Нанотехнологии для светодиодов

Светодиоды широко используются в смартфонах и портативной электронике, а также становятся все более распространенными в освещении. Исследователи из Принстонского университета разработали новый метод увеличения яркости, эффективности и четкости светодиодов. Используя новую наноразмерную структуру, исследователи под руководством профессора электротехники Стивена Чоу, увеличили яркость и эффективность светодиодов из органических материалов (гибких листов на основе углерода) на 57 процентов. Исследователи также сообщают, что их метод должен дать аналогичные улучшения в светодиодах, сделанных из неорганических (на основе кремния) материалах, используемых сегодня чаще всего.

Пояснения к изображению -
(Рисунок A): Исследователи из Принстона использовали свой опыт в нанотехнологиях для разработки экономичной новой системы. Иллюстрация демонстрирует, как структура традиционного светодиода не выпускает большую часть света, генерируемого внутри устройства. Новая система, называемая PlaCSH, дает возможность излучению выйти из светодиода.
(Рисунок B): PlaCSH имеет слой светоизлучающего материала толщиной около 100 нанометров, который помещается внутрь полости с одной поверхностью, сделанной из тонкой металлической пленки (показана слева). Основная часть устройства - металлическая сетка (центр) с невероятно малыми размерами, толщина - 15 нанометров. И каждая нить сетки составляет около 20 нанометров в ширину и 200 нанометров между центрами отверстий. Изображение экспериментального светодиода показано справа. (Изображения любезно предоставлены Stephen Chou и др.)

Этот метод также улучшает четкость изображения светодиодных дисплеев на 400 процентов по сравнению с традиционными подходами. В статье, опубликованной онлайн 19 августа в журнале Advanced Functional Materials, исследователи описывают, как они достигли этого, изобретая технику, которая манипулирует светом на физическом уровне, меньшем одной длины волны.

«Новая нанотехнология может изменить способы манипулирвания светом», - сказал Чжоу, который работает в этой области уже 30 лет. «Мы можем использовать это для создания устройств с беспрецедентной производительностью».

Светодиод представляет собой электронное устройство, излучающее свет, когда электрический ток проходит через него. Светодиоды обладают рядом преимуществ перед лампами накаливания или люминесцентными лампами: они намного более эффективны, компактны и имеют более длительный срок службы, что важно для портативных дисплеев.

Ради улучшения свойств, разработчики в области технологии современных светодиодов стараются решить некоторые проблемы. Прежде всего, это уменьшение количества света, отраженного внутрь структуры. Хотя светодиоды известны своей эффективностью, только очень небольшое количество света, генерируемого внутри светодиода, действительно выходит наружу.

«Освещение, установленное внутри плавательного бассейна, кажется тусклым снаружи, потому что вода отражает внутрь и захватывает свет. Именно то же происходит в светодиоде», - сказал Чжоу, профессор инженерных наук Джозеф С. Элгин. «Твердая структура светодиода поглощает гораздо больше света, чем вода в бассейне».

Фактически, светодиод, в своих первых конструкциях, излучал только от 2 до 4 процентов света, который он генерировал. Поглощаемый свет не только делает светодиоды тусклыми и энергоэффективными, но и делает их недолговечными, потому что поглощенный свет нагревает светодиод, что значительно сокращает срок его службы.

«Святой Грааль в современном светодиодном производстве - это снижение внутреннего поглощения», - сказал Чжоу.

Инженеры работают над этой проблемой. Добавляя металлические отражатели, линзы или другие структуры, они могут увеличить световую экстракцию светодиодов. Для традиционных высококачественных органических светодиодов эти методы могут увеличить светоотдачу до примерно 38 процентов. Но эти методы извлечения света заставляют дисплей отражать окружающий свет, что уменьшает контрастность и делает изображение блёклым. Для борьбы с отражением окружающего света инженеры теперь добавляют в поверхность экрана светопоглощающие материалы. Но такие материалы также поглощают свет от светодиода, уменьшая его яркость и эффективность практически наполовину.

Исследователи из Принстона использовали свой опыт в нанотехнологиях для разработки экономичной новой системы, которая заметно увеличивает яркость, эффективность и четкость светодиодов, которые широко используются в смартфонах и другой электронике. Иллюстрация демонстрирует, как структура традиционного светодиода захватывает большую часть света, генерируемого внутри устройства. Новая система, называемая PlaCSH, направляет свет из светодиода. (Изображения любезно предоставлены ​​Stephen Chou и др.)

Решение, представленное командой Чжоу, - изобретение нанотехнологической структуры, называемой PlaCSH (плазмоническая полость с субволновой дырочной решеткой). Исследователи сообщили, что PlaCSH повысил эффективность экстракции света до 60%, что на 57% выше, чем у традиционных светодиодов высокого класса. В то же время исследователи сообщили, что PlaCSH увеличил контраст (ясность в окружающем свете) на 400 процентов. Более высокая яркость также уменьшает проблему нагрева, вызванную светом, задерживаемым в стандартных светодиодах.

Чжоу сказал, что PlaCSH может достичь этих результатов, потому что его нанометровые масштабы, металлические структуры способны манипулировать светом так, как не могут это сделать макроструктуры или неметаллические наноструктуры.

Сначала Чжоу использовал структуру PlaCSH на солнечных элементах, которые преобразуют свет в электричество. В 2012 году он описал, как применение PlaCSH привело к поглощению до 96 процентов света, попадающего на солнечные элементы, и увеличило эффективность ячеек на 175 процентов. Чжоу понял, что устройство, хорошо поглощающее свет снаружи, также может быть полезным для света, генерируемого внутри устройства, предлагая эффективное решение как для извлечения света, так и для уменьшения отражения света.

«С точки зрения физики, хороший поглотитель света, который у нас был для солнечных батарей, также должен быть хорошим излучателем света», - сказал он. «Мы хотели экспериментально продемонстрировать, что это верно в диапазоне видимого света, а затем использовать его для решения ключевых проблем в светодиодах и дисплеях».

Физика, лежащая в основе PlaCSH, сложна, но структура относительно проста. PlaCSH имеет слой светоизлучающего материала толщиной около 100 нанометров, который помещается внутрь полости с одной поверхностью, сделанной из тонкой металлической пленки. Другая поверхность резонатора выполнена из металлической сетки с невероятно малыми размерами.

PlaCSH имеет слой светоизлучающего материала толщиной около 100 нанометров, который помещается внутри полости с одной поверхностью, сделанной из тонкой металлической пленки (показана слева). Ключевой частью устройства является металлическая сетка (центр) с невероятно малыми параметрами структуры: толщина 15 нм, каждая перемычка составляет около 20 нанометров в ширину и шаг отверстий 200. (Нанометр равен одной стотысячной толщины человеческого волоса.)

Поскольку PlaCSH работает, направляя свет из светодиода, он способен фокусировать больше света на зрителя. Система также заменяет обычный хрупкий прозрачный электрод, делая его намного более гибким, чем большинство современных дисплеев.

«Он настолько гибок и пластичен, что его можно соткать в ткань», - сказал Чжоу.

Другое преимущество метода - стоимость для производителей. Органические светодиоды PlaCSH изготовливаются по технологии nanoimprint - технологией Chou, изобретенной в 1995 году, которая создает наноструктуры по типу печатной машины для полиграфии.

«Это дешево и очень просто», сказал Чжоу.

Принстон подал патентные заявки на органические и неорганические светодиоды с использованием PlaCSH. Чжоу и его команда сейчас проводят эксперименты, чтобы продемонстрировать PlaCSH в красных и синих органических светодиодах, в дополнение к зеленым светодиодам, используемым в текущих экспериментах. Они также демонстрируют систему в неорганических светодиодах.

Помимо Чжоу, авторы статьи - Вэй Дин, Юсюань Ван и Хао Чен, аспиранты электротехники Принстона. Поддержка исследований была частично обеспечена Агентством перспективных исследований обороны и Управлением военно-морских исследований. Недавно Чжоу был награжден крупным грантом от Министерства энергетики США на дальнейшее продвижение использования PlaCSH в качестве решения для энергосберегающего освещения.

Источник - Led Professional - Trends & Technologies for Future Lighting Solutions, Sep 25, 2014.

Назад к каталогу статей >>>