Artículos sobre ciencia y tecnología de Mauricio-José Schwarz publicados originalmente en El Correo y otros diarios del Grupo Vocento

febrero 14, 2015

Un Nobel de luz LED

"Proyección sobre una superficie de tres colores con componentes LED RGB" de Viferico.
(Imagen D.P. vía Wikimedia Commons)

De pronto, su casa, su ciudad, su mundo se han llenado de lámparas que utilizan LED. La historia de estos pequeños y eficaces productores de luz explica por qué.

El mundo está enamorado de las luces LED. Las tiene en la iluminación de las casas, en los faros de automóviles, en semáforos y anuncios luminosos. En relativamente poco tiempo ha sustituido a las formas de iluminación comunes creadas por el hombre. Son eficientes, resistentes y seguras.

Las bombillas incandescentes clásicas, como la de Thomas Alva Edison, calientan un filamento de tungsteno a altas temperaturas para que, al no poderse quemar por la falta de oxígeno (al estar al vacío o llena de algún gas) emite luz como producto de ese calor, del mismo modo en que lo hace un hierro al rojo vivo. Es por ello que las bombillas tradicionales producen una gran cantidad de calor, que no es sino energía desperdiciada que no se ha convertido en luz.

Las luces fluorescentes, en cambio, contienen un gas noble como el argón o el neón, más una minúscula cantidad de mercurio. El gas se estimula con electricidad, se agita y produce una radiación ultravioleta invisible, que choca contra las paredes de fósforo de la lámpara y produce una luz visible. Estas lámparas emiten menos calor y son, por tanto, más eficientes en el uso de la electricidad, aunque presentan problemas de contaminación por mercurio.

LED son las iniciales en inglés de diodo emisor de luz. Estos diodos producen luz directamente como respuesta al paso de la corriente eléctrica, en un fenómeno llamado electroluminiscencia. Un diodo es un componente electrónico formado por dos electrodos y un material semiconductor. En el caso de los LED, lo común es utilizar como semiconductores a elementos conocidos como tierras raras como el galio o el selenio. Al convertir la electricidad en luz directamente, producen una cantidad muy pequeña de calor, lo cual además de ser fuente de eficiencia permite que los diodos tengan una duración muy superior al no sufrir degradación por las altas temperaturas.

La electroluminiscencia fue descubierta en el año 1907 por Henry Joseph Round, pionero de la radio y asistente de Guiglielmo Marconi. Al pasar una corriente por una pieza de carburo de silicio, observó que éste emitía una tenue luz amarillenta. Independientemente, el inventor ruso Oleg Losev observó el mismo fenómeno en 1920. Pero el resplandor de esta primera sustancia electroluminiscente era demasiado débil como para ser de alguna utilidad y quedó solamente anotado como curiosidad.

Fue en la década de 1950 cuando empezó la exploración a fondo de los semiconductores, a partir de la invención del transistor, que permitió los primeros pasos para la miniaturización de aparatos como radiorreceptores y televisores, además de abrir la posibilidad de ordenadores prácticos.

Como resultado, en 1961, Robert Baird y Gary Pittman inventaron el primer LED infrarrojo. Ese primer paso todavía está presente en nuestros hogares, ya que los diodos emisores de infrarrojos se utilizan para transmitir la información de los mandos a distancia a aparatos como los televisores o los equipos de sonido. Un año después, Nick Holonyak Jr., considerado el verdadero padre de esta tecnología, creó el primer LED que emitía luz visible, roja, utilizando un compuesto de galio. Más adelante consiguió producir un LED que emitía luz láser.

Los LED de color rojo brillante serían los primeros que vería el público en general, en las pantallas de las primeras calculadoras y relojes digitales lanzados al mercado desde 1971 y durante toda la década, dispositivos en los cuales grupos de LED rojos daban forma a los números.

Durante los siguientes años, los LED de luz visible fueron subiendo a lo largo del espectro electromagnético. Si habían comenzado en el infrarrojo y el rojo, su carrera siguió con el desarrollo del primer LED amarillo en Monsanto en 1972, al que siguió el LED violeta ese mismo año, creado en los laboratorios de la RCA. Y en 1976, se desarrolló el primer LED de alta eficiencia y gran potencia que se utilizaría en las comunicaciones de fibra óptica.

Pero los LED seguían siendo una curiosidad para la gente en general hasta que en 1979, los investigadores japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura consiguieron por fin uno que emitiera luz de un color azul brillante. Este logro les mereció ser reconocidos con el Premio Nobel de Física en 2014. ¿Por qué era tan importante este logro comparado con los demás de la historia de este tipo de iluminación?

Por motivos de física, es imposible tener un LED que ofrezca luz blanca, que como sabemos está formada por una mezcla de todos los colores del espectro visual, de todas sus frecuencias. Cada compuesto de estos diodos sólo puede emitir luz en una frecuencia determinada. Se puede obtener luz blanca encendiendo tres LED, rojo, azul y verde, y a cierta distancia el ojo humano interpretará la suma de ellos como luz blanca, del mismo modo en que lo hacen los puntos de un televisor. Sin un LED azul, es imposible conseguir esta ilusión que, como vimos ,se emplea en enormes pantallas de televisión o vídeo como las que se pueden ver en Tokio o Nueva York.

Pero la luz LED azul de estos investigadores tenía además la capacidad de excitar al fósforo para que emitiera luz blanca, de modo similar a como lo estimula el gas de una lámpara fluorescente. Un LED azul recubierto por dentro de fósforo emite una brillante luz blanca, que es la que nos gusta tener pues es la que imita a la luz solar con la cual evolucionaron nuestros ojos y con la que mejor vemos.

A partir del LED azul, esta tecnología pudo al fin invadir nuestros hogares y ciudades como una opción altamente conveniente. Para obtener la misma cantidad de luz, un grupo de LED sólo necesita el 20% de la electricidad que las bombillas incandescentes. Su mantenimiento es barato, son muy seguros al utilizar poca tensión, y al ser direccionales disminuyen la contaminación lumínica de los cielos, y al no contener mercurio u otros productos peligrosos son mucho menos contaminantes.

Y, lo más interesante, muchos científicos ven a la luz LED como apenas el primer paso en la creación de un nuevo universo de iluminación mediante semiconductores. Las nuevas luces LED pronto podrían ser cosa del pasado.

El siguiente paso: OLED

En 1987 nació la tecnología llamada OLED, que ya está presente en muchas pantallas de diversos dispositivos. La “O” indica que el diodo emisor de luz tiene entre los dos electrodos una película de un compuesto orgánico, es decir, basada en el carbono en el sentido de la química orgánica, no de que provenga del mundo vivo, como pueden ser polímeros similares al plástico. Los OLED prometen hacer realidad, entre otras cosas, pantallas de vídeo flexibles, eficaces, brillantes y a precios muy bajos.

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