Світлодіоди широко використовуються в смартфонах і портативної електроніці, а також стають все більш поширеними в освітленні. Дослідники з Принстонського університету розробили новий метод збільшення яскравості, ефективності та чіткості світлодіодів. Використовуючи нову нанорозмірну структуру, дослідники під керівництвом професора електротехніки Стівена Чоу, збільшили яскравість і ефективність світлодіодів з органічних матеріалів (гнучких листів на основі вуглецю) на 57%. Дослідники також повідомляють, що їхній метод повинен дати аналогічні покращення в світлодіодах, зроблених з неорганічних (на основі кремнію) матеріалах, що використовуються сьогодні найчастіше.
Цей метод також покращує чіткість зображення світлодіодних дисплеїв на 400 відсотків порівняно з традиційними підходами. У статті, опублікованій онлайн 19 серпня в журналі Advanced Functional Materials, дослідники описують, як вони досягли цього, винаходячи техніку, яка маніпулює світлом на фізичному рівні, меншому однієї довжини хвилі.
«Нова нанотехнологія може змінити способи маніпулювання світлом»,— сказав Чжоу, який працює в цій галузі вже 30 років. «Ми можемо використовувати це для створення пристроїв з безпрецедентною продуктивністю».
Світлодіод є електронним пристроєм, що випромінює світло, коли електричний струм проходить через нього. Світлодіоди мають ряд переваг перед лампами розжарювання або люмінесцентними лампами: вони набагато ефективніші, компактніші і мають більш тривалий термін служби, що важливо для портативних дисплеїв.
Заради покращення властивостей, розробники в області технології сучасних світлодіодів намагаються вирішити деякі проблеми. Насамперед, це зменшення кількості світла, відбитого всередину структури. Хоча світлодіоди відомі своєю ефективністю, тільки дуже невелика кількість світла, що генерується всередині світлодіода, справді виходить назовні.
«Освітлення, встановлене всередині плавального басейну, здається тьмяним зовні, тому що вода відбиває всередину і захоплює світло. Саме те що відбувається у світлодіоді», — сказав Чжоу, професор інженерних наук Джозеф С. Елгін. «Тверда структура світлодіода поглинає набагато більше світла, ніж вода в басейні».
Фактично, світлодіод, у своїх перших конструкціях, випромінював тільки від 2 до 4 відсотків світла, який він генерував. Поглинається світло не тільки робить світлодіоди тьмяними і енергоефективними, але і робить їх недовговічними, тому що поглинене світло нагріває світлодіод, що значно скорочує термін його служби.
«Святий Грааль у сучасному світлодіодному виробництві — це зниження внутрішнього поглинання», — сказав Чжоу.
Інженери працюють над цією проблемою. Додаючи металеві відбивачі, лінзи чи інші структури, вони можуть збільшити світлову екстракцію світлодіодів. Для традиційних високоякісних органічних світлодіодів ці методи можуть збільшити світловіддачу до приблизно 38%. Але ці методи вилучення світла змушують дисплей відображати навколишнє світло, що зменшує контрастність і робить зображення бляклим. Для боротьби з відображенням навколишнього світла інженери тепер додають в поверхню екрана світлопоглинаючі матеріали. Але такі матеріали також поглинають світло від світлодіода, зменшуючи його яскравість і ефективність практично наполовину.
Дослідники з Принстона використовували свій досвід в нанотехнологіях для розробки економічної нової системи, яка помітно збільшує яскравість, ефективність і чіткість світлодіодів, які широко використовуються в смартфонах і іншій електроніці. Ілюстрація демонструє, як структура традиційного світлодіода захоплює більшу частину світла, що генерується всередині пристрою. Нова система, звана PlaCSH, спрямовує світло зі світлодіода. (Ілюстрація люб'язно надана Stephen Chou та ін.)
Рішення, представлене командою Чжоу, - винахід нанотехнологічної структури, званої PlaCSH (плазмонічна порожнина з субхвильовими дірковими гратами). Дослідники повідомили, що PlaCSH підвищив ефективність екстракції світла до 60%, що на 57% вище, ніж у традиційних світлодіодів високого класу. У той же час дослідники повідомили, що PlaCSH збільшив контраст (ясність в навколишньому світлі) на 400%. Вища яскравість також зменшує проблему нагріву, викликану світлом, затримуваним у стандартних світлодіодах.
Чжоу сказав, що PlaCSH може досягти цих результатів, тому що його нанометрові масштаби, металеві структури здатні маніпулювати світлом так, як не можуть це зробити макроструктури або неметалічні наноструктури.
Спочатку Чжоу використовував структуру PlaCSH на сонячних елементах, які перетворюють світло на електрику. У 2012 році він описав, як застосування PlaCSH призвело до поглинання до 96 відсотків світла, що потрапляє на сонячні елементи, і збільшило ефективність осередків на 175 відсотків. Чжоу зрозумів, що пристрій, що добре поглинає світло зовні, також може бути корисним для світла, що генерується всередині пристрою, пропонуючи ефективне рішення як для вилучення світла, так і для зменшення відображення світла.
«З точки зору фізики, хороший поглинач світла, який у нас був для сонячних батарей, також повинен бути хорошим випромінювачем світла», сказав він. «Ми хотіли експериментально продемонструвати, що це правильно в діапазоні видимого світла, а потім використовувати його для вирішення ключових проблем у світлодіодах і дисплеях».
Фізика, що лежить в основі PlaCSH, складна, але структура відносно проста. PlaCSH має шар світловипромінюючого матеріалу товщиною близько 100 нанометрів, який поміщається всередину порожнини з однією поверхнею, зробленою з тонкої металевої плівки. Інша поверхня резонатора виконана з металевої сітки з неймовірно малими розмірами: товщина 15 нм, кожна перемичка становить близько 20 нанометрів у ширину і крок отворів 200. (Нанометр дорівнює одній стотисячній товщині людського волосся.)
PlaCSH має шар світловипромінюючого матеріалу товщиною близько 100 нанометрів, який поміщається всередину порожнини з однією поверхнею, зробленою з тонкої металевої плівки (показана зліва). Основна частина пристрою - металева сітка (центр) з неймовірно малими розмірами, товщина - 15 нанометрів. І кожна нитка сітки становить близько 20 нанометрів в ширину і 200 нанометрів між центрами отворів. Зображення експериментального світлодіода показано праворуч. (Зображення люб'язно надані Stephen Chou та ін.)
Оскільки PlaCSH працює, спрямовуючи світло зі світлодіода, він здатний фокусувати більше світла на глядача. Система також замінює звичайний тендітний прозорий електрод, роблячи його набагато гнучкішим, ніж більшість сучасних дисплеїв. «Він настільки гнучкий і пластичний, що його можна зіткати в тканину». Інша перевага методу - вартість для виробників. Органічні світлодіоди PlaCSH виготовляються за технологією nanoimprint — технологією Chou, винайденою в 1995 році, яка створює наноструктури за типом друкарської машини для поліграфії.
Принстон подав патентні заявки на органічні та неорганічні світлодіоди з використанням PlaCSH. Чжоу і його команда зараз проводять експерименти, щоб продемонструвати PlaCSH в червоних і синіх органічних світлодіодах, на додаток до зелених світлодіодів, що використовуються в поточних експериментах. Вони також демонструють систему в неорганічних світлодіодах.
Джерело — Led Professional — Trends & Technologies for Future Lighting Solutions, Sep 25, 2014.
