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光電/顯示技術  

奈米技術為白熾燈注入新生命

上網時間: 2016年01月29日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:奈米  白熾燈  能效  能量轉換  奈米光子 

由美國麻省理工學院(MIT)和普渡大學(Purdue University)組成的研究團隊宣稱,研究人員們正成功地「結合傳統燈泡的溫暖外觀以及21世紀的能源效率」。儘管這項研究屬於「奈米光子學」領域,但MIT的研究人員認為這項在燈泡研究的成果,也適用於其他能量轉換技術。

研究人員開發的這種新結構採用了真空中的傳統鎢絲,透過外部塗層或環繞次級結構,能夠擷取可見光外部的輻射,並使其反射回燈絲,以便被重新以可見光吸收後再次發射。這些光子晶體形式的結構採用地球上豐富的元素以及傳統材料沈積技術加以製造:不僅可作為IR波長的反射器,也成為了可見光光譜的帶通或高通光譜濾波器。熱能不斷返回燈絲,並且隨著電流的電阻加熱提高燈絲溫度而持續累積。

研究人員指出該方案在理論上約可達到40%的發光效率,不過至今所製造的元件大約在6%左右。然而,這已經能媲美緊湊型螢光燈(compact fluorescent;CFL)以及現有LED燈的光源了。

根據MIT表示,「白熾燈的燈光、溫暖以及令人熟悉的光芒已經存在超過一世紀了,在全球各地的家庭應用中幾乎不曾發生改變。然而,隨著法規持續提升能效的目標,目前正迅速發生的變化是逐步淘汰舊式燈泡,轉而採用更加高效的緊湊型螢光燈(節能燈泡)以及新的LED燈。」

由愛迪生(Thomas Edison)開發的白熾燈泡原理是將鎢絲加熱至大約2,700℃的溫度。在此高溫下的鎢絲會發射出所謂的黑體輻射,這種極其廣泛的光譜可提供暖光以及各色光源。不過,大約有95%以上的能量都會因為熱而耗散。這就是為什麼許多國家已明令禁止或淘汰這種低效的技術。如今,MIT與普渡大學的研究人員已經找到扭轉這一切的方法。

新的研究成果發表於《自然奈米技術》(Nature Nanotechnology)期刊。根據研究人員指出,這項研究的關鍵在於建立一個兩階段的過程。在第二步驟中「回收」先前浪費的能量,這讓系統能夠更高效地將電能轉換成光能。其中之一是表徵光源的「發光效率」,必須考慮到人眼的反應。傳統白熾燈的發光效率大約2-3%,而螢光燈(包括節能燈泡)則為7-15%,大部份的LED則在5-15%之間;而新開發的2階段白熾燈則可望實現高達40%的發光效率。

不過,研究團隊開發的首款概念驗證原型尚未達到這樣的理想,而是大約6.6%的發光效率。但即使這是初步的成果,也已經可媲美目前的CFL與LED,而且也可能讓白熾燈泡提高3倍的發光效率了。

研究人員成功的關鍵之一在於設計出一種光子晶體,適用於相當寬廣的波長範圍與角度。這種光子晶體本身是在基板上沈積薄層堆疊而製造的。

「當你堆疊薄層時,必須採用正確的厚度和順序,」MIT教授Ognjen Ilic解釋,「你就能夠十分高效地調整材料與光源間的互動。在新開發的系統原型中,理想的可見光波長直接通過材料後由燈泡發射出來,但紅外線波長會像鏡像作用一樣被反射回燈絲,累積更多的熱後再轉換成光。由於只有可見光能夠輻射出來,熱量持續反彈回鎢燈絲,直到最終成為可見光為止。」

除了燈泡以外,該技術還能用於實現其它更多應用,MIT教授Marin Soljacic表示。相同的途徑將會對於能量轉換機制帶來「顯著的影響」,例如熱-光電元件,其熱能來自外部光源(化學物質、陽光等)而使物質發光,它能透過光電吸收器使其發射能夠轉換成電能的光線。

Soljacic說:「瞭解各種元件的基本屬性」,如光、熱及其重要互動,以及光的能量如何更有效率地利用,對於廣泛的掌握各種物質來說都是十分重要的。此外,控制熱發射的能力也至關重要。這是對這項研究的實質貢獻。

編譯:Susan Hong

(參考原文:MIT researchers resurrect the incandescent lamp with nano-tech,by Graham Prophet)





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