Lampes électroluminescentes

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

Utilisation d’un courant électrique à travers un luminophore ou un semi-conducteur
Histoire commerciale (années 1950 -… Aujourd’hui)

Introduction & Statistiques
Comment ils fonctionnent
. Inventeurs et développements

Pour faire simple les lampes EL ou « électroluminescentes à haut champ » utilisent le courant électrique directement à travers un phosphore pour faire de la lumière. Contrairement à la plupart des lampes, elles peuvent être façonnées pour être extrêmement plates, ou en forme de fil étroit.
L’électroluminescence ou « EL » est la conversion non thermique de l’énergie électrique en énergie lumineuse. Ce phénomène est utilisé dans les lampes EL, les LEDs et les OLEDs. Dans cette page, nous parlons des dispositifs EL qui créent de la lumière en excitant des électrons de haute énergie dans des matériaux phosphorescents comme le ZnS:Mn. Ce type de dispositif utilise « l’électroluminescence à haut champ ».
-Il est différent des LED/OLED en ce sens que les OLED utilisent une jonction p/n (deux matériaux semi-conducteurs où les électrons et les trous se combinent à la frontière). Dans les EL, il y a une couche appelée activateur dans laquelle toute la couche émet de la lumière, pas seulement la limite
-C’est différent de l’incandescence. Avec l’incandescence, vous envoyez du courant à travers un matériau, cela crée de la chaleur et cette chaleur émet de la lumière à une température suffisamment élevée.
Plus d’informations sur le fonctionnement de l’EL (ci-dessous)

Utilisations courantes : veilleuses, vêtements luminescents décoratifs, éclairage de montres, éclairage décoratif de murs plats, écrans durables et étanches, écrans d’affichage d’outils médicaux et, plus récemment, écrans d’ordinateurs et panneaux d’affichage

Les téléviseurs classiques utilisent l’électroluminescence. Les tubes cathodiques (CRT) ont un revêtement électroluminescent composé d’oxydes et d’oxysulfures de terres rares. Ces matériaux s’illuminent lorsqu’ils sont frappés par des électrons tirés d’une cathode située à l’arrière du tube.

Tous les crédits et sources sont situés au bas de chaque page d’éclairage

Le consommateur peut être familier avec les marques Panelescent et Indiglo qui présentent des lampes et des lampes de montre qui utilisent l’EL. Planar et Sharp Corporation ont été les pionniers de l’utilisation de l’électroluminescence dans les écrans. Gauche : Une des premières lampes EL sur le marché : Panelescent de Sylvania. Veilleuse 120 V ,02W, se branche directement sur le mur et fournit une douce lueur verte.

Avantages :
-Basse puissance
-Longue durée de vie
-Pas de circuit externe nécessaire (pas de ballast nécessaire pour limiter le courant, il peut être branché directement sur le courant alternatif et s’autorégulera grâce à sa propre résistivité)
-Peut être fabriqué en panneaux flexibles plats, en cordes étroites et autres petites formes
-Peut être fabriqué en écrans d’ordinateur étanches qui sont plus durables et légers que les écrans LCD ou Plasma.
-Non directionnel comme les LCD lorsqu’il est utilisé comme un moniteur d’ordinateur, a l’air bon sous tous les angles
-Les écrans EL peuvent gérer une impressionnante gamme de température de -60 C à 95 C, ce que les moniteurs LCD ne peuvent pas faire

Inconvénients :
-Pas pratique pour l’éclairage général de grandes zones en raison du faible rendement lumineux des phosphores (jusqu’à présent)
-Peu de lumens par watt, cependant, généralement, la lampe n’est pas utilisée pour un rendement lumineux élevé de toute façon
-Réduction du rendement lumineux au fil du temps, bien que les nouvelles technologies soient meilleures que les anciens phosphores sur ce point
-Les feuilles EL plates flexibles s’usent lorsqu’elles sont fléchies, la durabilité est en cours de travail
-Les lampes peuvent utiliser une quantité importante d’électricité : 60-600 volts
-Les EL typiques ont besoin d’un convertisseur lorsqu’elles sont utilisées avec des sources de courant continu comme sur les montres (pour créer un courant alternatif de plus haute fréquence, cela est audible)

Statistiques des EL *Lumens par watt : 2-6 *Durée de vie des lampes : 2 000 – 50 000 heures *CRI – N/A *Température de couleur – N/A *Disponible en 0.01 – 3 W Gauche : Fond EL avec écran LCD, commercialisé sous le nom de « Indiglo » par Timex dans les années 1990

Une enseigne de sortie électroluminescente, facile à utiliser à faible puissance et à très longue durée de vie de la lampe. Photo : Limelite

1. Comment ça marche :

Il existe plusieurs variations sur le fonctionnement de l’EL selon que l’on parle d’une lampe à panneau plat, d’une lampe à corde, de la technologie EL à courant continu, d’un écran EL à couche mince ou d’une autre conception complexe.

Les dispositifs EL sont des dispositifs monocarrier qui émettent de la lumière en raison de l’excitation par impact d’un centre optique comme l’atome de Mn. Ils le font en transportant des électrons de haute énergie dans la matrice hôte (communément ZnS).

Pour simplifier, nous allons décrire une lampe EL simple :

L’alimentation en courant alternatif haute tension passe à travers une fine couche de phosphore ou de semi-conducteur et cela provoque l’émission de lumière. Deux couches de matériau solide (l’une étant transparente) font office d’électrodes et une poudre de phosphore ou de semi-conducteur située entre les deux brille lorsque les électrons la traversent d’une électrode à l’autre. La lumière s’échappe du dispositif d’un côté grâce au développement de conducteurs transparents comme l’indium-étain.

Les lampes EL à poudre de phosphore épaisse sont utilisées dans la plupart des lampes simples utilisées pour l’éclairage, y compris les veilleuses et les panneaux de sortie/sécurité. Le graphique ci-dessous montre des lampes à phosphore épais.

La EL à couche mince et à diélectrique épais (TFEL, TDEL) : cette technologie est utilisée dans une variété d’applications, les écrans EL (ELD) sont l’utilisation la plus courante. Un écran n’est pas une « lampe » au sens traditionnel du terme, mais nous l’abordons ici en raison de son importance dans le développement de la technologie EL. TFEL et TDEL utilisent souvent des matériaux de terres rares tels que Er, Tm, In, et plus.

TFEL – Thin Film Electroluminescent Devices
TFEL est apparu dans les années 1950 et il est différent en ce qu’il contient des couches actives plus minces et une construction différente. Le TFEL était une amélioration par rapport à la construction en poudre épaisse, il permet des dispositifs de petite taille et un contrôle précis des pixels sur un écran. C’était un défi de développer des moyens de déposer/croître des films polycristallins minces sur un substrat (le matériau de support), mais de nombreux processus ont été développés pour permettre aux technologies TFEL de se développer. Ci-dessous, nous soulignons la construction de base d’un dispositif TFEL.
Note :
-TFEL a un maximum de 6 lumens par Watt en 2012.
-TFEL nécessite généralement 1,5 mégavolts par centimètre pour que la couche active fasse de la lumière

Vidéo de la construction TFEL:

Comment fonctionne TFEL:
TFEL a une couche de phosphore qui émet de la lumière lorsqu’un champ électrique assez grand est appliqué. Cette couche mince de phosphore nécessite un tel niveau d’énergie qu’il existe un potentiel pour un court-circuit dommageable par des imperfections dans le phosphore. Des couches isolantes sont utilisées entre l’électrode et le phosphore des deux côtés pour limiter le courant et faire fonctionner correctement le TFEL.

Les dispositifs TFEL se comportent comme 3 condensateurs en série : la tension augmente et une tension de claquage est atteinte où le courant traverse la couche semi-conductrice (le phosphore) qui excite le phosphore et fait de la lumière. Les couches isolantes agissent comme des condensateurs, la tension s’accumulant et se rompant.

Avant de voir comment le dispositif EL fonctionne, vous pouvez revoir le fonctionnement d’un condensateur dans cette vidéo:

Efficacité:
A mesure que la tension augmente, de plus en plus de centres de manganèse sont excités et le dispositif brille. (6 lumens par Watt) Après un certain temps, l’augmentation de la tension ne rend pas le dispositif plus lumineux car les centres de Mn deviennent saturés, l’efficacité diminue à ce moment-là (à 3 lumens par Watt par exemple)

Couleurs:
La fabrication des couleurs primaires utilisées dans les écrans a été un problème majeur empêchant l’utilisation de l’EL pour les écrans de télévision ou d’ordinateur jusqu’à récemment. Les ingénieurs ont utilisé des filtres pour fabriquer de la lumière. Les couleurs peuvent être fabriquées en filtrant le blanc en rouge, vert et bleu, mais le développement d’un phosphore blanc efficace a été difficile. Les ingénieurs ont également travaillé sur le développement de phosphores RVB séparés.
ZnS:Mn produit un vert, qui est le phosphore le plus efficace. De nombreux écrans EL sont verts et rouges parce qu’ils peuvent filtrer le rouge du vert. CaS:Eu crée du rouge mais il n’a pas été assez brillant. La fabrication d’un luminophore bleu efficace avec une luminosité suffisante a été le défi. La valeur de 0,1 lumen par watt, obtenue par l’Institut Heinrich Hertz, n’est tout simplement pas suffisante. N’oubliez pas que cette technologie doit concurrencer la technologie LCD pour survivre sur le marché. BaAl2S4:Eu est un phosphore primaire utilisé pour le bleu. Alors que TFEL a eu du mal à obtenir un rendement acceptable, TDEL a atteint un taux plus acceptable de 3 lumens p/W.

Écrans numériques utilisant l’EL pour rétroéclairer les segments numériques à cristaux liquides

Les phosphores EL: La plupart des EL sont fabriqués avec du ZnS :Mn (sulfure de zinc dopé au manganèse) Les autres matériaux utilisés pour fabriquer des lampes EL sont – le sulfure de zinc avec Cu ou Argent – le sulfure de zinc avec divers métaux alcalins pour le bleu, le vert, le rouge, blanc -diamant avec du bore – couleur bleue – Semi-conducteurs III-V InP -GaAs, et GaN -Semi-conducteurs inorganiques

Epitaxie

L’EL à couche mince utilise un processus d’épitaxie pour faire croître des cristaux au-dessus d’un substrat. Ce procédé permet de créer un « film » ou une couche ultra-mince de matériau (mesurée en nanomètres (nm)) sur du verre ou une autre surface plane (cette surface fournit la structure et est appelée « substrat »). L’épitaxie TFEL crée des couches d’environ 500 nanomètres d’épaisseur, bien que la taille varie en fonction du produit. Plus tard, la technologie TDEL (thick dielectric EL) a été mise au point pour obtenir un produit dont la luminosité est supérieure à celle du TFEL. La TDEL utilise une structure où les électrodes sont séparées du phosphore plus épais par une fine couche isolante. Le TFEL et le TDEL utilisent tous deux l’épitaxie. Il existe de nombreuses formes d’épitaxie, du MBE (faisceau moléculaire) à l’ALE (épitaxie en couche atomique) (qui a été renommée ALD (dépôt en couche atomique)). Comprendre l’épitaxie demande un peu de temps, nous recommandons des cours en ligne et des sites web pour ce domaine. Lisez plus sur l’ALD de Tuomo Suntola ici (PDF).

Écrans EL transparents et non transparents

Une façon de construire un écran TFEL non transparent est d’utiliser deux couches pour le film plastique ou le verre, l’une est recouverte d’oxyde d’étain d’indium (ITO) ou d’un autre semi-conducteur tandis que l’autre surface plane a un matériau réfléchissant. La lumière sera produite dans la couche « active » de phosphores (ZnS Mn par exemple). La lumière émise dans la mauvaise direction sera réfléchie sur la plaque arrière et passera par le côté opposé qui a le semi-conducteur transparent, de cette façon vous obtenez une luminosité plus élevée. Avec un grand nombre d’unités contrôlées individuellement et un ordinateur de contrôle, vous pouvez allumer ou éteindre l’unité, ce qui constitue collectivement un écran d’affichage. Dans un écran multicolore, des filtres appliqués au-dessus des unités permettent de contrôler si l’unité émet de la lumière rouge, jaune ou verte. Le bleu n’a pas encore été développé, et c’est pour cette raison que les écrans EL ne peuvent actuellement pas concurrencer la technologie LCD pour les affichages grand public en couleur.

Les écrans EL transparents comportent deux couches de films conducteurs transparents (TCF) comme électrodes, avec le phosphore entre les deux. Comme ils n’ont pas de support réfléchissant, ils ne produisent pas actuellement le même niveau de luminosité que les écrans EL standard. Malgré cela, l’affichage a des applications très intéressantes et uniques qui ne se sont pas encore répandues.

Les films conducteurs transparents (TCF) comprennent l’oxyde d’indium-étain (ITO) et l’oxyde d’étain ou de zinc dopé au fluor (FTO)(FZO). L’ITO est également utilisé dans l’industrie solaire à couches minces. La technologie des nanotubes de carbone est un film conducteur organique qui pourrait remplacer les matériaux de terres rares coûteux comme l’indium. Les films de poly(3,4-éthylènedioxythiophène) PEDOT et autres films polymères ont également le potentiel de remplacer l’ITO. La fabrication de nouveaux matériaux moins chers est importante pour voir la croissance des écrans et des lumières EL dans la vie quotidienne des consommateurs.
Ce type de lampe produit de la lumière sous forme d’électrons combinés de manière radioactive dans les trous d’un semi-conducteur. Comprendre le fonctionnement des semi-conducteurs au niveau moléculaire nécessite une longue description ou un cours entier. L’Indian Institute of Technology Madras propose un cours magistral multividéo qui commence par une vidéo de 59 minutes sur les matériaux à l’état solide.

TDEL:
La technologie TDEL ou technologie EL diélectrique à couche épaisse est connue pour apporter une solution au problème du bleu. Elle fournit la seule technologie d’affichage RVB pleine couleur disponible à l’heure actuelle.

Les écrans diélectriques à couche épaisse ont prouvé leur efficacité : ils ont une bonne brillance (luminosité) et ont une efficacité décente. iFire Group et TDK Corporation détiennent actuellement les brevets de cette technologie. Le phosphore dans le TDEL a une épaisseur de 10K à 20K nanomètres. Certains TDEL, comme ceux utilisés dans les écrans, utilisent deux couches de phosphores. La couche inférieure épaisse est résistante à la rupture diélectrique, ce qui lui permet de transporter un courant plus élevé et de produire une lumière plus brillante. Au-dessus de la couche diélectrique épaisse se trouvent des phosphores colorés de ZnMgS:Mn (vert) et BaAl2S4:Eu (bleu). Avec ce système, il est possible de créer des RVB.

2. Inventeurs et développements:

L’électroluminescence a été utilisée dès 1936 par le scientifique Georges Destriau. Ce n’est que dans les années 1950 que les entreprises ont commencé à développer la technologie pour l’utiliser dans des applications pratiques.

	1936 – Georges Destriau, qui était un associé de Marie Curie dans son laboratoire à Paris a commencé à étudier l’électroluminescence. Il a inventé le terme alors qu’il travaillait avec des poudres de ZnS. Paris, France
	1958 – Elmer Fridrich alors qu’il travaillait pour General Electric a développé des lampes EL, dont certaines étaient assez sophistiquées dans leur conception. Fridrich est également devenu célèbre pour avoir inventé la lampe halogène et fait progresser la technologie des lampes fluorescentes. Il était un membre clé des équipes d’ingénieurs à Nela Park, Ohio et Schenectady, New York. Photo : General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko et A. Popkov : Ont développé le premier prototype TFEL et ont travaillé sur des méthodes pour augmenter la luminosité. Ils ont également été les premiers à travailler sur les lampes EL à courant continu. Kiev, Ukraine
	1968 – Aron Vecht développe la technologie EL DC pour les lampes et les montres. Londres, Royaume-Uni Photo : Université de Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola développe l’épitaxie ALE pour les technologies électroluminescentes à couches minces (TFEL). Cette méthode de dépôt de films semi-conducteurs minces sur un substrat est devenue une base pour la production de TFEL. Les films minces polycristallins ont une épaisseur d’environ 500 nanomètres. Les films minces permettent une plus grande utilisation de l’EL que les poudres de phosphore épaisses et encombrantes. Lohja, Finlande Photo : Tuomo Suntola
	années 70 – Hiroshi Kobayashi a travaillé pendant plus de 30 ans sur les dispositifs électroluminescents inorganiques avec feu le professeur Shosaku Tanaka. Ses travaux ont contribué à la commercialisation des écrans électroluminescents inorganiques dans l’industrie japonaise. Une grande partie de ses travaux ont été réalisés à l’université de Tottori. Il a pris sa retraite en 2003 et vit maintenant à Tokyo. Préfecture de Tottori / Tokyo, Japon Photo : Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi développe le premier ELD (affichage électroluminescent) pratique chez Sharp Corporation. Il utilise le TFEL pour rendre cela possible. Ses écrans ont une longue durée de vie et sont plus lumineux. Son travail a ouvert la voie aux avancées ultérieures et a permis à Sharp de rester à la pointe du progrès pendant les décennies suivantes. Les écrans ont d’abord été utilisés comme écrans pour les instruments médicaux. Les écrans étaient monochromatiques, mais constituaient une meilleure option que les tubes cathodiques. Osaka, Japon Photo : Toshio Inoguchi et Sharp Corporation
	1980s – Christopher N. King et son équipe* développent des écrans EL avancés qui utilisent la technologie des films minces. L’équipe avait débuté chez Tektronix et lancé la spin-off Planar Systems en 1983. Les nouveaux écrans augmentent le nombre de couleurs disponibles au fur et à mesure. L’augmentation de la luminosité et du contraste pour concurrencer les écrans LCD devient importante dans les années 1990 et 2000. Depuis les années 90, les ingénieurs de Planar ont amélioré l’écran EL, ils ont obtenu une meilleure luminosité, un meilleur contraste et une meilleure efficacité. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Photo : Chris King
	1990 – Xingwei Wu développe la technologie TDEL. Les écrans EL à diélectrique épais atteignent des bleus suffisamment brillants pour être utilisés dans les écrans couleur. TDEL est plus lumineux que TFEL, et utilise la méthode de « couleur par le bleu » pour obtenir un bon RGB. TDEL est la première technologie EL capable d’afficher des couleurs. Le Dr Xingwei Wu est l’ingénieur principal chez iFire Technology. Oakville, Ontario, Canada Photo : Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
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2000s – Les lampes EL deviennent plus abordables pour le consommateur moyen et sont utilisées dans les vêtements décoratifs et l’application de films minces sur divers produits. En tant que lampe pour l’éclairage général, la technologie EL n’est pas privilégiée en raison d’une production maximale limitée de lumens combinée à une faible efficacité par rapport aux LED. L’aspect spatial unique de la lampe EL (plate et flexible) lui permet de maintenir une niche de marché.

Les écrans EL ont fait beaucoup de progrès depuis 1980, cependant un meilleur phosphore bleu qui peut être utilisé dans les écrans est toujours nécessaire. Le développement d’un bleu à haute luminosité et à haut rendement permettrait une combinaison rouge-vert-bleu qui permettrait à l’affichage EL de mieux concurrencer le LCD.
Lecture complémentaire plus détaillée:
A History of Electroluminescent Displays by Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Les lampes sont présentées dans l’ordre du développement chronologique

Précédent : lampe halogène tungstène 1955

Suivant : Lampe à LED 1962

La lumière électrique

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Site web, graphisme et article par M. Whelan
Merciements pour l’assistance de Chris King, Toumo Suntola et Toshiyuki Matsumura

Sources:
Greenwich University
A History of Electroluminescent Displays by Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999
Sharp Corporation
L’histoire de General Electric. Hall of History. Schenectady Museum
Toumo Suntola
« Electroluminescent Displays » par Christopher N. King

Photos:
Edison Tech Center
Planar Systems www.Planar.com
LimeLite www.Limelite.com
Toumo Suntola
Christopher N. King
iFire Technology Ltd.
Prof. émérite Hiroshi Kobayashi de l’Université de Tottori
Utilisation des photos :
Les photos de l’Edison Tech Center peuvent être utilisées/reproduites à des fins éducatives, les photos ne peuvent PAS être modifiées sauf pour le redimensionnement. Le Centre technique Edison doit être crédité. Il est préférable de créer un lien vers cette page pour les publications en ligne.