Ud over LED'er:Lysere, nye energibesparende fladskærmslys baseret på kulstof nanorør

Selvom Nobelprisen i fysik 2014 har fastlagt lysemitterende dioder (LED'er) som den mest betydningsfulde og mest forstyrrende energieffektive belysningsløsning i dag, videnskabsmænd over hele verden fortsætter ufortrødent med at søge efter morgendagens endnu bedre løg.

Indtast kulstofelektronik.

Elektronik baseret på kulstof, især kulstof nanorør (CNT'er), dukker op som efterfølgere til silicium til fremstilling af halvledermaterialer. Og de kan muliggøre en ny generation af lysere, lav strøm, billige belysningsenheder, der kan udfordre dominansen af ​​lysdioder (LED'er) i fremtiden og hjælpe med at imødekomme samfundets stadigt eskalerende efterspørgsel efter grønnere pærer.

Forskere fra Tohoku University i Japan har udviklet en ny type energieffektiv flad lyskilde baseret på kulstof nanorør med et meget lavt strømforbrug på omkring 0,1 Watt for hver times drift - omkring hundrede gange lavere end en LEDs.

I journalen Gennemgang af videnskabelige instrumenter , fra AIP forlag, forskerne detaljerer fremstillingen og optimeringen af ​​enheden, som er baseret på en fosforskærm og enkeltvæggede kulstof nanorør som elektroder i en diodestruktur. Du kan tænke på det som et felt af wolframfilamenter, der er krympet til mikroskopiske proportioner.

De samlede enheden fra en blandingsvæske indeholdende højkrystallinske enkeltvæggede kulstofnanorør dispergeret i et organisk opløsningsmiddel blandet med et sæbelignende kemikalie kendt som et overfladeaktivt middel. Derefter, de "malede" blandingen på den positive elektrode eller katode, og ridsede overfladen med sandpapir for at danne et let panel, der var i stand til at producere en stor, stabil og homogen emissionsstrøm med lavt energiforbrug.

"Vores simple 'diode' panel kunne opnå høj lysstyrkeeffektivitet på 60 Lumen pr. Watt, som rummer fremragende potentiale for en belysningsenhed med lavt strømforbrug, " sagde Norihiro Shimoi, ledende forskeren og en lektor i miljøstudier ved Tohoku University.

Lysstyrkeeffektivitet fortæller folk, hvor meget lys der produceres af en lyskilde, når de forbruger en enhedsmængde elektrisk strøm, som er et vigtigt indeks til at sammenligne energieffektiviteten af ​​forskellige belysningsenheder, sagde Shimoi. For eksempel, LED'er kan producere 100s Lumen pr. Watt og OLED'er (organiske LED'er) omkring 40.

Selvom enheden har en diode-lignende struktur, dets lysemitterende system er ikke baseret på et diodesystem, som er lavet af lag af halvledere, materialer, der fungerer som en krydsning mellem en leder og en isolator, hvis elektriske egenskaber kan kontrolleres ved tilsætning af urenheder kaldet dopingmidler.

De nye enheder har luminescenssystemer, der fungerer mere som katodestrålerør, med kulstof nanorør, der fungerer som katoder, og en phosphorskærm i et vakuumhulrum, der fungerer som anode. Under et stærkt elektrisk felt, katoden udsender tæt, højhastighedsstråler af elektroner gennem dens skarpe nanorørspidser - et fænomen kaldet feltemission. Elektronerne flyver derefter gennem vakuumet i hulrummet, og ramte fosforskærmen til at gløde.

"Vi har fundet ud af, at en katode med højkrystallinske enkeltvæggede kulstofnanorør og en anode med den forbedrede fosforskærm i vores diodestruktur ikke opnåede nogen flimmerfeltemissionsstrøm og god lysstyrkehomogenitet, " sagde Shimoi.

Felt-emissionselektronkilder fanger forskernes opmærksomhed på grund af dens evne til at levere intense elektronstråler, der er omkring tusind gange tættere end konventionel termionisk katode (som glødetråde i en glødepære). Det betyder, at feltemissionskilder kræver meget mindre strøm for at fungere og producerer en meget mere retningsbestemt og let kontrollerbar strøm af elektroner.

I de seneste år, kulstof nanorør er dukket op som et lovende materiale af elektronfeltemittere, på grund af deres nåleform i nanoskala og ekstraordinære egenskaber af kemisk stabilitet, termisk ledningsevne og mekanisk styrke.

Højkrystallinske enkeltvæggede kulstofnanorør (HCSWCNT) har næsten ingen defekter i kulstofnetværket på overfladen, Shimoi forklarede. "Modstanden af ​​katodeelektroder med højkrystallinske enkeltvæggede kulstof nanorør er meget lav. Således, den nye fladskærm har mindre energitab sammenlignet med andre nuværende belysningsenheder, som kan bruges til at lave energieffektive katoder med lavt strømforbrug."

"Mange forskere har forsøgt at konstruere lyskilder med kulstof nanorør som feltemitter, " sagde Shimoi. "Men ingen har udviklet en tilsvarende og enklere belysningsenhed."

I betragtning af det vigtigste trin i fremstillingen af ​​enheden - vådbelægningsprocessen er en billig, men stabil proces til fremstilling af store areal og ensartet tynde film, den flade emissionsenhed har potentiale til at give en ny tilgang til belysning i menneskers livsstil og reducere kuldioxidemissioner på jorden, sagde Shimoi.