Un nuevo tipo de bombilla de diodo emisor de luz podría algún día iluminar los hogares y reducir las facturas de energía. según los investigadores de Penn State, que sugieren que los LED fabricados con estructuras que imitan a las luciérnagas podrían mejorar la eficiencia.

"Las bombillas LED juegan un papel clave en la energía limpia, "dijo Stuart (Shizhuo) Yin, profesor de ingeniería eléctrica. "La eficiencia global de los LED comerciales es actualmente sólo del 50 por ciento. Una de las principales preocupaciones es cómo mejorar la denominada eficiencia de extracción de luz de los LED. Nuestra investigación se centra en cómo sacar la luz del LED".

Las luciérnagas y los LED enfrentan desafíos similares para liberar la luz que producen porque la luz puede reflejarse hacia atrás y se pierde. Una solución para los LED es texturizar la superficie con microestructuras (proyecciones microscópicas) que permiten que escape más luz. En la mayoría de los LED, estas proyecciones son simétricas, con pendientes idénticas en cada lado.

Las linternas de las luciérnagas también tienen estas microestructuras, pero los investigadores notaron que las microestructuras de las linternas de luciérnagas eran asimétricas:los lados se inclinaban en diferentes ángulos, dando una apariencia torcida.

"Más tarde me di cuenta de que no solo las luciérnagas tienen estas microestructuras asimétricas en sus linternas, pero también se informó que una especie de cucaracha brillante tiene estructuras similares en sus puntos brillantes, "dijo Chang-Jiang Chen, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica y autor principal del estudio. "Aquí es donde traté de profundizar un poco más en el estudio de la eficiencia de extracción de luz utilizando estructuras asimétricas".

Usando pirámides asimétricas para crear superficies microestructuradas, el equipo descubrió que podían mejorar la eficiencia de extracción de luz en alrededor del 90 por ciento. Los hallazgos se publicaron recientemente en línea en Optik y aparecerán en la edición impresa de abril.

Según Yin, Las microestructuras asimétricas aumentan la extracción de luz de dos formas. Primero, la mayor superficie de las pirámides asimétricas permite una mayor interacción de la luz con la superficie, para que quede menos luz atrapada. Segundo, cuando la luz incide en las dos pendientes diferentes de las pirámides asimétricas, hay un mayor efecto de aleatorización de los reflejos y se le da a la luz una segunda oportunidad de escapar.

Después de que los investigadores utilizaron simulaciones por computadora para demostrar que la superficie asimétrica podría mejorar teóricamente la extracción de luz, A continuación, demostraron esto experimentalmente. Usando impresión 3D a nanoescala, el equipo creó superficies simétricas y asimétricas y midió la cantidad de luz emitida. Como se esperaba, la superficie asimétrica permitió que se liberara más luz.

El mercado de la iluminación basada en LED está creciendo rápidamente a medida que aumenta la demanda de energía limpia, y se estima que alcanzará los 85.000 millones de dólares en 2024.

"Hace diez años, vas a Walmart o Lowes, Los LED son solo una pequeña parte (de su stock de iluminación), "dijo Yin." Ahora, cuando la gente compra bombillas, la mayoría de la gente compra LED ".

Los LED son más respetuosos con el medio ambiente que las bombillas incandescentes o fluorescentes tradicionales porque son más duraderas y energéticamente más eficientes.

Dos procesos contribuyen a la eficiencia general de los LED. El primero es la producción de luz, la eficiencia cuántica, que se mide por la cantidad de electrones que se convierten en luz cuando la energía pasa a través del material LED. Esta parte ya se ha optimizado en LED comerciales. El segundo proceso es sacar la luz del LED, llamado eficiencia de extracción de luz.

"Las cosas restantes que podemos mejorar en eficiencia cuántica son limitadas, ", dijo Yin." Pero hay mucho espacio para mejorar aún más la eficiencia de extracción de luz ".

En LED comerciales, las superficies texturizadas están hechas sobre obleas de zafiro. Primero, La luz ultravioleta se utiliza para crear un patrón enmascarado en la superficie del zafiro que brinda protección contra los productos químicos. Luego, cuando se aplican productos químicos, disuelven el zafiro alrededor del patrón, creando la matriz piramidal.

"Puedes pensarlo de esta manera, si protejo una zona circular y al mismo tiempo ataco todo el sustrato, Debería tener una estructura similar a un volcán "explicó Chen.

En LED convencionales, el proceso de producción suele producir pirámides simétricas debido a la orientación de los cristales de zafiro. Según Chen, el equipo descubrió que si cortaban el bloque de zafiro en un ángulo inclinado, el mismo proceso crearía las pirámides torcidas. Los investigadores alteraron solo una parte del proceso de producción, sugiriendo que su enfoque podría aplicarse fácilmente a la fabricación comercial de LED.

Los investigadores han solicitado una patente sobre esta investigación.

"Una vez que obtengamos la patente, estamos considerando colaborar con los fabricantes en el campo para comercializar esta tecnología, "dijo Yin.