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白熾燈泡敗部復活? 新技術提升效率直逼LED燈

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眼見就要被淘汰的傳統燈泡,拜奈米科技之賜,或許有了復活機會。

三位麻省理工學院的教授:物理學教授Marin Soljačić、Francis Wright Davis教授John Joannopoulos、和電機工程學Carl Richard Soderberg 教授Gang Chen以及其他研究團隊成員在《Nature Nanotechnology上發布了一篇研究,指出他們所使用的奈米材質能夠大幅提升白熾燈泡效能,更有效利用散逸熱能。

關鍵就在於研究人員創造的兩階段製程。第一階段是拿一顆傳統燈泡中加熱過的金屬燈絲,雖然還是會不斷流失熱量。為了防止鎢絲浪費的熱能以紅外線福射方式流失,研究員在第二階段在燈泡四周設置一種二級結構,能捕捉熱能輻射後反射回鎢絲。鎢絲重新吸收熱能後,在以可見光型態發射出來。研究人員使用的二級結構是一種利用地球上豐富元素製成的奈米光學晶體,可利用傳統澱積技術製造。

第二階段製程決定整個系統電能轉換成光效率。發光效率(luminous efficiency,光效)是量化光線單位,將肉眼對光線反應納入考量。傳統白熾燈泡發光效率大約介於2%至3%之間,而螢光燈泡則有7%到15%,效率最高的LED燈泡則介於5%至15%。然而,研究顯示,使用這種轉換熱能為光線技術之後,白熾燈泡光效有可能高達40%。

第一組概念驗證燈泡,並未達到團隊宣稱的40%光效,只達到約6.6%。即使是實驗初步結果,新白熾燈泡已達到了許多螢光燈,甚至是LED燈的效率了,比照傳統白熾燈泡,新實驗燈泡光效已達原先光效3倍之高。

 

光線回收再利用 一顆只有可見光的燈泡

研究團隊稱他們的手法為「光線回收再利用」,因為他們將無用能量波長轉換成有利用價值的可見光波長。

研究團隊的成功關鍵在於設計出能夠對廣域光譜及角度有反應的光學晶體。光學晶體本身是許多薄層堆疊在一片基板上所組成。

Ilic表示:「將薄層疊在一起,達到正確厚度跟排序時,能非常有效調整光線跟材質的互動。」在研究人員的設計中,只有具利用價值可見光能穿透晶體,但是紅外線波長碰到材質時,會像遇到鏡子一樣,直接被反射回燈絲。這些紅外線能量回到燈絲 (filament),被轉換成可見光熱量。在只有可見光能穿透情況下,熱量只能在燈絲及外圍材質之間來回反射,直到最後轉變為可見光為止。

未參與此研究的普林斯頓大學電機工程學系的助理教授Alejandro Rodriguez表示:「研究結果令人印象深刻,這研究顯示傳統燈絲光效和能耗效率能夠達到與螢光燈和LED燈泡不相上下的可能。這項發現顯現創新光學設計不但能夠解決老技術問題,還能用來研發出新產品。相信這項研究將為白熾燈泡光源帶來很大影響,甚至將引領白熾燈泡發射器研究,為未來量產商業化用途鋪路。」

這項技術的應用範圍不只是燈泡而已,在其他各領域也深具潛力。Soljačić也補充,這種能夠控制熱發散的能力非常重要。這也正是這個研究的貢獻所在。