Un nuovo tipo di lampadina a diodi emettitori di luce potrebbe un giorno illuminare le case e ridurre le bollette, secondo i ricercatori della Penn State che suggeriscono che i LED realizzati con strutture che imitano le lucciole potrebbero migliorare l'efficienza.

"Le lampadine a LED giocano un ruolo chiave nell'energia pulita, " disse Stuart (Shizhuo) Yin, professore di ingegneria elettrica. "L'efficienza complessiva dei LED commerciali è attualmente solo del 50 percento circa. Una delle maggiori preoccupazioni è come migliorare la cosiddetta efficienza di estrazione della luce dei LED. La nostra ricerca si concentra su come far uscire la luce dai LED".

Lucciole e LED affrontano sfide simili nel rilasciare la luce che producono perché la luce può riflettersi all'indietro e si perde. Una soluzione per i LED è strutturare 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 ogni lato.

Anche le lanterne delle lucciole hanno queste microstrutture, ma i ricercatori hanno notato che le microstrutture sulle lanterne delle lucciole erano asimmetriche:i lati erano inclinati con angoli diversi, dando un aspetto sbilenco.

"In seguito ho notato che non solo le lucciole hanno queste microstrutture asimmetriche sulle loro lanterne, ma è stato anche riferito che una specie di scarafaggio luminoso ha strutture simili sui punti luminosi, " disse Chang-Jiang Chen, dottorando in ingegneria elettrica e autore principale dello studio. "È qui che ho cercato di approfondire lo studio dell'efficienza di estrazione della luce utilizzando strutture asimmetriche".

Utilizzando piramidi asimmetriche per creare superfici microstrutturate, il team ha scoperto che potevano migliorare l'efficienza di estrazione della luce a circa il 90%. I risultati sono stati recentemente pubblicati online su Optik e appariranno nell'edizione cartacea di aprile.

Secondo Yin, le microstrutture asimmetriche aumentano l'estrazione della luce in due modi. Primo, la maggiore superficie delle piramidi asimmetriche consente una maggiore interazione della luce con la superficie, in modo che venga intrappolata meno luce. Secondo, quando la luce colpisce le due diverse pendenze delle piramidi asimmetriche si ha un maggiore effetto di randomizzazione dei riflessi e alla luce viene data una seconda possibilità di fuga.

Dopo che i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per dimostrare che la superficie asimmetrica potrebbe teoricamente migliorare l'estrazione della luce, hanno poi dimostrato questo sperimentalmente. Utilizzando la stampa 3D su nanoscala, il team ha creato superfici simmetriche e asimmetriche e ha misurato la quantità di luce emessa. Come previsto, la superficie asimmetrica permetteva di rilasciare più luce.

Il mercato dell'illuminazione a LED sta crescendo rapidamente con l'aumento della domanda di energia pulita, e si stima che raggiungerà gli 85 miliardi di dollari entro il 2024.

"Dieci anni fa, vai da Walmart o da Lowes, I LED sono solo una piccola parte (della loro dotazione di illuminazione), " disse Yin. "Ora, quando le persone comprano lampadine, la maggior parte delle persone acquista LED."

I LED sono più rispettosi dell'ambiente 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 quantistica, che viene misurata da quanti elettroni vengono convertiti in luce quando l'energia passa attraverso il materiale LED. Questa parte è già stata ottimizzata nei LED commerciali. Il secondo processo consiste nel far uscire la luce dal LED, chiamato efficienza di estrazione della luce.

"Le restanti cose che possiamo migliorare in termini di efficienza quantica sono limitate, " ha detto Yin. "Ma c'è molto spazio per migliorare ulteriormente l'efficienza di estrazione della luce."

Nei LED commerciali, le superfici strutturate sono realizzate su wafer di zaffiro. Primo, La luce UV viene utilizzata per creare un motivo mascherato sulla superficie dello zaffiro che fornisce protezione contro i prodotti chimici. Quindi, quando vengono applicati prodotti chimici, dissolvono lo zaffiro attorno al disegno, creando la matrice piramidale.

"Puoi pensarla così, se proteggo un'area circolare e contemporaneamente attacco l'intero supporto, Dovrei ottenere una struttura simile a un vulcano, " ha spiegato Chen.

Nei LED convenzionali, il processo di produzione di solito produce piramidi simmetriche a causa dell'orientamento dei cristalli di zaffiro. Secondo Chen, il team ha scoperto che se tagliavano il blocco di zaffiro con un angolo inclinato, lo stesso processo creerebbe le piramidi sbilenche. I ricercatori hanno alterato solo una parte del processo produttivo, suggerendo che il loro approccio potrebbe essere facilmente applicato alla produzione commerciale di LED.

I ricercatori hanno depositato un brevetto su questa ricerca.

"Una volta ottenuto il brevetto, stiamo considerando di collaborare con i produttori del settore per commercializzare questa tecnologia, " disse Yin.