Um novo tipo de lâmpada de diodo emissor de luz poderia um dia iluminar casas e reduzir as contas de luz, de acordo com pesquisadores da Penn State que sugerem que os LEDs feitos com estruturas que imitam o pirilampo podem melhorar a eficiência.

"As lâmpadas LED desempenham um papel fundamental na energia limpa, "disse Stuart (Shizhuo) Yin, professor de engenharia elétrica. "A eficiência geral do LED comercial atualmente é de apenas 50 por cento. Uma das principais preocupações é como melhorar a chamada eficiência de extração de luz dos LEDs. Nossa pesquisa se concentra em como obter luz do LED."

Vaga-lumes e LEDs enfrentam desafios semelhantes para liberar a luz que produzem, porque a luz pode refletir para trás e se perder. Uma solução para os LEDs é texturizar a superfície com microestruturas - projeções microscópicas - que permitem que mais luz escape. Na maioria dos LEDs, essas projeções são simétricas, com declives idênticos em cada lado.

Lanternas de vagalumes também têm essas microestruturas, mas os pesquisadores notaram que as microestruturas nas lanternas dos vaga-lumes eram assimétricas - os lados inclinados em ângulos diferentes, dando uma aparência torta.

"Mais tarde, percebi que não apenas os vaga-lumes têm essas microestruturas assimétricas em suas lanternas, mas também foi relatado que uma espécie de barata brilhante tinha estruturas semelhantes em seus pontos brilhantes, "disse Chang-Jiang Chen, doutorando em engenharia elétrica e autor principal do estudo. "Foi aqui que tentei me aprofundar um pouco mais no estudo da eficiência da extração de luz usando estruturas assimétricas."

Usando pirâmides assimétricas para criar superfícies microestruturadas, a equipe descobriu que poderia melhorar a eficiência da extração de luz em cerca de 90 por cento. As descobertas foram publicadas recentemente online na Optik e aparecerão na edição impressa de abril.

De acordo com Yin, microestruturas assimétricas aumentam a extração de luz de duas maneiras. Primeiro, a maior área de superfície das pirâmides assimétricas permite uma maior interação da luz com a superfície, para que menos luz seja capturada. Segundo, quando a luz atinge as duas inclinações diferentes das pirâmides assimétricas, há um maior efeito de randomização dos reflexos e a luz recebe uma segunda chance de escapar.

Depois que os pesquisadores usaram simulações baseadas em computador para mostrar que a superfície assimétrica poderia teoricamente melhorar a extração de luz, em seguida, eles demonstraram isso experimentalmente. Usando impressão 3D em nanoescala, a equipe criou superfícies simétricas e assimétricas e mediu a quantidade de luz emitida. Como esperado, a superfície assimétrica permitiu que mais luz fosse liberada.

O mercado de iluminação baseada em LED está crescendo rapidamente à medida que a demanda por energia limpa aumenta, e estima-se que chegue a US $ 85 bilhões até 2024.

"Dez anos atrás, você vai para o Walmart ou Lowes, LEDs são apenas uma pequena parte (de seu estoque de iluminação), "disse Yin." Agora, quando as pessoas compram lâmpadas, a maioria das pessoas compra LEDs. "

Os LEDs são mais ecológicos do que as tradicionais lâmpadas incandescentes ou fluorescentes porque são mais duráveis ​​e mais eficientes em termos de energia.

Dois processos contribuem para a eficiência geral dos LEDs. O primeiro é a produção de luz - a eficiência quântica - que é medida por quantos elétrons são convertidos em luz quando a energia passa pelo material do LED. Esta parte já foi otimizada em LEDs comerciais. O segundo processo é tirar a luz do LED - chamado de eficiência de extração de luz.

"As coisas restantes que podemos melhorar em eficiência quântica são limitadas, "disse Yin." Mas há muito espaço para melhorar ainda mais a eficiência da extração de luz. "

Em LEDs comerciais, as superfícies texturizadas são feitas em bolachas de safira. Primeiro, A luz ultravioleta é usada para criar um padrão mascarado na superfície da safira que fornece proteção contra produtos químicos. Então, quando os produtos químicos são aplicados, eles dissolvem a safira em torno do padrão, criando a matriz da pirâmide.

"Você pode pensar sobre isso desta forma, se eu proteger uma área circular e ao mesmo tempo atacar todo o substrato, Eu deveria obter uma estrutura semelhante a um vulcão, "explicou Chen.

Em LEDs convencionais, o processo de produção geralmente produz pirâmides simétricas por causa da orientação dos cristais de safira. De acordo com Chen, a equipe descobriu que se cortassem o bloco de safira em um ângulo inclinado, o mesmo processo criaria as pirâmides assimétricas. Os pesquisadores alteraram apenas uma parte do processo de produção, sugerindo que sua abordagem poderia ser facilmente aplicada à fabricação comercial de LEDs.

Os pesquisadores entraram com pedido de patente para essa pesquisa.

"Assim que obtivermos a patente, estamos considerando colaborar com fabricantes no campo para comercializar esta tecnologia, "disse Yin.