Esta imagen muestra un dispositivo de fuente de luz plana desde el frente. Crédito:N.Shimoi / Universidad de Tohoku
A pesar de que el Premio Nobel de Física de 2014 ha consagrado a los diodos emisores de luz (LED) como la solución de iluminación de eficiencia energética más significativa y disruptiva de la actualidad, Los científicos de todo el mundo continúan sin cesar en la búsqueda de las mejores bombillas del mañana.
Ingrese a la electrónica de carbono.
Electrónica a base de carbono, especialmente nanotubos de carbono (CNT), están surgiendo como sucesores del silicio para la fabricación de materiales semiconductores. Y pueden permitir una nueva generación de más brillantes, de baja potencia Dispositivos de iluminación de bajo costo que podrían desafiar el dominio de los diodos emisores de luz (LED) en el futuro y ayudar a satisfacer la demanda cada vez mayor de la sociedad de bombillas más ecológicas.
Científicos de la Universidad de Tohoku en Japón han desarrollado un nuevo tipo de fuente de luz plana de bajo consumo energético basada en nanotubos de carbono con un consumo de energía muy bajo de alrededor de 0,1 vatios por cada hora de funcionamiento, unas cien veces más bajo que el de un LED.
En el diario Revisión de instrumentos científicos , de la publicación AIP, los investigadores detallan la fabricación y optimización del dispositivo, que se basa en una pantalla de fósforo y nanotubos de carbono de pared simple como electrodos en una estructura de diodo. Puede pensar en ello como un campo de filamentos de tungsteno encogidos a proporciones microscópicas.
Ensamblaron el dispositivo a partir de una mezcla líquida que contiene nanotubos de carbono de pared simple altamente cristalinos dispersos en un solvente orgánico mezclado con un químico similar al jabón conocido como surfactante. Luego, ellos "pintaron" la mezcla sobre el electrodo positivo o cátodo, y raspó la superficie con papel de lija para formar un panel ligero capaz de producir una gran, Corriente de emisión estable y homogénea con bajo consumo energético.
Esta imagen muestra un dispositivo de fuente de luz plana desde la parte trasera. Crédito:N.Shimoi / Universidad de Tohoku
"Nuestro panel de 'diodo' simple podría obtener una alta eficiencia de brillo de 60 lúmenes por vatio, que tiene un excelente potencial para un dispositivo de iluminación con bajo consumo de energía, "dijo Norihiro Shimoi, el investigador principal y profesor asociado de estudios ambientales en la Universidad de Tohoku.
La eficiencia de brillo le dice a las personas cuánta luz está produciendo una fuente de iluminación cuando consume una cantidad unitaria de energía eléctrica, que es un índice importante para comparar la eficiencia energética de diferentes dispositivos de iluminación, Dijo Shimoi. Por ejemplo, Los LED pueden producir 100 lúmenes por vatio y los OLED (LED orgánicos) alrededor de 40.
Aunque el dispositivo tiene una estructura similar a un diodo, su sistema emisor de luz no se basa en un sistema de diodos, que están hechos de capas de semiconductores, materiales que actúan como un cruce entre un conductor y un aislante, cuyas propiedades eléctricas se pueden controlar con la adición de impurezas llamadas dopantes.
Los nuevos dispositivos tienen sistemas de luminiscencia que funcionan más como tubos de rayos catódicos, con nanotubos de carbono que actúan como cátodos, y una pantalla de fósforo en una cavidad de vacío que actúa como ánodo. Bajo un fuerte campo eléctrico, el cátodo emite apretado, haces de electrones de alta velocidad a través de sus puntas afiladas de nanotubos, un fenómeno llamado emisión de campo. Los electrones luego vuelan a través del vacío en la cavidad, y golpee la pantalla de fósforo para que brille.
"Hemos descubierto que un cátodo con nanotubos de carbono de pared simple altamente cristalinos y un ánodo con la pantalla de fósforo mejorada en nuestra estructura de diodo no obtuvieron una corriente de emisión de campo de parpadeo y una buena homogeneidad de brillo. "Dijo Shimoi.
Ésta es una imagen de homogeneidad de iluminación plana de un dispositivo de fuente de luz plana a través de un filtro de densidad neutra. Crédito:N.Shimoi / Universidad de Tohoku
Las fuentes de electrones de emisión de campo atraen la atención de los científicos debido a su capacidad para proporcionar haces de electrones intensos que son unas mil veces más densos que los cátodos termoiónicos convencionales (como los filamentos de una bombilla incandescente). Eso significa que las fuentes de emisión de campo requieren mucha menos energía para funcionar y producen una corriente de electrones mucho más direccional y fácilmente controlable.
En años recientes, Los nanotubos de carbono han surgido como un material prometedor de emisores de campos de electrones, debido a su forma de aguja a nanoescala y sus extraordinarias propiedades de estabilidad química, conductividad térmica y resistencia mecánica.
Los nanotubos de carbono de pared simple altamente cristalinos (HCSWCNT) tienen casi cero defectos en la red de carbono en la superficie, Shimoi explicó. "La resistencia del electrodo de cátodo con nanotubos de carbono de pared simple altamente cristalinos es muy baja. Por lo tanto, el nuevo dispositivo de pantalla plana tiene una pérdida de energía menor en comparación con otros dispositivos de iluminación actuales, que se puede utilizar para fabricar cátodos energéticamente eficientes con un bajo consumo de energía ".
"Muchos investigadores han intentado construir fuentes de luz con nanotubos de carbono como emisores de campo, ", Dijo Shimoi." Pero nadie ha desarrollado un dispositivo de iluminación equivalente y más simple ".
Teniendo en cuenta el paso principal para la fabricación de dispositivos:el proceso de recubrimiento húmedo es un proceso estable pero de bajo costo para fabricar películas de gran superficie y uniformemente delgadas, el dispositivo de emisión de plano plano tiene el potencial de proporcionar un nuevo enfoque a la iluminación en el estilo de vida de las personas y reducir las emisiones de dióxido de carbono en la tierra, Dijo Shimoi.
