Image au microscope électronique à balayage des pyramides asymétriques imprimées en 3D au naon. Crédit :Université d'État de Pennsylvanie
Un nouveau type d'ampoule à diodes électroluminescentes pourrait un jour éclairer les maisons et réduire les factures d'électricité, selon des chercheurs de Penn State qui suggèrent que les LED fabriquées avec des structures imitant des lucioles pourraient améliorer l'efficacité.
"Les ampoules LED jouent un rôle clé dans l'énergie propre, " dit Stuart (Shizhuo) Yin, professeur de génie électrique. « L'efficacité globale des LED commerciales n'est actuellement que d'environ 50 %. L'une des principales préoccupations est de savoir comment améliorer ce qu'on appelle l'efficacité d'extraction de la lumière des LED. Nos recherches se concentrent sur la manière d'extraire la lumière des LED. »
Les lucioles et les LED sont confrontées à des défis similaires pour libérer la lumière qu'elles produisent, car la lumière peut se refléter vers l'arrière et est perdue. Une solution pour les LED consiste à texturer la surface avec des microstructures - des projections microscopiques - qui permettent à plus de lumière de s'échapper. Dans la plupart des LED, ces projections sont symétriques, avec des pentes identiques de chaque côté.
Les lanternes des lucioles ont aussi ces microstructures, mais les chercheurs ont remarqué que les microstructures des lanternes à lucioles étaient asymétriques - les côtés inclinés à différents angles, donnant une apparence déséquilibrée.
"Plus tard, j'ai remarqué que non seulement les lucioles ont ces microstructures asymétriques sur leurs lanternes, mais une sorte de cafard rougeoyant aurait également des structures similaires sur leurs points lumineux, " dit Chang-Jiang Chen, doctorant en génie électrique et auteur principal de l'étude. "C'est là que j'ai essayé d'approfondir un peu l'étude de l'efficacité d'extraction de la lumière à l'aide de structures asymétriques."
Utiliser des pyramides asymétriques pour créer des surfaces microstructurées, l'équipe a découvert qu'ils pouvaient améliorer l'efficacité d'extraction de la lumière à environ 90 %. Les résultats ont été récemment publiés en ligne dans Optik et paraîtront dans l'édition imprimée d'avril.
Image au microscope électronique à balayage des pyramides symétriques imprimées en 3D au naon. Crédit :Université d'État de Pennsylvanie
Selon Yin, les microstructures asymétriques augmentent l'extraction de la lumière de deux manières. D'abord, la plus grande surface des pyramides asymétriques permet une plus grande interaction de la lumière avec la surface, de sorte que moins de lumière est piégée. Seconde, lorsque la lumière frappe les deux pentes différentes des pyramides asymétriques, il y a un plus grand effet de randomisation des réflexions et la lumière a une seconde chance de s'échapper.
Après que les chercheurs aient utilisé des simulations informatiques pour montrer que la surface asymétrique pouvait théoriquement améliorer l'extraction de la lumière, ils l'ont ensuite démontré expérimentalement. Grâce à l'impression 3D à l'échelle nanométrique, l'équipe a créé des surfaces symétriques et asymétriques et mesuré la quantité de lumière émise. Comme prévu, la surface asymétrique a permis de libérer plus de lumière.
Le marché de l'éclairage à LED se développe rapidement à mesure que la demande d'énergie propre augmente, et devrait atteindre 85 milliards de dollars d'ici 2024.
"Il y a dix ans, tu vas chez Walmart ou Lowes, Les LED ne sont qu'une petite partie (de leur parc d'éclairage), " dit Yin. " Maintenant, quand les gens achètent des ampoules, la plupart des gens achètent des LED."
Les LED sont plus écologiques que les ampoules à incandescence ou fluorescentes traditionnelles car elles durent plus longtemps et sont plus écoénergétiques.
Deux processus contribuent à l'efficacité globale des LED. Le premier est la production de lumière - l'efficacité quantique - qui est mesurée par le nombre d'électrons convertis en lumière lorsque l'énergie traverse le matériau LED. Cette partie a déjà été optimisée dans les LED du commerce. Le deuxième processus consiste à faire sortir la lumière de la LED, appelée efficacité d'extraction de la lumière.
Comparer la lumière émise par des structures symétriques et asymétriques. Crédit :Université d'État de Pennsylvanie
"Les choses restantes que nous pouvons améliorer en efficacité quantique sont limitées, " a déclaré Yin. "Mais il y a beaucoup d'espace pour améliorer encore l'efficacité d'extraction de la lumière."
Dans les LED commerciales, les surfaces texturées sont réalisées sur des plaquettes de saphir. D'abord, La lumière UV est utilisée pour créer un motif masqué sur la surface du saphir qui offre une protection contre les produits chimiques. Ensuite, lorsque des produits chimiques sont appliqués, ils dissolvent le saphir autour du motif, création du tableau pyramidal.
"Vous pouvez y penser de cette façon, si je protège une zone circulaire et en même temps attaque tout le substrat, Je devrais avoir une structure semblable à un volcan, " expliqua Chen.
Dans les LED classiques, le processus de production produit généralement des pyramides symétriques en raison de l'orientation des cristaux de saphir. Selon Chen, l'équipe a découvert que s'ils coupaient le bloc de saphir à un angle incliné, le même processus créerait les pyramides déséquilibrées. Les chercheurs n'ont modifié qu'une partie du processus de production, suggérant que leur approche pourrait facilement être appliquée à la fabrication commerciale de LED.
Les chercheurs ont déposé un brevet sur cette recherche.
« Une fois le brevet obtenu, nous envisageons de collaborer avec des industriels du domaine pour commercialiser cette technologie, " dit Yin.
