Un nouveau type d’ampoule à diode électroluminescente pourrait un jour éclairer les maisons et réduire les factures d’électricité, selon des chercheurs de Penn State qui suggèrent que les LED fabriquées avec des structures imitant les lucioles pourraient améliorer leur efficacité.
« Les ampoules à LED jouent un rôle clé dans l’énergie propre« , a déclaré Stuart (Shizhuo) Yin, professeur de génie électrique. « L’efficacité globale des LED commerciales n’est actuellement que d’environ 50%. L’une des préoccupations majeures est l’amélioration de l’efficacité d’extraction de la lumière des LEDs. Notre recherche se concentre sur la façon d’extraire la lumière de la LED. »
Les lucioles et les diodes électroluminescentes font face à des défis similaires lorsqu’il s’agit de libérer la lumière qu’elles produisent parce que la lumière peut se réfléchir vers l’arrière et se perdre. Une solution pour les LEDs est de texturer la surface avec des microstructures – des projections microscopiques – qui permettent à plus de lumière de s’échapper. Dans la plupart des LEDs, ces projections sont symétriques, avec des pentes identiques de chaque côté.
Les lanternes des lucioles possèdent également ces microstructures, mais les chercheurs ont remarqué que les microstructures des lanternes des lucioles étaient asymétriques – les côtés étaient inclinés à différents angles, donnant un aspect asymétrique.
« Plus tard, j’ai remarqué non seulement que les lucioles ont ces microstructures asymétriques sur leurs lanternes, mais aussi qu’une sorte de blatte rougeoyante avait des structures similaires sur leurs points lumineux « , explique Chang-Jiang Chen, doctorante en génie électrique et auteur principal de l’étude. « C’est là que j’ai essayé d’aller un peu plus loin dans l’étude de l’efficacité de l’extraction de la lumière en utilisant des structures asymétriques. »
En utilisant des pyramides asymétriques pour créer des surfaces microstructurées, l’équipe a découvert qu’elle pouvait améliorer l’efficacité d’extraction de la lumière à environ 90 %. Les résultats ont récemment été publiés en ligne dans Optik et paraîtront dans l’édition d’avril.
Selon Yin, les microstructures asymétriques augmentent l’extraction de la lumière de deux façons. Premièrement, la plus grande surface des pyramides asymétriques permet une plus grande interaction de la lumière avec la surface, de sorte que moins de lumière est emprisonnée. Deuxièmement, lorsque la lumière frappe les deux pentes différentes des pyramides asymétriques, l’effet de randomisation des réflexions est plus important et la lumière a une deuxième chance de s’échapper.
Après que les chercheurs aient utilisé des simulations informatiques pour montrer que la surface asymétrique pouvait théoriquement améliorer l’extraction de la lumière, ils l’ont ensuite démontré expérimentalement. En utilisant l’impression 3D à l’échelle nanométrique, l’équipe a créé des surfaces symétriques et asymétriques et mesuré la quantité de lumière émise. Comme prévu, la surface asymétrique a permis de libérer plus de lumière.
Le marché de l’éclairage à LED connaît une croissance rapide à mesure que la demande d’énergie propre augmente, et on estime qu’il atteindra 85 milliards de dollars d’ici 2024.
« Il y a dix ans, vous allez chez Walmart ou Lowes, les LEDs ne sont qu’une petite partie (de leur parc d’éclairage), » a précisé Yin. « Maintenant, quand les gens achètent des ampoules, la plupart des gens achètent des LEDs. »
Les LEDs sont plus écologiques que les ampoules à incandescence ou fluorescentes traditionnelles parce qu’elles durent plus longtemps et sont plus éconergétiques.
Deux processus contribuent à l’efficacité globale des LEDs. Le premier est la production de lumière – l’efficacité quantique – qui est mesurée par le nombre d’électrons convertis en lumière lorsque l’énergie traverse le matériau LED. Cette partie a déjà été optimisée dans les LED commerciales. Le deuxième processus est l’extraction de la lumière de la LED, appelée efficacité d’extraction de la lumière.
« Les autres choses que nous pouvons encore améliorer en matière d’efficacité quantique sont limitées« , a déclaré Yin. « Mais il y a beaucoup d’espace pour améliorer l’efficacité de l’extraction de la lumière. »
Dans les LED commerciales, les surfaces texturées sont fabriquées sur des plaquettes de saphir. Tout d’abord, la lumière UV est utilisée pour créer un motif masqué sur la surface du saphir qui offre une protection contre les produits chimiques. Puis, lorsque des produits chimiques sont appliqués, ils dissolvent le saphir autour du motif, créant ainsi le réseau pyramidal.
« Vous pouvez y penser de cette façon, si je protège une zone circulaire tout en attaquant le substrat entier, je devrais obtenir une structure volcanique « , a expliqué Chen.
Dans les LEDs conventionnelles, le processus de production produit généralement des pyramides symétriques en raison de l’orientation des cristaux de saphir. Selon Chen, l’équipe a découvert que s’ils coupaient le bloc de saphir à un angle incliné, le même processus créerait les pyramides de travers. Les chercheurs n’ont modifié qu’une partie du processus de production, ce qui donne à penser que leur approche pourrait facilement être appliquée à la fabrication commerciale des LEDs.
Les chercheurs ont déposé une demande de brevet pour cette recherche.
« Une fois le brevet obtenu, nous envisageons de collaborer avec les fabricants sur le terrain pour commercialiser cette technologie « , a conclu M. Yin.
Les autres chercheurs qui ont travaillé sur le projet étaient Jimmy Yao, Wenbin Zhu, Ju-Hung Chao, Annan Shang et Yun-Goo Lee, doctorants en génie électrique.
Credit : Yin Lab/ Penn State
