Что, если я скажу вам, что существуют светящиеся конденсаторы, которые могут быть использованы в качестве элементов дисплеев?
Несмотря на странное, на первый взгляд, утверждение, всё более, чем реально, и, мало того, известно около века...
Связана такая возможность с практическим применением эффекта электролюминесценции, под которым понимается свечение твёрдых тел под воздействием на них электрического тока или поля.
Первые наблюдения электролюминесценции были отмечены ещё в 1898 году, когда учёный Браун в ходе своих экспериментов наблюдал свечение электродов в ванне. В нашей стране наблюдение этого эффекта впервые задокументировано в 1923 году, когда О. В. Лосев наблюдал свечение места контакта люминофора и электрода, во время прохождения электрического тока через кристаллы.
Однако на тот момент природа этого явления ему была непонятна, и он думал, что свечение возникает из-за недостаточного контакта, из-за чего проскакивают разряды и наблюдается нагрев кристаллов.
Открытый эффект его сильно увлёк, и он исследовал его в течение ряда лет, доказав, что наблюдается именно новый эффект, где свечение вещества обусловлено прямым переходом электричества в свет, без нагрева самого вещества (то есть свет излучается не за счёт нагрева).
Параллельно с ним, в 1936 году подобный эффект был открыт во Франции Ж. Дестрио, который наблюдал свечение люминофоров, находящихся под воздействием переменного электрического поля.
Для наблюдения этого явления необходимо было, чтобы люминофор находился между двумя токопроводящими пластинами, где сам люминофор выступает в роли изолятора, и таким образом вся конструкция представляет собой конденсатор.
Для того, чтобы это явление могло быть практически применено, один из электродов должен быть прозрачным (чтобы мы могли видеть излучаемый свет).
При этом было обнаружено, что если напряжение поля достаточно велико, то в качестве такого люминофора могут выступать многие вещества. Однако, тем не менее было обнаружено, что особо яркое свечение при условно низких значениях напряжённости поля можно получить, если в качестве люминофоров используются соединения цинка, из которых особняком стоит сульфид цинка (ZnS), активированный добавлением примесей меди, марганца и другими соединениями.
Выше было упомянуто о напряжённости поля, а всё-таки о какой напряжённости идёт речь? На практике было выявлено, что свечение люминофоров наблюдается при значениях в 104-105 степенях напряжённости, а иногда даже 103 в/см.
Также было обнаружено, что явление электролюминесценции зависит не от напряжения, а от напряжённости поля, что на практике означает, что могут быть изготовлены светящиеся элементы, питаемые любым напряжением. При этом потребуется только варьировать толщину такого элемента.
При этом наблюдается противоречие: для достижения равномерного свечения требуется, чтобы толщина люминофора была достаточно большой. В то же время, чтобы люминофор устойчиво светился при малых напряжённостях поля, необходимо, чтобы толщина люминофора была как можно более малой.
На практике было обнаружено, что минимальное напряжение, при котором ещё наблюдается свечение тонких слоёв люминофора, составляет 8,5-9 в.
Люминофоры могут быть порошковыми и плёночными: порошковые представляют собой собственно порошок люминофора, смешанный с каким-либо связующим (смола, эмаль, пластики и т. д.) — и поэтому, так как в составе люминофора содержится диэлектрик, такой порошковый люминофор может работать только при подаче переменного напряжения, диапазон частот которого обычно лежит в пределах 400-1400 Гц.
Здесь требуется небольшое пояснение: в литературе этот момент чётко не поясняется, но насколько я понимаю, потребность в переменном напряжении связана с эффектом диэлектрической проницаемости. То есть когда на диэлектрик воздействует электрическое поле, то в таком диэлектрике происходит пространственная переориентация зарядов таким образом, что в сторону положительного электрода разворачиваются отрицательные заряды, а в сторону отрицательного электрода — положительные. Насколько я понимаю, в физике это явление рассматривают с точки зрения так называемых «диполей», в роли которых выступают положительно заряженное ядро атома и отрицательно заряженные электроны:
Таким образом, ядро атома оказывается смещённым в одну сторону, а орбита электронов становится вытянутой и образуется такое своеобразное «яйцо».
Такой процесс называется «поляризацией диэлектрика», и в ходе такого пространственного перетекания зарядов наблюдается электрический ток, который быстро угасает после окончательной пространственной переориентации диполей.
Соответственно, чтобы вызвать ток, направленный в другую сторону, требуется поменять полярность приложенного напряжения (либо, насколько я понимаю, применить переменное напряжение — об этом ниже).
Кроме того, в явном виде об этом не говорится, но насколько я понимаю, ориентация диполей при пропадании электрического поля не сохраняется и возвращается к некому предыдущему равновесному состоянию.
Это означает, что теоретически питание не обязательно должно осуществляться переменным напряжением, а, по идее, достаточно и импульсного (это утверждение — мой логический вывод, и требует ещё подтверждения; но, по крайней мере, приведённый ниже пример с графиком яркости при питании прямоугольными импульсами прямо свидетельствует об этом).
В целом, описанное выше, — моё понимание происходящего. Надеюсь, физики меня поправят, если что ;-)
В то же время, существуют ещё и плёночные люминофоры, которые создаются с помощью процесса термического испарения и осаждения в вакууме, в ходе которого образуется плёнка толщиной порядка 0,2 мкм. А ввиду того, что в составе таких люминофоров отсутствует диэлектрик, они могут работать при постоянном токе.
В общем случае, срок службы плёночных люминофоров меньше порошковых.
Что касается толщины, то типовая толщина слоя порошкового люминофора находится в пределах 25-100 мк и работает под интервалом напряжений 100-600 в, где ёмкость получившегося конденсатора, при толщине слоя в 100 мк составляет порядка 100 пф/см2, а при прочих равных, яркость условно толстого элемента больше, чем условно тонкого.
Электролюминесценция кристаллических структур объясняется нарушениями кристаллической решётки, которые называют «центрами свечения» в кристалле.
Причиной появления этих центров свечения является активирование кристаллической решётки инородными атомами-активаторами, содержание которых относительно велико.
Причём такое активирование может быть применено с использованием более чем одного типа атомов, — такие люминофоры называют многократно активированными.
Например, если сульфид цинка (ZnS) был активирован атомами меди и свинца одновременно, то от такого люминофора возможно получение разного цвета свечений на разных частотах: 60-800 Гц — зелёное свечение, более 800 Гц — голубовато-зелёное, с переходом в чисто-голубое при очень высоких частотах (конкретную частоту голубого свечения в литературе не удалось найти).
Также разный цвет свечения может быть получен и с помощью другого подхода: например, смешивается малое количество материала 1, с большим количеством материала 2 — в таком случае, при подаче питания условно низкой частоты будет светиться материал 1, а при подаче условно высокой частоты — материал 2.
Ещё одним подходом является изготовление многослойного «бутерброда», состоящего из люминофоров разного типа, перемежающихся прозрачными пластинами электродов — это даст возможность гибко управлять цветом, незначительно меняя частоту. Но минусом является то, что устройство получится относительно сложным.
При этом общим правилом является то, что повышение частоты приводит к цветовому сдвигу, направленному в область более коротких волн.
После отключения питающего напряжения большинство типов люминофоров демонстрируют быстрое затухание свечения. Например, для сульфида цинка, легированного марганцем, время затухания составляет 0,5 микросекунды.
Выше неоднократно было сказано о том, что потенциальные вещества-люминофоры должны быть «легированы» (или «активированы» — если использовать другую терминологию), для того чтобы они начали проявлять свои люминесцентные свойства.
Что под этим подразумевается: если совсем по-простому, то диффузия атомов одного материала в другой материал.
Например, выше было сказано о том, что сульфид цинка может быть легирован медью, — для этого порошок сульфида цинка отжигают с ограниченным доступом атмосферы и добавлением CuCl или Сu (1% от массы ZnS) при температуре порядка 800 °C, в течение 3 часов, после чего порошок выдерживается при полном доступе атмосферы порядка 30 часов. Благодаря такой обработке порошок сульфида цинка приобретает люминесцентные свойства.
Учитывая то, что порошок сульфида цинка представляет собой дешёвый краситель (белого цвета) и добавляется в больших количествах тоннами в лакокрасочные материалы, это означает, что он может быть куплен за весьма скромные деньги любым желающим для своих собственных опытов и легирован, с целью превращения его в люминесцентный порошок — что открывает возможности для самодельщиков ;-)
Какие цвета можно получить с помощью добавок: выше уже было сказано, что при добавлении атомов меди и свинца можно получать голубое и зелёное свечение.
Кроме этого, известны следующие варианты свечения:
- при применении серебра можно можно получить ярко-синий цвет, с максимальной яркостью, находящейся на 450 нм,
- легирование марганцем даёт оранжево-красный цвет на 590 нм.
Как уже выше было сказано, одними из наиболее эффективных электролюминесцентных материалов являются сульфиды, и на картинке ниже для примера показано, как меняется яркость свечения сульфида цинка, в зависимости от напряжения, которое прикладывается к нему:
Если в качестве объекта для возбуждения выступает порошковый люминофор, к которому прикладывается переменное электрическое поле, то такой люминофор начинает излучать также переменный свет (т. е. мерцающий), частота мерцания которого вдвое превосходит частоту питающего напряжения. При этом, если возбуждение происходит волнами синусоидальной формы, то соответствующая им форма графиков яркости не будет правильной — то есть максимальное излучение света люминофором не будет совпадать с максимальным приложенным напряжением:
Форма таких графиков яркости зависит от множества причин (частота, величина напряжения, тип люминофора и т. д.), при этом было замечено, что органические люминофоры имеют более правильные графики яркости, чем неорганические.
Однако для цифровой техники особое значение имеет то, как выглядят графики яркости, при питании прямоугольными импульсами:
От того, какой люминофор используется, а также каковы параметры импульсного питающего напряжения, зависят высоты двух пиков, наблюдающихся на графиках, а также соотношение этих высот относительно друг друга.
Примечание: ниже будет пара примеров видео, где показаны самодельные устройства на основе эксплуатации эффекта электролюминесценции, и там под одним из видео зритель оставил очень, на мой взгляд, полезный комментарий, основанный на его личном опыте, касательно формы импульса питающего напряжения. По его мнению, эффективной формой является трапецеидальная, а ещё лучше — треугольная с закруглёнными вершинами (так как острый кончик вершины даёт слишком большой ток и всплеск помех).
При этом, по его мнению, существует некий предел, повышение частоты выше которого приводит только к увеличению протекающего тока и увеличению тепловыделения (с соответствующим уменьшением ресурса, так как меньше ток — больше ресурс наработки на отказ: при условно малом токе и, соответственно, условно малой яркости, устройство может работать без проблем годами).
Дополнительно он там пишет, что в качестве наилучших прозрачных проводников следует использовать некие проводники от компании AGFA, а в качестве наилучших металлических проводников подложки выступает гальваническое серебрение поверхности.
Возможно, эта информация будет полезна для тех, кто будет делать самодельные устройства…
Кстати, о самодельных устройствах — мы подошли к самому любопытному разделу этой статьи :-)
Но для начала ещё раз повторим, в более подробном варианте, как выглядит структура типовой электролюминесцентной ячейки (слово «ячейка» не должно вводить в заблуждение и ассоциироваться с малым размером — размер не ограничен и может быть и 1х1 метр и т. д.):
Следует сказать, что такая подсветка использовалась и во вполне себе заводских устройствах, например, как показано на рисунке ниже, в качестве задней подсветки ЖК-дисплея:
Или, в качестве подсветки приборной панели, как показано ниже, на примере Dodge Charger, 1966 года:
В наше же время умельцы, используя подобную технологию, создают поистине поразительные решения — как вам, например, светящиеся элементы, нанесённые прямо на криволинейную поверхность автомобиля и включаемые произвольно? А ведь это вполне реально, и тогда получится нечто вот такое:
Насколько я понимаю, в этом случае в качестве прозрачного электрода использовался состав (нанесённый с помощью обычного пистолета-распылителя), наподобие PEDOT:PSS, который после нанесения был покрыт сверху обычным лаком для автомобилей (для защиты его от вредных факторов окружающей среды…).
Ниже показан ещё один очень любопытный пример применения электролюминесценции: здесь автор постарался повторить аутентичный дисплей типа DSKY, использовавшийся в прошлом, в космической миссии «Аполлон».
Вкратце, что было проделано:
- он купил в электронном магазине прозрачный электрод, в качестве которого выступило обычное стекло, с нанесённым на него токопроводящим слоем оксида индия-олова (ITO),
- после чего напылил на него из обычного покрасочного пистолета слой люминофора (ZnS),
- далее, также с помощью покрасочного пистолета, нанёс слой изолятора — титаната бария BaTiO3,
- после высыхания нанёс сверху, с применением шелкографии, токопроводящие дорожки, с помощью краски на основе порошка графита со связующим (подробнее о таком типе проводников и их использовании есть вот тут),
- изготовил двустороннюю печатную плату, где на одной стороне были нанесены медные дорожки, рисунок которых дублировал цифры, нанесённые на предыдущем этапе токопроводящей краской,
- изготовил соответствующую электронику.
Тут требуется небольшое пояснение одного момента, который будет, скорее всего, непонятен с первого взгляда: почему он продублировал рисунок цифр, нанесённых краской — ещё и с помощью медных дорожек?
Всё очень просто: так как люминофор будет светиться только в тех местах, где на него будет воздействовать проводник, это подразумевает, что проводник должен максимально плотно прилегать к нижележащему слою. По определению, невозможно достичь плотного прилегания металлических дорожек.
Поэтому он использовал в качестве некоего посредника условно толстые и вязкие цифры, нанесённые краской: когда к ним плотно прижимаются медные дорожки — они несколько расплющиваются, создавая более плотный электрический контакт, чем тот, который бы получился просто при прижимании медных дорожек к стеклянной пластине напрямую.
И даже если медные дорожки не будут плотно где-то прилегать к дорожкам из краски — достаточно будет только частичного контакта медных дорожек с краской и этого будет уже достаточно для отображения чётких контуров цифр, так как краска уже плотно контактирует с нижележащим слоем.
Ну и, собственно, само видео этого процесса:
И, как обычно, в таких видео самое интересное — это комментарии, где один человек поделился своей историей, как они, ещё в семидесятых годах, добавляли порошок сульфида цинка в полиэтилен и экструдировали его, изготавливая таким образом светящуюся плитку для пола, и происходило это ещё в школе.
Насколько я понимаю, так как на дворе на тот момент были семидесятые годы — таким образом они получили светящиеся плитки для оформления пола школьной дискотеки в «стиле диско» :-)
Но ещё более интересным является следующее видео, где показано, что светящийся «бутерброд» может быть создан на любой поверхности!
А именно (далее все слои наносятся с применением обычного пистолета-распылителя):
- на поверхность наносится токопроводящий слой (медный металлик), после чего зашкуривается, чтобы на нём не было острых элементов, которые могли бы проткнуть слои и вызвать короткое замыкание между проводниками (медным и прозрачным),
- наносится изолятор — титанат бария,
- наносится прозрачный электрод — состав PEDOT:PSS.
На этом всё! Останется только подключить медный слой и прозрачный электрод — к переменному напряжению, и мы имеем ярко светящийся экран! Насколько можно судить по цвету свечения, — в качестве люминофора использован ZnS, легированный марганцем:
Вот таким нехитрым образом можно получать светящиеся поверхности!
Некий минус только заключается в том, что от такой поверхности можно получить хороший такой удар током, учитывая, что используется высокое напряжение :-)
Причём он там же говорит, что таким образом можно наносить состав и на криволинейные поверхности, например, на 3D-печатные объекты, что открывает очень интересные возможности.
Подытоживая, можно сказать, что несмотря на то, что история технологии электролюминесценции насчитывает порядка века, она ещё не потеряла свою актуальность и предоставляет весьма интересные возможности, любому желающему!
Список использованных источников
- В. В. Сердюк, Ю. Ф. Ваксман — «Люминесценция полупроводников»
- Г. Б. Богатов — «Электролюминесценция и возможности её применения»
- А. Мицкевич: статья «Люминесценция» — журнал «Техника Молодёжи», №2, 1961 г.
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
