إنتاج مصابيح "ليد" أكثر فعالية وأقل كلفة

إنتاج مصابيح "ليد" أكثر فعالية وأقل كلفة




خطوة مهمة في فهم تناثر الضوء وامتصاصه وإعادة إصداره في الثنائيات المصدرة للضوء light emitting diodes LEDs.

هناك توجه كبير عالمياً بُغية توليد ضوء أبيض بشكل فعال من أجل الاستفادة من استخداماته اليومية المتعددة فيما يخص الإضاءة. هذه الرغبة الملحوظة تدفعها حقيقة أن 10% من كامل إنتاج الكهرباء يُستهلك بغرض الإضاءة. إنها مقاربة حديثة لتوظيف ثنائيات مُصدرةٍ للضوء الأبيض LEDs فعالة ومديدة العمر.

الصمامات الثنائية المُصدرة للضوء الأبيض LEDs الحديثة تكتسب أهميتها من حقيقة أن مكوناتها الأساسية ليست شفافة، بل يتشتت الضوء عدة مرات (انظر الشكل أعلاه)، وبعد ذلك يخضع الضوء لما يُسمى المشية العشوائية (random walk)، وهي شبيهة بدروب المتنزهين الضائعين في غابة كثيفة ويريدون العودة إلى المنزل، وفي كل خطوة يقومون بها يفقدون المسار الذي جاؤوا منه.

نتيجة لذلك فإن الضوء يُصبح منتشراً، وهذا يساعد في الحفاظ على إضاءة متماثلة بدون نقاط ساخنة أو تلون زاوي، وهذا أمر مرغوب بشدة لاستخدامات متعددة. وعلاوة على ذلك، يُعاد تدوير الفوتونات لنحصد المزيد من الضوء الأصفر والأحمر، وبذلك تتحسن فعالية التكلفة وينخفض استهلاك الطاقة.

تقنيات مونت كارلو

---

يقول الباحث الرئيسي في المجموعة البروفسور ويليم فوس Willem Vos: "تنشأ التحديات التي تواجهنا في فهم الخواص البصرية لثنائيات الضوء الأبيض (LEDs) من فهم محدود لآلية تشتت الضوء وامتصاصه وإعادة إصداره".

تُوصف خواص ال LEDs حالياً بنماذج يتم فيها معالجة تشتت الضوء وامتصاصه وإعادة إصداره بتقنيتي مونت كارلو (Monte Carlo) وتتبع الأشعة (ray-tracing). يشير فوس إلى أنه: "في الوقت الحالي لا يمكن التنبؤ بأطياف الـ LEDsكمومياً، أو أن الثوابت البصرية يجب أن 'تُلفق' لتتوافق مع البيانات الناتجة عن القياس". من الواضح أن هذه الحدود تُعيق تصميم وتطوير الصمامات الثنائية المصدرة للضوء الأبيض LEDs ذات الكفاءة.



الصمامات الثنائية المُصدرة للضوء الأبيض LEDs


تبنى فريق توينت وفيليبز للإضاءة (the Twente and Philips lighting team) مقاربةً مبتكرةً لتوصيف تناثر الضوء وامتصاصه وإعادة إصداره حيث جمع الباحثون الضوء الذي يخرج في كل الاتجاهات من خلال مُوزعٍ (LED diffuser)، وتم ذلك عبر ترشيح طيفي حذر للضوء القادم، وترشيح مُنفصلٍ للضوء الصادر (انظر الشكل 2a).

وداخل مجال طولٍ موجي يتراوح بين الأخضر والأحمر يختلف الإصدار الكلي بمقدار 10% عن الإصدار المقاس بالطريقة التقليدية.

فيما بعد، استخدموا نظرية بصريات النانو (Nanophotonic theory) حيث تم توصيف تشتت الضوء فيها بالاعتماد على المبادئ الأساسية ليستخلصوا من القياسات المسار الحر الوسطي (mean free path)، الذي يُمثل متوسط المسافة التي من بعدها تخسر الفوتونات تحكمها بالاتجاه (مثل المتنزهين في الغابة).

يختلف المسار الحر الوسطي بأكثر من 50% عن المسار المستخرج بالطرق التقليدية (انظر الشكل 2b). تستخدم هذه الرؤية الجديدة لتطوير تصميم LEDs الضوء الأبيض إلى حدٍّ كبيرٍ، ومن الجدير بالذكر أن هذا الأمر سيُنتج LEDs أكثر فعاليةً من الناحية الطاقية، وتتمتع بتأثير بيئي أقل بطريقة أكثر كفاءة.

تصميم جديد لمصابيح (LED) باعثة للضوء مرنة ويمكن إرتداؤها



صورة لمصباح الـ (LED) الباعث للضوء الأبيض الدافئ والقابل للانحناء.
المصدر: Chin-Wei Sher, Chien-chung Lin, Hao-Chung Kuo/National Chiao Tung University.

---

ابتكر باحثون من الجامعة الوطنية تشياو تونغ National Chiao Tung-University -تايوان، ثنائيات باعثة للضوء (LED) تصدر الضوء الأبيض وتتميز بدرجة عالية من المرونة وموفرة للطاقة.

من الممكن استخدامها في صناعة شاشات عرض قابلة للارتداء وأيضاً على الأسطح غير المسطحة، مثل شاشات التلفاز المنحنية والمرنة، في حين أن التصميم بحد ذاته جديد، إلا أن هذا الجهاز قد تمت صناعته تماماً من التقنيات الموجودة مسبقاً، مما يسمح للآخرين بإجراء نسخ مماثلة منه وتركيبها بسهولة.

يقول تشين تشونغ لين -Chien-Chung Lin- الأستاذ المساعد في كلية الضوئيات، الجامعة الوطنية تشياو تونغ - تايوان: "مقارنة بالثنائيات العضوية الباعثة للضوء (OLED)، يمكن لهذا التصميم من مصابيح الـ LED المرنة أن يكون جذاباً للغاية، نظراً لانخفاض تكلفته ومتوسط عمره الطويل وكفاءته الطاقية العالية. وبالإضافة إلى ذلك، فإن جميع التقنيات المرتبطة مع هذا التصميم متوفرة حالياً".

الورقة البحثية لـ لين والبروفيسور هاو تشونغ كو Hao-Chung Kuo وفريق البحث التابع لهما،نشرت في مجلة Optics Express، وهي مجلة تصدر من قبل جمعية البصريات Optical Society أو اختصاراً (OSA)، ويعتبر عملهم هذا هو الأول في مجال مصابيح الـ LED المرنة، في حين أن عملهم السابق قد عني بمجال مصابيح الـ LED التقليدية المصنوعة من نتريد الغاليوم (Gallium-Nitride).

يحصل جهاز الـ LED هذا على مرونته اعتماداً على البوليميد (polyimide)، والدايميثيكون (Polydimethylsiloxane)، ولصناعته فقد قام لين وزملاؤه أولاً بتغطية ركيزة بوليميد بشريط حماية نحاسي رقيق في عملية تعرف باسم (flip-chip bonding)، والتي تقلل المقاومة الحرارية وتبدد الحرارة أعلى مما هو عليه الحال في ترابط الأسلاك التقليدية.

وقد قام الفريق بتثبيت 81 رقيقة LED باعثة للون الأزرق تبلغ أبعاد كل منها
1.125mm×1.125mm1.125mm×1.125mm
على الرقيقة النحاسية ولكن بوضعية مقلوبة .

ولتوفير ضوء أبيض-أصفر دافئ، أضاف الباحثون بعد الخطوة السابقة طبقة أخرى تتألف من طبقة رقيقة من الفوسفور الأصفر والتي تم خلطها وطلاؤها بطريقة اللف (spin-coated) في مادة الدايميثيكون (polydimethylsiloxane)، والدايميثيكون هو عبارة عن بوليمر عضوي ذو أساس سيليكوني ومستخدم على نطاق واسع، وتم اختياره نتيجة لدرجته العالية من الشفافية و المرونة، وقد بلغت مساحة الطبقة النهائية خمسة سنتيمترات طولاً ومثلها عرضاً، إلا أنه فعلياً لا يوجد حدود مقيدة للحجم والأبعاد التي من الممكن أن تتخذها هذه الطبقة.

شَغّلَ الباحثون الجهاز لـ 1000 ساعة معيارية، وذلك لاختبار مدى ديمومته، ووجدوا أن إصداره الضوئي قد انخفض بنسبة 5% فقط، وقد تجلّت إمكانية استخدام هذا الجهاز في أشياء يمكن ارتداؤها بعدما أجريت اختبارات الانحناء عليه، ولم يظهر الجهاز أي تغير في قوة إصداره للضوء حتى عندما تم حنيه على شكل تقوس بلغ نصف قطره 1.5 cm ، وأبدى كفاءة ضوئية عالية بلغت 120 ليومن لكل واط (lumens perwatt).

يقول لين: "و نظراً لأن المكونات كلها متاحة بواسطة التكنولوجيا الحالية، يمكن القول أن موثوقية النظام مجتمعة هي جيدة جداً إذ أن معظم العمليات أو المواد الجديدة تتطلب إجراءات مطولة للتحقق من موثوقيتها، ولكن تصميمنا هذا يستخدم عناصر متوفرة لتجنب هذه المشكلة".