Lampade elettroluminescenti

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

Utilizzando la corrente elettrica attraverso un fosforo o un semiconduttore
Storia commerciale (1950s – Oggi)

Introduzione & Statistiche
Come lavorano
Inventori e sviluppi

Per dirla semplicemente, le lampade EL o “elettroluminescenti ad alto campo” usano la corrente elettrica direttamente attraverso un fosforo per fare luce. A differenza della maggior parte delle lampade, possono essere modellate per essere estremamente piatte, o in forme simili a fili stretti.
L’elettroluminescenza o “EL” è la conversione non termica dell’energia elettrica in energia luminosa. Questo fenomeno è utilizzato nelle lampade EL, nei LED e negli OLED. In questa pagina parliamo di dispositivi EL che creano luce eccitando elettroni ad alta energia in materiali fosforici come ZnS:Mn. Questo tipo di dispositivi usa “elettroluminescenza ad alto campo”.
-E’ diverso dai LED/OLED in quanto gli OLED usano una giunzione p/n (due materiali semiconduttori dove elettroni e buchi si combinano sul confine). Negli EL c’è uno strato chiamato attivatore in cui tutto lo strato emette luce, non solo il confine
-E’ diverso dall’incandescenza. Con l’incandescenza si invia corrente attraverso un materiale, questo crea calore e questo calore emette luce ad una temperatura abbastanza alta.
Più su come funziona EL (sotto)

Usi comuni: luci notturne, abbigliamento decorativo luminescente, illuminazione di orologi, illuminazione decorativa di pareti piane, display resistenti e impermeabili, schermi di visualizzazione di strumenti medici, e più recentemente monitor di computer e cartelloni pubblicitari

I televisori classici usano l’elettroluminescenza. I CRT (Cathode Ray Tubes) hanno un rivestimento elettroluminescente fatto di ossidi di terre rare e ossisolfuri. Questi materiali brillano quando vengono colpiti da elettroni sparati da un catodo nella parte posteriore del tubo.

Tutti i crediti e le fonti si trovano in fondo ad ogni pagina sull’illuminazione

Il consumatore può avere familiarità con i nomi delle marche Panelescent e Indiglo che presentano lampade e luci per orologi che usano EL. Planar e Sharp Corporation sono state pioniere nell’uso dell’elettroluminescenza nei display. A sinistra: una delle prime lampade EL sul mercato: Panelescent di Sylvania. 120 V .02W luce notturna, si inserisce direttamente nel muro e fornisce un morbido bagliore verde.

Vantaggi:
-Basso wattaggio
-Lunga vita
-Nessun circuito esterno richiesto (nessun reattore necessario per limitare la corrente, può essere collegato direttamente alla corrente alternata e si autoregola la potenza attraverso la propria resistività)
-Può essere prodotto in pannelli piatti flessibili, stringhe strette e altre piccole forme
-Può essere fatto in monitor di computer impermeabili che sono più resistenti e leggeri degli schermi LCD o al plasma.
-Non direzionale come gli LCD quando vengono usati come monitor di computer, sembra buono in tutte le angolazioni
-I display EL possono gestire un impressionante intervallo di temperatura da -60 C a 95 C, cosa che i monitor LCD non possono fare

Svantaggi:
-Non è pratico per l’illuminazione generale di grandi aree a causa della bassa emissione di lumen dei fosfori (finora)
-Poveri lumen per watt, comunque tipicamente la lampada non è usata per un’alta emissione di lumen
-Riduzione dell’emissione di lumen nel tempo, anche se le nuove tecnologie sono migliori dei vecchi fosfori su questo punto
-Fogli EL piatti flessibili si consumano quando vengono piegati, si sta lavorando sulla loro durata
-Le lampade possono usare una quantità significativa di elettricità: 60-600 volt
-Tipo EL Ha bisogno di un convertitore quando viene utilizzato con fonti DC come sugli orologi (per creare una maggiore frequenza di corrente alternata, questo è udibile)

Statistiche EL *Lumen per watt: 2-6 *Vita della lampada: 2.000 – 50.000 ore *CRI – N/A *Temperatura colore – N/A *Disponibile in 0.01 – 3 W Sinistra: sfondo EL con display LCD, commercializzato come “Indiglo” dalla Timex negli anni ’90

Un’insegna di uscita elettroluminescente, facile da usare a basso consumo e con una durata della lampada molto lunga. Foto: Limelite

1. Come funziona:

Ci sono diverse variazioni su come funziona EL a seconda che si parli di una luce a pannello piatto, luce a corda, tecnologia DC EL, display EL a film sottile, o altri design complessi.

I dispositivi EL sono dispositivi monocarrier che emettono luce a causa dell’eccitazione da impatto di un centro ottico come l’atomo di Mn. Lo fanno trasportando elettroni ad alta energia nella matrice ospite (comunemente ZnS).

Per semplicità descriveremo una semplice lampada EL:

La corrente alternata ad alta tensione passa attraverso un sottile strato di fosforo o semiconduttore e questo causa l’emissione di luce. Due strati di materiale solido (uno è trasparente) fungono da elettrodi e una polvere di fosforo o semiconduttore in mezzo si illumina quando gli elettroni passano attraverso di essa da un elettrodo all’altro. La luce esce dal dispositivo da un lato grazie allo sviluppo di conduttori trasparenti come l’indio-stagno.

Le lampade EL a polvere di fosforo spessa sono usate nella maggior parte delle lampade semplici usate per l’illuminazione, comprese le luci notturne e i segnali di uscita/sicurezza. Il grafico qui sotto mostra le lampade a fosforo spesso.

Thin Film and Thick Dielectric EL (TFEL, TDEL): questa tecnologia è usata in una varietà di applicazioni, i display EL (ELD) sono l’uso più comune. Un display non è una “lampada” nel senso tradizionale, tuttavia lo copriamo qui per la sua importanza nello sviluppo di EL. TFEL e TDEL spesso usano materiali delle terre rare come Er, Tm, In e altri.

TFEL – Dispositivi elettroluminescenti a film sottile
TFEL è emerso negli anni ’50 e si differenzia per il fatto che contiene strati attivi più sottili e una costruzione diversa. TFEL era un miglioramento rispetto alla costruzione a polvere spessa, permette di avere dispositivi piccoli e un controllo preciso dei pixel su un display. È stata una sfida sviluppare modi per depositare/crescere sottili film policristallini su un substrato (il materiale di supporto), tuttavia molti processi sono stati sviluppati per permettere alle tecnologie TFEL di espandersi. Di seguito evidenziamo la costruzione di base di un dispositivo TFEL.
Nota:
-TFEL ha un massimo di 6 lumen per Watt a partire dal 2012.
-TFEL richiede tipicamente 1,5 Megavolt per centimetro per far sì che lo strato attivo faccia luce

Video della costruzione TFEL:

Come funziona TFEL:
TFEL ha uno strato di fosforo che emette luce quando viene applicato un campo elettrico abbastanza grande. Questo film sottile di fosforo richiede un livello di energia così alto che c’è il rischio di un cortocircuito dannoso attraverso le imperfezioni del fosforo. Gli strati isolanti sono usati tra l’elettrodo e il fosforo su entrambi i lati per limitare la corrente e far funzionare correttamente il TFEL.

I dispositivi TFEL si comportano come 3 condensatori in serie: la tensione aumenta e si raggiunge una tensione di rottura dove la corrente scorre attraverso lo strato semiconduttore (il fosforo) che eccita il fosforo e fa luce. Gli strati isolanti agiscono come condensatori, con la tensione che si accumula e si interrompe.

Prima di vedere come funziona il dispositivo EL potresti voler rivedere come funziona un condensatore in questo video:

Efficienza:
Come la tensione aumenta, sempre più centri di manganese vengono eccitati e il dispositivo diventa luminoso. (6 lumen per Watt) Dopo un po’ l’aumento della tensione non rende il dispositivo più luminoso perché i centri del Mn si saturano, l’efficienza scende a questo punto (a 3 lumen per Watt per esempio)

Colori:
Fare i colori primari usati nei display è stato un grosso problema che ha impedito l’uso di EL per monitor di TV o computer fino a poco tempo fa. Gli ingegneri hanno usato filtri per fare la luce. I colori possono essere realizzati filtrando il bianco in rosso, verde e blu, ma sviluppare un fosforo bianco efficiente è stato difficile. Gli ingegneri hanno anche lavorato allo sviluppo di fosfori RGB separati.
ZnS:Mn fa un verde, che è il fosforo più efficiente. Molti display EL sono verdi e rossi perché possono filtrare il rosso dal verde. CaS:Eu crea il rosso ma non è stato abbastanza luminoso. Fare un fosforo blu efficiente con una luminosità sufficiente è stata la sfida. 0,1 lumen per Watt, raggiunto dall’Istituto Heinrich Hertz non è abbastanza buono. Ricordate che questo deve competere con la tecnologia LCD per sopravvivere sul mercato. BaAl2S4:Eu è un fosforo primario usato per il blu. Mentre TFEL ha avuto problemi ad ottenere un’efficienza accettabile, TDEL ha raggiunto un tasso più accettabile di 3 lumen p/W.

I display digitali che usano EL per retroilluminare i segmenti numerici a cristalli liquidi

Fosfori EL: La maggior parte degli EL sono fatti con ZnS:Mn (solfuro di zinco drogato con manganese) Altri materiali usati per fare lampade EL sono – solfuro di zinco con Cu o argento – solfuro di zinco con vari metalli alcalini per il blu, verde, rosso, bianco -diamante con boro – colore blu -semiconduttori VIII-V InP -GaAs, e GaN -Semiconduttori inorganici

Epitassia

La EL a film sottile usa un processo di epitassia per far crescere cristalli sopra un substrato. Questo processo permette di creare una “pellicola” o uno strato ultrasottile di materiale (misurato in nanometri (nm)) sul vetro o su un’altra superficie piana (questa superficie fornisce la struttura ed è chiamata “substrato”). L’epitassia TFEL crea strati di circa 500 nanometri di spessore, anche se la dimensione varia a seconda del prodotto. Più tardi è stato sviluppato il TDEL (thick dielectric EL) per produrre un prodotto con una luminosità maggiore del TFEL. TDEL utilizza una struttura in cui gli elettrodi sono separati dal fosforo più spesso da un sottile strato isolante. Sia TFEL che TDEL usano l’epitassia, ci sono molte forme di epitassia da MBE (fascio molecolare) a ALE (Atomic Layer Epitaxy) (che è stato rinominato ALD (Atomic Layer Deposition)). Capire l’epitassia richiede un po’ di tempo, raccomandiamo lezioni online e siti web per quest’area. Leggi di più su ALD da Tuomo Suntola qui (PDF).

Display EL trasparenti e non trasparenti

Un modo per costruire un display TFEL non trasparente è quello di utilizzare due strati di film plastico o vetro, uno è rivestito con ossido di indio-stagno (ITO) o altro semiconduttore mentre l’altra superficie piatta ha un materiale riflettente. La luce sarà prodotta nello strato “attivo” di fosfori (ZnS Mn per esempio). La luce emessa nella direzione sbagliata sarà riflessa dalla piastra posteriore e passerà attraverso il lato opposto che ha il semiconduttore trasparente, in questo modo si ottiene una maggiore luminosità. Con molte unità controllate individualmente e un computer di controllo si può accendere o spegnere l’unità, collettivamente questo farà uno schermo di visualizzazione. In un display multicolore i filtri applicati sopra le unità possono controllare se l’unità emette luce rossa, gialla o verde. Il blu non è ancora stato sviluppato, ed è a causa di questo che i display EL non possono attualmente competere con la tecnologia LCD per i display di consumo a colori.

I display EL trasparenti hanno due strati di film conduttori trasparenti (TCF) come elettrodi con il fosforo in mezzo. Poiché non hanno un supporto riflettente, attualmente non producono lo stesso livello di luminosità dei display EL standard. Nonostante questo il display ha alcune applicazioni molto interessanti e uniche che non si sono ancora diffuse.

I film conduttori trasparenti (TCF) includono l’ossido di indio-stagno (ITO) e l’ossido di stagno o zinco drogato con fluoro (FTO) (FZO). L’ITO è anche usato nell’industria solare a film sottile. La tecnologia dei nanotubi di carbonio è un film organico conduttore che potrebbe sostituire i costosi materiali delle terre rare come l’indio. I film di PEDOT (3,4-etilendiossitiofene) e altri film polimerici hanno anche il potenziale per sostituire l’ITO. Fare nuovi materiali più economici è importante per vedere la crescita dei display EL e delle luci nella vita quotidiana dei consumatori.
Questo tipo di lampada fa luce come elettroni combinati radioattivamente nei fori di un semiconduttore. Capire come funzionano i semiconduttori a livello molecolare richiede una lunga descrizione o un’intera lezione. L’Indian Institute of Technology Madras ha una lezione multivideo che inizia con un video di 59 minuti sui materiali allo stato solido.

TDEL:
TDEL o tecnologia EL dielettrica a film spesso è nota per fornire una soluzione al problema del blu. Fornisce l’unica tecnologia di visualizzazione RGB a colore pieno disponibile al momento.

I display dielettrici a film spesso hanno dimostrato di essere efficaci: hanno una buona luminosità (luminosità) e hanno una discreta efficienza. iFire Group e TDK Corporation attualmente detengono i brevetti per questa tecnologia. Il fosforo nei TDEL è spesso 10K – 20K nanometri. Alcuni TDEL come quelli usati nei display usano due strati di fosforo. Lo strato inferiore spesso è resistente alla rottura dielettrica, quindi può trasportare una corrente maggiore e fare una luce più brillante. Sopra lo strato dielettrico spesso ci sono fosfori colorati di ZnMgS:Mn (verde) e BaAl2S4:Eu (blu). Con questo sistema si può creare RGB.

2. Inventori e sviluppi:

L’elettroluminescenza fu usata già nel 1936 dallo scienziato Georges Destriau. Non è stato fino al 1950 quando le aziende hanno iniziato a sviluppare la tecnologia per essere utilizzato per applicazioni pratiche.

	1936 – Georges Destriau, che era un associato di Marie Curie nel suo laboratorio a Parigi ha iniziato a studiare l’elettroluminescenza. Coniò il termine mentre lavorava con le polveri di ZnS. Parigi, Francia
	1958 – Elmer Fridrich mentre lavorava per General Electric sviluppò lampade EL, alcune delle quali avevano un design piuttosto sofisticato. Fridrich divenne anche famoso per aver inventato la lampada alogena e per aver fatto progredire la tecnologia delle lampade fluorescenti. Era un membro chiave dei team di ingegneri a Nela Park, Ohio e Schenectady, New York. Foto: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko e A. Popkov: Svilupparono il primo prototipo TFEL e lavorarono sui metodi per aumentare la luminosità. Sono stati pionieri anche dei primi lavori sulle lampade DC EL. Kiev, Ucraina
	1968 – Aron Vecht sviluppa la tecnologia DC EL per lampade e orologi. Londra, Regno Unito Foto: Università di Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola sviluppa ALE Epitaxy per le tecnologie TFEL (Thin film electroluminescent). Questo metodo di depositare film sottili semiconduttori su un substrato è diventato una base per la produzione TFEL. I film sottili policristallini hanno uno spessore di circa 500 nanometri. I film sottili permettono un uso maggiore di EL rispetto alle goffe polveri di fosforo spesse. Lohja, Finlandia Foto: Tuomo Suntola
	anni ’70 – Hiroshi Kobayashi ha lavorato per oltre 30 anni su dispositivi elettroluminescenti inorganici con il defunto professor Shosaku Tanaka. Il suo lavoro ha contribuito alla commercializzazione dei display EL inorganici nell’industria giapponese. Gran parte del lavoro è stato fatto all’Università di Tottori. Si è ritirato nel 2003 e ora vive a Tokyo. Tottori Prefecture / Tokyo, Giappone Foto: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi sviluppa il primo ELD pratico (display elettroluminescente) alla Sharp Corporation. Utilizza il TFEL per rendere questo possibile. I suoi display hanno una lunga durata e sono più luminosi. Il suo lavoro ha posto le basi per gli avanzamenti successivi e ha mantenuto Sharp all’avanguardia per i decenni successivi. I display furono usati inizialmente come display per strumenti medici. I display erano monocromatici, ma un’opzione migliore dei CRT. Osaka, Giappone Foto: Toshio Inoguchi e Sharp Corporation
	1980 – Christopher N. King e il suo team* sviluppano display EL avanzati che utilizzano la tecnologia a film sottile. Il team aveva iniziato a Tektronix e lanciato lo spin-off Planar Systems nel 1983. I nuovi display aumentano il numero di colori disponibili con il passare del tempo. Aumentare la luminosità e il contrasto per competere con gli LCD è diventato importante negli anni ’90 e 2000. Dagli anni 90 gli ingegneri di Planar hanno migliorato il display EL, hanno ottenuto una migliore luminosità, contrasto ed efficienza. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Foto: Chris King
	1990 – Xingwei Wu sviluppa la tecnologia TDEL. I display EL dielettrici spessi raggiungono blu abbastanza luminosi da essere usati nei display a colori. TDEL è più luminoso di TFEL, e usa il metodo “color by blue” per ottenere un buon RGB. TDEL è la prima tecnologia EL capace di colori completi. Il dottor Xingwei Wu è l’ingegnere principale di iFire Technology. Oakville, Ontario, Canada Foto: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
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2000s – Le lampade EL diventano più accessibili al consumatore medio e sono utilizzate nell’abbigliamento decorativo e nell’applicazione di film sottili su vari prodotti. Come lampada per l’illuminazione generale la tecnologia EL non è preferita a causa della limitata produzione massima di lumen combinata con la bassa efficienza rispetto ai LED. L’aspetto spaziale unico della lampada EL (piatta e flessibile) le permette di mantenere una nicchia di mercato.

I display EL hanno fatto molta strada dal 1980, tuttavia è ancora necessario un fosforo blu migliore che possa essere utilizzato nei display. Lo sviluppo di un blu ad alta luminosità e ad alta efficienza permetterebbe una combinazione rosso-verde-blu che permetterebbe al display EL di competere meglio con gli LCD.
Per maggiori dettagli leggere:
A History of Electroluminescent Displays di Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Le lampade sono presentate nell’ordine di sviluppo cronologico

Precedente: Lampada alogena al tungsteno 1955

Prossima: Lampada LED 1962

La luce elettrica

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Sito web, grafica e articolo di M. Whelan
Grazie all’assistenza di Chris King, Toumo Suntola e Toshiyuki Matsumura

Fonti:
Greenwich University
A History of Electroluminescent Displays di Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999
Sharp Corporation
La storia della General Electric. Sala della Storia. Schenectady Museum
Toumo Suntola
“Electroluminescent Displays” di Christopher N. King

Foto:
Edison Tech Center
Planar Systems www.Planar.com
LimeLite www.Limelite.com
Toumo Suntola
Christopher N. King
iFire Technology Ltd.
Prof. Emerito Hiroshi Kobayashi dell’Università di Tottori
Uso delle foto:
Le foto dell’Edison Tech Center possono essere usate/riprodotte per scopi educativi, le foto non possono essere alterate se non per ridimensionamento. L’Edison Tech Center deve essere accreditato. Il collegamento a questa pagina è preferibile per le pubblicazioni online.