Desde la introducción de la tecnología LED no solo el consumo de energía de la iluminación se ha reducido de forma sustancial, sino que también se trata de una fuente de luz versátil que en la actualidad es omnipresente en todo tipo de aplicaciones donde se necesite luz. A pesar todo los avances producidos en esta tecnología de iluminación en estado sólido, diseñar un LED blanco con las especificaciones correctas sigue siendo un proceso tedioso de “prueba y error”. Así lo consideran investigadores de la Universidad de Twente, que junto con la Universidad Tecnológica de Eindhoven y la compañía de iluminación Signify han conseguido demostrar un principio de diseño que reduce drásticamente el tiempo necesario para diseñar un LED blanco: de horas a segundos, mejorando así el rendimiento y la reducción de costes. Los investigadores han presentado su método en un paper publicado en la revista científica ACS Photonics de la American Chemical Society.
Gracias a la invención del LED azul, ganadora del Premio Nobel en 2014, se hizo posible la producción de un LED Blanco. Esta nueva fuente de luz se hizo rápidamente popular por su eficiencia energética, estabilidad mecánica y larga vida útil. Para una determinada aplicación de iluminación, es necesario tener en cuenta la intensidad de luz y la eficiencia de los LED, pero también es fundamental la combinación específica de colores que forman la luz blanca, el llamado punto de color. Alcanzar el punto de color deseado todavía se realiza en la actualidad haciendo coincidir medidas y simulaciones hasta que encajen. Se trata de un proceso lento que utiliza el llamado “ray tracing”: en esto, la experiencia del diseñador es más importante que un diseño sistemático.
El nuevo método cambia esto, ya que se trata de un enfoque analítico. Se trata de un principio de diseño radicalmente nuevo que se basa en un modelo analítico en lugar de un enfoque numérico. El modelo propuesto predice el punto de color del LED blanco para cualquier combinación de parámetros de diseño.
En la práctica, un LED blanco es un LED azul con una capa de fósforo. La luz azul se transmite en parte a través de la capa de emisión y se convierte en parte en luz roja, amarilla y verde. La luz blanca y difusa resultante que cae sobre un objeto es una combinación de la luz transmitida y dispersa. El punto de color está determinado por el grosor de la capa de fósforo, así como por la concentración de partículas de fósforo, el tipo de luz azul y parámetros ópticos como el tipo de lente que se monta en el LED. Este nuevo modelo proporciona los coeficientes de reflexión y transmisión de las intensidades de luz dispersa y reemitidas, así como la distribución de densidad de energía dentro del LED.
“Utilizando nuestro enfoque analítico, podemos encontrar el punto de color en función de estos parámetros relevantes. Y también a la inversa: con un punto de color como punto de partida, podemos encontrar estos parámetros”, explica el profesor Willem Vos de la Universidad de Twente. “Hasta ahora, la industria de la iluminación no tenía modelos que describan adecuadamente la dispersión de la luz”, agrega Wilbert IJzerman, profesor TU Eindhoven y que trabaja en Signify. “Un modelo basado en los parámetros físicos es un verdadero paso adelante. Ahora podemos producir fácilmente una tabla de búsqueda basada en las condiciones”.
La nueva herramienta de diseño se basa en la llamada ecuación de transferencia radiativa y es muy rápida: un diseño led típico lleva menos de un segundo, mientras que el enfoque actual dura más de una hora.
El núcleo del nuevo método reside en calcular la distribución espacial de energía lumínica de la luz dispersada y reemitida dentro de un LED blanco. De este perfil espacial se pueden obtener los coeficientes de reflexión y transmisión. El método no implica ninguna suposición con respecto a los procesos físicos que resultan en la dispersión de la luz y no sufre ninguna limitación impuesta en la longitud de onda de la luz de excitación. Por lo tanto, se puede aplicar a cualquier tipo de partículas de dispersión, incluidos diferentes tipos de fósforos o incluso puntos cuánticos.
“Nuestro principio de diseño se basa en calcular la energía de luz espacial. Esta propiedad es crucial en el diseño de un LED Blanco, ya que no solo permite predecir el color, sino que también proporciona información sobre la mitigación de generación de calor dentro de la capa de fósforo. El conocimiento de una distribución espacial del calor producido por el fósforo permite calcular el enfriamiento térmico y el rendimiento de por vida de un LED blanco, ya que el calor de los fósforos daña el polímero al disminuir su rendimiento”, señalan los investigadores.
Este método de diseño se puede aplicar para diseñar LED blancos tradicionales basados en fósforo, como para sistemas más modernos comos LED blancos accionados por láser o LED blancos que contienen puntos cuánticos.
“Nuestro enfoque aumentará la eficiencia en producción al evitar esfuerzos de diseño recurrentes y disminuir los costes de propiedad de las unidades de LED blancas para usuarios de todo el mundo y ya está siendo utilizado por ingenieros en la industria”, concluyen los investigadores.
Créditos de imagen: ACS Photonics 2019
