En el mes de septiembre de 2020, 24 expertos en iluminación LED se reunieron por invitación del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) para ayudar a identificar las áreas temáticas de I+D críticas tanto para los conceptos de luminarias avanzadas como para el desarrollo de fabricación.
Estos encuentros de debate, en pequeños grupos de expertos, son una herramienta que utiliza el DOE para identificar las áreas claves que posteriormente serán incorporadas en las hojas de rutas técnicas que elabora el organismo.
Entre los participantes se encontraban expertos invitados en disciplinas científicas y tecnológicas relacionadas con la iluminación LED, procedentes del mundo académico, los laboratorios nacionales y la industria.
Los debates que siguieron a las presentaciones ofrecieron una gran variedad de valiosos puntos de vista sobre una serie de temas de investigación que podrían hacer avanzar la tecnología LED; sin embargo, hubo algunos temas recurrentes que surgieron durante estos debates en relación con las áreas de investigación que podrían conducir a avances significativos:
- Eficiencia de las aplicaciones de iluminación
- Arquitecturas avanzadas de luminarias
- Iluminación UV Germicida
- Fabricación avanzada
- Sostenibilidad
Eficiencia de las aplicaciones de iluminación
La eficiencia en aplicación de la iluminación ( Lighting Application Efficiency – LAE) hace referencia a la cantidad de luz generada que llega finalmente a su destinatario para la aplicación de iluminación prevista. El programa de I+D del DOE ya había propuesto un marco conceptual para definir mejor los principales criterios de esta eficiencia en aplicación, donde se incluye la eficiencia de la fuente de luz, la eficiencia de la entrega óptica, el espectro emitido óptimo y a la eficacia de la intensidad (es decir, la cantidad correcta de luz).
Los participantes debatieron cómo mejorar este marco LAE, incluyendo la adición del aspecto temporal de la luz como un componente importante. También aconsejaron que se necesitan más categorías de subniveles específicos, además de las cuatro casillas principales (ver figura anterior)para tener en cuenta todos los parámetros de la iluminación ideal.
Se manifestó que las métricas de iluminación existentes no proporcionan un marco completo para desarrollar la iluminación ideal tanto para la agudeza visual como para los beneficios no visuales. El desarrollo de un modelo actualizado de sensibilidad visual humana y de métricas adecuadas para los efectos visuales, como la luminosidad percibida, ayudaría en gran medida al desarrollo de un marco preciso de LAE.
“Más allá del desarrollo de un marco y una métrica de LAE, sería necesario seguir investigando para determinar los patrones y propiedades de luz ideales para los ocupantes del espacio en términos de confort visual, rendimiento visual e impactos fisiológicos no visuales. Cada aplicación de iluminación tendrá requisitos diferentes y deberá desarrollarse un proceso para sopesar y equilibrar los diversos factores que compiten en la aplicación. Un marco LAE más detallado ayudará a dilucidar todos estos factores que deben equilibrarse. La mejora de las herramientas de modelado y el aprovechamiento del aprendizaje automático para cuantificar mejor los datos relativos a las condiciones de iluminación pueden proporcionar información crítica para informar sobre el equilibrio adecuado de los parámetros de iluminación para la aplicación específica. No se dispone fácilmente de herramientas de modelización que puedan manejar la complejidad de las múltiples consideraciones de la iluminación (espectral, distribución, intensidad y temporal); estas herramientas requieren un mayor desarrollo”, comentaron los participantes.
Arquitecturas de luminarias avanzadas
En cuanto al desarrollo de nuevas arquitecturas de luminarias avanzadas, los expertos hicieron los siguientes comentarios:
Fuentes de luz dinámicas y flexibles
Los conceptos de luminarias del futuro deben proporcionar una luminosidad dinámica localizada, un ajuste espectral y distribuciones ópticas que creen la luz ideal cuando y donde se necesite. La creación de una fuente de luz dinámica requerirá una alta densidad de matrices de LED direccionables individualmente; los mini/micro-LED pueden proporcionar la resolución necesaria para el control espacial y el ajuste espectral. Además, la fuente de forma compacta puede ofrecer la iluminación de cualquier superficie desde cualquier ángulo con cualquier iluminancia y espectro, lo que es ideal para la eficiencia de las aplicaciones de iluminación.
Esto puede conducir a un cambio de paradigma que permita diseñar la iluminación por sus características en lugar de por su tipo de aparato o factor de forma. Las tecnologías de apoyo que deben desarrollarse incluyen la mejora de la eficiencia de los mini/micro-LED, la reducción del tamaño de los convertidores descendentes, los diseños ópticos escalables que pueden proporcionar una variedad de distribuciones ópticas, los controladores integrados, los algoritmos de control y las tecnologías de detección.
Fuentes de alimentación, sensores y controles
En cuanto a las fuentes de alimentación LEDs se identificaron varios retos, como la mejora de la eficiencia en un amplio rango de funcionamiento (y el funcionamiento multicanal), la reducción del tamaño del factor de forma y la mejora de la fiabilidad.
La integración de componentes semiconductores de banda ancha en la fuente de alimentación podría dar lugar a arquitecturas que tienen el potencial de abordar varios de estos retos. Las fuentes de alimentación más compactas y de mayor eficiencia pueden realizarse utilizando la alta frecuencia disponible con los componentes de banda ancha; el acoplamiento de estos dispositivos con la magnética planar de alta frecuencia puede conducir a beneficios adicionales de reducción de tamaño.
Una mayor integración de los controladores en la placa de los LED puede ayudar a reducir el tamaño total de las luminarias y proporcionar una mayor flexibilidad de instalación, aunque esto requiere esquemas de controladores compactos y una menor generación de calor para incorporarlos en sistemas de iluminación de mayor potencia. Además, las topologías de circuito innovadoras, como una topología de circuito basada en la multiplexación, pueden abordar el rendimiento de los controladores multicanal con el potencial de proporcionar una mayor eficiencia en el funcionamiento atenuado, sin parpadeo (sin modulación de ancho de pulso), un menor número de componentes y un menor volumen de la fuente de alimentación.
Asimismo, para conseguir un sistema de iluminación dinámico e inteligente, se necesitan tecnologías de detección de alto rendimiento para comprender mejor el uso del espacio y la información de los ocupantes. Los participantes sugirieron que se siga aplicando la nueva tecnología de sensores que sigue estando disponible a partir de los desarrollos en otras industrias. También se aconseja investigar los nuevos sistemas de localización en tiempo real y los sistemas de control autónomo que emplean el aprendizaje automático para los controles de iluminación conscientes del contexto.
Fiabilidad
En los aspectos de fiabilidad, se abordaron diferentes temas relacionados con los componentes LED, los fósforos, los drivers y los sensores. Materiales como las siliconas desempeñan un papel importante en los mecanismos de cambio de color de los paquetes de LED, por lo que las mejoras en la estabilidad térmica y del flujo de fotones de los materiales encapsulantes ayudarían a mejorar la fiabilidad en todas las plataformas de luminarias.
Aunque la comprensión de los mecanismos de cambio de cromaticidad ha mejorado en los últimos 5 años, se necesitan mejores modelos para predecir con exactitud los futuros cambios de cromaticidad. Es necesario mejorar la fiabilidad de los convertidores descendentes mediante el desarrollo de materiales más robustos en determinadas regiones espectrales y tecnologías mejoradas de recubrimiento de partículas; estos avances beneficiarían el rendimiento a largo plazo de los componentes LED.
Además, hay que explorar la fiabilidad de los drivers del sistema para comprender la precisión y el rendimiento a largo plazo de los sensores en sistemas de iluminación complejos (por ejemplo, luminarias sintonizables/adaptativas). Se necesita I+D para desarrollar modelos precisos de fiabilidad del sistema de iluminación global que tengan en cuenta los efectos de los distintos subsistemas y componentes.
Iluminación UV Germicida
La pandemia de COVID-19 ha renovado enormemente el interés por la iluminación ultravioleta germicida. Teniendo en cuenta el aumento potencial de la demanda, este ámbito representa una oportunidad creciente de ahorro energético.
Los participantes hablaron de los retos actuales de la iluminación germicida ultravioleta y de las ventajas que podrían aportar las fuentes UV-C de estado sólido. Los factores que hay que sopesar entre las fuentes de luz UV son el tamaño, la vida útil, el tiempo de encendido, la longitud de onda de emisión, los elementos indeseables (por ejemplo, el mercurio y el ozono), el consumo de energía y el coste.
En la actualidad, los LED UV-C son menos eficientes que las fuentes de vapor de mercurio a baja presión y de excímero, pero tienen potencial para superar las actuales limitaciones de rendimiento y seguir una trayectoria de mejora del rendimiento similar a la de los dispositivos LED visibles. Las dos últimas décadas de aprendizaje en los semiconductores basados en GaN para los LED visibles proporcionan una base firme de materiales que se puede aprovechar para la innovación futura.
Más allá de la fuente de luz, es importante comprender mejor los problemas de degradación de los materiales bajo excitación UV-C para crear un sistema de iluminación con una larga vida útil. Los programas informáticos de modelización que pueden calcular las necesidades radiométricas de UV-C (como la absorción/reflexión y la fluencia) pueden ayudar a diseñar luminarias eficientes. Uno de los retos será determinar el aumento de la carga energética con la implantación de las luminarias GUV y el objetivo de mejorar la eficiencia de la aplicación de la iluminación en esas luminarias.
Fabricación avanzada
Los enfoques de fabricación avanzada pueden ayudar a eliminar los puntos débiles en los diseños de productos convencionales y pueden permitir nuevos enfoques de gestión de las cadenas de suministro. En el encuentro se habló de la fabricación aditiva, como la creación de prototipos rápida, flexible y rentable, y el paso directo del diseño asistido por ordenador (CAD) a la fabricación sin necesidad de herramientas ni inventario.
La fabricación aditiva permite más opciones de rendimiento de los productos gracias a su gran capacidad de configuración, sus diseños exclusivos, la reducción del número de piezas (lo que disminuye la complejidad y el coste del montaje) y la facilitación de la gestión del ciclo de vida del producto (al permitir más cambios y ciclos más cortos).
Existen múltiples retos técnicos para permitir más oportunidades de producción. Entre ellos se encuentra el desarrollo de procesos de fabricación aditiva más rápidos mediante el aumento de la velocidad de impresión, así como la creación de sistemas con “camas” más grandes y múltiples cabezales de impresión para generar más piezas por tirada, reduciendo así los costes. Es esencial desarrollar nuevos materiales imprimibles con mejores propiedades ópticas y resistencia a los rayos UV, materiales poliméricos con mayor conductividad térmica y un mejor curado de los rayos UV e infrarrojos (IR) para los materiales electrónicos utilizados para generar el circuito. Además, todos los materiales desarrollados deben ser capaces de superar todas las clasificaciones y normas de seguridad.
Otra área que requiere mejoras es la creación de mejores «formas netas» para que se requiera un postprocesamiento mínimo. La impresión con mejores propiedades superficiales es fundamental, sobre todo para evitar que los centros de dispersión en la óptica o la rugosidad de la superficie del disipador de calor provoquen cortocircuitos en el circuito electrónico impreso.
Otro ámbito de la fabricación avanzada es el montaje de LED de alta densidad. El uso futuro de fuentes LED pixeladas de alta densidad requiere nuevos métodos para ensamblar un gran número de mini y micro LEDs a velocidades y niveles de coste que puedan ser soportados en la industria de la iluminación.
Los nuevos enfoques, como las impresoras digitales para el autoensamblaje, ofrecen nuevas y prometedoras vías para realizar la transferencia masiva de chips (tanto de LED como de electrónica de control). La industria de las pantallas está dedicando considerables recursos a las innovaciones para la transferencia masiva de micro-LED, que la industria de la iluminación puede aprovechar al tiempo que considera nuevos enfoques como las impresoras digitales de autoalineación de chips.
Sostenibilidad
Los participantes coincidieron en que la sostenibilidad es un área que requiere más atención por parte de la industria de la iluminación. “Hay que seguir trabajando para crear diseños ecológicos con un número mínimo de componentes y el uso de materiales de baja energía, materiales reciclados o materiales bioderivados”, señalaron los expertos.
Más allá del uso de materiales sostenibles, es importante eliminar las sustancias químicas inseguras de todos los componentes y que los fabricantes ofrezcan transparencia sobre los materiales a través de organismos de certificación. Además, los productos de iluminación deben estar diseñados para su deconstrucción, con el fin de desmontar y reciclar los materiales de las luminarias cuando se retiren del entorno construido. En la actualidad, a menudo no existe un proceso mediante el cual las luminarias que han llegado al final de su vida útil se eliminen de forma responsable con el medio ambiente. Es necesario investigar para poner en marcha cadenas de suministro sostenibles o naturales (por ejemplo, utilizando materiales como el bambú, las semillas de lino o los plásticos oceánicos) y desarrollar programas para reciclar o reutilizar la iluminación al final de la construcción (alimentar la economía circular).
Un objetivo sería hacer que todos los componentes de un sistema de iluminación sean reciclables, reutilizables y libres de productos químicos nocivos. Si la calificación de diseño sostenible fuera una barrera competitiva, categorías como la reducción de los residuos del transporte (masa x volumen x distancia recorrida), el uso de materiales sostenibles (de origen local, bioderivados o biodegradables) y el reciclaje eficiente (desmontaje con poca mano de obra) podrían ser diferenciadores.
Presentaciones de Participantes
- Kevin Houser, Oregon State University: Energy Reduction through Highly Structured Spectra
- Wendy Luedtke, ETC: Lumen vs Reality, The LAE Opportunity
- Wouter Soer, Lumileds: Dynamic Light Sources Based on Mini/Micro-LEDs
- Wendy Davis, University of Sydney: Application Efficacy: Using Light More Efficiently
- Bob Karlicek, Rensselaer Polytechnic Institute: Improving the Performance of Lighting Control Systems
- Meg Smith, Signify: Applications of LAE
- Sarah Safranek, Pacific Northwest National Laboratory: Improving Lighting Simulations for Application Efficiency
- Tom Veenstra, Innotec: Total Lighting Efficiency: Think Outside of the Chip
- Ron Gibbons, Virginia Tech: Balancing the Positive and Negative Impacts of Solid State Lighting
- Lynn Davis, RTI International: Considerations for SSL System Reliability
- Marc Dyble, OSRAM Opto Semiconductors: Lighting Beyond Light – What Should We Expect from HCL in the Future?
- Jake Steinbrecher, Dow Performance Silicones: Optimizing LED Luminaire Efficiency: The Use of Advanced Materials & Methods
- Ranjit Jayabalan, OSRAM Digital Lighting Systems: Lighting Components & Solutions Advancements
- Lincoln Xue, Oak Ridge National Laboratory: Emerging Power Electronics Concepts and Technologies for LED Drivers
- Robert Lee, Signify: Standardized Data Protocol for Lighting Control
- Mark Hand, Acuity Brands: UV Lighting, A Fad or the Future?
- Doug Hamilton, Hubbell: SSL Opportunities
- Jeremy Yon, GE Current, a Daintree company: Luminaire-LED Supporting Needs
- Eugene Chow, PARC: Microassembly Manufacturing for LED and Electronics
- Marco de Visser, Luximprint: Additive Fabrication Technology for Custom Optics in Lighting
- Michael Bremser, Tempo: Additive Manufacturing for LED Lighting
- John Trublowski, Eaton: Additively Manufactured Luminaire: R&D Challenges and Technology Gaps
- Aaron Smith, Finelite: Lighting for Sustainability
- Brad Koerner, Cima Network: Sustainability Drives Adoption
Puede consultar el documento completo de conclusiones (en inglés) en el siguiente enlace:
Imagen portada: «iluminación interior para el histórico edificio de oficinas londinense 200 Gray’s Inn Road», Zumtobel
