книги из ГПНТБ / Прикладная электролюминесценция

нйя затрачиваемая мощность возрастает, так как в этом случае максимальное значение Л при Х = 0 не превыша­ ет 0,2. Соответственно потери равны

Таким образом, при расчете электролюминесцентных устройств необходимо учитывать потери мощности, неиз­ бежно возникающие в аппаратуре, формирующей воз­ буждающее напряжение.

Вторым важным обстоятельством, встречающимся в 'электролюминесцентных устройствах, является требо­ вание быстрой коммутации постоянных по величине ЭЛК, т. е. проблема создания кратковременных импульсов на­ пряжения на ЭЛК, для этого обычно используются П-образные импульсы двух типов: с синусоидальным за­ полнением и без него. Число периодов синусоиды в од­ ном импульсе обычно невелико и не превышает 3— 10. Поэотому целесообразно, чтобы длительность фронтов импульса не превышала одного — двух периодов сину­ соиды.

Начнем рассмотрение с первого случая. Затухание в контуре происходит тем быстрее, чем ниже доброт­ ность контура. При быстром затухании колебаний доб­ ротность будет порядка единицы. Учитывая, что доброт­ ность Q = (£>L/2= l/(i)C3a R tt l, получим

Отсюда следует, что и в этом случае потери определяют­ ся величиной реактивной мощности.

Рассмотрим случай прямоугольных импульсов. Для формирования импульсного напряжения выходное сопро­ тивление, как и в предыдущих случаях, должно содер­ жать активную составляющую, иначе возникает длитель­ ный колебательный процесс.

Полная энергия, затрачиваемая генератором на им­ пульсное возбуждение ЭЛК, складывается из потерь энергии при зарядке конденсатора и рассеивания энер­ гии, запасенной в конденсаторе в процессе его разряда. Простейший расчет показывает, что потери за период импульсного напряжения Т равны друг другу и в сумме составляют СЭЛД2. Соответственно полная мощность, за­ трачиваемая на возбуждение, равна

W=:CBXU*/T. (3.36)

151

Эта формула эквивалентна формулам (3.29), (3.33) й (3.35), поэтому следует сделать существенный для даль­ нейшего вывод: эффективность является важнейшим па­ раметров электролюминесцентных приборов, и именно из величины эффективности необходимо исходить при оцен­ ке параметров таких устройств. -

Этот вывод является общим, так как самые различ­ ные формы напряжения могут быть сведены к формам напряжений, рассмотренным выше.

Зависимость эффективности от условий возбуждения

Итак, в большинстве случаев эффективность ЭЛК опре­ деляется уравнением

На рис. 3.22 и 3.23 приведены кривые, характеризующие зависимость эффективности от частоты и напряжения. Из рис. 3.22 следует, что функция G(f) для большинства

ЭЛК имеет максимум, положение которого сдвигается в область больших частот при увеличении напряжения. Функция G(U) имеет также максимум, положение кото­ рого зависит от частоты и с ее ростом сдвигается в сто­ рону больших напряжений (рис. 3.23).

152

Г л а в а 4

ТЕХНОЛОГИЯ И КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ПРИБОРОВ

Факторы, определяющие яркость свечения ЭЛК, мож­ но резделить на следующие группы:

—условия возбуждения;

—свойства люминофора;

—свойства связующего;

—конструкция ЭЛК (соотношение люминофора и диэлектрика, толщина слоя).

Влияние условий возбуждения на яркость свечения

изложено в § 3.2 и 3.3. Ниже приведены сведения, каса­ ющиеся роли свойств люминофора и связующего в ЭЛК и их соотношения в слое.

4.1. РАСЧЕТ ВЛИЯНИЯ СВОЙСТВ И КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО СЛОЯ

Формула, описывающая вольт-яркостную характери­ стику ЭЛК, может быть приближенно применена и к от­ дельной частице электролюминофора:

где U4 — напряжение на частице, а Ьч— коэффициент, характеризующий электролюминофор.

В работе ( 1 ] показано, что напряженность поля на ча­

стице в ЭЛК приближенно равна

154

Яркость свечения большого числа одинаковых частиц в ЭЛК будет равна сумме световых потоков от отдель­ ных частиц. Записывая эту яркость в обычной форме, приходим к выражению

Здесь Вх— дока неизвестный коэффициент, зависящий от параметров ЭЛК, а коэффициент b равен [1 ]

электролюминофора пропорционально l/dcp2. На свето­ вой поток ЭЛК также сильно влияет величина V. Это влияние сложно и будет пока учтено функцией f(V), ко­ торую мы частично расшифруем в дальнейшем. Кроме того, яркость свечения ЭЛК зависит от 6 . Каждый по­

следующий слой будет создавать световой поток, кото­ рый пройдет через слои, расположенные выше и осла­ биться ими. Это значит, что Вх содержит в качестве со­ множителя возрастающую функцию Г (6 ), стремящуюся

Формулы (4.3) и (4.4) позволяют даже без знания функ­ ций f(V) сделать ряд интересных выводов:

1. Влияние на коэффициент о параметров ЭЛК. Ко­ эффициент Ь, с которым имеет дело конструктор и раз­ работчик приборов, является сложной функцией большо­

го количества факторов. Коэффициент b растет с умень­ шением flfCp *по закону b со 1 У dcp. Этот вывод подтверж­ дается большим числом экспериментальных данных. Ко­ эффициент b снижается с уменьшением толщины ЭЛК и

повышением б связующего (6 ~ ф^б). Это дает наиболее

простой путь изменения b в желаемую сторону. Увеличе­ ние V приводит к падению Ь, если е < еэл, или к его воз­

растанию, е С Л И 8 > Бэл-

Однако величина b еще характеризует основной «вы­ ходной» параметр ЭЛК — нелинейность его вольт-яр- костной характеристики. Показатель нелинейности s

155

йоЛьТ-яркоетной характеристики, представленной в виде (3.13) В со Vs, связан с Ь соотношением (гл. 8)

Очевидно, что с ростом напряжения на ЭЛК s падает. Подбирая U, всегда можно поставить два разных ЭЛК в такие условия, чтобы их нелинейности оказались оди­ наковыми. Яркости их при этом могут различаться весь­ ма сильно. Поэтому сравнение нелинейностей вольт-яр- костных характеристик необходимо проводить при оди­ наковых яркостях. С учетом этого обстоятельства прове­ дем анализ функции s —f(dcpj 6).

2 . Влияние на s параметров ЭЛК. Считая, что В и f(V) у данной серии ЭЛК заданы из формулы (4.5), по­ лучаем зависимость s от 6 и dcр в следующем виде:

Из уравнения (4.7) следует, что показатель нелиней­ ности s медленно растет с увеличением б, вплоть до на­ сыщения функции f'(b). Согласно экспериментальным данным 5 растет до тех пор, пока толщина ЭЛК будет соответствовать примерно 6 мг/см2. Физически причина

роста s ясна: увеличение толщины повышает число излу­ чающих частиц и при постоянной яркости ЭЛК напря­ жение на частице снижается. Это равносильно увеличе­ нию s [формула (4.6)]. Уменьшение dcр увеличивает s при любых условиях возбуждения. Величина s не зави­ сит от е и 8 эл, что также подтверждается эксперимен­

тально.

3. Зависимость яркости ЭЛК от его параметров.

Уменьшение диаметра частиц электролюминофора увели­ чивает количество светящихся частиц (l/= co n st), что учитывается членом 1/<70 р2 [см. (4.5)], уменьшает член exp (—b/ УТГ) и увеличивает s. Совместное действие этих факторов приводит к тому, что всегда имеется об­ ласть напряжений, где яркость более мелкозернистого электролюминофора ниже. Повышение напряжения ме­ няет положение на обратное. Зависимость яркости от толщины очевидна и не нуждается в пояснениях.

Формула (4.5) позволяет четко сформулировать усло­ вия, при которых дальнейшее увеличение е нецелесооб­ разно. Для этого необходимо учесть, что яркость как функция 8 эл имеет вид

156

Отсюда видно, что при условий

дальнейшее увеличение ei не будет сказываться на ярко­ сти. Как показывает опыт, достаточно, чтобы

Значения, вычисленные по формуле (4.10), приведе­ ны в табл. 4.1. Последнее значение V в этой таблице со­ ответствует плотнейшей упаковке сферических частиц. Как видно из таблицы, предельное значение е сильно зависит от величины V.

Таблица 4.1

Предельные значения отношения е диэлектрика к е9Л люминофора для различных объемных концентраций V

Рассмотрим теперь, как влияет V на яркость и нели­ нейность ЭЛК. Ясно, что увеличение V одновременно приводит к нескольким следствиям: растет общее коли­ чество частиц и каждый слой излучает больший свето­ вой поток; возрастает непрозрачность слоев и световой поток от нижерасположенных слоев затухает более интен­ сивно; растет число контактирующих частиц.

Последнее обстоятельство наиболее важно. Действи­ тельно, непосредственный контакт между частицами резко повышает проницаемость барьера между ними. Поэтому контактирующие частицы являются как бы ча­ стицами с удвоенным диаметром (или утроенным в зави­ симости от их числа). Поэтому вольт-яркостная харак­ теристика будет иметь вид

157

и уменьшает s и b, так как растет dcv. Совместное дей­ ствие трех указанных факторов приводит к тому, что из­ менение V сложным образом влияет на В, s и Ь. В зави­ симости от значений е и еэл величины В и s могут моно­ тонно возрастать с увеличением V или проходить через максимум. Можно рассчитать все экспериментальные зависимости, однако расчеты громоздки, так как свя­ заны с подсчетом количества двойных, тройных и про­ чих контактов и их вклада в полный световой поток.

Изменение диаметра частиц электролюминофора ме­ няет характер зависимости B(U). Поэтому необходимо рассмотреть влияние разброса частиц по размерам. Рас­ четом и экспериментом показано, что для среднего раз­ мера частиц в слое функция B(U) в системе координат

In В, 1 / У U остается прямой, но ее наклон лежит между

значениями, соответствующими самому малому и само­ му большому диаметрам частиц. Поэтому заметное уменьшение Ь начинается сразу же после начала интен­ сивного контактообразования между частицами. Можно считать, что учет частиц только одного размера [см. (4.3)] не приводит к ошибкам, если в расчеты вводить средний размер частиц, определяемый гранулометрией.

В заключение покаже'м, как исходя из общих сообра­ жений-можно найти оптимальную толщину б0пт- ЭЛК при заданном среднем размере частиц dcv. Толщина слоя связана с dCp и числом однокристаллических слоев лю­ минофора «ел ЭЛК соотношением

(разумеется, если напряжение на каждом слое сохраня­ ется постоянным), определяется условием

получаем окончательную формулу для оптимальной толщины слоя

158

Дальнейшее увеличение б даст прирост яркости не более чем на несколько процентов. При 0,73^У ^О ,3 коэффициент при dcp лежит в пределах 5,3—2,8, что хо­ рошо согласуется с опытом. С учетом формулы (4.14) выражение (4.4) упрощается и для оптимального по толщине конденсатора имеет вид

4.2. ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ СВЯЗУЮЩЕГО ДИЭЛЕКТРИКА

Исходя из принципа устройства ЭЛК легко указать основные функции связующего диэлектрика. Он выпол­ няет роль биндера для люминофора, защищает слой от пробоя, от влияния атмосферной влаги. Поэтому к нему предъявляются следующие требования: прозрачность для видимого света, хорошая адгезия к токопроводящйм слоям, достаточная величина пробивного напряжения, химическая инертность по отношению к люминофору и материалу электродов, стабильность диэлектрических характеристик и хорошая влагостойкость.

Во время работы ЭЛК люминофор и связующее на­ ходятся в переменном электрическом поле, которое рас­ пределяется между ними в зависимости от их диэлек­ трических свойств. Величиной, определяющей яркость свечения ЭЛК, является значение напряженности поля на люминофоре. Теоретическая зависимость этой напря­ женности от диэлектрических свойств люминофора и связующего имеет вид.

электрическое поле (средняя напряженность поля, при­ ложенного к слою).

Путем замены в уравнении (4.16) диэлектрических постоянных связующего и люминофора комплексными величинами

е = « '— f'e",

Бэл = , 8 эл 18 эл,

(4.17)

где e" = 8 /,tg 6 noT, можно после математических преобра­

зований привести это уравнение к виду, позволяющему

159