ZnS:Mn/PZT-based Acoustic Electroluminescent Device

Abstract

A novel electroluminescent (EL) device which emits sound as well as light, acoustic EL, has been achieved by using piezoelectric material as dielectric layer. This acoustic EL device consists of silver nanowires as top electrode, and ZnS:Mn2+ phosphor screen-printed on high piezoelectric material lead zirconate titanate (PZT) ceramic sheet. The ZnS:Mn2+ phosphor was synthesized by solid state reaction method. The PZT ceramic sheet has high piezoelectric coefficient (d33) as well as high dielectric constant (k). The high d33 value (∼ 400 pC/N) resulted in high sound pressure level up to 83 dB at 100 V and 3,400 Hz. The high k value (∼ 1650) caused to the high EL luminance up to about 2 cd/m2 at 350 V and 400 Hz. The EL luminances was exponentially dependent on the applied voltage while the sound pressure levels was linearly dependent on the applied voltage, with the same threshold voltage of 50 V. The EL luminances was linearly increased and then saturated at the inverse of the decay time (∼ 600 Hz) with increasing the applied frequency while the sound pressure levels showed the flat response below 600 Hz and then parabolic increase above 600 Hz. The temperature-dependent EL luminances were maximized at the temperature of 160 oC, which is consistent with Curie temperature of the PZT sheet.

본 연구에서는 전계발광 소자의 유전층을 압전 특성을 지닌 물질을 사용함으로써 전계발광뿐 아니라 음향 출력이 가능한 소자를 구현했다. 음향 출력 전계발광 소자는 고압전 특성을 지닌 PZT 세라믹 판에 ZnS:Mn2+ 형광체를 스크린 인쇄한 후 은나노 와이어 상부 투명전극으로 구성되어 있다. ZnS:Mn2+ 형광체는 고상반응법으로 합성했다. PZT 세라믹 판은 높은 압전 효율 특성 (d33)과 동시에 높은 유전 상수 (k)를 가진다. ∼ 400 pC/N의 d33 값을 가지는 소자의 음압 수치는 100 V 및 3,400 Hz를 인가하였을 때 83 dB을 가진다. ∼ 1650의 유전 상수를 가지는 소자는 350 V 및 400 Hz를 인가하였을 때 2 cd/m2의 휘도값을 가진다. 소자의 전계발광은 인가 전압에 대하여 기하급수적인 의존도를 가지며 음압 수치는 인가 전압에 대하여 선형적인 의존도를 가진다. 발광 및 음압의 문턱 전압은 50 V로 동일하다. 전계발광 휘도값은 발광의 감쇠 시간의 역수(∼ 600 Hz)에서 포화되고, 소자의 음압 수치는 600 Hz 이하에서 평평한 반응을 보이다가 600 Hz 이상일 때 포물선형으로 증가한다. 전계발광의 온도의존도는 160 °C에서 최고치를 나타내며, PZT의 큐리 온도와 일치하는 현상을 보였다.