亮度改進的場致發光燈的製作方法

2023-09-24 03:21:10

專利名稱：亮度改進的場致發光燈的製作方法
技術領域：
本發明涉及厚膜、無機場致發光(EL)燈和電源的組合，並且尤其涉及構建一種亮度、效率和壽命改進的EL燈。
背景技術：
在現有技術中，亮度和效率以及亮度和壽命是成反比地相關的。遺憾的是，市場要求所有這三者同時提高或者至少在不降低效率或壽命下提高亮度。
EL燈實質上是一個在二塊導電電極之間存在介質層的電容器，其中一塊電極是透光的。該介質層可以包括磷粉，或者靠著該介質層存在一層獨立的磷粉層。在存在使用相對小的電流的強電場下，磷粉發光。
現代(90年代後期)EL燈典型地包括厚度約為7.0密耳(0.178mm)的聚酯或聚碳酸酯透光基片。在該基片上真空澱積厚度約為1000的氧化銦錫或氧化銦透光前電極。在該前電極上絲幕印刷磷層並且在該磷層上絲幕印刷介質層。在該介質層上絲幕印刷後電極。現有技術中還已知通過滾動鍍敷沉積這些層；例如參見美國專利5,830,028號(Zovko等人)。
絲幕印刷或滾動鍍敷中使用的油墨包含粘合劑、溶劑和填充劑，其中該填充劑決定該印上的層的性質。典型溶劑是二甲乙醯胺(DMAC)或二甲乙酸酯(EB乙酸酯)。粘合劑典型地是含氟聚合物，例如聚偏二氟乙烯/六氟丙烯(PVDF/HFP)、聚酯、乙烯樹脂、環氧樹脂或Kynar 9301，後者是Atofina公司出售的一種專利三元共聚物。典型地用含有溶劑、粘合劑和硫化鋅顆粒的漿絲幕印刷磷層。典型地用含有溶劑、粘合劑和鈦酸鋇(BaTiO3)顆粒的漿絲幕印刷介質層。典型地用含有溶劑、粘合劑和諸如銀或碳的導電顆粒的漿絲幕印刷後(不透明)電極。由於每層的溶劑和粘合劑化學上是相同或相似的，相鄰層之間存在著化學配伍性和良好的粘合。
由於EL燈是一個電容器，必須對電極施加交流電源以使磷發光，反之燈對外加電壓充電、中止流過該EL燈的電流並且燈停止發光。在其中電源為低電壓電池的可攜式電子設備、汽車顯示器或其它應用中，通過一個把低電壓直流電轉換成高電壓交流電流的變流器對EL燈供電。為了使EL燈有效發光，超過約120伏的峰峰電壓是必要的。實際電壓取決於燈的結構，尤其取決於磷粉內的場強。通過EL燈的交流電流的頻率影響燈的壽命，200赫到1000赫之間的頻率是優選的，頻率低於200赫時在磷中出現離子遷移從而導致過早故障。超過1000赫下，磷的壽命和頻率成反比。
現有技術公開數種類型的變流器，其中存儲在一個電感器中的能量在該電感器通過EL燈或者向一貯電電容器放電時向該燈提供高電壓下的小電流。從該變流器通過一系列高頻脈衝抽取該貯電電容器上的電壓。為了對EL燈供電必須把變流器產生的直流電流轉換成交變電流。美國4,527,096號專利(Kindlmann)公開一種用於此目的的稱為「H橋」的切換橋。該H橋充當一個雙極雙投開關以按低頻交變流過EL燈的電流。美國5,313,141號專利(Kimball)公開一種直接產生交流電壓的變流器。市場上可買到採用這二種技術之一的多種變流器。
奇妙地是，基準(bench)電源，即和線電壓連接的電源，和變流器不是運行EL燈的等效電源。一些EL燈亮度在某種電源下要比另一種電源下亮。通常，基準電源具有穩定正弦輸出電壓並且提供對EL燈供電必要的電流。採用基準電源的EL燈設計成用於較大的電源以便提高亮度。變流器通常電流容量有限、輸出電壓可變並且具有高諧波畸變，即，輸出波形不是正弦的。
在任何帶有阻抗的電路中(例如EL燈)電流和電壓通常不是同相的。當把電流作為基準時，電壓超前或者滯後電流。數學上，這種電路用一個帶有實數或電阻分量a以及虛數或電抗分量b的複數(a±jb)表示。真實功率的計算是困難的，術語「視在功率」被用來表示電壓和電流的實分量的均方根值的乘積。

發明內容
鑑於上述，從而本發明的一個目的是在不降低效率下改進EL燈的亮度。
本發明的另一個目的是在不降低燈的壽命下改進EL燈的亮度。
本發明的再一個目的是提高由電流限制源驅動的EL燈的亮度和效率。
本發明的另一個目的是在每單位面積、每毫瓦視在功率下的亮度上改進EL燈的效率。
上述目的在本發明中實現，在本發明中公開通過提高磷裝載並且通過二遍或更多遍地印刷磷層以產生至少每平方釐米燈表面面積6.5毫克的磷密度以更高電壓和更小電流驅動EL燈在不降低燈壽命下改進亮度。可以通過滾動鍍敷沉積更厚的單層。


通過在連帶著各附圖下研究下面的詳細說明可以獲得對本發明的更完整理解，附圖中圖1是根據現有技術構建的EL燈的剖面圖；圖2是根據本發明的一個方面構建的EL燈的剖面圖；圖3是根據本發明的一優選實施例構建的EL燈的剖面圖；圖4比較幾種不同的EL燈在固定電壓下的亮度；圖5比較幾種不同的EL燈在固定電壓下的亮度；圖6比較幾種不同的EL燈在固定亮度下的視在功率；圖7比較幾種不同的EL燈在固定亮度下的視在功率；圖8比較幾種不同的EL燈在固定亮度下的外加電壓；以及圖9比較幾種不同的EL燈在固定亮度下的外加電壓。
最佳實施例方式圖1是根據現有技術構建的EL燈的剖面圖。各層是不按比例示出的。在燈10中，透明基片11是雙軸定向的諸如聚酯或聚碳酸酯塑料板。透明的前電極12覆蓋在基片11上並且是薄的氧化銦錫或氧化銦層。磷層15覆蓋前電極並且介質層16覆蓋磷層。在一些應用中層15和16是組合的。不透明的後電極18覆蓋介質層16。還可以設置選用的墊層19，例如用於密封燈10。典型地，使用鍍敷的磷顆粒，以免除密封層。
典型地，磷層15包括磷顆粒，這些顆粒重量上和絲幕印刷中使用的油墨中的粘合劑量的比率為2∶5或更少。磷的含量影響粘性，從而可以改變粘性以適應具體的施加方式，例如滾動鍍敷而不是絲幕印刷，或者甚至是專用機器。在上述對Zovko等確定的專利中，對於該專利中給出的所有例子，該比率小於1.5∶1。該磷層實質上是單層顆粒，其中這些顆粒在樹脂基體中彼此隨機隔開。該層的最小厚度是最大顆粒的直徑。
技術上，即使不是在具體例子中至少在原理上已知高磷裝載。日本待審專利公布2000-277 258(Naoyuki)說明一種具有由一導電層隔開的二層磷的EL燈以提供二個具有二種分別受控的顏色的燈。磷裝載被說明成對第一磷層形成1∶2到1∶5的比率並且對第二磷層形成1∶3到1∶8的比率。該公開的燈把鈦酸鋇用作為介質。對於根據本發明構建的燈這是不可能的。
根據本發明，已經發現通過在減小的電流和加大的電壓下加電驅動EL燈能明顯地提高EL燈中的亮度。已經發現，通過把磷裝載提高到至少3.0∶1、把二氧化鈦用作為介質並且二遍或更多遍地印刷磷層以產生大於6.5mg/cm2的磷密度的組合，產生亮度、效率以及壽命上的所需提高。
圖2示出一種根據本發明的第一方面構建的燈。在圖2中，和圖1相同的各層具有相同的參考數字。磷層21包含相對於更大比例的磷比粘合劑，從而提高單位面積中的顆粒數量。最好鍍敷磷，但是本發明不取決於所使用的具體類型的磷也不取決於是否鍍敷磷。
依據本發明的另一個方面，用二氧化鈦(TiO2)而不是用碳酸鋇(BaTiO3)製成介質層22。鈦酸鋇的介電常數要比二氧化鈦大，但是二氧化鈦具有比鈦酸鋇低的損耗。現有技術已知把二氧化鈦用作為介質，例如參見美國5,770,920號專利(Eckersley等)。Durel公司出售的一種稱為「RBC」的燈類型把二氧化鈦用作為介質。在本發明的一優選實施例中，該二氧化鈦層包括重量上對絲幕印刷油墨中的粘合劑為1.5∶1比率的顆粒。一種實用的量約為重量上從1.5∶1到2.5∶1。
圖3示出依據本發明的一優選實施例做成的EL燈。在該實施例中，藉助至少二遍地通過帶有3.5∶1的磷填料的油墨的絲幕印刷機制出磷層25。儘管示成產生二層顆粒，實際上在油墨完全乾燥之前這些顆粒沉積在單個緻密的層中。該過程提供更高密度的顆粒(≥6.5mg/cm2)並且提供更亮、更有效的燈。技術上已知具有二遍印刷成的磷層的EL燈；例如Durel公司出售的稱為「HS1+」的EL燈具有通過二次經過絲幕印刷機製成的磷層。但是，其顆粒密度約為依據本發明做成的燈的最小密度的一半。
下面是根據本發明構建的一種EL燈的一個例子。
磷層Kynar 9301樹脂14.60克DMAC 29.27克(40％B44)*4.20克Modaflow0.29克Durel磷型225 52.64克*Rohm Haas resin Paraloid公司的聚丙烯樹脂B-44在DMAC中的40％的溶液；DMAC是二甲乙醯胺利用230號篩網通過二遍(7.6mg/cm2)、三遍(11.4mg/cm2)和四遍(15.4mg/cm2)製成燈。可使用其它編號的篩網。每遍後在132℃下固化油墨六分鐘。
介質層DMAC 47.69克R700(杜邦TiO2) 30.96克Kynar 9301粉 20.73克
Modaflow 0.47克Disperbyk(D111) 0.155克對油墨進行球磨以確保介質充分潤溼。介質是相當細的粉。通過305號篩網二遍沉積介質，其平均重量為3.3mg/cm2。
利用碳作為填充劑標準地構建後電極。母線層把銀作為填充劑。對一些燈還施加選用的後絕緣層。後絕緣層提供對環境的補充保護。
圖4-9比較EL燈在某些條件下運行的性能。上面說明的用Kynar 9301粘合劑做成的燈和用與「RBC」燈相同的材料做成燈進行比較，其中市場上可買到Durel公司的「RBC」燈。RBC燈具有二氧化鈦介質層，出於這個原因把它包括到比較中。根據本發明做成的燈，包括該修改型RBC燈，明顯地要比根據現有技術做成的燈亮。單遍、修改型RBC燈(1p-RB-BRde)具有比市場上可買到的RBC更高的磷裝載量。
在圖4中，外加電壓是固定的並且看起來亮度對具有單遍印刷的磷層的燈有利。在圖5中，對於修改型RBC燈看來結果是相同的。然而，在圖6中，很清楚，為達到某亮度，35英尺朗伯，磷裝載量較高的燈所需要的功率明顯地低。圖7中，修改型RBC燈顯示相同的趨勢。對於給定亮度，四遍的燈消耗明顯少的視在功率。圖8比較達到某具體亮度所需的電壓。電壓輕微下降接著在400赫處增加但在2000赫隨遍數增加。其原因不完全清楚。在圖9中，對於修改型RBC燈，結果是相同的。
初步數據表明，儘管亮度提高，根據本發明構建的燈壽命至少和現有技術的類似燈一樣長，並且可能更長。
從而本發明在不降低效率或燈的壽命下改進EL燈的亮度。效率大為改進，並且相信根據本發明構建的燈可以優化成在亮度上是技術上目前所知的燈的至少二倍。單遍、高裝載、絲幕印刷的磷層提供最高亮度但以電流和功率為代價。當亮度是頭等考慮時，單遍、絲幕印刷實施例對於能提供必要電流的電源，例如基準電源，是優選的。
在如此說明了本發明後，業內人士清楚可在不背離本發明的範圍下做出各種修改。例如，儘管連帶著絲幕印刷進行說明，可採用其它沉積磷層的方法，諸如滾動鍍敷。通過滾動鍍敷做成的樣機部件示出和圖4-9相同的趨勢，但外加電壓相當高，約為300伏。儘管鈦酸鋇太損耗而不能用於根據本發明構建的燈中，但可替代地使用其它高介電常數、低損耗、白色介質，例如鈦酸鈣和鈦酸鍶。由於成本相對低並且容易買到，二氧化鈦是優選的。
權利要求
1.一種運行場致發光燈的方法，所述方法包括步驟對磷裝載比至少為3∶1、磷顆粒重量≥6.5mg/cm2以及介質基本上由樹脂粘合劑中二氧化鈦組成的場致發光燈施加電流；施加的電流小於應對其它方面相同的但磷裝載比小於3∶1並且磷密度≤6.5mg/cm2的場致發光燈使用的電流。
2.權利要求1所述的方法還包括步驟對該燈施加的電壓大於應對磷裝載比小於3∶1並且磷顆粒重量≤6.5mg/cm2的場致發光燈使用的電壓。
3.在包括第一導電層、第二導電層、介質層以及所述第一導電層和所述第二導電層之間的磷層的EL燈中，所述介質層和所述磷層各包括粘合劑和填充劑，其中所述磷層特徵在於磷對粘合劑的比大於3∶1並且磷顆粒重量≥6.5mg/cm2，而且其中所述介質層的填充劑基本上由二氧化鈦構成。
4.權利要求3所述的EL燈，其中所述磷層特徵在於磷對粘合劑的比大於3.5∶1。
5.權利要求3所述的EL燈，其中所述磷層特徵在於磷對粘合劑的比大致小於5∶1。
6.權利要求3所述的EL燈，特徵在於通過絲幕印刷至少二遍地沉積磷層。
全文摘要
通過提高磷裝載比、通過低損耗介質(22)並且通過至少二遍地沉積磷層，利用較高電壓以及較小電流驅動EL燈在不降低燈壽命下改進亮度。
文檔編號H05B33/20GK1513282SQ02811124
公開日2004年7月14日 申請日期2002年5月14日 優先權日2001年6月1日
發明者威廉·A·科格蘭, 戴維·A·哈丁格, 戴維·G·皮爾斯, A 哈丁格, G 皮爾斯, 威廉 A 科格蘭 申請人:德雷爾公司