Elektroluminiscenční lampy

Fotografie: Edison Tech Center / Planar: www.Planar.com

Používání elektrického proudu přes luminofor nebo polovodič
Komerční historie (50. léta 20. stol. Dnes)

Úvod & Statistika
Jak fungují
. Vynálezci a vývoj

Zjednodušeně řečeno EL lampy neboli „elektroluminiscenční lampy s vysokým polem“ využívají ke svícení elektrický proud přímo přes luminofor. Na rozdíl od většiny výbojek mohou mít extrémně plochý tvar nebo tvar úzkého drátu.
Elektroluminiscence neboli „EL“ je netepelná přeměna elektrické energie na energii světelnou. Tento jev se využívá v EL lampách, LED diodách a OLED diodách. Na této stránce hovoříme o zařízeních EL, která vytvářejí světlo buzením vysokoenergetických elektronů v fosforových materiálech, jako je ZnS:Mn. Tento typ zařízení využívá „elektroluminiscenci ve vysokém poli“.
Od LED/OLED se liší tím, že OLED používají p/n přechod (dva polovodivé materiály, kde se na hranici spojují elektrony a díry). V EL je vrstva zvaná aktivátor, ve které vyzařuje světlo celá vrstva, nikoliv pouze hranice
-It se liší od žhavení. Při žhavení posíláte do materiálu proud, ten vytváří teplo a toto teplo při dostatečně vysoké teplotě vyzařuje světlo.
Více o tom, jak funguje EL (níže)

Běžná použití: noční světla, dekorativní luminiscenční oděvy, osvětlení hodinek, dekorativní osvětlení plochých stěn, odolné vodotěsné displeje, displeje lékařských nástrojů a nejnověji počítačové monitory a billboardy

Klasické televizory používají elektroluminiscenci. CRT (katodové trubice) mají elektroluminiscenční povlak z oxidů a sulfidů vzácných zemin. Tyto materiály se rozzáří, když na ně dopadají elektrony vystřelené z katody v zadní části trubice.

Všechny kredity a zdroje jsou umístěny na konci každé stránky s osvětlením

Spotřebitel může znát značky Panelescent a Indiglo, které obsahují lampy a hodinky využívající EL. Společnosti Planar a Sharp Corporation jsou průkopníky v používání elektroluminiscence v displejích. Vlevo: Jedna z prvních EL lamp na trhu: Panelescent od společnosti Sylvania. Noční svítidlo s napětím 120 V a příkonem 0,02 W, které se zapojuje přímo do zásuvky a poskytuje měkkou zelenou záři.

Výhody:
-Nízký příkon
-Dlouhá životnost
-Není potřeba externích obvodů (není potřeba předřadník k omezení proudu, lze jej zapojit přímo do elektrické sítě a díky vlastnímu odporu bude sám regulovat výkon)
-Může být vyroben do plochých flexibilních panelů, úzkých řetězců a dalších malých tvarů
-Může být vyroben do vodotěsných počítačových monitorů, které jsou odolnější a lehčí než LCD nebo plazmové obrazovky.
-Není směrový jako LCD, když se používá jako počítačový monitor, vypadá dobře ze všech úhlů
-Displej EL zvládá působivý teplotní rozsah -60 C až 95 C, což LCD monitory nedokážou

Nevýhody:
-Nepraktické pro všeobecné osvětlení velkých ploch kvůli nízkému světelnému toku luminoforů (zatím)
-Slabá svítivost na watt, obvykle se však lampa stejně nepoužívá pro vysoký světelný tok
-Snížený světelný tok v průběhu času, ačkoli novější technologie jsou v tomto bodě lepší než starší luminofory
-Pružné ploché EL listy se při ohýbání opotřebovávají, na trvanlivosti se pracuje
-Lampy mohou spotřebovávat značné množství elektrické energie: 60-600 V
-Typická EL Potřebuje měnič, pokud se používá se zdroji stejnosměrného proudu, například na hodinkách (pro vytvoření střídavého proudu o vyšší frekvenci, je to slyšet)

Statistika EL *Svítivost na watt: *Životnost lampy: 2 000 – 50 000 hodin *CRI – N/A *Teplota barev – N/A *K dispozici v 0.01 – 3 W Vlevo: EL pozadí s LCD displejem, prodávaný jako „Indiglo“ společností Timex v 90. letech

Elektroluminiscenční výstupní značka, snadno ovladatelná při nízké spotřebě a velmi dlouhé životnosti lampy. Fot: Limelite

1. Jak funguje:

Existuje několik variant fungování EL v závislosti na tom, zda se jedná o ploché světlo, světlo na laně, stejnosměrnou technologii EL, tenkovrstvý displej EL nebo jinou složitou konstrukci.

Zařízení EL jsou mononosná zařízení, která vydávají světlo v důsledku nárazového buzení optického centra, jako je atom Mn. Dělají to transportem vysokoenergetických elektronů v hostitelské matrici (obvykle ZnS).

Pro zjednodušení popíšeme jednoduchou EL lampu:

Vysoké napětí střídavého proudu prochází tenkou vrstvou luminoforu nebo polovodiče a to způsobuje emisi světla. Dvě vrstvy pevného materiálu (jedna je průhledná) fungují jako elektrody a práškový luminofor nebo polovodič mezi nimi svítí, když jím procházejí elektrony z jedné elektrody na druhou. Světlo uniká ze zařízení na jedné straně díky vývoji průhledných vodičů, jako je indium cín.

Tlusté práškové fosforové lampy EL se používají ve většině jednoduchých svítidel používaných k osvětlení, včetně nočních světel a únikových/bezpečnostních značek. Na níže uvedeném grafu jsou zobrazeny lampy s tlustým fosforem.

Tenkovrstvé a tlustodielektrické EL (TFEL, TDEL): Tato technologie se používá v různých aplikacích, nejčastěji v displejích EL (ELD). Displej není „lampa“ v tradičním slova smyslu, nicméně se jí zde zabýváme vzhledem k jejímu významu ve vývoji EL. TFEL a TDEL často používají materiály vzácných zemin, jako jsou Er, Tm, In a další.

TFEL – tenkovrstvá elektroluminiscenční zařízení
TFEL vznikl v 50. letech 20. století a liší se tím, že obsahuje tenčí aktivní vrstvy a jinou konstrukci. TFEL byl vylepšením oproti tlusté práškové konstrukci, umožňuje malé zařízení a přesné ovládání pixelů na displeji. Bylo náročné vyvinout způsoby nanášení/pěstování tenkých polykrystalických vrstev na substrát (nosný materiál), nicméně bylo vyvinuto mnoho postupů, které umožnily rozšíření technologií TFEL. Níže upozorňujeme na základní konstrukci zařízení TFEL.
Poznámka:
-TFEL má od roku 2012 maximální výkon 6 lumenů na watt.
-TFEL obvykle vyžaduje 1,5 megavoltu na centimetr, aby aktivní vrstva vydávala světlo

Video konstrukce TFEL:

Jak TFEL funguje:
TFEL má fosforovou vrstvu, která vyzařuje světlo, když je aplikováno dostatečně velké elektrické pole. Tato tenká vrstva luminoforu vyžaduje tak vysokou úroveň energie, že existuje možnost škodlivého zkratu v důsledku nedokonalostí luminoforu. Mezi elektrodou a luminoforem se na obou stranách používají izolační vrstvy, aby se omezil proud a zařízení TFEL správně fungovalo.

Zařízení TFEL se chovají jako 3 kondenzátory v sérii: napětí stoupá a je dosaženo průrazného napětí, kdy polovodivou vrstvou (luminoforem) protéká proud, který luminofor excituje a vytváří světlo. Izolační vrstvy se chovají jako kondenzátory, přičemž napětí narůstá a prolamuje se.

Než se podíváte, jak funguje zařízení EL, můžete si zopakovat, jak funguje kondenzátor v tomto videu:

Efektivita:
S rostoucím napětím se budí stále více manganových center a zařízení se rozjasňuje. (6 lumenů na watt) Po určité době zvyšující se napětí nezvýší jas zařízení, protože se Mn centra nasytí, účinnost v tomto okamžiku klesá (například na 3 lumeny na watt)

Barvy:
Vytváření základních barev používaných v displejích byl donedávna hlavní problém, který bránil použití EL pro televizní nebo počítačové monitory. Inženýři používali filtry pro výrobu světla. Barvy lze vyrobit filtrováním bílé na červenou, zelenou a modrou, ale vyvinout účinný bílý luminofor bylo obtížné. Inženýři také pracovali na vývoji samostatných luminoforů RGB.
ZnS:Mn vytváří zelený, který je nejúčinnějším luminoforem. Mnoho EL displejů je zelených a červených, protože dokáží odfiltrovat červenou barvu od zelené. CaS:Eu vytváří červený, ale nebyl dostatečně jasný. Vytvoření účinného modrého luminoforu s dostatečným jasem bylo výzvou. Hodnota 0,1 lumenu na watt, které dosáhl Institut Heinricha Hertze, prostě není dost dobrá. Nezapomeňte, že musí konkurovat technologii LCD, aby na trhu přežila. Pro modrou barvu se primárně používá luminofor BaAl2S4:Eu. Zatímco TFEL měl problémy s dosažením přijatelné účinnosti, TDEL dosáhl přijatelnější hodnoty 3 lumenů p/W.

Digitální displeje používající EL k podsvícení segmentů čísel z tekutých krystalů

Luminofory EL: Většina EL se vyrábí s ZnS:Mn (sulfid zinečnatý dopovaný manganem) Další materiály používané k výrobě EL lamp jsou – sulfid zinečnatý s Cu nebo stříbrem – sulfid zinečnatý s různými alkalickými kovy pro modrou, zelenou, červenou barvu, bílou -diamant s bórem – modrá barva -III-V polovodiče InP -GaAs a GaN – anorganické polovodiče

Epitace

Tenkovrstvé EL používají proces epitaxe k růstu krystalů na vrcholu substrátu. Tento proces umožňuje vytvořit „film“ nebo ultratenkou vrstvu materiálu (měřeno v nanometrech (nm)) na skle nebo jiném rovném povrchu (tento povrch poskytuje strukturu a nazývá se „substrát“). Epitaxí TFEL se vytvářejí vrstvy o tloušťce přibližně 500 nanometrů, i když velikost se liší v závislosti na výrobku. Později byla vyvinuta technologie TDEL (EL s tlustým dielektrikem), která produkuje výrobek s vyšší svítivostí než TFEL. TDEL používá strukturu, kde jsou elektrody od silnějšího luminoforu odděleny tenkou izolační vrstvou. Jak TFEL, tak TDEL využívají epitaxi, přičemž existuje mnoho forem epitaxe od MBE (molekulární paprsek) po ALE (Atomic Layer Epitaxy) (která byla přejmenována na ALD (Atomic Layer Deposition)). Pochopení epitaxe vyžaduje trochu času, doporučujeme online přednášky a webové stránky pro tuto oblast. Více informací o ALD od Tuomo Suntola si můžete přečíst zde (PDF).

Transparentní a netransparentní EL displeje

Jedním ze způsobů, jak vytvořit netransparentní TFEL displej, je použití dvou vrstev pro plastovou fólii nebo sklo, přičemž jedna je potažena oxidem india a cínu (ITO) nebo jiným polovodičem, zatímco druhý rovný povrch má reflexní materiál. Světlo se bude vytvářet v „aktivní“ vrstvě luminoforů (např. ZnS Mn). Světlo vyzařované nesprávným směrem se odrazí od zadní desky a projde opačnou stranou, která má průhledný polovodič, tím se dosáhne vyšší svítivosti. Pomocí mnoha samostatně řízených jednotek a řídicího počítače můžete jednotku zapnout nebo vypnout, dohromady to vytvoří zobrazovací obrazovku. U vícebarevného displeje lze filtry aplikovanými přes horní část jednotek řídit, zda jednotka vyzařuje červené, žluté nebo zelené světlo. Modrá barva zatím nebyla vyvinuta, a právě z tohoto důvodu nemohou v současné době displeje EL konkurovat technologii LCD pro plnobarevné spotřebitelské displeje.

Transparentní displeje EL mají jako elektrody dvě vrstvy průhledných vodivých fólií (TCF) a mezi nimi luminofor. Protože nemají reflexní podložku, nedosahují v současné době stejné úrovně jasu jako standardní EL displeje. Přesto má tento displej několik velmi zajímavých a jedinečných aplikací, které se zatím nerozšířily.

Transparentní vodivé fólie (TCF) zahrnují oxid india a cínu (ITO) a fluorem dopovaný oxid cínu nebo zinku (FTO)(FZO). ITO se používá také v tenkovrstvém solárním průmyslu. Technologie uhlíkových nanotrubiček je organická vodivá vrstva, která by mohla nahradit drahé materiály vzácných zemin, jako je indium. Poly(3,4-ethylenedioxythiofenové) PEDOT filmy a další polymerní filmy mají rovněž potenciál nahradit ITO. Vytváření novějších levnějších materiálů je důležité pro to, abychom viděli růst EL displejů a světel v každodenním životě spotřebitelů.
Tento typ lampy vytváří světlo jako elektrony radioaktivně sdružené v dírách polovodiče. Pochopení fungování polovodičů na molekulární úrovni vyžaduje dlouhý popis nebo celou přednášku. Indický technologický institut v Madrásu nabízí několik videopřednášek, které začínají 59minutovým videem o polovodičových materiálech.

TDEL:
TDEL neboli technologie tlustovrstvého dielektrika EL je známá tím, že poskytuje řešení problému modré barvy. Poskytuje jedinou v současné době dostupnou technologii plnobarevných RGB displejů.

Dielektrické displeje s tlustou vrstvou se osvědčily: mají dobrý jas (svítivost) a slušnou účinnost. iFire Group a TDK Corporation v současné době vlastní patenty na tuto technologii. Tloušťka luminoforu v TDEL je 10 až 20 tisíc nanometrů. Některé TDEL, jako například ty používané v displejích, používají dvě vrstvy luminoforů. Spodní silná vrstva je odolná proti dielektrickému průrazu, takže může přenášet vyšší proud a vytvářet jasnější světlo. Nad tlustou vrstvou dielektrika je barevný luminofor ZnMgS:Mn (zelený) a BaAl2S4:Eu (modrý). Pomocí tohoto systému lze vytvořit RGB.

2. Vynálezci a vývoj:

Elektroluminiscenci použil již v roce 1936 vědec Georges Destriau. Teprve v 50. letech 20. století začaly společnosti vyvíjet tuto technologii pro praktické využití.

	1936 – Georges Destriau, který byl spolupracovníkem Marie Curie v její laboratoři v Paříži, začal studovat elektroluminiscenci. Tento termín vymyslel, když pracoval s práškovým ZnS. Paříž, Francie
	1958 – Elmer Fridrich při práci pro General Electric vyvinul EL lampy, z nichž některé měly poměrně důmyslnou konstrukci. Fridrich se také proslavil vynálezem halogenové žárovky a pokrokem v technologii zářivek. Byl klíčovým členem inženýrských týmů v Nela Parku v Ohiu a Schenectady ve státě New York. Fotografie: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko a A. Popkov: Vyvinuli první prototyp TFEL a pracovali na metodách zvyšování svítivosti. Byli také průkopníky raných prací na stejnosměrných EL lampách. Kijev, Ukrajina
	1968 – Aron Vecht vyvíjí stejnosměrnou technologii EL pro lampy a hodinky. Londýn, Velká Británie Foto: University of Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola vyvíjí ALE epitaxi pro tenkovrstvé elektroluminiscenční technologie (TFEL). Tato metoda nanášení tenkých polovodičových vrstev na substrát se stala základem pro výrobu TFEL. Tenké polykrystalické filmy mají tloušťku přibližně 500 nanometrů. Tenké filmy umožňují větší využití EL než neohrabané tlusté fosforové prášky. Lohja, Finsko Foto: Tuomo Suntola
	1970. léta – Hiroshi Kobayashi pracoval přes 30 let na anorganických elektroluminiscenčních zařízeních se zesnulým profesorem Shosaku Tanakou. Jeho práce pomohla s komercializací anorganických EL displejů v japonském průmyslu. Velký kus práce odvedl na univerzitě v Tottori. V roce 2003 odešel do důchodu a nyní žije v Tokiu. Prefektura Tottori / Tokio, Japonsko Foto: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi vyvíjí první praktický ELD (elektroluminiscenční displej) ve společnosti Sharp Corporation. Využívá k tomu technologii TFEL. Jeho displeje mají dlouhou životnost a vyšší svítivost. Jeho práce připravila půdu pro pozdější pokroky a udržela společnost Sharp na špičce po několik dalších desetiletí. Displeje se nejprve používaly jako displeje pro lékařské přístroje. Displeje byly monochromatické, ale představovaly lepší variantu než CRT. Osaka, Japonsko Foto: Toshio Inoguchi a Sharp Corporation
	1980 – Christopher N. King a tým* vyvíjejí pokročilé EL displeje, které využívají technologii tenkých vrstev. Tým začínal ve společnosti Tektronix a v roce 1983 založil spin-off Planar Systems. Nové displeje postupem času zvyšují počet dostupných barev. Zvyšování svítivosti a kontrastu, aby mohly konkurovat LCD displejům, se stalo důležitým v 90. letech a v roce 2000. Od 90. let inženýři společnosti Planar zdokonalovali EL displeje, dosáhli lepší svítivosti, kontrastu a účinnosti. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Foto: Chris King
	1990 – Xingwei Wu vyvíjí technologii TDEL. Displeje s tlustým dielektrikem EL dosahují dostatečného jasu, aby mohly být použity v plnobarevných displejích. TDEL je jasnější než TFEL a k dosažení dobrého RGB používá metodu „barva podle modré“. TDEL je první plně barevná technologie EL. Dr. Xingwei Wu je hlavním inženýrem společnosti iFire Technology. Oakville, Ontario, Kanada Foto: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
	2016 – Ty – Vyber si kariéru v inženýrství a buď dalším průkopníkem! DALŠÍ INFORMACE

2000 – EL lampy se stávají cenově dostupnější pro běžného spotřebitele a používají se v dekorativních oděvech a při aplikaci tenkých vrstev na různé výrobky. Jako výbojka pro všeobecné osvětlení není technologie EL preferována kvůli omezené maximální produkci světelného toku v kombinaci s nízkou účinností ve srovnání s LED. Jedinečný prostorový aspekt EL lampy (plochá a ohebná) jí umožňuje udržet si mezeru na trhu.

EL displeje urazily od roku 1980 dlouhou cestu, nicméně stále je zapotřebí lepší modrý luminofor, který lze použít v displejích. Vývoj vysoce svítivého modrého luminoforu s vysokou účinností by umožnil červeno-zeleno-modrou kombinaci, která by umožnila EL displeji lépe konkurovat LCD.
Další podrobnější čtení:
A History of Electroluminescent Displays by Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Lampy jsou uvedeny v pořadí chronologického vývoje

Předchozí: Halogenová wolframová lampa 1955

Další: LED lampa 1962

Elektrické světlo

KOMENTY?
Pomozte nám upravit a doplnit tuto stránku tím, že se stanete dobrovolníkem ETC!
Podejte nám zpětnou vazbu k této a dalším stránkám pomocí naší facebookové stránky

Webové stránky, grafika a článek M. Whelan
Díky za pomoc Chrisi Kingovi, Toumo Suntola a Toshiyuki Matsumura

Zdroje:
Greenwich University
A History of Electroluminescent Displays by Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999
Sharp Corporation
Příběh společnosti General Electric. Síň dějin. Schenectady Museum
Toumo Suntola
„Electroluminescent Displays“ by Christopher N. King

Fotografie:
Edison Tech Center
Planar Systems www.Planar.com
LimeLite www.Limelite.com
Toumo Suntola
Christopher N. King
iFire Technology Ltd.
Prof. Emeritus Hiroshi Kobayashi z Tottori University
Použití fotografií:
Edison Tech Center Fotografie mohou být použity/reprodukovány pro vzdělávací účely, fotografie NESMÍ být upravovány s výjimkou změny velikosti. Edison Tech Center musí být uvedeno. Pro online publikace se upřednostňuje odkaz na tuto stránku.