LED-Linse von Glühwürmchen inspiriert

  • 31. October 2012

Durch eine nanostrukturierte Linsenoberfläche wird Licht besonders gut abgestrahlt.

Die belebte Natur hat für viele „technische“ Probleme bemerkenswerte Lösungen gefunden. So können manche Insekten mit ihrer nanostrukturierten Chitinhaut polarisiertes Licht reflektieren, leuchtende Interferenzfarben erzeugen oder die Lichtreflexion weitgehend unterdrücken. Den Leuchtkäfern ermöglicht die Nanostrukturierung der Haut über ihren Leuchtorganen, sehr effizient Licht abzustrahlen und damit Paarungspartner zu finden. Jetzt haben koreanische Forscher diesen Nanotrick der Glühwürmchen dafür genutzt, eine besonders effiziente Linse für Leuchtdioden zu konstruieren.

Abb.: Regelmäßig angeordnete Nanosäulen machen die biologisch inspirierte Linsenoberfläche besonders lichtdurchlässig. (Bild: J.-J. Kim et al., PNAS)

Abb.: Regelmäßig angeordnete Nanosäulen machen die biologisch inspirierte Linsenoberfläche besonders lichtdurchlässig. (Bild: J.-J. Kim et al., PNAS)

Ki-Hun Jeong und seine Kollegen am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) haben untersucht, wie bei den Männchen des Leuchtkäferart (Luciola lateralis Motschulsky) die Oberfläche der Unterleibssegmente strukturiert ist, unter denen sich das Leuchtorgan befindet. Wie die Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigten, wies die Chitinhaut nebeneinanderliegende längliche Erhöhungen auf, die etwa 150 Nanometer breit sowie 110 Nanometer hoch waren und mit einer Periode von ca. 250 Nanometer regelmäßig angeordnet waren.

Wie die KAIST-Forscher berechneten, strahlte eine so bemessene Nanostruktur aus Chitin (mit dem Brechungsindex 1,56) das grüne Biolumineszenzlicht des Leuchtkäfers (Wellenlänge um 560 Nanometer) besonders effizient ab. Die nanostrukturierte Oberfläche hatte einen effektiven Brechungsindex von 1,24. Dies ergab eine Anpassung der Brechungsindizes von Chitin und Luft, bei der das Licht des Leuchtkäfers von der Oberfläche kaum reflektiert wurde, sodass es zu einer effizienten Abstrahlung kam.

Auch das Licht einer Leuchtdiode muss, gebündelt durch eine Linse, aus einem Material mit hohem Brechungsindex austreten. Ki-Hun Jeong und seine Mitarbeiter erleichterten den Lichtaustritt, indem sie der Linsenoberfläche eine Nanostrukturierung gaben, die von der Oberflächenstruktur der Leuchtkäferhaut inspiriert war. Sie wählten dazu eine bienenwabenförmige Anordnung von 80 bis 140 Nanometer hohen Erhebungen auf der Linsenoberfläche, die die Form einer Kugelkappe hatte.

Abb.: Linsen mit unterschiedlich langen Nanosäulen reflektieren das Licht unterschiedlich stark und lassen es dementsprechend unterschiedlich gut durch. (Quelle: J.-J. Kim et al., PNAS)

Abb.: Linsen mit unterschiedlich langen Nanosäulen reflektieren das Licht unterschiedlich stark und lassen es dementsprechend unterschiedlich gut durch. (Bild: J.-J. Kim et al., PNAS)

Die Linsenoberfläche stellten die Forscher her, indem sie zunächst winzige Polystyrolkugeln auf einer ebenen Siliziumoxidunterlage hexagonal anordneten. Dann ätzten sie einen Teil der Unterlage weg, wobei unter den Kugeln zylindrische Säulen stehenblieben. Die so strukturierte Unterlage verwendeten sie als Form für eine 100 Mikrometer dicke, elastische Schicht aus Polydimethylsiloxan, die sie anschließend abhoben und auf eine ca. fünf Millimeter große kreisförmige Öffnung legten. Durch Unterdruck wurde die Schicht teilweise in die Öffnung hineingezogen und dabei zu einer Kugelkappe deformiert. Das Innere der Kugelkappe füllten die Forscher mit einem UV-härtenden lichtdurchlässigen Kunststoff, der nach UV-Bestrahlung eine 4,4 Millimeter große nanostrukturierte Linse bildete.

Insgesamt stellten die Forscher vier solcher Linsen her, aus deren Oberflächen Säulen von 80, 100, 120 und 140 Nanometern Länge herausragten. Die Linsenoberfläche mit den 120 Nanometer langen Säulen gab das Licht einer unter ihr befindlichen LED am besten ab. Ihr Transmissionsgrad lag bei 98 Prozent für rotes und blaues Licht und bei 98,3 Prozent für grünes Licht von 560 Nanometer Wellenlänge. Linsen mit kürzeren oder längeren Säulen oder völlig glatte Linsen hatten einen deutlich geringeren Transmissionsgrad zwischen 94 und 97 Prozent. Diese Ergebnisse standen in Einklang mit den Berechnungen. Mit den biologisch inspirierten nanostrukturierten Linsen könnte man die Lichtabstrahlung von Hochleistungs-LEDs verbessern, die als Blitzlicht und zur Beleuchtung vielfältig verwendet werden.

Rainer Scharf

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