Lámparas electroluminiscentes

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

Se utiliza la corriente eléctrica a través de un fósforo o semiconductor
Historia comercial (años 50 – Hoy)

Introducción & Estadísticas
Cómo funcionan
. Inventores y desarrollos

En pocas palabras, las lámparas EL o lámparas «electroluminiscentes de alto campo» utilizan la corriente eléctrica directamente a través de un fósforo para producir luz. A diferencia de la mayoría de las lámparas, pueden tener una forma extremadamente plana o en forma de cable estrecho.
La electroluminiscencia o «EL» es la conversión no térmica de la energía eléctrica en energía luminosa. Este fenómeno se utiliza en las lámparas EL, los LED y los OLED. En esta página hablamos de los dispositivos EL que crean luz excitando electrones de alta energía en materiales de fósforo como el ZnS:Mn. Este tipo de dispositivo utiliza la «electroluminiscencia de alto campo».
-Se diferencia de los LEDs/OLEDs en que los OLEDs utilizan una unión p/n (dos materiales semiconductores donde los electrones y los huecos se combinan en el límite). En los EL hay una capa llamada activador en la que toda la capa emite luz, no sólo el límite
-Es diferente de la incandescencia. Con la incandescencia envías corriente a través de un material, esto crea calor y ese calor emite luz a una temperatura suficientemente alta.
Más información sobre cómo funciona la EL (más abajo)

Usos comunes: luces nocturnas, ropa luminiscente decorativa, iluminación de relojes, iluminación decorativa de paredes planas, pantallas resistentes al agua, pantallas de visualización de herramientas médicas y, más recientemente, monitores de ordenador y vallas publicitarias

Los televisores clásicos utilizan la electroluminiscencia. Los TRC (tubos de rayos catódicos) tienen un revestimiento electroluminiscente hecho de óxidos de tierras raras y oxisulfuros. Estos materiales brillan cuando son golpeados por los electrones disparados desde un cátodo en la parte posterior del tubo.

Todos los créditos y las fuentes se encuentran en la parte inferior de cada página de iluminación

El consumidor puede estar familiarizado con las marcas Panelescent e Indiglo que presentan lámparas y luces de reloj que utilizan EL. Planar y Sharp Corporation han sido pioneras en el uso de la electroluminiscencia en las pantallas. Izquierda: Una de las primeras lámparas EL del mercado: Panelescente de Sylvania. Lámpara nocturna de 120 V .02W, se enchufa directamente a la pared y proporciona un suave brillo verde.

Ventajas:
-Baja potencia
-Larga vida útil
-Sin necesidad de circuitos externos (no necesita balasto para limitar la corriente, puede enchufarse directamente a la corriente alterna y autorregulará la energía a través de su propia resistividad)
-Puede fabricarse en paneles flexibles planos, cadenas estrechas y otras formas pequeñas
-Puede fabricarse en monitores de ordenador resistentes al agua que son más duraderos y ligeros que las pantallas LCD o de plasma.
-No es direccional como las pantallas LCD cuando se utiliza como monitor de ordenador, se ve bien en todos los ángulos
-las pantallas EL pueden manejar un impresionante rango de temperatura de -60 C a 95 C, que los monitores LCD no pueden hacer

Desventajas:
-No es práctico para la iluminación general de grandes áreas debido a la baja producción de lúmenes de los fósforos (hasta ahora)
-Pobre índice de lúmenes por vatio, sin embargo, normalmente la lámpara no se utiliza para una alta producción de lúmenes de todos modos
-Reducción de la producción de lúmenes con el tiempo, aunque las nuevas tecnologías son mejores que los antiguos fósforos en este punto
-Las láminas EL planas y flexibles se desgastan a medida que se flexionan, se está trabajando en su durabilidad
-Las lámparas pueden utilizar una cantidad significativa de electricidad: 60-600 voltios
-Las EL típicas necesitan un convertidor cuando se utilizan con fuentes de CC, como en los relojes (para crear energía de CA de mayor frecuencia, esto es audible)

Estadísticas de las EL *Lúmenes por vatio: 2-6 *Duración de la lámpara: 2.000 – 50.000 horas *CRI – N/A *Temperatura de color – N/A *Disponible en 0.01 – 3 W Izquierda: fondo EL con pantalla LCD, comercializado como «Indiglo» por Timex en los años 90

Una señal de salida electroluminiscente, fácil de operar con baja potencia y con una vida útil muy larga de la lámpara. Foto: Limelite

1. Cómo funciona:

Hay varias variaciones sobre cómo funciona la EL dependiendo de si se trata de una luz de panel plano, una luz de cuerda, una tecnología EL de CC, una pantalla EL de película fina u otro diseño complejo.

Los dispositivos EL son dispositivos monocarrier que emiten luz debido a la excitación por impacto de un centro óptico como el átomo de Mn. Lo hacen transportando electrones de alta energía en la matriz anfitriona (comúnmente ZnS).

Para simplificar describiremos una simple lámpara EL:

La energía de CA de alto voltaje pasa a través de una fina capa de fósforo o semiconductor y esto provoca la emisión de luz. Dos capas de material sólido (una de ellas transparente) actúan como electrodos y un polvo de fósforo o semiconductor entre ellas se ilumina cuando los electrones pasan a través de él de un electrodo a otro. La luz se escapa del dispositivo por un lado gracias al desarrollo de conductores transparentes como el indio-estaño.

Las lámparas EL de polvo de fósforo grueso se utilizan en la mayoría de las lámparas simples utilizadas para la iluminación, incluidas las luces nocturnas y las señales de salida/seguridad. El gráfico siguiente muestra las lámparas de fósforo grueso.

Lámparas EL de película fina y dieléctrica gruesa (TFEL, TDEL): esta tecnología se utiliza en una variedad de aplicaciones, las pantallas EL (ELD) son el uso más común. Una pantalla no es una «lámpara» en el sentido tradicional, pero la tratamos aquí por su importancia en el desarrollo de la EL. Los TFEL y TDEL suelen utilizar materiales de tierras raras como Er, Tm, In y otros.

TFEL – Thin Film Electroluminescent Devices
TFEL surgió en la década de 1950 y se diferencia por contener capas activas más finas y una construcción diferente. El TFEL supuso una mejora respecto a la construcción con polvo grueso, ya que permite crear dispositivos pequeños y controlar con precisión los píxeles de una pantalla. Fue un reto desarrollar formas de depositar/crecer películas policristalinas delgadas sobre un sustrato (el material de soporte), sin embargo, se han desarrollado muchos procesos que permiten la expansión de las tecnologías TFEL. A continuación destacamos la construcción básica de un dispositivo TFEL.
Nota:
El TFEL tiene un máximo de 6 lúmenes por vatio a partir de 2012.
El TFEL suele requerir 1,5 Megavoltios por centímetro para que la capa activa emita luz

Video de la construcción del TFEL:

Cómo funciona el TFEL:
El TFEL tiene una capa de fósforo que emite luz cuando se aplica un campo eléctrico suficientemente grande. Esta fina capa de fósforo requiere un nivel de energía tan alto que existe la posibilidad de que se produzca un cortocircuito perjudicial a través de imperfecciones en el fósforo. Se utilizan capas aislantes entre el electrodo y el fósforo a ambos lados para limitar la corriente y hacer que el TFEL funcione correctamente.

Los dispositivos TFEL se comportan como 3 condensadores en serie: el voltaje aumenta y se alcanza una tensión de ruptura en la que la corriente fluye a través de la capa semiconductora (el fósforo) que excita el fósforo y produce luz. Las capas aislantes actúan como condensadores, con la tensión que se acumula y se rompe.

Antes de ver cómo funciona el dispositivo EL es posible que quiera repasar cómo funciona un condensador en este vídeo:

Eficiencia:
A medida que el voltaje aumenta más y más centros de manganeso se excitan y el dispositivo brilla. (6 lúmenes por vatio) Después de un tiempo, el aumento del voltaje no hace que el dispositivo sea más brillante porque los centros de Mn se saturan, la eficiencia baja en este punto (a 3 lúmenes por vatio, por ejemplo)

Colores:
Hacer los colores primarios utilizados en las pantallas ha sido un gran problema que ha impedido el uso de EL para los monitores de televisión o de ordenador hasta hace poco. Los ingenieros han utilizado filtros para hacer la luz. Los colores se pueden hacer filtrando el blanco en rojo, verde y azul, pero desarrollar un fósforo blanco eficiente ha sido difícil. Los ingenieros también han trabajado en el desarrollo de fósforos RGB separados.
El ZnS:Mn produce un verde, que es el fósforo más eficiente. Muchas pantallas EL son verdes y rojas porque pueden filtrar el rojo del verde. El CaS:Eu crea el rojo pero no ha sido lo suficientemente brillante. Fabricar un fósforo azul eficiente con un brillo suficiente ha sido el reto. Los 0,1 lúmenes por vatio logrados por el Instituto Heinrich Hertz no son lo suficientemente buenos. Hay que tener en cuenta que debe competir con la tecnología LCD para sobrevivir en el mercado. El BaAl2S4:Eu es el principal fósforo utilizado para el azul. Mientras que el TFEL ha tenido problemas para conseguir una eficiencia aceptable, el TDEL ha conseguido una tasa más aceptable de 3 lúmenes p/W.

Pantallas digitales que utilizan EL para retroiluminar segmentos numéricos de cristal líquido

Fósforos EL: La mayoría de los EL se fabrican con ZnS:Mn (sulfuro de zinc dopado con manganeso) Otros materiales utilizados para hacer lámparas EL son – Sulfuro de zinc con Cu o Plata – Sulfuro de zinc con varios metales alcalinos para el azul, verde, rojo, blanco -diamante con boro – color azul – semiconductores III-V InP -GaAs, y GaN -Semiconductores inorgánicos

Epitaxia

La EL de película fina utiliza un proceso de epitaxia para hacer crecer cristales sobre un sustrato. Este proceso permite crear una «película» o capa ultrafina de material (medido en nanómetros (nm)) sobre vidrio u otra superficie plana (esta superficie proporciona la estructura y se denomina «sustrato»). La epitaxia TFEL crea capas de unos 500 nanómetros de grosor, aunque el tamaño varía según el producto. Más tarde se desarrolló el TDEL (EL dieléctrico grueso) para obtener un producto con mayor luminosidad que el TFEL. El TDEL utiliza una estructura en la que los electrodos están separados del fósforo más grueso por una fina capa aislante. Tanto el TFEL como el TDEL utilizan la epitaxia; hay muchas formas de epitaxia, desde la MBE (haz molecular) hasta la ALE (epitaxia de capa atómica) (que pasó a llamarse ALD (deposición de capa atómica)). La comprensión de la epitaxia requiere un poco de tiempo, por lo que recomendamos conferencias en línea y sitios web para esta área. Lea más sobre ALD de Tuomo Suntola aquí (PDF).

Pantallas EL transparentes y no transparentes

Una forma de construir una pantalla TFEL no transparente es utilizar dos capas de película de plástico o vidrio, una de ellas recubierta con óxido de indio y estaño (ITO) u otro semiconductor, mientras que la otra superficie plana tiene un material reflectante. La luz se producirá en la capa «activa» de fósforos (ZnS Mn, por ejemplo). La luz emitida en la dirección equivocada se reflejará en la placa trasera y pasará por el lado opuesto que tiene el semiconductor transparente, de esta forma se consigue una mayor luminosidad. Con muchas unidades controladas individualmente y un ordenador de control se puede encender o apagar la unidad, colectivamente esto hará una pantalla de visualización. En una pantalla multicolor los filtros aplicados sobre las unidades pueden controlar si la unidad emite luz roja, amarilla o verde. El azul no se ha desarrollado todavía, y es por ello que las pantallas EL no pueden competir actualmente con la tecnología LCD para las pantallas de consumo a todo color.

Las pantallas EL transparentes tienen dos capas de películas conductoras transparentes (TCF) como electrodos con el fósforo en medio. Al no tener un soporte reflectante, actualmente no producen el mismo nivel de brillo que las pantallas EL estándar. A pesar de esto, la pantalla tiene algunas aplicaciones muy interesantes y únicas que aún no se han generalizado.

Las películas conductoras transparentes (TCF) incluyen el óxido de indio-estaño (ITO) y el óxido de estaño o zinc dopado con flúor (FTO)(FZO). El ITO también se utiliza en la industria solar de capa fina. La tecnología de nanotubos de carbono es una película conductora orgánica que podría sustituir a los costosos materiales de tierras raras como el indio. Las películas de poli(3,4-etilendioxitiofeno) PEDOT y otras películas de polímeros también tienen potencial para sustituir al ITO. La fabricación de nuevos materiales más baratos es importante para ver el crecimiento de las pantallas y luces EL en la vida diaria de los consumidores.
Este tipo de lámparas hace la luz como electrones combinados radioactivamente en agujeros de un semiconductor. Entender cómo funcionan los semiconductores a nivel molecular requiere una larga descripción o una conferencia entera. El Instituto Indio de Tecnología de Madrás tiene una conferencia con varios vídeos que comienza con un vídeo de 59 minutos sobre materiales de estado sólido.

TDEL:
La tecnología EL dieléctrica de película gruesa es conocida por ofrecer una solución al problema del azul. Proporciona la única tecnología de pantalla RGB a todo color disponible en este momento.

Las pantallas dieléctricas de película gruesa han demostrado ser eficaces: tienen un buen brillo (luminosidad) y tienen una eficiencia decente. iFire Group y TDK Corporation tienen actualmente las patentes de esta tecnología. El fósforo del TDEL tiene un grosor de entre 10.000 y 20.000 nanómetros. Algunos TDEL, como los utilizados en las pantallas, utilizan dos capas de fósforo. La capa gruesa inferior es resistente a la ruptura dieléctrica, por lo que puede transportar una mayor corriente y hacer una luz más brillante. Por encima de la capa gruesa dieléctrica hay fósforos coloreados de ZnMgS:Mn (verde) y BaAl2S4:Eu (azul). Con este sistema se puede crear RGB.

2. Inventores y desarrollos:

La electroluminiscencia fue utilizada ya en 1936 por el científico Georges Destriau. No fue hasta la década de 1950 cuando las empresas empezaron a desarrollar la tecnología para utilizarla en aplicaciones prácticas.

	1936 – Georges Destriau, que era socio de Marie Curie en su laboratorio de París empezó a estudiar la electroluminiscencia. Acuñó el término mientras trabajaba con polvos de ZnS. París, Francia
	1958 – Elmer Fridrich, mientras trabajaba para General Electric, desarrolló lámparas EL, algunas de las cuales tenían un diseño bastante sofisticado. Fridrich también se hizo famoso por inventar la lámpara halógena y avanzar en la tecnología de las lámparas fluorescentes. Fue un miembro clave de los equipos de ingeniería de Nela Park (Ohio) y Schenectady (Nueva York). Foto: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko y A. Popkov: Desarrollaron el primer prototipo de TFEL y trabajaron en métodos para aumentar la luminosidad. También fueron pioneros en los primeros trabajos sobre lámparas EL de corriente continua. Kiev, Ucrania
	1968 – Aron Vecht desarrolla la tecnología DC EL para lámparas y relojes. Londres, Reino Unido Foto: Universidad de Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola desarrolla la epitaxia ALE para las tecnologías electroluminiscentes de película fina (TFEL). Este método de deposición de finas películas semiconductoras sobre un sustrato se ha convertido en la base de la producción de TFEL. Las películas policristalinas finas tienen un grosor de unos 500 nanómetros. Las películas finas permiten un mayor uso de EL que los torpes polvos de fósforo gruesos. Lohja, Finlandia Foto: Tuomo Suntola
	Década de 1970 – Hiroshi Kobayashi trabajó durante más de 30 años en dispositivos electroluminiscentes inorgánicos con el difunto profesor Shosaku Tanaka. Su trabajo contribuyó a la comercialización de pantallas EL inorgánicas en la industria japonesa. Gran parte del trabajo lo realizó en la Universidad de Tottori. Se jubiló en 2003 y ahora vive en Tokio. Prefectura de Tottori / Tokio, Japón Foto: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi desarrolla la primera pantalla electroluminiscente práctica en Sharp Corporation. Utiliza el TFEL para hacerlo posible. Sus pantallas tienen una larga vida y una mayor luminosidad. Su trabajo sentó las bases para los avances posteriores y mantuvo a Sharp en la vanguardia durante las siguientes décadas. Las pantallas se utilizaron primero como pantallas para instrumentos médicos. Las pantallas eran monocromáticas, pero una opción mejor que los CRT. Osaka, Japón Foto: Toshio Inoguchi y Sharp Corporation
	Década de 1980 – Christopher N. King y su equipo* desarrollan pantallas EL avanzadas que utilizan tecnología de película fina. El equipo había empezado en Tektronix y lanzó la empresa derivada Planar Systems en 1983. Las nuevas pantallas aumentan el número de colores disponibles a medida que pasa el tiempo. El aumento de la luminosidad y el contraste para competir con las pantallas LCD cobró importancia en los años 90 y 2000. Desde los años 90, los ingenieros de Planar han mejorado la pantalla EL, han conseguido una mayor luminosidad, contraste y eficiencia. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregón Foto: Chris King
	1990 – Xingwei Wu desarrolla la tecnología TDEL. Las pantallas EL Dieléctricas Gruesas consiguen azules lo suficientemente brillantes como para ser utilizadas en pantallas a todo color. El TDEL es más brillante que el TFEL y utiliza el método de «color por azul» para conseguir un buen RGB. TDEL es la primera tecnología EL a todo color. El Dr. Xingwei Wu es el principal ingeniero de iFire Technology. Oakville, Ontario, Canadá Foto: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
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2000s – Las lámparas EL se vuelven más asequibles para el consumidor medio y se utilizan en la ropa decorativa y en la aplicación de películas finas en diversos productos. Como lámpara para la iluminación general no se prefiere la tecnología EL debido a la limitada producción máxima de lúmenes combinada con la baja eficiencia en comparación con los LED. El aspecto espacial único de la lámpara EL (plana y flexible) le permite mantener un nicho de mercado.

Las pantallas EL han recorrido un largo camino desde 1980, sin embargo, sigue siendo necesario un mejor fósforo azul que pueda utilizarse en las pantallas. El desarrollo de un azul de alta luminosidad y alta eficiencia permitiría una combinación de rojo-verde-azul que permitiría a la pantalla EL competir mejor con la LCD.
Se puede leer con más detalle:
A History of Electroluminescent Displays (Historia de las pantallas electroluminiscentes) por Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Las lámparas se presentan en el orden de desarrollo cronológico

Anterior: Lámpara halógena de tungsteno 1955

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La luz eléctrica

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Sitio web, gráficos y artículo por M. Whelan
Gracias a la ayuda de Chris King, Toumo Suntola y Toshiyuki Matsumura

Fuentes:
Greenwich University
A History of Electroluminescent Displays por Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999
Sharp Corporation
La historia de General Electric. Salón de la Historia. Schenectady Museum
Toumo Suntola
«Electroluminescent Displays» por 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. Emérito Hiroshi Kobayashi de la Universidad de Tottori
Uso de las fotos:
Las fotos del Edison Tech Center pueden ser utilizadas/reproducidas con fines educativos, las fotos NO pueden ser alteradas excepto para cambiar el tamaño. El Edison Tech Center debe ser acreditado. Se prefiere el enlace a esta página para las publicaciones en línea.