22 September, 2018

Supercomputadores descubren nuevo fósforo para fabricar LEDs con excelente calidad de color

Un equipo dirigido por ingenieros de la Universidad de California en San Diego (UC San Diego), ha utilizado herramientas computacionales y de minería de datos para descubrir un nuevo tipo de fósforo, más económico y fácil de fabricar, para su utilización en LEDs Blancos. Utilizando el nuevo fósforo, los investigadores consiguieron fabricar una bombilla LED con una mejor calidad de color que la que ofrecen muchos de los LEDs comerciales disponibles actualmente en el mercado (IRC>90).

Actualmente la mayoría de LEDs que se utilizan en iluminación necesitan fósforo para conseguir una luz blanca (una capa de fósforo se dispone sobre un LED azul para conseguir luz blanca). Sin embargo, muchos de estos fósforos están realizados con elementos de tierras raras, que son caros y presentan dificultades de fabricación.

Los investigadores de la UC San Diego y la Universidad Nacional Chonnam en Corea del Sur, han descubierto y desarrollado un nuevo fósforo que evita estos problemas. El nuevo material, compuesto principalmente de elementos comunes y abundantes en la tierra (estroncio, litio, aluminio y oxígeno), presenta importantes ventajas que permiten la producción de LEDS de forma fácil y con una reproducción de los colores más vívida y precisa.

El nuevo fósforo Sr2LiAlO4 o simplemente SLAO, fue descubierto utilizando un enfoque computacional sistemático desarrollado en el laboratorio de Shuye Ping Ong, Profesor de nanoingeniería de la Escuela de Ingeniería Jabobs de la UC San Diego.  El equipo de Ong, usó supercomputadoras para encontrar el SLAO, siendo el primer material conocido compuesto de estroncio, litio, aluminio y oxígeno. Los cálculos también determinaron que el material sería estable y funcionaria de forma adecuado como fósforo para su utilización en LEDs.

Una vez determinada las predicciones marcadas por los cálculos computacionales, el siguiente paso fue el constituir el nuevo material y confirmar todas las propiedades de emisión de luz pronosticadas. Los investigadores en el laboratorio de Joanna McKittrick, profesora de ciencias de materiales de la Escuela de Ingeniería de Jacobs, lograron descifrar la receta necesaria para hacer el nuevo fósforo.

Zhenbin Wang y Jungmin Ha, Estudiantes de Doctorado de la Facultad de Ingeniería UC San Diego Jacobs, iluminan con luz UV una muestra de fósforo

Posteriormente, el equipo dirigido por el profesor de ciencias de materiales Won Bin Im en la Universidad Nacional de Chonnan en Corea, logró optimizar la receta del fósforo para su fabricación industrial y construir los prototipos de LEDs blancos con el nuevo material. El resultado es una bombilla LED blanca con un índice de reproducción cromática superiores a 90.

Izquierda: un LED que contiene un fósforo convencional. Derecha: un prototipo de LED que contiene el nuevo fósforo SLAO. Imagen cortesía de Yoon Hwa Kim y Wong Bin Im / Chonnam National University en Corea

LA BÚSQUEDA COMPUTACIONAL DE UN NUEVO MATERIAL 

Gracias a este enfoque computacional el descubrimiento del fósforo solamente llevo 3 meses, un tiempo escandalosamente corto en comparación con los años de experimentos de prueba y error que normalmente se necesitan para descubrir un nuevo material.

“Los cálculos son rápidos, escalables y baratos. Usando computadoras, podemos examinar rápidamente miles de materiales y predecir candidatos para nuevos materiales que aún no se han descubierto”, afirma Ong.

En este estudio, el equipo de Ong primero compiló una lista de los elementos más frecuentemente utilizadas en la fabricación de fósforos. Para sorpresa de los investigadores, descubrieron que no hay materiales conocidos que contengan una combinación de estroncio, litio, aluminio y oxígeno, que son los cuatros elementos más comunes en los fósforos. Usando un algoritmo de minería de datos, crearon nuevos candidatos con estos elementos y realizaron los cálculos necesarios para predecir cuál funcionaría de forma adecuada como fósforo. De los 918 candidatos, SLAO se erigió como el material idóneo  debido a su estabilidad  y excelentes propiedades de fotoluminiscencia.

“No solo es destacable que pudiéramos predecir un nuevo compuesto de fósforo, sino que sea estable y pueda sintetizarse en laboratorio”, comenta Zhenbin Wang, Doctorando en Nanotecnología, y coautor del Estudio.

La principal limitación del fósforo es su eficiencia cuántica (como de eficiencia convierte la luz incidente en luz de diferentes colores), que es de aproximadamente un 32%. Los investigadores han observado que retiene más del 88% de su emisión a temperaturas de funcionamiento típicas de los LEDs. En LEDs comerciales, esto se traduce en una peor calidad de color, pero como señala  Ong “Queremos lo mejor de ambos mundos. Hemos conseguido una excelente calidad de color. Ahora estamos trabajando en optimizar el material para mejorar la eficiencia cuántica”.

De izquierda a derecha: Profesor de nanotecnología Shyue Ping Ong, Zhenbin Wang, Jungmin Ha y profesor de ciencias de los materiales Joanna McKittrick

El estudio ha sido publicado con el nombre de “Mining Unexplored Chemistries for Phosphors for Hight-Color-Quality White-Light-Emitting Diodes” y sus autores son: Zhenbin Wang, Jungmin Ha, Joanna McKittrick y Shyue Ping Ong de UC San Diego, y Yoo Hwa Kim y Won Bin Im de la Universidad Nacional de Chonnam de la República de Corea.

 

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