Investigadores del Centro de Iluminación de Estado Sólido y de Energía (SSLEC por sus siglas de inglés) de la Universidad de California Santa Bárbara (UCSB), han conseguido optimizar los fósforos – un componente clave en la iluminación de LED blanco – obteniendo luces más brillantes y eficientes mediante la determinación de unas sencillas pautas de ensayo.

Ram Seshadri , profesor del Departamento de Materiales y del Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad y miembro de este estudio explica «estas pautas deberían favorecer el descubrimiento de nuevos y mejores fósforos de manera racional en lugar de la de ensayo y error utilizada hasta ahora»,

Según Seshadri, todos los últimos avances en la iluminación de estado sólido se han dado en los dispositivos basados ​​en LEDs de nitruro de galio, una tecnología que se le atribuye en gran parte al profesor de materiales de la UCSB Shuji Nakamura, quien inventó el primer LED azul de alto brillo. En la tecnología de iluminación de estado sólido blanco, los fósforos se aplican al chip de LED de tal manera que los fotones del LED de nitruro de galio azul pasan a través del fósforo, que convierte y mezcla la luz azul en la gama de luz verde-amarillo- naranja. Cuando se combina de manera uniforme con el azul, la luz verde-amarillo- naranja emite luz blanca.

Ensayo y error

Hasta hace poco, la preparación de materiales de fósforo no se basaba en un patrón racional sino en pruebas diversas. Se buscaban estructuras cristalinas que actuaran como anfitriones de iones activadores, que son los que convierten la luz azul de alta energía en luz de menor energía de color amarillo / naranja.

«Hasta ahora, no se comprendía completamente que hace que algunos fósforos sean eficientes y otros no «, dijo Seshadri . «En las estructuras anfitrionas incorrectas, algunos de los fotones se desperdician en forma de calor, y la pregunta importante que se plantea es: ¿Cómo seleccionamos a los anfitriones correctos? »

A medida que se incrementa el brillo de los LED, se amplían sus usos como por ejemplo su utilización en los faros delanteros de coches, pero este aumento de brillo va acompañado de un aumento del calor generado lo cual impacta negativamente las propiedades de fósforo. Según explica Brgoch, investigador post doctorado asociado de este grupo «muy pocos materiales de fósforo conservan su eficacia a altas temperaturas. Existe una escasa comprensión de cómo elegir la estructura anfitriona para un ion activador determinado de tal manera que el fósforo sea eficiente, y en particular se mantenga eficiente a temperaturas elevadas. »

Rigidez de la estructura cristalina clave para la eficiencia

Sin embargo, utilizando cálculos basados ​​en la teoría funcional de la densidad, que fue desarrollada por el profesor de la UCSB y  premio Nobel de 1998 Walter Kohn, los investigadores han determinado que la rigidez de la estructura cristalina anfitriona es un factor clave en la eficiencia de los fósforos: los mejores fósforos poseen una estructura muy rígida. Además, los indicadores de rigidez estructural se pueden calcular utilizando esta teoría, permitiendo que los materiales sean examinados antes de que se preparen para su ensayo.

Steven DenBaars, profesor de Materiales y de Ingeniería Eléctrica e Informática y co -director del SSLEC y miembro de este grupo afirma «nuestro objetivo es llegar al 90 por ciento de eficiencia, o 300 lúmenes por vatio”. Las lámparas incandescentes actuales, poseen más o menos un 5 por ciento de eficiencia, y las lámparas fluorescentes aproximadamente un 20 por ciento. Nosotros ya hemos alcanzado hasta un 60 por ciento de eficiencia en demostraciones de laboratorio “.

Los resultados de esta investigación aparecen en The Journal of Physical Chemistry.