Investigadores de la Universidad de Penn proponen un nuevo tipo de bombilla LED de alta eficiencia energética basada en estructuras que imitan a las luciérnagas.

“La eficiencia general de los LEDs comerciales es actualmente de alrededor del 50%. Uno de los principales inconvenientes es cómo mejorar la llamada eficiencia de extracción de luz de los LEDs. Nuestra investigación se ha centrado en este punto, intentando mejorar la eficiencia en la extracción de luz de los LEDs” declaró Stuart (Shizhuo) Yin, profesor de ingeniería eléctrica.

Tanto para los LEDs como para las luciernagas uno de los principales desafíos a la hora de liberar la mayor cantidad de luz es el procurar evitar las pérdidas de luz por reflexión en su interior. Una solución implementada en los LEDs es texturizar la superficie con microestructuras (proyecciones microscópicas) que permiten una mayor emisión de cantidad de luz. En la mayoría de los LED, estas proyecciones son simétricas, con pendientes idénticas en cada lado.

Las luciérnagas también tienen estas microestructuras, pero los investigadores descubrieron que eran asimétricas: los lados estaban inclinados en diferentes ángulos, lo que daba una apariencia de desequilibrio.

Nos dimos cuentas que las luciérnagas no solo tenían estas microestructuras asimétricas en sus abdómenes luminiscentes, sino que también una especie de cucaracha luminiscente también disponía de unas estructuras similares. Aquí es donde nos empezamos a interesar por profundizar un poco más en el estudio de la eficiencia de extracción de luz utilizando estructuras asimétricas”, explica Chang-Jiang Chen, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica en la Universidad de Penn.

Utilizando pirámides asimétricas para la creación de superficies microestructuradas, el equipo descubrió que podrían mejorar la eficiencia de extracción de luz en alrededor del 90%. Los resultados fueron publicados recientemente en la revista científica Optik.

Aumentando la eficiencia energética de los LEDs gracias a la utilización de microestructuras asimétricas.

Según los investigadores,  las microestructuras asimétricas aumentan la extracción de luz de dos maneras. Primero, la mayor área de superficie de las pirámides asimétricas permiten una mayor interacción de la luz con la superficie, de modo que queda menos luz atrapada. En segundo lugar, cuando la luz incide en las dos pendientes diferentes de las pirámides asimétricas, se produce un mayor efecto aleatorio en la reflexión de la luz que da a esta una segunda oportunidad para escapar.

Los investigadores utilizaron simulaciones basadas en computación para mostrar que la superficies asimétricas podrían mejorar de forma teórica la extracción de luz, para posteriormente demostrarlo de forma experimental. Usando una impresión 3D a nanoescala, el equipo creó superficies simétricas y asimétricas y se medio la cantidad de luz emitidas por cada una de estas estructuras. Como se esperaba, la superficie asimétrica permitió una mayor liberación de luz.

Dos procesos contribuyen en cuantificar la eficiencia global de los LED. Por un lado la eficiencia cuántica, es decir, la producción de luz medida por la cantidad de electrones que se convierten en luz cuando la energía pasa a través del material semiconductor del LED. El segundo proceso es sacar la luz de los LED de la manera más eficientemente posible, denominada como eficiencia de extracción de luz.

“La mejora de la eficiencia cuántica está bastante limitada, pero hay mucho espacio de mejora aún en cuanto a la eficiencia de extracción de la luz” comenta Yin.

En los LED comerciales, las superficies texturizadas están hechas en obleas de zafiro. Primero se utiliza luz UV para crear un patrón de enmascaramiento en la superficie del zafiro que proporciona una protección contra los productos químicos. Luego, se aplican productos químicos que disuelven el zafiro alrededor del patrón, creando la matriz piramidal.

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

«Una vez que obtengamos la patente, estamos considerando colaborar con los fabricantes en el campo para comercializar esta tecnología», dijo Yin. Otros investigadores que trabajaron en el proyecto fueron Jimmy Yao, Wenbin Zhu, Ju-Hung Chao, Annan Shang y Yun-Goo Lee, estudiantes de doctorado en ingeniería eléctrica.