Un nuevo tipo de bombilla de diodo emisor de luz podría algún día iluminar hogares y reducir las facturas de energía, según los investigadores de Penn State que sugieren que los LED fabricados con estructuras que imitan las luciérnagas podrían mejorar la eficiencia.
"Las bombillas LED desempeñan un papel clave en la energía limpia", dijo Stuart Shizhuo Yin, profesor de ingeniería eléctrica. "La eficiencia general del LED comercial actualmente es de solo un 50 por ciento. Una de las principales preocupaciones es cómo mejorar el rendimiento-llamado eficiencia de extracción de luz de los LED. Nuestra investigación se centra en cómo sacar la luz del LED ".
Las luciérnagas y los LED enfrentan desafíos similares para liberar la luz que producen porque la luz puede reflejarse hacia atrás y se pierde. Una solución para los LED es texturizar la superficie con microestructuras, proyecciones microscópicas, que permiten que escape más luz.En la mayoría de los LED, estas proyecciones son simétricas, con pendientes idénticas en cada lado.
Las linternas de las luciérnagas también tienen estas microestructuras, pero los investigadores notaron que las microestructuras en las linternas de las luciérnagas eran asimétricas: los lados estaban inclinados en diferentes ángulos, dando una apariencia asimétrica.
"Más tarde noté que las luciérnagas no solo tienen estas microestructuras asimétricas en sus linternas, sino que también se informó que una especie de cucaracha brillante tiene estructuras similares en sus puntos brillantes", dijo Chang-Jiang Chen, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica y plomo.autor en el estudio: "Aquí es donde traté de profundizar un poco más en el estudio de la eficiencia de extracción de luz utilizando estructuras asimétricas".
Utilizando pirámides asimétricas para crear superficies microestructuradas, el equipo descubrió que podían mejorar la eficiencia de extracción de luz en alrededor del 90 por ciento. Los hallazgos se publicaron recientemente en línea en Optik y aparecerá en la edición impresa de abril.
Según Yin, las microestructuras asimétricas aumentan la extracción de luz de dos maneras. Primero, la mayor área de superficie de las pirámides asimétricas permite una mayor interacción de la luz con la superficie, de modo que queda menos luz atrapada. Segundo, cuando la luz golpea las dos pendientes diferentesde las pirámides asimétricas hay un mayor efecto de aleatorización de los reflejos y la luz tiene una segunda oportunidad de escapar.
Después de que los investigadores utilizaron simulaciones basadas en computadora para mostrar que la superficie asimétrica podría mejorar teóricamente la extracción de luz, luego demostraron esto experimentalmente. Utilizando la impresión 3D a nanoescala, el equipo creó superficies simétricas y asimétricas y midió la cantidad de luz emitida., la superficie asimétrica permitió que se liberara más luz.
El mercado de la iluminación basada en LED está creciendo rápidamente a medida que aumenta la demanda de energía limpia, y se estima que alcanzará los $ 85 mil millones para 2024.
"Hace diez años, vas a Walmart o Lowes, los LED son solo una pequeña porción de su stock de iluminación", dijo Yin. "Ahora, cuando la gente compra bombillas, la mayoría compra LED".
los LED son más respetuosos con el medio ambiente que las bombillas incandescentes o fluorescentes tradicionales porque son más duraderos y más eficientes energéticamente.
Dos procesos contribuyen a la eficiencia general de los LED. El primero es la producción de luz, la eficiencia cuántica, que se mide por cuántos electrones se convierten en luz cuando la energía pasa a través del material del LED. Esta parte ya ha sidooptimizado en LED comerciales. El segundo proceso es sacar la luz del LED, llamada eficiencia de extracción de luz.
"Las cosas restantes que podemos mejorar en eficiencia cuántica son limitadas", dijo Yin. "Pero hay mucho espacio para mejorar aún más la eficiencia de extracción de luz".
En los LED comerciales, las superficies texturizadas están hechas de obleas de zafiro. Primero, la luz UV se usa para crear un patrón enmascarado en la superficie de zafiro que proporciona protección contra los productos químicos. Luego, cuando se aplican productos químicos, disuelven el zafiro alrededor del patróncreando la matriz piramidal.
"Puede pensarlo de esta manera, si protejo un área circular y al mismo tiempo ataco todo el sustrato, debería obtener una estructura similar a un volcán", explicó Chen.
En los LED convencionales, el proceso de producción generalmente produce pirámides simétricas debido a la orientación de los cristales de zafiro. Según Chen, el equipo descubrió que si cortaban el bloque de zafiro en un ángulo inclinado, el mismo proceso crearía las pirámides asimétricasLos investigadores alteraron solo una parte del proceso de producción, sugiriendo que su enfoque podría aplicarse fácilmente a la fabricación comercial de LED.
Los investigadores han solicitado una patente en esta investigación.
"Una vez que obtengamos la patente, estamos considerando colaborar con fabricantes en el campo para comercializar esta tecnología", dijo Yin. Otros investigadores que trabajaron en el proyecto fueron Jimmy Yao, Wenbin Zhu, Ju-Hung Chao, Annan Shang y Yun-Goo Lee, estudiantes de doctorado en ingeniería eléctrica.
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Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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