La llegada de la tecnología LED supuso un importante aumento de eficiencia con respecto a las tecnologías tradicionales de iluminación. Así, por ejemplo, uno de los principales factores que conducen a la falta de eficiencia de las lámparas incandescentes tradicionales es su ineficiencia espectral. La mayor parte de la radiación producida por estas lámparas incandescentes se produce en longitudes de onda superiores a los 700nm y, como el ojo humano tiene poca respuesta fuera del rango visible (es decir, de 380 nm a 720 nm), esta radiación superior a los 700 nm se pierde en forma de calor.

La tecnología LED y los emisores rojos de banda estrecha

La tecnología LED que utiliza los tradicionales LED blancos, proporcionan un aumento de la eficiencia espectral, ya que la mayoría de la radiación que producen se encuentra en el rango visible. Sin embargo, los fósforos rojos convencionales (fósforos de nitruro o oxinitruro) utilizados en estos LED que utilizan fósforo para producir la luz blanca (pc-LEDs) con una buena representación de color, tienen amplios picos de emisión que se extienden significativamente al rojo profundo y al infrarrojo cercano (es decir, entre 720 y 800 nm).

Desplazando el pico de emisión roja a longitudes más bajas, es decir, utilizando un emisor rojo de banda estrecha, se podría lograr un aumento significativo de la eficacia luminosa y la eficiencia espectral sin sacrificar las propiedades de reproducción de color de la fuente de luz. El Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) ha publicado recientemente un informe donde se evalúa una muestra de emisores rojos de banda estrecha que permitan proporcionar puntos de referencia y benchmarks iniciales con respecto a esta tecnología. 

En el informe, se realiza una comparación de las eficiencias espectrales y las propiedades de reproducción de color de los LED de banda estrecha de media potencia emisores rojos (MP-LED) con respecto un producto que utiliza los tradicionales pc-LED de color blanco cálido. Para ello, se desarrolló un régimen de ensayos de estrés acelerado para observar y cuantificar los cambios de flujo luminoso y cromaticidad a largo plazo, así como un análisis de fiabilidad de los mismos.

Para lograr emisarios rojos de banda estrecha que permitan disminuir las emisiones del rojo profundo y el infrarrojo cercano se han desarrollado diferentes técnicas y tecnologías. Uno de los primeros intentos fue el uso de arquitecturas híbridas de LED que consistían tanto en emisores pc-LED como en emisores de rojo directo. Esta arquitectura tiene la ventaja de producir emisiones de luz más cercanas a la curva de sensibilidad fotópica con emisiones mínimas por encima de los 720 nm.

Aunque ese diseño de fuente de iluminación produce un excelente rendimiento en la reproducción del color, hubo problemas con las diferentes estabilidades térmicas de los LEDs azules y los LEDs rojos, lo que resultó en limitaciones en la estabilidad de la cromaticidad y el mantenimiento del flujo luminoso

Una de las primeras aproximaciones para hacer un verdadero fósforo rojo de banda estrecha para la tecnología LED, fue el concepto de anfitrión/activador en el que un material aislante anfitrión que tiene un amplio espacio de banda (por ejemplo, K2SiF6) es dopado con un pequeño porcentaje molecular de un catión ópticamente activo (por ejemplo, Mn4+)- El fósforo resultante permite la absorción de la luz azul y la luminiscencia de la luz visible. Este fósforo, denominado fósforo PFS/KSF, tiene cinco emisiones principales en el rango de 609-648 nm, el FWHM de cada emisión es menor de 2 nm.

Debido a que las bandas de emisión rojas del fósforo PFS/KSF son tan estrechas y cubren gran parte de la porción roja del espectro, los dispositivos que incorporan este material pueden tener una excelente representación del color y una amplia gama de colores, con un mínimo derrame en la región cercana al infrarrojo que no es visible para el ojo humano. 

Analizando rendimiento de estos emisores rojos de banda estrecha en la tecnología LED

Los productos emisores rojos de banda estrecha seleccionados en el nuevo estudio del DOE utilizan diferentes arquitecturas para disminuir las emisiones del rojo profundo y el infrarrojo cercano (FósforoPFS/KSF y QD+Fósforo). Entre ellos se incluyen un tubo LED y un dispositivo con dos módulos LED montados en un disipador de calor. El tubo contiene un módulo LED con 42 MP-LEDs encajados en un tubo de vidrio, existiendo dos cadenas de LED diferentes (21+21) en paralelo.

El primer tipo de MP-LED tiene un amplio pico naranja centrado en los 595 nm mientras que el segundo tipo de MP-LED contiene el fósforo rojo de banda estrecha con picos consistentes con un fósforo PFS/KSF- Los módulos LED del segundo producto contienen 21 MP-LEDs que utilizan un emisor rojo híbrido con puntos cuánticos rojos de banda estrecha y un fósforo rojo, es decir, una mezcla de puntos cuánticos y fósforo. 

Los principales hallazgos del estudio al ensayar estos productos se listan a continuación:

• El estrechamiento de las bandas de emisión roja para los productos del estudio condujo a unas ganancias significativas relativas con la eficacia luminosa de la radiación (LER) en comparación el producto LED blanco-caliente convencional. 
• Las características de representación de color de los productos ensayados fueron excelentes, lo que apoya la conclusión de que los aumentos de la eficiencia espectral en la región roja pueden lograrse de tal manera que la representación del color no se vea afectada negativamente.
• La estabilidad de la temperatura de los productos en este estudio fue en general buena. Los mantenimientos del flujo luminoso de ambos productos se mantuvieron por encima de 0,98 en RTOL y 75OL durante la duración de la prueba (7.000 horas para el Tubo LED N; 5.000 horas para el segundo producto). Además, la magnitud del cambio de cromaticidad (∆u’v’) permaneció pequeña para ambos productos en las condiciones de prueba de RTOL y 75OL (∆u’v’ < 0,001).
• Los productos del estudio se vieron especialmente afectados por la presencia de humedad en el entorno. El mantenimiento del flujo luminoso disminuyó drásticamente para ambos productos y en 5.000 horas alcanzó 0,83 y 0,85 para ambos productos. El cambio de cromaticidad también aumentó sustancialmente, con el tubo LED (fósforo PFS/KSF) experimentando un cambio en la dirección azul (∆u’v’ = 0.005) después de 6.000 hrs y para el segundo produccto (mezcla fósforo-puntos cuánticos) fallando paramétricamente debido al excesivo cambio de cromaticidad (∆u’v’ > 0.007) en la dirección verde en 3.000 hrs.
• La mezcla de fósforo-QD fue especialmente susceptible al ambiente húmedo, y el pico de emisión de la mezcla se desplazó en 7 nm hacia un valor inferior al final de la prueba.
• Se necesitan pruebas adicionales para determinar si la eficacia inicial y las ganancias de LER continuarán durante mucho tiempo.

Por tanto, los resultados muestran como los emisores rojos de banda estrecha pueden proporcionar ganancias significativas en cuanto a la eficiencia espectral sin comprometer la fidelidad de color. Sin embargo, mientras que los productos estudiados tienen una buena estabilidad en ambientes de baja humedad, todavía se necesitan importantes mejoras en ambientes de alta humedad, particularmente para los productos con una mezcla de fósforo y puntos cuánticos. El fósforo PSF/KSF mostró un mejor rendimiento inicial, pero se necesita más investigación para ver si esta tendencia continuará a largo plazo.

Puede consultar el informe completo en el siguiente enlace:

https://www.energy.gov/sites/prod/files/2020/10/f79/ssl-rti-red-emitters-aug2020.pdf

Autor: José Enrique Álvarez

Artículo original en: smartLIGHTING

En Mega Lámparas tenemos lo que necesitas en productos de iluminación, tecnología LED y servicios de iluminación en Guatemala. Contáctanos.