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1、1,第九章 其它显示技术 9.1 无机电致发光显示（ELD）,电致发光元件的结构原理 电致发光元件的材料与制作,2,处于激发态的分子、晶体和非晶态物质在退激过程中会产生辐射，即发光。根据其受激的方式，这种激发态发光可以分为三种形式：,光致发光（photoluminescence，PL） 电致发光（electroluminescence，EL） 阴极发光（cathodeluminescence，CL）,一种是撞击式电致发光：电压直接或间接加在电极之间而引起的发光，如通常日光灯的发光。 另一种是电荷注入电致发光：电压加在直接固定于单晶半导体(如GaAs)PN结的电极上，由于载流子的注入而引起发光，
2、如通常发光二极管(LED)的发光。,电致发光的两种类型:,电致发光是电能转化为光能的过程。,3,9.1.1 电致发光元件的结构原理,电致发光(electroluminescent，EL)是指半导体，主要是荧光体，在外加电场作用下的自发光现象。 在EL中分注入型发光和本征发光两大类。 注入型EL的典型器件是发光二极管(LED)，在外加电场作用下使PN结产生少数载流子注入，进而产生发光； 本征型EL是不伴随少数载流子注入而发光，即把ZnS等类型的荧光粉混入纤维素之类的电介质中，直接地或间接地夹在两电极之间，施加电压后使之发光。,4,1920年德国学者古登和波尔发现，某些物质加上电压后会发光，人们把
3、这种现像称为电致发光或场至发光（EL）。 1936年，德斯垂将ZnS荧光粉浸入蓖麻油中，并加上电场，荧光粉便能发出明亮的光。 1947年美国学者麦克马斯发明了导电玻璃，多人利用这种玻璃做电极制成了平面光源，但由于当时发光效率很低，还不适合作照明光源，只能勉强作显示器件。 1950年， Sylvania公司利用Sn02透明导电膜电极，开发成功分散型EL元件，作为平面型发光源，称为第一代EL。,研究历史,5,1968年，Vecth和Kahng等人发表了两篇文章，被认为是第二代EL开始的标志。在此基础上，Inoguchi等人于1974年发表了关于高辉度、长寿命的二层绝缘膜结构的薄膜型EL元件的文章，
4、并通过实验验证了EL用于电视画面显示的可能性。 70年代后，由于薄膜技术带来的革命，薄膜晶体管（TFT）技术的发展, EL在寿命、效率、亮度、存储上的技术有了相当的提高,使得EL成为在显示技术中最有前途的发展方向之一。 1983年，日本开始了薄膜ELD的批量生产。 近年，研究集中于全彩色显示和更大容量的显示方面。主要是从材料的角度进行研究。 EL冷光片是一种简单可靠的发光方式，因其具有轻、薄、抗震、耐冲击、低耗电、冷光等特性，早期在军事及航天有广泛的应用。到目前为止，EL冷光片已在液晶背光、汽车工业、标示牌、建筑及室内设计、广告、礼品玩具等领域有广泛应用。,6,国内研究,我国于二十世纪60年代
5、以中国科学院长春物理研究所为主体，正式确立研究及开发。 1982年中科院长春物理所成功的研制了4X4米的矩阵式超大型塑料发光屏幕，并在北京人民大会堂大礼堂悬挂应用10年之久。 九十年代中期我国EL器件逐步开始进入民用领域，同时与其相关配套电子驱动部分也迅猛发展，目前生产与市场均已十分成熟。 粉末AC电致发光器件技术目前主体分为：EL玻璃屏（在玻璃上实施）、EL搪瓷屏（在金属板上实施）、EL塑料屏、EL线性器件（在电线上实施。 电致发光(EL)片又称冷光片、霓虹晶片、彩虹片等。其主要优点为薄，轻，动态闪动，面发光均匀，生产(丝网印刷)及装配使用工艺实施简单。 EL发光片主要应用于超薄广告灯箱，仪
6、器仪表照明、发光显示指示等,7,EL冷光片,电激发光是一种由电能转为光能的现象，因其在工作的过程中不会产生热量，所以一般俗称冷光。目前，行业内把EL冷光片叫为背光源、发光片等。 冷光片简称EL,发光材料为硫化锌粒子， 通过夹在两极的交流电压驱动产生的交流电场，电子在发光层内高速运转，激活发光原子，使其被加速而获得足够能量，被电场激发的电子碰撞发光中心及荧光物质，而引致电子能极的跳跃变化复合而导致发射出高效率冷光的一种物理现象，即电激发光现象，,8,EL塑料片的厚度一般在0.2-0.5mm左右，是由绝缘基底上喷涂了电致发光材料并夹在两层电极之间组成。 发光片可以通过使用不同的发光材料，比如硫化锌
7、等，再掺杂其他成份的激活剂、共激活剂或添加萤光染色剂等，来调整光的亮度和颜色。 改变频率同样能引起光的颜色变化，当频率增加时颜色向偏蓝(短波)的方向移动，而当频率减小时颜色会向偏绿(长波)的方向移动,EL片的原始颜色是指电压115V/400HZ时发光片的发光颜色，一般为绿色或蓝绿色。 塑料电(场)致发光片具有很强的柔韧性，在不折损电极的前提下，可相对裁剪或弯曲而不影响发光性能；,9,图像显示质量高 受温度变化的影响小 全固体显示元件 小功耗、薄型、质轻,不足：驱动电压高 负载电容大 蓝光效率低 实现大面积、无缺陷、均匀薄膜的工艺要求高,10,1 分散型交流电致发光结构原理,由Sylvania公
8、司最初开发，是第一代EL的代表结构形式，目前广泛用于液晶显示器的背照光源。 基板为玻璃或柔性塑料板。 透明电极采用ITO膜，发光层由荧光体粉末分散在有机粘结剂中做成。,11,荧光体粉末的母体材料是ZnS，其中添加了作为发光中心的活化剂和Cu，Cl，I及Mn原子等，由此可得到不同的发光颜色。 粘结剂中采用介电常数较高的有机物如氰乙基纤维素等。发光层与背电极间设有介电体层以防止绝缘层被破坏。背电极用Al膜做成. 交流电致发光ACEL是大量几微米到几十微米的发光粉状晶体悬浮在绝缘介质中的发光现象，也称德斯垂效应。ACEL所加的电压通常为数百伏。ACEL是晶体内的发光线发光，不是体发光。线发光强度可达
9、3.4105cd/m2，总体发光亮度约40cd/m2功率转换效率为1/%，寿命约1000小时。,12,发光颜色： 通过激活剂和共激活剂的组合可以在蓝色到黄色之间的范围内变化。在ZnS:Cu,Cl系中，通过调节Cl的含量，可以获得从蓝色(460nm)到绿色(510nm)的发光。此外，由ZnS：Cu,A1系可得到绿色。由ZnS:Cu,Cl,Mn系可得到黄色发光等。,粉末AC-EL板的特性：,13,2 薄膜型交流电致发光,1974年高辉度、长寿命的薄膜交流型EL元件被制成，该元件是将发光层薄膜夹于两层绝缘膜之间组成三明治结构。目前已投入商品市场。 结构：在玻璃基板上依次积成透明电极、第一绝缘层、发光
10、层、第二绝缘层、背面电极等。 发光层厚0.51m，绝缘层厚0.30.5m。,14,高场薄膜电致发光（TFEL）,目前的ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。 器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，起消除漏电流与避免击穿的作用。 掺不同杂质则发不同的光，其中掺Mn的发光效率最高，加200V，5000Hz电压时，亮度高达5000cd/m2。 ACTFEL具有记忆效应，通常室内光照度下，记忆可维持几分钟，在黑暗中可保持十几个小时。 EL器件目前已被应用在背光源照明上，在汽车、飞机及其他设备仪器仪表、手机、手表、电子钟、LCD模块、笔记本电脑显示器等方面获得应用。也作为交通安全标志，公司标志
11、，出口通道等发光指示牌上的发光显示器件。,15,TDEL（Thick-film Dialectric Electroluminescent Technology 厚膜电致发光技术）显示器的原理是利用一整片的蓝色磷光为基础，激发其上的红色和绿色颜料，混合成三色的RGB影像。由于不须要像等离子电视一样复杂的组件，也不须要LCD的背光，37“的TDEL电视样品厚仅2cm，重量则甚至不到一公斤。从技术性能以及性能价格比方面进行比较，TDEL显示器要比PDP和LCD显示器好，是一项比较有发展前途的平板显示器。 这项技术是一个加拿大籍中国人发明的，技术由加拿大iFire公司拥有 ，但由于没有其他公司参与，
12、一直普及不起来。,TDEL显示器,16,TDEL显示器的构造,17,9.1.2 电致发光元件的材料与制作,电致发光元件的构成材料： 发光层材料：一是添加合适的发光中心以获得可见光波长范围内的发光；二是能承受激发所必需的106Vcm左右的强电场。一般采用添加有合适的发光中心的能隙比较宽的半导体材料。目前已经实用化的母体材料是ZnS。 绝缘层材料：非晶态氧化物或氮化物，铁电体（BaTiO3等） 电极材料：ITO 基板材料：玻璃,18,19,EL元件各功能层的形成,1 发光层：多采用电子束蒸发、金属有机化学气相沉积MOCVD等真空蒸镀法。 对于难以采用真空蒸发的材质，一般是采有溅射镀膜法，沉积速率大
13、，便于连续化生产。而且发光中心在膜层中分布均匀；对于均匀性要求更高、晶体结构有特殊要求的膜层，可以采用原子层外延ALE(atomic layer epitaxy)等技术。 2 绝缘膜：溅射镀膜法,20,21,9.2 真空荧光显示（VFD）,概述 工作原理及基本结构 构成材料与制造工艺,22,23,电子倒车后视镜 （高亮度）,简易导航 （多色）,在仪表上行车电脑,VFD 使用实例,24,真空荧光显示(Vacuum Fluorescent Display, VFD)是利用真空荧光管进行显示，简称VFD。这是一种低能电子发光显示器件，它克服了CRT体积大、电压高的缺点，虽然是真空器件，但工作电压低、
14、体积小和亮度高。在环境亮度变化大和对低功耗无要求的场合有着优越 性，所以在低中档显示领域，如计算器、汽车、仪器仪表方面有广泛的应用。,9.2.1 概述,25,荧光管显示器是具代表性的自发光型电子显示器件之一，用途很广。不同厂家的荧光管显示器可能有不同名称，但国际学会及一般刊物中广泛称其为真空荧光管显示器(vacuum fluorescent display，VFD)。 一种低能电子发光显示器件，它的显示特性与CRT、FED类似，但它克服了CRT体积大、电压高的缺点，虽然是真空器件，但工作电压低、体积小和亮度高。在环境亮度变化大和对低功耗无要求的场合有LCD无法比拟的优点，所以在低中档显示领域，
15、如计算器、汽车、仪器仪表方面有广泛的应用。 最初的VFD采用球形玻璃管，它是为显示一位数字而开发的，主要用于电子计算器中的数字显示。基本上沿用普通电子管的生产工艺，外形如普通电子管中的拇指管，这种单管式荧光显示管用作数字或字符显示时，需将多个单管排列，体积大，安装不方便。,26,此后，随着厚膜、薄膜技术的发展，以及逐渐实现多色化等的技术进步，经过多年的变迁，逐渐达到目前的状态。 VFD是由阴极、栅极、阳极构成的，至少观测侧是密封于透明容器中的电子管。 由阴极放出的电子在栅极控制下碰撞阳极，阳极上按一定图形涂布的荧光体被低速电子束激发发光，并由此显示出所需要信息的自发光型电子显示器。 与CRT类
16、似， VFD是利用电子束激发荧光体使其发光的电子管。但与CRT所用的1035kV高能电子束相比，VFD仅用50V以下的低能电子束。 二者电子束的形态也不相同，CRT采用线状电子束，进行光栅扫描或矢量扫描，VFD采用喷淋状电子束，通过栅极与阳极电位的组合，选择所需要显示的信息。,27,特点,低工作电压， 阳极和栅极的电压1 22 0V， 每一路的驱动电流几mA。 可以用集成电路直接驱动 ； 亮度高，蓝绿色为l0002000cdm2，用于汽车上的平视显示器亮度可达10000cdm2以上；红色和蓝色为几百cdm2；基本上没有视角的限制；颜色清晰,灰阶控制； 厚度为610mm，平板结构；一个DVD用的显示屏只有75mm14mm6mm， 而大型的长度可达550mm； 显示图案灵活，可以做成笔段和符号的形状，也可以点矩阵显示和全矩阵显示 。 可透过特定滤板任意更改颜色,28,问题,阴极功耗大。VFD的总功耗主要有阴极加热功率 、 栅极功率和阳极功率。不管发光点有多少是开通发光的，只要一开机，阴极的加热始终常开。不考虑驱动电路的功率损耗，VFD屏本身
