Electroluminiscencia

Vistas de una pantalla de cristal líquido, tanto con retroiluminación electroluminiscente encendido (top) como apagado (bottom)

La electroluminiscencia (EL) es un fenómeno óptico y eléctrico, en el que un material emite luz en respuesta al paso de una corriente eléctrica oa un fuerte campo eléctrico. Esto es distinto de la emisión de luz de cuerpo negro resultante del calor (incandescencia), una reacción química (quimioluminiscencia), sonido (sonoluminiscencia) u otra acción mecánica (mecanoluminiscencia).

Mecanismo

Espectro de una fuente de luz electroluminiscente azul/verde para una radio reloj (similar a la que se ve en la imagen anterior). La longitud de onda de pico es de 492 nm y el ancho de banda espectral de FWHM es bastante ancho alrededor de 85 nm.

La electroluminiscencia es el resultado de la recombinación radiativa de electrones & agujeros en un material, generalmente un semiconductor. Los electrones excitados liberan su energía en forma de fotones: luz. Antes de la recombinación, los electrones y los huecos pueden separarse dopando el material para formar una unión p-n (en dispositivos semiconductores electroluminiscentes como los diodos emisores de luz) o mediante la excitación por impacto de electrones de alta energía acelerados por un fuerte campo eléctrico (como con los fósforos en pantallas electroluminiscentes).

Se ha demostrado recientemente que a medida que una celda solar mejora su eficiencia de luz a electricidad (voltaje de circuito abierto mejorado), también mejorará su eficiencia de electricidad a luz (EL).

Ejemplos de materiales electroluminiscentes

Los dispositivos electroluminiscentes se fabrican con materiales electroluminiscentes orgánicos o inorgánicos. Los materiales activos son generalmente semiconductores de ancho de banda suficientemente amplio para permitir la salida de la luz.

El EL de película delgada inorgánica (TFEL) más típico es ZnS:Mn con emisión de color amarillo anaranjado. Ejemplos de la gama de material EL incluyen:

• Sulfuro de zinc en polvo dopado con cobre (produciendo luz verde) o plata (produciendo luz azul brillante)
• Sulfuro de zinc grueso dopado con manganeso (producción de color rojo naranja)
• El diamante naturalmente azul, que incluye un rastro de boro que actúa como un dopant.
• Semiconductors containing Group III and Group V elements, such as indium phosphide (InP), gallium arsenide (GaAs), and gallium nitride (GaN) (Light-emitting diodes.)
• Ciertos semiconductores orgánicos, como [Ru(bpy)₃]²⁺(PF)₆⁻)₂, donde el espía es 2,2'-bipyridine

Implementaciones prácticas

Los dispositivos electroluminiscentes (EL) más comunes están compuestos de polvo (utilizado principalmente en aplicaciones de iluminación) o películas delgadas (para pantallas de información).

LEC

Linterna electroluminiscente en funcionamiento (utiliza 0.08 W a 230 V y data de 1960; diámetro iluminado es de 59 mm)

Condensador emisor de luz, o LEC, es un término utilizado desde al menos 1961 para describir los paneles electroluminiscentes. General Electric tiene patentes que datan de 1938 sobre paneles electroluminiscentes planos que todavía se fabrican como luces nocturnas y retroiluminación para pantallas de paneles de instrumentos. Los paneles electroluminiscentes son un condensador en el que el dieléctrico entre las placas exteriores es un fósforo que emite fotones cuando se carga el condensador. Al hacer transparente uno de los contactos, la gran área expuesta emite luz.

La retroiluminación electroluminiscente del panel de instrumentos del automóvil, en la que cada puntero del indicador también es una fuente de luz individual, entró en producción en los automóviles de pasajeros Chrysler e Imperial de 1960, y continuó con éxito en varios vehículos Chrysler hasta 1967 y se comercializó como "Iluminación panelescent".

Lámparas de noche

La división de iluminación de Sylvania en Salem y Danvers, MA, produjo y comercializó una lámpara de noche EL (derecha), bajo el nombre comercial Panelescent aproximadamente al mismo tiempo que los paneles de instrumentos de Chrysler entraron en producción. Estas lámparas han demostrado ser extremadamente fiables, y se sabe que algunas muestras aún funcionan después de casi 50 años de funcionamiento continuo. Más tarde, en la década de 1960, la División de Sistemas Electrónicos de Sylvania en Needham, MA, desarrolló y fabricó varios instrumentos para el módulo de comando y módulo de aterrizaje lunar del Apolo utilizando paneles de visualización electroluminiscentes fabricados por la División de Tubos Electrónicos de Sylvania en Emporium, Pensilvania. Raytheon, Sudbury, MA, fabricó la computadora de guía Apollo, que usaba un panel de visualización electroluminiscente de Sylvania como parte de su interfaz de pantalla y teclado (DSKY).

Retroiluminación

Un reloj LCD digital Casio con una luz trasera electroluminiscente.

Los paneles electroluminiscentes a base de fósforo en polvo se utilizan con frecuencia como retroiluminación para pantallas de cristal líquido. Proporcionan fácilmente una iluminación suave y uniforme para toda la pantalla mientras consumen relativamente poca energía eléctrica. Esto los hace convenientes para dispositivos que funcionan con baterías, como buscapersonas, relojes de pulsera y termostatos controlados por computadora, y su suave brillo verde-cian es común en el mundo tecnológico. Requieren un voltaje relativamente alto (entre 60 y 600 voltios). Para los dispositivos que funcionan con baterías, este voltaje debe ser generado por un circuito convertidor dentro del dispositivo. Este convertidor a menudo emite un silbido audible o un sonido de sirena mientras la luz de fondo está activada. Para dispositivos operados por voltaje de línea, pueden ser alimentados directamente desde la línea de alimentación. Las luces nocturnas electroluminiscentes funcionan de esta manera. El brillo por unidad de área aumenta con el aumento del voltaje y la frecuencia.

La electroluminiscencia de fósforo de película delgada fue comercializada por primera vez durante la década de 1980 por Sharp Corporation en Japón, Finlux (Oy Lohja Ab) en Finlandia y Planar Systems en EE. UU. En estos dispositivos, la emisión de luz brillante y de larga duración se logra en una película delgada de material de sulfuro de zinc dopado con manganeso que emite amarillo. Las pantallas que utilizan esta tecnología se fabricaron para aplicaciones médicas y de vehículos en las que la robustez y los amplios ángulos de visión eran cruciales, y las pantallas de cristal líquido no estaban bien desarrolladas. En 1992, Timex introdujo su pantalla Indiglo EL en algunos relojes.

Recientemente, se han desarrollado materiales electroluminiscentes de película delgada que emiten azul, rojo y verde que ofrecen el potencial para una vida útil prolongada y pantallas electroluminiscentes a todo color.

En cualquier caso, el material EL debe estar encerrado entre dos electrodos y al menos un electrodo debe ser transparente para permitir el escape de la luz producida. El vidrio recubierto con óxido de indio y estaño se usa comúnmente como electrodo frontal (transparente), mientras que el electrodo posterior está recubierto con metal reflectante. Además, se pueden utilizar como electrodo frontal otros materiales conductores transparentes, como los revestimientos de nanotubos de carbono o PEDOT.

Las aplicaciones de visualización son principalmente pasivas (es decir, los voltajes se controlan desde el borde de la pantalla, por ejemplo, desde un transistor en la pantalla). De manera similar a las tendencias de LCD, también se han demostrado pantallas Active Matrix EL (AMEL), donde se agrega el circuito para prolongar los voltajes en cada píxel. La naturaleza de estado sólido de TFEL permite una pantalla muy resistente y de alta resolución fabricada incluso en sustratos de silicio. Un consorcio que incluye a Planar Systems ha demostrado pantallas AMEL de 1280 × 1024 a más de 1000 líneas por pulgada (LPI).

Las tecnologías electroluminiscentes tienen un bajo consumo de energía en comparación con las tecnologías de iluminación de la competencia, como las lámparas de neón o fluorescentes. Esto, junto con la delgadez del material, ha hecho que la tecnología EL sea valiosa para la industria de la publicidad. Las aplicaciones publicitarias relevantes incluyen vallas publicitarias y letreros electroluminiscentes. Los fabricantes de EL pueden controlar con precisión qué áreas de una lámina electroluminiscente se iluminan y cuándo. Esto ha brindado a los anunciantes la capacidad de crear publicidad más dinámica que sigue siendo compatible con los espacios publicitarios tradicionales.

Una película EL es el llamado radiador lambertiano: a diferencia de las lámparas de neón, las lámparas de filamento o los LED, el brillo de la superficie parece el mismo desde todos los ángulos de visión; la luz electroluminiscente no es direccional y, por lo tanto, es difícil de comparar con las fuentes de luz (térmicas) medidas en lúmenes o lux. La luz emitida por la superficie es perfectamente homogénea y bien percibida por el ojo. La película EL produce luz de frecuencia única (monocromática) que tiene un ancho de banda muy estrecho, es uniforme y visible desde una gran distancia.

1966 Panel de instrumentos Dodge Charger con iluminación electroluminiscente. Chrysler presentó por primera vez coches con iluminación de paneles EL en su año modelo 1960 llamado "Panelescent Lighting".

En principio, las lámparas EL se pueden fabricar en cualquier color. Sin embargo, el color verdoso de uso común se acerca mucho a la sensibilidad máxima de la visión humana, produciendo la mayor salida de luz aparente con la menor entrada de energía eléctrica. A diferencia de las lámparas de neón y fluorescentes, las lámparas EL no son dispositivos de resistencia negativa, por lo que no se necesitan circuitos adicionales para regular la cantidad de corriente que fluye a través de ellas. Una nueva tecnología que se está utilizando ahora se basa en fósforos multiespectrales que emiten luz de 600 a 400 nm según la frecuencia de la unidad; esto es similar al efecto de cambio de color que se observa con la hoja EL aqua pero a mayor escala.

La iluminación electroluminiscente ahora se usa como una aplicación para la identificación de seguridad pública que involucra caracteres alfanuméricos en el techo de los vehículos para una visibilidad clara desde una perspectiva aérea.

La iluminación electroluminiscente, especialmente el cable electroluminiscente (cable EL), también se ha abierto camino en la ropa, ya que muchos diseñadores han llevado esta tecnología a la industria del entretenimiento y la vida nocturna. A partir de 2006, las camisetas con un panel electroluminiscente estilizado como un ecualizador de audio, el T-Qualizer, vieron un breve período de popularidad.

Los ingenieros han desarrollado una "piel" electroluminiscente; que puede estirarse más de seis veces su tamaño original sin dejar de emitir luz. Este capacitor emisor de luz hiperelástico (HLEC) puede soportar más del doble de la tensión que las pantallas estirables probadas anteriormente. Consiste en capas de electrodos de hidrogel transparentes que intercalan una lámina de elastómero aislante. El elastómero cambia de luminancia y capacitancia cuando se estira, se enrolla o se deforma. Además de su capacidad para emitir luz bajo una tensión superior al 480 % de su tamaño original, se demostró que el HLEC del grupo puede integrarse en un sistema robótico suave. Se unieron tres paneles HLEC de seis capas para formar un robot suave que se arrastra, con las cuatro capas superiores formando la piel iluminada y las dos inferiores los actuadores neumáticos. El descubrimiento podría conducir a avances significativos en el cuidado de la salud, el transporte, la comunicación electrónica y otras áreas.