Elektroluminescerende lamper

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

Udnyttelse af elektrisk strøm gennem en fosfor eller en halvleder
Kommerciel historie (1950’erne – I dag)

Indledning & Statistik
Sådan fungerer de
Opfindere og udviklinger

For at sige det enkelt EL-lamper eller “high field electroluminescent”-lamper bruger elektrisk strøm direkte gennem en fosfor til at skabe lys. I modsætning til de fleste lamper kan de formes til at være ekstremt flade eller i smalle trådlignende former.
Electroluminescens eller “EL” er den ikke-termiske omdannelse af elektrisk energi til lysenergi. Dette fænomen anvendes i EL-lamper, LED’er og OLED’er. På denne side taler vi om EL-enheder, der skaber lys ved at excitere højenergi-elektroner i fosformaterialer som ZnS:Mn. Denne type anordning anvender “højfelt-elektroluminescens”.
-Det adskiller sig fra LED’er/OLED’er ved, at OLED’er anvender et p/n-junction (to halvledende materialer, hvor elektroner og huller kombineres på grænsen). I EL er der et lag kaldet aktivator, hvor hele laget udsender lys, ikke kun grænsen
-Det er forskelligt fra glødning. Ved glødning sender man strøm gennem et materiale, det skaber varme, og denne varme udsender lys ved en tilstrækkelig høj temperatur.
Mere om hvordan det EL virker (nedenfor)

Fælles anvendelser: natlamper, dekorativt selvlysende tøj, belysning af ure, dekorativ belysning af flade vægge, holdbare vandtætte skærme, skærme til medicinsk værktøj og senest computerskærme og billboards

Klassiske tv-apparater bruger elektroluminiscens. CRT’er (Cathode Ray Tubes) har en elektroluminescerende belægning af oxider og oxysulfider af sjældne jordarter. Disse materialer lyser, når de rammes af elektroner, der affyres fra en katode på bagsiden af røret.

Alle kreditter og kilder findes nederst på hver belysningsside

Forbrugeren kan være bekendt med mærkerne Panelescent og Indiglo, der har lamper og urlamper, der anvender EL. Planar og Sharp Corporation har været pionerer inden for brugen af elektroluminescens i skærme. L venstre: En af de første EL-lamper på markedet: Panelescent fra Sylvania. 120 V .02W natlampe, der sættes direkte i væggen og giver et blødt grønt skær.

Fordele:
-Lavt wattforbrug
-Lang levetid
-Ingen eksternt kredsløb påkrævet (ingen ballast nødvendig for at begrænse strømmen, den kan tilsluttes direkte til vekselstrømmen og vil selv regulere strømmen gennem sin egen resistivitet)
-Kan fremstilles til flade fleksible paneler, smalle strenge og andre små former
-Kan fremstilles til vandtætte computerskærme, som er mere holdbare og lette end LCD- eller plasmaskærme.
– Ikke retningsbestemt som LCD-skærme, når de bruges som computerskærm, ser godt ud fra alle vinkler
-EL-skærme kan klare et imponerende temperaturområde fra -60 C til 95 C, hvilket LCD-skærme ikke kan

Ulemper:
-Nej praktisk til almen belysning af store områder på grund af lavt lumenudbytte fra fosforer (indtil videre)
-Dårlig lumen pr. watt-værdi, men typisk bruges lampen alligevel ikke til højt lumenudbytte
-Reduceret lumenudbytte over tid, selv om nyere teknologier er bedre end ældre fosforer på dette punkt
-Fleksible flade EL-plader slides, når de bliver bøjet, der arbejdes på holdbarheden
-Lamperne kan bruge en betydelig mængde elektricitet: 60-600 volt
-Typisk EL Har brug for en konverter, når den bruges med jævnstrømskilder som f.eks. på ure (for at skabe højere frekvens vekselstrøm, dette er hørbart)

EL-statistik *Lumens pr. watt: 2-6 *Lampens levetid: 2.000 – 50.000 timer *CRI – N/A *Farvetemperatur – N/A *Fåes i 0.01 – 3 W Venstre: EL-baggrund med LCD-display, markedsført som “Indiglo” af Timex i 1990’erne

Et elektroluminescerende udgangskilt, let at betjene på lav effekt og meget lang lampelivstid. Foto: Limelite

1. Sådan fungerer det:

Der er flere variationer af, hvordan EL fungerer, afhængigt af om der er tale om en fladskærmslampe, tovlys, DC EL-teknologi, tyndfilm EL-skærm eller et andet komplekst design.

EL-enheder er monocarrier-enheder, som afgiver lys på grund af stødanspænding af et optisk center som Mn-atomet. De gør dette ved at transportere højenergi-elektroner i værtsmatrixen (almindeligvis ZnS).

For enkelhedens skyld vil vi beskrive en simpel EL-lampe:

Højspændingsvekselstrøm passerer gennem et tyndt lag fosfor eller halvleder, og dette forårsager lysemission. To lag af fast materiale (hvoraf det ene er gennemsigtigt) fungerer som elektroder, og et fosfor- eller halvlederpulver imellem dem lyser, når elektroner passerer gennem det fra den ene elektrode til den anden. Lyset slipper ud af anordningen på den ene side takket være udviklingen af gennemsigtige ledere som f.eks. indium og tin.

Tykke fosforpulver EL-lamper anvendes i de fleste enkle lamper, der bruges til belysning, herunder natlys og udgangs-/sikkerhedsskilte. Nedenstående grafik viser lamper med tyk fosfor.

Tyndfilm og tyk dielektrisk EL (TFEL, TDEL): Denne teknologi anvendes i en række forskellige anvendelser, EL-skærme (ELD) er den mest almindelige anvendelse. En skærm er ikke en “lampe” i traditionel forstand, men vi dækker den dog her på grund af dens betydning for udviklingen af EL. TFEL og TDEL anvender ofte sjældne jordarter som Er, Tm, In m.m.

TFEL – Thin Film Electroluminescent Devices
TFEL opstod i 1950’erne og er anderledes, idet den indeholder tyndere aktive lag og en anden konstruktion. TFEL var en forbedring i forhold til tykke pulverkonstruktioner og giver mulighed for små enheder og præcis styring af pixels på en skærm. Det var en udfordring at udvikle metoder til at deponere/vokse tynde polykrystallinske film på et substrat (støttematerialet), men der er blevet udviklet mange processer, som gør det muligt at udvide TFEL-teknologierne. Nedenfor fremhæver vi den grundlæggende konstruktion af en TFEL-enhed.
Note:
-TFEL har maksimalt 6 lumen pr. watt fra 2012.
-TFEL kræver typisk 1,5 megavolt pr. centimeter for at få det aktive lag til at lave lys

Video af TFEL-konstruktion:

Hvordan TFEL virker:
TFEL har et fosforlag, der udsender lys, når der påføres et tilstrækkeligt stort elektrisk felt. Dette tynde fosforlag kræver et så højt energiniveau, at der er risiko for en skadelig kortslutning gennem ufuldkommenheder i fosforen. Der anvendes isolerende lag mellem elektroden og fosforen på begge sider for at begrænse strømmen og få TFEL-enheden til at fungere korrekt.

TFEL-enheder opfører sig som 3 kondensatorer i serie: spændingen stiger, og der nås en nedbrydningsspænding, hvor strømmen løber gennem det halvledende lag (fosforen), som exciterer fosforen og skaber lys. Isolationslagene fungerer som kondensatorer, hvor spændingen opbygges og bryder igennem.

Hvor du ser, hvordan EL-enheden fungerer, vil du måske gennemgå, hvordan en kondensator fungerer i denne video:

Effektivitet:
Da spændingen stiger, bliver flere og flere mangancentre ophidset, og enheden lyser op. (6 lumen pr. watt) Efter et stykke tid gør den stigende spænding ikke enheden lysere, fordi Mn-centrene bliver mættede, og effektiviteten falder på dette tidspunkt (til f.eks. 3 lumen pr. watt)

Farver:
Fremstilling af primærfarver, der anvendes i skærme, har indtil for nylig været et stort problem, der har forhindret brugen af EL til tv- eller computerskærme. Ingeniører har brugt filtre til at lave lys. Farver kan fremstilles ved at filtrere hvidt lys i rødt, grønt og blåt, men det har været svært at udvikle en effektiv hvid fosfor. Ingeniører har også arbejdet på at udvikle separate RGB-fosforer.
ZnS:Mn giver en grøn, som er den mest effektive fosfor. Mange EL-skærme er grønne og røde, fordi de kan filtrere rødt fra det grønne. CaS:Eu skaber rødt, men det har ikke været lyst nok. Udfordringen har været at lave en effektiv blå fosfor med tilstrækkelig god lysstyrke. 0,1 lumen pr. watt, som Heinrich Hertz Institute har opnået, er bare ikke godt nok. Husk, at dette skal konkurrere med LCD-teknologien for at kunne overleve på markedet. BaAl2S4:Eu er en primær fosfor, der anvendes til blå. Mens TFEL har haft problemer med at opnå en acceptabel effektivitet, har TDEL opnået en mere acceptabel værdi på 3 lumen p/W.

Digitale skærme, der anvender EL til baggrundsbelysning af talsegmenter med flydende krystaller

EL-fosforer: De fleste EL’er er fremstillet med ZnS:Mn (zinksulfid doteret med mangan) Andre materialer, der anvendes til fremstilling af EL-lamper, er – Zinksulfid med Cu eller sølv – Zinksulfid med forskellige alkalimetaller til blå, grøn og rød, hvid -diamant med bor – blå farve -III-V halvledere InP -GaAs og GaN -Inorganiske halvledere

Epitaxy

Tyndfilm EL bruger en proces med epitaxy til at dyrke krystaller oven på et substrat. Denne proces gør det muligt at skabe en “film” eller et ultratyndt lag materiale (målt i nanometer (nm)) på glas eller en anden flad overflade (denne overflade giver struktur og kaldes “substratet”). TFEL-epitaxi skaber lag med en tykkelse på ca. 500 nanometer, men størrelsen varierer afhængigt af produktet. Senere blev TDEL (thick dielectric EL) udviklet for at fremstille et produkt med højere lysstyrke end TFEL. TDEL anvender en struktur, hvor elektroderne er adskilt fra den tykkere fosfor ved hjælp af et tyndt isolerende lag. Både TFEL og TDEL anvender epitaxy, og der findes mange former for epitaxy, fra MBE (molekylær stråle) til ALE (Atomic Layer Epitaxy) (som blev omdøbt til ALD (Atomic Layer Deposition)). Forståelse af epitaxy kræver en del tid, vi anbefaler online-forelæsninger og websteder for dette område. Læs mere om ALD af Tuomo Suntola her (PDF).

Transparente og ikke-transparente EL-skærme

En måde at opbygge et ikke-transparent TFEL-display på er at bruge to lag til plastfilm eller glas, hvoraf det ene er belagt med indiumtinoxid (ITO) eller en anden halvleder, mens den anden flade overflade har et reflekterende materiale. Der vil blive produceret lys i det “aktive” lag af fosforer (f.eks. ZnS Mn). Lys, der udsendes i den forkerte retning, vil blive reflekteret af bagpladen og gå gennem den modsatte side, som har den gennemsigtige halvleder, og på denne måde opnår man en højere lysstyrke. Med mange individuelt styrede enheder og en styringscomputer kan man tænde eller slukke for enheden, og tilsammen vil det give en skærm. I en flerfarvet skærm kan filtre, der anvendes oven på enhederne, styre, om enheden udsender rødt, gult eller grønt lys. Blå er endnu ikke udviklet, og det er derfor, at EL-skærme på nuværende tidspunkt ikke kan konkurrere med LCD-teknologien for fuldfarvede forbrugerskærme.

Transparente EL-skærme har to lag af gennemsigtige ledende film (TCF) som elektroder med fosforen i mellem. Da de ikke har en reflekterende bagside, giver de på nuværende tidspunkt ikke samme lysstyrke som standard EL-skærme. På trods af dette har skærmen nogle meget interessante og unikke anvendelsesmuligheder, som endnu ikke er blevet udbredt.

Transparente ledende film (TCF’er) omfatter indium-tinoxid (ITO) og fluor-dopet tin- eller zinkoxid (FTO)(FZO). ITO anvendes også i tyndfilmssolindustrien. Carbon nanotube-teknologien er en organisk ledende film, som kan erstatte dyre sjældne jordarter som indium. Poly(3,4-ethylenedioxythiophen) PEDOT-film og andre polymerfilm har også potentiale til at erstatte ITO. Det er vigtigt at fremstille nye billigere materialer for at se væksten af EL-skærme og -lamper i forbrugernes dagligdag.
Denne type lampe producerer lys som elektroner, der radioaktivt kombineres i huller i en halvleder. At forstå, hvordan halvledere fungerer på molekylært niveau, kræver en lang beskrivelse eller et helt foredrag. Indian Institute of Technology Madras har en multi-videoforelæsning, der starter med en video på 59 minutter om faststofmaterialer.

TDEL:
TDEL eller tykfilms dielektrisk EL-teknologi er kendt for at give en løsning på det blå problem. Den giver den eneste RGB-skærmteknologi med fuld farve, der er tilgængelig på nuværende tidspunkt.

Tykfilm dielektriske skærme har vist sig at være effektive: de har en god lysstyrke (luminositet) og har en rimelig effektivitet. iFire Group og TDK Corporation har i øjeblikket patenterne på denne teknologi. Fosforen i TDEL er 10K – 20K nanometer tyk. Nogle TDEL, som f.eks. dem, der anvendes i skærme, anvender to lag af fosfor. Det nederste tykke lag er modstandsdygtigt over for dielektrisk nedbrydning, så det kan transportere en højere strømstyrke og give et kraftigere lys. Over det tykke dielektriske lag er der farvede fosforer af ZnMgS:Mn (grøn) og BaAl2S4:Eu (blå). Med dette system kan der skabes RGB.

2. Opfindere og udviklinger:

Electroluminescens blev anvendt allerede i 1936 af videnskabsmanden Georges Destriau. Det var først i 1950’erne, at virksomheder begyndte at udvikle teknologien til at blive brugt til praktiske formål.

	1936 – Georges Destriau, der var medarbejder hos Marie Curie i hendes laboratorium i Paris, begyndte at studere elektroluminiscens. Han opfandt begrebet, da han arbejdede med ZnS-pulver. Paris, Frankrig
	1958 – Elmer Fridrich, der arbejdede for General Electric, udviklede EL-lamper, hvoraf nogle var ret sofistikerede i deres design. Fridrich blev også berømt for at have opfundet halogenlampen og for at have udviklet teknologien for lysstofrør. Han var et vigtigt medlem af ingeniørteams i Nela Park, Ohio, og Schenectady, New York. Foto: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko og A. Popkov: Udviklede den første TFEL-prototype og arbejdede på metoder til at øge lysstyrken. De var også pionerer i det tidlige arbejde med DC EL-lamper. Kiev, Ukraine
	1968 – Aron Vecht udvikler DC EL-teknologi til lamper og ure. London, UK Foto: University of Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola udvikler ALE-epitaxi til tyndfilms-elektroluminescens-teknologier (TFEL). Denne metode til deponering af tynde halvledende film på et substrat er blevet et grundlag for TFEL-produktion. Tynde polykrystallinske film er ca. 500 nanometer tykke. Tynde film giver mulighed for en mere anvendelser af EL end klodsede tykke fosforpulvere. Lohja, Finland Foto: Tuomo Suntola
	1970’erne – Hiroshi Kobayashi arbejdede i over 30 år på uorganiske elektroluminescerende anordninger sammen med den afdøde professor Shosaku Tanaka. Hans arbejde var medvirkende til kommercialiseringen af uorganiske EL-skærme i den japanske industri. En stor del af arbejdet blev udført på Tottori University. Han gik på pension i 2003 og bor nu i Tokyo. Tottori Prefecture / Tokyo, Japan Foto: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi udvikler det første praktiske ELD (electroluminescent display) hos Sharp Corporation. Han bruger TFEL til at gøre dette muligt. Hans skærme har lang levetid og er lysstærkere i lysstyrke. Hans arbejde lagde grunden til senere fremskridt og holdt Sharp på forkant i de næste par årtier. Skærmene blev først brugt som skærme til medicinske instrumenter. Skærmene var monokromatiske, men var en bedre løsning end CRT-skærme. Osaka, Japan Foto: Toshio Inoguchi og Sharp Corporation
	1980’erne – Christopher N. King og hans team* udvikler avancerede EL-skærme, som anvender tyndfilmsteknologi. Holdet var startet hos Tektronix og lancerede spin-off-virksomheden Planar Systems i 1983. De nye skærme øger antallet af tilgængelige farver efterhånden som tiden går. Det blev vigtigt at øge lysstyrken og kontrasten for at konkurrere med LCD-skærme i 1990’erne og 2000’erne. Siden 90’erne har ingeniørerne hos Planar forbedret EL-skærmen, og de har opnået bedre lysstyrke, kontrast og effektivitet. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Foto: Chris King
	1990’erne – Xingwei Wu udvikler TDEL-teknologien. Tykke dielektriske EL-skærme opnår blåtoner, der er lyse nok til at blive brugt i farvedisplays. TDEL er lysere end TFEL og anvender “color by blue”-metoden til at opnå god RGB. TDEL er den første EL-teknologi, der er i stand til at vise alle farver. Dr. Xingwei Wu er den primære ingeniør hos iFire Technology. Oakville, Ontario, Canada Foto: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
	2016 – Du – Vælg en karriere inden for ingeniørvidenskab og bliv den næste pioner! LÆS MERE

2000’erne – EL-lamper bliver mere overkommelige for den almindelige forbruger og anvendes i dekorativt tøj og til anvendelse af tynde film på forskellige produkter. Som lampe til generel belysning foretrækkes EL-teknologien ikke som følge af den begrænsede maksimale lumenproduktion kombineret med den lave effektivitet sammenlignet med lysdioder. EL-lampernes unikke rumlige aspekt (fladt og fleksibelt) gør det muligt for dem at bevare en markedsniche.

EL-skærme er kommet langt siden 1980, men der er stadig behov for en bedre blå fosfor, som kan anvendes i skærme. Udvikling af en blå med høj lysstyrke og høj effektivitet ville muliggøre en rød-grøn-blå kombination, som ville gøre det muligt for EL-skærme at konkurrere bedre med LCD-skærme.
Flere læsning med mere detaljerede oplysninger:
A History of Electroluminescent Displays af Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Lamperne præsenteres i rækkefølge efter kronologisk udvikling

Forrige: Halogen Wolframlampe 1955

Næste: LED-lampe 1962

Det elektriske lys

KOMMENTARER?
Hjælp os med at redigere og tilføje til denne side ved at blive frivillig på ETC!
Giv os feedback på denne og andre sider ved hjælp af vores Facebook-side

Webside, grafik og artikel af M. Whelan
Tak for assistance fra Chris King, Toumo Suntola og Toshiyuki Matsumura

Kilder:
Greenwich University
A History of Electroluminescent Displays af Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999
Sharp Corporation
The General Electric Story. Hall of History. Schenectady Museum
Toumo Suntola
“Electroluminescent Displays” af Christopher N. King

Fotos:
Edison Tech Center
Planar Systems www.Planar.com
LimeLite www.Limelite.com
Toumo Suntola
Christopher N. King
iFire Technology Ltd.
Prof. emeritus Hiroshi Kobayashi fra Tottori University
Brug af fotos:
Edison Tech Center Fotos må bruges/reproduceres til undervisningsformål, billederne må IKKE ændres bortset fra størrelsesændring. Edison Tech Center skal krediteres. Det foretrækkes at linke til denne side til onlinepublikationer.