Un nuovo tipo di lampadina a LED potrebbe presto illuminare le nostre case riducendo le bollette, secondo i risultati comunicati da Optik.
“Le lampadine a LED svolgono un ruolo chiave nell’energia pulita“, afferma Stuart (Shizhuo) Yin, professore di ingegneria elettrica presso la Penn State. “L’efficienza complessiva dei LED commerciali è attualmente solo del 50 percento circa. Una delle maggiori preoccupazioni è come migliorare la cosiddetta efficienza dell’estrazione della luce dei LED. La nostra ricerca si concentra su come ottenere la luce dai LED“.
Le lucciole e i LED affrontano sfide simili nell’emettere la luce che producono perché la luce può riflettersi all’indietro e perdersi.
Una soluzione per i LED consiste nel tessere la superficie con microstrutture – proiezioni microscopiche – che consentono a più luce di fuoriuscire. Nella maggior parte dei LED queste proiezioni sono simmetriche, con pendenze identiche su ciascun lato.
Anche le lucciole hanno anche queste microstrutture, ma con i lati asimmetrici che si inclinano a diversi angoli, assumendo un aspetto sbilenco.
“Ho notato che non solo le lucciole hanno queste microstrutture asimmetriche sulle loro lanterne, ma è stato anche riportato che una sorta di scarafaggio incandescente possiede strutture simili sui suoi punti luminosi“, dice Chang-Jiang Chen, dottorando in ingegneria elettrica e autore principale di lo studio.
“È qui che ho cercato di approfondire lo studio dell’efficienza dell’estrazione della luce utilizzando strutture asimmetriche“.
Utilizzando piramidi asimmetriche per creare superfici microstrutturate, il team ha scoperto che migliorano l’efficienza dell’estrazione della luce portandola intorno al 90%.
Secondo Yin, le microstrutture asimmetriche aumentano l’estrazione della luce in due modi. Innanzitutto, la maggiore superficie delle piramidi asimmetriche consente una maggiore interazione della luce con la superficie, in modo da intrappolare meno luce.
Inoltre, quando la luce colpisce le due diverse pendenze delle piramidi asimmetriche, vi è un maggiore effetto di randomizzazione dei riflessi, che dà alla luce una seconda possibilità di fuga.
Dopo che i ricercatori hanno usato simulazioni basate su computer per dimostrare che la superficie asimmetrica potrebbe teoricamente migliorare l’estrazione della luce, lo hanno dimostrato sperimentalmente.
Utilizzando la stampa 3D su scala nanometrica, il team ha creato superfici simmetriche e asimmetriche e ha misurato la quantità di luce emessa. Come previsto, la superficie asimmetrica ha permesso il rilascio di più luce.
Il mercato dell’illuminazione a LED sta crescendo rapidamente con l’aumento della domanda di energia pulita, e si stima che raggiunga $ 85 miliardi entro il 2024.
“Dieci anni fa, quando andavi in un negozio di elettricità, i LED erano solo una piccola parte del loro stock di illuminazione, spiega Yin. “Ora, quando la gente compra le lampadine, la maggior parte della gente compra i LED“.
I LED sono più ecologici rispetto alle tradizionali lampadine a incandescenza o fluorescenti perché sono più duraturi e più efficienti dal punto di vista energetico.
Due processi contribuiscono all’efficienza complessiva dei LED. Il primo è la produzione di luce – l’efficienza quantica – che gli scienziati misurano usando quanti elettroni convertono in luce quando l’energia passa attraverso il LED. Gli scienziati hanno già ottimizzato questa parte nei LED commerciali.
Il secondo processo consiste nel far uscire la luce dal LED, chiamato efficienza dell’estrazione della luce.
“Le restanti cose che possiamo migliorare in termini di efficienza quantistica sono limitate“, afferma Yin. “Ma c’è molto spazio per migliorare ulteriormente l’efficienza dell’estrazione della luce.”
Nei LED commerciali, gli scienziati realizzano le superfici strutturate su wafer di zaffiro. Gli scienziati usano la luce UV per creare un modello mascherato sulla superficie di zaffiro che fornisce protezione contro le sostanze chimiche. Poi, quando gli scienziati applicano prodotti chimici, dissolvono lo zaffiro attorno al modello, creando la matrice piramidale.
Nei LED convenzionali, il processo di produzione comporta piramidi simmetriche a causa dell’orientamento dei cristalli di zaffiro. Secondo Chen, se si taglia il blocco di zaffiro con un angolo inclinato, lo stesso processo avrebbe creato piramidi sbilenche.
I ricercatori hanno modificato solo una parte del processo di produzione, suggerendo di poter facilmente applicare l’approccio alla produzione commerciale di LED.
I ricercatori hanno richiesto un brevetto per questa ricerca.
“Una volta ottenuto il brevetto, stiamo valutando la possibilità di collaborare con i produttori del settore per commercializzare questa tecnologia“, afferma Yin.