Đặc san Kỹ thuật

Màn hình tiết kiệm năng lượng nhờ công nghệ nano

Ngày đăng: 16/11/2014

Lĩnh vực điện tử dựa trên cơ sở cacbon, đặc biệt là ống nano cacbon (Carbon nanotube - CNT) đang nổi lên như vật kế vị của silic trong sản xuất vật liệu bán dẫn. Và chúng có thể dẫn đến một thế hệ các thiết bị chiếu sáng mới có chi phí thấp hơn, có độ sáng hơn và tiêu tốn ít năng lượng hơn. Đây là điều có thể thách thức sự nổi trội của đèn LED trong tương lai và giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội về các loại đèn ánh sáng xanh hơn.


 
Các nhà khoa học trên thế giới vẫn không ngừng tìm kiếm các loại thiết bị chiếu sáng khác có hiệu quả cao hơn trong một lĩnh vực mới được gọi là lĩnh vực điện tử cacbon. Công trình nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Review of Scientific Instruments cho thấy, các nhà khoa học đến từ một trường đại học của Nhật Bản đã phát triển một loại thiết bị nguồn sáng màn hình mới dựa trên ống nano cacbon có mức tiêu thụ điện năng rất thấp, chỉ khoảng 0,1W/giờ, thấp hơn 100 lần so với đèn LED. Loại thiết bị này được chế tạo dựa trên cơ sở một màn hình phôtpho với các ống nano cacbon vách đơn được sử dụng làm điện cực  giống như trong cấu trúc điốt, với vẻ ngoài giống như một chùm các sợi tơ filamăng kích thước tế vi.
 
Các nhà nghiên cứu đã lắp ráp thiết bị từ một hỗn hợp chất lỏng có chứa ống nano cacbon vách đơn tinh thể phân tán trong một dung môi hữu cơ trộn lẫn với một hóa chất giống như xà phòng được biết đến như một chất hoạt tính bề mặt. Sau đó họ phủ hỗn hợp này lên điện cực dương hoặc âm, và làm trầy xước bề mặt bằng giấy nhám để tạo nên những tấm panen chiếu sáng có khả năng tạo ra nguồn phát xạ lớn, ổn định và đồng nhất với mức tiêu thụ năng lượng thấp.
 
"Tấm panen "điốt" đơn giản của chúng tôi có thể đạt hiệu suất ánh sáng cao 60 lumen/watt, có tiềm năng tuyệt vời cho một thiết bị chiếu sáng với mức tiêu thụ điện năng thấp", theo Norihiro Shimoi, phó Giáo sư khoa nghiên cứu môi trường, Đại học Tohoku cho biết.
 
Hiệu suất phát sáng cho ta biết ánh sáng được tạo ra như thế nào từ một nguồn sáng khi tiêu thụ một đơn vị điện năng, đây là một chỉ số quan trọng tương đương với hiệu suất năng lượng trong các thiết bị chiếu sáng. Ví dụ đèn LED có thể tạo ra nguồn sáng cao 100 lumen/watt và đèn OLED (LED hữu cơ) vào khoảng 40 lumen/watt.
 
Mặc dù thiết bị này có cấu trúc giống như điốt, nhưng hệ thống phát sáng của nó không dựa trên một hệ thống điốt thông thường, được chế tạo từ các lớp  bán dẫn là các vật liệu hoạt động như điểm giao nhau giữa chất dẫn và chất cách điện, các tính chất điện có thể điều khiển bằng cách bổ sung thêm các tạp chất được gọi là chất kích thích (dopants).
 
Thiết bị mới này có các hệ thống phát quang hoạt động giống như những ống tia âm cực, với các ống cacbon hoạt động như những catôt, và một màn chắn phôtpho đặt trong một hốc chân không đóng vai trò cực dương. Khi áp dụng một điện trường mạnh, cực catôt phát ra những chùm electron có mật độ và tốc độ cao thông qua các đầu nhọn của ống nano, một hiện tượng được gọi là phát xạ trường. Các electron sau đó bay đến hốc chân không đập vào tấm màn chắn phôtpho và phát sáng.
 
Với cực âm bằng vật liệu ống nano cacbon vách đơn tinh thể cao và cực anôt bằng màn hình phôtpho cải tiến trong một cấu trúc giống như điốt có thể đạt được dòng phát xạ trường không nhấp nháy và có độ đồng nhất chói sáng cao.
 
Các nhà khoa học chú ý đến nguồn chùm tia điện tử phát xạ trường là do khả năng tạo ra các chùm electron cường độ mạnh với mật độ cao hơn đến một nghìn lần so với catôt nhiệt điện tử thông thường (giống như các sợi filamăng trong bóng đèn nóng sáng). Điều đó có nghĩa là các nguồn phát xạ trường đòi hỏi ít điện năng hơn để vận hành và sản sinh ra các chùm tia electron định hướng hơn và dễ điều khiển hơn nhiều.
 
Trong những năm gần đây, ống nano cacbon đang nổi lên như một loại vật liệu mang nhiều triển vọng để chế tạo các thiết bị, do có dạng hình kim kích thước nano và do các đặc tính khác thường về độ ổn định hóa học, tính dẫn nhiệt và độ bền cơ học. Theo các nhà nghiên cứu giải thích, ống nano cacbon vách đơn tinh thể cao (HCSWCNT) gần như không có khuyết tật trong mạng lưới cacbon bề mặt. Điện trở của điện cực âm cấu tạo từ ống nano cacbon vách đơn tinh thể cao là rất thấp. Các thiết bị màn hình phẳng mới có độ thất thoát năng lượng ít hơn nhiều so với các thiết bị nguồn sáng hiện hành khác, do đó có thể sử dụng để chế tạo catôt hiệu suất năng lượng cao với mức tiêu thụ điện năng thấp.

Xét về khâu quan trọng trong sản xuất thiết bị đó là quy trình phủ màng ướt là quy trình có chi phí thấp nhưng ổn định để tạo ra các màng mỏng đồng nhất, diện tích lớn, thiết bị phát sáng mặt bằng phẳng này có khả năng cung cấp một cách tiếp cận mới trong chiếu sáng và góp phần giảm phát thải điôxit cacbon trên trái đất.
 
Theo Nanowerk