Электролюминесценция - Electroluminescence
Электролюминесценция ( EL ) - это оптическое явление и электрическое явление, при котором материал излучает свет в ответ на прохождение электрического тока или сильного электрического поля . Это отличается от излучения света черного тела в результате нагрева ( накаливания ), химической реакции ( хемилюминесценция ), звука ( сонолюминесценция ) или другого механического воздействия ( механолюминесценция ).
Механизм
Электролюминесценции являются результатом излучательной рекомбинации из электронов и дырок в материале, обычно полупроводник . Возбужденные электроны выделяют свою энергию в виде фотонов - света. Перед рекомбинацией электроны и дырки могут быть разделены либо путем легирования материала с образованием pn-перехода (в полупроводниковых электролюминесцентных устройствах, таких как светодиоды ), либо путем возбуждения ударом высокоэнергетических электронов, ускоренных сильным электрическим полем (например, с люминофором в электролюминесцентных дисплеях ).
Недавно было показано, что по мере того, как солнечный элемент улучшает свою эффективность преобразования света в электричество (повышенное напряжение холостого хода), он также улучшает эффективность преобразования электричества в свет (EL).
Примеры электролюминесцентных материалов
Электролюминесцентные устройства изготавливаются с использованием органических или неорганических электролюминесцентных материалов. Активные материалы обычно представляют собой полупроводники с достаточно широкой полосой пропускания, позволяющей выходить свету.
Наиболее типичным неорганическим тонкопленочным ЭЛ (ТФЭЛ) является ZnS: Mn с желто-оранжевой эмиссией. Примеры ассортимента материалов EL включают:
- Порошкообразный сульфид цинка , легированный с медью (производя зеленовато свет) или серебра (производство ярко - синий свет)
- Сульфид цинка тонкопленочный, легированный марганцем (дает оранжево-красный цвет)
- Естественно голубой алмаз , содержащий следы бора, который действует как легирующая примесь.
- Полупроводники, содержащие элементы группы III и группы V, такие как фосфид индия (InP) , арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN) ( светодиоды ).
- Некоторые органические полупроводники , такие как [Ru (bpy) 3 ] 2+ (PF 6 - ) 2 , где bpy представляет собой 2,2'-бипиридин
Практические реализации
Наиболее распространенные электролюминесцентные (EL) устройства состоят либо из порошка (в основном, используемого в осветительных приборах), либо из тонких пленок (для информационных дисплеев).
LEC
Светоизлучающий конденсатор или LEC - это термин, используемый по крайней мере с 1961 года для описания электролюминесцентных панелей. General Electric имеет патенты, датированные 1938 годом, на плоские электролюминесцентные панели, которые до сих пор используются в качестве ночных светильников и подсветки для дисплеев приборных панелей . Электролюминесцентные панели представляют собой конденсатор, в котором диэлектрик между внешними пластинами представляет собой люминофор, который испускает фотоны, когда конденсатор заряжается. Сделав один из контактов прозрачным, большая открытая площадь излучает свет.
Электролюминесцентная подсветка автомобильной приборной панели, с каждой стрелкой датчика и отдельным источником света, была запущена в производство на легковых автомобилях Chrysler и Imperial 1960 года и успешно продолжалась на нескольких автомобилях Chrysler вплоть до 1967 года и продавалась как «Panelescent Lighting».
Ночники
Подразделение освещения Sylvania в Салеме и Данверсе, Массачусетс, произвело и реализовало ночник EL (справа) под торговой маркой Panelescent примерно в то же время, когда начали производство приборных панелей Chrysler. Эти лампы зарекомендовали себя как чрезвычайно надежные: известно, что некоторые образцы продолжают работать после почти 50 лет непрерывной эксплуатации. Позже, в 1960-х годах, подразделение электронных систем компании Sylvania в Нидхэме, штат Массачусетс, разработало и изготовило несколько инструментов для лунного посадочного модуля и командного модуля Apollo с использованием электролюминесцентных дисплейных панелей, изготовленных подразделением электронных ламп в Сильвании в Эмпориуме, штат Пенсильвания. Компания Raytheon, Садбери, Массачусетс , изготовила компьютер управления Apollo , в котором использовалась электролюминесцентная панель дисплея Sylvania как часть интерфейса дисплей-клавиатура ( DSKY ).
Подсветка
.jpg)
Электролюминесцентные панели на основе порошкового люминофора часто используются в качестве подсветки для жидкокристаллических дисплеев . Они легко обеспечивают мягкое, равномерное освещение всего дисплея при относительно небольшом потреблении электроэнергии. Это делает их удобными для устройств с батарейным питанием, таких как пейджеры, наручные часы и термостаты с компьютерным управлением, а их нежное зеленовато-голубое свечение является обычным явлением в технологическом мире. Для них требуется относительно высокое напряжение (от 60 до 600 вольт). Для устройств с батарейным питанием это напряжение должно генерироваться схемой преобразователя внутри устройства. Этот преобразователь часто издает слышимый вой или звук сирены при включенной подсветке. Для устройств, работающих от сетевого напряжения, он может питаться непосредственно от сети. Так работают электролюминесцентные ночники. Яркость на единицу площади увеличивается с увеличением напряжения и частоты.
Электролюминесценция тонкопленочного люминофора была впервые коммерциализирована в 1980-х годах корпорацией Sharp в Японии, Finlux (Oy Lohja Ab) в Финляндии и Planar Systems в США. В этих устройствах яркое и долговечное световое излучение достигается в тонкопленочном материале из сульфида цинка, легированного марганцем, излучающего желтый цвет. Дисплеи, использующие эту технологию, производились для медицинских и автомобильных приложений, где решающее значение имели прочность и широкие углы обзора, а жидкокристаллические дисплеи не были хорошо развиты. В 1992 году Timex представила свой дисплей Indiglo EL на некоторых часах.
Недавно были разработаны тонкопленочные электролюминесцентные материалы с синим, красным и зеленым светом, которые обладают потенциалом для длительного срока службы, и были разработаны полноцветные электролюминесцентные дисплеи.
В любом случае электролюминесцентный материал должен быть заключен между двумя электродами, и по крайней мере один электрод должен быть прозрачным, чтобы обеспечить выход излучаемого света. Стекло, покрытое оксидом индия и олова, обычно используется в качестве переднего (прозрачного) электрода, а задний электрод покрыт отражающим металлом. Кроме того, в качестве переднего электрода можно использовать другие прозрачные проводящие материалы, такие как покрытия из углеродных нанотрубок или PEDOT .
Приложения дисплея в основном пассивны (т.е. напряжение подается от края дисплея, например, от транзистора на дисплее). Подобно тенденциям ЖК-дисплеев, также были продемонстрированы дисплеи с активной матрицей EL (AMEL), в которых добавлены схемы для увеличения напряжения на каждом пикселе. Твердотельный характер TFEL позволяет создавать очень прочный дисплей с высоким разрешением даже на кремниевых подложках. Дисплеи AMEL с разрешением 1280 × 1024 и разрешением более 1000 строк на дюйм (lpi) были продемонстрированы консорциумом, включая Planar Systems.
Электролюминесцентные технологии имеют низкое энергопотребление по сравнению с конкурирующими технологиями освещения, такими как неоновые или люминесцентные лампы. Это, вместе с тонкостью материала, сделало технологию EL ценным для рекламной индустрии. Соответствующие рекламные приложения включают электролюминесцентные рекламные щиты и вывески. Производители электролюминесцентных ламп могут точно контролировать, какие области электролюминесцентного листа освещаются и когда. Это дало рекламодателям возможность создавать более динамичную рекламу, которая по-прежнему совместима с традиционными рекламными площадками.
Пленка EL представляет собой так называемый ламбертовский излучатель : в отличие от неоновых ламп, ламп накаливания или светодиодов яркость поверхности одинакова со всех сторон; электролюминесцентный свет не является направленным, поэтому его трудно сравнивать с (тепловыми) источниками света, измеряемыми в люменах или люксах. Свет, излучаемый поверхностью, идеально однороден и хорошо воспринимается глазом. EL пленка излучает одночастотный (монохроматический) свет с очень узкой полосой пропускания, абсолютно однородный и видимый с большого расстояния.
В принципе, лампы EL могут быть выполнены в любом цвете. Однако обычно используемый зеленоватый цвет близко соответствует максимальной чувствительности человеческого зрения, обеспечивая наибольший видимый световой поток при наименьшем потреблении электроэнергии. В отличие от неоновых и люминесцентных ламп, лампы EL не являются устройствами с отрицательным сопротивлением, поэтому не требуется дополнительных схем для регулирования количества тока, протекающего через них. Используемая в настоящее время новая технология основана на многоспектральных люминофорах, излучающих свет от 600 до 400 нм в зависимости от частоты возбуждения; это похоже на эффект изменения цвета, наблюдаемый с листом aqua EL, но в большем масштабе.
Электролюминесцентное освещение теперь используется в качестве приложения для идентификации в целях общественной безопасности с использованием буквенно-цифровых символов на крыше транспортных средств для четкой видимости с высоты птичьего полета.
Электролюминесцентное освещение, особенно электролюминесцентный провод (EL-провод), также нашло свое применение в одежде, поскольку многие дизайнеры внедрили эту технологию в индустрию развлечений и ночной жизни.
Инженеры разработали электролюминесцентную «кожу», которая может растягиваться более чем в шесть раз по сравнению с первоначальным размером, при этом излучая свет. Этот сверхэластичный светоизлучающий конденсатор (HLEC) может выдерживать более чем в два раза большую нагрузку, чем ранее протестированные растягиваемые дисплеи. Он состоит из слоев прозрачных гидрогелевых электродов, расположенных между изоляционным эластомерным листом. Эластомер изменяет яркость и емкость при растяжении, прокатке и других деформациях. В дополнение к его способности излучать свет при деформации, превышающей 480% от первоначального размера, было показано, что HLEC группы может быть интегрирован в мягкую роботизированную систему. Три шестиуровневые панели HLEC были связаны вместе, чтобы сформировать ползущего мягкого робота, причем четыре верхних слоя составляли светящуюся кожу, а два нижних - пневматические приводы. Это открытие может привести к значительному прогрессу в области здравоохранения, транспорта, электронной связи и других областях.