Beter zicht op verdwalend licht voor efficiëntere witte LED’s

Wandelende fotonen
Wit LED-licht ontstaat door blauw licht uit een halfgeleiderdiode door een dunne polymeerlaag te sturen waarin fosfor- en andere materiedeeltjes zitten. De fotonen van het licht lopen niet allemaal recht door de polymeerlaag heen. Veel fotonen komen een deeltje tegen en worden dan verstrooid. Ze gaan in een andere richting lopen. Een aantal fotonen raakt bij verstrooiing aan een fosfordeeltje een deel van zijn energie kwijt en krijgt daarmee een langere golflengte. De meeste fotonen verstrooien meer dan één keer en zo maken al die lichtdeeltjes een zogeheten random walk, een soort dronkemanswandeling door de polymeerlaag. Cruciaal in dit gedrag is de zogeheten gemiddelde vrije weglengte van de fotonen: de gemiddelde afstand die ze afleggen tussen twee opeenvolgende ontmoetingen met een verstrooiend deeltje. Na alle omzwervingen van de fotonen door de polymeerlaag komt het oorspronkelijke blauwe licht er als een verzameling van alle kleuren (blauw, groen, geel en rood) uit: die mengeling zien we als wit licht. Bovendien geeft de dronkemanswandeling de fotonen allerlei verschillende richtingen: het wordt diffuus. Het resultaat is dus een egaal wit schijnende LED-lamp, precies wat de gebruiker wil.

Verstrooiing beter begrijpen
De verstrooiing kan tot op heden maar slecht gemodelleerd worden of alleen met een zeer tijdrovende simulatiemethode. “Op dit moment kunnen we daardoor de bijdragen van de verschillende golflengten aan het LED-licht niet voorspellen, of we moeten de optische parameters van het systeem gaan beïnvloeden,” zegt FOM-werkgroepleider prof. Willem Vos. Dit hindert ontwerp en ontwikkeling van efficiënte witte LED’s sterk.

De onderzoekers hebben nu een andere benadering gekozen om de verstrooiing te begrijpen. Ze voerden metingen uit met een standaard lichtverstrooiend polymeer met daarin uiteenlopende concentraties commercieel verkrijgbare titaniumdioxide (TiO2) deeltjes. Die deeltjes variëren sterk in afmeting wat het beste een gelijkmatige verstrooiing van het licht garandeert. Ze beschenen het polymeer met een heldere witte lichtbron en maten eigenschappen als transmissie, reflectie, golflengteverdeling en richting van het uittredende licht. Met een theorie uit de nanofotonica (bekend als de fotonische diffusietheorie) waarin de lichtverstrooiing uitsluitend uitgaande van fundamentele natuurkundige principes wordt beschreven, leidden ze uit de metingen de gemiddelde vrije weglengte af. Daarnaast ontwikkelden de onderzoekers een wiskundig model, met de gemeten afmetingen van de TiO2-deeltjes erin, om de gemiddelde vrije weglengte te voorspellen. Uit de vergelijking van de metingen met de voorspellingen bleek de verstrooiing vooral af te hangen van grote TiO2-deeltjes; die bestaan uit clusters van kleinere deeltjes. Door die clusters goed in het model op te nemen komen metingen en voorspellingen goed overeen. Dat is een verrassend nieuw inzicht wat zal helpen bij het ontwerpen van LED’s voor wit licht die energiezuiniger zijn en minder milieubelastend, zo stellen de onderzoekers.

Het onderzoek is mede gefinancierd door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), en de European Research Council (ERC).

Meer informatie
Willem Vos, Teus Tukker, Allard Lagendijk en Wilbert IJzerman, Broadband mean free path of diffuse light in polydisperse ensembles of scatterers for white LED lighting, Apllied Optics (2013).