Elektrolumineszcens lámpák

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

Foszforon vagy félvezetőn keresztül elektromos áramot használnak
Kereskedelmi múlt (1950-es évek – Ma)

Bevezetés & Statisztika
Hogyan működnek
Feltalálók és fejlesztések

Egyszerűen fogalmazva az EL-lámpák vagy “nagy térerősségű elektrolumineszcens” lámpák az elektromos áramot közvetlenül egy foszforon keresztül használják a fény előállítására. A legtöbb lámpától eltérően rendkívül lapos, vagy keskeny, huzalszerű formájúak lehetnek.
Az elektrolumineszcencia vagy “EL” az elektromos energia nem termikus átalakulása fényenergiává. Ezt a jelenséget használják az EL-lámpákban, a LED-ekben és az OLED-ekben. Ezen az oldalon olyan EL-eszközökről beszélünk, amelyek a foszforanyagokban, például a ZnS:Mn-ben lévő nagy energiájú elektronok gerjesztésével hoznak létre fényt. Ez az eszköztípus a “nagy térbeli elektrolumineszcenciát” használja.
-A LED-ektől/OLED-ektől annyiban különbözik, hogy az OLED-ek p/n átmenetet használnak (két félvezető anyag, ahol az elektronok és a lyukak a határon egyesülnek). Az EL-ben van egy aktivátornak nevezett réteg, amelyben az egész réteg fényt bocsát ki, nem csak a határfelület
-Az izzástól eltér. Az izzításnál áramot küldesz egy anyagon keresztül, ez hőt termel, és ez a hő elég magas hőmérsékleten fényt bocsát ki.
Bővebben az EL működéséről (alább)

Gyakori felhasználások: éjjeli lámpák, lumineszcens díszítő ruházat, órák megvilágítása, sík falak dekoratív megvilágítása, tartós vízálló kijelzők, orvosi eszközök kijelző képernyői, és újabban számítógép monitorok és hirdetőtáblák

A klasszikus TV készülékek elektrolumineszcenciát használnak. A CRT-k (katódsugárcsövek) ritkaföldfém-oxidokból és oxiszulfidokból álló elektrolumineszcens bevonattal rendelkeznek. Ezek az anyagok világítanak, amikor a cső hátuljában lévő katódból kilőtt elektronok megütik őket.

Az összes kreditpont és forrás az egyes világítási oldalak alján található

A fogyasztók számára ismerősek lehetnek a Panelescent és az Indiglo márkanevek, amelyek EL-t használó lámpákat és óralámpákat kínálnak. A Planar és a Sharp Corporation úttörő szerepet játszott az elektrolumineszcencia kijelzőkben való alkalmazásában. Balra: Az egyik első EL lámpa a piacon: Panelescent a Sylvania cégtől. 120 V 0,02 W-os éjszakai lámpa, közvetlenül a falba dugható és lágy zöld fényt biztosít.

Előnyei:
-alacsony wattfogyasztás
-hosszú élettartam
-nincs szükség külső áramkörre (nincs szükség előtétre az áram korlátozásához, közvetlenül a váltóáramra csatlakoztatható, és saját ellenállásán keresztül önszabályozza a teljesítményt)
-lapos, rugalmas panelek, keskeny szálak és más kis formák készíthetők
-vízálló számítógépes monitorok készíthetők, amelyek tartósabbak és könnyebbek, mint az LCD- vagy plazmaképernyők.
-Nem irányított, mint az LCD-k, ha számítógép-monitorként használják, minden szögből jól néz ki
-EL kijelzők lenyűgöző -60 C és 95 C közötti hőmérséklet-tartományt képesek kezelni, amire az LCD monitorok nem képesek

Hátrányok:
-Nem praktikus nagy területek általános megvilágítására a foszforok alacsony fénykibocsátása miatt (eddig)
-gyenge lumen/watt érték, azonban jellemzően a lámpát amúgy sem nagy fénykibocsátásra használják
-idővel csökken a fénykibocsátás, bár az újabb technológiák ezen a ponton jobbak a régebbi foszforoknál
-Flexibilis lapos EL lapok a hajlítás során elkopnak, a tartósságon dolgoznak
-A lámpák jelentős mennyiségű áramot használhatnak: 60-600 volt
-A tipikus EL-nek szüksége van egy átalakítóra, ha egyenáramú forrásokkal használják, mint például az órákon (hogy magasabb frekvenciájú váltakozó áramot hozzon létre, ez hallható)

EL statisztikák *Lumen per watt: *Lámpa élettartama: 2,000 – 50,000 óra *CRI – N/A *Színhőmérséklet – N/A *Elérhető 0.01 – 3 W Balra: EL háttér LCD kijelzővel, a Timex által az 1990-es években “Indiglo” néven forgalmazott

Elektrolumineszcens kilépőjelző, könnyen üzemeltethető, alacsony fogyasztással és nagyon hosszú lámpa élettartammal. Fénykép: Limelite

1. Hogyan működik:

Az EL működésének számos változata létezik attól függően, hogy síkpaneles lámpáról, kötéllámpáról, DC EL technológiáról, vékonyfilmes EL kijelzőről vagy más összetett kialakításról van-e szó.

Az EL eszközök monohordozós eszközök, amelyek egy optikai központ, például az Mn atom ütésszerű gerjesztése miatt bocsátanak ki fényt. Ezt úgy érik el, hogy nagy energiájú elektronokat szállítanak a gazdamátrixban (általában ZnS).

Az egyszerűség kedvéért leírunk egy egyszerű EL-lámpát:

A nagyfeszültségű váltakozó áram áthalad egy vékony foszfor- vagy félvezető rétegen, és ez fénykibocsátást okoz. Két szilárd anyagból készült réteg (az egyik átlátszó) elektródaként működik, és a közöttük lévő foszfor- vagy félvezetőpor világít, amikor az elektronok áthaladnak rajta az egyik elektródáról a másikra. A fény az egyik oldalon távozik az eszközből, köszönhetően az olyan átlátszó vezetők kifejlesztésének, mint az indium-ón.

A vastag foszforpor EL-lámpákat a legtöbb egyszerű megvilágításra használt lámpában használják, beleértve az éjszakai lámpákat és a kijárati/biztonsági jeleket. Az alábbi ábra vastag foszforlámpákat mutat.

Vékonyfilmes és vastag dielektromos EL (TFEL, TDEL): ezt a technológiát számos alkalmazásban használják, az EL kijelzők (ELD) a leggyakoribb felhasználási terület. A kijelző nem “lámpa” a hagyományos értelemben, azonban az EL fejlődésében betöltött jelentősége miatt itt foglalkozunk vele. A TFEL és TDEL gyakran használ ritkaföldfémeket, például Er, Tm, In és más anyagokat.

TFEL – Thin Film Electroluminescent Devices
A TFEL az 1950-es években jelent meg, és abban különbözik, hogy vékonyabb aktív rétegeket és más felépítést tartalmaz. A TFEL előrelépés volt a vastag porszerkezethez képest, lehetővé teszi a kisméretű eszközöket és a kijelzőn lévő pixelek pontos vezérlését. Kihívást jelentett a vékony polikristályos filmek hordozóanyagra (a hordozóanyagra) történő lerakásának/növesztésének módjainak kifejlesztése, azonban számos eljárást fejlesztettek ki a TFEL-technológiák elterjedésének lehetővé tétele érdekében. Az alábbiakban egy TFEL-eszköz alapvető felépítését mutatjuk be.
Megjegyzés:
A TFEL 2012-től maximum 6 lumen/watt teljesítményű.
A TFEL-nek általában 1,5 megavoltra van szüksége centiméterenként ahhoz, hogy az aktív réteg fényt adjon

Videó a TFEL felépítéséről:

Hogyan működik a TFEL:
A TFEL egy foszforréteggel rendelkezik, amely elég nagy elektromos mező alkalmazásakor fényt bocsát ki. Ez a vékony foszforréteg olyan nagy energiát igényel, hogy a foszfor tökéletlenségein keresztül káros rövidzárlat keletkezhet. Az elektróda és a foszfor között mindkét oldalon szigetelőréteget használnak az áram korlátozására és a TFEL megfelelő működésére.

A TFEL-eszközök úgy viselkednek, mint 3 kondenzátor egymás után: a feszültség emelkedik és elér egy átütési feszültséget, ahol áram folyik át a félvezető rétegen (a foszforon), ami gerjeszti a foszfort és fényt hoz létre. A szigetelő rétegek kondenzátorként viselkednek, a feszültség felépül és áttörik.

Mielőtt megnézné, hogyan működik az EL-eszköz, érdemes átnézni, hogyan működik egy kondenzátor ebben a videóban:

Hatékonyság:
A feszültség növekedésével egyre több mangánközpont gerjesztődik, és az eszköz világít. (6 lumen/ Watt) Egy idő után a növekvő feszültség nem teszi fényesebbé az eszközt, mert a Mn-központok telítetté válnak, a hatékonyság ezen a ponton csökken (például 3 lumen/ Watt-ra)

Színek:
A kijelzőkben használt alapszínek előállítása a közelmúltig nagy problémát jelentett, ami megakadályozta az EL használatát TV vagy számítógép monitoroknál. A mérnökök szűrőket használtak a fény előállításához. A színeket úgy lehet előállítani, hogy a fehéret vörösre, zöldre és kékre szűrjük, de a hatékony fehér foszfor kifejlesztése nehéz volt. A mérnökök külön RGB-foszforok kifejlesztésén is dolgoztak.
ZnS:Mn zöldet készít, ami a leghatékonyabb foszfor. Sok EL-kijelző zöld és piros, mert a zöldből ki tudja szűrni a vöröset. A CaS:Eu vöröset hoz létre, de ez nem volt elég fényes. Egy elég jó fényerejű, hatékony kék foszfor előállítása volt a kihívás. A Heinrich Hertz Intézet által elért 0,1 lumen/watt érték egyszerűen nem elég jó. Ne feledjük, hogy ennek az LCD-technológiával kell versenyeznie ahhoz, hogy túléljen a piacon. A BaAl2S4:Eu az elsődleges kék foszfor. Míg a TFEL-nek gondjai voltak az elfogadható hatásfok elérésével, addig a TDEL elfogadhatóbb, 3 lumen p/W értéket ért el.

Digitális kijelzők, amelyek EL-t használnak a folyadékkristályos számszegmensek háttérvilágítására

EL foszforok: A legtöbb EL-t ZnS-sel készítik:Mn (mangánnal adalékolt cink-szulfid) Az EL lámpák készítéséhez használt egyéb anyagok: – Cink-szulfid Cu vagy ezüsttel – Cink-szulfid különböző alkálifémekkel a kék, zöld, vörös színhez, fehér -gyémánt bórral – kék szín -III-V félvezetők InP -GaAs, és GaN -szervetlen félvezetők

Epitaxia

A vékonyréteg EL az epitaxis folyamatát használja a kristályok növesztésére egy hordozó tetején. Ez az eljárás lehetővé teszi egy “film” vagy ultravékony (nanométerben (nm) mért) anyagréteg létrehozását üvegre vagy más sík felületre (ez a felület adja a struktúrát, és ezt nevezik “szubsztrátnak”). A TFEL epitaxia körülbelül 500 nanométer vastagságú rétegeket hoz létre, bár a méret a terméktől függően változik. Később kifejlesztették a TDEL-t (vastag dielektromos EL), hogy a TFEL-nél nagyobb fényerősségű terméket állítsanak elő. A TDEL olyan szerkezetet használ, amelyben az elektródákat egy vékony szigetelőréteg választja el a vastagabb foszfortól. Mind a TFEL, mind a TDEL epitaktikát használ, az epitaktikának számos formája létezik az MBE-től (molekulasugár) az ALE-ig (atomréteg epitaktika) (amelyet átneveztek ALD-re (atomréteg leválasztás)). Az epitaktika megértése egy kis időt igényel, ehhez a területhez online előadásokat és weboldalakat ajánlunk. Az ALD-ről Tuomo Suntolától itt olvashat többet (PDF).

Átlátszó és nem átlátszó EL-kijelzők

A nem átlátszó TFEL-kijelzők építésének egyik módja, hogy két réteg műanyag fóliát vagy üveget használnak, az egyiket indium-ón-oxiddal (ITO) vagy más félvezetővel vonják be, míg a másik sima felületen fényvisszaverő anyag van. A fény az “aktív” foszforrétegben (például ZnS Mn) fog termelődni. A rossz irányba kibocsátott fény visszaverődik a hátlapról, és átmegy az ellenkező oldalon, amelyen az átlátszó félvezető van, így nagyobb fényerősséget érhetünk el. Sok külön-külön vezérelt egységgel és egy vezérlő számítógéppel be- vagy kikapcsolhatja az egységet, együttesen ez egy kijelző képernyőt eredményez. A többszínű kijelzőn az egységek tetején alkalmazott szűrőkkel szabályozható, hogy az egység piros, sárga vagy zöld fényt sugározzon. A kéket még nem fejlesztették ki, és éppen emiatt az EL-kijelzők jelenleg nem tudnak versenyezni az LCD-technológiával a teljes színű fogyasztói kijelzők terén.

A transzparens EL-kijelzők két réteg átlátszó vezető film (TCF) az elektródák, amelyek között a foszfor van. Mivel nincs fényvisszaverő hátlapjuk, jelenleg nem érik el ugyanazt a fényerőt, mint a hagyományos EL-kijelzők. Ennek ellenére a kijelzőnek van néhány nagyon érdekes és egyedi alkalmazása, amelyek még nem terjedtek el széles körben.

A transzparens vezető filmek (TCF) közé tartozik az indium-ón-oxid (ITO) és a fluorral adalékolt ón- vagy cink-oxid (FTO)(FZO). Az ITO-t a vékonyrétegű napelemiparban is használják. A szén nanocsöves technológia egy szerves vezető film, amely helyettesítheti a drága ritkaföldfém anyagokat, mint például az indiumot. A poli(3,4-etilén-dioxi-tiofén) PEDOT-filmek és más polimerfilmek szintén alkalmasak az ITO kiváltására. Az újabb, olcsóbb anyagok előállítása fontos ahhoz, hogy az EL kijelzők és lámpák növekedését a fogyasztók mindennapi életében láthassuk.
Ez a lámpatípus a fényt a félvezető lyukaiban radioaktívan egyesülő elektronok formájában állítja elő. A félvezetők molekuláris szintű működésének megértése hosszú leírást vagy egész előadást igényel. Az Indian Institute of Technology Madras egy több videós előadással rendelkezik, amely egy 59 perces videóval kezdődik a szilárdtest-anyagokról.

TDEL:
TDEL vagy vastagfilmes dielektromos EL technológia arról ismert, hogy megoldást nyújt a kék problémára. Ez biztosítja a jelenleg elérhető egyetlen teljes színű RGB kijelző technológiát.

A vastagfilmes dielektromos kijelzők hatékonynak bizonyultak: jó fényerővel (luminozitással) és tisztességes hatékonysággal rendelkeznek. Az iFire Group és a TDK Corporation jelenleg szabadalmaztatja ezt a technológiát. A TDEL-ben a foszfor 10K-20K nanométer vastagságú. Egyes TDEL-ek, mint például a kijelzőkben használtak, két foszforréteget használnak. Az alsó vastag réteg ellenáll a dielektromos áttörésnek, így nagyobb áramot tud továbbítani, és fényesebb fényt ad. A vastag dielektromos réteg felett a ZnMgS:Mn (zöld) és a BaAl2S4:Eu (kék) színes foszforok vannak. Ezzel a rendszerrel RGB fényt lehet létrehozni.

2. Feltalálók és fejlesztések:

Az elektrolumineszcenciát már 1936-ban felhasználta Georges Destriau tudós. Csak az 1950-es években kezdték el a vállalatok a technológiát gyakorlati alkalmazásra fejleszteni.

	1936 – Georges Destriau, aki Marie Curie munkatársa volt a párizsi laboratóriumában, elkezdte tanulmányozni az elektrolumineszcenciát. Ő alkotta meg a kifejezést, miközben ZnS porokkal dolgozott. Párizs, Franciaország
	1958 – Elmer Fridrich a General Electricnél dolgozva EL-lámpákat fejlesztett ki, amelyek közül néhány igen bonyolult kialakítású volt. Fridrich a halogénlámpa feltalálásáról és a fénycsőtechnológia továbbfejlesztéséről is híressé vált. Kulcsfontosságú tagja volt az ohiói Nela Parkban és a New York-i Schenectadyben működő mérnöki csapatoknak. Kép: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko és A. Popkov: Kifejlesztették az első TFEL prototípust, és a fényerő növelésének módszerein dolgoztak. Úttörő munkát végeztek az egyenáramú EL-lámpákkal kapcsolatos korai munkálatokban is. Kijev, Ukrajna
	1968 – Aron Vecht DC EL technológiát fejleszt ki lámpák és órák számára. London, Egyesült Királyság Fotó: London, Egyesült Királyság Fotó: London, Egyesült Királyság: University of Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola ALE Epitaxiát fejleszt ki a vékonyfilmes elektrolumineszcens (TFEL) technológiákhoz. Ez a vékony félvezető filmek hordozóra történő lerakásának módszere a TFEL-gyártás alapjává vált. A vékony polikristályos filmek körülbelül 500 nanométer vastagok. A vékony filmek több felhasználási módot tesznek lehetővé az EL számára, mint az esetlen vastag foszforporok. Lohja, Finnország Fotó: Lohja, Finnország Kép: Tuomo Suntola
	1970-es évek – Hiroshi Kobayashi több mint 30 évig dolgozott szervetlen elektrolumineszcens eszközökön a néhai Shosaku Tanaka professzorral. Munkája segítette a szervetlen EL kijelzők kereskedelmi forgalomba hozatalát a japán iparban. A munka nagy részét a Tottori Egyetemen végezte. 2003-ban ment nyugdíjba, jelenleg Tokióban él. Tottori prefektúra / Tokió, Japán Fotó: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi kifejleszti az első gyakorlati ELD-t (elektrolumineszcens kijelző) a Sharp Corporationnél. A TFEL-t használja, hogy ezt lehetővé tegye. Kijelzői hosszú élettartamúak és fényerősebbek. Munkája megalapozta a későbbi fejlesztéseket, és a Sharp a következő évtizedekben az élvonalban maradt. A kijelzőket először orvosi műszerek kijelzőiként használták. A kijelzők monokromatikusak voltak, de jobb megoldást jelentettek, mint a CRT-k. Osaka, Japán Fotó: Sz: Toshio Inoguchi és a Sharp Corporation
	1980-as évek – Christopher N. King és csapata* fejlett, vékonyfilmes technológiát alkalmazó EL kijelzőket fejleszt ki. A csapat a Tektronixnál kezdte, és 1983-ban indította el a Planar Systems spin-off céget. Az új kijelzők az idő előrehaladtával növelik az elérhető színek számát. A fényerő és a kontraszt növelése az LCD-kkel való versenyben az 1990-es és 2000-es években vált fontossá. A 90-es évek óta a Planar mérnökei továbbfejlesztették az EL kijelzőket, jobb fényerőt, kontrasztot és hatékonyságot értek el. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Fénykép: Chris King
	1990-es évek – Xingwei Wu kifejleszti a TDEL technológiát. A vastag dielektromos EL kijelzőkkel elérik a teljes színes kijelzőkben való alkalmazáshoz elég fényes kékeket. A TDEL fényesebb, mint a TFEL, és a “color by blue” módszert használja a jó RGB eléréséhez. A TDEL az első teljes színre képes EL technológia. Dr. Xingwei Wu az iFire Technology vezető mérnöke. Oakville, Ontario, Kanada Fotó: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
	2016 – Ön – Válassza a mérnöki karriert és legyen a következő úttörő! TANULJ TOVÁBB

2000-es évek – Az EL-lámpák az átlagfogyasztók számára is megfizethetőbbé válnak, és a díszítő ruházatban, valamint a különböző termékeken alkalmazott vékonyrétegeknél alkalmazzák. Általános megvilágításra szolgáló lámpaként az EL-technológiát nem részesítik előnyben a korlátozott maximális fényáramtermelés és a LED-ekkel összehasonlítva alacsony hatékonyság miatt. Az EL-lámpa egyedülálló térbeli aspektusa (lapos és rugalmas) lehetővé teszi, hogy megőrizze piaci rését.

Az EL-kijelzők 1980 óta hosszú utat tettek meg, azonban még mindig szükség van egy jobb, kijelzőkben használható kék foszforra. Egy nagy fényerejű, nagy hatásfokú kék kifejlesztése lehetővé tenné a vörös-zöld-kék kombinációt, amely lehetővé tenné, hogy az EL kijelző jobban versenyezzen az LCD-vel.
További részletesebb olvasmányok:
A History of Electroluminescent Displays by Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

A lámpák a kronológiai fejlődés sorrendjében kerülnek bemutatásra

Előző: Halogén-volfrámpa 1955

Következő: LED lámpa 1962

A villamos fény

KOMMENTÁR?
Segíts nekünk szerkeszteni és kiegészíteni ezt az oldalt, ha önkéntes ETC-s leszel!
Adj visszajelzést erről és más oldalakról a Facebook oldalunkon

A honlap, a grafika és a cikk M. Whelan
Köszönjük Chris King, Toumo Suntola és Toshiyuki Matsumura segítségét

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

Képek:
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
Fotók felhasználása:
Edison Tech Center A fotók oktatási célokra felhasználhatók/reprodukálhatók, a fotók az átméretezés kivételével NEM módosíthatók. Az Edison Tech Center-t meg kell jelölni. Online kiadványok esetében előnyben részesítjük az erre az oldalra való hivatkozást.