Crédito:University of Twente
O advento do diodo emissor de luz branca (LED), que consiste em um LED azul com uma camada de fósforo, reduz muito o consumo de energia para iluminação. Apesar do mercado em rápido crescimento, LEDs brancos ainda estão sendo projetados com métodos numéricos lentos de tentativa e erro. Uma equipe de cientistas da Universidade de Twente, Universidade Técnica de Eindhoven, e a Signify, líder do setor (anteriormente Philips Lighting), introduziram um princípio de design radicalmente novo que se baseia em um modelo analítico em vez de uma abordagem numérica. O modelo prevê um ponto de cor do LED branco para qualquer combinação de parâmetros de design e permite um design muito mais rápido, em até 1 milhão de vezes, resultando em custos reduzidos de design e produção. Os resultados estão sendo publicados em ACS Photonics .
As principais características de uma fonte de luz branca são o ponto de cor e a eficiência. O ponto de cor é definido pelo espectro emitido e é descrito por dois parâmetros que abrangem o chamado espaço de cor. Os designers ópticos atualmente usam simulações numéricas, muitas vezes com base em técnicas de rastreamento de raios de Monte-Carlo para extrair o ponto de cor, dados os parâmetros de design da fonte de luz branca. Para mirar em um ponto de cor específico, os projetistas ópticos precisam usar essas simulações para cada conjunto escolhido de parâmetros de projeto. Infelizmente, os métodos de simulação são muito lentos e, conseqüentemente, apenas uma pequena parte do espaço de parâmetros do projeto pode ser explorada. Portanto, o design de um LED branco depende da experiência do designer óptico, em vez de uma exploração sistemática de todo o espaço de parâmetros do design.
Os LEDs brancos têm inúmeras vantagens sobre as fontes de iluminação convencionais, como lâmpadas incandescentes ou lâmpadas de descarga. Os LEDs brancos estão entre as fontes mais eficientes em termos de energia, eles são mecanicamente robustos e termicamente estáveis, possuem boa estabilidade temporal e longa vida útil. Um LED branco típico consiste em um LED semicondutor azul e uma camada de fósforo que consiste em uma matriz de micropartículas de fósforo (consulte a Figura 1).
Figura 1:(Esquerda) Esquema de um LED branco que consiste em um LED semicondutor azul e uma camada com micropartículas de fósforo (esferas amarelas). Parte da luz azul é espalhada e transmitida através da camada de fósforo, e parte é absorvida e reemitida no amarelo, verde, e vermelho para produzir a luz branca desejada. (Direita) Luz de excitação azul com intensidade Iin (λ 1 ) que se origina do LED azul brilha na placa de fósforo com espessura L. A placa de fósforo contém micropartículas de fósforo que são representadas por círculos amarelos. eu T (λ 1 ) é a intensidade transmitida espalhada, eu R (λ 1 ) é a intensidade refletida espalhada, eu T (λ 2 ) é a intensidade reemitida transmitida, e eu R (λ 2 ) é a intensidade reemitida refletida. A mistura de vermelho transmitido, verde, e a luz azul ilumina o objeto, como uma flor. Crédito:University of Twente
Parte da luz azul é transmitida através da camada de fósforo, e parte é absorvida e reemitida na parte vermelha e verde do espectro para produzir a luz branca desejada. As quantidades relativas de luz espalhada e reemitida (Figura 2) definem o ponto de cor de um LED branco. Para ajustar o ponto de cor, vários parâmetros de design estão disponíveis, como a densidade de partícula de fósforo r (ver Figura 3), a espessura da camada de fósforo L, o tipo de fósforo, o tipo de LED azul, e elementos ópticos adicionais.
O projeto sistemático do ponto de cor de um LED branco requer algoritmos que são muito mais rápidos do que as técnicas de rastreamento de raios. O principal autor IJzerman da empresa Signify diz:"Até o momento, não há um bom modelo para descrever a dispersão na indústria de iluminação. Todos os nossos modelos dependem de ajuste de curva avançado, em que um ou mais parâmetros são determinados por meio de medições combinadas com simulações. Para melhorar essa abordagem demorada e cara, um modelo a priori baseado em parâmetros físicos mensuráveis seria de grande valia e um grande passo à frente. ”É o que os pesquisadores desenvolveram.
Figura 2:Transmissão e reflexão de um LED branco em função da densidade de partículas de fósforo (para comprimento de onda λ 1 =475 nm). (a) A linha tracejada representa o coeficiente de transmissão total calculado da luz espalhada. Os triângulos representam o coeficiente medido, (b) a linha traço-ponto-ponto representa o coeficiente de transmissão total calculado da luz reemitida. Os quadrados representam os coeficientes medidos, (c) a linha tracejada representa o coeficiente de reflexão calculado da luz espalhada. As estrelas representam o coeficiente medido, (d) a linha pontilhada representa o coeficiente de reflexão calculado da luz reemitida. Os círculos representam o coeficiente medido. As barras de erro do experimento estão dentro do tamanho do símbolo. Crédito:University of Twente
A equipe holandesa apresenta uma ferramenta computacional extremamente rápida e analítica baseada na chamada aproximação P3 da equação de transferência radiativa. O autor principal Vos diz:"Podemos prever o ponto de cor de um LED branco a partir dos parâmetros de design escolhidos. Por outro lado, podemos obter os parâmetros de design de um LED branco a partir de um ponto de cor específico. "
Figura 3:Ponto de cor de um LED branco. Círculos (transmissão) e quadrados (reflexão) são nossos pontos de dados experimentais para o comprimento de onda λ 1 =475 nm (ver Figura 2). As linhas tracejadas vermelhas e pretas representam pontos de cor previstos em função da densidade de partícula de fósforo r (de 1% em peso a 8% em peso) para luz transmitida e refletida, respectivamente (mostrado na Figura 2). O diamante verde indica o espectro de luz branca padronizada mais amplamente utilizado, o espectro D65. Crédito:University of Twente
IJzerman diz, "Nesta nova situação, o problema inverso não requer um procedimento de iteração para cada novo ciclo de projeto. Dada a velocidade de nossa ferramenta, podemos gerar uma tabela de consulta para todo o espaço de parâmetros disponível para os engenheiros. Deste modo, obtemos enormes benefícios de velocidade e eficiência. "
Lagendijk diz, "Estou animado com o fato de os LEDs brancos contribuirem ainda mais para uma rápida globalização da iluminação, e, portanto, para a alfabetização e democratização em todo o mundo. Isso é relevante para regiões onde algumas células solares estão prontamente disponíveis, e onde uma extensa rede de eletricidade é muito cara ou tediosa. "
