17 feb. 1999
3 minuten
De gloeilamp heeft zijn langste tijd gehad. Maar hij lijkt nu te reïncarneren op microschaal. IEEE Fellow Yue Kuo, professor aan de A&M University in College Station, Texas, en zijn voormalige doctoraalstudent Chi-Chou Lin, hebben een solid-state verlichtingscomponent ontwikkeld die op het zelfde principe werkt als de gloeilamp.
Net als een gloeilamp geeft de lamp licht doordat gloeidraden zo sterk worden verhit dat zij gaan gloeien. Maar in dit geval zijn de gloeidraden minuscuul – met diameters van 20 tot 150 nanometer – en de peertjes kunnen worden geproduceerd in een halfgeleiderfabriek.
"Simpel gezegd is dit de vastestof-versie van Edison’s gloeilamp", zegt Kuo. Eind december meldde hij op de IEEE International Electron Devices Meeting in San Francisco dat zijn component een levensduur heeft van 7000 uur continu branden.
‘Vastestof gloeiled’
Kuo noemt zijn schepping ‘solid-state incandescent led’. De letter d betekent dan niet ‘diode’, maar ‘device’ en dat device is in feite een mos-condensator. Hij is gemaakt door het stapelen van een dunne laag amorf, isolerend diëlektrisch materiaal tussen een geleider en p-type silicium (silicium met een overschot aan gaten). Het licht ontsnapt via de geleider aan de bovenkant van de stapel, die bestaat uit een transparante geleidende film, zoals indiumtinoxide.
Om de stapel licht te laten geven, leggen Kuo en Lin een spanning aan die zo hoog is dat het diëlektricum midden in de sandwich doorslaat. Daardoor ontstaat een groot aantal kleine, permanent geleidende ‘draadjes’. Na de doorslag veroorzaakt de spanning een stroom door elk van die draadjes. Omdat ze enige weerstand hebben warmen ze op en stralen ze een speldenprikje licht uit door de transparante film. "Het licht is in feite samengesteld uit heel veel kleine puntjes", aldus Kuo.
Net als een gloeilamp stralen deze componenten wit licht uit, over een breed spectrum. Dat is een belangrijk verschil met de conventionele led, die licht emitteert over een smalle band. Om met led’s wit licht te maken, moet een blauwe led worden voorzien van een fosfor of moet licht van rode, groene en blauwe led’s worden gemengd.
Goedkoop alternatief
Kuo en Lin werken al sinds 2011 aan hun nieuwe gloeilamp. Ze hebben er nu een aantal artikelen over gepubliceerd, waarin ze aantonen dat het mechanisme werkt met verschillende diëlektrica, waaronder wolfraamoxide en hafniumfoxide – materialen die al worden gebruikt in hedendaagse transistoren.
Omdat de componenten kunnen worden gebouwd met materialen die in overvloed beschikbaar zijn en met eenvoudige productiemethoden, zoals sputteren, denkt Kuo dat ze een goedkoop alternatief kunnen zijn voor conventionele led’s. Ze kunnen ook worden gebruikt als lichtbron voor optische communicatie op chips.
Laag rendement
Het addertje onder het gras is het rendement. In de eerste experimenten van het team wordt slechts 1% van de toegevoerde elektriciteit omgezet in licht. Kuo wijst er wel op dat de metingen zijn gedaan op ongeveer 2 millimeter afstand, zodat mogelijk niet al het uitgestraalde licht is gemeten. Hij verwacht dat zijn lamp uiteindelijk een hoger rendement zal hebben dan een conventionele gloeilamp, die ongeveer 90% van de energie verliest aan opgewekte warmte. Dat komt doordat de gloeilamp emissiepieken heeft in het infrarood, terwijl de microgloeilamp piekt in het zichtbare deel van het spectrum. Het is niet duidelijk og het ooit in de buurt van het led-rendement zal komen..
"Omdat de solid-state incandescent led gloednieuw is, zijn er nog veel dingen niet bekend. Er moet nog worden gewerkt aan het begrijpen van de fundamentele fysica van de component, inclusief de oorzaak van de geleidende paden, het potentieel haalbare rendement en de manier waarop hij uiteindelijk kapot gaat.
Anderen lazen ook
