Świetliki udoskonalą diody LED

Naskórek świetlika Photuris posiada unikatowe właściwości optyczne

Po raz kolejny może się okazać, że ważne odkrycia naukowe są inspirowane rozwiązaniami znanymi od dawna w przyrodzie. Obserwacja świetlików pozwoliła naukowcom z Belgii, Francji i Kanady na skopiowanie struktury świecącego podbrzusza owada, dzięki czemu udało im się stworzyć lepsze i tańsze soczewki do diod świecących. Ilość emitowanego światła z urządzenia półprzewodnikowego wzrosła o maksymalnie 55%.

Ze względu na różnice w prędkości rozchodzenia się światła w materiale i powietrzu, część światła jest odbijana do wnętrza. Zmniejsza to drastycznie wydajność diod LED - mówi A. Bay z Uniwersytetu Namur w Belgii. Bioluminescencyjne światło wytwarzane przez świetliki także napotyka podobne przeszkody podczas przemieszczenia się z jego odwłoku.

Tajemnica tkwi w świetliku Photuris, gdyż jego naskórek posiada właściwości optyczne, które sprawiają, ze większa ilość światła wydostaje się na zewnątrz. Te cechy nadane są poprzez postrzępione krawędzie naskórka owada. Jak mówią naukowcy, struktura przypomina klasyczny dach fabryki. Jest ząbkowany, poszczególne zęby oddalone są od siebie o 10 mikrometrów, a ich wysokość wynosi 3 mikrometry.
Początkowo sądziliśmy, że najważniejsze są struktury w nanoskali, ale ku naszemu zdziwieniu okazało się, że dla pozyskania światła istotna jest większa skala - mówi A. Bay.

Opisano następnie jak zachowuje się podobnie postrzępiony materiał, dołączony do tradycyjnej diody na podłożach z azotku galu – o 55% zwiększyła się ilość światła emitowanego z urządzenia. Zdaniem zespołu to właśnie ta chropowata powierzchnia sprawiła, że diody LED świeciły jaśniej.

Naukowcy podkreślają, że wykorzystanie ich wynalazku nie wymaga zmian w już istniejących diodach. Odpowiednią strukturę można utworzyć na ich powierzchni za pomocą lasera. Nie trzeba zmieniać technik produkcyjnych.

Podobne badania oparte na analizie budy świetlika przeprowadzono w Korei Płd. Zbudowane tam diody elektroluminescencyjne potrzebują mniej energii, aby jaśniej świecić. Pozwala na to, zainspirowana budową "latarni" świetlika (narządu świetlnego na odwłoku owada) soczewka, przez którą przechodzi aż 98% emitowanego światła. To znacznie więcej niż przez tradycyjne soczewki, a podobnie jak przez soczewki ulepszane drogimi powłokami antyrefleksyjnymi.

Prof. Ki-Hun Jeong z Koreńskiego Instytutu Zaawansowanych Nauk i Technologii i jego koledzy, eksperci bioniki, analizowali odwłok świetlika pod mikroskopem elektronowym. Zauważyli, że świecący odwłok składa się z trzech warstw, tak jak w standardowych lampkach LED.

Na typową diodę świecąco składa się z: podłoża, gdzie jest złącze półprzewodnikowe i wyprowadzenia elektrod, z wklęsłego odbłyśnika i z soczewki skupiającej światło. Narząd świetlny świetlika jest zbudowany z warstwy odbijającej, z warstwy emitującej światło i warstwy naskórka lub egzoszkieletu, pokrytego maleńkimi prążkami. W porównaniu do reszty egzoszkieletu na ciele robaczka świętojańskiego, prążki na jego części brzusznej, tej przez które świeci światło, są znacznie bardziej uporządkowane.

Dzięki prążkom określone długości fal światła są emitowane z "latarni" świetlika bardzo wydajnie. Naukowcy zrobili więc podobny wzór przez wytrawianie kropek na plastiku. Okazało się, że soczewka z wzorem kropek, przepuszcza światło znacznie lepiej niż taka o gładkiej powierzchni,

Budowa diody LED jest dużo bardziej regularna, niż "latarnia" świetlika, dlatego też badacze uporządkowali wzór. Zrezygnowali z podłużnych prążków na powierzchni plastiku i stworzyli nanosłupki uformowane w kształcie plastra miodu, imitujące krzywiznę i prążki obecne na brzuchu owada.

Taka konfiguracja wydaje się działać najlepiej przy długości fal jaką emitują świetliki, co daje żółto-zieloną barwę światła. Nanosłupki i kropki mogą być dostosowane do różnych długości fal. Ponieważ przepuszczalność światła jest bardzo wrażliwa na kształt nanostruktur, łatwo będzie można uzyskać inne barwy światła- tłumaczy Prof. Ki-Hun Jeong

Nowe soczewki mogą stanowić przełom w technologii LED, który sprawi, że diody mogą być bardziej efektywne i jasne. Ponadto możliwy jest spadek ich cen tańsze, bo można będzie zrezygnować z, obowiązkowego obecnie, pokrywania soczewek kosztownymi powłokami antyrefleksyjnymi.

(ma)