ЭМИССИОННАЯ СВЕТОДИОДНАЯ ЯЧЕЙКА
EMISSION LIGHT-EMITTING DIODE CELL

Изобретение относится к оптоэлектронике - светоизлучателям и дисплеям. Может быть использовано при проектировании и изготовлении вакуумных светодиодов и микродисплеев с высокими параметрами преобразований.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Светодиодная ячейка - элемент излучающей структуры прибора, принципиально исчерпывающий его основные физические процессы. Излучающая структура всего прибора состоит из последовательного, параллельного или последовательно-параллельного построения из одинаковых ячеек.
Полупроводниковые и органические светодиоды, вакуумные катодолюминесцентные термокатодные и отдельные варианты автокатодных (автоэмиссионных) излучателей используют самый распространенный тип излучающей ячейки - разделенные промежутком (твердого тела или вакуума) зоны эмиттера или инжектора электронов и излучателя света (люминофора). Излучающая структура формируется как множество этих параллельно соединенных зон. Вся совокупность этих элементов-зон включена последовательно с электродами, объемами материала и границами раздела частей подводящей ток структуры, внутренним сопротивлением источника питания.
Общим недостатком такой структуры ячейки и способа ее присоединения является наличие существенных потерь электрической энергии и значительное уменьшение коэффициента полезного действия (КПД) устройства. Так, КПД самых экономичных источников света - светодиодов - не превышает 35%.
Автоэмиссионные вакуумные варианты светоизлучателей имеют некоторое разнообразие структуры ячеек.
Известны изобретения, например, катодолюминесцентная автоэмиссионная ячейка - патент РФ 2079177, катодолюминесцентная автоэмиссионная ячейка - патент РФ 2077087, автоэмиссионная ячейка - патент РФ 2073281, автоэмиссионная ячейка - патент РФ 2069409, устройство с автоэлектронной эмиссией /его варианты/ - патент РФ 2044363, в которых варианты имеют исполнение в виде последовательного расположения катода с эмиттером и анода с люминофором на разных элементах, выполненных против друг друга по вертикали к подложке.
Известны изобретения, например, ячейка с автоэлектронной эмиссией и способ ее изготовления - патент РФ 2446506, автоэмиссионная ячейка - патент РФ 2072578, в которых варианты имеют исполнение в виде последовательного расположения катода с эмиттером и анода с люминофором, выполненных против друг друга по горизонтали на единой изолирующей подложке.
2
6
У всех этих вариантов есть общие недостатки - наличие существенных потерь электрической энергии и значительное уменьшение коэффициента полезного действия (КПД) устройства из-за последовательного соединения активной структуры с элементами питающей и управляющей цепи соединения. Кроме того, основной целью всех вариантов является преодоление негативного действия высокого электрического поля между анодом и катодом, обусловленного применением традиционных люминофоров (порошки полупроводников AB) и эмиттеров (углеродные и металлические наноострийные структуры).
Известен вариант [1], принятый за прототип к заявленному, в котором автоэмиссионная ячейка содержит взаимно параллельные подложку, анод с пленкой из материала с высокой вторичной эмиссией, коллектор электронов с люминофором, диэлектрический слой, лезвийный катод. Анод, катод и коллектор выполнены на единой изолирующей подложке (фиг. 1).
В терминологии, принятой в заявке, ячейка в варианте прототипа содержит пленочный первичный эмиттер 3 (автоэмиссионный катод), пленочный вторичный эмиттер 5 (источник вторичных электронов), анод с порошковым люминофором 7, последовательно расположенные на единой изолирующей плоской подложке 1 (фиг. 1).
Новым в этом варианте явились: введение между катодом и анодом вторичного эмиттера, усиливающего поток первичных электронов, эмитируемых автоэмиссионным катодом, и расположение элементов последовательно на единой плоской диэлектрической подложке.
Заявленная авторами цель изобретения - повышение яркости свечения ячейки, долговечности работы ячейки, повышение технологичности изготовления.
Однако этому варианту присущи указанные выше недостатки - наличие потерь электрической энергии и уменьшение коэффициента полезного действия (КПД) устройства из-за последовательного соединения элементов активной структуры между собой и с элементами питающей и управляющей цепи соединения. Кроме того, при таких схеме расположения и размерах элементов нет возможности размножению первичных электронов, то есть поток электронов может быть увеличен однократно, а влияние вторичного эмиттера не будет заметно увеличивать яркость излучения люминофора. Кроме того, технология создания пленочной микроструктуры с раздельным микронанесением трех разных материалов никак не может считаться упрощением.
Эти недостатки устраняются в заявленном варианте благодаря следующим нововведениям.
1. Изменение формы подложки с плоской на цилиндрическую.
2. Использование порошковых покрытий вместо пленочных.
3. Смешение порошковых материалов эмиттера, вторичного эмиттера и люминофора на единой поверхности цилиндрической подложки.
4. Параллельное действие электрического включения всех активных элементов ячейки.
Схема структуры ячейки в продольном разрезе цилиндрической подложки приведена на фиг. 2. На ней двумя параллельными жирными линиями обозначено сечение цилиндрического канала и указаны его диаметр w и угол наклона φ к линиям поля, отмеченного стрелками-векторами. Символами 0 - V обозначено напряжение на подводящих к ячейке электродах.
Заявленная ячейка действует на явлениях автоэлектронной и вторичной эмиссии - поэтому названа эмиссионной. Она является двухэлектродной (диодной) и излучающей - поэтому названа светодиодной.
ОПИСАНИЕ ДЕЙСТВИЯ ЯЧЕЙКИ
Заявленная ячейка действует следующим образом.
При подаче напряжения между электродами 0 - V (фиг. 2) под действием его поля (на фиг. 2 обозначено стрелками) внутри микроканала происходит автоэмиссия первичных электронов из наночастиц эмиттера. Электроны под действием поля пролетают, размножаясь за счет вторичной эмиссии на тех же наночастицах эмиттера, обладающего хорошей эмиссионной способностью. Внутри канала происходит размножающийся поток электронов вдоль канала. Часть этого потока воздействует на наночастицы люминофора, который люминесцирует, создавая свет той или иной длины волны излучения. Свет циркулирует в микроканале, отражаясь от одного (непрозрачного) электрода, и выходит наружу через другой (прозрачный, просветленный) электрод.
За счет вторичной эмиссии в канале происходит лавинное размножение электронов с коэффициентом [2]:
K(x)=exp(kx/W),
где k - коэффициент вторичной эмиссии, который зависит от свойств материала стенок канала, приложенного напряжения V, угла наклона φ оси канала к линиям поля; x - координата, отсчитанная от концевого края канала, на котором минусовая полярность приложенного напряжения. В этой формуле W - длина траектории электрона между соударениями с частицами, то есть длина пути электрона от его вылета из одной частицы до его соударения с другой частицей.
-1
Она, примерно - W=2w(sinφ), где w - диаметр канала. Тогда:
K(x)=exp(kxsinφ/2w)=exp(Ax),
A=ksinφ/2w.
Известны структуры с такими каналами - микроканальные пластины (МКП). Они успешно применяются в электронно-оптических преобразователях для усиления потока электронов [2].
Ячейка работает на нескольких физических эффектах - полевой, вторичной и фотоэмиссии электронов из наночастиц, пролете электронов в вакууме, инжекции электронов в наночастицы дырочного полупроводника, излучательной рекомбинации электронов и дырок в наночастицах, излучении света из наночастиц, его многократном отражении от стенок микрокапилляров и выводе наружу ячейки.
В канале происходят сложные физические процессы движений электронов в поле, их взаимодействий с наночастицами. При этом на электроны действуют фрагменты поля, создаваемые разностью потенциалов между противолежащими точками поверхности каналов - на фиг. 2 точки А и Б. При этом влияет омическая проводимость между точками А и Б по покрытию поверхности микроканалов. Все эти процессы будут зависеть от напряжения V, длины канала L, диаметра канала w, угла наклона φ, количеств наночастиц эмиттера и люминофора, соотношений между ними. Рассчитать или предугадать их практически сложно. Их конкретные свойства должны быть установлены эмпирически при разработке конкретных вариантов приборов.
На фиг. 3 изображен срез параллельного вектору поля E сечения канала в виде эллипса, получаемого в результате наклона кругового сечения канала к линии поля E. Видно, что в точке 1 разность потенциалов примерно нулевая. Между точками 2 и 3 она имеет какое-то заметное значение. Между точками 4 и 5 - максимальное значение напряжения, равное:
max
-1
ν=VwLtgφ,
Электрон эмиттируется под действием поля из частицы эмиттера (например, точка 4), летит по его линии, ударяясь в частицу на стенке (точка 5) и создавая вторичные электроны (коэффициент размножения более 1), которые также летят в поле и ударяются в частицы стенки. И так далее. При этом часть электронов наталкивается на частицы эмиттера, а часть - на частицы люминофора. Частицы люминофора излучают фотоны света. Свет циркулирует по каналу, частично воздействуя на эмиттер и заставляя его излучать электроны, дополнительно к вторичной эмиссии.
Материал эмиттера, его доля в общем составе нанопорошков, напряжение на ячейке, угол наклона капилляра должны быть подобраны так, чтобы коэффициент вторичной эмиссии был больше единицы. Только при этом условии будет происходить размножение электронов в канале.
Материалы люминофора подбираются по требованиям цветности излучения. Наиболее оптимальным будет, видимо, использование двух типов люминофоров - красного и синего свечения. Смешение их излучений создаст гамму цветности от красного до белого (с оттенками желтизны или голубизны). Поскольку энергии фотонов красного и синего цветов отличаются почти в 2 раза, возможно управление цветом источника путем изменения напряжения. При некоторых сравнительно малых его значениях высвечивается красное излучение. С увеличением напряжения с некоторого его значения появляется синяя составляющая, которая увеличивается с повышением напряжения. Таким образом, цвет изменяется от красного до бело-синего.
Подбор состава смеси люминофоров производится с учетом того, что у них разные значения светоотдачи и разный вклад в интегральный свет.
-10
-12
Важно отметить, что, когда электроны вылетают из частицы, например, точки 4 (фиг. 3), то это повышает ее потенциал на время пролета электронов до стенки в точку 5. Попав на частицу в точке 5, они понижают ее потенциал. В результате появляется разность потенциалов и ток по поверхности микрокапилляра, по линии 4-5. Этот процесс устраняет нежелательное действие возможного накопления заряда на наночастицах. Время пролета электронов от точки 4 к точке 5 (примерно время процесса пролета и токопереноса) зависит от разности потенциалов и расстояния между точками и равно оценочно 10-10 с.
Таким образом, заявленная ячейка излучения света работает как устройство, интегрирующее все физические процессы люминесценции в вакууме и твердом теле. Канал излучателя работает как множество последовательных взаимосвязанных микроизлучателей. При этом процесс их взаимосвязи приводит к последовательному (вдоль канала) усилению проявления эффектов. В каждом микроизлучателе все процессы работают параллельно, усиливая друг друга.
Принципиальное отличие в работе заявленного варианта от всех других заключается в том, что в нем цепь протекания электронного потока и электрического тока замкнута внутри каждого микроизлучателя. Во всех других вариантах эта цепь замыкается через все последовательные элементы структурной схемы прибора и внешний источник питания, что создает значительные энергетические потери. За счет этого в заявленном варианте, по оценке, минимум в два раза, должен вырасти КПД по отношению к известным лучшим результатам (светодиодам). Кроме того, трубка-канал имеет большое значение отношения площади своей поверхности к площади основания цилиндра - 3L/w, равное (обычно, в МКП) до 100. Это позволяет иметь значительный выигрыш в площади излучающей поверхности и варьировать величины удельных нагрузок на люминофор и эмиттер.
Оценка параметров излучения.
Основными параметрами излучения ячейки являются сила света и яркость. При этом важно знать о величинах тока, потребляемой мощности и КПД.
Расчет проводится по вышеизложенной схеме, представленной графически на фиг. 2-3.
Плотность тока в сечении микроканала на расстоянии x:
1
0
0
J(x)=JK(x)=Jexp(Ax),
0
где J - плотность начального (для размножения) тока в сечении капилляра, созданного эмиссией из частиц, расположенных в начале линии координаты.
Поскольку в ячейке эмиттер размещен по всей поверхности микроканала и первичные электроны образуются на всей поверхности, то необходимо просуммировать потоки электронов по схеме геометрической прогрессии. Выполнение этой операции дает для значения тока в точке x:
1
0
0
J(x)=JK(x)=Jexp(2Ax),
На поверхности канала на расстоянии x на полосе шириной dx ток будет
0
J(x)=J(πw)exp(2Ax)dx.
Э
Л
Предполагая, что зерна эмиттера и люминофора распределены на поверхности канала равномерно и занимают доли площади поверхности соответственно С и С, интегрируя по длине канала от 0 до L, получится выражение для тока канала на всей его длине:
0
Э
-1
J=πwJC(2A)[exp(2AL)-1],
x
x
x
x
-1
Напряжение (между точками А и Б на фиг. 2) на элементе dx будет: V=gwVLtgφ, где g - коэффициент усреднения, учитывающий неравномерность значения напряжения по кольцу элемента dx. Мощность электропитания элемента dx будет - J(x)V, а сила света (Лм) - ηJ(x)V, где η - световая эффективность (светоотдача) люминофора (Лм/Вт). Подставив значения J(x) и V, А, получится выражение для силы света (в люменах) ячейки:
2
2
-1
Яркость света на выходе из канала будет равна - 4bI(πwcosφ), где b - коэффициент потерь света в канале ячейки.
Формула (1) не дает точных значений, но она качественно отражает зависимости от параметров и напряжения на ячейке в явном и неявном виде.
ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ
Ячейка может быть применена, по крайней мере, в двух случаях - как элемент светодиода и микродисплея. В первом варианте необходима максимальная светоотдача, то есть большие значения силы света, которая напрямую зависит от параметров в формуле (1). Значения K=exp(2AL) в этом случае должны быть много больше единицы.
Для случая применений ячейки в микродисплее принципиальное значение имеет разрешение, которое будет равно значению параметра w/cosφ. Это означает, что диаметр канала и угол его наклона должны быть предельно малыми.
Э
Л
0
7
2
-9
-2
5
Пусть для варианта «светодиод»: L=500 мкм, w=25 мкм, φ=30°, С=0,3, С=0,3, η=100, g=0,5 V=200, k=1,2. Тогда из формулы (2) получится: I=10 (0,25πwJ). Величина в скобках - ток, равный току на площадь, занимаемую одной частицей. Исследованием, проведенным в работе [3], показано, что это значение имеет порядок 10 А. Тогда порядок величины силы света ячейки I=10 Лм. В реальной схеме применения в МКП, в которой более 10 ячеек, сила света будет более 1000 Лм. Приняв значение 1000 Лм, можно говорить об источнике с силой света, равной силе света лампочки накаливания в 100 Вт. При этом потребляемая мощность будет менее 10 Вт.
Э
Л
0
2
-9
-6
-10
2
4
2
Пусть для варианта «микродисплей»: L=200 мкм, w=10 мкм, φ=10°, С=0,3, С=0,3, η=100, g=0,5, k=1,2, V=50, (0,25πwJ)=10. Тогда из формулы (3) получится: I=10 Лм. Разделив это значение на величину площади основания канала (10 м), получится яркость порядка 10 кд/м.
э
л
Уменьшение площади покрытия (малые коэффициенты С и С) необходимо для обеспечения того, чтобы увеличение утечки по проводящему слою было не существенным. Уменьшение площади покрытия, например, в 2 раза (от полного покрытия) приведет к уменьшению в 2 раза сопротивления покрытия ячейки.
Как видно из оценок, сила света светодиода и яркость микродисплея могут иметь вполне приемлемые значения, которые зависят от многих параметров ячейки и режима питания. Подбором этих параметров достигаются необходимые характеристики приборов. Важнейшим при этом является вопрос о значениях КПД устройств.
-10
В заявленной ячейке неэффективные потери энергии, снижающие КПД, происходят в основном как утечка тока по полупроводящей поверхности микроканала, в отличие от всех других вариантов, в которых имеются потери на неактивных элементах и границах их соединений в структуре. Сопротивление проводящего слоя поверхности микрокапилляров МКП может варьироваться по желанию в широком диапазоне и достигать 107 Ом [2]. В пересчете на одну ячейку, это будет до 10 Ом. При напряжении на ячейке 100 В это даст порядок величины тока 10 А, что на 4-5 порядков меньше значений тока по проведенной выше оценке. Допустимым можно считать уровень потерь порядка 1%, что позволит иметь сопротивление покрытия, на самом деле, на два - три порядка меньше достигаемых на практике значений. Наличие большого запаса по проводимости слоя покрытия микрокапилляра можно использовать, в том числе, для увеличения доли покрытия активным проводящим материалом эмиттера и люминофора и тем самым увеличивать внутреннюю светоотдачу ячейки.
Исходя из этого, можно утверждать, что устройства на заявленной ячейке могут иметь КПД, по своим значениям близкие к тем, которые называют внутренним квантовым выходом или, иначе, внутренней светоотдачей. В светодиодах внутренняя светоотдача близка к значениям стопроцентного выхода, что примерно соответствует 300 Лм/Вт. Светоотдача внешнего выхода в светодиодах достигает 100 Лм/Вт, что означает то, что КПД светодиода порядка 100/300, то есть 30%. Теоретически в заявленном варианте ячейки нет противопоказаний для достижения КПД, близкого к 100%. Реально, можно, безусловно, добиться значений порядка 50-60%. Основные внутренние потери в ячейке связаны с долями несплошного покрытия эмиттера и люминофора и влиянием поверхности частиц порошков на процесс их взаимодействий с электронами. Решение этих вопросов достигается вариацией свойств элементов и отработкой технологии их изготовления.
Основные технологические (и экономические) проблемы для светоизлучателей любых вариантов связаны с получением и способами применений активных (излучающих и эмиттирующих) материалов, которые в заявке названы общими терминами - люминофоры и эмиттеры. В светодиодах, это - гетероструктуры, изготавливаемые сложнейшими технологическими процессами эпитаксии, напыления, фотолитографии. Действующая структура сборки светодиода требует изготовления чипа, его монтажа на подложку, нанесения иммерсионной линзы, материал которой содержит порошок люминофора. В заявленном варианте ничего этого не требуется. Нанопорошки материалов изготавливаются методом коллоидной химии с использованием простого оборудования (оснастки). Их нанесение в микрокапилляры МКП - простые способы осаждения из суспензий. МКП промышленно производятся и будут максимально дешевы при массовом производстве.
Таким образом, заявленная ячейка света может с успехом применяться как элемент светодиода для ламп освещения и как элемент микродисплея. Как элемент источников со специальными спектральными свойствами, она может применяться в медицинской аппаратуре.
При использовании фотоэмиссионного материала вместо автоэмиссионного ячейка может быть элементом усилителя света и преобразователя невидимых излучений в свет.
Источники информации
1. Автоэмиссионная ячейка, патент RU 2066894. Авторы и владельцы патента: Драч В.А., Ивченко С.В., Новик И.А., Будзиаловский В.В., Засемков В.С.
2. Микроканальные пластины.
http://profbeckman.narod.ru/radiometr.files/L10_10.pdf
3. Жуков Н.Д., Глуховской Е.Г., Браташов Д.Н. Исследование фото-, автоэлектронной эмиссии в нанозернах антимонида и арсенида индия // Нанотехника. - 2013. - Вып. 1. С. 51-57