Elektroluminesenssilamput

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

Käyttävät sähkövirtaa fosforin tai puolijohteen läpi
Kaupallinen historia (1950-luku – Nykypäivä)

Johdanto & Tilastot
Miten ne toimivat
Keksijät ja kehitys

Yksinkertaisesti sanottuna EL-lamput eli ”suurkenttäelektroluminesenssilamput” käyttävät sähkövirtaa suoraan fosforin läpi valon tuottamiseen. Toisin kuin useimmat lamput, ne voidaan muotoilla erittäin litteiksi tai kapeiksi lankamaisiksi.
Elektroluminesenssi eli ”EL” on sähköenergian ei-lämpöllistä muuntamista valoenergiaksi. Tätä ilmiötä käytetään EL-lampuissa, LEDeissä ja OLEDeissä. Tällä sivulla puhutaan EL-laitteista, jotka synnyttävät valoa virittämällä korkeaenergisiä elektroneja fosforimateriaaleissa, kuten ZnS:Mn:ssä. Tämäntyyppisissä laitteissa käytetään ”suurkenttäelektroluminesenssia”.
-Se eroaa LEDeistä/OLEDeistä siinä, että OLEDit käyttävät p/n-liitosta (kaksi puolijohdemateriaalia, joiden rajalla elektronit ja reiät yhdistyvät). EL:ssä on aktivaattoriksi kutsuttu kerros, jossa koko kerros säteilee valoa, ei vain raja
-Se eroaa hehkutuksesta. Hehkutuksessa lähetetään virtaa materiaalin läpi, jolloin syntyy lämpöä, ja tämä lämpö lähettää valoa riittävän korkeassa lämpötilassa.
Lisätietoa siitä, miten se EL toimii (alla)

Yleisiä käyttökohteita: yövalot, koristeelliset luminoivat vaatteet, kellojen valaistus, litteiden seinien koristeellinen valaistus, kestävät vedenpitävät näytöt, lääketieteellisten työkalujen näyttöruudut ja viimeisimpänä tietokonemonitorit ja mainostaulut

Klassisissa televisiovastaanottimissa käytetään elektroluminesenssiä. Kuvaputkissa (katodisädeputket) on harvinaisista maametallioksideista ja oksisulfideista valmistettu elektroluminesenssipinnoite. Nämä materiaalit hehkuvat, kun niihin osuu elektroneja, jotka ammutaan putken takaosassa olevasta katodista.

Kaikki krediitit ja lähteet löytyvät kunkin valaistussivun alareunasta

Kuluttajalle saattavat olla tuttuja tuotemerkit Panelescent ja Indiglo, joissa on EL:ää käyttäviä valaisimia ja kellojen lamppuja. Planar ja Sharp Corporation ovat olleet edelläkävijöitä elektroluminesenssin käytössä näytöissä. Vasemmalla: Yksi ensimmäisistä markkinoilla olleista EL-lampuista: Sylvanian Panelescent. 120 V:n 0,02 W:n yövalo, joka kytketään suoraan seinään ja antaa pehmeän vihreän hehkun.

Hyötyjä:
-Matalat tehot
-Pitkä käyttöikä
-Ei tarvita ulkoisia virtapiirejä (ei tarvita liitäntälaitetta virran rajoittamiseen, se voidaan kytkeä suoraan vaihtovirtaan ja se säätää virtaa itse oman resistiivisyytensä avulla)
-Voidaan valmistaa litteitä taipuisia paneeleita, kapeita säikeitä ja muita pieniä muotoja
-Voidaan valmistaa vedenpitäviä tietokonemonitoreja, jotka kestävät paremmin ja ovat kevyempiä kuin nestekidelevy- tai plasmanäytöt.
-Eivät ole suuntaavia kuten LCD-näytöt, kun niitä käytetään tietokonenäyttöinä, näyttävät hyvältä kaikissa kulmissa
-EL-näytöt kestävät vaikuttavan -60 C:n ja 95 C:n välisen lämpötila-alueen, mihin LCD-näytöt eivät pysty

Haitat:
-ei ole käytännöllinen suurten alueiden yleisvalaistukseen fosforien alhaisen valotehon vuoksi (toistaiseksi)
-huono lumen per watti -luokitus, mutta tyypillisesti lamppua ei kuitenkaan käytetä korkeaan valotehoon
-vähentynyt valoteho ajan myötä, vaikka uudemmat teknologiat ovatkin parempia kuin vanhemmat fosforit tässä suhteessa
-joustavat litteät EL-levyt kuluvat taivutettaessa, kestävyyden parissa tehdään töitä
-lamput voivat kuluttaa huomattavan paljon sähköä:
*Värilämpötila – N/A
*Värilämpötila – N/A
*Saatavana 0.01 – 3 W

Vasemmalla: EL-tausta LCD-näytöllä,
markkinoi Timex ”Indiglo” -nimellä 1990-luvulla

Elektroluminesenssinen poistumistiekyltti, helppo käyttää pienellä virrankulutuksella ja erittäin pitkällä lamppujen käyttöiällä. Valokuva: Limelite

1. Miten se toimii:

EL:n toiminnasta on useita variaatioita riippuen siitä, puhutaanko litteästä paneelivalaisimesta, köysivalaisimesta, tasavirta-EL-tekniikasta, ohutkalvo-EL-näytöstä vai muusta monimutkaisesta rakenteesta.

EL-laitteet ovat monokantajalaitteita, jotka synnyttävät valoa optisen keskipisteen, kuten esimerkiksi Mn-atomin, törmäysherätteestä. Ne tekevät tämän kuljettamalla suurienergisiä elektroneja isäntämatriisissa (tavallisesti ZnS).

Yksinkertaisuuden vuoksi kuvaamme yksinkertaisen EL-lampun:

Korkeajännitteinen vaihtovirta kulkee ohuen fosfori- tai puolijohdekerroksen läpi ja tämä aiheuttaa valon emittoitumisen. Kaksi kerrosta kiinteää materiaalia (joista toinen on läpinäkyvä) toimii elektrodeina ja niiden välissä oleva jauhemainen fosfori tai puolijohde hehkuu, kun elektronit kulkevat sen läpi elektrodilta toiselle. Valo poistuu laitteen toiselta puolelta läpinäkyvien johtimien, kuten indiumtinan, kehittämisen ansiosta.

Paksua fosforijauhetta sisältäviä EL-lamppuja käytetään useimmissa yksinkertaisissa valaisimissa, joita käytetään valaistukseen, mukaan lukien yövalot ja poistumis-/ turvamerkit. Alla olevassa kuvassa on paksufosforilamppuja.

Ohutkalvo- ja paksudielektriset EL-lamput (TFEL, TDEL): Tätä tekniikkaa käytetään monissa eri sovelluksissa, EL-näytöt (ELD) ovat yleisin käyttötapa. Näyttö ei ole ”lamppu” perinteisessä mielessä, mutta käsittelemme sitä kuitenkin tässä, koska se on tärkeä EL:n kehitykselle. TFEL:ssä ja TDEL:ssä käytetään usein harvinaisia maametalleja, kuten Er:ää, Tm:ää ja In:ää.

TFEL – Thin Film Electroluminescent Devices
TFEL syntyi 1950-luvulla, ja se eroaa toisistaan siinä, että siinä on ohuempia aktiivisia kerroksia ja erilainen rakenne. TFEL oli parannus paksuun jauhemaiseen rakenteeseen verrattuna, se mahdollistaa pienet laitteet ja näytön pikseleiden tarkan hallinnan. Oli haasteellista kehittää tapoja, joilla ohuita monikiteisiä kalvoja voitiin laskea/kasvattaa substraatille (tukimateriaalille), mutta monia prosesseja on kehitetty, jotta TFEL-teknologia voisi laajentua. Alla esitellään TFEL-laitteen perusrakenne.
Huomautus:
-TFEL:n enimmäisteho on 6 lumenia wattia kohti vuodesta 2012.
-TFEL vaatii tyypillisesti 1,5 megavolttia senttimetriä kohti, jotta aktiivinen kerros saisi aikaan valoa

Video TFEL:n rakentamisesta:

Miten TFEL toimii:
TFEL:ssä on fosforikerros, joka emittoi valoa, kun siihen kytketään riittävän suuri sähkökenttä. Tämä ohut fosforikerros vaatii niin paljon energiaa, että fosforin epätäydellisyyksien kautta voi syntyä vahingollinen oikosulku. Elektrodin ja fosforin välissä käytetään eristäviä kerroksia molemmin puolin virran rajoittamiseksi ja TFEL:n saamiseksi toimimaan kunnolla.

TFEL-laitteet käyttäytyvät kuin kolme kondensaattoria sarjaan kytkettynä: jännite nousee ja saavutetaan läpilyöntijännite, jolloin virta kulkee puolijohtavan kerroksen (fosforin) läpi, mikä herättää fosforin ja tuottaa valoa. Eristekerrokset toimivat kondensaattoreina, joiden läpi jännite kasvaa ja katkeaa.

Ennen kuin näet, miten EL-laite toimii, kannattaa käydä läpi, miten kondensaattori toimii tässä videossa:

Hyötysuhde:
Jännitteen kasvaessa yhä useammat mangaanikeskittymät innostuvat ja laite kirkastuu. (6 lumenia per watti) Jonkin ajan kuluttua jännitteen kasvattaminen ei tee laitteesta kirkkaampaa, koska Mn-keskukset kyllästyvät, hyötysuhde laskee tässä vaiheessa (esimerkiksi 3 lumeniin per watti)

Värit:
Näytöissä käytettävien primäärivärien valmistaminen on ollut suuri ongelma, joka on estänyt EL:n käytön televisio- tai tietokonenäytöissä viime aikoihin asti. Insinöörit ovat käyttäneet suodattimia valon aikaansaamiseksi. Värejä voidaan valmistaa suodattamalla valkoinen punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi, mutta tehokkaan valkoisen fosforin kehittäminen on ollut vaikeaa. Insinöörit ovat myös pyrkineet kehittämään erillisiä RGB-fosforeita.
ZnS:Mn tekee vihreää, joka on tehokkain fosfori. Monet EL-näytöt ovat vihreitä ja punaisia, koska ne pystyvät suodattamaan punaista vihreästä. CaS:Eu luo punaista, mutta se ei ole ollut tarpeeksi kirkas. Tehokkaan ja riittävän kirkkaan sinisen fosforin valmistaminen on ollut haaste. Heinrich Hertz -instituutin saavuttama 0,1 lumenia wattia kohti ei vain ole riittävän hyvä. On muistettava, että tämän on kilpailtava LCD-tekniikan kanssa selviytyäkseen markkinoilla. BaAl2S4:Eu on ensisijainen sininen fosfori. TFEL:llä on ollut vaikeuksia saavuttaa hyväksyttävää hyötysuhdetta, mutta TDEL on saavuttanut hyväksyttävämmän luvun, 3 lumenia per W.

Digitaalinäytöt, joissa käytetään EL:ää nestekidenumerosegmenttien taustavalaistukseen

EL-fosforit: Useimmat EL:t on valmistettu ZnS:stä:Mn (mangaanilla seostettu sinkkisulfidi) Muita EL-lamppujen valmistukseen käytettäviä materiaaleja ovat – Sinkkisulfidi Cu:n tai hopean kanssa – Sinkkisulfidi eri alkalimetallien kanssa sinistä, vihreää ja punaista varten, valkoinen -timantti boorilla – sininen väri -III-V puolijohteet InP -GaAs ja GaN – Epäorgaaniset puolijohteet

Epitaxia

Ohutkalvo-EL-lamppujen valaisuun käytetään epitaxiaprosessia, jossa kasvatetaan kiteitä substraatin pinnalle. Tämän prosessin avulla voidaan luoda ”kalvo” tai erittäin ohut materiaalikerros (mitattuna nanometreinä (nm)) lasille tai muulle tasaiselle pinnalle (tämä pinta muodostaa rakenteen ja sitä kutsutaan ”substraatiksi”). TFEL-epitaksia luo noin 500 nanometrin paksuisia kerroksia, mutta koko vaihtelee tuotteesta riippuen. Myöhemmin kehitettiin TDEL (thick dielelectric EL), jonka tarkoituksena on tuottaa tuote, jonka valovoima on suurempi kuin TFEL:n. TDEL:ssä käytetään rakennetta, jossa elektrodit on erotettu paksummasta fosforista ohuella eristävällä kerroksella. Sekä TFEL:ssä että TDEL:ssä käytetään epitaksiaa, ja epitaksiaa on monenlaista MBE:stä (molekyylisuihku) ALE:hen (atomikerroksen epitaksia) (jonka nimi muutettiin ALD:ksi (atomikerroksen laskeutuminen)). Epitaksian ymmärtäminen vaatii hieman aikaa, joten suosittelemme verkkoluentoja ja verkkosivuja tältä alalta. Lue lisää ALD:stä Tuomo Suntolalta täältä (PDF).

Läpinäkyvät ja läpinäkymättömät EL-näytöt

Yksi tapa rakentaa läpinäkymätön TFEL-näyttö on käyttää kahta kerrosta muovikalvoa tai lasia, joista toinen on päällystetty indiumtinaoksidilla (ITO) tai muulla puolijohteella, kun taas toisella tasaisella pinnalla on heijastava materiaali. Valo tuotetaan ”aktiivisessa” fosforikerroksessa (esimerkiksi ZnS Mn). Väärään suuntaan emittoitunut valo heijastuu takalevystä ja kulkee vastakkaisen puolen läpi, jossa on läpinäkyvä puolijohde, jolloin saavutetaan suurempi valovoima. Monilla erikseen ohjattavilla yksiköillä ja ohjaavalla tietokoneella voit kytkeä yksikön päälle tai pois päältä, ja yhdessä tämä muodostaa näyttöruudun. Monivärinäytössä yksiköiden päälle asetetuilla suodattimilla voidaan säätää, lähettääkö yksikkö punaista, keltaista vai vihreää valoa. Sinistä ei ole vielä kehitetty, ja juuri tästä syystä EL-näytöt eivät tällä hetkellä pysty kilpailemaan LCD-tekniikan kanssa kuluttajakäyttöön tarkoitetuissa täysvärinäytöissä.

Läpinäkyvissä EL-näytöissä on kaksi kerrosta läpinäkyviä johtavia kalvoja (TCF), jotka toimivat elektrodeina ja joiden välissä on fosfori. Koska niissä ei ole heijastavaa taustaa, ne eivät tällä hetkellä tuota samaa kirkkaustasoa kuin tavalliset EL-näytöt. Tästä huolimatta näytöllä on joitakin erittäin mielenkiintoisia ja ainutlaatuisia sovelluksia, jotka eivät ole vielä yleistyneet.

Läpinäkyviä johtavia kalvoja (TCF) ovat esimerkiksi indium-tinaoksidi (ITO) ja fluorilla seostettu tina- tai sinkkioksidi (FTO)(FZO). ITO:ta käytetään myös ohutkalvo-aurinkoteollisuudessa. Hiilinanoputkiteknologia on orgaaninen johtava kalvo, jolla voitaisiin korvata kalliita harvinaisia maametalleja, kuten indiumia. Poly(3,4-etyleenidioxythiophene) PEDOT-kalvot ja muut polymeerikalvot voivat myös korvata ITO:n. Uusien halvempien materiaalien valmistaminen on tärkeää, jotta EL-näytöt ja -valot yleistyisivät kuluttajien jokapäiväisessä elämässä.
Tämä lampputyyppi tuottaa valoa puolijohteen reikiin radioaktiivisesti yhdistyvinä elektroneina. Puolijohteiden toiminnan ymmärtäminen molekyylitasolla vaatii pitkän kuvauksen tai kokonaisen luennon. Indian Institute of Technology Madrasissa on monivideoluento, joka alkaa 59-minuuttisella videolla puolijohdemateriaaleista.

TDEL:
TDEL- eli paksukalvodielektrinen EL-tekniikka tunnetaan siitä, että se tarjoaa ratkaisun sinisen ongelmaan. Se tarjoaa ainoan tällä hetkellä saatavilla olevan täysvärisen RGB-näyttöteknologian.

Paksukalvodielektriset näytöt ovat osoittautuneet tehokkaiksi: niiden kirkkaus (luminositeetti) on hyvä ja hyötysuhde kunnollinen. iFire Group ja TDK Corporation pitävät tällä hetkellä hallussaan tämän teknologian patentteja. TDEL:n fosfori on 10 000 – 20 000 nanometrin paksuinen. Joissakin TDEL:issä, kuten näytöissä käytetyissä, käytetään kahta fosforikerrosta. Alin paksu kerros kestää dielektristä läpilyöntiä, joten se voi siirtää suurempaa virtaa ja tuottaa kirkkaampaa valoa. Paksun dielektrisen kerroksen yläpuolella on värillisiä fosforeita ZnMgS:Mn (vihreä) ja BaAl2S4:Eu (sininen). Tällä järjestelmällä voidaan luoda RGB.

2. Keksijät ja kehitys:

Elektroluminesenssia käytti jo vuonna 1936 tutkija Georges Destriau. Vasta 1950-luvulla yritykset alkoivat kehittää tekniikkaa käytännön sovelluksiin.

	1936 – Georges Destriau, joka oli Marie Curien työtoveri hänen laboratoriossaan Pariisissa, alkoi tutkia elektroluminesenssiä. Hän keksi termin työskennellessään ZnS-jauheiden parissa. Pariisi, Ranska
	1958 – Työskennellessään General Electricin palveluksessa Elmer Fridrich kehitti EL-lamput, joista osa oli rakenteeltaan varsin hienostuneita. Fridrich tuli tunnetuksi myös halogeenilampun keksimisestä ja loistelampputekniikan edistämisestä. Hän oli avainasemassa insinööritiimeissä Nela Parkissa Ohiossa ja Schenectadyssa New Yorkissa. Kuva: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko ja A. Popkov: Kehittivät ensimmäisen TFEL-prototyypin ja tutkivat menetelmiä valovoiman lisäämiseksi. He tekivät uraauurtavaa työtä myös tasavirta-EL-lampuilla. Kiev, Ukraina
	1968 – Aron Vecht kehittää tasavirta-EL-tekniikkaa lamppuja ja kelloja varten. Lontoo, Iso-Britannia Kuva: University of Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola kehittää ALE-epitaksiaa ohutkalvoelektroluminesenssiteknologiaa (TFEL) varten. Tämä menetelmä ohuiden puolijohdekalvojen pinnoittamiseksi substraatille on muodostunut TFEL-tuotannon perustaksi. Ohuet monikiteiset kalvot ovat noin 500 nanometrin paksuisia. Ohuet kalvot mahdollistavat EL:n käytön enemmän kuin kömpelöt paksut fosforijauheet. Lohja, Suomi Kuva: Tuomo Suntola
	1970-luku – Hiroshi Kobayashi työskenteli yli 30 vuotta edesmenneen professori Shosaku Tanakan kanssa epäorgaanisten elektroluminesenssilaitteiden parissa. Hänen työnsä auttoi epäorgaanisten EL-näyttöjen kaupallistamisessa Japanin teollisuudessa. Suuri osa työstä tehtiin Tottorin yliopistossa. Hän jäi eläkkeelle vuonna 2003 ja asuu nykyään Tokiossa. Tottorin prefektuuri / Tokio, Japani Kuva: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi kehittää ensimmäisen käytännöllisen ELD:n (elektroluminesenssinäytön) Sharp Corporationissa. Hän käyttää TFEL:ää tämän mahdollistamiseksi. Hänen näytöillään on pitkä käyttöikä ja kirkkaampi valovoima. Hänen työnsä loi pohjan myöhemmälle kehitykselle ja piti Sharpin eturintamassa seuraavien vuosikymmenten ajan. Näyttöjä käytettiin ensin lääketieteellisten instrumenttien näyttöinä. Näytöt olivat yksivärisiä, mutta parempi vaihtoehto kuin kuvaputket. Osaka, Japani Kuva: Toshio Inoguchi ja Sharp Corporation
	1980-luku – Christopher N. King ja työryhmä* kehittävät kehittyneitä EL-näyttöjä, jotka käyttävät ohutkalvotekniikkaa. Tiimi oli aloittanut Tektronixilla ja perusti spin-off-yrityksen Planar Systemsin vuonna 1983. Uudet näytöt lisäävät käytettävissä olevien värien määrää ajan myötä. Valovoiman ja kontrastin lisääminen LCD-näyttöjen kanssa kilpailemiseksi tuli tärkeäksi 1990- ja 2000-luvuilla. Planarin insinöörit ovat 90-luvulta lähtien parantaneet EL-näyttöjä ja saavuttaneet paremman valovoiman, kontrastin ja tehokkuuden. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Kuva: Chris King
	1990-luku – Xingwei Wu kehittää TDEL-teknologiaa. Paksut dielektriset EL-näytöt saavuttavat riittävän kirkkaita sinisiä, jotta niitä voidaan käyttää täysvärinäytöissä. TDEL on kirkkaampi kuin TFEL, ja siinä käytetään ”väri sinisellä” -menetelmää hyvän RGB:n saavuttamiseksi. TDEL on ensimmäinen täysväriin kykenevä EL-teknologia. Tohtori Xingwei Wu on iFire Technologyn pääinsinööri. Oakville, Ontario, Kanada Kuva: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
	2016 – Sinä – Valitse ura insinööritieteiden parissa ja tule seuraavaksi edelläkävijäksi! OPI LISÄÄ

2000-luku – EL-lamput tulevat keskivertokuluttajalle edullisemmiksi ja niitä käytetään koristeellisissa vaatteissa ja ohuiden kalvojen levittämisessä eri tuotteisiin. Yleisvalaistuksessa käytettävänä lamppuna EL-tekniikkaa ei suosita, koska sen enimmäisvaloteho on rajallinen ja sen hyötysuhde on heikko LEDeihin verrattuna. EL-lamppujen ainutlaatuinen tilallinen ulottuvuus (litteä ja joustava) antaa sille mahdollisuuden säilyttää markkinaraon.

EL-näytöt ovat kehittyneet huomattavasti vuodesta 1980, mutta näytöissä käytettävää parempaa sinistä fosforia tarvitaan edelleen. Suuren valovoiman ja korkean hyötysuhteen omaavan sinisen kehittäminen mahdollistaisi puna-vihreä-sinisen yhdistelmän, jonka avulla EL-näyttö voisi paremmin kilpailla LCD-näyttöjen kanssa.
Lisätietoa tarkemmin:
A History of Electroluminescent Displays by Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Lamput esitellään aikajärjestyksessä

Edellinen: Halogeeni volframilamppu 1955

Jatk: LED-lamppu 1962

Sähkövalo

KOMMENTIT?
Auta meitä muokkaamaan ja lisäämään tätä sivua ryhtymällä ETC:n vapaaehtoiseksi!
Anna palautetta tästä ja muista sivuista Facebook-sivullamme

Sivut, grafiikka ja artikkeli: M. Whelan
Kiitos Chris Kingin, Toumo Suntolan ja Toshiyuki Matsumuran avusta

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

Kuvat:
Edison Tech Center
Planar Systems www.Planar.com
LimeLite www.Limelite.com
Toumo Suntola
Christopher N. King
iFire Technology Ltd.
Prof. Emeritus Hiroshi Kobayashi of Tottori University
Kuvien käyttö:
Edison Tech Center Kuvia saa käyttää/toistaa opetustarkoituksiin, kuvia EI saa muuttaa kokoa muuttamatta. Edison Tech Center on mainittava. Verkkojulkaisuissa suositaan linkittämistä tälle sivulle.