ナノスケールの3Dプリントがホタルの秘密を解明し、LEDの効率を向上

ナノスケールの3Dプリントがホタルの秘密を解明し、LEDの効率を向上
出典: 中国3Dプリンティングネットワーク

ペンシルベニア州立大学の科学者たちは、家庭の照明方法を変える可能性のある新しいタイプの発光ダイオード(LED)電球を開発した。新しい LED の設計は、自然界のホタルが使用する構造を模倣しており、電気代を抑えながら効率を向上させることができます。



「LED電球はクリーンエネルギーにおいて重要な役割を果たす」と電気工学教授のスチュアート・イン(Shizhuo)氏は言う。 「現在、商業用 LED の全体的な効率はわずか 50 パーセント程度です。主な課題の 1 つは、LED のいわゆる光抽出効率をいかに向上させるかということです。私たちの研究は、LED から光を取り出す方法に重点を置いています。」ホタルと LED は、生成した光を放出する際に、光が後方に反射して失われる可能性があるため、同様の問題に直面します。 LED に対する 1 つの解決策は、より多くの光が逃げられるように、微細構造と呼ばれる微細な突起で表面をテクスチャリングすることです。 LED ライトの微細構造は対称ですが、ホタルライトの微細構造は対称ではありません。研究者たちは、ホタルランタンの微細構造が非対称で、両側が異なる角度に傾いており、アンバランスな外観になっていることに気付きました。

「ホタルのランタンにこうした非対称の微細構造があるだけでなく、ある種の生物発光ゴキブリの光点にも同様の構造があることに気づいた」と、電気工学の博士課程の学生で、この研究の筆頭著者であるチャンジャン・チェン氏は述べた。 「ここで私は、非対称構造を用いた光抽出の効率性をさらに深く探究しようとしました。」

研究チームは、非対称ピラミッドを使用して微細構造表面を作成することで、光抽出効率を約 90 パーセントまで高めることができることを発見しました。科学者たちは、非対称の微細構造が2つの方法で光抽出を増加させることができると考えています。まず、非対称ピラミッドの表面積が大きいため、光と表面の相互作用が大きくなり、閉じ込められる光が少なくなります。第二に、ピラミッドの斜面の大きさが異なると反射のランダム化効果が高まり、光が逃げるチャンスが 2 度増えます。

これを実験的に実証するために、研究者らはナノスケールの 3D プリンティングを使用して対称および非対称の表面を作成し、放出される光の量を測定しました。予想通り、非対称の表面により、より多くの光が放出されます。研究者たちは、光抽出効率をさらに向上させる余地がかなりあり、彼らのアプローチは LED の商業生産に簡単に適用できると考えています。

研究者たちはこの研究について特許を申請した。 「特許を取得したら、この分野のメーカーと協力して技術を商品化することを検討しています」とイン氏は語った。

出典: 中国3Dプリンティングネットワーク
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