Crédito:Universidad de Twente
La llegada del diodo emisor de luz blanca (LED), que consta de un LED azul con una capa de fósforo, reduce en gran medida el consumo de energía para la iluminación. A pesar del mercado en rápido crecimiento, Los LED blancos todavía se están diseñando con métodos numéricos lentos de prueba y error. Un equipo de científicos de la Universidad de Twente, Universidad Técnica de Eindhoven, y la industria líder Signify (anteriormente Philips Lighting) han introducido un principio de diseño radicalmente nuevo que se basa en un modelo analítico en lugar de un enfoque numérico. El modelo predice el punto de color de un LED blanco para cualquier combinación de parámetros de diseño y permite un diseño mucho más rápido. hasta 1 millón de veces, resultando en costos de diseño y producción reducidos. Los resultados se publican en Fotónica ACS .
Las principales características de una fuente de luz blanca son el punto de color y la eficiencia. El punto de color está definido por el espectro emitido y se describe mediante dos parámetros que abarcan el llamado espacio de color. Los diseñadores ópticos utilizan actualmente simulaciones numéricas, a menudo basado en técnicas de trazado de rayos Monte-Carlo para extraer el punto de color, dados los parámetros de diseño de la fuente de luz blanca. Para apuntar a un punto de color específico, Los diseñadores ópticos deben utilizar estas simulaciones para cada conjunto elegido de parámetros de diseño. Desafortunadamente, Los métodos de simulación son muy lentos y, en consecuencia, solo se puede explorar una pequeña parte del espacio de parámetros de diseño. Por eso, el diseño de un LED blanco se basa en la experiencia del diseñador óptico más que en una exploración sistemática del espacio de parámetros de diseño completo.
Los LED blancos tienen numerosas ventajas sobre las fuentes de iluminación convencionales como las lámparas incandescentes o las lámparas de descarga. Los LED blancos se encuentran entre las fuentes de mayor eficiencia energética, son mecánicamente robustos y térmicamente estables, poseen una buena estabilidad temporal y tienen una larga vida. Un LED blanco típico consta de un LED semiconductor azul y una capa de fósforo que consta de una matriz de micropartículas de fósforo (consulte la Figura 1).
Figura 1:(Izquierda) Esquema de un LED blanco que consta de un LED semiconductor azul y una capa con micropartículas de fósforo (esferas amarillas). Parte de la luz azul se dispersa y transmite a través de la capa de fósforo, y una parte es absorbida y reemitida en amarillo, verde, y rojo para producir la luz blanca deseada. (Derecha) Luz de excitación azul con intensidad Iin (λ 1 ) que se origina en el LED azul se ilumina sobre la placa de fósforo de espesor L. La placa de fósforo contiene micropartículas de fósforo que están representadas por círculos amarillos. I T (λ 1 ) es la intensidad transmitida dispersa, I R (λ 1 ) es la intensidad reflejada dispersa, I T (λ 2 ) es la intensidad reemitida transmitida, y yo R (λ 2 ) es la intensidad reemitida reflejada. La mezcla de rojo transmitido, verde, y la luz azul ilumina el objeto, como una flor. Crédito:Universidad de Twente
Parte de la luz azul se transmite a través de la capa de fósforo, y una parte es absorbida y reemitida en la parte roja y verde del espectro para producir la luz blanca deseada. Las cantidades relativas de luz dispersada y reemitida (Figura 2) definen el punto de color de un LED blanco. Para ajustar el punto de color, varios parámetros de diseño están disponibles, como la densidad de partículas de fósforo r (ver Figura 3), el espesor de la capa de fósforo L, el tipo de fósforo, el tipo de LED azul, y elementos ópticos adicionales.
El diseño sistemático del punto de color de un LED blanco requiere algoritmos que son mucho más rápidos que las técnicas de trazado de rayos. El autor principal IJzerman de la empresa Signify dice:"Hasta la fecha, no existe un buen modelo para describir la dispersión en la industria de la iluminación. Todos nuestros modelos dependen de un ajuste de curva avanzado mediante el cual uno o más parámetros se determinan haciendo coincidir las mediciones con las simulaciones. Para mejorar este enfoque costoso y que requiere mucho tiempo, un modelo a priori basado en parámetros físicos medibles sería de gran valor y un gran paso adelante ”. Esto es lo que han desarrollado los investigadores.
Figura 2:Transmisión y reflexión de un LED blanco en función de la densidad de partículas de fósforo (para longitud de onda λ 1 =475 nm). (a) La línea discontinua representa el coeficiente de transmisión total calculado de la luz dispersa. Los triángulos representan el coeficiente medido, (b) la línea de guiones-puntos-puntos representa el coeficiente de transmisión total calculado de la luz reemitida. Los cuadrados representan los coeficientes medidos, (c) la línea discontinua representa el coeficiente de reflexión calculado de la luz dispersa. Las estrellas representan el coeficiente medido, (d) la línea de puntos discontinuos representa el coeficiente de reflexión calculado de la luz reemitida. Los círculos representan el coeficiente medido. Las barras de error del experimento están dentro del tamaño del símbolo. Crédito:Universidad de Twente
El equipo holandés presenta una herramienta computacional analítica extremadamente rápida basada en la llamada aproximación P3 a la ecuación de transferencia radiativa. El autor principal, Vos, dice:"Podemos predecir el punto de color de un LED blanco a partir de los parámetros de diseño elegidos. A la inversa, podemos obtener los parámetros de diseño de un LED blanco a partir de un punto de color específico ".
Figura 3:Punto de color de un LED blanco. Los círculos (transmisión) y los cuadrados (reflexión) son nuestros puntos de datos experimentales para la longitud de onda λ 1 =475 nm (ver Figura 2). Las líneas discontinuas rojas y negras representan los puntos de color predichos en función de la densidad de partículas de fósforo r (de 1% en peso a 8% en peso) para luz transmitida y reflejada, respectivamente (mostrado en la Figura 2). El diamante verde indica el espectro de luz blanca estandarizado más utilizado, el espectro D65. Crédito:Universidad de Twente
IJzerman dice:"En esta nueva situación, el problema inverso no requiere un procedimiento de iteración para cada nuevo ciclo de diseño. Dada la velocidad de nuestra herramienta, podemos generar una tabla de búsqueda para todo el espacio de parámetros disponible para los ingenieros. De este modo, obtenemos enormes beneficios de velocidad y eficiencia ".
Lagendijk dice:"Estoy emocionado de que los LED blancos contribuyan aún más a una rápida globalización de la iluminación, y, por tanto, a la alfabetización y la democratización en todo el mundo. Esto es relevante para las regiones donde algunas células solares están fácilmente disponibles, y donde la red eléctrica extensa es demasiado cara o tediosa ".
