Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit mindestens einer elektrolumineszierender Fläche, wobei auf einer tragenden Leiterplatte eine Verbindeschicht und darauf die Schichten der EL-Lampe angeordnet sind.
Derartige Anzeigevorrichtungen sind bevorzugt elektronische Bauteile mit integrierten grafisch gestalteten Elektrolumineszenz (EL) Anzeigen auf Basis anorganischer Dickfilmsysteme. Üblicherweise werden EL-Folien zur Hintergrundbeleuchtung von LCD's und dergleichen mehr verwendet. Da anorganische Dickfilm-EL-Systeme bei relativ hohen Wechselspannungen von typisch 100 bis 200 Volt (RMS) und mehreren 100 Hz, typisch 400 HZ bis zu einigen kHz betrieben werden müssen, waren und sind Displays mit einer Vielzahl von kleinen EL-Flächen schwierig in der elektronischen Ansteuerung, da sinnvollerweise die Sekundärseite eines üblichen EL-Inverters, also die genannte relativ hohe Wechselspannung, geschaltet werden muß.
Neuartige elektronische Halbleiterbauelemente ermöglichen dies nunmehr und es gilt daher die Vielzahl an EL-Kondensatoren zu beschalten bzw. zu verdrahten.
Als Verdrahtungselement sind moderne Leiterplatten bestens geeignet.
Seit 1936, Destriau ist die Elektrolumineszenz (EL) auf Basis eines hohen Wechselspannungsfeldes an ZnS-Phosphorpulver mit Manganund/oder Kupfer-Dotierung bekannt, und es werden heute diverse erste und weitere Koaktivatoren zur Erhöhung der Helligkeit und der Lebensdauer verwendet. Insbesondere werden diverse Mikroverkapselungstechnologien von Metall-Oxid und Silizium-Nitrid bis zu Mehrfach-Aluminium-Oxidschichten eingesetzt.
Um hohe Helligkeitswerte und eine lange Lebensdauer zu erreichen, ist es bekannt, im allgemeinen relativ große Pigmente im Bereich von 15 bis 30 und bis 50 Mikrometer Durchmesser zu verwenden, was die Verarbeitung im Siebdruck etwas erschwert und insbesondere die Homogenität eines EL-Kodensators beeinträchtigt.
Bereits in der US-PS 2,838.715 wurde eine EL-Lampe auf Basis einer Glasplatte mit einer transparenten elektrisch leitfähigen Beschichtung beschrieben. Eine weitere Ausbildung wurde in der US-PS 3,315.111 genannt. In der DT-PS 2012803 wurde bereits ein Elektrolumineszenzanzeige-Leuchtkondensator in Form eines 7-Segment Elementes auf einem Glassubstrat genannt und wurde auch hier bereits das Siebdruckverfahren zur Anwendung gebracht. In der US-PS 4,927.490 und der US-PS 4,839.558 wurde eine Leiterplatte als Träger und Verdrahtungselelement in Verbindung mit einem Glas-EL-Element beschrieben. Gemäß der US 5,131.877 wurde ein EL-Display mit Segmentanzeige und einer Vielzahl von EL-Feldern dargestellt, wobei eine Vielzahl von Löchern in einer Isolationslage zur elektrischen Durchkontaktierung mittels elektrisch leitfähiger Siebdruckpaste verwendet werden, um derart die Vielzahl von EL-Feldern und Elektroden zu beschalten oder zu verdrahten.
Nur beispielhaft wird die US-PS 5,156.885 angeführt, worin Methoden zur Mikroverkapselung von typischen ZnS-Phosphoren bechrieben sind.
In der DE-OS 40 23 693 (Moser) wird eine Anzeigeeinrichtung mit elektrolumineszierender Beleuchtung beschrieben, in der eine Leiterplatte als Basiselektrode Verwendung findet. Die Verbindung der transparenten und elektrisch leitfähigen Anzeigeseite mit den Leuchtpigmenten beziehungsweise mit einem Dielektrikum und "Binder" ist allerdings nachteilig. In der US-PS 5,244.750 werden EL-Lampen beschrieben, die spezielle Kupfer- und Manganaktivierte Zink-Sulfide-Phosphorpigmente mit einer Mikroverkapselung auf Basis Aluminiumoxid verwenden und derart eine hohe Helligkeit bei langer Lebensdauer bewirken. In der US-PS 5,667.417 und in der US-PS 5,720.639 wird eine Methode zur Herstellung von EL Lampen genannt und eine Technologie verwendet, die aus der flexiblen Leiterplattenindustrie stammt, wobei Metallfolien äztechnisch und dergleichen strukturiert werden, so daß sie als Basiselektrode für den weiteren EL-Kondensatoraufbau dienen, und derart kostengünstig eine Vielzahl von EL-Lampenelementen in einem Rollenverfahren herstellbar sind. In der US 5,620.348 wird eine Methode zur Herstellung von EL-Lampen mit transflectiven Frontelektroden als auch spezielle andere lichtauskoppelnden Effekte genannt. In der US-PS 5,593.782 wird ein mit einem sehr dünnen Oxidfilm verkapselter elektrolumineszierender Phosphor und sein Herstellverfahren mittels Dampfphasenhydrolyse beschrieben und die Vorteile bezüglich der hohen Helligkeit und langen Lebensdauer aufgezeigt. Die JP-PS 11260561 beschreibt eine EL-Lampe, bei der die transparente elektrisch leitfähige Schicht mittels Siebdruck hergestellt wird und auch farbkonvertierende Beimengungen genannt werden.
Der vorliegenden Erfindung kommt die oben genannte DE-OS 40 23 693 (Moser) hinsichtlich des Aufbaues am nächsten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anzeigevorrichtung mit elektrolumineszierender Beleuchtung auf Basis anorganischer Wechselspannungs-Dickfilmsystemen zu schaffen, wobei der Schichtaufbau auf einem Trägersubstrat mittels Druckverfahren wie Siebdruck oder Offset-Druck in großen Stückzahlen mit der notwendigen Präzision hergestellt werden kann. Die Lichtausbeute soll hoch sein und die Ansteuerung einer Vielzahl von Leuchtfeldern soll in Verbindung mit der zugehörigen Elektronik kompakt gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindeschicht entweder eine, bevorzugt anisotrop in Richtung der Schichtdicke, elektrisch leitfähige Schicht oder eine Schicht mit hoher Dielektrizitätskonstante, bevorzugt >3,5, ist und daß die EL-Lampe eine zumindest teilweise transparente Trägerschicht umfaßt, die innen mit einer transparenten elektrisch leitfähigen Deckelelektrodenschicht und darunter mit der Phosphor-Schicht versehen ist.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, den Patentansprüchen und den Zeichnungen zu entnehmen.
Im folgenden wird die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen beschrieben. Fig.1 bis Fig.4 sind schematische Darstellungen des Querschnittes durch die Vorrichtung. Die Fig.5 und 6 zeigen Aufsicht und Schnitt durch eine Vorrichtung zur Darstellung der Kontaktierung des Busbar von der Leiterplatte zur Deckelelektrodenschicht. Die Schichtdicken sind nicht maßstäblich gezeichnet.
In allen Ausführungsformen umfaßt die Vorrichtung eine aus mehreren Schichten bestehende EL-Lampe 1, die Leiterplatte 2 und die dazwischen liegende Verbindeschicht 3. Bei der Herstellung werden bevorzugt die EL-Lampe 1 und die Leiterplatte 2 getrennt voneinander hergestellt und mittels der Verbindeschicht 3 miteinander verbunden.
Die EL-Lampe 1 umfaßt als Trägersubstrat eine zumindest teilweise transparente Trägerschicht 4, die beispielsweise eine thermoplastische Kunststoffolie ist. Die darüber liegende Dekorschicht 5 dient der graphischen Gestaltung sowohl der beleuchteten als auch der unbeleuchteten Flächenabschnitte. Auf der Unterseite der Trägerschicht 4 ist zur Ausbildung einer transparenten elektrisch leitfähigen Deckelelektrode die Deckelelektrodenschicht 6 angeordnet. Es handelt sich dabei bevorzugt um eine sogenannte ITO- (Indium Tin Oxide) Schicht oder eine NON-ITO-Schicht oder um eine leitfähige Polymerbeschichtung, die ähnlich einer ITO-Schicht wirkt und bei der das teure Indium durch andere Substanzen ersetzt wird. Auf entsprechende Produkte der Firmen DuPont, Agfa und Technoplast wird verwiesen. Unterhalb der Deckelelektrodenschicht 5 ist als Elekrolumineszenzschicht die Phosphor-Schicht 7 angeordnet. Diese enthält die schematisch angedeuteten elektrolumineszierenden Partikel 8, die bei Anregung durch ein entsprechendes Wechselfeld Lichtstrahlen 9 im sichtbaren Bereich abstrahlen. Wenn hier von Phosphor-Schichten gesprochen wird, bedeutet dies nicht die Anwesenheit von Phosphor, sondern umfaßt alle anwendbaren elektrolumineszierende Substanzen. Nach unten wird die EL-Lampe 1 von einer Dielektrikumschicht 10 abgeschlossen, die lichtreflektierende Eigenschaften hat.
Wie später noch beschrieben, kann die Dekorschicht 5 auch unterhalb der Trägerschicht 4 liegen. Die EL-Lampe 1 kann nach unten auch durch eine Gegenelektrode 18 abgeschlossen sein.
Die Leiterplatte 2 weist auf der Innenseite 11 Leitflächen 12 auf, die zB. aus Kupfer bestehen und deren Flächenformen zB. nach bekannten Ätzverfahren hergestellt werden können. Kontaktelemente 13 ragen durch die Leiterplatte 2 und verbinden die Leitflächen 12 mit Leiterbahnen 14 auf der Bestückungsseite 15 der Leiterplatte 2. Auf der Bestückungsseite 15 sind die für die Ansteuerung und Stromversorgung der Vorrichtung erforderlichen elektronischen Bauelemente 16 angeordnet.
Die Deckelelektrodenschicht 6 ist mittels einer hier nicht dargestellten Verbindungsleitung (Busbar) mit der Elektronik auf der Leiterplatte 2 verbunden.
Die EL-Lampe 1 ist auf der Leiterplatte 2 mittels der Verbindeschicht 3 verbunden. Dies kann eine entsprechende Klebefolie sein oder auch aus einer flüssig aufgetragenen Klebemasse bestehen. Die Verbindeschicht hat eine hohe Dielektrizitätskonstante, bevorzugt > 3,5 und besonders bevorzugt zwischen 30 und 50.
Wenn an eine oder mehrere der Leitflächen 12 und an die Deckelelektrodenschicht 6 Wechselspannung angelegt wird, kommt es zu einer Anregung der im Wechselfeld befindlichen elektrolumineszierenden Partikel 8 und zur Emittierung der Lichtstrahlen 9. Das Wechselfeld ist strichliert mit 17 angedeutet.
Die geometrischen Abmessungen der Leitflächen 12 bestimmen hier die geometrische Abmessung der leuchtenden Flächen. Die einzelnen Schichten der EL-Lampe 1 werden bevorzugt im Siebdruckverfahren auf das Trägersubstrat aufgetragen. Es können aber auch andere Druckverfahren wie Offset-Druck angewendet werden. Typische Schichtdicken für die Trägerschicht 4 sind 175 µm, für die Dekorschicht bis 30 µm, für die Deckelelektrodenschicht 6 im Falle leitfähiger Polymerbeschichtung oder ITO-gesputterter Schichten < 1µm und im Falle von ITO oder NON-ITO-Pasten > 1 µm für die Phosphor-Schicht 7 etwa 30 µm, für die Dielektrikumschicht etwa 10 µm. Für die Dicke der Verbindeschicht kann etwa 62,5 µm angenommen werden und die Leiterplatte 2 hat üblicherweise eine Dicke zwischen 300 µm und 1,6 mm. Die in Fig.1 dargestellte Dielektrikumschicht 10 ist wahlweise angeordnet und weist eine hohe relative Dielektrizitätskonstante von mehr als 3,5 und typischerweise zwischen 30 und 50 auf. Schichtdicken zwischen 10 und 20 µm sind bevorzugt. Zur Vermeidung von Fehlstellen (pinholes) ist sorgfältiges Drucken notwendig und es können diese Schicht auch durch ein zweimaliges Drucken ausgebildet werden. Weiters ist es vorteilhaft, wenn die Dielektrikumschicht 10 eine gute Reflektion des Elektrolumineszenzlichtes aufweist. Vorteilhafte Materialien für die Trägerschicht 4 sind zB. PET, PET-G, PC, PVC und PMMA. Schichtdicken von 50 bis 500 µ, bevorzugt 175 bis 250 µm werden vorgeschlagen. Diese Trägerschicht ermöglicht für das Endprodukt eine hohe Biegsamkeit und somit auch 3-dimensionale Formen. Als Trägerschicht können aber auch andere Materialien wie zB. Glas Verwendung finden.
Als Leiterplatte 2 können starre und oder flexible und/oder Multilayer-Platten verwendet werden. Das Auflöten der elektronischen Bauelemente auf die Bestückungsseite 15 der Leiterplatte kann bei Anwendung entsprechender Techniken auch nach dem Applizieren der EL-Lampe 1 erfolgen, zB. mittels sogenannter Reflow-Lötung oder Leitkleben, wobei störende Temperaturen vermieden werden.
Die Durchkontaktierung mittels der Kontaktelemente 13 erlaubt es, die notwendigen Leiterbahnen und elektronischen Bauteile auf allen Seiten der Leiterplatte 2 unterzubringen, während an der Innenseite 11 lediglich die Leitflächen 12 als Elektroden oder Kontaktpunkte untergebracht werden müssen. Dabei ist ein kompakter Aufbau der Vorrichtung möglich.
Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung ist es, wie beschrieben, die Gegenelektroden von der Leiterplatte her anzusteuern und die Deckelelektroden auf der anderen Seite der EL-Schicht vorzusehen. Gemäß Fig.1 ist die Gegenelektrode direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet, wobei die Verbindeschicht eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 wirken die Leitflächen 12 nicht direkt als Gegenelektroden, sondern es sind solche Gegenelektroden 18 Bestandteil der EL-Lampe 1. Dazu kann zB. mittels Siebdruck eine entsprechende Schicht Silberpaste oder eine andere leitfähige Druckpaste aufgedruckt werden. Die elektrische Leitung von den Leitflächen 12 auf die Gegenelektroden 18 wird hier über eine in Z-Richtung anisotrop leitfähige Verbindeschicht 3 bewerkstelligt. Das Wechselfeld wirkt somit zwischen der Gegenelektrode 18 und der Deckelelektrode 6. Im übrigen entspricht die Ausführung der Fig. 2 jener der Fig.1 und die Bezugszeichen verweisen jeweils auf gleiche oder analoge Merkmale.
Die in Z-Achse anisotrop leitfähige Verbindeschicht 3 kann zB. durch Folien der Firma 3M der Typen 7303 und/oder 9703 gebildet werden.
Als Alternative zur Anordnung anisotroper leitfähiger Kleberschichten ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, mittels Druckverfahren isotrop leitfähige Verbindeschichten abschnittweise derart anzuordnen, daß nur in jenen Bereichen die isotrop leitfähigen Verbindeschichten angeordnet sind, wo die elektrische Leitung erfolgen soll.
Der besondere Vorteil der Ausführung nach Fig.2 liegt darin, daß eine exakte Positionierung der Gegenelektroden erzielt werden kann und der gesamte Verbund seine Flexibilität und Biegsamkeit behält. Die Dielektrikumschicht besteht hier aus zwei Schichten 19,20, wie es einem zweifachen Druckvorgang entspricht.
Bei der ausschnittweisen Darstellung nach Fig.3 ist dargestellt, daß der Schichtaufbau auch einfacher erfolgen kann, indem zB. in der Ausführung gemäß Fig.1 die Dielektrikumschicht fortgelassen wird. Die Phosphor-Schicht und die darüber angeordnete Deckelelektrodenschicht 6 sind nicht durchgehend angeordnet, sondern abschnittweise, wie es den Leuchtflächen der Vorrichtung entsprechen soll.
Bei der Ausbildung nach Fig.4 sind die Gegenelektroden 18, die EL-Schicht 7 und die Deckelelektrodenschicht 6 abschnittweise angeordnet. Die Dielektrikumschichten 19,20 sind durchgehend.
Die Dekorschicht 5 liegt hier unterhalb der abschließenden Trägerschicht 4, wodurch eine höhere Abriebfestigkeit der Oberfläche gegeben sein kann. Die äußere Oberfläche der Trägerschicht 4 kann zur Entspiegelung beispielsweise mattiert oder anders optisch gestaltet sein.
Links in Fig.4 eingezeichnet ist eine mögliche Variante für die Stromversorgung der Deckelelektrode, die üblicherweise über einen Bus ständig mit Spannung beaufschlagt ist. Die Stromversorgung erfolgt von der Leitfläche 21 durch die Verbindeschicht 3 hindurch zu einer Kontaktschicht 22, und von dort zur Anschlußstelle 23 der Deckelelektrodenschicht.
Die Fig.5 zeigt die Aufsicht auf die Vorrichtung mit schematisch eingezeichneten Leuchtfeldern 24. Die oberste Schicht der EL-Lampe 1 ist hier die Dekorschicht 5. Ein Busbar 25 dient der Verbindung der Deckelelektrodenschicht 6 mit einem Anschlußkokntakt 26 auf der Vorderseite oder Bestückungsseite der Leiterplatte 2, wie in Fig.6 dargestellt. Der Busbar kann als Trägersubstrat eine Fahne 27 als Verlängerung der Trägerschicht 4 sein, auf der zur Stromleitung eine Bahn 28 der Deckelelektrodenschicht aufgedruckt ist. Mit der Schraube 29 wird der Busbar fixiert. Diese Kontaktvorrichtung kann entfallen, wenn die Kontaktierung direkt durch die Verbindeschicht erfolgt, wie in Fig.4 links dargestellt ist.
Folgende Arbeitsabläufe zur Herstellung erfindungsgemäßer Vorrichtungen sind beispielsweise zu nennen:
Bei den Varianten B und C stellt die Kupferfläche der Leiterplatte die Gegenelektrode des Kondensators (EL-Lampe) dar. Dies wird zwar in Serie eine kostengünstigere Möglichkeit darstellen, stellt aber an die Fertigungstechnologie deutlich höhere Ansprüche hinsichtlich der Präzision, da auf planparallelen Elektrodenabstand geachtet werden muß.
Die Verbindeschicht muß nicht vollflächig aufgetragen sein, wie in den Figuren dargestellt, sondern kann in ihrer leitfähigen Form auch partiell aufgetragen werden, um die elektrische Verbindung zu den Gegenelektroden 18 herzustellen.