Veel sneller naar led met gewenste wittint

De witte LED brengt niet alleen het energieverbruik van licht drastisch omlaag, de lichtbron is ook zeer veelzijdig: van krachtige vérstralers voor de auto, tot verlichting in huis of een lichtbron die al genoeg heeft aan de energie van een kleine zonnecel. Ondanks die snelgroeiende markt is het ontwerpen van een led met de gewenste specificaties nog een langzaam ‘trial-and-error’ proces.

Dankzij een nieuw ontwerpprincipe kunnen onderzoekers van de Universiteit Twente, de TU Eindhoven en de onderneming Signify het ontwerpen tot een miljoen keer versnellen, en daarmee de LED ook aanzienlijk goedkoper maken. De onderzoekers presenteren hun ontwerpmethode in het toonaangevende magazine ACS Photonics van de American Chemical Society.

Sinds de uitvinding van de Nobelprijswinnende blauwe LED (light emitting diode) is het mogelijk om met rode, gele en groene lichtbronnen wit licht te maken. Dit heeft geleid tot de witte LED die mechanisch robuust is, een lange levensduur heeft en stabiel is en maar weinig energie verbruikt. Ontwerpers van witte led’s kijken vooral naar de lichtsterkte en efficiency, nodig voor de toepassing, en naar de samenstelling van kleuren die samen het witte licht vormen, het ‘kleurpunt’. Het licht van een TL-balk is blauwig en ‘koud wit’, en een haardvuur gelig en ‘warm wit’. Het kleurpunt bereiken is nog altijd een kwestie van net zo lang meten en aanpassen totdat de metingen en simulaties samenvallen. Een langzaam proces dat uitgaat van zogenaamde ‘ray tracing’ en waarbij het eerder aankomt op de ervaring van de ontwerper dan op een systematisch ontwerp. De nieuwe methode brengt hierin verandering.

De onderzoekers kijken daarvoor nauwkeurig naar de randvoorwaarden die het kleurpunt bepalen. Een witte led bestaat uit een blauwe led met daarop een laag fosfordeeltjes. Het blauwe licht reist deels door de fosforlaag heen, deels wordt het in de laag omgezet in rood, geel en groen licht. Het resulterende witte en diffuse licht dat op een voorwerp valt, is de combinatie van doorgelaten en verstrooid licht. Bepalend zijn onder meer de dikte van de fosforlaag, de concentratie van de fosfordeeltjes, het type blauwe led en ook optische onderdelen zoals de eventuele lens die op de led is aangebracht.

“Dankzij een analytisch-wiskundige benadering vinden we, met deze parameters, het kleurpunt. Ook kunnen we, vanuit een kleurpunt, terugrekenen naar de opbouw van de led”, aldus prof. Willem Vos. “Tot nu toe is er in de lichtindustrie geen model dat de lichtverstrooiing goed beschrijft”, aldus prof. IJzerman, verbonden aan de onderneming Signify (voorheen Philips Lighting) en de TU Eindhoven. “Een model gebaseerd op fysische parameters is dan ook een echte stap voorwaarts. Voor alle randvoorwaarden kunnen we nu snel een opzoektabel genereren.” Het nu gepresenteerde ontwerpgereedschap is gebaseerd op de zogenaamde radiative transfer equation en is razendsnel.

Voor prof. Ad Lagendijk tellen niet alleen de economische voordelen want energiezuinige lichtbronnen, op maat ontworpen, zijn nu ook beschikbaar in gebieden die verstoken zijn van een elektriciteitsnet. “Als de energie van een paar zonnecellen al genoeg is om licht te maken, draagt dit zelfs bij aan de alfabetisering van de wereldbevolking.”

Eerder had het team al successen geboekt in het verbeteren van de efficiency van een witte LED. Promovenda Maryna Meretska, een van de auteurs van het nieuwe paper, werkt momenteel met een Rubicon-beurs van NWO aan Harvard University.