«Светодиодные лампы играют ключевую роль в экологически чистой энергии», – сказал Стюарт (Шичжуо) Инь, профессор электротехники. «Общая эффективность коммерческих светодиодов в настоящее время составляет всего около 50 процентов. Одна из основных проблем заключается в том, как улучшить так называемую эффективность вывода света из светодиодов. Наше исследование сосредоточено на том, как получить свет от светодиода."
Светлячки и светодиоды сталкиваются с аналогичными проблемами при испускании света, который они излучают, потому что свет может отражаться в обратном направлении и теряется.
Одним из решений для светодиодов является текстурирование поверхности с помощью микроструктур – микроскопических выступов, которые позволяют пропускать больше света. У большинства светодиодов эти выступы симметричны, с одинаковыми наклонами с каждой стороны.
Фонарики светлячков также имеют эти микроструктуры, но исследователи заметили, что микроструктуры на фонарях светлячков были асимметричными – стороны были наклонены под разными углами, создавая однобокий вид.
«Позже я заметил, что не только у светлячков есть эти асимметричные микроструктуры на своих фонарях, но также сообщалось, что у светящихся тараканов есть похожие структуры на их светящихся пятнах», – сказал Чан-Цзян Чен, докторант по электротехнике и ведущий автор книги. изучение. «Здесь я попытался немного глубже изучить эффективность вывода света с помощью асимметричных структур."
Используя асимметричные пирамиды для создания микроструктурированных поверхностей, команда обнаружила, что они могут повысить эффективность вывода света примерно до 90 процентов. Результаты были недавно опубликованы в Интернете в Optik и появятся в апрельском печатном издании.
Согласно Инь, асимметричные микроструктуры увеличивают светоотдачу двумя способами. Во-первых, большая площадь поверхности асимметричных пирамид позволяет большему взаимодействию света с поверхностью, так что меньше света задерживается. Во-вторых, когда свет попадает на два разных склона асимметричных пирамид, возникает больший эффект рандомизации отражений, и свет получает второй шанс ускользнуть.
После того, как исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы показать, что асимметричная поверхность теоретически может улучшить вывод света, они продемонстрировали это экспериментально. Используя наноразмерную 3D-печать, команда создала симметричные и асимметричные поверхности и измерила количество излучаемого света.
Как и ожидалось, асимметричная поверхность позволяла испускать больше света.
Рынок светодиодного освещения быстро растет по мере увеличения спроса на чистую энергию и, по оценкам, к 2024 году достигнет 85 миллиардов долларов.
«Десять лет назад вы приходили в Walmart или Lowes, светодиоды составляли лишь небольшую часть (их осветительного оборудования)», – сказал Инь. "Теперь, когда люди покупают лампочки, большинство людей покупают светодиоды."
Светодиоды более экологичны, чем традиционные лампы накаливания или люминесцентные лампы, потому что они более долговечны и более энергоэффективны.
Два процесса способствуют общей эффективности светодиодов. Первый – это производство света – квантовая эффективность, которая измеряется тем, сколько электронов преобразуется в свет, когда энергия проходит через материал светодиода.
Эта часть уже оптимизирована в коммерческих светодиодах. Второй процесс – это получение света из светодиода, который называется эффективностью вывода света.
«Остальные вещи, которые мы можем улучшить в области квантовой эффективности, ограничены», – сказал Инь. "Но есть много места для дальнейшего повышения эффективности вывода света."
В коммерческих светодиодах текстурированные поверхности выполнены на сапфировых пластинах. Во-первых, ультрафиолетовое излучение используется для создания маскирующего рисунка на сапфировой поверхности, обеспечивающего защиту от химикатов. Затем, когда применяются химические вещества, они растворяют сапфир вокруг узора, создавая массив пирамид.
«Вы можете подумать об этом так: если я защищу круговую область и в то же время атакую весь субстрат, у меня должна получиться структура, похожая на вулкан», – объяснил Чен.
В обычных светодиодах в процессе производства обычно получаются симметричные пирамиды из-за ориентации кристаллов сапфира. По словам Чена, команда обнаружила, что если они разрежут блок сапфира под наклоном, тот же процесс создаст кривые пирамиды. Исследователи изменили только одну часть производственного процесса, предположив, что их подход может быть легко применен к коммерческому производству светодиодов.
Исследователи подали заявку на патент на это исследование.
«После получения патента мы рассматриваем возможность сотрудничества с производителями в этой области для коммерциализации этой технологии», – сказал Инь.
Другими исследователями, работавшими над проектом, были Джимми Яо, Венбин Чжу, Джу-Хун Чао, Аннан Шан и Юн-Гу Ли, докторанты в области электротехники.