La llegada de la tecnología LED supuso un importante aumento de eficiencia con respecto a las tecnologías tradicionales de iluminación. Así por ejemplo, uno de los principales factores que conducen a la falta de eficiencia de las lámparas incandescentes tradicionales es su ineficiencia espectral. La mayor parte de la radiación producida por estas lámparas incandescentes se produce en longitudes de onda superiores a los 700nm y, como el ojo humano tiene poca respuesta fuera del rango visible (es decir, de 380 nm a 720 nm), esta radiación superior a los 700 nm se pierde en forma de calor. La tecnología LED que utilizan los tradicionales LED blancos proporcionan un aumento de la eficiencia espectral ya que la mayoría de la radiación que producen se encuentra en el rango visible. Sin embargo, los fósforos rojos convencionales (fósforos de nitruro o oxinitruro) utilizados en estos LEDs que utilizan fósforo para producir la luz blanca (pc-LEDs) con una buena respresentación de color, tienen amplios picos de emisión que se extienden significativamente al rojo profundo y al infrarrojo cercano (es decir, entre 720 y 800 nm). Desplazando el pico de emisión roja a longitudes más bajas, es decir, utilizando un emisor rojo de banda estrecha, se podría lograr un aumento significativo de la eficacia luminosa y la eficiencia espectral sin sacrificar las propiedades de reproducción de color de la fuente de luz. El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) ha publicado recientemente un informe donde se evalúa una muestra de emisores rojos de banda estrecha que permitan proporcionar puntos de referencia y benchmarks iniciales con respecto a esta tecnología.
En el informe, se realiza una comparación de la eficiencias espectrales y las propiedade de reproducción de color de los LED de banda estrecha de media potencia emisores rojos (MP-LED) con respecto un producto que utiliza los tradicionales pc-LED de color blanco cálido. Para ello, se desarrolló un régimen de ensayos de estrés acelerado para observar y cuantificar los cambios de flujo luminoso y cromaticidad a largo plazo, así como un análisis de fiabilidad de los mismos.
Emisores rojos de banda estrecha
Para lograr emisarios rojos de banda estrecha que permitan disminuir las emisiones del rojo profundo y el infrarrojo cercano se han desarrollado diferentes técnicas y tecnologías. Uno de los primeros intentos fue el uso de arquitecturas híbridas de LED que consistían tanto en emisores pc-LED como en emisores de rojo directo. Esta arquitectura tiene la ventaja de producir emisiones de luz más cercanas a la curva de sensibilidad fotópica con emisiones mínimas por encima de los 720 nm. Aunque este diseño de fuente de iluminación produce un excelente rendimiento en la reproducción del color, hubo problemas con las diferentes estabilidades térmicas de los LEDs azules y los LEDs rojos, lo que resultó en limitaciones en la estabilidad de la cromaticidad y el mantenimiento del flujo luminoso
Una de las primeras aproximaciones para hacer un verdadero fósforo rojo de banda estrecha fue el concepto de anfitrión/activador en el que un material aislante anfitrión que tiene un amplio espacio de banda (por ejemplo, K2SiF6) es dopado con un pequeño porcentaje molecular de un catión ópticamente activo (por ejemplo, Mn4+)- El fósforo resultante permite la absorción de la luz azul y la luminiscencia de la luz visible. Este fósforo, denominado fósforo PFS/KSF, tiene cinco emisiones principales en el rango de 609-648 nm, el FWHM de cada emisión es menor de 2 nm. Debido a que las bandas de emisión rojas del fósforo PFS/KSF son tan estrechas y cubren gran parte de la porción roja del espectro, los dispositivos que incorporan este material pueden tener una excelente representación del color y una amplia gama de colores, con un mínimo derrame en la región cercana al infrarrojo que no es visible para el ojo humano.
Otra opción para los emisores rojos de banda estrecha son los puntos cuánticos (QD), una forma de material nanocristalino en la que el pequeño tamaño (típicamente menos de 5 nm) produce estados cuánticos únicos. Las primeras investigaciones sobre este tema mostraron que los QDs podían combinarse con un fósforo LED tradicional (por ejemplo, fósforos de silicato, granate de aluminio de itrio dopado con cerio, Ce:YAG) para producir un espectro similar al de un dispositivo LED híbrido.Los primeros productos SSL que utilizaron QDs típicamente utilizaban núcleos de selenio de cadmio (CdSe) rodeados de capas protectoras para reducir la oxidación ambiental. El cadmio (Cd) es una sustancia restringida según la Directiva RoHS, por lo que la cantidad de QDs basados en Cd que pueden utilizarse en dispositivos electrónicos puede estar sujeta a regulación. Además, las bandas de absorción y emisión de los primeros QDs estaban muy próximas entre sí (es decir, con un pequeño desplazamiento de Stokes), lo que provocó una importante autoabsorción de fotones y una pérdida de eficiencia. Como resultado, estos primeros dispositivos QD no eran tan eficientes como los LEDs híbridos. Sin embargo, los puntos cuánticos con mayores desplazamientos de Stokes y una mayor estabilidad térmica se han puesto a disposición recientemente y se han incorporado a los dispositivos MP-LED. Al igual que los QD tradicionales, estos nuevos materiales tienen un espectro de emisión que varía con el tamaño, y la longitud de onda de emisión es ajustable a través del espectro visible. A diferencia de los QD tradicionales, estos nuevos materiales tienen una autoabsorción extremadamente baja que debería aumentar la eficiencia del dispositivo y al mismo tiempo proporcionar un excelente rendimiento de reproducción del color. Sin embargo, estos LEDs todavía están sujetos a los requisitos de la RoHS, que limita la cantidad de QDs que contienen Cd que pueden ser incorporados en un paquete de LEDs. En consecuencia, los QDs deben ser mezclados con un fósforo de banda ancha tradicional para proporcionar una gran gama de colores a través del espectro visible.
Analizando rendimiento de estos emisores rojos de banda estrecha
Los productos emisores rojos de banda estrecha seleccionados en el nuevos estudio del DOE utilizan diferentes arquitecturas para disminuir las emisiones del rojo profundo y el infrarrojo cercano (FósforoPFS/KSF y QD+Fósforo) . Entre ellos se incluyen un tubo LED y un dispositivo con dos módulos LED montados en un disipador de calor. El tubo contiene un módulo LED con 42 MP-LEDs encajados en un tubo de vidrio, existiendo dos cadenas de LED diferentes (21+21) en paralelo. El primer tipo de MP-LED tiene un amplio pico naranja centrado en los 595 nm mientras que el segundo tipo de MP-LED contiene el fósforo rojo de banda estrecha con picos consistentes con un fósforo PFS/KSF- Los módulos LED del segundo producto contienen 21 MP-LEDs que utilizan un emisor rojo híbrido con puntos cuánticos rojos de banda estrecha y un fósforo rojo, es decir, una mezcla de puntos cuánticos y fósforo.
Los principales hallazgos del estudio al ensayar estos productos se listan a continuación:
- El estrechamiento de las bandas de emisión roja para los productos del estudio condujo a unas ganancias significativas relativas con la eficacia luminosa de la radiación (LER) en comparación el producto LED blanco-caliente convencional. El fósforo PFS/KSF utilizado en el Tubo LED disminuyó sustancialmente las emisiones por encima de 700 nm, y se determinó que la LER era de 329 lm/W. Por su parte, en el segundo producto, la mezcla de fósforo y puntos cuánticos redujo algunas de las emisiones cercanas al infrarrojo en relación con el producto pc-LED BLANCO, y se determinó que el LER para este producto era de 294 lm/W. Estos LER se correlacionan con aumentos del 16,6% y respectivamente, cuando se comparan con el LER de 282 lm/W (3.500 K) 285 lm/W (2.700 K) para el productos pc-LED Blanco.
- Las características de representación de color de los productos ensayados fueron excelentes, lo que apoya la conclusión de que los aumentos de la eficiencia espectral en la región roja pueden lograrse de tal manera que la representación del color no se vea afectada negativamente.
- La estabilidad de la temperatura de los productos en este estudio fue en general buena. Los mantenimientos del flujo luminoso de ambos productos se mantuvieron por encima de 0,98 en RTOL y 75OL durante la duración de la prueba (7.000 horas para el Tubo LED N; 5.000 horas para el segundo producto). Además, la magnitud del cambio de cromaticidad (∆u’v’) permaneció pequeña para ambos productos en las condiciones de prueba de RTOL y 75OL (∆u’v’ < 0,001).
- Los productos del estudio se vieron especialmente afectados por la presencia de humedad en el entorno. El mantenimiento del flujo luminoso disminuyó drásticamente para ambos productos y en 5.000 horas alcanzó 0,83 y 0,85 para ambos productos. El cambio de cromaticidad también aumentó sustancialmente, con el tubo LED (fósforo PFS/KSF) experimentando un cambio en la dirección azul (∆u’v’ = 0.005) después de 6.000 hrs y para el segundo produccto (mezcla fósforo-puntos cuánticos) fallando paramétricamente debido al excesivo cambio de cromaticidad (∆u’v’ > 0.007) en la dirección verde en 3.000 hrs.
- La mezcla de fósforo-QD fue especialmente susceptible al ambiente húmedo, y el pico de emisión de la mezcla se desplazó en 7 nm hacia un valor inferior al final de la prueba.
- Se necesitan pruebas adicionales para determinar si la eficacia inicial y las ganancias de LER continuarán durante mucho tiempo.
Por tanto, los resultados muestran como los emisores rojos de banda estrecha pueden proporcionar ganancias significativas en cuanto a la eficiencia espectral sin comprometer la fidelidad de color. Sin embargo, mientras que los productos estudiados tienen una buena estabilidad en ambientes de baja humedad, todavía se necesitan importante mejoras en ambientes de alta humedad, particularmente para los productos con una mezcla de fósforo y puntos cuánticos. El fósforo PSF/KSF mostró un mejor rendimiento inicial, pero se necesita más investigación para ver si esta tendencia continuará a largo plazo.
Puede consultar el informe completo en el siguiente enlace:
https://www.energy.gov/sites/prod/files/2020/10/f79/ssl-rti-red-emitters-aug2020.pdf
Fuente de imágenes: Initial Benchmarks and Long-Term Performance of Narrow-Band Red Emitters Used in SSL Devices. DOE 2020
