Введение к работе
Актуальность темы. Современная физическая химия высокоорганизованных соединений рассматривает многие компоненты микроэлектроники, носители информации и другие сложные гетерофазные материалы как контактные соединения, свойства которых отличаются от аддитивной суммы свойств компонентов. Такой подход особенно важен для сравнительно новых систем, в частности электролюминесцентных источников света (ЭЛИС), технология которых недостаточно разработана.
Известно, что тенденция перехода к полимерным и композиционным электронным приборам распространилась и на источники света. В технологии электролюминесцентных источников света одним из перспективных направлений является применение полимерных композиционных материалов на основе дисперсных люминофоров, диэлектриков и проводников, из которых формируется макроструктура с рядом функциональных слоев: излучающим, проводящими, диэлектрическим. Такую макроструктуру можно считать контактным химическим соединением, свойства которого будут определяться взаимодействиями компонентов в фзтасцио-нальных слоях и между ними.
Создание гибких электролюминесцентных источников света на прозрачной полимерной подложке (ГЭЛИС) позволяет расширить сферу применения этих изделий. Вместе с тем электрооптические характеристики экспериментальных ГЭЛИС еще далеки от теоретических и плохо воспроизводятся. Это является следствием недостаточности физико-химических исследований этих систем, отсутствием физико-химического обоснования состава композитов для функциональных слоев, контроля поверхностных свойств дисперсных компонентов и процессов удаления растворителей. В частности, присутствие остаточного растворителя делает невозможным обоснованное сопоставление диэлектрических параметров функциональных слоев и изделия в целом и применение физико-химических моделей для отбора перспективных материалов и прогнозирования характеристик ЭЛИС.
Поэтому совершенствование технических параметров ГЭЛИС и достижение уровня мировых стандартов возможно только при решении указанных физико-химических вопросов, разработки количественной теории ЭЛИС, модифицировании и контроле поверхностных свойств дисперсных компонентов, использования современных физико-химических методов исследования и моделирования. Работы в этом направлении тесно связаны с новой развивающейся областью химии твердого тела - химией высокоорганизованных веществ.
Диссертация выполнялась в соответствии с планами НИР Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) по научному направлению "Создание функциональ-
ных композитов для электроники методами химии твердых веществ" на 1994-1998 гг. (з/н 36-94"Создание пленочных и надмолекулярных структур с применением вакуумных, химических и электрохимических методов") и на 1999-2003 (з/н 1.16.99Ф "Теоретическое и экспериментальное моделирование и формирование наноноструктур на функционально и энергетически неоднородной поверхности").
Цель работы : физико-химическое обоснование состава и условий формирования полимерных композитов для функциональных слоев электролюминесцентных источников света с применением термодинамической модели композита.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
провести теоретическую оценку термодинамических параметров функциональных композитов с учетом изменения химического потенциала макромолекул на поверхности частиц функционального наполнителя и коллективного взаимодействия полимерного связующего с наполнителем в зависимости от размера частиц;
с применением ИК-спектроскопии исследовать взаимодействия компонентов системы и определить условия удаления растворителя в процессе формирования диэлектрического слоя;
исследовать влияние состава композита на основе бутадиен-нитрильного каучука, акриловоамидной смолы и керамики БЦН на структуру и свойства функциональных слоев;
исследовать взаимосвязь состава и электропроводящих свойств уг-лероднаполненных электропроводящих композитов на основе бутадиен-нитрильных каучуков;
оптимизировать состав излучающегор слоя ЭЛИС, сформировать на основе разработанных функциональных композитов электролюминесцентные макроструктуры и исследовать их электрофизические характеристики.
Научная новизна.
На основе термодинамической модели композита проведена теоретическая оценка влияния дисперсности и концентрации наполнителя, а также надмолекулярной структуры полимера на термодинамические параметры функциональных слоев.
Показано, что относительное изменение диэлектрической проницаемости полимера, рассчитанное по уравнению Винера, согласуется с результатами расчета изменения свободной энергии полимера по термодинамической модели.
Методом ИК-спектроскопии МНПВО показано, что полнота удалении растворителей (ацетона и бутилацетата) из композитов определяется молекулярной массой полимера, типом растворителя, концентрацией наполнителя и структурой образовавшейся сетки. При критической объемной
концентраци наполнителя (~ 40 об.%) образуется плотноупакованная структура дисперсной фазы, способствующая удержанию растворителя, что отрицательно сказывается на эксплуатационных свойствах функционального слоя ГЭЛИС.
Установлено влияние поверхностных свойств сегнетокерамики БЦН на реологические и седиментационные свойства паст-суспензий. Показано, что наличие на поверхности сегнетокерамики БЦН на основе легированного титаната бария повышенного количества донорно-акцепторных центров (по сравнению с нелегированным титанатом) способствует более интенсивному структурообразованию в суспензиях, что отражается в более высоком предельном напряжении сдвига и в большей структурированности осадков.
При исследовании электроводности композитов на основе графита и технического углерода показано, что использование связующего с большим количеством полярных нитрильных групп приводит к снижению порога перколяции и критического индекса.
Практическая значимость.
Определены условия, способствующие максимально полному удалению растворителя из диэлектрических функциональных композитов и хорошему качеству их поверхности. Показано, что для достижения высоких значений диэлектрической проницаемости необходимо уменьшать размеры частиц сегнетокерамики, использовать кристаллические или частично кристаллические полярные полимеры с крупными надмолекулярными структурами и избегать химического взаимодействия полимера с поверхностью наполнителя.
Установлено, что применение растворителя, обладающего большим термодинамическим сродством к полимеру, обеспечивает более высокое качество поверхности композита, не отражаясь на удержании растворителя, что способствует улучшению функциональных свойств получаемого слоя. Уменьшение молекулярной массы каучука также способствует более высокому качеству поверхности.
На основе суспензий дисперсных наполнителей в растворах бутади-ен-нитрильного каучука, акриловоамидной смолы в бутилацетате и ацетоне разработаны композиты для функциональных (диэлектрических, электропроводящих и излучающих) слов ЭЛИС, обладающие высокой эластичностью, что позволяет создавать ЭЛИС на гибких подложках (алюминиевая и медная фольга, лавсан). Изготовлены опытные образцы ЭЛИС, яркость которых при режиме возбуждения 220 В, 400 Гц составляет 65 кд/м2. Результаты работы используются в лабораторном практикуме по специальности "Химическая технология материалов и изделий электронной техники".
Публикации и апробация работы. Результаты работы были представлены на конференции по перспективным материалам и технологиям
для средств отображения информации (Кисловодск, 1996), на научно-технических конференциях аспирантов СПбГТИ(ТУ) (Санкт-Петербург, 1997 и 1999). По результатам работы опубликована 1 статья и тезисы 5 докладов. Образец электролюминесцентного источника света демонстрировался на выставке "Санкт-Петербургу 300 лет", Санкт-Петербург, 1999.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 141 стр. машинописного текста и содержит 37 рис., 18 табл. Работа состоит из введения, обзора литературы, теоретической, методической и 3-х глав экспериментальной части, выводов. Библиография включает 70 наименований.