Kredit:University of Twente
Tillkomsten av den vita ljusdioden (LED), som består av en blå lysdiod med ett fosforskikt, minskar kraftigt energiförbrukningen för belysning. Trots den snabbt växande marknaden, vita lysdioder designas fortfarande med långsamma numeriska test-och-fel-metoder. Ett team av forskare från University of Twente, Tekniska universitetet i Eindhoven, och ledande industrin Signify (tidigare Philips Lighting) har infört en radikalt ny designprincip som bygger på en analytisk modell istället för ett numeriskt tillvägagångssätt. Modellen förutsäger en vit LED:s färgpunkt för alla kombinationer av designparametrar och möjliggör en mycket snabbare design, upp till en miljon gånger, vilket resulterar i minskade design- och produktionskostnader. Resultaten publiceras i ACS Photonics .
Huvuddragen i en vit ljuskälla är färgpunkten och effektiviteten. Färgpunkten definieras av det utsända spektrumet och den beskrivs av två parametrar som spänner över det så kallade färgutrymmet. Optiska designers använder för närvarande numeriska simuleringar, ofta baserat på Monte-Carlo strålspårningstekniker för att extrahera färgpunkten, med tanke på designparametrarna för den vita ljuskällan. För att sikta på en specifik färgpunkt, optiska designers måste använda dessa simuleringar för varje vald uppsättning designparametrar. Tyvärr, simuleringsmetoder är mycket långsamma och därför kan endast en liten del av designparameterutrymmet utforskas. Därav, designen av en vit lysdiod förlitar sig på den optiska designerns erfarenhet snarare än på en systematisk undersökning av hela designparameterutrymmet.
Vita lysdioder har många fördelar jämfört med konventionella ljuskällor som glödlampor eller urladdningslampor. Vita lysdioder är bland de mest energieffektiva källorna, de är mekaniskt robusta och termiskt stabila, de har god tidsstabilitet och har en lång livslängd. En typisk vit lysdiod består av en blå halvledarlampa och ett fosforskikt som består av en matris av fosformikropartiklar (se figur 1).
Figur 1:(vänster) Schematisk över en vit lysdiod som består av en blå halvledarlED och ett lager med fosformikropartiklar (gula sfärer). En del av det blå ljuset sprids och överförs genom fosforskiktet, och en del absorberas och återutsänds i det gula, grön, och rött för att ge önskat vitt ljus. (Höger) Blått excitationsljus med intensitet Iin (λ 1 ) som kommer från den blå lysdioden lyser på fosforplattan med tjocklek L. Fosforplattan innehåller fosformikropartiklar som representeras av gula cirklar. I T (λ 1 ) är den spridda överförda intensiteten, I R (λ 1 ) är den spridda reflekterade intensiteten, I T (λ 2 ) är den överförda återutsända intensiteten, och jag R (λ 2 ) är den reflekterade återutsända intensiteten. Blandningen av överfört rött, grön, och blått ljus lyser upp föremålet, som en blomma. Kredit:University of Twente
En del av det blå ljuset överförs genom fosforskiktet, och en del absorberas och återutsänds i den röda och gröna delen av spektrumet för att ge önskat vitt ljus. De relativa mängderna spridda och återutsända ljus (figur 2) definierar färgpunkten för en vit lysdiod. För att justera färgpunkten, flera designparametrar är tillgängliga, såsom fosforpartikeltätheten r (se figur 3), fosforskiktets tjocklek L, den typ av fosfor, typen av blå LED, och ytterligare optiska element.
Systematisk utformning av färgpunkten för en vit lysdiod kräver algoritmer som är mycket snabbare än strålspårningstekniker. Ledande författare IJzerman från företaget Signify säger, "Hittills finns det ingen bra modell för att beskriva spridning i belysningsindustrin. Alla våra modeller är beroende av avancerad kurvpassning där en eller flera parametrar bestäms genom att matcha mätningar med simuleringar. För att förbättra detta tidskrävande och kostsamma tillvägagångssätt, en a priori -modell baserad på fysiska mätbara parametrar skulle vara av stort värde och ett stort steg framåt. ”Detta är vad forskarna har utvecklat.
Figur 2:Överföring och reflektion av en vit lysdiod som en funktion av fosforpartikeltätheten (för våglängd λ 1 =475 nm). (a) Streckad linje representerar den beräknade totala överföringskoefficienten för det spridda ljuset. Trianglar representerar den uppmätta koefficienten, (b) linje-punkt-punkt-linje representerar den beräknade totala överföringskoefficienten för det återutsända ljuset. Kvadrater representerar de uppmätta koefficienterna, (c) streckad linje representerar den beräknade reflektionskoefficienten för det spridda ljuset. Stjärnor representerar den uppmätta koefficienten, (d) streckad linje representerar den beräknade reflektionskoefficienten för det återutsända ljuset. Cirklar representerar den uppmätta koefficienten. Experimentets felrader ligger inom symbolstorleken. Kredit:University of Twente
Det nederländska teamet introducerar ett extremt snabbt och analytiskt beräkningsverktyg baserat på den så kallade P3-approximationen till den strålande överföringsekvationen. Huvudförfattaren Vos säger, "Vi kan förutsäga färgpunkten för en vit LED utifrån de valda designparametrarna. Omvänt, vi kan få designparametrarna för en vit LED utifrån en riktad färgpunkt. "
Figur 3:Färgpunkt för en vit lysdiod. Cirklar (överföring) och rutor (reflektion) är våra experimentella datapunkter för våglängden λ 1 =475 nm (se figur 2). Röda och svarta streckade linjer representerar förutsagda färgpunkter som en funktion av fosforpartikeltätheten r (från 1 vikt% till 8 vikt%) för överfört och reflekterat ljus, (visas i figur 2). Den gröna diamanten indikerar det mest använda standardiserade vita ljusspektrumet, D65 -spektrumet. Kredit:University of Twente
IJzerman säger, "I denna nya situation, det omvända problemet kräver inte en iterationsprocedur för varje ny designcykel. Med tanke på hastigheten på vårt verktyg, vi kan generera en uppslagstabell för hela parameterutrymmet som är tillgängligt för ingenjörer. Vari, vi får enorma hastighets- och effektivitetsfördelar. "
Lagendijk säger, "Jag är upphetsad över att vita lysdioder ytterligare kommer att bidra till en snabb globalisering av belysning, och därmed till global läskunnighet och demokratisering. Detta är relevant för regioner där några få solceller är lätt tillgängliga, och där ett omfattande elnät är för dyrt eller tråkigt. "
