MATERIAŁY ELEKTROLUMINESCENCYJNE
(ELECTROLUMINESCENT MATERIALS)

Materiały elektroluminescencyjne zaliczamy do grupy materiałów inteligentnych emitujących światło.

Elektroluminescencja jest unikatową zdolnością niektórych substancji do emitowania światła, kiedy płynie przez nie prąd (występuje różnica potencjałów). Przy emisji światła nie wydziela się ciepło. Wszystkie substancje elektroluminescencyjne są jednocześnie materiałami fotoluminescencyjnymi, tzn. emitują światło także pod wpływem działania światła o odpowiedniej długości fali.

Materiały elektroluminescencyjne

Pod wpływem działania pola elektrycznego, elektrony i tzw. "dziury" (ekwiwalenty kationów) przemieszczają się w kierunku przeciwnym do siebie (w obszarze materiału znajdującego się między elektrodami). Zamiana miejsc pomiędzy elektronami a dziurami wywołuje wyzwolenie energii, co z kolei powoduje umieszczenie elektronów w specjalnych związkach (elektrolumofory). Relaksacja wzbudzonego stanu w elektrolumoforach powoduje emisję światła. Takie "urządzenie" zdolne do emisji światła nazywamy LED (Light-Emitting Diode) lub OLED (Organic Light-Emitting Diode) - jeśli elektrolumofor jest związkiem organicznym.

Idea mechanizmu elektroluminescencji

Jedna z elektrod (po prawej stronie na rysunku powyżej) jest przezroczysta - dzięki temu emitowane światło jest zauważalne. Materiał znajdujący się pomiędzy elektrodami jest izolatorem - w przypadku substancji nieorganicznych może to być np. siarczek cynku ZnS, siarczek strontu SrS, siarczek wapnia CaS, selenek kadmu CdSe lub CaGa2S4.

Materiały elektroluminescencyjne znane są od około 1930 roku, ale ich masowa produkcja rozpoczęła się dopiero po roku 1980, głównie z powodu zastosowania wielu innowacji i udoskonaleń.

Jako substancje elektroluminescencyjne najczęściej stosowane są związki organiczne, mogą to być m.in.:

W przypadku zastosowań materiałów elektroluminescencyjnych do płaskich wyświetlaczy, wiodącą rolę pełni trój-(8-hydroksychinolina ) glinu:

W 2002 roku na Uniwersytecie Amsterdamskim (we współpracy z firmą Philips) po raz pierwszy otrzymano urządzenie wykorzystujące substancję elektroluminescencyjną, zdolną do zmiany koloru emitowanego światła (czerwony - zielony), w zależności od przyłożonego napięcia i kierunku przepływu prądu. Dodatkowym atutem jest intensywność i "czystość" przybieranego koloru.

Dotychczas osiągnięta najmniejsza grubość płaskiego urządzenia elektroluminescencyjnego wynosi 100 nm (dużo mniej niż grubość włosa).

Urządzenie elektroluminescencyjne o grubości 100 nm

W tabeli poniżej przedstawiono typowe charakterystyki materiału elektroluminescencyjnego (częstotliwość emisji i energia emitowanego światła):

Częstotliwość emisji, kolor i energia emitowanego światła

Ze względu na swoje ciekawe własności i niezaprzeczalne zalety, materiały elektroluminescencyjne znajdują szerokie zastosowanie. Największy wzrost ich produkcji przypadł na lata 80. XX wieku, co wiązało się ze osiągniętym skokiem technologicznym; w ciągu najbliższych lat należy się spodziewać kilkakrotnego wzrostu produkcji i sprzedaży towarów opierających się na własności elektroluminescencji.

Typowa budowa urządzenia dla zastosowania przy budowie lamp

- lampy jarzeniowe

Cechy: relatywnie duży pobór prądu, bardzo mała odporność na drgania, niska cena.

- diody emitujące światło (LED)

Cechy: niskie koszty, długi czas pracy, stabilność pracy, ograniczenia w kolorach (np. brak koloru białego), relatywnie duży pobór prądu.

- neony

Cechy: wymagają dużego napięcia, kruche szkło, nie można stosować blisko artykułów spożywczych, drogie naprawy

Zakres stosowania lamp:

- elektronika i tylne światła

Wyświetlacze do telefonów komórkowych i pagerów, palmtopy, różne elementy elektroniki, nocne światła tylne

- oświetlenie do samochodów i urządzeń lotniczych

Elementy dekoracyjne do samochodów (zewnętrzne i wewnętrzne)

- znaki i reklamy

Tzw. Bezpieczne znaki, migające reklamy

- architektura i dekoracja

Unikatowe oświetlenie zewnętrzne i wewnętrzne

Polimery elektroluminescencyjne, inaczej polimery emitujące światło (LEP, z ang. Light Emitting Polymers) to polimery emitujące światło pod wpływem przyłożonego do nich napięcia elektrycznego.

Materiały te są polimerami o układach sprzężonych (ang. conjugated polymers), jak np. polipirol czy polianilina i znane są od ponad 100 lat. Jednak dopiero badania prowadzone od trzydziestu lat na polifenylenowinylenie (PPV) umożliwiły skonstruowanie organicznych diod elektroluminescencyjnych OLED (ang. Organic Light Emitting Diodes), w miarę efektywnie przetwarzających energię elektryczną na światło.

Ekrany polimerowe czyli wyświetlacze wykonane z LEP mają wiele zalet w porównaniu z wyświetlaczami LCD. Nie wymagają podświetlenia, dzięki czemu mogą być cieńsze (kilkadziesiąt mikrometrów) i lżejsze oraz bardziej energooszczędne, są bardziej wytrzymałe mechanicznie, duży kąt obserwacji (do 180 stopni), małe napięcie sterujące (kilka V), są też tańsze i proste w produkcji. Obecnie wyświetlacze w technologii LEP stosowane są w telefonach komórkowych, notatnikach elektronicznych oraz systemach wideo. W przyszłości zastosowane zostaną do dużych wyświetlaczy np. w reklamach typu billboard.