Elektroluminescerande lampor

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

Användning av elektrisk ström genom en fosfor eller halvledare
Kommersiell historia (1950-tal – Idag)

Introduktion & Statistik
Hur de fungerar
Uppfinnare och utveckling

För att uttrycka det enkelt använder EL-lampor eller ”high field electroluminescent” lampor elektrisk ström direkt genom en fosfor för att skapa ljus. Till skillnad från de flesta lampor kan de formas så att de blir extremt platta eller i smala trådliknande former.
Electroluminescens eller ”EL” är den icke-termiska omvandlingen av elektrisk energi till ljusenergi. Detta fenomen används i EL-lampor, lysdioder och OLED-lampor. På den här sidan talar vi om EL-anordningar som skapar ljus genom att excitera högenergielektroner i fosformaterial som ZnS:Mn. Denna typ av anordning använder sig av ”elektroluminiscens i höga fält”.
-Den skiljer sig från lysdioder/OLED:er genom att OLED:er använder en p/n-övergång (två halvledande material där elektroner och hål kombineras på gränsen). I EL finns det ett skikt som kallas aktivator där hela skiktet avger ljus, inte bara gränsen
-Det skiljer sig från glödljus. Med glödlampor skickar man ström genom ett material, detta skapar värme och denna värme avger ljus vid en tillräckligt hög temperatur.
Mer om hur EL fungerar (nedan)

Gemensamma användningsområden: nattlampor, dekorativa självlysande kläder, belysning av klockor, dekorativ belysning av platta väggar, hållbara vattentäta bildskärmar, bildskärmar för medicinska verktyg och på senare tid datormonitorer och reklamtavlor

Klassiska TV-apparater använder sig av elektroluminiscens. Katodstrålerör (CRT) har en elektroluminiscerande beläggning av oxider och oxysulfider av sällsynta jordartsmetaller. Dessa material lyser när de träffas av elektroner som avfyras från en katod på baksidan av röret.

Alla krediter och källor finns längst ner på varje belysningssida

Konsumenten känner kanske till märkesnamnen Panelescent och Indiglo som har lampor och klocklampor som använder EL. Planar och Sharp Corporation har varit pionjärer när det gäller användningen av elektroluminiscens i bildskärmar. Vänster: En av de första EL-lamporna på marknaden: Panelescent från Sylvania. Nattlampa på 120 V .02W, som ansluts direkt till väggen och ger ett mjukt grönt sken.

Fördelar:
-Låg effekt
-Lång livslängd
-Ingen extern krets krävs (ingen ballast behövs för att begränsa strömmen, den kan anslutas direkt till växelströmmen och kommer att självreglera strömmen genom sin egen resistivitet)
-Kan tillverkas till platta flexibla paneler, smala strängar och andra små former
-Kan tillverkas till vattentäta dataskärmar som är tåligare och lättare än LCD- eller plasmaskärmar.
-Inte riktningsberoende som LCD-skärmar när de används som datorskärmar, ser bra ut i alla vinklar
-EL-skärmar kan hantera ett imponerande temperaturintervall på -60 C till 95 C, vilket LCD-skärmar inte kan göra

Objektets nackdelar:
-Inte praktiskt för allmänbelysning av stora områden på grund av fosforernas låga ljusflöde (än så länge)
-Sämre lumen per watt, men vanligtvis används lampan ändå inte för högt ljusflöde
-Reducerat ljusflöde med tiden, även om nyare teknik är bättre än äldre fosforer på den här punkten
-Flexibla, platta EL-plattor slits ut när de böjs, hållbarheten håller på att förbättras
-Lamporna kan förbruka en betydande mängd el: 60-600 volt
-Typiska EL behöver en omvandlare när de används med likströmskällor, t.ex. på klockor (för att skapa växelström med högre frekvens, detta hörs)

EL-statistik *Lampor per watt: 2-6 *Lamplivslängd: 2 000 – 50 000 timmar *CRI – N/A *Färgtemperatur – N/A *Försvaras i 0.01 – 3 W Vänster: EL-bakgrund med LCD-display, marknadsförd som ”Indiglo” av Timex på 1990-talet

En elektroluminiscerande utgångsskylt, lätt att använda med låg effekt och mycket lång livslängd. Foto: Limelite

1. Hur det fungerar:

Det finns flera varianter på hur EL fungerar beroende på om man talar om en platt panelbelysning, repbelysning, DC EL-teknik, EL-display i tunnfilm eller annan komplex konstruktion.

EL-anordningar är monotransportöranordningar som avger ljus på grund av stötansträngning av ett optiskt centrum som Mn-atomen. De gör detta genom att transportera elektroner med hög energi i värdmatrisen (vanligen ZnS).

För enkelhetens skull kommer vi att beskriva en enkel EL-lampa:

Högspänd växelström passerar genom ett tunt skikt av fosfor eller halvledare och detta orsakar ljusemission. Två lager av fast material (varav det ena är genomskinligt) fungerar som elektroder och ett fosfor- eller halvledarpulver mellan dem lyser när elektroner passerar genom det från en elektrod till en annan. Tack vare utvecklingen av genomskinliga ledare som indium och tenn kan ljuset komma ut ur anordningen på ena sidan.

Tjocka EL-lampor med fosforpulver används i de flesta enkla lampor som används för belysning, inklusive nattlampor och utgångs-/säkerhetsskyltar. Grafiken nedan visar lampor med tjock fosfor.

Tunnfilm och tjock dielektrisk EL (TFEL, TDEL): Denna teknik används i en mängd olika tillämpningar, EL-displayer (ELD) är den vanligaste användningen. En display är inte en ”lampa” i traditionell mening, men vi tar upp den här på grund av dess betydelse för utvecklingen av EL. TFEL och TDEL använder ofta sällsynta jordartsmetaller som Er, Tm, In med flera.

TFEL – Thin Film Electroluminescent Devices
TFEL uppstod på 1950-talet och skiljer sig åt genom att den innehåller tunnare aktiva skikt och en annan konstruktion. TFEL var en förbättring jämfört med konstruktionen med tjockt pulver, den möjliggör små enheter och exakt kontroll av pixlar på en bildskärm. Det var en utmaning att utveckla metoder för att deponera/tillväxta tunna polykristallina filmer på ett substrat (stödmaterialet), men många processer har utvecklats så att TFEL-tekniken kan expandera. Nedan belyser vi den grundläggande konstruktionen av en TFEL-enhet.
Notera:
-TFEL har maximalt 6 lumen per watt från och med 2012.
-TFEL kräver vanligtvis 1,5 megavoltampere per centimeter för att få det aktiva skiktet att göra ljus

Video om TFEL-konstruktion:

Hur TFEL fungerar:
TFEL har ett fosforskikt som avger ljus när ett tillräckligt stort elektriskt fält appliceras. Detta tunna skikt av en fosfor kräver en så hög energinivå att det finns en potential för en skadlig kortslutning genom ofullkomligheter i fosforn. Isolerande skikt används mellan elektroden och fosforn på båda sidor för att begränsa strömmen och få TFEL att fungera korrekt.

TFEL-enheter beter sig som tre kondensatorer i serie: spänningen stiger och en brytningsspänning uppnås där strömmen flyter genom det halvledande skiktet (fosforn) som exciterar fosforn och ger ljus. Isoleringsskikten fungerar som kondensatorer, där spänningen byggs upp och bryts igenom.

Innan du ser hur EL-enheten fungerar kan du kanske gå igenom hur en kondensator fungerar i den här videon:

Effektivitet:
När spänningen ökar blir fler och fler mangancenter exciterade och enheten blir ljusare. (6 lumen per watt) Efter ett tag gör den ökande spänningen inte enheten ljusare eftersom Mn-centren blir mättade, effektiviteten sjunker då (till 3 lumen per watt till exempel)

Färger:
Att framställa primära färger som används i bildskärmar har varit ett stort problem som har hindrat användningen av EL för TV- eller dataskärmar fram till nyligen. Ingenjörer har använt filter för att göra ljus. Färger kan framställas genom att filtrera vitt i rött, grönt och blått, men det har varit svårt att utveckla en effektiv vit fosfor. Ingenjörer har också arbetat med att utveckla separata RGB-fosforer.
ZnS:Mn ger en grön färg, vilket är den mest effektiva fosforen. Många EL-skärmar är gröna och röda eftersom de kan filtrera rött från grönt. CaS:Eu skapar rött, men det har inte varit tillräckligt starkt. Utmaningen har varit att göra en effektiv blå fosfor med tillräcklig ljusstyrka. 0,1 lumen per watt, som Heinrich Hertz Institute uppnådde, är helt enkelt inte tillräckligt bra. Kom ihåg att detta måste konkurrera med LCD-teknik för att överleva på marknaden. BaAl2S4:Eu är en primär fosfor som används för blått. TFEL har haft problem med att uppnå en godtagbar effektivitet, medan TDEL har uppnått en mer godtagbar nivå på 3 lumen per w/v.

Digitala skärmar som använder EL för att bakgrundsbelysa nummersegmenten med flytande kristaller

EL-fosforer: De flesta EL tillverkas med ZnS:Mn (zinksulfid dopad med mangan) Andra material som används för att göra EL-lampor är – Zinksulfid med Cu eller silver – Zinksulfid med olika alkalimetaller för blått, grönt och rött, vit -diamond med bor – blå färg -III-V halvledare InP -GaAs och GaN -Inorganiska halvledare

Epitaxi

Tunnfilms-EL använder sig av en epitaxiprocess för att odla kristaller ovanpå ett substrat. Denna process gör det möjligt att skapa en ”film” eller ett ytterst tunt materialskikt (mätt i nanometer (nm)) på glas eller en annan plan yta (denna yta ger struktur och kallas ”substrat”). TFEL-epitaxi skapar lager som är ungefär 500 nanometer tjocka, även om storleken varierar beroende på produkten. Senare utvecklades TDEL (thick dielectric EL) för att framställa en produkt med högre ljusstyrka än TFEL. TDEL använder en struktur där elektroderna är separerade från den tjockare fosforn genom ett tunt isolerande lager. Både TFEL och TDEL använder epitaxi, och det finns många olika former av epitaxi, från MBE (molekylär strålning) till ALE (Atomic Layer Epitaxy) (som bytte namn till ALD (Atomic Layer Deposition)). Att förstå epitaxi kräver lite tid, vi rekommenderar onlineföreläsningar och webbplatser för detta område. Läs mer om ALD av Tuomo Suntola här (PDF).

Transparenta och icke-transparenta EL-skärmar

Ett sätt att bygga en icke-transparent TFEL-skärm är att använda två lager för plastfilm eller glas, där det ena är belagt med indiumtinnoxid (ITO) eller en annan halvledare, medan den andra plana ytan har ett reflekterande material. Ljus kommer att produceras i det ”aktiva” skiktet av fosforer (till exempel ZnS Mn). Ljus som sänds ut i fel riktning kommer att reflekteras från den bakre plattan och gå genom den motsatta sidan som har den genomskinliga halvledaren, på detta sätt uppnår man en högre ljusstyrka. Med många individuellt styrda enheter och en styrd dator kan man sätta på eller stänga av enheten och tillsammans skapa en bildskärm. I en flerfärgsskärm kan filter som appliceras ovanpå enheterna styra om enheten avger rött, gult eller grönt ljus. Blått har ännu inte utvecklats, och det är på grund av detta som EL-skärmar för närvarande inte kan konkurrera med LCD-teknik för fullfärgsskärmar för konsumenter.

Transparenta EL-skärmar två skikt av genomskinliga ledande filmer (TCF) som elektroder med fosforen emellan. Eftersom de inte har någon reflekterande baksida ger de för närvarande inte samma ljusstyrka som vanliga EL-skärmar. Trots detta har displayen några mycket intressanta och unika tillämpningar som ännu inte fått någon större spridning.

Transparenta ledande filmer (TCF) omfattar indium-tinoxid (ITO) och fluor-dopad tenn- eller zinkoxid (FTO)(FZO). ITO används också inom solcellsindustrin för tunnfilm. Kolnanorörteknik är en organisk ledande film som skulle kunna ersätta dyra sällsynta jordartsmetaller som indium. Poly(3,4-ethylenedioxythiophen) PEDOT-filmer och andra polymerfilmer har också potential att ersätta ITO. Att göra nya billigare material är viktigt för att se tillväxten av EL-skärmar och EL-lampor i konsumenternas vardag.
Denna typ av lampa ger ljus som elektroner som radioaktivt kombineras i hålen i en halvledare. För att förstå hur halvledare fungerar på molekylär nivå krävs en lång beskrivning eller en hel föreläsning. Indian Institute of Technology Madras har en föreläsning med flera videor som börjar med en 59 minuter lång video om fasta material.

TDEL:
TDEL eller tjockfilms dielektrisk EL-teknik är känd för att ge en lösning på det blå problemet. Det är den enda RGB-teknik för helfärgskärmar som finns tillgänglig för närvarande.

Tjockfilmsdielektriska skärmar har visat sig vara effektiva: de har en god ljusstyrka (luminositet) och en hygglig verkningsgrad. iFire Group och TDK Corporation innehar för närvarande patenten för denna teknik. Fosforen i TDEL är 10 000-20 000 nanometer tjock. I vissa TDEL-produkter, t.ex. de som används i bildskärmar, används två lager fosforer. Det tjocka nedre skiktet är motståndskraftigt mot dielektrisk nedbrytning, vilket gör att det kan transportera en högre strömstyrka och ge ett starkare ljus. Ovanför det tjocka dielektriska lagret finns färgade fosforer av ZnMgS:Mn (grönt) och BaAl2S4:Eu (blått). Med detta system kan RGB skapas.

2. Uppfinnare och utveckling:

Electroluminiscens användes redan 1936 av forskaren Georges Destriau. Det var inte förrän på 1950-talet som företag började utveckla tekniken så att den kunde användas för praktiska tillämpningar.

	1936 – Georges Destriau, som var medarbetare till Marie Curie i hennes labb i Paris började studera elektroluminiscens. Han myntade begreppet när han arbetade med ZnS-pulver. Paris, Frankrike
	1958 – Elmer Fridrich arbetade för General Electric och utvecklade lampor med elektrisk elektroluminiscens, varav en del var ganska sofistikerade till sin konstruktion. Fridrich blev också känd för att ha uppfunnit halogenlampan och utvecklat tekniken för lysrör. Han var en viktig medlem av teknikgrupper i Nela Park, Ohio och Schenectady, New York. Foto: General Electric
	1958 – Nataliya Andreeva Vlasenko och A. Popkov: Utvecklade den första TFEL-prototypen och arbetade med metoder för att öka ljusstyrkan. De var också pionjärer i det tidiga arbetet med EL-lampor för likström. Kiev, Ukraina
	1968 – Aron Vecht utvecklar DC EL-teknik för lampor och klockor. London, Storbritannien Foto: University of Greenwich
	1974 – Tuomo Suntola utvecklar ALE-epitaxi för tunnfilmsteknik för elektroluminiscens (TFEL). Denna metod för att deponera tunna halvledande filmer på ett substrat har blivit en grund för TFEL-produktion. Tunna polykristallina filmer är cirka 500 nanometer tjocka. Tunna filmer möjliggör fler användningsområden för EL än klumpiga tjocka fosforpulver. Lohja, Finland Foto: Tuomo Suntola
	1970-talet – Hiroshi Kobayashi arbetade i över 30 år med oorganiska elektroluminiscerande anordningar tillsammans med den avlidne professor Shosaku Tanaka. Hans arbete bidrog till kommersialiseringen av oorganiska EL-skärmar i den japanska industrin. En stor del av arbetet utfördes vid Tottori University. Han gick i pension 2003 och bor nu i Tokyo. Tottori Prefecture / Tokyo, Japan Foto: Hiroshi Kobayashi
	1974 – Toshio Inoguchi utvecklar den första praktiska ELD (electroluminiscent display) vid Sharp Corporation. Han använder TFEL för att göra detta möjligt. Hans displayer har lång livslängd och är ljusare i ljusstyrka. Hans arbete lade grunden för senare framsteg och höll Sharp i framkant under de kommande decennierna. Displayerna användes först som displayer för medicinska instrument. Skärmarna var monokromatiska, men ett bättre alternativ än CRT-skärmar. Osaka, Japan Foto: Toshio Inoguchi och Sharp Corporation
	1980-talet – Christopher N. King och hans team* utvecklar avancerade EL-skärmar som använder tunnfilmsteknik. Teamet hade börjat på Tektronix och startade spin-offföretaget Planar Systems 1983. De nya skärmarna ökar antalet tillgängliga färger med tiden. Att öka ljusstyrkan och kontrasten för att konkurrera med LCD-skärmar blev viktigt under 1990- och 2000-talen. Sedan 90-talet har ingenjörerna på Planar förbättrat EL-skärmen, de har uppnått bättre ljusstyrka, kontrast och effektivitet. *Jim Hurd, John Laney, Eric R. Dickey (ICEBrite) Beaverton, Oregon Foto: Chris King
	1990-talet – Xingwei Wu utvecklar TDEL-teknik. Tjocka dielektriska EL-skärmar uppnår tillräckligt ljusa blåtoner för att kunna användas i färgskärmar. TDEL är ljusare än TFEL och använder ”color by blue”-metoden för att uppnå bra RGB. TDEL är den första EL-tekniken som klarar fullfärg. Dr Xingwei Wu är huvudingenjör på iFire Technology. Oakville, Ontario, Kanada Foto: Xingwei Wu. iFire Technology Ltd.
	2016 – Du – Välj en karriär inom teknik och bli nästa pionjär! LÄS MER

2000-tal – EL-lampor blir mer prisvärda för genomsnittskonsumenten och används i dekorativa kläder och i tunnfilmsapplikationer på olika produkter. Som lampa för allmän belysning är EL-teknik inte att föredra på grund av den begränsade maximala lumenproduktionen i kombination med låg effektivitet jämfört med lysdioder. EL-lampans unika rumsliga aspekt (platt och flexibel) gör att den kan behålla en marknadsnisch.

EL-skärmar har kommit långt sedan 1980, men det behövs fortfarande en bättre blå fosfor som kan användas i skärmar. Att utveckla ett blått med hög ljusstyrka och hög effektivitet skulle möjliggöra en kombination av rött, grönt och blått som skulle göra det möjligt för EL-skärmar att bättre konkurrera med LCD-skärmar.
Fortsatt läsning med mer detaljerade uppgifter:
A History of Electroluminescent Displays av Jeffrey A. Hart, Stefanie Ann Lenway, Thomas Murtha. 1999

Lamporna presenteras i kronologisk utvecklingsordning

Förrförra: Halogen Tungsten Lamp 1955

Nästa: LED-lampa 1962

Det elektriska ljuset

KOMMENTAR?
Hjälp oss att redigera och komplettera den här sidan genom att bli volontär på ETC!
Giv oss feedback på den här och andra sidor genom att använda vår Facebook-sida

Webbplats, grafik och artikel av M. Whelan
Tack för hjälp från Chris King, Toumo Suntola och Toshiyuki Matsumura

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

Foton:
Edison Tech Center
Planar Systems www.Planar.com
LimeLite www.Limelite.com
Toumo Suntola
Christopher N. King
iFire Technology Ltd.
Prof. emeritus Hiroshi Kobayashi från Tottori University
Användning av bilder:
Edison Tech Center Bilderna får användas/reproduceras i utbildningssyfte, bilderna får INTE ändras förutom för att ändra storlek. Edison Tech Center måste anges. Länkning till denna sida är att föredra för publikationer på nätet.