2016年1月19日 星期二

奈米科技能讓白熾燈起死回生:周圍有共振奈米結構的鎢絲能發出比LED的更好的發光效率

Nanotech Could Raise Incandescents From The Dead

By Prachi Patel 
Posted 11 Jan 2016 | 17:53 GMT

喜愛高效能的LED燈,卻因此失去了白熾燈泡的暖光?由MIT研究人員應用奈米技術的新設計,也許會為白熾燈注入新的生命。它有望提升白熾燈的效率達二十倍,效能高過LED燈泡。

白熾燈(Incandescents)是熱的發射器:它以高溫加熱鎢絲使其發光發熱。其中大部分是以紅外線輻射的形式散失,可見光只佔了非常小部分的能量。因此,典型白熾燈2.5%的發光效率,跟緊湊型螢光燈(省電燈泡)(compact fluorescents)的5-10%及最先進的緊湊型LED燈(compact LED bulbs)的14-15%相比的確是微不足道。

制定一個光源的熱輻射,使它發出更多可見光及更少紅外光是可以做到的。「這涉及到把特別設計的週期性奈米結構放在發射器的表面。」MIT物理博士後研究員Ognjen Ilic說。此結構在特定波長的光發生共振,只允許那些波長被發射。

然而,這種方法只適用於室溫下的光源。鎢絲的溫度達到高達3000 ºK。「這些奈米結構十分精細,在這種高溫下品質會開始下降(degrade)。」Ilic說。

因此Ilic和他的同事們設計了一個圍繞燈絲的共振奈米結構。他們用數值優化技術(numerical optimization techniques)設計結構,由不同折射率與奈米厚度的材料堆疊而成。該結構可以讓可見光通過,但將紅外光反射回鎢絲重新吸收。

研究人員基於此方案建立了一個概念驗證(proof-of-principle)的裝置。在《自然奈米科技》(Nature Nanotechnology)上發表,這脫胎換骨的白熾光源,並不如傳統燈泡一般使用纏繞的鎢絲。它的燈絲是平的,由一片1平方公分的薄鎢片經雷射加工成波浪形。研究人員將它如三明治般夾在兩個2平方公分的共振器之間。

Ilic說理論上該方案應可達成40%的發光效率。但是原型的效率只有6.6%.這可能需要一個由四種不同材料:矽,鋁,鉭和鈦的氧化物組成300層的複雜堆疊。目前研究人員建立的簡單共振器包含一個由二氧化矽和五氧化二鉭組成的90層的堆疊。

那,是什麼讓應用奈米技術的白熾燈在高效能照明領域中屈居在後?「其涉及的材料便宜又充足,且製造過程是可擴展的,」Ilic說。但奈米層級的生產成本要先降低,脫胎換骨的白熾燈才有辦法與LED燈泡競爭。

「但除了照明,另一個非常有趣的途徑來使用,這將是對能源的轉換,」他說。「定制熱發射以配合光伏電池的吸收光譜,可以促進熱光電系統(thermo-photovoltaic systems),結合太陽熱能和光伏發電(photovoltaics),實現極高的光轉電效率。」他補充說。

Photo: Ognjen Ilic
Photo: Ognjen Ilic