Цианэтиловый эфир поливинилового спирта (ЦЭПС) – связующее для электролюминесцентных источников света

Полимеры со специальными электрическими свойствами находят все более широкое применение в толстопленочной электронике для создания функциональных слоев и композитов. Использование полимеров позволяет построить более гибкие, перенастраиваемые технологии, снизить себестоимость продукции. В частности, полимеры с высоким значением диэлектрической проницаемости используются при формировании конденсаторов а также электролюминесцентных источников света (ЭЛИС). Однако, в области разработки и производства ЭЛИС Россия значительно отстает от США, Японии, Кореи и ряда других стран вследствие отсутствия необходимых материалов.

Конструктивно ЭЛИС представляет собой гибкий (допускается изгиб с радиусом менее 3 см), плоский холодный источник света, напрямую преобразующий электрическую энергию в излучение, что определяет его исключительно малую потребляемую мощность – 50 Вт/м², позволяющую автономно работать от малогабаритного источника питания – рисунок 3.1.1. Срок службы составляет более 10.000 часов. Цвет свечения может быть любым от голубого до красного, а также белым. Использование ЭЛИС включает источники аварийного или ночного освещения; мнемосхемы, световую рекламу и дизайн; подсветку жидкокристаллических дисплеев в мобильных телефонах, пейджерах, часах, органайзерах и т.д. [1].

Выбор полимерного связующего для композитов, составляющих макроструктуру электролюминесцентного конденсатора, определяется требованиями к электрофизическим свойствам функциональных слоев. Например, при создании излучающего слоя основное назначение связующего диэлектрика заключается в создании барьерных областей и концентрации поля на краях зёрен люминофора. Поэтому к связующему диэлектрику обычно предъявляются следующие требования: прозрачность для видимого света, хорошая адгезия к соседним слоям, достаточная величина пробивного напряжения, химическая инертность по отношению к материалу наполнителя и электродов, стабильность электрофизических и оптических характеристик к действию влаги и света. Особенно важное значение имеет высокая диэлектрическая проницаемость и небольшая величина тангенса диэлектрических потерь полимера защитного слоя, которые определяют общую толщину ЭЛИС, величину напряжения, питающего источник света. От правильного выбора связующего зависят также физико-механические свойства получаемых слоёв: прочность, износостойкость и др. Поэтому связующее, применяемое в технологии ЭЛП, особенно гибких, должно быть эластичным и сохранять упруго прочностные свойства в интервале рабочих температур.

ОАО «Пластполимер», Санкт-Петербургский государственный технологический институт и ООО «Руза» совместно разработали универсальное связующее для электролюминесцентных источников света повышенной яркости, представляющее собой композицию на основе модифицированного цианового эфира поливинилового спирта (ЦЭПС). Структурную формулу ЦЭПС можно изобразить следующим образом:

где x = (0,5 ¸ 12,0)% массовых; y = (0,5 ¸ 3,0)% массовых; z = (99,5 ¸ 85,0)% массовых; R – насыщенный углеводородный радикал.

Был проведен целый комплекс исследований по изучению влияния основных параметров молекулярной структуры ЦЭПС на его электрофизические и динамические механические свойства, а также на реологические характеристики его растворов в некоторых полярных растворителях. В частности, строение ЦЭПС изучено и подтверждено с помощью ИК- и ЯМР-¹³С-спектроскопии. Композиционная неоднородность (неоднородность по составу) полимера анализировалась с помощью данных динамического механического анализа плёнки ЦЭПС.

Рис. 3.1.3. Диэлектрическая проницаемость синтезированных полимерных связующих.

На основании полученных данных проведена оптимизация структуры ЦЭПС и технологии его получения. Рисунок 3.1.3 отражает повышение величины диэлектрической проницаемости синтезированных полимерных связующих в результате оптимизации исходного сырья и процесса синтеза.

На рисунке 3.1.4 представлен спектр пропускания полимерной пленки. Видно, что полимер обладает высокой прозрачностью в видимой области, однако в процессе светостарения она несколько ухудшается. В процессе работы ЭЛИС генерируется видимое излучение значительной интенсивности, а при использовании в изделиях наружного освещения и мобильной электроники полимер также подвергается действию видимого света и ультрафиолета. Снижение светопропускания под действием этих факторов приводит к снижению яркости и КПД ЭЛИС, поэтому светостойкость полимера является важной характеристикой и для её обеспечения в ЦЭПС вводили соответствующие модификаторы. В результате – см. рис.3.1.4 – достигнута стабильность светопропускания, причем ее величина на 50% выше, чем для полимера фирмы DuPont также специально разработанного для применения в ЭЛИС.

Рис. 3.1.4. Спектр пропускания полимерной пленки.

Для формирования функциональных слоев на основе ЦЭПС необходимо использовать растворы полимера. Нами оптимизирован состав смесевого растворителя, позволяющий получать концентрированный (25%-ный) раствор с требуемыми реологическими свойствами. На рисунке 3.1.5 представлена типичная кривая течения раствора ЦЭПСа. Видно, что система слабо структурирована и характеризуется низкими величинами предельного напряжения сдвига – 5…10 Па. Растворы демонстрируют ньютоновский характер течения в широком диапазоне величин напряжения сдвига.

Параметр	Величина
Диэлектрическая проницаемость	7...22
Тангенс угла потерь	0.1…0.15
Светопоглощение пленки при 550нм, %	~ 5
*Вязкость 25% раствора, Пас**	500…700
Цвет	Белый

Таким образом, разработанные полимерные связующие обладают широким диапазоном величин диэлектрической проницаемости – см. таблицу 3.1.1, что позволяет использовать оптимальный для конкретного применения полимер, с низкими диэлектрическими потерями, хорошей прозрачностью и светостойкостью. Выпущены опытные партии материала, которые с положительным эффектом прошли испытания в качестве связующего для гибких ЭЛИС у ряда потенциальных потребителей. В частности, проведенные фирмой Ду Сонг Тек (Корея) испытания [2] показали преимущество предложенных связующих по сравнению с коммерчески доступными образцами фирмы DuPont – таблица 3.1.2.

Характеристики ЭЛИС на основе различных полимеров.

Полимер	Яркость,	Цветовые координаты		Адгезия
	кд/м²	X	Y
DuPont	56	0,184	0,403	Плохая
ЦЭПС	78	0,184	0,399	Хорошая

Результаты испытаний свидетельствуют, что разработанный полимер обладает необходимыми прозрачностью и светостабильностью, позволяет формировать функциональные слои ЭЛИС высокого качества с хорошей адгезией и обеспечивает повышение яркости свечения источников света на 40% по сравнению полимером фирмы DuPont. Важным преимуществом разработанного материала также является существенно более низкая стоимость.

Цианэтиловый эфир поливинилового спирта (ЦЭПС) – связующее для электролюминесцентных источников света.