Firefly-inspirerede overflader forbedrer effektiviteten af ​​LED-pærer

En ny type lysdiodepære kunne en dag lyse hjem og reducere strømregningen, ifølge Penn State forskere, der foreslår, at LED'er lavet med ildflue-lignende strukturer kunne forbedre effektiviteten.

"LED-pærer spiller en nøglerolle i ren energi, " sagde Stuart (Shizhuo) Yin, professor i elektroteknik. "Samlet kommerciel LED-effektivitet er i øjeblikket kun omkring 50 procent. En af de største bekymringer er, hvordan man kan forbedre den såkaldte lysudvindingseffektivitet af LED'erne. Vores forskning fokuserer på, hvordan man får lys ud af LED'en."

Ildfluer og LED'er står over for lignende udfordringer med at frigive det lys, de producerer, fordi lyset kan reflekteres bagud og går tabt. En løsning til LED'er er at teksturere overfladen med mikrostrukturer - mikroskopiske fremspring - der tillader mere lys at slippe ud. I de fleste LED'er er disse projektioner symmetriske, med identiske skråninger på hver side.

Ildfluers lanterner har også disse mikrostrukturer, men forskerne bemærkede, at mikrostrukturerne på ildfluelanterner var asymmetriske - siderne skrå i forskellige vinkler, giver et skævt udseende.

"Senere bemærkede jeg ikke kun, at ildfluer har disse asymmetriske mikrostrukturer på deres lanterner, men en slags glødende kakerlak blev også rapporteret at have lignende strukturer på deres glødende pletter, " sagde Chang-Jiang Chen, doktorand i elektroteknik og hovedforfatter på studiet. "Det er her, jeg forsøgte at gå lidt dybere ind i studiet af lysudvindingseffektivitet ved hjælp af asymmetriske strukturer."

Brug af asymmetriske pyramider til at skabe mikrostrukturerede overflader, holdet fandt ud af, at de kunne forbedre lysudsugningseffektiviteten til omkring 90 procent. Resultaterne blev for nylig offentliggjort online i Optik og vil blive vist i april-printudgaven.

Ifølge Yin, asymmetriske mikrostrukturer øger lysudvindingen på to måder. Først, det større overfladeareal af de asymmetriske pyramider tillader større interaktion af lys med overfladen, så der fanges mindre lys. Sekund, når lys rammer de to forskellige skråninger af de asymmetriske pyramider, er der en større randomiseringseffekt af refleksionerne, og lyset får en ny chance for at undslippe.

Efter at forskerne brugte computerbaserede simuleringer til at vise, at den asymmetriske overflade teoretisk kunne forbedre lysudvindingen, det demonstrerede de derefter eksperimentelt. Ved at bruge 3D-print i nanoskala, holdet skabte symmetriske og asymmetriske overflader og målte mængden af ​​udsendt lys. Som forventet, den asymmetriske overflade tillod mere lys at blive frigivet.

Det LED-baserede belysningsmarked vokser hurtigt i takt med at efterspørgslen efter ren energi stiger, og anslås at nå $85 milliarder i 2024.

"Ti år siden, du går til Walmart eller Lowes, LED'er er kun en lille del (af deres belysningsbestand), " sagde Yin. "Nu, når folk køber pærer, de fleste køber LED'er."

LED'er er mere miljøvenlige end traditionelle glødepærer eller fluorescerende pærer, fordi de er længerevarende og mere energieffektive.

To processer bidrager til den samlede effektivitet af LED'er. Den første er produktionen af ​​lys - kvanteeffektiviteten - som måles ved, hvor mange elektroner der omdannes til lys, når energi passerer gennem LED-materialet. Denne del er allerede blevet optimeret i kommercielle LED'er. Den anden proces er at få lyset ud af LED'en - kaldet lysudvindingseffektiviteten.

"De resterende ting, vi kan forbedre i kvanteeffektivitet, er begrænsede, " sagde Yin. "Men der er meget plads til yderligere at forbedre lysudsugningseffektiviteten."

I kommercielle LED'er, de teksturerede overflader er lavet på safirskiver. Først, UV-lys bruges til at skabe et maskeret mønster på safiroverfladen, der giver beskyttelse mod kemikalier. Når der så påføres kemikalier, de opløser safiren omkring mønsteret, skabe pyramiderækken.

"Du kan tænke over det på denne måde, hvis jeg beskytter et cirkulært område og samtidig angriber hele underlaget, Jeg burde få en vulkanlignende struktur, " forklarede Chen.

I konventionelle LED'er, produktionsprocessen producerer normalt symmetriske pyramider på grund af orienteringen af ​​safirkrystallerne. Ifølge Chen, holdet opdagede, at hvis de skar safirblokken i en skrå vinkel, den samme proces ville skabe de skæve pyramider. Forskerne ændrede kun én del af produktionsprocessen, antyder, at deres tilgang nemt kan anvendes til kommerciel fremstilling af LED'er.

Forskerne har søgt patent på denne forskning.

"Når vi har fået patentet, vi overvejer at samarbejde med producenter på området for at kommercialisere denne teknologi, " sagde Yin.