Elektroluminescentielampen

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

Het gebruik van elektrische stroom door een fosfor of halfgeleider
Commerciële geschiedenis (jaren 1950 – Heden)

Inleiding & Statistieken
Hoe ze werken
Uitvinders en ontwikkelingen

Eenvoudig gezegd gebruiken EL-lampen of “high field electroluminescent” lampen elektrische stroom rechtstreeks door een fosfor om licht te maken. In tegenstelling tot de meeste lampen kunnen zij extreem plat worden gevormd, of in smalle draadachtige vormen.
Elektroluminescentie of “EL” is de niet-thermische omzetting van elektrische energie in lichtenergie. Dit verschijnsel wordt gebruikt in EL-lampen, LED’s en OLED’s. Op deze pagina hebben we het over EL-apparaten die licht geven door hoogenergetische elektronen op te wekken in fosformaterialen zoals ZnS:Mn. Dit soort apparaten maakt gebruik van “hoogveld elektroluminescentie”.
Het verschilt van LED’s/OLED’s in die zin dat OLED’s gebruik maken van een p/n-overgang (twee halfgeleidende materialen waar elektronen en gaten op de grens samenkomen). In EL is er een laag die activator wordt genoemd en waarin de hele laag licht uitstraalt, niet alleen de grens
-It is anders dan gloeien. Bij gloeien stuur je stroom door een materiaal, hierdoor ontstaat warmte en die warmte zendt licht uit bij een voldoende hoge temperatuur.
Meer over hoe het EL werkt (hieronder)

Algemene toepassingen: nachtlampjes, decoratieve lichtgevende kleding, horlogeverlichting, decoratieve verlichting van vlakke wanden, duurzame waterdichte displays, beeldschermen voor medische hulpmiddelen, en recentelijk computermonitoren en billboards

Klassieke TV-toestellen maken gebruik van elektroluminescentie. CRT’s (Cathode Ray Tubes) hebben een elektroluminescente coating van zeldzame aardoxiden en oxysulfiden. Deze materialen gloeien wanneer ze worden geraakt door elektronen die worden afgevuurd door een kathode in de achterkant van de buis.

Alle aftiteling en bronnen staan onderaan elke verlichtingspagina

De consument is wellicht bekend met de merknamen Panelescent en Indiglo die lampen en horloge-lampen hebben die gebruik maken van EL. Planar en Sharp Corporation zijn pioniers op het gebied van het gebruik van elektroluminescentie in beeldschermen. Links: een van de eerste EL-lampen op de markt: Panelescent van Sylvania. 120 V .02W nachtlampje, wordt rechtstreeks in de muur gestoken en geeft een zachte groene gloed.

Voordelen:
-Laag wattage
-Lange levensduur
-Geen extern schakelschema nodig (geen ballast nodig om stroom te beperken, kan rechtstreeks op wisselstroom worden aangesloten en regelt de stroom zelf door zijn eigen weerstand)
-Kan worden vervaardigd in platte flexibele panelen, smalle snaren, en andere kleine vormen
-Kan worden gemaakt in waterdichte computermonitoren die duurzamer en lichter zijn dan LCD’s of Plasmaschermen.
-Niet richtingsgevoelig zoals LCD’s bij gebruik als computermonitor, ziet er onder alle hoeken goed uit
-EL-schermen kunnen een indrukwekkend temperatuurbereik van -60 C tot 95 C aan, wat LCD-schermen niet kunnen

Nadelen:
-Niet praktisch voor algemene verlichting van grote gebieden wegens lage lumenoutput van fosforen (tot dusver)
-Slechte lumen per watt rating, maar typisch wordt de lamp niet gebruikt voor hoge lumenoutput toch
-Verminderde lumenoutput na verloop van tijd, hoewel nieuwere technologieën beter zijn dan oudere fosforen op dit punt
-Flexibele vlakke EL-platen slijten als ze worden gebogen, duurzaamheid wordt gewerkt aan
-De lampen kunnen aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit gebruiken: 60-600 volt
-Typische EL Heeft een omvormer nodig bij gebruik met gelijkstroombronnen zoals op horloges (om hogere frequentie wisselstroom te creëren, dit is hoorbaar)

EL Statistieken *Lumen per watt: 2-6 *Lamplevensduur: 2.000 – 50.000 uur *CRI – N/A *Kleurtemperatuur – N/A *Beschikbaar in 0.01 – 3 W Links: EL achtergrond met LCD display, op de markt gebracht als “Indiglo” door Timex in de jaren 90

Een elektroluminescent uitgangsbord, eenvoudig te bedienen op laag vermogen en zeer lange levensduur van de lamp. Foto: Limelite

1. Hoe het werkt:

Er zijn verschillende variaties van hoe EL werkt, afhankelijk van of het gaat om een platte lamp, een touwlamp, gelijkstroom-EL-technologie, een EL-display met dunne film of een ander complex ontwerp.

EL-apparaten zijn monodrager-apparaten die licht afgeven door de excitatie van een optisch centrum zoals het Mn-atoom. Zij doen dit door hoge energie elektronen in de gastmatrix (gewoonlijk ZnS) te transporteren.

Voor de eenvoud zullen wij een eenvoudige EL-lamp beschrijven:

Hoogspanningswisselstroom gaat door een dunne laag fosfor of halfgeleider en dit veroorzaakt de emissie van licht. Twee lagen vast materiaal (waarvan één transparant) fungeren als elektroden en een poederfosfor of halfgeleider daartussen gloeit wanneer er elektronen doorheen gaan van de ene elektrode naar de andere. Dankzij de ontwikkeling van transparante geleiders zoals indiumtin ontsnapt het licht aan één kant uit het apparaat.

Dikke fosforpoeder EL-lampen worden gebruikt in de meeste eenvoudige lampen die voor verlichting worden gebruikt, met inbegrip van nachtlampen en afrit-/veiligheidsborden. De onderstaande grafiek toont lampen met dikke fosfor.

Dunne Film en Dikke Diëlektrische EL (TFEL, TDEL): deze technologie wordt gebruikt in een verscheidenheid van toepassingen, EL-displays (ELD’s) zijn de meest voorkomende toepassing. Een display is geen “lamp” in de traditionele zin, maar wij behandelen het hier wegens zijn belang in de ontwikkeling van EL. TFEL en TDEL maken vaak gebruik van zeldzame aardmetalen zoals Er, Tm, In, en meer.

TFEL – Thin Film Electroluminescent Devices
TFEL ontstond in de jaren 1950 en het verschilt in die zin dat het dunnere actieve lagen bevat en een andere constructie. TFEL was een verbetering ten opzichte van dikke poederconstructie, het maakt kleine apparaten mogelijk en precieze controle van pixels op een display. Het was een uitdaging om manieren te ontwikkelen om dunne polykristallijne films op een substraat (het ondersteunende materiaal) te deponeren/groeien, maar er zijn vele processen ontwikkeld om de TFEL-technologieën te laten groeien. Hieronder belichten we de basisconstructie van een TFEL-apparaat.
Note:
-TFEL heeft een maximum van 6 lumen per Watt vanaf 2012.
-TFEL heeft typisch 1,5 Megavolts per centimeter nodig om de actieve laag licht te laten maken

Video van TFEL-constructie:

Hoe TFEL werkt:
TFEL heeft een fosforlaag die licht uitzendt wanneer er een groot genoeg elektrisch veld wordt toegepast. Voor deze dunne fosforlaag is zo’n hoog energieniveau nodig dat er kans is op een schadelijke kortsluiting door onvolkomenheden in de fosfor. Tussen de elektrode en de fosfor worden aan beide zijden isolatielagen gebruikt om de stroom te beperken en de TFEL goed te laten werken.

TFEL-apparaten gedragen zich als 3 condensatoren in serie: de spanning stijgt en er wordt een doorslagspanning bereikt waarbij stroom door de halfgeleidende laag (de fosfor) vloeit die de fosfor opwekt en licht maakt. De isolatielagen werken als condensatoren, waarbij de spanning opbouwt en doorbreekt.

Voordat u ziet hoe het EL-apparaat werkt, kunt u in deze video bekijken hoe een condensator werkt:

Efficiëntie:
Als de spanning toeneemt, worden steeds meer mangaancentra geëxciteerd en wordt het apparaat helderder. (6 lumen per Watt) Na een tijdje maakt de stijgende spanning het apparaat niet helderder omdat de Mn-centra verzadigd raken, de efficiëntie daalt op dit punt (tot 3 lumen per Watt bijvoorbeeld)

Kleuren:
Het maken van primaire kleuren die in displays worden gebruikt is tot voor kort een groot probleem geweest dat het gebruik van EL voor TV- of computermonitoren verhinderde. De ingenieurs hebben filters gebruikt om licht te maken. Kleuren kunnen worden gemaakt door wit te filteren in rood, groen en blauw, maar het ontwikkelen van een efficiënte witte fosfor is moeilijk geweest. Ingenieurs hebben ook gewerkt aan de ontwikkeling van afzonderlijke RGB-fosforen.
ZnS:Mn maakt een groene, wat de meest efficiënte fosfor is. Veel EL-schermen zijn groen en rood omdat ze rood uit het groen kunnen filteren. CaS:Eu maakt rood, maar het is nog niet helder genoeg. Het maken van een efficiënte blauwe fosfor met een voldoende helderheid is de uitdaging geweest. 0,1 lumen per watt, bereikt door het Heinrich Hertz Instituut, is gewoon niet goed genoeg. Vergeet niet dat dit moet concurreren met LCD-technologie om te overleven op de markt. BaAl2S4:Eu is een primaire fosfor die voor blauw wordt gebruikt. Terwijl TFEL moeite heeft gehad een aanvaardbare efficiëntie te bereiken, heeft TDEL een aanvaardbaarder percentage van 3 lumen p/w bereikt.

Digitale beeldschermen die EL gebruiken voor de achtergrondverlichting van vloeibaar kristallen cijfersegmenten

EL Fosforen: De meeste EL’s worden gemaakt met ZnS:Mn (zinksulfide gedoopt met mangaan) Andere materialen die worden gebruikt om EL-lampen te maken zijn – Zinksulfide met Cu of Zilver – Zinksulfide met verschillende alkalimetalen voor blauw, groen, rood, wit -diamant met borium – blauwe kleur -III-V halfgeleiders InP -GaAs, en GaN -Inorganische halfgeleiders

Epitaxy

Dunne film EL gebruikt een proces van epitaxie om kristallen bovenop een substraat te laten groeien. Dit proces maakt het mogelijk een “film” of ultradunne laag materiaal (gemeten in nanometers (nm)) op glas of een ander plat oppervlak te creëren (dit oppervlak zorgt voor de structuur en wordt het “substraat” genoemd). TFEL epitaxie creëert lagen van ongeveer 500 nanometer dik, hoewel de grootte varieert afhankelijk van het product. Later werd TDEL (thick dielectric EL) ontwikkeld om een product te produceren met een hogere lichtsterkte dan TFEL. TDEL maakt gebruik van een structuur waarbij de elektroden van het dikkere fosfor zijn gescheiden door een dunne isolerende laag. Zowel TFEL als TDEL maken gebruik van epitaxy, er zijn vele vormen van epitaxy, van MBE (moleculaire bundel) tot ALE (Atomic Layer Epitaxy) (dat werd omgedoopt tot ALD (Atomic Layer Deposition)). Het begrijpen van epitaxie vergt wat tijd, wij raden online lezingen en websites aan voor dit gebied. Lees hier meer over ALD van Tuomo Suntola (PDF).

Transparante en niet-transparante EL-displays

Een manier om een niet-transparant TFEL-display te bouwen is het gebruik van twee lagen plastic film of glas, waarvan de ene is gecoat met indiumtinoxide (ITO) of een andere halfgeleider, terwijl het andere platte oppervlak een reflecterend materiaal heeft. Licht zal worden geproduceerd in de “actieve” laag van fosforen (ZnS Mn bijvoorbeeld). Licht dat in de verkeerde richting wordt uitgestraald, zal door de achterplaat worden weerkaatst en door de tegenoverliggende zijde met de transparante halfgeleider gaan, zodat een hogere lichtsterkte wordt verkregen. Met veel afzonderlijk aangestuurde eenheden en een aansturende computer kun je de eenheid aan of uit zetten, samen vormt dit een beeldscherm. In een meerkleurendisplay kunnen filters die over de units worden aangebracht bepalen of de unit rood, geel of groen licht uitzendt. Blauw is nog niet ontwikkeld en daarom kunnen EL-displays momenteel niet concurreren met LCD-technologie voor full-color consumentendisplays.

Transparante EL-displays bestaan uit twee lagen transparante geleidende films (TCF’s) als de elektroden met daartussen de fosfor. Aangezien zij geen reflecterende drager hebben, produceren zij momenteel niet dezelfde helderheid als standaard EL-displays. Desondanks heeft het display enkele zeer interessante en unieke toepassingen die nog niet wijdverbreid zijn.

Transparante geleidende films (TCF’s) omvatten indium-tinoxide (ITO) en fluor-gedoteerd tin of zinkoxide (FTO)(FZO). ITO wordt ook gebruikt in de dunne-film zonne-energie-industrie. Koolstofnanobuistechnologie is een organische geleidende film die dure zeldzame aardmetalen zoals indium zou kunnen vervangen. Poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) PEDOT-films en andere polymeerfilms hebben ook potentieel om ITO te vervangen. Het maken van nieuwere goedkopere materialen is belangrijk voor de groei van EL-schermen en -lampen in het dagelijkse leven van de consument.
Dit soort lampen maakt licht als elektronen radioactief worden gecombineerd in gaten van een halfgeleider. Om te begrijpen hoe halfgeleiders op moleculair niveau werken is een lange beschrijving of een hele lezing nodig. Het Indian Institute of Technology Madras heeft een multi-video-college dat begint met een 59 minuten durende video over halfgeleidermaterialen.

TDEL:
TDEL of diëlektrische EL-technologie met dikke film staat bekend als een oplossing voor het blauwe probleem. Het is de enige RGB-displaytechnologie met volledige kleuren die momenteel beschikbaar is.

Dikke film diëlektrische displays hebben bewezen effectief te zijn: ze hebben een goede helderheid (luminositeit) en een behoorlijk rendement. iFire Group en TDK Corporation bezitten momenteel de octrooien voor deze technologie. De fosfor in TDEL is 10K – 20K nanometer dik. Sommige TDEL, zoals die welke in beeldschermen wordt gebruikt, gebruikt twee lagen fosforen. De onderste dikke laag is bestand tegen diëlektrische afbraak, zodat zij een hogere stroom kan transporteren en een helderder licht kan geven. Boven de dikke diëlektrische laag bevinden zich gekleurde fosforen van ZnMgS:Mn (groen) en BaAl2S4:Eu (blauw). Met dit systeem kan RGB worden gemaakt.

2. Uitvinders en ontwikkelingen:

Elektroluminescentie werd al in 1936 gebruikt door de wetenschapper Georges Destriau. Pas in de jaren 1950 begonnen bedrijven met de ontwikkeling van de technologie voor praktische toepassingen.

	1936 – Georges Destriau, die een medewerker was van Marie Curie in haar laboratorium in Parijs, begon elektroluminescentie te bestuderen. Hij bedacht de term toen hij met ZnS-poeders werkte. Parijs, Frankrijk
	1958 – Elmer Fridrich ontwikkelde tijdens zijn werk voor General Electric EL-lampen, waarvan sommige een zeer geavanceerd ontwerp hadden. Fridrich werd ook beroemd door de uitvinding van de halogeenlamp en de vooruitgang van de fluorescentielamptechnologie. Hij was een belangrijk lid van engineeringteams in Nela Park, Ohio en Schenectady, New York. Photo: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko en A. Popkov: Ontwikkelden het eerste TFEL-prototype en werkten aan methoden om de lichtsterkte op te voeren. Zij waren ook pioniers in het vroege werk aan DC EL-lampen. Kiev, Oekraïne
	1968 – Aron Vecht ontwikkelt DC EL technologie voor lampen en horloges. Londen, UK Photo: University of Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola ontwikkelt ALE Epitaxy voor Dunne film elektroluminescente (TFEL) technologieën. Deze methode om dunne halfgeleidende films op een substraat te deponeren is de basis geworden voor TFEL-productie. Dunne polykristallijne films zijn ongeveer 500 nanometer dik. Dunne films maken meer gebruiksmogelijkheden van EL mogelijk dan onhandige dikke fosforpoeders. Lohja, Finland Foto: Tuomo Suntola
	Jaren ’70 – Hiroshi Kobayashi werkte meer dan 30 jaar aan anorganische elektroluminescente apparaten met wijlen professor Shosaku Tanaka. Zijn werk droeg bij tot de commercialisering van anorganische EL-schermen in de Japanse industrie. Een groot deel van zijn werk werd verricht aan de Universiteit van Tottori. Hij ging in 2003 met pensioen en woont nu in Tokio. Tottori Prefecture / Tokio, Japan Foto: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi ontwikkelt de eerste praktische ELD (elektroluminescent display) bij Sharp Corporation. Hij gebruikt TFEL om dit mogelijk te maken. Zijn displays hebben een lange levensduur en zijn helderder qua lichtsterkte. Zijn werk zette de toon voor latere ontwikkelingen en zorgde ervoor dat Sharp de komende decennia voorop bleef lopen. De displays werden eerst gebruikt als displays voor medische instrumenten. De displays waren monochromatisch, maar een betere optie dan CRT’s. Osaka, Japan Foto: Toshio Inoguchi en Sharp Corporation
	Tachtiger jaren – Christopher N. King en zijn team* ontwikkelen geavanceerde EL-schermen die gebruik maken van dunne-filmtechnologie. Het team was begonnen bij Tektronix en lanceerde in 1983 spin-off Planar Systems. De nieuwe displays verhogen het aantal beschikbare kleuren naarmate de tijd verstrijkt. Het verhogen van de helderheid en het contrast om te kunnen concurreren met LCD’s werd belangrijk in de jaren 1990 en 2000. Sinds de jaren ’90 hebben de ingenieurs bij Planar het EL-scherm verbeterd, zij hebben een betere helderheid, contrast en efficiëntie bereikt. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Foto: Chris King
	Jaren 1990 – Xingwei Wu ontwikkelt TDEL-technologie. Thick Dielectric EL-displays bereiken een helderheid die helder genoeg is om te worden gebruikt in kleurendisplays. TDEL is helderder dan TFEL, en gebruikt de “kleur door blauw”-methode om goede RGB te bereiken. TDEL is de eerste EL-technologie met volledige kleurmogelijkheden. Dr. Xingwei Wu is de hoofdingenieur bij iFire Technology. Oakville, Ontario, Canada Photo: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
	2016 – Jij – Kies voor een carrière in engineering en wees de volgende pionier! LEARN MORE

2000 – EL-lampen worden betaalbaarder voor de gemiddelde consument en worden gebruikt in decoratieve kleding en dunne-filmtoepassingen op diverse producten. Als lamp voor algemene verlichting geniet de EL-technologie niet de voorkeur wegens de beperkte maximale lumenproductie in combinatie met de lage efficiëntie in vergelijking met LED’s. Het unieke ruimtelijke aspect van de EL-lamp (plat en flexibel) stelt deze in staat een marktniche te behouden.

EL-displays hebben sinds 1980 een lange weg afgelegd, maar er is nog steeds behoefte aan een betere blauwe fosfor die in displays kan worden gebruikt. De ontwikkeling van een blauw met hoge lichtopbrengst en hoge efficiëntie zou een rood-groen-blauwe combinatie mogelijk maken waarmee het EL-scherm beter zou kunnen concurreren met LCD.
Verder lezen in meer detail:
A History of Electroluminescent Displays door Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Lampen worden gepresenteerd in de volgorde van chronologische ontwikkeling

Vorige: Halogeen Tungsten Lamp 1955

Volgende: LED Lamp 1962

Het Elektrische Licht

COMENTAARS?
Help ons deze pagina te bewerken en aan te vullen door ETC-vrijwilliger te worden!
Geef ons feedback op deze en andere pagina’s via onze Facebook-pagina

Website, afbeeldingen en artikel door M. Whelan
Dankzij de hulp van Chris King, Toumo Suntola en Toshiyuki Matsumura

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

Foto’s:
Edison Tech Center
Planar Systems www.Planar.com
LimeLite www.Limelite.com
Toumo Suntola
Christopher N. King
iFire Technology Ltd.
Prof. Emeritus Hiroshi Kobayashi van de Universiteit van Tottori
Foto gebruik:
Edison Tech Center Foto’s mogen gebruikt/gereproduceerd worden voor educatieve doeleinden, de foto’s mogen NIET veranderd worden behalve voor het aanpassen van de grootte. Het Edison Tech Centrum moet gecrediteerd worden. Voor online publicaties wordt bij voorkeur een link naar deze pagina opgenomen.