Электролюминофор

Электролюминофор — это твёрдотельное вещество, способное преобразовывать электрическую энергию в световое излучение (люминесцировать) под действием электрического поля. Является разновидностью люминофора, в котором возбуждение свечения происходит не за счёт фотонов (фотолюминофор) или потока электронов (катодолюминофор), а непосредственно под воздействием приложенного напряжения. Электролюминофоры используются в качестве активного слоя в электролюминесцентных источниках света (ЭЛИ), индикаторах, подсветке дисплеев и декоративных панелях.

Физические основы

Электролюминесценция возникает в результате рекомбинации носителей заряда (электронов и дырок), инжектированных в полупроводниковый материал или возбуждённых ударным механизмом в сильном электрическом поле. В зависимости от механизма возбуждения различают два основных типа электролюминесценции:

• Инжекционная электролюминесценция — характерна для светодиодов (LED). Происходит при прямом смещении p-n-перехода, когда электроны и дырки рекомбинируют в активной области, излучая фотоны.
• Предпробойная (ударная) электролюминесценция — наблюдается в порошковых и тонкоплёночных электролюминофорах. Возникает в сильных электрических полях (порядка 10⁶ В/см), когда электроны, ускоренные полем, ионизируют центры свечения или возбуждают их ударом.

Основным рабочим параметром электролюминофора является квантовый выход — отношение числа излученных фотонов к числу затраченных электронов. Для практических применений важны также яркость, спектр излучения, пороговое напряжение и срок службы.

Состав и структура

Электролюминофоры представляют собой полупроводниковые соединения, легированные активаторами — примесными ионами, создающими центры люминесценции. Наиболее распространённые матричные материалы:

• Сульфид цинка (ZnS) — классический материал для порошковых электролюминофоров. Легируется медью (ZnS:Cu), марганцем (ZnS:Mn), хлором или алюминием.
• Сульфид кадмия (CdS) — используется в смесях с ZnS для сдвига спектра.
• Оксид цинка (ZnO) — применяется в тонкоплёночных структурах, легируется галлием или алюминием.
• Нитрид галлия (GaN) — основа современных светодиодов синего и зелёного свечения.
• Селенид цинка (ZnSe) и теллурид кадмия (CdTe) — используются в инфракрасных излучателях.

Активаторы определяют цвет свечения. Например, ZnS:Cu даёт зелёное свечение (длина волны около 530 нм), ZnS:Mn — жёлто-оранжевое (около 585 нм), а ZnS:Cu,Cl — голубое.

Классификация

Электролюминофоры классифицируют по нескольким признакам.

По агрегатному состоянию и форме

• Порошковые (дисперсные) — микрокристаллы размером 5–50 мкм, смешанные с диэлектрическим связующим (например, цианоэтилцеллюлозой). Наносятся на подложку методом трафаретной печати или шпатлевания.
• Тонкоплёночные — сплошные слои толщиной 0,1–2 мкм, осаждаемые методами вакуумного напыления, магнетронного распыления или химического осаждения из газовой фазы (CVD). Обеспечивают более высокую яркость и разрешение.
• Монокристаллические — одиночные кристаллы, используемые в научных исследованиях и специальных приборах (например, ZnSe:Cr для лазеров).

По типу возбуждения

• Постоянного тока (DCEL) — требуют постоянного напряжения, обычно имеют более низкую яркость и меньший срок службы.
• Переменного тока (ACEL) — работают при переменном напряжении частотой 50–1000 Гц. Наиболее распространены, так как не подвержены электрохимической деградации.

По спектру излучения

• Узкополосные — излучают в узком диапазоне длин волн (например, красный, зелёный, синий).
• Широкополосные — дают белый свет, часто за счёт смеси нескольких люминофоров или использования преобразователя цвета.

Применение

Электролюминофоры находят применение в различных областях техники и быта.

Осветительные устройства

• Электролюминесцентные панели (ЭЛИ) — тонкие гибкие источники света, используемые для подсветки клавиатур, приборных панелей автомобилей, рекламных вывесок и аварийного освещения. Отличаются равномерностью свечения и низким энергопотреблением.
• Светодиоды (LED) — наиболее массовый тип электролюминесцентных источников. Используются в освещении, индикации, дисплеях.

Индикаторы и дисплеи

• Тонкоплёночные электролюминесцентные дисплеи (TFEL) — применяются в военной и авиационной технике, медицинских приборах, промышленных панелях управления. Отличаются высокой яркостью, широким углом обзора и устойчивостью к вибрациям.
• Порошковые индикаторы — используются в простых цифровых табло, часах, бытовой технике.

Декоративные и специальные покрытия

• Электролюминесцентные краски — содержат порошковый электролюминофор и прозрачное связующее. Наносятся на различные поверхности для создания светящихся рисунков или маркировки.
• Светящиеся дорожные знаки — работают в условиях плохой видимости, питаются от солнечных батарей.

История

Явление электролюминесценции впервые наблюдал в 1907 году британский инженер Генри Джозеф Раунд, обнаруживший свечение кристалла карбида кремния (SiC) при подаче напряжения. Однако систематические исследования начались в 1930-х годах, когда советский физик Владимир Лосев (Лосев В. А.) подробно описал свечение кристаллов SiC и предложил первый механизм электролюминесценции. В 1936 году он получил авторское свидетельство на «световое реле» — прообраз современного светодиода.

В 1950-х годах в США и СССР были разработаны порошковые электролюминофоры на основе сульфида цинка. В 1960-х годах появились первые тонкоплёночные электролюминесцентные панели. В 1990-х годах, с развитием технологии светодиодов, интерес к порошковым электролюминофорам снизился, однако они сохранили нишевое применение в декоративной подсветке и индикаторах.

Достоинства и недостатки

Преимущества

• Тонкая конструкция — толщина электролюминесцентной панели может составлять менее 1 мм.
• Гибкость — порошковые панели на полимерной основе могут изгибаться.
• Равномерность свечения — отсутствие точечных источников.
• Низкое энергопотребление — особенно у ACEL-панелей.
• Долговечность — срок службы некоторых типов достигает 10 000 часов и более.

Недостатки

• Невысокая яркость — по сравнению со светодиодами и люминесцентными лампами.
• Зависимость от частоты — яркость ACEL-панелей падает при снижении частоты питающего напряжения.
• Деградация — со временем яркость уменьшается из-за диффузии примесей и разрушения люминофора.
• Высокое рабочее напряжение — для ACEL-панелей требуется напряжение 100–300 В.

Интересные факты

• Первый в мире светодиод на основе карбида кремния, созданный В. А. Лосевым, излучал слабый жёлто-зелёный свет. В 2001 году журнал «Physics World» назвал его открытие одним из десяти важнейших достижений физики XX века.
• Порошковые электролюминофоры на основе ZnS:Cu используются в «светящихся» обоях и одежде, питаемых от батареек.
• В 2010-х годах появились органические электролюминофоры (OLED), которые вытесняют традиционные в дисплеях смартфонов и телевизоров.

Источники

1. Лосев В. А. «К теории электролюминесценции». — Журнал технической физики, 1936.
2. Гурвич А. М. «Введение в физическую химию кристаллофосфоров». — М.: Высшая школа, 1982.
3. Китаев Г. А., Соколов В. Б. «Электролюминесцентные источники света». — М.: Энергия, 1975.
4. S. Shionoya, W. M. Yen (Eds.) «Phosphor Handbook». — CRC Press, 1999.
5. Патент РФ № 2037922 «Электролюминофор на основе сульфида цинка».