевагу: можливість перебудови спектру випромінювання при одноканальному збудженні. Запропоновані технічні рішення, зберігаючи техніко-економічну перевагу прототипу, мають наступні: - можливість вирівнювання яскравостей різних кольорів; - підвищення надійності роботи; - підвищення світлотехнічних характеристик (регулювання яскравості); розширення інформаційної ємності (збільшення кількості кольорів і відтінків), - розширення вибору матеріалів для електролюмінесцентних шарів. Заявлені технічні рішення можуть знайти застосування при створенні багатоколірних пристроїв з одноканальним збудженням, зокрема там, де потрібна фіксація інформації, що надходить непередбачено.