- LED AZUL

L E D    A Z U L

¿Por qué el led azul? Cuando leí el año pasado que habían concedido el Premio Nobel de Física a unos científicos japoneses por “inventar” el led azul, pensé que el hecho de dar color a una cosa tan pequeña y que ya existía hacía tiempo no debía tener mucho mérito. Evidentemente esto es una prueba palpable de mis conocimientos, mejor dicho desconocimientos, de física.

Posteriormente, al leer un poco sobre el asunto, deduje que tan fácil  no debía ser ya que habían trabajado muchos años para conseguirlo. Mi saber de los ledes (el plural está aceptado por la RAE) se limitaba al uso doméstico de las bombillas y de las pantallas en general, así que las diversas explicaciones no me sirvieron de mucho.

Es ahora, con su inclusión de este blog, cuando pretendo que las ideas que me han sido transmitidas, queden claras y se fijen en mi cabeza, y que de una forma sencilla, por si alguna persona con mis mismas carencias lo leyese, pueda comprenderse sin mucho esfuerzo.

Creo que el mundo led es algo apasionante y desde luego comparte y compartirá existencia con el ser humano por un largo periodo de tiempo, ya que su desarrollo sigue en una constante progresión.

¿QUE ES UN LED?

El primer paso sería explicar lo que es un led. La palabra led es el acrónimo del inglés Ligth Emitting Diode (diodo emisor de luz) y aquí la primera duda ¿Qué es un diodo?

El diodo es un dispositivo electrónico que forma parte de un circuito. Suele estar encapsulado, generalmente en un material cerámico, metálico o plástico, terminar en dos o mas patillas y estar conectados entre si. En el caso del led, su principal característica es que emite luz y es por tanto un componente optoelectrónico.

¿Y por qué emite luz? Este hecho se produce por el fenómeno llamado electroluminiscencia, que consiste en la recombinación de electrones y huecos en materiales semiconductores que al paso de una corriente eléctrica liberan su energía en forma de fotones. El color de la luz emitida depende de las propiedades electrónicas del semiconductor. Para el led azul se empleó el nitruro de galio (GaN).

Los electrones cargados negativamente y los huecos de carga positiva se desplazan desde las láminas tipo n y tipo p, liberando una energía en forma de fotón cuando se encuentran. De esta manera, modificando el espesor y la composición de los materiales, se puede elegir el color de la emisión. Así, los científicos son capaces en la actualidad, de fabricar ledes que emitan en cualquier color del rango visible en el espectro electromagnético.

 ORIGEN DEL LED

Pero para llegar hasta aquí, ha tenido que pasar mucho tiempo de investigación y trabajo. Los primeros estudios de electroluminiscencia en semiconductores fueron expuestos en 1907 por Henry Joseph Round, que era asistente de Guillermo Marconi, empleando carburo de silicio (SiC), que producía luz amarilla.

                           Detector de “bigotes de gato de Henry Joseph Round

En las décadas de los 50 y 60 se desarrollaron mejoras en la fabricación de láminas tipo n y p, que produjeron luz roja por medio del arseniuro de galio (GaAs). En ese momento solo era posible fabricar ledes de baja intensidad luminosa de color verde, amarillo y rojo, lo que limitaba su aplicación a controles remotos o indicadores de apagado y encendido. Se necesitaba el led azul para cubrir totalmente el espectro electromagnético, pero se presentaba la gran dificultad de conseguir el crecimiento de nitruro de galio cristalino de alta calidad.

                                      Arseniuro de Galio

Por fin,  en los años finales de la década de los 80 y principios de los 90 un grupo de científicos japoneses consiguieron fabricar el led azul con una gran intensidad de emisión. Este descubrimiento permitió el desarrollo de fuentes de luz blanca de estado sólido (llamados así en oposición a las sistemas que usan filamentos o gases)  de una gran eficiencia, incorporados a los estructuras de iluminación de televisores y pantallas en general, además de sentar las bases para el desarrollo de los semiconductores laser usados para el almacenamiento de datos y fuentes de luz de estado sólido ultravioleta que serán de gran utilidad en el campo de la biomedicina.

La iluminación artificial supone la cuarta parte del consumo de electricidad. Hasta ahora casas, calles, fábricas, etc. Eran iluminadas por medio de bombillas incandescentes, que solo convertían en luz el 5% de la energía eléctrica. Esta forma de iluminación ha variado poco desde finales del siglo XIX. Un intento de mejorar este bajo rendimiento fueron las llamadas lámparas compactas fluorescentes, que se comenzaron a usar a principio de los 80, mostrando una mejora en cuanto a su provecho en energía y duración, pero con un grave inconveniente: su contenido en mercurio, que presentaba un problema medioambiental importante.

La aparición del led azul ha supuesto un cambio radical en la forma de generar luz de forma energéticamente eficiente y a la vez respetuosa con el medio ambiente. El uso de led en detrimento de las fuentes de luz tradicionales, que se irá produciendo paulatinamente a lo largo de los próximos años conllevará un importante ahorro en el consumo mundial de electricidad.

Además, las fuentes de luz blanca fundamentadas en el led azul, prometen un gran futuro debido a los avances continuos que se están produciendo en ciencia de materiales, física de dispositivos y óptica, lo que augura un desarrollo exponencial a la baja del coste por lumen y al alza de la cantidad de luz  por paquete, llegando a una previsión de 200 lu/w (lúmenes por watio) en el año 2020.

 LOS NOBEL

Este esfuerzo de investigación ha supuesto, para la vida de las personas, el desarrollo de una serie de aplicaciones que mejoran el presente y prevén un futuro con gran modernización  y comodidades en el ámbito tanto doméstico como industrial, por lo que sus propulsores, los científicos japoneses Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura (posteriormente nacionalizado norteamericano) fueron galardonados en 2014 con el premio Nobel de Física, máximo galardón que se le puede conceder a un científico.

Para llegar a este descubrimiento, los premiados tuvieron que enfrentarse a verdades establecidas, trabajar duro y asumir riesgos considerables. Tuvieron que construir sus propios equipos con los que llevar a cabo miles de experimentos, la mayoría de ellos fallidos, pero a pesar de todo siguieron intentándolo convencidos de ir por el camino adecuado.

A pesar de que anteriormente otros no habían tenido éxito, Akasaki, Amano y Nakamura eligieron el nitruro de galio convencidos de que este material era el adecuado para la obtención del led azul, frente al seleniuro de zinc (ZnSe) que era considerada la mejor opción, aún con las enormes dificultades prácticas que llevaba su uso. La elaboración de cristales de  nitruro de galio con la calidad suficiente para conseguir que crecieran en una superficie adecuada les resultaba una tarea infructuosa. Por otro lado era prácticamente imposible crear capas de tipo p con este material.

Finalmente, en 1986, Akasaki y Amano consiguieron obtener un cristal de nitruro de galio de alta calidad sobre una capa de nitruro de aluminio con sustrato de zafiro. Posteriormente lograron la creación de una capa de tipo p. Descubrieron que cuando este material era estudiado con el microscopio electrónico de barrido brillaba mas intensamente, sugiriéndoles que el haz electrónico del microscopio hacia mas eficiente la capa tipo p. En 1992 presentaron su primer diodo emisor de luz azul.

                                      Nitruro de Galio

Nakamura realizaba mientras en paralelo sus propias investigaciones. En 1990 consiguió también nitruro de galio de alta calidad, depositando una capa del material a baja temperatura y colocando sobre ella sucesivas capas a temperatura mas alta. Además logró explicar el  motivo por el que Akasaki y Amano habían tenido éxito con su capa tipo p: el haz de electrones del microscopio eliminaba el hidrógeno que impedía la formación de la capa tipo p. Él a su vez, sustituyó el haz de electrones por un procedimiento mas simple y mas barato: calentar el material.
Durante la década de los 90, ambos equipos siguieron mejorando el led azul, haciéndoles mas eficientes mediante complejas aleaciones de nitruro de galio con aluminio o indio.

Akasaki, junto a Amano y Nakamura lograron crear el láser azul, en el que un led azul del tamaño de un grano de arena era un componente básico. Contrariamente a la luz dispersa de un led, el láser azul emite un fino haz de luz, puesto que la luz azul tiene una longitud de onda muy corta y puede ser empaquetada de forma mas compacta. Con la luz azul se puede almacenar cuatro veces mas información en el mismo área que con luz infrarroja. Este aumento en la capacidad de almacenamiento condujo a la elaboración de discos blu-ray y de impresoras láser.

EL FUTURO

El I + D de los ledes para cualquier uso, pero principalmente para iluminación general progresa rápidamente y es objeto de numerosas iniciativas de gobiernos o empresas internacionales.

En Estados Unidos, el Departamento de Energía ha patrocinado gran  número de proyectos con motivo de su programa de Luz en Estado Solido (SSL) a la que destinó 50 millones de dólares entre 2007 y 2009, extendiéndolo en el mismo nivel hasta 2013. El proyecto consta desde una investigación básica hasta demostraciones de luminarias led y OLED (organic ligth emitting diode).

En Europa, han sido destinadas varias iniciativas al desarrollo del SSL. En el Reino Unido se anunció en 2008 una inversión de 10 millones de libras en investigación y desarrollo para la integración del led, laser y displays en iluminación energéticamente eficiente.

La Comisión Europea, dentro del Sexto y Séptimo  Programa Marco destinados a la investigación y el desarrollo tecnológico en Europa entre 2002-2006 y 2007-2013 respectivamente, ha aportado fondos por valor de 290 millones de euros para innovación e investigación y 655 millones de euros para infraestructuras de investigación en el primer periodo, incrementando los importes una vez y media mas en el segundo periodo.

En Asia, particularmente Japón, Corea y China también están desarrollando una gran inversión en SSL.  Uno de los programas pioneros en investigación y desarrollo del led se desarrolló lógicamente en Japón en 1998, cuyos fondos aún subsisten actualmente. China lanzó en 2004 el Programa Nacional de Iluminación en Estado Sólido, con el ambicioso objetivo de ahorrar 100 TWh (teravatios/hora) para 2015, reemplazando el 40% de todas las lámparas fluorescentes por las Solid State Lighting SSL.

 R E S U M E N

Con estas expectativas, en un futuro mas o menos próximo, la iluminación por led promete una serie de beneficios sobre otras fuentes de luz:

-Mayor eficiencia potencialmente superior a cualquier otra fuente común de luz.

-Mayor longevidad, que incluye el beneficio del bajo costo en el mantenimiento.

-Mejor control en la distribución de la luz, que permite luego su expansión.

-Gran variedad de colores posibles.

-Respuesta y control mas rápidos al no ser necesario calentarse y la opción de atenuarse completamente.

-Durabilidad superior ya que al ser los dispositivos sólidos no tienen componentes frágiles.

-Baja generación de calor.

-Menor riesgo toxicológico al no contener mercurio.

-Imitación de la luz del día, lo que permite mas acercarse a los ritmos circadianos de las personas.

Aunque todavía quedan muchos retos por superar y desafíos técnicos que conseguir, es lógico pensar cualquier tecnología en desarrollo tiene mas ventajas que inconvenientes. En el caso de la iluminación por led, costo, eficacia y potencia son los parámetros a mejorar, pero sin duda es posible pensar en un futuro optimista para beneficio del ser humano.

ARTICULOS CONSULTADOS.

ASTRONOMIA. HERRANZ DORREMOCHEA Carlos, OLLE MARTORELL Josep Mª, JAUREGUI SORA Fernando. La Iluminación con led. Madrid 2012.

COMISIÓN EUROPEA. Servicio de Información Comunitario sobre investigación y desarrollo. VII Programa Marco de I + D 2007-2013

GREENPEACE. Iluminación eficiente: primer paso hacia una revolución energética. Buenos Aires 2012.

RED.ESCUBRE. Boletín de noticias científicas y culturales nº 16. Páginas 6 a 9 UCM Madrid. Junio 2013.

REVISTA DE FISICA. LOZANO Gabriel. Un Nobel que alumbra.  CALLEJA PARDO Enrique. Premio Nobel de Física. Madrid oct-dic 2014

U.S. DEPARMENT OF ENERGY. Energy Efficiency & Renewable Energy. Mayo 2014