Un equipo de investigación liderado por un equipo del Imperial College London y el Instituto Indio de Tecnología Guwahati ha encontrado una nueva forma de aumentar la cantidad de luz que producen los LEDs añadiendo una capa de nanopartículas. 

Los LED se utilizan de manera abrumadora en la mayoría de aplicaciones de iluminación que actualmente se están desarrollando, y es por ello que muchos esfuerzos se están invirtiendo para conseguir LEDs cada vez más eficientes y duraderos. Durante los últimos años ha habido numerosos intentos para mejorar la eficiencia de extracción de la luz de los LED, en particular, mejorando el comportamiento del necesario encapsulado del chip por un aislante transparente con un determinado índice de refracción. Este material que encapsula el chip (por ejemplo, epoxi, plástico o vidrio) tiene un índice de refracción mucho más bajo que el chip, reduciendo por tanto la cantidad de luz extraída del semiconductor y reflejando la luz de vuelta desde el interfaz hacia el chip. Para mitigar estas cuestiones, anteriormente se han propuestos el uso de vidrios con índices de refracción más altos, sin embargo se tienen importantes problemas en cuanto a su adaptación para la producción en masa. Otros diseños basados en crear chips de forma hemisférica para reducir la reflexión total interna, también se han intentado pero estos son voluminosos y con un proceso de fabricación más difícil. Otras propuestas muy interesantes, es la utilización de revestimientos de los LED con material de índice de refracción de gradiente espacial para ayudar a reducir la pérdida de Fresnel, además, el revestimiento de los LED con un conjunto de microlentes de SiO2/PS podría ayudar a aumentar el cono de escape de fotones para reducir la pérdida en los ángulos críticos. 

Esta nueva investigación propone una ruta alternativa para mejorar la extracción de luz de los LED. El equipo modelo el impacto de colocar una única capa bidimensional de nanopartículas entre el chip LED y el encapsulado transparente que lo protege.

Descubrieron que añadiendo una capa de nanopartículas finamente ajustadas podrían reducir estos reflejos, permitiendo así una emisión de hasta un 20% más de luz. Los reflejos también aumentan el calor dentro del dispositivo, degradando el chip LED más rápidamente, por lo que la reducción de los reflejos también podría reducir el calor y aumentar la vida útil de los chips LED. 

“Aunque se han sugerido mejoras en el encapsulado anteriormente, la mayoría de ellas hacen que el LED sea más voluminoso o más difícil de fabricar, disminuyendo el efecto económico de la mejora”, comenta el coautor del estudio, el Dr. Debabrata Sikdar del IIT Guwahati. “Creemos que nuestra innovación, basada en la teoría fundamental y el análisis de optimización detallado y equilibrado que realizamos, podría introducirse en los procesos de fabricación existentes con poca perturbación o volumen añadido”.

«El efecto predicho es el resultado del desarrollo de una teoría sistemática de varios efectos fotónicos relacionados con los conjuntos de nanopartículas en las interfaces, aplicados y probados experimentalmente en el contexto de las ventanas de espejo conmutables, los espejos de color sintonizables y los filtros ópticos que se han informado anteriormente», añade el también coautor del estudio, el profesor Alexei Kornyshev, del Departamento de Química del Imperial.

Los resultados fueron publicados recientemente en la revista científica “Light Science & Applications”. La siguiente etapa de la investigación será la fabricación de un prototipo de dispositivo LED con una capa de nanopartículas, probando las mejores configuraciones predichas por la teoría – incluyendo el tamaño, la forma, el material y el espaciado de las nanopartículas, y cuán lejos debe estar la capa del chip LED.

Los autores creen que los principios utilizados pueden funcionar junto con otros planes existentes implementados para mejorar la eficiencia de la extracción de la luz de los LED. El mismo esquema podría aplicarse también a otros dispositivos ópticos en los que la transmisión de la luz a través de las interfaces es crucial, como en las células solares. 

“La simplicidad del esquema propuesto y la física clara que lo sustenta debería hacerlo robusto y, con suerte, fácilmente adaptable al proceso de fabricación de LEDs existente”, concluye el profesor Sir John Pendry del Departamento de Física del Imperial, y también coautor del estudio. 

Fuente de imágenes: «Nanoparticle meta-grid for enhanced light extraction from light-emitting devices”·