אלקטרולומינסנציה

אלקטרולומינסנציה (EL), בעברית נְהוֹרָנוּת חשמלית או זהירה חשמלית, שהיא סוג של לומינסנציה, היא תופעה אופטית ותופעה חשמלית בה חומר פולט אור בתגובה למעבר זרם חשמלי או לשדה חשמלי חזק. היא דומה לכן לפוטולומנסנציה, כמולומינסנציה, סונולומינסנציה או טריבולומנסנציה, אלא שבהן האור נפלט מהחומר בתגובה לגורמים אחרים: הארה, תגובה כימית, צליל, או פעולה מכנית, בהתאמה.

מנגנון

אלקטרולומינסנציה היא תוצאה של איחוי (רקומבינציה) קורן (אנ') של אלקטרונים וחורים בחומר, בדרך כלל מוליך למחצה. האלקטרונים המעוררים משחררים את האנרגיה שלהם כפוטונים - אור. לפני האיחוי, אלקטרונים וחורים עשויים להיות מופרדים באמצעות אילוח החומר ליצירת צומת pn (במכשירים אלקטרולומינסנטיים מוליכים למחצה כמו דיודות פולטות אור) או באמצעות עירור בגלל התנגשות של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה, המואצים על ידי שדה חשמלי חזק (כמו עם הזרחן בתצוגות אלקטרולמינטיות (אנ')).

בעשור השני של המאה ה-21 הוכח שכאשר תא סולרי משפר את היעילות של המרת האור לחשמל (הגדלת מתח הריקם (אנ')), הוא ישפר גם את היעילות של המרת החשמל לאור (EL).^[1]

דוגמאות לחומרים אלקטרולומינסנטיים

התקנים אלקטרולומינסנטיים מיוצרים באמצעות חומרים אלקטרולומינסנטיים אורגניים או אי-אורגניים. החומרים הפעילים הם בדרך כלל מוליכים למחצה בעלי רוחב פס מספיק רחב כדי לאפשר יציאת האור.

השכבה הדקה האי-אורגניות האופיינית ביותר מסוג EL (TFEL) עשויה גופרת האבץ (אנ') מאולחת במנגן (ZnS: Mn) עם פליטה צהובה-כתומה. דוגמאות לטווח חומרי EL כוללים:

אבקה של גופרת האבץ מאולחת עם נחושת (מפיקה אור ירקרק) או כסף (מפיקה אור כחול בהיר)
יהלום טבעי כחול, הכולל עקבות של בורון המשמש כמאלח.
מוליכים למחצה מרוכבים ממשפחת החומרים III-V (אנ'), כמו אינדיום פוספיד (אנ') (InP), גליום ארסניד (GaAs) וגליום ניטריד (GaN), כולם משמשים כדיודות פולטות אור.
מוליכים למחצה אורגניים מסוימים, כגון [Ru (bpy) ₃ ] ²⁺ (PF ₆ ^-) ₂, כאשר bpy הוא 2,2'-bipyridine

יישומים מעשיים

המכשירים האלקטרולומינסנטיים הנפוצים ביותר (EL) מורכבים מאבקה (המשמשת בעיקר ביישומי תאורה) או שכבה דקה..

LEC

קבל פולט אור, או LEC, הוא מונח ששימש מאז 1961 לפחות^[2] לתיאור לוחות אלקטרולומינסנטיים. לג'נרל אלקטריק יש פטנטים משנת 1938 לגבי לוחות אלקטרוליומינסנטיים שטוחים שעדיין מיוצרים כמנורות לילה וכתאורה אחורית לתצוגות בלוחות מכשירים. לוחות אלקטרולומינסנטיים הם קבלים שבהם החומר הדיאלקטרי בין הלוחות הוא זרחן שפולט פוטונים (פוספורסצנציה) כאשר הקבל נטען. על ידי הפיכת אחד המגעים לשקוף, האזור הגדול שנחשף פולט אור.^[3]

תאורה אחורית אלקטרולומינססנטית לפאנל מכשירי רכב, כאשר כל מד הוא גם מקור אור אינדיבידואלי, נכנס לייצור ב־1960 ברכבים של חברת קרייזלר וחברת אימפריאל (אנ'), והמשיך בהצלחה במספר רכבי קרייזלר עד 1967.

מנורות לילה

חטיבת התאורה של סילבניה מסיילם ומדנברס (אנ'), ייצרה ושיווקה מנורת לילה EL בשם המסחרי Panelescent בערך באותה תקופה בה נכנסו לוחות המכשירים של קרייזלר לייצור. מנורות אלה הוכחו כאמינות ביותר, כאשר כמה מהן עדיין פעלו לאחר כמעט 50 שנה של פעולה רציפה. מאוחר יותר בשנות ה-60 פיתחה וייצרה החטיבה למערכות אלקטרוניות של סילבניה בנידהם (אנ'), מסצ'וסטס מספר מכשירים עבור רכב הנחיתה הירחי ותא הפיקוד בתוכנית אפולו בהם נעשה שימוש בלוחות תצוגה אלקטרולומנסנטים (אנ') שיוצרו על ידי חטיבת השפופרות האלקטרוניות של סילבניה באמפוריום (אנ'), פנסילבניה. ריית'יאון, בסדברי, מסצ'וסטס, ייצרה את מחשב ההנחיה של החללית אפולו, שגם בו נעשה שימוש בלוח תצוגה אלקטרולומינסנטי של סילבניה כחלק מממשק המקלדת לתצוגה (DSKY).

תאורה אחורית בצגים

לוחות אלקטרולומינסנטיים על בסיס זרחן משמשים לעיתים קרובות כתאורה אחורית בצגי גביש נוזלי. הם מספקים בקלות תאורה עדינה ואחידה לכל התצוגה תוך צריכת חשמל מועטה יחסית. זה הופך אותם לנוחים למכשירים המופעלים על ידי סוללות כמו זימוניות, שעוני יד ותרמוסטטים מבוקרים על ידי מחשב, וזוהרם הירוק-ציאן העדין נפוץ בעולם הטכנולוגי.

להפעלת התאורות האחוריות המבוססות EL נדורש מתח גבוה יחסית (בין 60 ל-600 וולט).^[4] עבור מכשירים המופעלים על ידי סוללה, מתח זה צריך להיווצר על ידי ממיר זרם בתוך המכשיר. ממיר זה משמיע לעיתים קרובות צליל יללה או צפירה חלש בזמן שהתאורה האחורית מופעלת. להתקנים הפעולים על מתח קו, הוא מסופק ישירות מקו החשמל. פנסי לילה אלקטרולומינסנטיים פועלים בצורה זו. הבהירות ליחידת שטח עולה עם הגדלת המתח והתדר.

שכבות דקות אלקטרולומינסנטיות מבוססות זרחן מוסחרו לראשונה במהלך שנות השמונים על ידי שארפ ביפן, פינלוּקס (אנ') בפינלנד, ופְּלָנַר סיסטמס (אנ') בהילסבורו, אורגון. למכשירים אלה פליטת אור בהירה וארוכת חיים הודות שכבה דקה של אבץ גופרתי מאולח במנגן הפולט אור צהוב. תצוגות בטכנולוגיה זו יוצרו ליישומים רפואיים ולכלי רכב שבהם קשיחות וזוויות צפייה רחבות היו מכריעות, ותצוגות גביש נוזלי לא היו מפותחות היטב. בשנת 1992, טיימקס הציגה את תצוגת ה־Indiglo EL שלה בכמה שעונים.

מאוחר יותר פותחו חומרים אלקטרולומינסנטיים בצורת שכבה דקה הפולטים צבע כחול, אדום וירוק המציעים את הפוטנציאל לחיים ארוכים ותצוגות אלקטרולומינסנטיות בצבע מלא.

בשני המקרים, יש לסגור את חומר ה-EL בין שתי אלקטרודות, כשלפחות אחת מהן חייבת להיות שקופה, כדי לאפשר את יציאת האור הנפלט מהחומר. זכוכית המצופה תחמוצת אינדיום ובדיל משמשת בדרך כלל כאלקטרודה הקדמית (השקופה), ואילו האלקטרודה האחורית מצופה מתכת המחזירה את האור. בנוסף, חומרים מוליכים שקופים אחרים, כגון ציפוי בננו-צינורות פחמן או בPEDOT (אנ') יכולים לשמש כאלקטרודה הקדמית.

יישומי התצוגה הם בעיקר פסיביים (כלומר, מתח מונע מקצה התצוגה או מטרנזיסטור בתצוגה). בדומה למגמות LCD, היו גם מסכים של Active Matrix EL (AMEL) (אנ'), בהם מוספים מעגלים להארכת משך הפעלת המתח בכל פיקסל. אופיו המוצק של TFEL מאפשר תצוגה מאוד קשיחה וברזולוציה גבוהה אפילו על מצעי סיליקון. תצוגה של AMEL של 1280x1024 בגובה של יותר מ־1000 קווים לאינץ' (LPI) הודגמה על ידי כמה חברות כולל פלנר סיסטמס.^[5]^[6]

לטכנולוגיות אלקטרולומינסנטיות צריכת חשמל נמוכה בהשוואה לטכנולוגיות תאורה מתחרות, כמו מנורות ניאון או פלואורסצנט. צריכת חשמל נמוכה זו ביחד עם דקות החומר, הפכו את טכנולוגיית EL לבעלת ערך לתעשיית הפרסום. יישומי פרסום רלוונטיים כוללים שלטי חוצות אלקטרולומינסנטיים. יצרני EL מסוגלים לשלוט במדויק אילו אזורים בגיליון אלקטרולומנסנטי מאירים ומתי. זה נתן למפרסמים את היכולת ליצור פרסום דינמי יותר שעדיין תואם למרחבי הפרסום המסורתיים.

שכבת EL היא מה שמכונה רדיאטור למברטי (אנ'): שלא כמו במנורות ניאון, מנורות ליבון או נוריות LED, בהירות פני השטח של שכבת ה-EL אינה כיוונית, היא נראית זהה מכל זוויות הראייה. לכן, קשה להשוותה עם זו של מקורות אור (תרמיים) הנמדדים בלומן או לוקס. האור הנפלט מהשטח הוא הומוגני לחלוטין ותופס היטב את העין. סרט EL מייצר אור בתדר יחיד (מונוכרומטי) שיש לו רוחב פס צר מאוד, הוא אחיד לחלוטין ונראה ממרחק רב.

1966 לוח מכשיר דודג' צ'רג'ר עם תאורה אלקטרולומינסנטית. קרייזלר הציגה לראשונה מכוניות עם תאורת פאנל EL בשנת 1960.

באופן עקרוני ניתן ליצור מנורות EL בכל צבע. עם זאת, הצבע הירקרק הנפוץ תואם בקרוב את רגישות השיא של הראייה האנושית, ומייצר את תפוקת האור הגדולה ביותר לצריכת החשמל הנמוכה ביותר. שלא כמו מנורות ניאון ופלואורסצנט, מנורות EL אינן התקני התנגדות שלילית (אנ'), ולכן אין צורך במעגלים נוספים כדי לווסת את כמות הזרם הזורם דרכם. טכנולוגיה חדשה יותר ליצור מנורות EL מבוססת על זרחן רב-ספקטרלי הפולט אור מ־600 ל־400 ננומטר, תלוי בתדר ההפעלה; זה דומה לאפקט הצבע המשתנה הנראה בגיליון EL של אקווה אך בקנה מידה גדול יותר.

תאורה אלקטרולומינסנטית משמשת לזיהוי לצורך בטיחות הציבור, הכוללת תווים אלפאנומריים על גג הרכבים לצורך ראות ברורה מנקודת מבט אווירית.^[7]

תאורה אלקטרולומינסנטית, ובמיוחד חוט אלקטרולומינסנטי (חוט EL), עשתה גם את דרכה לבגדים שכן מעצבים רבים הביאו טכנולוגיה זו לתעשיית הבידור וחיי הלילה.^[8]

מהנדסים פיתחו "עור" אלקטרולומינסנטי שיכול להימתח יותר משש פעמים מגודלו המקורי תוך שהוא עדיין פולט אור. קבל פולט אור היפר-אלסטי (HLEC) זה יכול לשאת גדול מכפליים עיבור יחסית לזה של תצוגות מתיחות שנבדקו לפניו. הוא מורכב משכבות של אלקטרודות הידרוג'ל (אנ') שקופות, המרבדות גיליון אלסטומר (אנ') מבודד. האלסטומר משנה את הזוהר והקיבול כאשר הוא נמתח, מגולגל או מעוות בצורה אחרת. בנוסף ליכולתו לפלוט אור תחת עיבור של יותר מ־480% מגודלו המקורי, הוכח כי ה-HLEC מסוגל להשתלב במערכת רובוטית רכה (אנ'). שלושה לוחות HLEC של שש-שכבות נקשרו זה לזה ליצירת רובוט רך זוחל, כאשר ארבע השכבות העליונות מרכיבות את העור המואר, והשניים התחתונים הם המפעילים הפנאומטיים. גילוי זה עשוי להוביל להתקדמות משמעותית בתחום שירותי הבריאות, התחבורה, התקשורת האלקטרונית ותחומים אחרים.^[9]

ראו גם

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא אלקטרולומינסנציה בוויקישיתוף

הערות שוליים

^ Raguse, John (15 באפריל 2015). "Correlation of Electroluminescence with Open-CIrcuit Voltage from Thin-Film CdTe Solar Cells". Journal of Photovoltaics. 5 (4): 1175–1178. doi:10.1109/JPHOTOV.2015.2417761free {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: postscript (link)
^ Proceedings of the National Electronics Conference, Volume 17, National Engineering Conference, Inc., 1961 ; page 328
^ Raymond Kane, Heinz Sell, Revolution in lamps: a chronicle of 50 years of progress, 2nd ed., The Fairmont Press, Inc., 2001 ISBN 0881733784, pages 122–124
^ Donald G. Fink and H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition, McGraw-Hill, New York, 1978, ISBN 0-07-020974-X pp 22-28
^ Ron Khormaei, et al., "High Resolution Active Matrix Electroluminescent Display", Society for Information Display Digest, p. 137, 1994.
^ "Active Matrix Electroluminescence (AMEL)" (PDF). אורכב מ-המקור (PDF) ב-2012-07-22.
^ "air-el". Federal Signal. נבדק ב-23 ביולי 2016. {{cite web}}: (עזרה)
^ Diana Eng. "Fashion Geek: Clothes Accessories Tech". 2009.
^ Cornell University (3 במרץ 2016). "Super elastic electroluminescent 'skin' will soon create mood robots". Science Daily. נבדק ב-4 במרץ 2016. {{cite news}}: (עזרה)

[1] Raguse, John (15 באפריל 2015). "Correlation of Electroluminescence with Open-CIrcuit Voltage from Thin-Film CdTe Solar Cells". Journal of Photovoltaics. 5 (4): 1175–1178. doi:10.1109/JPHOTOV.2015.2417761free {{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: postscript (link)

[2] Proceedings of the National Electronics Conference, Volume 17, National Engineering Conference, Inc., 1961 ; page 328

[3] Raymond Kane, Heinz Sell, Revolution in lamps: a chronicle of 50 years of progress, 2nd ed., The Fairmont Press, Inc., 2001 ISBN 0881733784, pages 122–124

[Handbook-4] Donald G. Fink and H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers, Eleventh Edition, McGraw-Hill, New York, 1978, ISBN 0-07-020974-X pp 22-28

[5] Ron Khormaei, et al., "High Resolution Active Matrix Electroluminescent Display", Society for Information Display Digest, p. 137, 1994.

[6] "Active Matrix Electroluminescence (AMEL)" (PDF). אורכב מ-המקור (PDF) ב-2012-07-22.

[7] "air-el". Federal Signal. נבדק ב-23 ביולי 2016. {{cite web}}: (עזרה)

[8] Diana Eng. "Fashion Geek: Clothes Accessories Tech". 2009.

[9] Cornell University (3 במרץ 2016). "Super elastic electroluminescent 'skin' will soon create mood robots". Science Daily. נבדק ב-4 במרץ 2016. {{cite news}}: (עזרה)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]