Wetenschappers van de Pennsylvania State University denken leds te kunnen verbeteren op basis van onderzoek naar vuurvliegjes. Onder meer deze lichtgevende insecten blijken bepaalde structuren te hebben waarmee de efficiëntie van leds flink kan worden verhoogd.
De onderzoekers beschrijven dat vuurvliegjes en leds met dezelfde uitdagingen te maken hebben bij het uitstralen van zoveel mogelijk van het geproduceerde licht. Daarbij moet zoveel mogelijk worden voorkomen dat het licht wordt teruggekaatst en zodoende verloren gaat. Een oplossing daarvoor is het gebruik van bepaalde microstructuren. Bij leds worden veelal symmetrische structuren gebruikt. Bij zowel vuurvliegjes als naar verluidt bepaalde lichtgevende kakkerlakken is echter sprake van asymmetrische microstructuren, wat volgens de onderzoekers een extractie-efficiëntie van negentig procent oplevert. Dat is beduidend meer dan commerciële leds, die volgens de onderzoekers op ongeveer vijftig procent uitkomen.
Deze microstructuren zijn in feite te beschouwen als microscopische projecties op het oppervlak waardoor meer licht kan ontsnappen. De symmetrische structuren zien er min of meer uit als rechtopstaande piramides, terwijl de asymmetrische structuren eruitzien als rijen van schuin hellende driehoeken. Daarmee zijn volgens de onderzoekers twee voordelen te behalen. De schuine structuren bieden een groter oppervlak, waardoor meer interactie met het licht optreedt. Dat leidt ertoe dat er minder licht wordt 'gevangen'. Daarnaast zorgen de twee verschillende hoeken van de hellingen van de piramides ervoor dat er sprake is van een groter willekeurig reflecterend effect, waardoor het licht als het ware een tweede kans krijgt om te ontsnappen en zijn weg naar buiten te vinden.
De asymmetrische microstructuren (links) en de symmetrische variant
Deze bevindingen zijn bevestigd door een computersimulatie, waaruit bleek dat het asymmetrische oppervlak in theorie de lichtextractie-efficiëntie kan verbeteren. Daarna werd een experiment opgezet om dit te toetsen. Door middel van een 3d-printer werden minuscule symmetrische en asymmetrische oppervlakken gemaakt, waarna werd gemeten hoeveel licht werd uitgestraald. Zoals verwacht bleek dat het asymmetrische oppervlak meer licht 'produceerde', zo melden de onderzoekers.
De onderzoekers hebben een patentaanvraag lopen voor hun vinding. Ze zeggen dat ze overwegen met ledfabrikanten samen te werken zodra ze het patent krijgen toegewezen. Volgens de wetenschappers zijn de asymmetrische structuren vrij eenvoudig toe te passen in het commerciële fabricageproces van leds. Daarbij worden de structuuroppervlakken aangebracht op wafers van saffier. Als een saffierblok wordt gesneden onder een schuine hoek, worden meteen de schuine piramides gecreëerd, zo stellen de onderzoekers.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Optik onder de titel Ultrahigh light extraction efficiency light emitting diodes by harnessing asymmetric obtuse angle microstructured surfaces.