Zelfs nu de Nobelprijs voor de natuurkunde van 2014 light emitting diodes (LED's) heeft verankerd als de belangrijkste en meest disruptieve energie-efficiënte verlichtingsoplossing van vandaag, wetenschappers over de hele wereld blijven onverminderd zoeken naar de nog betere bollen van morgen.

Voer koolstofelektronica in.

Elektronica op basis van koolstof, vooral koolstofnanobuisjes (CNT's), zijn in opkomst als opvolgers van silicium voor het maken van halfgeleidermaterialen. En ze kunnen een nieuwe generatie van helderder, laag vermogen, goedkope verlichtingsapparaten die de dominantie van light-emitting diodes (LED's) in de toekomst zouden kunnen uitdagen en helpen te voldoen aan de steeds groter wordende vraag van de samenleving naar groenere lampen.

Wetenschappers van de Tohoku University in Japan hebben een nieuw type energiezuinige platte lichtbron ontwikkeld op basis van koolstofnanobuisjes met een zeer laag stroomverbruik van ongeveer 0,1 Watt voor elk uur gebruik - ongeveer honderd keer lager dan dat van een LED.

In het journaal Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten , van AIP-publicatie, de onderzoekers beschrijven de fabricage en optimalisatie van het apparaat, die is gebaseerd op een fosforscherm en enkelwandige koolstofnanobuizen als elektroden in een diodestructuur. Je kunt het zien als een veld van wolfraamfilamenten dat is gekrompen tot microscopisch kleine proporties.

Ze assembleerden het apparaat uit een mengselvloeistof die hoogkristallijne enkelwandige koolstofnanobuizen bevat, gedispergeerd in een organisch oplosmiddel gemengd met een zeepachtige chemische stof die bekend staat als een oppervlakteactieve stof. Vervolgens, ze "schilderden" het mengsel op de positieve elektrode of kathode, en kraste het oppervlak met schuurpapier om een ​​licht paneel te vormen dat een grote, stabiele en homogene emissiestroom met een laag energieverbruik.

"Ons eenvoudige 'diode'-paneel zou een hoge helderheidsefficiëntie van 60 lumen per watt kunnen behalen, die uitstekende mogelijkheden biedt voor een verlichtingsapparaat met een laag stroomverbruik, " zei Norihiro Shimoi, de hoofdonderzoeker en een universitair hoofddocent milieustudies aan de Tohoku University.

Helderheidsefficiëntie vertelt mensen hoeveel licht wordt geproduceerd door een lichtbron bij het verbruiken van een eenheidshoeveelheid elektrisch vermogen, wat een belangrijke index is om de energie-efficiëntie van verschillende verlichtingsapparaten te vergelijken, zei Shimoi. Bijvoorbeeld, LED's kunnen 100 s Lumen per Watt produceren en OLED's (organische LED's) ongeveer 40.

Hoewel het apparaat een diode-achtige structuur heeft, het lichtemitterende systeem is niet gebaseerd op een diodesysteem, die zijn gemaakt van lagen halfgeleiders, materialen die fungeren als een kruising tussen een geleider en een isolator, waarvan de elektrische eigenschappen kunnen worden gecontroleerd door toevoeging van onzuiverheden die doteringen worden genoemd.

De nieuwe apparaten hebben luminescentiesystemen die meer als kathodestraalbuizen werken, met koolstofnanobuisjes die als kathodes fungeren, en een fosforscherm in een vacuümholte die als anode fungeert. Onder een sterk elektrisch veld, de kathode straalt strak uit, hogesnelheidsbundels van elektronen door de scherpe uiteinden van nanobuisjes - een fenomeen dat veldemissie wordt genoemd. De elektronen vliegen dan door het vacuüm in de holte, en raak het fosforscherm in gloeien.

"We hebben ontdekt dat een kathode met hoogkristallijne enkelwandige koolstofnanobuizen en een anode met het verbeterde fosforscherm in onze diodestructuur geen flikkerveldemissiestroom en een goede helderheidshomogeniteit verkreeg, ' zei Shimoi.

Veldemissie-elektronenbronnen trekken de aandacht van wetenschappers vanwege het vermogen om intense elektronenstralen te leveren die ongeveer duizend keer dichter zijn dan conventionele thermionische kathodes (zoals filamenten in een gloeilamp). Dat betekent dat veldemissiebronnen veel minder stroom nodig hebben om te werken en een veel meer gerichte en gemakkelijk controleerbare elektronenstroom te produceren.

In recente jaren, koolstofnanobuizen zijn naar voren gekomen als een veelbelovend materiaal van elektronenveldemitters, dankzij hun naaldvorm op nanoschaal en buitengewone eigenschappen van chemische stabiliteit, thermische geleidbaarheid en mechanische sterkte.

Zeer kristallijne enkelwandige koolstofnanobuizen (HCSWCNT) hebben bijna nul defecten in het koolstofnetwerk aan de oppervlakte, legde Shimoi uit. "De weerstand van de kathode-elektrode met hoogkristallijne enkelwandige koolstofnanobuisjes is erg laag. het nieuwe flatpanel-apparaat heeft een kleiner energieverlies in vergelijking met andere huidige verlichtingsapparaten, die kunnen worden gebruikt om energiezuinige kathoden te maken met een laag stroomverbruik."

"Veel onderzoekers hebben geprobeerd lichtbronnen te construeren met koolstofnanobuizen als veldemitter, "Zei Shimoi. "Maar niemand heeft een gelijkwaardig en eenvoudiger verlichtingsapparaat ontwikkeld."

Gezien de belangrijkste stap voor de fabricage van het apparaat - het natte coatingproces is een goedkoop maar stabiel proces om grote en uniform dunne films te fabriceren, het flat-plane-emissieapparaat heeft het potentieel om een ​​nieuwe benadering van verlichting in de levensstijl van mensen te bieden en de uitstoot van kooldioxide op aarde te verminderen, zei Shimoi.