Nieuwe mogelijkheden voor witte-led-verlichting en lichtsensoren

Meer dan vijfentwintig wetenschappelijke publicaties in toptijdschriften en zeven octrooiaanvragen, dat is de oogst van vijf jaar gezamenlijke inspanning van Philips Research en de onderzoeksgroep van dr. Jaime Gómez Rivas, wetenschapper van de Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie. Onlangs is een nieuwe samenwerkingsovereenkomst, een Industrial Partnership Programme (IPP), getekend tussen beide partijen. Onder de titel Improved solid-state light sources starten FOM en Philips een onderzoeksprogramma om fundamentele kennis te verwerven die nodig is om de efficiëntie van leds, in het bijzonder voor het verkrijgen van wit licht, te vergroten.

Hoge kwaliteit wit licht is van belang voor algemene verlichtingstoepassingen. Echter, wit licht kan niet rechtstreeks uit een halfgeleider-led worden gehaald, maar wordt (voornamelijk) verkregen door het licht van een blauwe led om te zetten, met fosformateriaal. Door nu deze conversie van het licht evenals de uitkoppeling van licht uit de halfgeleider verder te verbeteren, kunnen witte led-lampen in de toekomst nog energiezuiniger worden. 

De FOM groep van dr. Jaime Gómez Rivas heeft zich gespecialiseerd in onderzoek naar de interactie tussen op  nanometerschaal  gestructureerde materialen en licht (nanofotonica). Deze kennis is toepasbaar voor het verbeteren van de lichtopbrengst en de energie-efficiëntie van lichtbronnen en vormt het uitgangspunt van het nieuwe onderzoekprogramma. 

Resultaten 

Binnen de vorige IPP, met de naam Microphotonic light sources (2005 - 2010), heeft de groep Gómez Rivas een aantal aansprekende resultaten op het gebied van nanofotonica geboekt die ook voor Philips van belang zijn. 

• Onderzoekers van Philips waren erin geslaagd om op een oppervlak draden met een doorsnede van tientallen nanometers te groeien van halfgeleidend materiaal. Toen een FOM-onderzoeker een gepolariseerde lichtbundel door een laag van dergelijke nanodraden stuurde, bleek dat de invloed op die lichtbundel sterk afhing van de omgeving van de nanodraden.  Dit soort gevoeligheid is een belangrijke basiseigenschap voor sensoren.
• Een andere interessante toepassing van deze nanodraden kwam aan het licht toen ze gegroeid werden op een halfgeleider van hetzelfde materiaal. Halfgeleider substraten zijn over het algemeen sterk spiegelend en dat is een groot nadeel als licht erin (zonnecel) of eruit (led) gekoppeld moet worden. Een laag nanodraden, van een gewenste lengte, bleek de waargenomen reflectie sterk te verminderen en leidde tot verder onderzoek naar toepasbaarheid, dat zich binnen Philips vooral op led's richtte.

Transparante substraten

Het onderzoeksgebied dat in de nieuwe IPP de meeste aandacht krijgt is het gebruik van op nanometerschaal gestructureerde metaallagen op transparante substraten. Dit type lagen heeft heel bijzondere eigenschappen. Zo kun je door de periodiciteit en afmetingen van de structuren te variëren hoekonafhankelijke kleurfilters maken voor toepassing in detectoren.
Een tweede belangrijke eigenschap is dat deze structuren gecombineerd kunnen worden met materialen die licht van de ene golflengte absorberen en een andere golflengte uitstralen. De aanwezigheid van de gestructureerde metaallaag zou het mogelijk kunnen maken om met veel dunnere lagen van deze lichtconverterende materialen een goede omzetting te bereiken. Dit verlaagt het gebruik van materialen en daarmee de kosten voor toepassing voor witte led's, waar een deel van het van oorsprong blauwe licht van de led's door conversie in geel wordt omgezet. Deze toepassing is aanleiding voor gezamenlijke inspanning in de IPP.

Net als het vorige programma wordt ook het vervolg uitgevoerd binnen de laboratoria van Philips in Eindhoven, waar de groep van Gómez Rivas is gehuisvest en nauw samenwerkt met de Photonic Materials and Devices groep van Philips Research. Daarnaast maakt de groep Gómez Rivas gebruik van de geavanceerde apparatuur in het nieuwe laboratorium van het FOM‑instituut AMOLF in Amsterdam. Het programma heeft een looptijd van vier jaar. FOM en Philips betalen de kosten (€ 2,2 miljoen) gezamenlijk.