BE522238A

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Publication number: BE522238A
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Description

LAMPES ELECTROLUMINESCENTES.

La présente invention concerne les lampes électroluminescentes, c'est-à-dire les lampes utilisant des matières fluorescentes qui s'illuminent quand elles sont placées dans un champ électrique.

La matière fluorescente de ces lampes est mise en suspension ou enrobée dans un diélectrique solide ou liquide placé entre deux électrodes, dont une est transparente. Il a été découvert qu'on peut, en substance, supprimer le milieu diélectrique, à condition de comprimer la poudre fluorescente entre les deux électrodes auxquelles peut être appliquée une tension.

La suppression du diélectrique d'enrobage réduit la possibilité de rupture diélectrique et permet d'utiliser des intensités de champ plus élevées, de l'ordre de et à 107 volts/cm. qui tendent à augmenter le rendement. En particulier, le champ intense utilisé permet d'exciter directement des électrons aux niveaux d'énergie de l'activateur excité dans la matière fluorescente, qui émettent de la lumière en retombant. L'électron ne doit pas être élevé à la bande de conduction puis accéléré de manière à avoir une énergie suffisante pour exciter un atome par collision ou d'une manière analogue. On évite ainsi les pertes dues au voyage de l'électron dans la matière fluorescente, ce qui augmente le rendement.

A cet effet, l'activateur doit être une substance pouvant être élevée à un niveau suffisant pour qu'elle émette de la lumière en retombant, mais inférieur au seuil de la bande de conduction, et dans laquelle l'excitation directe d'un électron à la bande de conduction est moins probable.

Ces conditions sont remplies, par exemple, par du manganèse d'activation dans du sulfure de zinc.

Des intensités de champ bien inférieures à celles précitées sont incapables d'amener directement l'atome d'activation à un niveau d'émission de lamière. Dans les matières fluorescentes à utiliser avec des champs plus faibles,, il faut ajouter un autre activateur comme du cuivre, de manière à produire des électrons dans la bande de conduction pouvant être accélérés pour exciter le manganèse d'activation. Cette accélération et le déplacement résultant des électrons dans le cristal introduisent des pertes dans le réseau principal du cristal.

En utilisant des champs suffisants pour amener par excitation'1' activateur à un niveau intermédiaire, mais insuffisant pour amener de nombreux électrons dans la bande de conduction. ces pertes peuvent être fortement réduites et le rendement du cristal amélioré.

D'autres buts.. particularités et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description donnée ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est une coupe transversale d'une forme d'exécution de l'invention, et la figure 2 est un graphique des niveaux d'énergie dans une forme d'exécution d'une matière fluorescente électroluminescente de l'invention.

Comme la figure 1 le montre, la plaque de verre 1 porte le revetement électriquement conducteur et transmettant la lumière 2 recouvert d' une couche comprimée 3 de matière fluorescente électroluminescente en poudre, avec, au-dessus, la couche métallique de fond 4. Une pièce de mica 5 recouvre la couche métallique 4 et dépasse les bords de celle-ci de manière à protéger la couche fluorescente 3. Une couche 6 de matière plastique ou céramique ferme l'arrière de l'ensemble et est scellée à la plaque de verre 1 sur tout son pourtour.

La poudre fluorescente de la couche 3 est fait en mélangeant du sulfure de zinc et du carbonate de manganèse en poudre,, dans la proportion de 0,005 mole de carbonate de manganèse par mole de sulfure.

L'addition d'un peu d'oxyde de zinc, par exemple environ 0.1 mole par mole de sulfure, augmente généralement un peu la luminosité.

Le mélange est ensuite soumis à un traitement thermique en le faisant passer à une vitesse d'environ 1 pouce (2.5 cm) par minute dans un tube de silice long de six pieds (2 m), d'un diamètre de trois pouces (76 mm) avec une paroi épaisse d'un quart de pouce (6a35 mm) chauffée en son milieu, sur une longueur d'environ quatre pieds (lm 30) à une température d'environ 1720 C.

On fait passer le mélange à travers le tube dans des cuvettes longues de six pouces (15 cm), larges de deux pouces (5 cm) et profondes d'un pouce et demi (4 cm). Une extrémité du tube de silice reste ouverte, et les cuvettes pénètrent par cette extrémité; l'autre extrémité est fermée par un sas pnemuatique à deux portes coulissantes afin de ne pas troubler l'écoulement du gaz inerte dans le tube, pendant le retrait des cuvettes. Le gaz pénètre dans le tube par un tuyau, à l'extrémité fermée, et s'écoule dans le sens opposé au mouvement des cuvettes.

La luminescence sera renforcée généralement, si le gâteau de matière fluorescente produit par la cuisson est broyé, intimement mélangé et soumis à une nouvelle cuisson de la même manière.

La matière fluorescente traitée est ensuite légèrement broyée de manière à briser les gros agrégats et à les séparer en particules. puis soumise à ébullition dans une solution aqueuse chaude à 5% d'acide acétique de manière à dissoudre la plupart de l'oxyde de zinc libre. Le mélange est

filtré et lavé sur filtre avec deux parties d'une solution aqueuse à 1/2% diacide acétique puis lavé deux fois à l'eau distillée. L'émission lumi- neuse est parfois renforcée, si on ajoute, au sulfure de zinc. une petite quantité, 0,5% en poids par exemple, de chlorure de zinc, avant le traite- ment thermique.Une partie du. chlorure est perdue pendant.la Cusson, et il reste envi- ron 0,01% de chlorure après.

On peut utiliser, par exemple, au lieu du chlorure de zinc, du chlorure de manganèse ou d'ammonium, pourvu que les proportions soient maintenues dans les limites voulues.

Le manganèse peut être ajouté sous d'autres formes, par exemple comme oxyde, un composé réductible en oxyde par le chauffage, le chlorure et équivalents. La quantité de manganèse est maintenue, de préférence, dans la gamme de 0,001 à 0,03 gramme-atome de manganèse par mole de sulfure de zinc. Une partie ou la totalité du sulfure de zinc peut être remplacée par le séléniure, si on le désire. Une combinaison des deux peut aider à augmen- ter l'intensité de champ locale en certains points du cristal. Les parti- cules fluorescentes peuvent avoir une dimension d'environ 10 microns, et la couche fluorescente peut être épaisse de nombreuses particules.

Le revêtement conducteur 2 de la plaque de verre 1 peut être de type classique et appliqué, par exemple, en exposant le verre chaud aux vapeurs de chlorures de silicium, d'étain ou de titane et en le- . plaçant ensuite dans une atmosphère légèrement réductrice.

Dans certains cas, le chlorure stannique est mélangé à de l'alcool absolu et de l'acide acétique glacial, et on trempe la plaque de verre dans ce mélange, si le dépôt par évaporation ne convient pas.

Qu'il soit appliqué par évaporation, trempage ou autrement, le revêtement résultant semble contenir de l'oxyde stannique (ou silicique ou de titane), probablement au moins partiellement réduit à une forme inférieure au bioxyde, quoique la composition exacte ne soit pas entièrement connue
La couche métallique 4 peut être appliquée en feuille. en peintu- re métallique ou par évaporation sous vide, sur la couche 3.

tout en veillant à ce que le métal ne pénètre pas dans la couche 3 assez profondément pour court-circuiter l'appareilo
Il est important que les revêtements conducteurs 2 et 4 soient en bon contact électrique avec la couche fluorescente 3 A cet effet,, la couche métallique de fond 4 doit être bien comprimée sur la couche fluorescente 3, sans cependant traverser celle-ci de part en part en aucun point et court-circuiter le revêtement conducteur 2.

La matière plastique 5 peut être moulée à !S'arrière de l'appareil et scellée à la plaque de verre 1, de préférence sur le pourtour de celle-ci, comme représenté. La matière plastique est scellée de préférence sous pression, et elle peut consister en une matière thermodurcissable comme les résines phénoliques ou mélamines habituelles, la matière plastique s'étendant jusquà l'avant de la plaque de verre 1 sur le pourtour de celle-ci, comme représenté, afin de serrer les différentes pièces 1,2, 3, 4 ensemble sous une pression suffisante pour un bon contact.

La couche de matière fluorescente peut avoir une épaisseur de quelques millièmes de pouce, par exemple 0,004 pouce (0,1 mm), aux bornes de'laquelle il y a environ 10.000 volts, ce qui correspond à un champ moyen d'environ 106 volts/cmo
Dans la préparation de la couche fluorescente 3; la poudre fluorescente peut être répandue sur la plaque de verre 1 et le revêtement conducteur 2, ceux-ci étant recouverts d'un cache empêchant-le dépôt de poudre aux endroits voulus, puis comprimée sous la pression la plus élevée possible sans danger de casser le verre. Sans limitation par le verre utilisé, la compression de la couche fluorescente peut atteindre 90000 livres par

pouce carré (650 kg. par cm2) au moins.

La couche fluorescente 3 doit dépasser les bords du revêtement conducteur 2 et du fond métallique 4, de manière à rendre le chemin de fuite entre les deux conducteurs 2. 4 assez long pour éviter tout arc de contournement, La couche fluorescente peut avantageusement dépasser les conducteurs 2 4 d'un huitième de pouce (3,2 mm) ou plus. Dans certains cas, une mince couche isolante 6 de mica, par exemple,, recouvre le fond métallique 4 de manière à protéger la couche fluorescente 3 sur une distance d'un huitième de pouce (3,2 mm) ou plus contre tout dégât, pendant l'application de la matière plastique 5. La couche fluorescente 3 dépasse le mica et est,, de préférence, arrondie. sur les coins.

Le champ dans le cristal est différent du champ moyen entre électrodes, à cause des irrégularités de forme et de compositions du cristal.

Le champ du cristal peut être renforcé en mélangeant aux particules de la couche'fluorescente 3, une petite quantité de particules métalliques ayant à peu près les mêmes dimensions que les particules de matière fluorescente.

Il suffit de cinq à dix pour cent en volume de particules métalliques,il des quantités plus importantes provoquant trop facilement des courts-circuits entre électrodes ou des effets d'écran pour les cristaux.

Un autre procédé d'introduction d'ingrédients métalliques consiste à prendre une couche comprimée de poudre fluorescente et d'y déposer, par évaporation une pellicule métallique très mince, épaisse d'un micron par exemple, ou moins, puis repasser la matière fluorescente dans un broyeur à boulets pour briser la pellicule et donner des cristaux partiellement recouverts et partiellement non recouverts d'un revêtement métallique. Cette solution est particulièrement intéressante parce qu'on peut tirer avantage du champ au contact métal-cristal.

Cependant la proportion de cristaux partiellement métallisés par rapport aux cristaux non métallisés doit être maintenue assez faible,ou bien la partie de surface métallisée de chaque cristal doit rester assez petite pour empêcher tout court-circuit de la couche fluorescente, soit directement soit par arc de contournement.

Dans certains cas, le champ requis peut être assez faible pour que l'électroluminescence soit produite par la matière fluorescente, sans devoir amener de nombreux électrons dans la bande de conduction, même si la matière fluorescente est enrobée d'un diélectrique verre à tension de rupture extrêmement élevée.

Même avec des matières fluorescentes comme le sulfure de zinc contenant de petites quantités de chlorure (ajoutées par exemple sous forme de chlorure de zinc ou d'ammonium) ainsi que du cuivre et du plomba certai- nes de ces matières pouvant servir à amener des électrons dans la bande de conduction, une augmentation du rendement peut être obtenue avec des champs extrêmement élevés entre 106 et 107 volts/cm. par exemple.

La matière fluorescente peut être utilisée en poudre comme dit ci-dessus. Pour tirer tout le bonifiée de l'augmentation du champ, la quantité de cuivre doit dépasser 0,001 gramme-atome par mole de sulfure de zinc aux champs faibles. Des quantités de cuivre de l'ordre de 0,01 sont souhaitables. Il est aussi intéressant d'augmenter de façon correspondante le contenu en plomb et en chlorures.

La figure 2 représente schématiquement le graphique de l'énergie cristalline de la matière fluorescente, les distances dans le cristal étant portées en abscisses et l'énergie en ordonnéeso La bande inférieure V est la bande de valence, avec tous les niveaux normalement remplis. La bande supérieure C est la bande de conduction. dont les niveaux ne sont normalement pas remplis, mais qui peuvent être atteints par des électrons de la bande de valence, sous l'excitation de champs suffisantsEntre ces deux

bandes qui passent par le cristal entier, il y a les niveaux intermédiaires
I1 et I 2 qui n'existent qu'en certains endroits du cristal.. généralement dans le voisinage immédiat d'une impureté atomique d'activation.

Quand un électron est amené, par excitation, de la bande de valence V ou du niveau intermédiaire Ils à la bande de conduction C, il peut parcourir une certaine distance le long du cristal dans cette bande. perdant de l'énergie par-diffusion, par collision avec d'autres atomes,,, et par des phénomènes semblables. Eventuellement cet électron peut retomber à un niveau plus bas, en émettant de la lumière, mais le rendement de l'émission est diminué par les pertes.

Si, cependant, l'électron est simplement amené par excitation du nouveau Il au niveau intermédiaire I2. plus élevé, sans atteindre la bande de conduction,. il ne voyage pas dans le cristal, ce qui permet d'éviter les pertes d'énergie par collision avec d'autres atomes et autres phénomènes analogues. Le processus est à meilleur rendement, l'électron étant simplement excité d'un niveau à un niveau plus élevé de la même région d'activation, et le rendement est mieux comparable à celui de l'excitation d'un activateur d'un niveau à un autre par radiation: Il y aura toujours certaines pertes diélectriques dans le processus d'excitation du champ, à moins d'utiliser du courant continup mais les pertes par conduction seront moindres.

Quoiqu'on ait donné ci-dessus le sulfure de zinc activé au manganèse comme exemple déterminé de matière fluorescente pouvant être amenée par excitation à un niveau d'activation sans atteindre la bande de conduction on peut utiliser d'autres matières fluorescentes comme, par exemple, le phosphate de calcium activé à l'étain ou le silicate de cadmium ou de zinc activé au manganèse.

Le zinc du sulfure de zinc précité peut être remplacé en tout ou en partie par du cadmium, et le sulfure en tout ou en partie par le séléniure.

La quantité de manganèse d'activation dans les sulfures peut être très supérieure à la quantité optima.

Quoiqu'on puisse obtenir une certaine augmentation du rendement par l'augmentation du champ dans les matières fluorescentes activées au cuivre ou autres matières fluorescentes dont les électrons circulent dans la bande de conduction, si on augmente la quantité de cuivre ou d'autre activateur semblable, la plus grande augmentation de rendement est obtenue quand la matière fluorescente ne contient ni cuivre ni autres matières facilitant la pénétration des électrons dans la bande de conduction.

REVENDICATICNS.

Claims

1. Lampe électroluminescente caractérisée en ce qu'elle comprend deux électrodes très proches l'une de l'autre, l'espace entre les deux électrodes étant rempli d'une poudre comprimée de particules fluorescentes électroluminescentes - 2. Lampe suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les particules fluorescentes ont des niveaux d'énergie entre lesquels des transitions à émission lumineuse peuvent se produire avec des énergies plus faibles que celles nécessaires à la transition dans la bande de conduction et des moyens sont prévus pour appliquer à la lampe une tension suffisante pour assurer l'excitation à un de ces niveaux sans atteindre la bande de conduction. <Desc/Clms Page number 6>

3. Lampe suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu' elle comprend des moyens pour appliquer une tension suffisante entre les dites électrodes pour obtenir une intensité de champ de l'ordre de 106 volts/cm en certains points de la matière fluorescenteo 4. Lampe suivant l'une quelconque des revendications précéden= tes, caractérisée en ce que l'espace entre les électrodes est rempli d'une couche comprimée d'un mélange de particules fluorescentes et de particules métalliques en poudre 5. Lampe suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins certaines de ces particules ont leur sur- face partiellement recouverte de métal.

6. Lampe suivant l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisée en ce que la couche fluorescente consiste en sulfure de zinc activé par., en substance, plus de 0,001 mole de cuivre par mole de sulfure de zinc.

7. Lampe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la dite couche comprimée consiste en particules pul- vérulentes de sulfure de zinc activées au manganèse.

8a Lampe suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, ca- ractérisée en ce que la dite poudre fluorescente est faite d'une substance- ayant un creux d'énergie entre une bande de valence contenant les électrons et une bande de conduction, et, entre ces bandes, des niveaux intermédiai- res à creux d'énergie moins larges, au moins un de ces niveaux intermédiai- res inférieurs contenant un électron et ayant un niveau d'énergie inférieur à celui d'un autre niveau intermédiaire, et des moyens pour appliquer, entre les dites électrodes, une tension produisant un champ suffisant pour amener par excitation, un électron de l'un de ces niveaux intermédiaires à un au- tre niveau intermédiaire, sans atteindre la bande de conduction.

9. Lampe suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un revêtement conducteur transparent sur une face d'une plaque de verre, ce revêtement n'allant pas jusqu'aux bords de la plaque,, la couche ou revêtement pulvérulent comprimé de particules fluorescentes recouvrant le dit revêtement conducteur et dépassant légèrement les bords de celui-ci, et une autre couche conductrice au-dessus de la couche fluorescente. cette couche conductrice n'allant pas jusqu'aux bords de la couche fluorescente.

10.Lampe suivant la revendication 9. caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour maintenir la couche fluorescente comprimée. en annexe 1 dessin.-