Licht umgibt uns überall, doch die Art und Weise, wie es erzeugt wird, ist vielfältig. Eine besonders faszinierende Methode ist die Elektrolumineszenz. Dieses Phänomen beschreibt die Eigenschaft bestimmter Materialien, Licht zu emittieren, wenn sie einem elektrischen Strom oder einem ausreichend starken elektrischen Feld ausgesetzt werden. Es ist keine brandneue Entdeckung; tatsächlich fand diese Technologie bereits früh Anwendung, beispielsweise als Chrysler schon 1960 elektrolumineszente Paneele in seinen Fahrzeugen verbaute. Ein charakteristisches Merkmal ist die Art des Lichts, das emittiert wird – oft mit einer Ähnlichkeit zu dem von Neonröhren bekannten Leuchten.
Wie funktioniert Elektrolumineszenz?
Der physikalische Prozess hinter der Elektrolumineszenz ist tief in der Quantenmechanik verwurzelt und basiert auf der sogenannten radiativen Rekombination, die als spontane Emission bekannt ist. Dabei wechselt ein Quantensystem, beispielsweise ein Atom oder ein Molekül, von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie. Bei diesem Übergang wird ein Energiequant in Form eines Photons freigesetzt. Ein Photon ist das fundamentale Teilchen der elektromagnetischen Strahlung, zu der auch sichtbares Licht gehört. Es hat keine Masse und bewegt sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit.
Einfacher ausgedrückt könnte man Elektrolumineszenz als den Prozess beschreiben, bei dem ein phosphoreszierendes Material Licht emittiert, wenn elektrische Energie angelegt wird. Es ist wichtig zu verstehen, dass der Begriff „phosphoreszierend“ in diesem Zusammenhang nicht bedeutet, dass das Material das chemische Element Phosphor enthält. Vielmehr bezieht er sich auf die Fähigkeit des Materials, Licht zu erzeugen, wenn es elektrisch angeregt wird.
Technisch gesehen ist Elektrolumineszenz das Ergebnis der radiativen Rekombination von Elektronen und Löchern in einem Material, üblicherweise einem Halbleiter. Die angeregten Elektronen geben ihre Energie als Photonen – also Licht – ab. Vor der Rekombination können Elektronen und Löcher getrennt werden, entweder durch Dotierung des Materials zur Bildung eines p-n-Übergangs (wie bei Halbleiter-Elektrolumineszenz-Bauelementen wie Leuchtdioden) oder durch Anregung mittels hochenergetischer Elektronen, die durch ein starkes elektrisches Feld beschleunigt werden (wie bei den Phosphoren in Elektrolumineszenz-Displays). Es wurde kürzlich gezeigt, dass eine Solarzelle, die ihre Effizienz bei der Umwandlung von Licht in Strom verbessert (verbesserte Leerlaufspannung), auch ihre Effizienz bei der Umwandlung von Strom in Licht (EL-Effizienz) verbessert.
Anwendungen und Vielseitigkeit der Elektrolumineszenz
Die Elektrolumineszenz bietet unzählige Anwendungsmöglichkeiten, viele davon sind uns im Alltag begegnet, ohne dass wir uns dessen bewusst waren. Am häufigsten findet man sie in Armaturenbrettern von Autos, bei der Hintergrundbeleuchtung kleiner LCD-Bildschirme und in verschiedenen Arten von Schildern. Ein entscheidender Vorteil elektrolumineszenter Materialien ist ihre hohe Anpassungsfähigkeit an verschiedene Formen. Sie können als dünnste Streifen, Drähte oder komplexe geometrische Formen gefertigt werden, die fast zweidimensional wirken. Diese Eigenschaft macht sie ideal für die Integration in Produkte, bei denen Flexibilität und geringe Dicke gefragt sind. Aus diesem Grund werden sie zunehmend in Spielzeug, Schmuck oder Modeaccessoires integriert.
Auch im Bereich der öffentlichen Sicherheit gibt es neue Anwendungen. Elektrolumineszente Beleuchtung wird beispielsweise für die Kennzeichnung von Fahrzeugdächern mit alphanumerischen Zeichen verwendet, um eine klare Sichtbarkeit aus der Luft zu gewährleisten. Besonders der elektrolumineszente Draht (EL Wire) hat seinen Weg in die Mode gefunden, wo Designer diese Technologie für die Unterhaltungs- und Nachtlebenindustrie nutzen. Ein bekanntes Beispiel war das T-Qualizer T-Shirt, das ab 2006 eine Zeit lang populär war und ein elektrolumineszentes Panel im Stil eines Audio-Equalizers zeigte.
Eine bahnbrechende Entwicklung ist die Schaffung einer elektrolumineszenten „Haut“, die sich auf mehr als das Sechsfache ihrer ursprünglichen Größe dehnen kann und dabei weiterhin Licht emittiert. Dieser hyperelastische lichtemittierende Kondensator (HLEC) kann mehr als die doppelte Dehnung aushalten als bisher getestete dehnbare Displays. Er besteht aus Schichten transparenter Hydrogel-Elektroden, die eine isolierende Elastomerschicht umschließen. Das Elastomer verändert beim Dehnen, Rollen und anderen Verformungen seine Luminanz und Kapazität. Diese HLEC-Technologie wurde bereits erfolgreich in ein weiches Robotersystem integriert. Drei sechsschichtige HLEC-Paneele wurden zusammengefügt, um einen kriechenden Soft-Roboter zu bilden, wobei die oberen vier Schichten die leuchtende Haut und die unteren beiden die pneumatischen Aktuatoren bildeten. Diese Entdeckung könnte zu bedeutenden Fortschritten in den Bereichen Gesundheitswesen, Transport, elektronische Kommunikation und anderen führen.
Vorteile und Nachteile
Wie jede Technologie hat auch die Elektrolumineszenz ihre Stärken und Schwächen.
Zu den wichtigsten Vorteilen der Elektrolumineszenz gehören:
- Sehr geringer Stromverbrauch im Vergleich zu konkurrierenden Lichttechnologien wie Neon- oder Leuchtstofflampen.
- Hohe Langlebigkeit.
- Das Licht wird in alle Richtungen abgestrahlt (sie ist ein Lambert-Strahler), was bedeutet, dass die Helligkeit der Oberfläche aus allen Blickwinkeln gleich erscheint und das Licht nicht gerichtet ist.
- Betrieb in einem weiten Temperaturbereich von -60°C bis 90°C möglich.
- Die dünne Form ist ideal für viele Anwendungen.
- Die Oberfläche ist perfekt homogen und wird vom Auge gut wahrgenommen.
- Sie erzeugt monochromes Licht mit schmaler Bandbreite, das aus großer Entfernung sichtbar ist.
- Es wird keine zusätzliche Schaltung zur Stromregelung benötigt, anders als bei Neon- oder Leuchtstofflampen.
Andererseits gibt es auch Nachteile:
- Ihre Lichtemission ist gering.
- Ihr Wirkungsgrad ist eher gering.
- Sie benötigen in der Regel hohe Spannungen für den Betrieb.
Spezifische Implementierungen
Es gibt verschiedene Technologien, die auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz basieren oder damit verwandt sind:
Die Thick-Film Dielectric Electroluminescent Technology (TDEL) ist eine phosphorbasierte Flachbildschirmtechnologie. Sie basiert auf anorganischer Elektrolumineszenz (IEL) und kombiniert Dick- und Dünnfilmprozesse. Die TDEL-Struktur wird auf Glas oder anderen Substraten aufgebaut und besteht aus einer dicken dielektrischen Schicht und einer dünnen Phosphorschicht, die zwischen zwei Elektrodensätzen eingebettet sind, um eine Matrix von Pixeln zu bilden. Anorganische Phosphore innerhalb dieser Matrix emittieren Licht in Gegenwart eines Wechselfeldes.
Eine weitere Entwicklung ist Color By Blue (CBB), das im Jahr 2003 entwickelt wurde. Der CBB-Prozess erreicht eine höhere Luminanz und bessere Leistung als frühere Verfahren, mit erhöhtem Kontrast, besserer Graustufenwiedergabe und Farbgleichmäßigkeit über das gesamte Panel. Obwohl der Name auf Farbe hindeutet, basiert diese Methode auf der Physik der Photolumineszenz. Dabei wird ein hochluminanter anorganischer blauer Phosphor in Kombination mit speziellen Farbkonversionsmaterialien verwendet. Diese Materialien absorbieren das blaue Licht und emittieren rotes oder grünes Licht, um die anderen Farben zu erzeugen.
Elektrolumineszenz-Messung
Neben der Lichterzeugung gibt es auch Messverfahren, die auf der Elektrolumineszenz basieren. Bei der Elektrolumineszenz-Messung wird von außen Spannung an Solarmodule angelegt. Dies dient dazu, stromleitende Stellen festzustellen. So können beispielsweise Risse infolge von Transportschäden aufgespürt werden, die mit bloßem Auge nicht erkennbar sind. Für diese Messungen stehen spezielle Kameras zur Verfügung, die stichprobenartig eingesetzt werden.
Vergleich mit anderen Lichtquellen
Es ist aufschlussreich, Elektrolumineszenz mit anderen bekannten Lichtquellen zu vergleichen. Traditionelle Glühbirnen erzeugen Licht durch Erhitzung eines Drahtes, was zu einer starken Wärmeabstrahlung (infrarotes Licht) führt. Nur etwa 5% der eingespeisten Energie werden in sichtbares Licht umgewandelt, der Rest ist Wärme. LEDs sind hier deutlich effizienter und wandeln bis zu 50% der Energie in Licht um, wobei die meiste Infrarotstrahlung vermieden wird. Allerdings erzeugen auch LEDs als Halbleiter Verlustwärme, die abgeführt werden muss. Elektrolumineszente Technologien haben einen geringen Stromverbrauch im Vergleich zu Neon- oder Leuchtstofflampen und benötigen keine zusätzliche Schaltung zur Stromregelung. Während viele Lichtquellen wie LEDs oder Glühlampen gerichtetes Licht emittieren, ist elektrolumineszentes Licht ein Lambert-Strahler, der eine gleichmäßige Helligkeit aus allen Blickwinkeln bietet. Dies macht es besonders geeignet für Anwendungen, bei denen eine diffuse, gleichmäßige Beleuchtung gewünscht ist, wie z.B. bei Schildern oder Hintergrundbeleuchtungen.
Häufig gestellte Fragen zur Elektrolumineszenz
- Ist Elektrolumineszenz eine neue Technologie?
Nein, die Technologie ist nicht neu. Sie wurde bereits in den 1960er Jahren kommerziell genutzt, zum Beispiel in Fahrzeugen von Chrysler. - Was bedeutet es, wenn ein Material als „phosphoreszierend“ im Zusammenhang mit Elektrolumineszenz bezeichnet wird?
Es bedeutet nicht, dass das Material das chemische Element Phosphor enthält. Es bezieht sich vielmehr auf die Fähigkeit des Materials, Licht zu erzeugen, wenn elektrische Energie angelegt wird. - Wo wird Elektrolumineszenz typischerweise eingesetzt?
Häufige Anwendungen sind Armaturenbretter in Autos, Hintergrundbeleuchtungen für kleine LCD-Bildschirme, verschiedene Arten von Schildern, Spielzeug, Schmuck und Modeaccessoires. Neuere Anwendungen umfassen Sicherheitskennzeichnungen auf Fahrzeugen und dehnbare „Haut“ für Roboter. - Was sind die Hauptvorteile von Elektrolumineszenz?
Zu den Vorteilen zählen geringer Stromverbrauch, hohe Langlebigkeit, Abstrahlung des Lichts in alle Richtungen (Lambert-Strahler), Betrieb in einem weiten Temperaturbereich und die Möglichkeit, dünne und flexible Formen zu erstellen. - Gibt es Nachteile bei der Elektrolumineszenz?
Ja, die Lichtemission ist gering, der Wirkungsgrad ist ebenfalls eher niedrig, und es werden in der Regel hohe Spannungen für den Betrieb benötigt. - Wie wird Elektrolumineszenz in Solaranlagen genutzt?
Sie wird zur Messung verwendet, indem Spannung angelegt wird, um stromleitende Stellen und unsichtbare Risse in den Modulen zu erkennen. - Strahlt elektrolumineszentes Licht gerichtet ab?
Nein, es ist ein sogenannter Lambert-Strahler, was bedeutet, dass die Helligkeit aus allen Blickwinkeln gleich erscheint und das Licht homogen und diffus ist. - Kann elektrolumineszentes Material gedehnt werden?
Ja, mit Technologien wie HLEC (hyperelastischer lichtemittierender Kondensator) wurde eine dehnbare elektrolumineszente „Haut“ entwickelt.
Wie Sie sehen, ist die Elektrolumineszenz ein faszinierendes physikalisches Phänomen mit einer reichen Geschichte und einer Vielzahl von Anwendungen. Von der Beleuchtung im Auto über flexible Displays bis hin zu potenziellen Anwendungen in der Robotik und darüber hinaus ermöglicht diese Technologie die Entwicklung immer ausgefeilterer und überraschender Anwendungen, die unser tägliches Leben auf vielfältige Weise beeinflussen.
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