Energieffektiv LED-belysning baserad på nanotrådar
- Diarienummer
- EM11-0015
- Start- och slutdatum
- 120101-161231
- Beviljat belopp
- 16 000 000 kr
- Förvaltande organisation
- Lund University
- Forskningsområde
- Materialvetenskap och materialteknologier
Summary
Vi skall utveckla material och teknologi för framtidens energieffektiva belysning, baserat på odling av nanotrådar på kiselbrickor för att tillverka lysdioder (LEDs). Detta bygger på mer än tio års forskning kring tillväxt och studier av egenskaper hos nanotrådar av III-V och III-kväve material. Huvudmålet för forskningen blir att skapa direktverkande lysdioder, alltså utan att använda fosforer vilket dominerar dagens teknik, genom att producera de fyra grundfärgerna Blått och Grönt med III-kväve material och Gult och Rött med III-V material. Forskningen är uppdelad i fyra teman: (i) materialodling och mikroskopi; (ii) elektro-optisk karakterisering; (iii) fysik och modellering, samt (iv) processning och LED-komponenter. Medan forskningen inom (i)-(iii) bedrivs inom universitetet, så kommer vi inom (iv) att samverka med lysdiodföretaget Glo AB vid forskningsbyn Ideon. Glo kommer att stödja vår forskning med sin LED-processteknik, med utvärdering av nyckelprestanda som ljusutkoppling, våglängdskontroll och droop-egenskaper, liksom i evaluering av produktifiering och kostnadsfördelar. Vi räknar med att inom projektet för alla fyra färgerna uppnå intern kvanteffektivitet som överstiger 80%, och externa kvanteffektivitet bättre än 50%. Genom detta antar vi utmaningen att nå längre än de ljusutbytesmål på 200 lm/W, vilket marknaden har som mål för år 2020, och vi menar att vi har potential att nå värden som t.o.m. överstiger 300 lm/W.
Populärvetenskaplig beskrivning
Under senare år har ny kunskap vuxit fram om hur välmåendet hos människor, djur och växter påverkas av ljus och dess färgsammansättning. Inom medicin och psykologi studeras främst aspekter kring den dygnsrytmen och relaterade sjukdomstillstånd. För odling av växter har man funnit att att fotosyntes och tillväxt kan optimeras genom att balansera röda och blå lysdioder (LED), med stora energi- och miljöbesparingar. Det ljus som emitteras från glödlampans glödtråd motsvarar dess temperatur, vilken typiskt är tusentals grader. Den dominerande strålningen från en glödlampa motsvarar fotoner långt ut i den infraröda delen av spektret, vilket vi uppfattar som att lampan strålar ut värme. I en atom och i en lågenergilampa ”hoppar” en elektron till lägre energitillstånd och energiskillnaden övergår i en foton, dvs ljus. Tyvärr bygger dessa på användning av miljöfarligt kvicksilver. I en lysdiod kopplar man en spänning (2-4 volt) till dioden, vilket resulterar i att elektroner ”hoppar” över halvledarens bandgap. Färgen har alltså inget att göra med temperaturen utan bestäms av bandgapet. Medan glödlampan omvandlar ca 4% av den tillförda elektriska energin till ljus, så kan en lysdiod omvandla mer än 50%. Globalt förbrukas ca 3000 TWh för belysning. Med LED-tekniken kan man spara 90% av den el som används för belysning och spara mer än 20% av all elenergi. Lysdioder har en ”brinntid” på mer än 50 000 timmar, medan en glödlampas ”brinntid” typiskt är 1000 timmar. I detta projekt skall vi utveckla material för lysdioder baserade på nanotrådar, där varje nanotråd utgör en liten lysdiod och där miljontals sådana nano-LEDar utgör lampan. Dessa lysdioder kan odlas på stora och billiga kiselbrickor vilket drastiskt reducerar kostnaden. Vi skall optimera Blåa, Gröna, Gula och Röda lysdioder, vilket ger viktiga fördelar: · de ger möjlighet att avstämma färgtemperaturen hos ljuskällan, · man undviker fosforer som används i dagens vita lysdioder där en blå LED exciterar en fosfor som ger gult ljus, vilket sammantaget ger vitt (men dåligt) ljus. · effektiviteten, mätt i lm/W, blir mycket högre med multipla LEDs, och vi förväntar oss att förbättra ljusutbytet med 50-100% jämfört med vad dagens LED-teknik i framtiden kan uppnå. Materialforskningen inom projektet kommer att samverka intimt med nano-LED-teknologin som utvecklats inom Glo AB vid Ideon i Lund, vilket vi räknar med kan leda till en stor svensk halvledarindustri.