日本東北大學（Tohoku University）的研究人員們近日開發(fā)出一種基于碳奈米管（CNT）材料的新型節(jié)能平面光源。根據(jù)研究人員表示，這種以碳奈米管場發(fā)射器刺激螢光粉發(fā)光而供電的照明面板，將會比發(fā)光二極體（LED）照明更便宜，也比有機發(fā)光二極體（OLED）面板更明亮。
研究人員們目前已經(jīng)開發(fā)出這種平面光源原型——它在設計上類似平面版的傳統(tǒng)陰極射線管（CRT），而且能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗目標，下一步研究人員們將為其實現(xiàn)最佳化，以便達到每瓦60流明的發(fā)光效率。
碳奈米管場發(fā)射器陣列激發(fā)平面光源元件上的螢光粉，使其穿過中性濾光片發(fā)射出均勻的光線
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東北大學首席研究員下位法弘（Norihiro Shimoi）表示，“這款照明燈設計原型具有極低功耗，比LED元件更低100倍，但至少要到2019年后才會發(fā)布。”
因此，這款原型已能證實僅需使用比LED更低的電力。LED由于具有比白熾燈和螢光燈更多優(yōu)點，因而在目前十分流行。遺憾的是，針對大規(guī)模的照明，必須同時使用許多顆LED。而這種碳奈米管設計則可形成任何尺寸大小的面板。
平面照明使用的碳奈米管場發(fā)射陣列
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LED 可產(chǎn)生大約每瓦100流明的光源，相當于可照亮更大范圍的螢光燈泡。但這兩種光源都比每瓦約15流明的白熾燈效率更高。此外，OLED可產(chǎn)生每瓦約40流明光源，目前已經(jīng)被整合于小量生產(chǎn)的面板中。但下位法弘認為，利用碳奈米管作為電場發(fā)射器激發(fā)覆蓋螢光粉的大型面板，由于對功率要求更低及其較OLED面板更高亮度的潛力，最終將得以勝出。
“我們認為，由于采用高結(jié)晶的碳奈米管以及用ITO顆粒涂布螢光粉，減少了因熱損失的能量，是我們能夠使這種新型光源元件達到60lm/W的原因，”下位法弘解釋，“這種元件中的電導性已特別實現(xiàn)最佳化了。未來在碳奈米管結(jié)晶最佳化與設計光源元件后，可望實現(xiàn)更高的亮度與效率。”
根據(jù)下位法弘指出，碳奈米管并未采用半導體接面二極體，而是被制造成優(yōu)異的電場發(fā)射器以激發(fā)螢光粉。這種碳奈米管非常易于制造，不必花費打造無塵室以及高溫爐的額外費用。
不發(fā)光的碳奈米管場發(fā)射器背面
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“單壁碳奈米管（SWCNT）以電弧放電法生長”，下位法弘解釋，“經(jīng)過凈化和退火后的SWCNT粉末與溶劑和表面活性劑混合，然后再將該混合物涂覆在矽基板上。”
碳奈米管混合物在照明元件的陰極上變干后，可用砂紙在表面上刮出一個比傳統(tǒng)熱陰極更強大的1，000倍的電子發(fā)射器。當電子穿過真空部份激發(fā)涂覆螢光體的照明面板時，僅需很小功率就能發(fā)出均勻而穩(wěn)定的全向光源。
利用單壁碳奈米管的原因在于其發(fā)射電子的兩端非常尖銳，而且具有化學穩(wěn)定性、熱傳導率高，以及比鋼更強的機械強度。利用這種SWCNT制造的照明面板也更“綠色環(huán)保”，無論是在制造過程或是最終的處置，都不會有任何二氧化碳排放到大氣中。
參與這項研究計劃的研究人員還包括Sharon Bahena-Garrido、Norihiro Shimoi、Daisuke Abe、Toshimasa Hojo、Yasumitsu Tanaka以及Kazuyuki Tohji，詳細的研究刊載于《科學儀器評論》（Review of ScienTIfic Instruments）期刊中。
編譯：Susan Hong
（參考原文：Nanotube Field Emitters Beat OLEDs，by R. Colin Johnson）
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