Dé witte LED bestaat in feite niet: ontwikkelaars maken gebuik van trucs als een fluorescerende laag die blauw licht omzet in wit licht, of combineren LED’s met verschillende golflengtes om wit licht te creëren. Onderzoekers van de Universiteit Twente en Philips hebben nu een model opgesteld om die eerste variant beter te kunnen modelleren, waardoor efficiëntere LED’s kunnen worden ontwikkeld.

Een van de mooie eigenschappen van LED’s is dat ze van nature een breed scala aan golflengtes kunnen weergeven. Weliswaar per LED maar een beperkte bandbreedte, maar met meerdere LED’s kom je een heel eind richting het zichtbare spectrum.

De zuiver witte LED is echter nog altijd niet gevonden. De gangbare manier om wit LED-licht te creëren is door blauw LED-licht door een dunne polymeerlaag te sturen. Een aantal fotonen raakt verstrooid: ze botsen op een fosfordeeltje in de laag, dragen daar wat energie aan over en krijgen daarmee een langere golflengte. De meeste fotonen verstrooien meer dan één keer en maken zo een soort dronkemanswandeling door de polymeerlaag. Dit heeft twee gevolgen. Ten eerste komen de fotonen met allerlei verschillende golflengten uit de polymeerlaag, op die manier in feite wit licht voortbrengend. In de tweede plaats zorgt het voor diffuus licht in plaats van het typische directionele licht van een LED met maar één kleur.

Het goed begrijpen en kunnen voorspellen van de verstrooiing is cruciaal voor het ontwikkelen van efficiëntere LED’s, maar dat was tot op heden erg omslachtig en niet erg precies. De UT- en Philips-onderzoekers verbeterden het modelleren door een standaard lichtverstrooiend polymeer, met daarin uiteenlopende concentraties titaniumdioxide-deeltjes van verschillende grootte, met wit licht te beschijnen. Ze maten vervolgens eigenschappen als transmissie, reflectie, golflengteverdeling en richting van het uittredende licht. Met behulp van de fotonische diffusietheorie, waarin lichtverstrooiing uitsluitend uitgaande van fundamentele natuurkundige principes wordt beschreven, leidden ze uit de metingen de gemiddelde vrije weglengte van de fotonen af. Deze vrije weglengte is de afstand die de fotonen afleggen tussen botsingen en bepalend voor de bijdrage van de verschillende golflengten in het uiteindelijke uitgestraalde licht.

Een belangrijke ontdekking op basis van de metingen is dat de mate van verstrooiing vooral afhankelijk is van met name de grote titaniumoxide-deeltjes, die veelal clusters van kleinere deeltjes zijn. Dit inzicht kan ontwikkelaars helpen bij het ontwerpen van witte LED’s die energiezuiniger en minder milieubelastend zijn, zo stellen de onderzoekers.

De onderzoekers publiceerden hun vindingen in het vakblad Applied Optics.