Electroluminescent Lamps

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

Używanie prądu elektrycznego przez luminofor lub półprzewodnik
Historia handlowa (lata 50. Dziś)

Wprowadzenie & Statystyki
Jak działają
. Wynalazcy i rozwój

Mówiąc prościej, lampy EL lub lampy „elektroluminescencyjne wysokiego pola” wykorzystują prąd elektryczny bezpośrednio przez luminofor do wytwarzania światła. W przeciwieństwie do większości lamp, mogą być kształtowane tak, aby były bardzo płaskie, lub w wąskich kształtach przypominających drut.
Elektroluminescencja lub „EL” jest nietermiczna konwersja energii elektrycznej w energię świetlną. Zjawisko to wykorzystywane jest w lampach EL, diodach LED i OLED. Na tej stronie mówimy o urządzeniach EL, które wytwarzają światło poprzez wzbudzanie elektronów o wysokiej energii w materiałach luminoforowych takich jak ZnS:Mn. Ten typ urządzeń wykorzystuje „elektroluminescencję wysokopolową”.
– Różni się ono od diod LED/OLED tym, że OLED-y wykorzystują złącze p/n (dwa materiały półprzewodzące, w których elektrony i dziury łączą się na granicy). W EL jest warstwa zwana aktywatorem, w której cała warstwa emituje światło, a nie tylko granica
To różni się od żarzenia. W przypadku żarzenia wysyłasz prąd przez materiał, to wytwarza ciepło i to ciepło emituje światło w wystarczająco wysokiej temperaturze.
Więcej o Jak to EL działa (poniżej)

Wspólne zastosowania: lampki nocne, dekoracyjna odzież luminescencyjna, oświetlenie zegarków, płaskie ścienne oświetlenie dekoracyjne, trwałe wodoodporne wyświetlacze, ekrany wyświetlaczy narzędzi medycznych, a ostatnio monitory komputerowe i billboardy

Klasyczne telewizory używają elektroluminescencji. CRT (Cathode Ray Tubes) mają elektroluminescencyjną powłokę wykonaną z tlenków i siarczków metali ziem rzadkich. Materiały te świecą po uderzeniu przez elektrony wystrzeliwane z katody w tylnej części lampy.

Wszystkie kredyty i źródła znajdują się na dole każdej strony poświęconej oświetleniu

Konsument może być zaznajomiony z markami Panelescent i Indiglo, które posiadają lampy i światła zegarkowe wykorzystujące EL. Planar i Sharp Corporation były pionierami w wykorzystaniu elektroluminescencji w wyświetlaczach. Po lewej: Jedna z pierwszych lamp EL na rynku: Panelescent firmy Sylvania. Lampka nocna 120 V .02W, podłączana bezpośrednio do ściany i zapewniająca miękką zieloną poświatę.

Zalety:
-Niska moc
-Długa żywotność
-Nie wymaga zewnętrznych obwodów (brak balastu potrzebnego do ograniczenia prądu, może być podłączony bezpośrednio do zasilania AC i będzie samoregulował moc poprzez własną rezystywność)
-Może być produkowany w płaskie elastyczne panele, wąskie sznurki i inne małe kształty
-Może być produkowany w wodoodporne monitory komputerowe, które są bardziej trwałe i lekkie niż ekrany LCD lub plazmowe.
-Nie jest kierunkowy jak LCD, gdy jest używany jako monitor komputerowy, wygląda dobrze pod każdym kątem
-EL wyświetlacze mogą obsługiwać imponujący zakres temperatur od -60 C do 95 C, czego monitory LCD nie mogą zrobić

Wady:
-Niepraktyczne do ogólnego oświetlenia dużych obszarów ze względu na niski strumień świetlny luminoforów (jak na razie)
-Zły wskaźnik lumenów na wat, jednak zazwyczaj lampa nie jest używana do wysokiego strumienia świetlnego tak czy inaczej
-Zmniejszony strumień świetlny w czasie, chociaż nowsze technologie są lepsze niż starsze luminofory w tym punkcie
-Felastyczne płaskie arkusze EL zużywają się, gdy są zginane, trwałość jest w trakcie opracowywania
-Lampy mogą zużywać znaczną ilość energii elektrycznej: 60-600 V
-Typowe EL Potrzebują konwertera, gdy są używane ze źródłami prądu stałego, takimi jak w zegarkach (aby stworzyć prąd zmienny o wyższej częstotliwości, jest to słyszalne)

Statystyki EL *Lumeny na wat: 2-6 *Żywotność lampy: 2,000 – 50,000 godzin *CRI – N/A *Temperatura barwowa – N/A *Dostępne w wersjach 0.01 – 3 W Lewa: tło EL z wyświetlaczem LCD, marketowane jako „Indiglo” przez Timex w latach 90-tych

Elektroluminescencyjny znak wyjścia, łatwy w obsłudze przy niskim poborze mocy i bardzo długiej żywotności lampy. fot: Limelite

1. Jak to działa:

Istnieje kilka wariantów działania EL w zależności od tego, czy mówimy o płaskiej lampce panelowej, lampce linowej, technologii DC EL, cienkowarstwowym wyświetlaczu EL, czy innej złożonej konstrukcji.

Urządzenia EL są urządzeniami monokarierowymi, które wydzielają światło w wyniku wzbudzenia udarowego centrum optycznego, takiego jak atom Mn. Robią to poprzez transport elektronów o wysokiej energii w matrycy gospodarza (zwykle ZnS).

Dla uproszczenia opiszemy prostą lampę EL:

Wysokie napięcie prądu zmiennego przechodzi przez cienką warstwę luminoforu lub półprzewodnika i to powoduje emisję światła. Dwie warstwy materiału stałego (jeden jest przezroczysty) działają jako elektrody i proszek luminoforu lub półprzewodnika między nimi świeci, gdy elektrony przechodzą przez niego z jednej elektrody do drugiej. Światło ucieka z urządzenia po jednej stronie dzięki rozwojowi przezroczystych przewodników, takich jak indowo-cyna.

Gruby proszek fosforowy Lampy EL są stosowane w większości prostych lamp używanych do oświetlenia, w tym światła nocne i wyjścia / znaki bezpieczeństwa. Poniższa grafika przedstawia lampy z grubym fosforem.

Thin Film and Thick Dielectric EL (TFEL, TDEL): ta technologia jest używana w różnych zastosowaniach, wyświetlacze EL (ELD) są najczęstszym zastosowaniem. Wyświetlacz nie jest „lampą” w tradycyjnym sensie, jednak uwzględniamy go tutaj ze względu na jego znaczenie w rozwoju EL. TFEL i TDEL często wykorzystują materiały ziem rzadkich, takie jak Er, Tm, In i inne.

TFEL – Thin Film Electroluminescent Devices
TFEL pojawił się w latach 50-tych i różni się tym, że zawiera cieńsze warstwy aktywne i inną konstrukcję. TFEL był ulepszeniem w stosunku do konstrukcji z grubego proszku, pozwalał na małe urządzenia i precyzyjną kontrolę pikseli na wyświetlaczu. Wyzwaniem było opracowanie sposobów osadzania/rozwijania cienkich polikrystalicznych warstw na podłożu (materiale nośnym), jednak wiele procesów zostało opracowanych, aby umożliwić rozwój technologii TFEL. Poniżej przedstawiamy podstawową konstrukcję urządzenia TFEL.
Uwaga:
-TFEL ma maksymalnie 6 lumenów na wat od 2012.
-TFEL zazwyczaj wymaga 1,5 megawolta na centymetr, aby spowodować, że warstwa aktywna zacznie świecić

Wideo z budowy TFEL:

Jak działa TFEL:
TFEL ma warstwę luminoforu, która emituje światło, gdy zastosowane zostanie wystarczająco duże pole elektryczne. Ta cienka warstwa luminoforu wymaga tak wysokiego poziomu energii, że istnieje możliwość szkodliwego zwarcia przez niedoskonałości w luminoforze. Warstwy izolacyjne są stosowane między elektrodą i luminoforu po obu stronach, aby ograniczyć prąd i sprawiają, że TFEL działa prawidłowo.

TFEL urządzenia zachowują się jak 3 kondensatory w serii: napięcie wzrasta i napięcie przebicia jest osiągnięty, gdzie prąd przepływa przez warstwę półprzewodzącą (luminofor), który wzbudza luminoforu i sprawia, że światło. Warstwy izolatora działają jak kondensatory, z napięcia budowania i przełamania przez.

Zanim zobaczysz jak działa urządzenie EL możesz chcieć przejrzeć jak działa kondensator w tym filmie:

Wydajność:
Jak napięcie wzrasta coraz więcej centrów manganowych zostaje wzbudzonych i urządzenie jaśnieje. (6 lumenów na wat) Po pewnym czasie rosnące napięcie nie czyni urządzenia jaśniejszym, ponieważ centra Mn stają się nasycone, wydajność spada w tym momencie (do 3 lumenów na wat na przykład)

Kolory:
Wykonywanie kolorów podstawowych używanych w wyświetlaczach było głównym problemem uniemożliwiającym wykorzystanie EL do telewizorów lub monitorów komputerowych do niedawna. Inżynierowie użyli filtrów, aby światło. Kolory mogą być wykonane przez filtrowanie białego na czerwony, zielony i niebieski, ale rozwój wydajnego białego luminoforu było trudne. Inżynierowie pracowali również na rozwój oddzielnych luminoforów RGB.
ZnS:Mn sprawia, że zielony, który jest najbardziej wydajny luminofor. Wiele wyświetlaczy EL są zielone i czerwone, ponieważ mogą one filtrować czerwony z zielonego. CaS:Eu tworzy czerwony, ale to nie było wystarczająco jasne. Zrobienie wydajnego niebieskiego luminoforu o wystarczająco dobrej jasności było wyzwaniem. 0,1 lumenów na wat, osiągnięty przez Instytut Heinricha Hertza nie jest po prostu wystarczająco dobry. Pamiętajmy, że musi on konkurować z technologią LCD, aby przetrwać na rynku. BaAl2S4:Eu jest podstawowym luminoforem używanym do barwy niebieskiej. Podczas gdy TFEL miał problemy z uzyskaniem akceptowalnej wydajności, TDEL osiągnął bardziej akceptowalny wskaźnik 3 lumenów p/W.

Wyświetlacze cyfrowe wykorzystujące EL do podświetlania ciekłokrystalicznych segmentów numerycznych

EL Phosphors: Większość EL jest wykonana z ZnS:Mn (siarczek cynku z domieszką manganu) Inne materiały używane do produkcji lamp EL to – siarczek cynku z Cu lub srebrem – siarczek cynku z różnymi metalami alkalicznymi dla niebieskiego, zielonego, czerwonego, biały -diament z borem – kolor niebieski -III-V półprzewodniki InP -GaAs, i GaN -półprzewodniki nieorganiczne

Epitaksja

Cienkowarstwowe lampy EL wykorzystują proces epitaksji do wzrostu kryształów na powierzchni podłoża. Proces ten pozwala na tworzenie „filmu” lub ultracienkiej warstwy materiału (mierzonej w nanometrach (nm)) na szkle lub innej płaskiej powierzchni (powierzchnia ta zapewnia strukturę i jest nazywana „podłożem”). W epitaksji TFEL tworzy się warstwy o grubości około 500 nanometrów, chociaż wielkość ta różni się w zależności od produktu. Później opracowano TDEL (thick dielectric EL), aby uzyskać produkt o wyższej jasności niż TFEL. TDEL wykorzystuje strukturę, w której elektrody są oddzielone od grubszego luminoforu cienką warstwą izolacyjną. Zarówno TFEL jak i TDEL wykorzystują epitaksję, istnieje wiele form epitaksji od MBE (wiązka molekularna) do ALE (epitaksja warstw atomowych) (która została przemianowana na ALD (osadzanie warstw atomowych)). Zrozumienie epitaksji wymaga trochę czasu, polecamy wykłady online i strony internetowe poświęcone tej dziedzinie. Przeczytaj więcej o ALD od Tuomo Suntola tutaj (PDF).

Przezroczyste i nieprzezroczyste wyświetlacze EL

Jednym ze sposobów na zbudowanie nieprzezroczystego wyświetlacza TFEL jest użycie dwóch warstw folii plastikowej lub szkła, jedna jest pokryta tlenkiem cyny indu (ITO) lub innym półprzewodnikiem, podczas gdy druga płaska powierzchnia ma materiał odbijający. Światło będzie wytwarzane w „aktywnej” warstwie luminoforów (na przykład ZnS Mn). Światło emitowane w złym kierunku zostanie odbite od tylnej płyty i przejdzie przez przeciwległą stronę, która posiada przezroczysty półprzewodnik, w ten sposób uzyskuje się wyższą jasność. Przy wielu indywidualnie sterowanych jednostkach i komputerze sterującym można włączyć lub wyłączyć jednostkę, co razem tworzy ekran wyświetlacza. W wielokolorowym wyświetlaczu filtry nałożone na jednostki mogą kontrolować, czy jednostka emituje czerwone, żółte czy zielone światło. Niebieski nie został jeszcze opracowany, i to właśnie z tego powodu wyświetlacze EL nie mogą obecnie konkurować z technologią LCD dla pełnokolorowych wyświetlaczy konsumenckich.

Transparentne wyświetlacze EL dwie warstwy przezroczystych folii przewodzących (TCFs) jako elektrody z luminoforu pomiędzy. Ponieważ nie mają one odblaskowe podłoże nie produkują one obecnie taki sam poziom jasności jak standardowe wyświetlacze EL. Pomimo tego wyświetlacz ma kilka bardzo interesujących i unikalnych zastosowań, które nie zostały jeszcze rozpowszechnione.

Transparentne folie przewodzące (TCF) obejmują tlenek indu i cyny (ITO) oraz tlenek cyny lub cynku z domieszką fluoru (FTO)(FZO). ITO jest również wykorzystywany w cienkowarstwowym przemyśle solarnym. Technologia nanorurek węglowych to organiczna folia przewodząca, która mogłaby zastąpić drogie materiały ziem rzadkich, takie jak ind. Folie z poli(3,4-etylenodioksytiofenu) PEDOT i inne folie polimerowe również mają potencjał, aby zastąpić ITO. Tworzenie nowszych, tańszych materiałów jest ważne dla wzrostu wyświetlaczy EL i świateł w codziennym życiu konsumentów.
Ten typ lampy wytwarza światło jako elektrony połączone radioaktywnie w otworach półprzewodnika. Zrozumienie jak działają półprzewodniki na poziomie molekularnym wymaga długiego opisu lub całego wykładu. The Indian Institute of Technology Madras ma multi-video wykład zaczynający się od 59 minutowego filmu na temat materiałów półprzewodnikowych.

TDEL:
TDEL lub grubowarstwowa dielektryczna technologia EL jest znana z dostarczania rozwiązania niebieskiego problemu. Zapewnia ona jedyną technologię wyświetlania pełnego koloru RGB dostępną w tym momencie.

Thick film dielectric wyświetlacze okazały się skuteczne: mają dobrą jasność (luminosity) i mają przyzwoitą wydajność. iFire Group i TDK Corporation obecnie posiadają patenty na tę technologię. Luminofor w TDEL ma grubość 10K – 20K nanometrów. Niektóre TDEL, jak to stosowane w wyświetlaczach, wykorzystuje dwie warstwy luminoforu. Dolna gruba warstwa jest odporna na przebicie dielektryczne, więc może transportować większy prąd i zrobić jaśniejsze światło. Powyżej grubej warstwy dielektrycznej znajdują się kolorowe luminofory ZnMgS:Mn (zielony) i BaAl2S4:Eu (niebieski). Dzięki temu układowi można stworzyć RGB.

2. Wynalazcy i rozwój:

Elektroluminescencja została wykorzystana już w 1936 roku przez naukowca Georgesa Destriau. Dopiero w latach pięćdziesiątych XX wieku firmy zaczęły rozwijać technologię, aby wykorzystać ją do praktycznych zastosowań.

	1936 – Georges Destriau, który był współpracownikiem Marii Curie w jej laboratorium w Paryżu, rozpoczął badania nad elektroluminescencją. Ukuł ten termin, pracując z proszkami ZnS. Paryż, Francja
	1958 – Elmer Fridrich, pracując dla General Electric, opracował lampy elektroluminescencyjne, z których niektóre były dość wyrafinowane konstrukcyjnie. Fridrich zasłynął również z wynalezienia lampy halogenowej i rozwoju technologii lamp fluorescencyjnych. Był kluczowym członkiem zespołów inżynierskich w Nela Park, Ohio i Schenectady, Nowy Jork. Photo: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko i A. Popkov: Stworzyli pierwszy prototyp TFEL i pracowali nad metodami zwiększania jasności. Byli pionierami wczesnych prac nad lampami EL na prąd stały. Kijów, Ukraina
	1968 – Aron Vecht opracowuje technologię DC EL dla lamp i zegarków. Londyn, Wielka Brytania Zdjęcie: University of Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola opracowuje metodę ALE Epitaxy dla technologii elektroluminescencji cienkowarstwowej (TFEL). Ta metoda osadzania cienkich filmów półprzewodnikowych na podłożu stała się podstawą produkcji TFEL. Cienkie polikrystaliczne filmy mają grubość około 500 nanometrów. Cienkie filmy pozwalają na więcej zastosowań EL niż niezgrabne grube proszki luminoforu. Lohja, Finlandia Photo: Tuomo Suntola
	1970 – Hiroshi Kobayashi pracował ponad 30 lat nad nieorganicznymi urządzeniami elektroluminescencyjnymi z nieżyjącym już profesorem Shosaku Tanaką. Jego praca pomogła w komercjalizacji nieorganicznych wyświetlaczy EL w japońskim przemyśle. Duża część pracy została wykonana na Uniwersytecie Tottori. Przeszedł na emeryturę w 2003 roku i obecnie mieszka w Tokio. Tottori Prefecture / Tokio, Japonia Photo: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi opracowuje pierwszy praktyczny wyświetlacz elektroluminescencyjny (ELD) w Sharp Corporation. Aby było to możliwe, wykorzystuje technologię TFEL. Jego wyświetlacze mają długą żywotność i są jaśniejsze w jasności. Jego praca wyznaczyła scenę dla późniejszych osiągnięć i utrzymała firmę Sharp w czołówce przez następne kilkadziesiąt lat. Wyświetlacze były najpierw używane jako wyświetlacze do instrumentów medycznych. Wyświetlacze były monochromatyczne, ale stanowiły lepszą opcję niż CRT. Osaka, Japonia Zdjęcie: Toshio Inoguchi i Sharp Corporation
	Lata 80. XX wieku – Christopher N. King i zespół* opracowują zaawansowane wyświetlacze EL, które wykorzystują technologię cienkowarstwową. Zespół rozpoczął pracę w firmie Tektronix, a w 1983 r. uruchomił firmę spin-off Planar Systems. Nowe wyświetlacze zwiększają liczbę dostępnych kolorów w miarę upływu czasu. Zwiększanie jasności i kontrastu w celu konkurowania z wyświetlaczami LCD stało się ważne w latach 90-tych i 2000. Od lat 90-tych inżynierowie z Planar ulepszyli wyświetlacz EL, osiągnęli lepszą jasność, kontrast i wydajność. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Photo: Chris King
	Lata 90-te – Xingwei Wu opracowuje technologię TDEL. Wyświetlacze Thick Dielectric EL osiągają niebieską jasność wystarczającą do zastosowania w wyświetlaczach pełnokolorowych. TDEL jest jaśniejszy niż TFEL, i wykorzystuje metodę „kolor przez niebieski”, aby osiągnąć dobre RGB. TDEL jest pierwszą technologią EL zdolną do uzyskania pełnego koloru. Dr. Xingwei Wu jest głównym inżynierem w iFire Technology. Oakville, Ontario, Kanada Photo: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
	2016 – Ty – Wybierz karierę inżyniera i bądź następnym pionierem! LEARN MORE

2000s – Lampy EL stają się bardziej przystępne cenowo dla przeciętnego konsumenta i są wykorzystywane w odzieży dekoracyjnej i aplikacji cienkiej folii na różnych produktach. Jako lampa do ogólnego oświetlenia technologia EL nie jest preferowana ze względu na ograniczoną maksymalną produkcję lumenów w połączeniu z niską wydajnością w porównaniu z diodami LED. Unikalny aspekt przestrzenny lampy EL (płaski i elastyczny) pozwala jej utrzymać niszę rynkową.

EL wyświetlacze przeszły długą drogę od 1980 roku, jednak nadal potrzebny jest lepszy niebieski luminofor, który może być stosowany w wyświetlaczach. Opracowanie wysokiej jasności, wysokiej wydajności niebieskiego pozwoliłoby na kombinację czerwono-zielono-niebieską, która pozwoliłaby wyświetlaczowi EL lepiej konkurować z LCD.
Dalsza lektura bardziej szczegółowa:
A History of Electroluminescent Displays by Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Lampy są przedstawione w kolejności chronologicznego rozwoju

Previous: Halogen Tungsten Lamp 1955

Next: Lampa LED 1962

Światło elektryczne

KOMENTARZE?
Pomóż nam edytować i dodawać do tej strony zostając wolontariuszem ETC!
Przekaż nam informacje zwrotne na temat tej i innych stron używając naszej strony na Facebooku

Strona, grafika i artykuł autorstwa M. Whelan
Dzięki za pomoc Chrisowi Kingowi, Toumo Suntola i Toshiyuki Matsumura

Źródła:
Greenwich University
A History of Electroluminescent Displays by Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999
Sharp Corporation
The General Electric Story. Hall of History. Schenectady Museum
Toumo Suntola
„Electroluminescent Displays” by 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. Emeritus Hiroshi Kobayashi z Tottori University
Używanie zdjęć:
Zdjęcia Edison Tech Center mogą być używane/reprodukowane do celów edukacyjnych, zdjęcia NIE mogą być zmieniane z wyjątkiem zmiany rozmiaru. Centrum Techniki Edison musi być uznane. Link do tej strony jest preferowany dla publikacji online.