Credito:Università di Twente
L'avvento del diodo a emissione di luce bianca (LED), che consiste in un LED blu con uno strato di fosforo, riduce notevolmente il consumo di energia per l'illuminazione. Nonostante il mercato in rapida crescita, i LED bianchi sono ancora in fase di progettazione con metodi di prova ed errore numerici lenti. Un team di scienziati dell'Università di Twente, Università tecnica di Eindhoven, e il leader del settore Signify (ex Philips Lighting) hanno introdotto un principio di progettazione radicalmente nuovo che si basa su un modello analitico anziché su un approccio numerico. Il modello prevede il punto di colore di un LED bianco per qualsiasi combinazione di parametri di progettazione e consente un design molto più veloce, fino a 1 milione di volte, con conseguente riduzione dei costi di progettazione e produzione. I risultati sono in corso di pubblicazione su Fotonica ACS .
Le caratteristiche principali di una sorgente di luce bianca sono il punto colore e l'efficienza. Il punto colore è definito dallo spettro emesso ed è descritto da due parametri che abbracciano il cosiddetto spazio colore. I progettisti ottici attualmente utilizzano simulazioni numeriche, spesso basato su tecniche di ray tracing Monte-Carlo per estrarre il punto di colore, dati i parametri di progettazione della sorgente di luce bianca. Per mirare a un punto di colore specifico, i progettisti ottici devono utilizzare queste simulazioni per ogni insieme scelto di parametri di progettazione. Sfortunatamente, i metodi di simulazione sono molto lenti e di conseguenza solo una piccola parte dello spazio dei parametri di progetto può essere esplorata. Quindi, la progettazione di un LED bianco si basa sull'esperienza del progettista ottico piuttosto che su un'esplorazione sistematica dell'intero spazio dei parametri di progettazione.
I LED bianchi presentano numerosi vantaggi rispetto alle sorgenti luminose convenzionali come le lampade ad incandescenza o le lampade a scarica. I LED bianchi sono tra le fonti più efficienti dal punto di vista energetico, sono meccanicamente robusti e termicamente stabili, possiedono una buona stabilità temporale e hanno una lunga durata. Un tipico LED bianco è costituito da un LED a semiconduttore blu e da uno strato di fosforo costituito da una matrice di microparticelle di fosforo (vedi Figura 1).
Figura 1:(a sinistra) Schema di un LED bianco costituito da un LED a semiconduttore blu e uno strato con microparticelle di fosforo (sfere gialle). Parte della luce blu viene diffusa e trasmessa attraverso lo strato di fosforo, e parte viene assorbita e riemessa nel giallo, verde, e rosso per produrre la luce bianca desiderata. (Destra) Luce di eccitazione blu con intensità Iin(λ 1 ) che origina dal LED blu viene irradiato sulla lastra di fosforo con spessore L. La lastra di fosforo contiene microparticelle di fosforo che sono rappresentate da cerchi gialli. io T (λ 1 ) è l'intensità trasmessa diffusa, io R (λ 1 ) è l'intensità riflessa diffusa, io T (λ 2 ) è l'intensità trasmessa riemessa, e io R (λ 2 ) è l'intensità riflessa riemessa. La miscela di rosso trasmesso, verde, e la luce blu illumina l'oggetto, come un fiore. Credito:Università di Twente
Parte della luce blu viene trasmessa attraverso lo strato di fosforo, e una parte viene assorbita e riemessa nella parte rossa e verde dello spettro per produrre la luce bianca desiderata. Le quantità relative di luce diffusa e riemessa (Figura 2) definiscono il punto di colore di un LED bianco. Per regolare il punto di colore, sono disponibili diversi parametri di progettazione, come la densità delle particelle di fosforo r (vedi Figura 3), lo spessore dello strato di fosforo L, il tipo di fosforo, il tipo di LED blu, e ulteriori elementi ottici.
La progettazione sistematica del punto colore di un LED bianco richiede algoritmi molto più veloci delle tecniche di ray tracing. L'autore principale IJzerman della società Signify afferma:"Ad oggi non esiste un buon modello per descrivere la dispersione nel settore dell'illuminazione. Tutti i nostri modelli dipendono da un adattamento avanzato della curva in base al quale uno o più parametri sono determinati abbinando misurazioni con simulazioni. Per migliorare questo approccio lungo e costoso, un modello a priori basato su parametri fisici misurabili sarebbe di grande valore e un importante passo avanti." Questo è ciò che hanno sviluppato i ricercatori.
Figura 2:Trasmissione e riflessione di un LED bianco in funzione della densità delle particelle di fosforo (per lunghezza d'onda λ 1 =475nm). (a) La linea tratteggiata rappresenta il coefficiente di trasmissione totale calcolato della luce diffusa. I triangoli rappresentano il coefficiente misurato, (b) la linea tratteggiata-punto-punto rappresenta il coefficiente di trasmissione totale calcolato della luce riemessa. I quadrati rappresentano i coefficienti misurati, (c) la linea tratteggiata rappresenta il coefficiente di riflessione calcolato della luce diffusa. Le stelle rappresentano il coefficiente misurato, (d) la linea tratteggiata rappresenta il coefficiente di riflessione calcolato della luce riemessa. I cerchi rappresentano il coefficiente misurato. Le barre di errore dell'esperimento sono all'interno della dimensione del simbolo. Credito:Università di Twente
Il team olandese introduce uno strumento di calcolo estremamente veloce e analitico basato sulla cosiddetta approssimazione P3 dell'equazione di trasferimento radiativo. L'autore principale Vos dice, "Siamo in grado di prevedere il punto colore di un LED bianco partendo dai parametri di progettazione scelti. Viceversa, possiamo ottenere i parametri di progettazione di un LED bianco partendo da un punto di colore mirato."
Figura 3:Punto di colore di un LED bianco. Cerchi (trasmissione) e quadrati (riflessione) sono i nostri punti dati sperimentali per la lunghezza d'onda λ 1 =475 nm (vedi Figura 2). Le linee tratteggiate rosse e nere rappresentano i punti di colore previsti in funzione della densità delle particelle di fosforo r (da 1% in peso a 8% in peso) per la luce trasmessa e riflessa, rispettivamente (mostrato in Figura 2). Il diamante verde indica lo spettro di luce bianca standardizzato più utilizzato, lo spettro D65. Credito:Università di Twente
IJzerman dice, "In questa nuova situazione, il problema inverso non richiede una procedura di iterazione per ogni nuovo ciclo di progettazione. Data la velocità del nostro strumento, possiamo generare una tabella di ricerca per l'intero spazio dei parametri a disposizione degli ingegneri. In tal modo, otteniamo enormi vantaggi in termini di velocità ed efficienza."
Lagendijk dice, "Sono entusiasta che i LED bianchi contribuiranno ulteriormente a una rapida globalizzazione dell'illuminazione, e quindi all'alfabetizzazione e alla democratizzazione in tutto il mondo. Ciò è rilevante per le regioni in cui sono prontamente disponibili poche celle solari, e dove un'ampia rete elettrica è troppo costosa o noiosa."
