「Edison」、電球を再発明！

Tiffany Trader

今時の消費者は、エネルギーとお金を節約しながら自らが望む灯りを与える様々な灯りのオプションから選択することが出来る。Thomas Edisonが約130年前に発明して以来、至る所にある標準的な白熱電球に加えて選択肢として、エネルギー効率に優れたハロゲン白熱、コンパクト蛍光灯( CFLの)、そしてより柔らかく、暖かい、発光ダイオード(LED )の新品種がある。

従来の白熱電球の問題は、灯りの代わりに電力の90％が熱の発生に引き出されてしまうことである。エネルギー節約のための膨大な可能性を考慮すると – 米国だけで年間100億ドルと等価 – それは科学者やエンジニアが賢い照明の選択肢を必死に開発し、完成させることは驚くことではない。これらのうち、 LEDははるかに少ないエネルギーを使用しながらも心地よい、自然な光を提供する可能性を最も有している。

固体照明の一種、 LEDは電気を光子に変換する半導体である。かつてはインジケータと信号機のために主に使用され、一般的な照明用途のためのLEDは、今日の最もエネルギー効率的で、急速に開発された技術のひとつである。 ENERGY STAR認定LEDは、一般的な白熱灯のエネルギーの20〜25％だけを使用し、 最大25倍長く使える。低いエネルギー消費である以外にLEDは、長寿命、改善された物理的堅牢性、より小さなサイズ、そしてより高速なスイッチングを主張することができる。

LEDが数10年の間に進む最も有望な光技術のひとつであっても、依然改善の余地がある。特に科学者たちがいわゆる「緑のギャップ」と呼ぶLEDの効率が大幅に低下する範囲の一部分に取り組んでいる。緑色LEDの効率を増加させることが、米国エネルギー省にとっての優先度の高い研究分野である。

DOEの国立エネルギー研究科学計算センター( NERSC )で着手されたシミュレーションは、DNA鎖幅の半分のナノ構造が、このギャップを改善し、よりエネルギー効率の高いLEDを提供することを示している。

低電力な窒化物系LED – 最も一般的に白が一般用照明で使われているもの – は非常に効率的で、そのエネルギーの大部分を光に変換する。しかし、電力が主流の環境とタスク照明のニーズを満足する光を作るために増加した場合でも、ごく僅かな割合の電気が光に変換される。その効果は、緑色LEDで特に顕著であり、用語の「グリーンギャップ」が生まれた所以である。

ミシガン大学の研究者、Dylan BayerlとEmmanouil Kioupakisが、NERSCのCray XC30スーパーコンピュータ「Edison」の助けを借りて、このギャップを埋めるための追求を行っている。彼らは、一般的に赤外光を発する半導体窒化インジウム( InN)が、 1ナノメートル幅のワイヤが利用された時に緑色の光を放出することを発見した。彼らはさらに、ワイヤの幅を調整することによって、これらのナノ構造は異なる色の光を発することを突き止めた – より広いワイヤーは黄色、オレンジまたは赤を生成し、狭いワイヤーは藍色や紫を作る。これらの色を混合することにより、 LED技術者は電力が増加するにつれて極端な効率の低下に直面しない自然な照明を作り出すことができると考えられる。

LEDを作るこの直接的な方法は、緑色LEDが青と赤のバージョンほど効率的ではないため、 まだ現実的ではない。今日、LEDライトの最も一般的な利用は、 蛍光体を通過した青色LEDの光から作られている。そのプロセスは、従来の蛍光管に使用されるものに類似し、LEDのエネルギー効率の可能性を完全に利用できていない。 NERSCでの関連の記事が説明するように、「直接LEDライトは、より効率的なだけではありませんが、彼らが作り出す光の色を日の時間や手元のやタスクに合わせて動的にチューニングすることができます。」

「私たちの仕事は、僅かなナノメートルサイズの範囲での窒化インジウムが工学的効率性、調整された波長での可視光発光のための有望なアプローチを提供することを示唆しています。」とKioupakisは言った。

「小直径InNナノワイヤーでの可視波長偏光発光」と呼ばれるこの研究に基づいた論文は、 2月にオンライン掲載された。その作業もまたNano Lettersの7月号の表紙で紹介される。