Светодиоды используют не только в мобильных устройствах, но и в осветительных приборах, что гораздо дешевле и эффективней. Для освещения они становятся все более популярными и выгодными. Теперь гораздо лучше купить светодиодные лампы, чем обычные лампы накаливания.
Ученые Принстонского университета смогли разработать метод по увеличению яркости светодиодов и четкости освещения. Это стало возможным благодаря использованию нанотехнологий, конкретно наноразмерной структуры нового типа, которая увеличивает на 57% яркость светодиодов органического характера. Это гибкие листы, в основе которых лежит углерод. Данные исследования принадлежат группе ученых во главе с профессором Стивеном Чоу, которые сегодня продолжают работу по улучшению светодиодов из неорганических материалов, в основе которых лежит кремний.
Из рисунка видно, как рождается новая экономичная система в мире света. Сначала показан обычный светодиод, у которого большая часть света остается внутри, поэтому освещение слабое. Затем представлена система PlaCSH из нанотехнологий, позволяющая внутреннему свету выйти наружу. Что она собой представляет: это 100 нанометровая толщина светоизлучающего материала в полости тонкой пленки из металла, и тончайшая в 15 нанометров металлическая сетка со сторонами ячеек по 20 нанометров и расстоянием между центрами отверстий в 200 нанометров. Далее изображен сам экспериментальный светодиод.
Метод PlaCSH также отлично действует в дисплеях, выполненных на основе светодиодов, улучшая четкость изображения на 400 процентов (!!!) в отличие от привычного подхода. Как же возможно было достичь подобных результатов? Об этом подробно описывается в статье журнала Advanced Functional Materials, где авторы рассказывают, как им удалось изобрести технологию, манипулирующую светом. Данному открытию предшествовали десятки лет исследований, которые привели к возможности управлять световой волной на физическом уровне.
Теперь стало возможным создавать электронные устройства с огромной производительностью. Это светодиоды, излучающие свет при пропускании через них электрического тока. На сегодня можно купить светодиодные лампы с длительным сроком службы, которые светят ярче и эффективней обычных ламп накаливания или люминесцентных светильников, применять метод в портативных дисплеях, где четкость изображения значительно выше.
Чтобы добиться хороших результатов, разработчикам пришлось участвовать во множестве экспериментов, добиваясь того, чтобы как можно меньше света отражалось внутрь светодиода. Ведь, несмотря на то, что это устройство генерирует огромное количество света, лишь небольшая часть его пробивается наружу. Тут уместно привести аналогию с бассейном, который освещается изнутри.
Каким бы ярким ни был свет, освещение все равно тусклое, и происходит это из-за того, что вода захватывает свет, отражая внутрь. То же самое происходит и со светодиодом, только его твердая структура поглощает еще больше света, чем вода. Вот и получалось, что первые конструкции светодиодов могли пропускать наружу всего лишь 2-4% света, львиную его долю оставляя внутри. В результате освещение было тусклым, а ввиду того, что внутренний свет перегревал светодиод, срок службы его сокращался.
Исследования под руководством Чжоу были нацелены на снижение поглощения света изнутри и беспрепятственный выход его наружу. Он назвал это Святым Граалем в производстве светодиодов. В начале исследований это сводилось к тому, что к электронному устройству добавлялись структуры в виде линз, металлических отражателей, которые способствовали извлечению света и выходу его наружу.
При этом удавалось высвободить до 38% светового излучения, но если взять во внимание не только освещение, но и электронные устройства, то для дисплеев данный метод был малоэффективным, так как чем больше извлекалось света наружу, тем больше дисплей отражал окружающий свет. В результате терялась контрастность, увеличивая блеклость изображения. Борясь с отражением света, разработчики добавляли в поверхность дисплея светопоглощающее вещество, и в итоге возвращались к исходной проблеме – поглощению света, уменьшению его яркости, а значит снижению эффективности освещения, правда теперь светодиоды не перегревались.
И все же «Святой Грааль» был найден в Принстонском университете при использовании нанотехнологий. Разработана новая эффективная система PlaCSH, увеличивающая яркость светодиодов, повышающая четкость изображений в дисплеях электронных устройств. Если обычный светодиод не выпускает наружу генерируемый внутри свет, но система PlaCSH направляет его наружу.
Итак, команда Чжоу совершила революцию, повысив эффективность светодиодов на 57% по сравнению с первоначальной (2-4%) и увеличив контрастность дисплеев до 400%. Параллельно с этим за счет увеличения яркости, уменьшается нагрев светодиода задерживающимся внутри светом, увеличивая срок его службы. В основе технологии PlaCSH лежит светоизлучающий материал и металлические структуры нанометровых масштабов. Они позволяют физически управлять светом, чего невозможно было достичь крупными масштабами.
Структура PlaCSH впервые была применена в солнечных батареях, преобразующих свет в электрический ток. Тогда удалось достичь поглощения солнечного света на 96% и увеличить до 175% эффективность ячеек. Чжоу понял, что если с помощью устройства свет настолько поглощается снаружи, то также он может поглощаться и внутри, причем его можно эффективно извлекать и уменьшать отражение. Разница лишь в том, что снаружи это свет, генерируемый солнцем, а внутри генерируемый устройством.
То есть, если структура PlaCSH в солнечных батареях является хорошим поглотителем света, то она же может быть и хорошим его излучателем, что и было экспериментально продемонстрировано на видимом свете, а затем применено в электронных дисплеях и светодиодах.
Несмотря на то, что физически система PlaCSH очень сложна, по своей структуре она очень простая. Одна поверхность, это светоизлучающий материал внутри полости металлической плени и вторая резонирующая поверхность в виде металлической сетки. Все это выполнено в нанометрах, для справки отметим, что 1 нанометр представляет собой стотысячную долю человеческого волоса, вот о каких масштабах идет речь. PlaCSH, собирая свет внутри светодиода, направляет его наружу, фокусируя на оператора. Теперь прозрачный хрупкий электрод дисплея стал гибким и пластичным, который, по словам Чжоу, можно буквально соткать.
Немаловажным преимуществом данного метода является его низкая себестоимость, так как наноструктуры создаются, как печать полиграфической печатной машинкой с помощью технологии Chou. Это очень просто и дешево. Изобретение было запатентовано, и университет Принстон заказал профессору и его команде светодиоды по системе PlaCSH органической и неорганической природы. В данный момент исследователи поводят эксперименты с цветными органическими светодиодами, а также намерены демонстрировать системы в светодиодах неорганической природы.
За высокие достижения в разработке энергосберегающего освещения и дальнейшего использования революционной нанотехнологии PlaCSH, Чжоу наградили от министерства энергетики США. Исследования были материально поддержаны военно-морским и оборонным управлением страны.