Elektrolumineszenzlampen

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

Nutzung von elektrischem Strom durch einen Leuchtstoff oder Halbleiter
Kommerzielle Geschichte (1950er – Heute)

Einführung & Statistik
Wie sie funktionieren
Erfinder und Entwicklungen

Einfach ausgedrückt: EL-Lampen oder „Hochfeld-Elektrolumineszenz“-Lampen verwenden elektrischen Strom direkt durch einen Leuchtstoff, um Licht zu erzeugen. Im Gegensatz zu den meisten Lampen können sie extrem flach oder in schmalen, drahtähnlichen Formen gestaltet werden.
Elektrolumineszenz oder „EL“ ist die nichtthermische Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie. Dieses Phänomen wird in EL-Lampen, LEDs und OLEDs genutzt. Auf dieser Seite geht es um EL-Bauteile, die Licht durch die Anregung hochenergetischer Elektronen in Phosphormaterialien wie ZnS:Mn erzeugen. Diese Art von Geräten verwendet „Hochfeld-Elektrolumineszenz“.
Der Unterschied zu LEDs/OLEDs besteht darin, dass OLEDs einen p/n-Übergang verwenden (zwei halbleitende Materialien, bei denen sich Elektronen und Löcher an der Grenze verbinden). Bei EL gibt es eine Schicht, den so genannten Aktivator, bei dem die gesamte Schicht Licht ausstrahlt, nicht nur die Grenzfläche
– Das ist ein Unterschied zur Glühlampe. Bei der Glühlampe schickt man Strom durch ein Material, das Wärme erzeugt, und diese Wärme gibt bei einer ausreichend hohen Temperatur Licht ab.
Mehr zur Funktionsweise von EL (unten)

Gebräuchliche Verwendungszwecke: Nachtlichter, dekorative leuchtende Kleidung, Uhrenbeleuchtung, dekorative Beleuchtung von Flachwänden, haltbare wasserdichte Displays, Bildschirme für medizinische Geräte und neuerdings auch Computermonitore und Werbetafeln

Klassische Fernsehgeräte verwenden Elektrolumineszenz. CRTs (Kathodenstrahlröhren) haben eine elektrolumineszente Beschichtung aus Oxiden und Oxysulfiden seltener Erden. Diese Materialien leuchten, wenn sie von Elektronen getroffen werden, die von einer Kathode im hinteren Teil der Röhre abgefeuert werden.

Alle Quellenangaben befinden sich am Ende jeder Beleuchtungsseite

Den Verbrauchern sind vielleicht die Markennamen Panelescent und Indiglo bekannt, die Lampen und Uhrenleuchten anbieten, die EL verwenden. Planar und Sharp Corporation haben Pionierarbeit bei der Verwendung von Elektrolumineszenz in Displays geleistet. Links: Eine der ersten EL-Lampen auf dem Markt: Panelescent von Sylvania. 120 V .02W Nachtlicht, wird direkt in die Steckdose gesteckt und erzeugt ein sanftes grünes Leuchten.

Vorteile:
-Niedrige Wattzahl
-Lange Lebensdauer
-Keine externe Schaltung erforderlich (kein Vorschaltgerät zur Strombegrenzung erforderlich, kann direkt an das Stromnetz angeschlossen werden und reguliert die Leistung selbst durch seinen eigenen Widerstand)
-Kann zu flachen, flexiblen Tafeln, schmalen Strings und anderen kleinen Formen verarbeitet werden
-Kann zu wasserdichten Computermonitoren verarbeitet werden, die haltbarer und leichter sind als LCDs oder Plasmabildschirme.
-Nicht richtungsabhängig wie LCDs bei der Verwendung als Computermonitor, sieht aus allen Winkeln gut aus
-EL-Displays können einen beeindruckenden Temperaturbereich von -60 C bis 95 C bewältigen, was LCD-Monitore nicht können

Nachteile:
-Nicht für die allgemeine Beleuchtung großer Flächen geeignet, da der Lumenausstoß von Leuchtstoffen (bisher) gering ist
-Schwache Lumen pro Watt, aber in der Regel wird die Lampe ohnehin nicht für einen hohen Lumenausstoß verwendet
-Reduzierter Lumenausstoß im Laufe der Zeit, obwohl neuere Technologien in diesem Punkt besser sind als ältere Leuchtstoffe
-Flexible flache EL-Folien nutzen sich ab, wenn sie gebogen werden, an der Haltbarkeit wird gearbeitet
-Die Lampen können eine beträchtliche Menge Strom verbrauchen: 60-600 Volt
-Typische EL braucht einen Konverter, wenn sie mit Gleichstromquellen wie bei Uhren verwendet wird (um Wechselstrom mit höherer Frequenz zu erzeugen, dies ist hörbar)

EL-Statistiken *Lumen pro Watt: 2-6 *Lampenlebensdauer: 2.000 – 50.000 Stunden *CRI – N/A *Farbtemperatur – N/A *Erhältlich in 0.01 – 3 W Links: EL-Hintergrund mit LCD-Display, in den 1990er Jahren von Timex als „Indiglo“ vermarktet

Ein elektrolumineszierendes Ausgangsschild, das mit geringem Stromverbrauch und sehr langer Lampenlebensdauer auskommt. Bild: Limelite

1. Funktionsweise:

Es gibt verschiedene Variationen der Funktionsweise von EL, je nachdem, ob es sich um eine flache Leuchte, ein Lichtseil, eine Gleichstrom-EL-Technologie, ein Dünnfilm-EL-Display oder ein anderes komplexes Design handelt.

EL-Geräte sind Monoträger-Geräte, die Licht durch Stoßanregung eines optischen Zentrums wie des Mn-Atoms abgeben. Dies geschieht durch den Transport hochenergetischer Elektronen in der Wirtsmatrix (in der Regel ZnS).

Der Einfachheit halber werden wir eine einfache EL-Lampe beschreiben:

Eine Hochspannungs-Wechselstromquelle durchläuft eine dünne Phosphor- oder Halbleiterschicht, was zur Emission von Licht führt. Zwei Schichten aus festem Material (eine davon ist transparent) dienen als Elektroden, und ein dazwischen liegender pulverförmiger Leuchtstoff oder Halbleiter leuchtet, wenn Elektronen von einer Elektrode zur anderen durch ihn hindurchgehen. Dank der Entwicklung von transparenten Leitern wie Indium-Zinn entweicht das Licht auf einer Seite aus dem Gerät.

Dicke Phosphorpulver-EL-Lampen werden in den meisten einfachen Lampen für die Beleuchtung verwendet, einschließlich Nachtlichter und Ausgangs-/Sicherheitsschilder. Die nachstehende Abbildung zeigt Lampen mit dickem Phosphor.

Dünnfilm- und Dickdielektrikum-EL (TFEL, TDEL): Diese Technologie wird in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, wobei EL-Displays (ELDs) die häufigste Anwendung sind. Ein Display ist keine „Lampe“ im herkömmlichen Sinne, aber wir behandeln es hier aufgrund seiner Bedeutung für die Entwicklung von EL. TFEL und TDEL verwenden häufig Seltene Erden wie Er, Tm, In und andere.

TFEL – Thin Film Electroluminescent Devices
TFEL entstanden in den 1950er Jahren und unterscheiden sich durch dünnere aktive Schichten und einen anderen Aufbau. TFEL war eine Verbesserung gegenüber der Konstruktion mit dickem Pulver, sie ermöglichte kleine Geräte und eine präzise Steuerung der Pixel auf einem Display. Es war eine Herausforderung, Wege zu entwickeln, um dünne polykristalline Schichten auf einem Substrat (dem Trägermaterial) abzuscheiden bzw. wachsen zu lassen, aber es wurden viele Verfahren entwickelt, die eine Ausweitung der TFEL-Technologie ermöglichen. Nachfolgend wird der grundlegende Aufbau eines TFEL-Geräts erläutert.
Hinweis:
-TFEL hat ein Maximum von 6 Lumen pro Watt (Stand 2012).
-TFEL benötigt typischerweise 1,5 Megavolt pro Zentimeter, um die aktive Schicht zum Leuchten zu bringen

Video des TFEL-Aufbaus:

Wie TFEL funktioniert:
TFEL hat eine Leuchtstoffschicht, die Licht aussendet, wenn ein ausreichend großes elektrisches Feld angelegt wird. Diese dünne Leuchtstoffschicht benötigt eine so hohe Energie, dass es zu einem schädlichen Kurzschluss durch Unvollkommenheiten im Leuchtstoff kommen kann. Zwischen der Elektrode und dem Leuchtstoff werden auf beiden Seiten Isolierschichten verwendet, um den Strom zu begrenzen und den TFEL funktionsfähig zu machen.

TFEL-Geräte verhalten sich wie drei Kondensatoren in Reihe: Die Spannung steigt an und erreicht eine Durchbruchspannung, bei der Strom durch die halbleitende Schicht (den Leuchtstoff) fließt, der den Leuchtstoff anregt und Licht erzeugt. Die Isolatorschichten wirken wie Kondensatoren, wobei sich die Spannung aufbaut und durchbricht.

Bevor Sie sehen, wie das EL-Gerät funktioniert, sollten Sie sich in diesem Video ansehen, wie ein Kondensator funktioniert:

Wirkungsgrad:
Mit zunehmender Spannung werden immer mehr Manganzentren angeregt und das Gerät wird heller. (6 Lumen pro Watt) Nach einer Weile macht die steigende Spannung das Gerät nicht mehr heller, weil die Mn-Zentren gesättigt werden, die Effizienz sinkt an diesem Punkt (z.B. auf 3 Lumen pro Watt)

Farben:
Die Herstellung von Primärfarben, die in Displays verwendet werden, war bis vor kurzem ein großes Problem, das die Verwendung von EL für Fernseh- oder Computermonitore verhinderte. Ingenieure haben Filter verwendet, um Licht zu erzeugen. Farben können durch Filtern von Weiß in Rot, Grün und Blau erzeugt werden, aber die Entwicklung eines effizienten weißen Leuchtstoffs war schwierig. Ingenieure haben auch an der Entwicklung separater RGB-Leuchtstoffe gearbeitet.
ZnS:Mn ergibt einen grünen Leuchtstoff, der der effizienteste ist. Viele EL-Displays sind grün und rot, weil sie das Rot aus dem Grün herausfiltern können. CaS:Eu erzeugt Rot, aber es ist nicht hell genug. Die Herausforderung bestand darin, einen effizienten blauen Leuchtstoff mit ausreichender Helligkeit herzustellen. 0,1 Lumen pro Watt, die das Heinrich-Hertz-Institut erreicht hat, sind einfach nicht gut genug. Man darf nicht vergessen, dass dieser Leuchtstoff mit der LCD-Technologie konkurrieren muss, wenn er auf dem Markt überleben will. BaAl2S4:Eu ist ein primärer Leuchtstoff, der für Blau verwendet wird. Während TFEL Schwierigkeiten hatte, eine akzeptable Effizienz zu erreichen, hat TDEL eine akzeptable Rate von 3 Lumen pro Watt erreicht.

Digitalanzeigen, die EL zur Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristall-Zahlensegmenten verwenden

EL-Leuchtstoffe: Die meisten EL werden mit ZnS hergestellt:Mn (mit Mangan dotiertes Zinksulfid) Andere Materialien zur Herstellung von EL-Lampen sind – Zinksulfid mit Cu oder Silber – Zinksulfid mit verschiedenen Alkalimetallen für blau, grün, rot, weiß -Diamant mit Bor – blaue Farbe -III-V-Halbleiter InP -GaAs und GaN -Anorganische Halbleiter

Epitaxie

Dünnschicht-EL verwendet ein Verfahren der Epitaxie, um Kristalle auf einem Substrat wachsen zu lassen. Dieses Verfahren ermöglicht es, einen „Film“ oder eine ultradünne Materialschicht (gemessen in Nanometern (nm)) auf Glas oder einer anderen flachen Oberfläche zu erzeugen (diese Oberfläche dient als Struktur und wird als „Substrat“ bezeichnet). Bei der TFEL-Epitaxie werden Schichten von etwa 500 Nanometern Dicke erzeugt, wobei die Größe je nach Produkt variiert. Später wurde TDEL (thick dielectric EL) entwickelt, um ein Produkt mit höherer Leuchtkraft als TFEL herzustellen. TDEL verwendet eine Struktur, bei der die Elektroden durch eine dünne Isolierschicht vom dickeren Leuchtstoff getrennt sind. Sowohl TFEL als auch TDEL verwenden Epitaxie, wobei es viele Formen der Epitaxie gibt, von MBE (Molekularstrahl) bis hin zu ALE (Atomic Layer Epitaxy) (das in ALD (Atomic Layer Deposition) umbenannt wurde). Um die Epitaxie zu verstehen, braucht man etwas Zeit. Wir empfehlen Online-Vorlesungen und Websites zu diesem Thema. Lesen Sie mehr über ALD von Tuomo Suntola hier (PDF).

Transparente und nichttransparente EL-Displays

Eine Möglichkeit, ein nichttransparentes TFEL-Display zu bauen, besteht darin, zwei Schichten für Kunststofffolien oder Glas zu verwenden, von denen eine mit Indiumzinnoxid (ITO) oder einem anderen Halbleiter beschichtet ist, während die andere flache Oberfläche ein reflektierendes Material enthält. Das Licht wird in der „aktiven“ Schicht aus Leuchtstoffen (z. B. ZnS Mn) erzeugt. Licht, das in die falsche Richtung emittiert wird, wird von der Rückplatte reflektiert und geht durch die gegenüberliegende Seite mit dem transparenten Halbleiter, wodurch eine höhere Leuchtkraft erreicht wird. Mit vielen einzeln gesteuerten Einheiten und einem Steuercomputer können Sie die Einheit ein- oder ausschalten, was zusammen einen Bildschirm ergibt. Bei einer mehrfarbigen Anzeige kann mit Hilfe von Filtern, die über den Einheiten angebracht werden, gesteuert werden, ob die Einheit rotes, gelbes oder grünes Licht ausstrahlt. Blau wurde noch nicht entwickelt, und aus diesem Grund können EL-Displays derzeit nicht mit der LCD-Technologie für vollfarbige Verbraucherdisplays konkurrieren.

Transparente EL-Displays bestehen aus zwei Schichten transparenter leitender Folien (TCFs) als Elektroden mit dem Leuchtstoff dazwischen. Da sie keine reflektierende Unterlage haben, erreichen sie derzeit nicht die gleiche Helligkeit wie herkömmliche EL-Displays. Trotzdem hat die Anzeige einige sehr interessante und einzigartige Anwendungen, die noch nicht weit verbreitet sind.

Zu den transparenten leitenden Schichten (TCFs) gehören Indium-Zinn-Oxid (ITO) und fluordotiertes Zinn- oder Zinkoxid (FTO)(FZO). ITO wird auch in der Dünnschicht-Solarindustrie verwendet. Die Kohlenstoffnanoröhrentechnologie ist eine organische leitende Schicht, die teure Seltene Erden wie Indium ersetzen könnte. Poly(3,4-Ethylendioxythiophen)-Filme (PEDOT) und andere Polymerfilme haben ebenfalls das Potenzial, ITO zu ersetzen. Die Entwicklung neuer, billigerer Materialien ist wichtig für die Verbreitung von EL-Displays und -Lampen im täglichen Leben der Verbraucher.
Diese Art von Lampen erzeugt Licht, indem Elektronen radioaktiv mit Löchern eines Halbleiters verbunden werden. Um zu verstehen, wie Halbleiter auf molekularer Ebene funktionieren, ist eine lange Beschreibung oder eine ganze Vorlesung erforderlich. Das Indian Institute of Technology Madras bietet eine Multi-Videovorlesung an, die mit einem 59-minütigen Video über Festkörpermaterialien beginnt.

TDEL:
TDEL oder die dielektrische Dickschicht-EL-Technologie ist dafür bekannt, dass sie eine Lösung für das blaue Problem bietet. Sie ist die einzige derzeit verfügbare RGB-Vollfarb-Displaytechnologie.

Dickschicht-Dielektrikum-Displays haben sich als effektiv erwiesen: Sie haben eine gute Helligkeit (Leuchtkraft) und einen guten Wirkungsgrad. iFire Group und TDK Corporation halten derzeit die Patente für diese Technologie. Der Leuchtstoff in TDEL ist 10K – 20K Nanometer dick. Einige TDEL, wie sie in Displays verwendet werden, bestehen aus zwei Schichten von Leuchtstoffen. Die untere dicke Schicht ist widerstandsfähig gegen dielektrischen Durchschlag, so dass sie einen höheren Strom transportieren und ein helleres Licht erzeugen kann. Über der dicken dielektrischen Schicht befinden sich farbige Leuchtstoffe aus ZnMgS:Mn (grün) und BaAl2S4:Eu (blau). Mit diesem System kann RGB erzeugt werden.

2. Erfinder und Entwicklungen:

Elektrolumineszenz wurde bereits 1936 von dem Wissenschaftler Georges Destriau verwendet. Erst in den 1950er Jahren begannen Unternehmen, die Technologie für praktische Anwendungen zu entwickeln.

	1936 – Georges Destriau, der Mitarbeiter von Marie Curie in ihrem Labor in Paris war, begann mit der Untersuchung der Elektrolumineszenz. Er prägte den Begriff, als er mit ZnS-Pulvern arbeitete. Paris, Frankreich
	1958 – Elmer Fridrich, der für General Electric arbeitete, entwickelte EL-Lampen, von denen einige recht ausgeklügelt waren. Fridrich wurde auch durch die Erfindung der Halogenlampe und die Weiterentwicklung der Leuchtstofflampentechnologie bekannt. Er war ein wichtiges Mitglied der Ingenieurteams in Nela Park, Ohio, und Schenectady, New York. Foto: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko und A. Popkov: Entwickelten den ersten TFEL-Prototyp und arbeiteten an Methoden zur Erhöhung der Leuchtkraft. Sie leisteten auch Pionierarbeit bei Gleichstrom-EL-Lampen. Kiew, Ukraine
	1968 – Aron Vecht entwickelt die DC EL Technologie für Lampen und Uhren. London, UK Foto: University of Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola entwickelt die ALE-Epitaxie für Dünnschicht-Elektrolumineszenztechnologien (TFEL). Diese Methode zur Abscheidung dünner Halbleiterschichten auf einem Substrat ist zur Grundlage für die TFEL-Produktion geworden. Dünne polykristalline Schichten sind etwa 500 Nanometer dick. Dünne Filme ermöglichen eine bessere Nutzung von EL als plumpe dicke Leuchtstoffpulver. Lohja, Finnland Foto: Tuomo Suntola
	1970er Jahre – Hiroshi Kobayashi arbeitete über 30 Jahre lang zusammen mit dem verstorbenen Professor Shosaku Tanaka an anorganischen Elektrolumineszenzvorrichtungen. Seine Arbeit trug zur Kommerzialisierung von anorganischen EL-Displays in der japanischen Industrie bei. Ein großer Teil seiner Arbeit wurde an der Universität Tottori geleistet. Er ging 2003 in den Ruhestand und lebt jetzt in Tokio. Präfektur Tottori / Tokio, Japan Foto: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi entwickelt das erste praktische ELD (Elektrolumineszenz-Display) bei Sharp Corporation. Er verwendet dazu TFEL. Seine Displays haben eine lange Lebensdauer und sind heller in der Leuchtkraft. Seine Arbeit war wegweisend für spätere Weiterentwicklungen und hielt Sharp für die nächsten Jahrzehnte an der Spitze. Die Displays wurden zunächst als Anzeigen für medizinische Instrumente verwendet. Die Displays waren monochromatisch, aber eine bessere Option als CRTs. Osaka, Japan Foto: Toshio Inoguchi und Sharp Corporation
	1980er Jahre – Christopher N. King und sein Team* entwickeln fortschrittliche EL-Displays, die die Dünnschichttechnologie nutzen. Das Team hatte bei Tektronix begonnen und 1983 das Spin-off Planar Systems gegründet. Die neuen Displays erhöhen die Anzahl der verfügbaren Farben im Laufe der Zeit. In den 1990er und 2000er Jahren wurde es wichtig, die Leuchtkraft und den Kontrast zu erhöhen, um mit LCDs konkurrieren zu können. Seit den 90er Jahren haben die Planar-Ingenieure die EL-Displays verbessert, sie haben eine bessere Leuchtkraft, einen besseren Kontrast und eine höhere Effizienz erreicht. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Foto: Chris King
	1990er Jahre – Xingwei Wu entwickelt TDEL-Technologie. Thick Dielectric EL-Displays erreichen Blautöne, die hell genug sind, um in Vollfarbdisplays verwendet zu werden. TDEL ist heller als TFEL und verwendet die Methode „Farbe durch Blau“, um ein gutes RGB zu erreichen. TDEL ist die erste vollfarbfähige EL-Technologie. Dr. Xingwei Wu ist der Hauptingenieur bei iFire Technology. Oakville, Ontario, Kanada Foto: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
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2000er Jahre – EL-Lampen werden für den Durchschnittsverbraucher erschwinglicher und werden für dekorative Kleidung und Dünnschichtanwendungen auf verschiedenen Produkten verwendet. Als Lampe für die Allgemeinbeleuchtung wird die EL-Technologie aufgrund der begrenzten maximalen Lumenproduktion in Verbindung mit der geringen Effizienz im Vergleich zu LEDs nicht bevorzugt. Der einzigartige räumliche Aspekt der EL-Lampe (flach und flexibel) ermöglicht es ihr, eine Marktnische zu behalten.

EL-Displays haben seit 1980 einen langen Weg zurückgelegt, aber ein besserer blauer Leuchtstoff, der in Displays verwendet werden kann, wird immer noch benötigt. Die Entwicklung eines blauen Leuchtstoffs mit hoher Leuchtkraft und hohem Wirkungsgrad würde eine Rot-Grün-Blau-Kombination ermöglichen, mit der EL-Displays besser mit LCD-Displays konkurrieren könnten.
Weitere Lektüre mit mehr Details:
A History of Electroluminescent Displays von Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Die Lampen werden in der Reihenfolge ihrer chronologischen Entwicklung vorgestellt

Vorher: Halogen-Wolfram-Lampe 1955

Nächste: LED-Lampe 1962

Das elektrische Licht

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Website, Grafiken und Artikel von M. Whelan
Dank der Unterstützung von Chris King, Toumo Suntola und Toshiyuki Matsumura

Quellen:
Greenwich University
A History of Electroluminescent Displays von Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999
Sharp Corporation
Die Geschichte von General Electric. Halle der Geschichte. Schenectady Museum
Toumo Suntola
„Electroluminescent Displays“ von 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 von der Universität Tottori
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