Дерпи Хувс ловит маффины. Стекло. Эпоксидка. Зелёный люминофор.
Я потратил целых три месяца и изготовил добрую сотню образцов, прежде чем у меня стало получаться что-то сносное. На данный момент я провёл пять экспериментов и изготовил две серии прототипов.
Думаю ещё через несколько месяцев я смогу написать уже Исчерпывающее руководство по изготовлению самодельных индикаторов, с подробным обоснованием всех возможных комбинаций материалов, но пока же ограничусь описанием проведённых экспериментов и полученными текущими результатами^
Видеоверсия статьи для визуалов:
Введение
У Электролюминесценции есть ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с существующими современными технологиями изготовления дисплеев.
Например, электролюминесцентный индикатор способен эксплуатироваться при очень широком диапазоне температур и выдерживать огромные перегрузки. Именно поэтому такие индикаторы использовать в советских и американских космических кораблях.
Семи-сегментные индикаторы панели управления космического корабля СОЮЗ-Т (Слева) и Индикаторный DSKY модуль от бортового компьютера Apollo (справа)
Равномерное излучение позволяет создавать высококачественную подсветку и электролюминесцентная подсветка — фирменная фишка часов Casio, однако встречается и на других устройствах, например, в пейджерах:
Носимые устройства с электролюминесцентной подсветкой: наручные часы Casio(слева) и заблудшая душа(справа)
Разумеется, у технологии есть и недостатки. Во-первых, это короткий срок службы. И без того небольшая начальная яркость катастрофически снижается в первую пару тысяч часов работы. Хотя сам индикатор способен работать годами. Другая проблема кроется в необходимости высоковольтного источника питания переменного тока напряжением 200-300В и частотой 400-1200Гц, а также сложные аналоговые коммутаторы.
Но лично меня заинтересовало то, что мы можем изготовить электролюминесцентный индикатор практически любой конфигурации с помощью обычной кисточки.
Сама электролюминесценция — это физический эффект излучения материалом света под воздействием сильного электрического поля.
Технически, электролюминесцентный индикатор представляет собой конденсатор — между прозрачной и непрозрачной обкладками которого располагается тонкая плёнка твёрдого диэлектрика. В качестве диэлектрика используются электролюминофоры на базе сульфида или ортосиликата цинка, допированные различными металлами для получения того или иного цвета свечения. После выхода первой серии по ЭЛИ мои любимые подписчики подарили мне электролюминофоры различных цветов. Теперь у меня практически вся палитра:
Мой голубой на 455нм, три вида зелёного цвета, 510, 515 и 525нм, Жёлтый (590нм), оранжевый(625нм) и красный(670нм).
▍ Четыре с виду простых шага:
Для того чтобы изготовить самодельный индикатор, выполним несколько простых на вид шагов.
Во-первых, подготовим верхний и нижний электрод. Стекло с токопроводящим слоем — наилучший вариант прозрачного электрода, а в роли заднего электрода подойдёт фольгированный стеклотекстолит с протравленным на нём рисунком:
Вторым шагом замешиваем порошок электролюминофора в эпоксидной смоле и наносим тонкий излучающий слой на токопроводящее стекло:
Слой люминофора на стекле в свете УФ лампы. Нанесение — кистью
Как только он высохнет, замешиваем порошок титаната бария в эпоксидной смоле и склеиваем верхний и нижний электроды вместе:
Струбцин много не бывает.
Когда смола затвердеет — мы сможем подключить наш индикатор к источнику питания переменного тока используя многоканальный коммутатор и наш индикатор — оживает:
Дерпи Хувс. Первая партия прототипов. Образец №79.
Разумеется, эти простые на вид четыре шага содержат огромное количество нюансов, которые я познал из литературы, а также из проведённых опытов.
Эксперимент №1. Проба пера
Образец №1.
Первый эксперимент уже мелькал в обзорной серии про советские индикаторы, там я просто решил проверить жизнеспособность технологии в принципе.
Для этого я замешал титанат бария в алкидном яхтном лаке в соотношении 1:1 и с помощью аэрографа нанёс тонким слоем на полоску фольгированного текстолита. Затем нанёс слой смеси голубого люминофора ЭЛ-455 опять же в алкидном яхтном лаке в соотношении 2:1, после — на каплю алкидного лака сверху приклеил токопроводящее стекло. Этот образец №1 заработал, правда спустя неделю лежания на полке он заметно потемнел и почти полностью потерял в яркости. В попытках выжать из него хоть что-то он прогорел и уже больше никогда не будет светиться.
▍ Где взять Электролюминофор?
Например, свой голубой 455нм я купил в НПФ люминофор. Они также производят зелёный(515нм) и жёлтый(575нм) цвета, но они дороже, да и зелёный 525нм к тому моменту у меня уже был. Цена вопроса — от 20 тысяч рублей за килограмм, фасовка от 0.5кг.
▍ Стекло с токопроводящим покрытием (ITO-стекло)
Токопроводящее стекло является самым простым и доступным материалом для изготовления переднего электрода. На поверхности такого стекла нанесён тонкий слой твёрдого раствора оксидов индия (III) и олова (IV). (Indium tin oxide).
Наиболее часто встречаемый размер стекла с aliexpress- 20х20, 50х50, 100х100мм. Хотя мне удалось купить стекло 100х200мм, которое пойдёт на проект «Ну, покорми» Средняя стоимость на ali — порядка 500 рублей за одно стёклышко размером 100х100мм. Цена зависит от сопротивления токопроводящего слоя — чем оно меньше — тем дороже, но тем меньше света пропускает само стекло из-за более толстого слоя.
Слева стекло сопротивлением 10 Ом, справа — 20 Ом
Зато чем меньше сопротивление стекла — тем меньше будет градиент напряжённости поля в диэлектрике, следовательно, свечение будет более равномерным. Для компенсации большой площади стекла или высокого сопротивления токопроводящего слоя можно сделать несколько точек подключения по всему периметру. В реальности — неравномерность свечения скорее будет вызвана неравномерной толщиной пакета, нежели сопротивлением стекла.
Для стёкол есть специальные контакты, которые нащелкиваются с края и фиксируются компаундом. На ali стоят конских денег — по 10-15 рублей за один контакт. На таобао сильно дешевле, но и партию надо заказать приличную, чтобы затея окупилась:
Эксперимент №2.
10 Образцов различной конфигурации под светом УФ лампы
В рамках второго эксперимента я решил немного поиграться с составами, способами нанесения, цветами и токопроводящим клеем.
В результате я понял, что алкидный лак использовать нельзя. После высыхания яркость действительно уходит почти в нуль. Вероятной причиной является низкая диэлектрическая проницаемость — чем она выше у связующего — тем ярче будет светиться люминофор.
Зато я открыл для себя эпоксидный паркетный лак ЭП-2146. Он даёт отличную яркость, хотя и грешит разводами. Правда склеивать пакет им нельзя, так как он не высохнет между электродами, а если и высохнет, то вытечет; и индикатор покроется красивыми узорами. Но продолжит работать. Так что для склейки пакета необходимо использовать строго двухкомпонентные составы:
Образец №2 спустя 10 и 30 часов после склейки.
Также я выяснил, что в слой диэлектрика обязательно надо добавлять титанат бария. Он как сегнетоэлектрик значительно снижает напряжение зажигания индикатора и, следовательно, — повышает яркость. Если, например, склеить индикатор на чистую эпоксидку ЭДП и ЭДП с примесью BaTiO — второй вариант будет светиться в разы ярче.
Кроме этого я проверил, что можно наносить составы обычной кисточкой. Особенно если люминофор крупной фракции — он будет сразу забивать аэрограф.
А ещё, в роли заднего электрода можно использовать токопроводящий клей. Например, серебросодержащий KONTAKTOL. Только наносить надо в несколько слоёв и давать высохнуть:
Три образца зелёного, жёлтого и красного цветов с токопроводящим клеем.
Цена токопроводящего клея правда мама не горюй. Вроде бы тюбик в 2гр и стоит 340 рублей, а ведь это 170 тыс. рублей за кило! А я сначала думал что это люминофор дорогой… И нет, токопроводящие чернила, токопроводящий лак в большей таре так и стоят — 180-200тыс. рублей за кило/литр.
Эксперимент №3. Самый масштабный
48 образцов третьего эксперимента дружно ждут высыхания эпоксидки
Для третьего эксперимента я купил три различных двухкомпонентных эпоксидных смолы, в итоге было 4 связующих для люминофора и три для слоя диэлектрика, плюс диоксид титана и титанат бария в роли наполнителя слоя диэлектрика — итого 12 комбинаций. Для каждой из них я сделал по 4 образца, получив суммарно 48 индикаторов. Они все заработали — я включал их на стриме на лайв-канале. Вместе со зрителями мы выбрали по одному образцу в каждой группе, включили их параллельно и оставили на ночь. Пока не поднялось солнце, яркость держалась на одном уровне, что уже хорошо:
Лучшие из худших.
И у меня появились лидеры — эпоксидный паркетный лак и эпоксидка boxepox.
Основная ошибка этого эксперимента — я не шлифовал слой люминофора, а поверх него наносил довольно толстый слой диэлектрика, а потом и приклеивал на него же! В итоге общая толщина слоя получалась более 300 микрометров! Это очень много.
Эксперимент №4
В нём я решил зашлифовывать в плоскость слой люминофора, а затем сразу приклеивал задний электрод без нанесения дополнительного слоя диэлектрика. И о чудо — образцы №62(ЭЛ-455+ЭП-2146) и №68(ЭЛ+455+Boxepox) действительно светятся гораздо ярче, чем образцы №29 или №44 соответственно, имеющие такой же состав, но в 3-4 раза большую толщину пакета:
Состав образцов один и тот же(ЭЛ-455 + ЭП-2146), но №29 имеет более толстый слой диэлектрика и не был зашлифован
Толщина пакета тут составила 70 и 150мкм для №62 и №68 соответственно — поэтому №68-й, на базе эпоксидки boxepox светится слабее:
Лидеры четвёртого эксперимента.
Зато можно заметить, что №62, на базе ЭП-2146 весь в разводах, а на базе эпоксидки Boxepox светится очень равномерно.
Кстати термосопли тоже можно использовать в качестве субстанции для склейки, хотя яркость будет очень плохой. Главное склеивать на электроплитке, чтобы термосопли были действительно жидкими. Надо будет как-нибудь попробовать замешать в них титанат бария и посмотреть что получится…
Образцы склеенные термосоплями. У №69-го треснуло стекло при склейке, но это не помешало запустить его хотя бы наполовину.
И вот настало время изготовления прототипов.
▍ Прототипы №1. Всё пошло не так
Для видеоролика я решил сделать пару световых полей размером 50х50мм, двухразрядные семи-сегментные индикаторы, также 50х50мм и попробовал сделать Дерпи Хувс. Левую и правую, размером 100х100мм. Решил сделать замес на базе люминофора ЭЛ-510В зелёного цвета свечения в эпоксидном лаке ЭП-2146 в соотношении 1.5:1.
Но меня ждал провал. Вся партия пошла наперекосяк:
Первая партия прототипов. Когда один только вид как бы намекает, что что-то пошло не так
Во-первых, я решил протравить рисунок на стёклах. Я предпринял множество попыток, с плёночным, с жидким фоторезистом, ничего не вышло. Но я так понадеялся на то, что у меня получится, что мне пришлось в срочном порядке вручную изготавливать двухсторонние печатные платы и паять перемычки, а самое главное — зашлифовывать переднюю сторону до идеальной плоскости! Ждать три недели платы из Китая уже просто не было времени.
Стекло покрытое жидким позитивным фоторезистом. Рисунок уже проявлен
Рисунок на стекло лучше нанести с помощью жидкого фоторезиста, так как плёночный фоторезист — в моём случае Ordyl 350 — отваливался в процессе травления. Я попробовал жидкий позитивный фоторезист Microposit S1813, используемый в полупроводниковой промышленности. Им покрывают кремниевые пластины при изготовлении микросхем. При печати фотошаблона главное помнить, что жидкий фоторезист — позитивный, плёночный — негативный (это в моём случае, уверен бывают и исключения).
Наносится жидкий фоторезист методом центрифугирования, определённый объём наливается в центр пластины, даётся некоторое время на растекание и врубается центрифуга.
Проблема в том, что если в документации написано сколько и как лить, и с какой скоростью раскручивать — так и надо делать. Очевидно что у моторчика от жёсткого диска для этих целей просто недостаточно мощности. Получаются лучевидные подтёки, и рисунок нормально не проявляется:
Установка для нанесения жидкого фоторезиста и результат, который нельзя назвать хорошим.
Нанесение аэрографом даёт более равномерный слой, но под микроскопом видны капли. Как результат — такой рисунок проявится неравномерно, будет грязным и скорее всего перетравится.
Из очевидного — нужна нормальная центрифуга с контролем частоты вращения, а самое главное — термостатирование для кислоты.
Во-вторых, аэрограф тут же забился составом. Растворитель 646 очень жидкий и смесь практически мгновенно расслаивается. Мне не удалось его оперативно прочистить, поэтому я нанёс слой люминофора просто обычной кистью, получив в итоге слой в 60мкм. Это хороший результат, но слой вышел слишком прозрачным, да и явно видны волны люминофора. Итоговое качество уже будет посредственным. Далее, приклейка заднего электрода. Первый замес был слишком густой, второй — заляпал весь стол, но самое главное — люминофорный слой поплыл и стал ещё более прозрачным. В итоге все индикаторы заработали, однако на трёхсегментных индикаторах из четырех прогорели некоторые сегменты при всего лишь 200В, а у левой Дерпи — прогорела нижняя пара копыт. Это фиаско, я принял решение делать новую партию. До выхода видео оставалось 5 дней.
▍ Прототипы №2
И вот тут, наконец, я расскажу вам как сделать индикатор удовлетворительного качества.
▍ Шаг 1. Подготавливаем стекло и задний электрод
Стекло тщательно моем с помощью средств для мытья посуды, промываем проточной водой, двухсторонним скотчем фиксируем на картоне токопроводящей стороной вверх для удобства нанесения и пару раз протираем ацетоном. Разумеется в перчатках. Далее, наклеим кусочки изоленты или каптонового скотча на уголки стекла — там впоследствии будут подключаться электроды.
Задний электрод — двухсторонняя печатная плата без масок и шелкографий, комплект которых опять пришлось рукоблудить вручную. Свинец тут крайне нежелателен, так что идеальным вариантом будет покрытие плат иммерсионным золотом.
Далее, с помощью ламинатора FGK наношу сухой плёночный фоторезист Ordyl 350. Рекомендую свежий, но и просроченный на 2-3 года тоже подойдёт. Раньше использовал МПФ-ВЩ от Диазоний, он тоже неплох. Негативные фотошаблоны без отверстий печатаю на прозрачной пленке Lomond 0708415 для струйных принтеров, совмещаю с платой, приклеиваю на скотч с двух сторон и зажимаю между двумя стеклами, засвечиваю каждую сторону по 20 секунд под прогретой лампой ДРЛ-400 и проявляю в 1% растворе кальцинированной соды.
Лучший раствор для травления — персульфат аммония. Концентрация — 1кг на 4 литра воды. При температуре раствора в 50 градусов и барботаже воздухом — травится примерно за 3-4 минуты. Его ругают за малое время службы, но 2-3 месяца он вполне может прожить. Помните только одно — НЕ ХРАНИТЕ РАСТВОР В ГЕРМЕТИЧНОЙ ТАРЕ!
▍ Шаг 2. Замешиваем люминофор
На две части эпоксидной двухкомпонентной смолы Boxepox (сама смола смешивается в пропорции 2:1) добавляем три части электролюминофора нужного цвета. Я снова выбрал зелёный ЭЛ-510В. До адекватной густоты добавляем одну часть 646 растворителя, хоть это и не самый хороший вариант. Всё тщательно перемешиваем и процеживаем через мелкую сетку в другой стакан:
Стекла с нанесённым составом люминофора. Начальная толщина слоя — 180-220мкм
▍ Шаг 3. Наносим слой люминофора
Ставим стекла вертикально и интенсивно помешивая состав кистью наносим его на стекло сверху вниз, размазывая потеки. После нанесения оставляем на сутки для полимеризации.
▍ Шаг 4. Калибруем люминофорный слой
С помощью наждачной бумаги зернистостью 600, 800 и 1200 снимаем лишнюю толщину, контролируя процесс микрометром. Требуемая толщина слоя — порядка 50мкм. Чем толще — тем меньше будет итоговая яркость. Но в шаге 3 я переборщил с начальной толщиной состава и получил после шлифовки 100-140мкм. Boxepox снимается очень медленно. Терпимо, но яркость второй партии прототипов могла бы быть и выше:
▍ Шаг 5. Замешиваем клей и склеиваем пакет
На одну часть эпоксидной двухкомпонентной смолы Boxepox (сама смола смешивается в пропорции 2:1) добавляем одну часть BaTiO. Тщательно размешиваем состав. Далее, равномерным Толстым слоем покрываем составом задний электрод, размазывая его ракелем по всей поверхности. После чего, с небольшими круговыми смешениями электродов друг относительно друга придавливаем стекло к заднему электроду, выгоняя пузыри и выдавливая лишний состав. После чего, не жалея струбцин, скрепляем весь пакет в единое целое, центрируя электроды друг относительно друга. Здесь рекомендую убрать салфетками выдавленный состав — после полимеризации это будет сделать значительно сложнее.
Ждем сутки и наш индикатор готов! Можно подключить его к источнику питания через многоканальный коммутатор на оптопарах из прошлой статьи и убедиться что всё работает!
Вторая партия прототипов в работе, а также несколько опытных образцов для сравнения. Питание 310В 1200Гц
К сожалению, из-за большой толщины слоя люминофора в этой партии, яркость вышла довольно посредственной. Но на картинке стоит обратить внимание на образец №28. В эксперименте №3 он был самым ярким. Но на фоне последующих попыток он считай и не светится!
Впереди у меня ещё много экспериментов. Например, лучше подобрать толщину слоя люминофора. Или посмотреть как она сочетается со слоем диэлектрика, или подобрать другой растворитель, в котором люминофор не будет столь резко выпадать в осадок. Найти связующее которое будет лучше текущего. Образец №93, например, замешан в полиуретановом лаке и при своих 140мкм светится ярче связующего boxepox. Ещё хочу попробовать изготовить гибкий индикатор на базе токопроводящей пленки и токопроводящих чернил (Ищу струйный принтер с возможностью заправки чернил). Ну и конечно же улучшить технологичность всех шагов процесса изготовления, особенно — процесса нанесения слоя люминофора.
Источники
- О.Н. Казанкин, И.Я. Лямичев и др. Прикладная электролюминесценция. под. ред. Фока М.В. М. «Советское радио» 1974
- Г.Хениш. Электролюминесценция. перевод с английского. М. Мир, 1964
- А.В. Касименко Электролюминесцентные буквенноцифровые индикаторы. Советское Радио. М. 1971
- Электролюминесцентные источники света. И.К.Верещагин. Энергоатомиздат, 1990
- Б.Л. Агранат Ф.Я. Вайсберг, Л.А. Гуревич Электролюминесцентные покрытия и их применение в технике. Л. 1965
Видеоверсия:
Автор: Артем Кашканов
