Dispositivos electroluminiscentes, ¿qué son y cómo funcionan?

¿Qué es la electroluminiscencia?

Concreta y simplemente, la electroluminiscencia es un fenómeno óptico y eléctrico en el cual se genera luz a partir de una corriente eléctrica. Es un fenómeno muy diferente a la de la incandescencia en la que hay emisión de luz debido a la presencia de energía en forma de calor. Este fenómeno aplicable es usado en varios dispositivos emisores de luz como los LEDs, pero los dispositivos denominados electroluminiscentes -EL- comúnmente se refieren a paneles, OLEDs, películas y cables.

Materiales electroluminiscentes

Los materiales electroluminiscentes son aquellos que contienen una cierta cantidad de material fósforo y emiten una luz al paso de una corriente eléctrica. Cabe aclarar que no debe confundirse el término fósforo -en inglés phosphor- con el elemento fósforo -en inglés phosphorus-; los fósforos se refieren a compuestos que tienen una naturaleza electroluminisciente y no porque estén compuestos con el elemento fósforo. Estos materiales fósforos usualmente contienen un material portador que puede ser óxidos, nitruros, oxinitruros, silicatos, sulfuros, seleniuros, haluros u oxihaluros, dopados con pequeñas cantidades de iones activadores de tierras raras o iones de metales de transición.

Los iones activadores actúan como emisores o centros luminiscentes y poseen niveles energéticos que pueden ser activados por excitación directa o indirecta por transferencia de energía a través de algún lugar de la estructura del material portador para que la emisión de luz ocurra, por lo que un fósforo adecuado debe absorber la energía de excitación y después emitir luz rápida y eficientemente como sea posible. El tiempo que transcurre entre la excitación y la emisión debe ser lo suficientemente pequeño para evitar destellos.

Para que ocurra la iluminación, la excitación de los fósforos se consigue mediante la aplicación de campos eléctricos intensos a altas frecuencias.

Dispositivos electroluminiscentes

En el siguiente video se muestra cómo funciona una lámpara a partir del fenómeno descrito anteriormente y posteriormente se muestran algunos de los dispositivos electroluminiscentes más comunes.

 

OLEDs -Organic LEDs-

Este es un dispositivo que también se considera electroluminiscente debido al modo en que se encuentra las capas que lo componen, en un arreglo de emparedado, Los OLEDs emplean dos capas muy delgadas que funcionan como electrodos y entre ellas hay más películas delgadas de material fósforo, por lo que puede emitir más luz. El adjetivo orgánico se deriva por la presencia en dichas películas de moléculas que en su estructura contienen carbono e hidrógeno y que en general no contienen metales pesados.

Las películas semiconductoras se subdividen en pixeles y cada una funciona como un LED, mientras que otra capa posee una matriz de conductores para direccionar a cada pixel. Además, existen dos tipo tipos de matrices las cuales se mencionan a continuación:

  • Matrices activas. En este tipo de matrices, cada pixel está apoyado en una película de transistores que almacenan los estados de cada pixel mientras hay transiciones de voltaje cuando se energizan.
  • Matrices pasivas. Cada par de conductores simplemente proporcionan corriente al pixel, por lo que es más barato y relativamente más fácil de fabricar.

Además del tipo de matriz que contengan los OLEDs, hay dos tipos de OLEDs dependiendo del color que emitan:

  • OLEDs monocromáticos. En estos los caracteres desplegados en los colores blanco y negro. Superficialmente son similares a los módulos LCD.
  • OLEDs policromáticos. Son OLEDs que despliegan una gran variedad de colores y se encuentran en los teléfonos inteligentes, en las pantallas de las cámaras.

A pesar de la gran versatilidad que poseen, las técnicas de desarrollo y fabricación para dispositivos más grandes como televisores aún no son costeables.

Paneles

Estos objetos usan polvo fósforo que vistos en el microscopio son cristales. Este polvo se encuentra en una capa y tanto debajo como sobre esa capa se encuentran otras dos películas que funcionan como electrodos los cuales, al aplicarles una diferencia de potencial ,generan una luminiscencia continua no muy intensa sobre el área de capa. Para que funcione, se requieren al menos 75 V ya sea en CA o CD, pero eso dependerá del fabricante y de otras especificaciones. Las aplicaciones más comunes de estos paneles son letreros para la noche y letreros de salida o de alguna otra indicación.

Algunas de las ventajas de los paneles electroluminiscentes son:

  • Bajo consumo de corriente.
  • Vida larga, hasta de 50,000 horas.
  • Regulación propia, por lo que no se requiere un circuito de control.
  • Emisión de luz omnidireccional.
  • Opera en un rango de temperatura amplio, desde -60°C hasta 90°C.
  • Pueden usarse en exteriores.

Por otra parte, las desventajas son:

  • Emisión de luz limitada.
  • No hay una gran variedad de colores.
  • Poca eficiencia, alrededor de 2 a 6 lumens por watt (dado que la luz no es muy intensa, la potencia eléctrica suele también ser baja)
  • Se requieren altos voltajes, desde 60 V hasta 600 V.

Cables

La estructura del cable EL consiste en un núcleo conductor de cobre que funciona como electrodo y éste está cubierto con un material fósforo que a su vez está cubierta por un forro de plástico transparente. Unos cables muy pequeños se encuentran alrededor del forro de plástico transparente en espiral, con espacios entre sí; éstos cables funcionan como un segundo electrodo. Finalmente ese forro de plástico transparente está cubierto por un forro de color de PVC.

Cuando se aplica una diferencia de potencial, la capa fósforo emite luz entre los espacios de los cables al crearse un campo eléctrico. Una de las ventajas de estos cables es que requieren un voltaje pequeño para poder funcionar; algunos funcionan a partir de 1.5 V hasta 18 V.

En este enlace se puede ver cómo cortar un cable EL para adecuarlo a la longitud que se necesite y cómo adaptarle conectores para conectarlo y energizarlo.

 

¿Para qué sirve el inversor?

El inversor que se usa en un cable EL sirve para proporcionar la frecuencia necesaria al cable para que éste brille. Dependiendo de la frecuencia, mientras más alta sea, mayor brillo proporcionará el cable y su vida útil se reducirá; en cambio, si la frecuencia es menor, el brillo será menor pero la vida útil del cable será más larga. Por supuesto, deberá escogerse el inversor dependiendo de la longitud del cable y de la frecuencia que quiera emplearse.

En los siguientes enlaces puede hallar más datos acerca de los materiales electroluminiscentes, así como de los cables EL:

https://en.wikipedia.org/wiki/Phosphor
https://en.wikipedia.org/wiki/Activator_%28phosphor%29
http://www.sigmaaldrich.com/materials-science/material-science-products.html?TablePage=112202335
http://openmaterials.org/materials-101-el-wire/
http://www.nano-tecnologia.cl/img/difusion/6.pdf

 

Por otra parte puedes consultar en este libro la sección relacionanda con los electroluminiscentes:

 

Platt, Charles, Encyclopedia of Electronics Components. Power Sources & Conversion, Volume 2, O'Reilly Media Inc., U.S.A., Pages 243-247.

 

Uriel Méndez

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