En ny typ av lysdiodlampa skulle en dag kunna lysa upp hem och minska elräkningen, enligt Penn State-forskare som föreslår att lysdioder gjorda med eldflugeliknande strukturer kan förbättra effektiviteten.

"LED-glödlampor spelar en nyckelroll i ren energi, " sa Stuart (Shizhuo) Yin, professor i elektroteknik. "Den totala kommersiella LED-effektiviteten är för närvarande endast cirka 50 procent. En av de största problemen är hur man kan förbättra den så kallade ljusextraktionseffektiviteten hos LED. Vår forskning fokuserar på hur man får ut ljus från LED."

Eldflugor och lysdioder står inför liknande utmaningar när det gäller att släppa ut ljuset som de producerar eftersom ljuset kan reflekteras bakåt och går förlorat. En lösning för lysdioder är att strukturera ytan med mikrostrukturer - mikroskopiska projektioner - som tillåter mer ljus att strömma ut. I de flesta lysdioder är dessa projektioner symmetriska, med identiska backar på varje sida.

Eldflugornas lyktor har också dessa mikrostrukturer, men forskarna märkte att mikrostrukturerna på eldflugelyktor var asymmetriska - sidorna lutade i olika vinklar, ger ett skevt utseende.

"Senare märkte jag att eldflugor inte bara har dessa asymmetriska mikrostrukturer på sina lyktor, men en sorts glödande kackerlacka rapporterades också ha liknande strukturer på sina glödande fläckar, sade Chang-Jiang Chen, doktorand i elektroteknik och huvudförfattare i studien. "Det var här jag försökte gå lite djupare in i studien av ljusextraktionseffektivitet med asymmetriska strukturer."

Använda asymmetriska pyramider för att skapa mikrostrukturerade ytor, teamet fann att de kunde förbättra ljusextraktionseffektiviteten till cirka 90 procent. Resultaten publicerades nyligen online i Optik och kommer att dyka upp i den tryckta aprilupplagan.

Enligt Yin, asymmetriska mikrostrukturer ökar ljusextraktionen på två sätt. Först, den större ytan av de asymmetriska pyramiderna tillåter större interaktion av ljus med ytan, så att mindre ljus fångas in. Andra, när ljus träffar de två olika sluttningarna av de asymmetriska pyramiderna blir det en större randomiseringseffekt av reflektionerna och ljuset får en andra chans att fly.

Efter att forskarna använde datorbaserade simuleringar för att visa att den asymmetriska ytan teoretiskt kunde förbättra ljusextraktionen, de demonstrerade sedan detta experimentellt. Med 3D-utskrift i nanoskala, teamet skapade symmetriska och asymmetriska ytor och mätte mängden ljus som sänds ut. Som förväntat, den asymmetriska ytan tillät mer ljus att släppas ut.

Den LED-baserade belysningsmarknaden växer snabbt i takt med att efterfrågan på ren energi ökar, och beräknas nå 85 miljarder dollar år 2024.

"Tio år sedan, du går till Walmart eller Lowes, Lysdioder är bara en liten del (av deras belysningslager), " sa Yin. "Nu, när folk köper glödlampor, de flesta köper lysdioder."

Lysdioder är mer miljövänliga än traditionella glödlampor eller lysrör eftersom de håller längre och är mer energieffektiva.

Två processer bidrar till den totala effektiviteten hos lysdioder. Den första är produktionen av ljus - kvanteffektiviteten - som mäts av hur många elektroner som omvandlas till ljus när energi passerar genom LED-materialet. Denna del har redan optimerats för kommersiella lysdioder. Den andra processen är att få ut ljuset ur lysdioden - kallad ljusextraktionseffektivitet.

"De återstående sakerna vi kan förbättra i kvanteffektivitet är begränsade, ", sa Yin. "Men det finns mycket utrymme för att ytterligare förbättra ljusutsugningseffektiviteten."

I kommersiella lysdioder, de strukturerade ytorna är gjorda på safirskivor. Först, UV-ljus används för att skapa ett maskerat mönster på safirytan som ger skydd mot kemikalier. Sedan när kemikalier appliceras, de löser upp safiren runt mönstret, skapa pyramiduppsättningen.

"Du kan tänka på det så här, om jag skyddar ett cirkulärt område och samtidigt attackerar hela substratet, Jag borde få en vulkanliknande struktur, " förklarade Chen.

I konventionella lysdioder, produktionsprocessen producerar vanligtvis symmetriska pyramider på grund av orienteringen av safirkristallerna. Enligt Chen, teamet upptäckte att om de skar safirblocket i en lutande vinkel, samma process skulle skapa de skeva pyramiderna. Forskarna ändrade bara en del av produktionsprocessen, antyder att deras tillvägagångssätt lätt kan tillämpas på kommersiell tillverkning av lysdioder.

Forskarna har ansökt om patent på denna forskning.

"När vi har fått patentet, vi överväger att samarbeta med tillverkare inom området för att kommersialisera denna teknik, " sa Yin.