Een nieuw type light-emitting diode-gloeilamp zou ooit huizen kunnen verlichten en de energierekening kunnen verlagen, volgens Penn State-onderzoekers die suggereren dat LED's gemaakt met structuren die vuurvliegjes nabootsen, de efficiëntie zouden kunnen verbeteren.

"LED-lampen spelen een sleutelrol in schone energie, " zei Stuart (Shizhuo) Yin, hoogleraar elektrotechniek. "De totale commerciële LED-efficiëntie is momenteel slechts ongeveer 50 procent. Een van de grootste zorgen is hoe de zogenaamde lichtextractie-efficiëntie van de LED's kan worden verbeterd. Ons onderzoek richt zich op hoe we licht uit de LED kunnen halen."

Vuurvliegjes en LED's staan ​​voor vergelijkbare uitdagingen bij het vrijgeven van het licht dat ze produceren, omdat het licht naar achteren kan reflecteren en verloren gaat. Een oplossing voor LED's is om het oppervlak te structureren met microstructuren - microscopische projecties - die meer licht laten ontsnappen. Bij de meeste LED's zijn deze projecties symmetrisch, met aan weerszijden identieke hellingen.

De lantaarns van Fireflies hebben ook deze microstructuren, maar de onderzoekers merkten op dat de microstructuren op vuurvlieglantaarns asymmetrisch waren - de zijkanten schuin onder verschillende hoeken, een scheef uiterlijk geven.

"Later merkte ik dat niet alleen vuurvliegjes deze asymmetrische microstructuren op hun lantaarns hebben, maar er werd ook gemeld dat een soort gloeiende kakkerlak soortgelijke structuren op hun gloeiende plekken had, " zei Chang-Jiang Chen, promovendus in elektrotechniek en hoofdauteur van het onderzoek. "Hier probeerde ik wat dieper in te gaan op de studie van de efficiëntie van lichtextractie met behulp van asymmetrische structuren."

Asymmetrische piramides gebruiken om microgestructureerde oppervlakken te creëren, het team ontdekte dat ze de efficiëntie van lichtextractie konden verbeteren tot ongeveer 90 procent. De bevindingen zijn onlangs online gepubliceerd in Optik en verschijnen in de gedrukte editie van april.

Volgens Yin, asymmetrische microstructuren verhogen de lichtextractie op twee manieren. Eerst, het grotere oppervlak van de asymmetrische piramides zorgt voor een grotere interactie van licht met het oppervlak, zodat er minder licht wordt opgevangen. Tweede, wanneer licht de twee verschillende hellingen van de asymmetrische piramides raakt, is er een groter willekeurig effect van de reflecties en krijgt licht een tweede kans om te ontsnappen.

Nadat de onderzoekers computersimulaties gebruikten om aan te tonen dat het asymmetrische oppervlak de lichtextractie theoretisch zou kunnen verbeteren, ze demonstreerden dit vervolgens experimenteel. Met behulp van 3D-printen op nanoschaal, het team creëerde symmetrische en asymmetrische oppervlakken en mat de hoeveelheid uitgestraald licht. Zoals verwacht, het asymmetrische oppervlak liet meer licht vrij.

De markt voor LED-verlichting groeit snel naarmate de vraag naar schone energie toeneemt, en wordt geschat op $ 85 miljard in 2024.

"Tien jaar geleden, je gaat naar Walmart of Lowes, LED's zijn slechts een klein deel (van hun verlichtingsvoorraad), "zei Yin. "Nu, als mensen gloeilampen kopen, de meeste mensen kopen leds."

LED's zijn milieuvriendelijker dan traditionele gloeilampen of fluorescentielampen omdat ze langer meegaan en energiezuiniger zijn.

Twee processen dragen bij aan de algehele efficiëntie van LED's. De eerste is de productie van licht - de kwantumefficiëntie - die wordt gemeten door hoeveel elektronen worden omgezet in licht wanneer energie door het LED-materiaal gaat. Dit onderdeel is al geoptimaliseerd in commerciële LED's. Het tweede proces is om het licht uit de LED te halen - de lichtextractie-efficiëntie genoemd.

"De resterende dingen die we kunnen verbeteren in kwantumefficiëntie zijn beperkt, " zei Yin. "Maar er is veel ruimte om de efficiëntie van de lichtextractie verder te verbeteren."

In commerciële LED's, de gestructureerde oppervlakken zijn gemaakt op saffierwafels. Eerst, UV-licht wordt gebruikt om een ​​gemaskeerd patroon op het saffieroppervlak te creëren dat bescherming biedt tegen chemicaliën. Als er dan chemicaliën worden toegepast, ze lossen de saffier rond het patroon op, het maken van de piramide-array.

"Je kunt er zo over denken, als ik een cirkelvormig gebied bescherm en tegelijkertijd het hele substraat aanval, Ik zou een vulkaanachtige structuur moeten krijgen, ’ legde Chen uit.

Bij conventionele LED's, het productieproces produceert meestal symmetrische piramides vanwege de oriëntatie van de saffierkristallen. Volgens Chen, ontdekte het team dat als ze het blok saffier schuin zagen, hetzelfde proces zou de scheve piramides creëren. De onderzoekers veranderden slechts een deel van het productieproces, wat suggereert dat hun aanpak gemakkelijk kan worden toegepast op de commerciële productie van LED's.

De onderzoekers hebben patent aangevraagd op dit onderzoek.

"Zodra we het patent hebben verkregen, we overwegen samen te werken met fabrikanten in het veld om deze technologie te commercialiseren, " zei Yin.