La stampa 3D su scala nanometrica aiuta a rivelare come la superficie ispirata alle lucciole possa aumentare l’efficienza dei LED
Gli scienziati della Penn State University hanno creato un nuovo tipo di lampadina a diodi emettitori di luce (LED) che potrebbe cambiare il modo in cui illuminiamo le nostre case. Il design dei nuovi LED simula le strutture utilizzate dalle lucciole in natura e potrebbe migliorare l’efficienza riducendo al contempo le bollette.
“Le lampadine a LED svolgono un ruolo chiave nell’energia pulita”, ha dichiarato Stuart (Shizhuo) Yin, professore di ingegneria elettrica. “L’efficienza globale dei LED commerciali è attualmente solo del 50% 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 problemi simili nel rilasciare la luce che producono perché la luce può riflettere all’indietro e viene persa. Una soluzione per i LED consiste nel tessere la superficie con proiezioni microscopiche, note come microstrutture che consentono a più luce di fuoriuscire. Mentre le microstrutture sulle luci a LED sono simmetriche, quelle sulle lanterne delle lucciole non lo sono. I ricercatori hanno notato che le microstrutture sulle lanterne delle lucciole erano asimmetriche – i lati erano inclinati di diversa angolazione, dando un aspetto sbilenco.
“Ho notato che non solo le lucciole hanno queste microstrutture asimmetriche sulle loro lanterne, ma è stata segnalata anche una sorta di scarafaggio incandescente che ha strutture simili sui loro punti luminosi”, ha detto Chang-Jiang Chen, studente di dottorato in ingegneria elettrica e autore principale nel studia. “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 potevano migliorare l’efficienza dell’estrazione della luce intorno al 90%.
Gli scienziati ritengono che le microstrutture asimmetriche aumentino l’estrazione della luce in due modi. In primo luogo, la maggiore area superficiale delle piramidi asimmetriche consente una maggiore interazione della luce con la superficie, in modo tale da contenere meno luce. In secondo luogo, le diverse dimensioni delle pendenze sulle piramidi aumentano l’effetto di randomizzazione dei riflessi e alla luce viene data una seconda possibilità di fuga.
Per dimostrarlo sperimentalmente, i ricercatori hanno utilizzato la stampa 3D su scala nanometrica per creare superfici simmetriche e asimmetriche e misurare la quantità di luce emessa. Come previsto, la superficie asimmetrica ha permesso di liberare più luce.
I ricercatori ritengono che ci sia molto spazio per migliorare ulteriormente l’efficienza dell’estrazione della luce e il loro approccio potrebbe facilmente essere applicato 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”, ha affermato Yin. Altri ricercatori che hanno lavorato al progetto sono stati Jimmy Yao, Wenbin Zhu, Ju-Hung Chao, Annan Shang e Yun-Goo Lee, studenti di dottorato in ingegneria elettrica.
