Este año, el premio de física fue otorgado a los investigadores Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shūji Nakamura por haber inventado el LED azul de alta eficiencia. ¿Qué es un LED? ¿Por qué es tan importante que sea azul? ¿Qué aplicaciones tiene para la sociedad?
Instaurado en 1895 por el inventor sueco Alfred Nobel (quien inventó la dinamita y no quería ser condenado por la historia debido a sus usos bélicos), el premio que lleva su nombre es el más prestigioso reconocimiento anual otorgado a los avances en los campos de literatura, medicina, física, química, paz y economía. Consiste en una medalla de oro, un diploma y una cantidad de dinero que ronda los 1.2 millones de dólares a repartir entre una y tres personas, pero nunca de forma póstuma.
Los investigadores Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shūji Nakamura de las Universidades de Meijo, Nagoya y UCLA, respectivamente, se hicieron acreedores al Nobel de Física 2014 por haber inventado el LED azul de alta eficiencia.
La primera pregunta que surge es: ¿Qué es un LED?
Un LED (Light Emiting Diode, diodo emisor de luz) es un dispositivo electrónico que ilumina cuando circula corriente eléctrica a través de él, pero únicamente en un sentido. Aunque fue creado en 1927 por el científico ruso Oleg Losev, su uso práctico comenzó hasta 1962 como indicador luminoso rojo y también como emisor de luz infrarroja en circuitos de control remoto.
¿Cómo funciona un LED?
A diferencia de un foco incandescente, que emite luz por la alta temperatura que alcanza su filamento interno de tungsteno, un LED está hecho de silicio y casi no emite calor. El silicio es un semiconductor, es decir, un material que puede conducir o aislar la electricidad añadiendo pequeñas cantidades de otros elementos químicos.
Existen dos tipos de semiconductor: “Tipo P” y “Tipo N”. El primero necesita electrones para completar la última órbita de sus átomos (es decir, hay huecos en ella), mientras que el segundo tiene excedente de electrones en esa misma región. Al juntar una parte de tipo P con otra de tipo N y aplicar una corriente eléctrica, los electrones fluirán sin problemas en un sentido, pero no lo harán en el otro. El dispositivo electrónico que exhibe este comportamiento se llama “Diodo”.
Cuando un electrón en movimiento cae en un hueco, se dice que entra en un nivel de energía inferior y se tiene que deshacer del excedente para permanecer ahí. Dicho excedente se emite como un fotón. Esto ocurre miles de millones de veces a todo lo largo de la unión entre los materiales tipo P y N, percibiéndose como luz.
¿Cómo se hace para que los LEDs emitan luz de diversos colores?
City Hall installs ‘intelligent’ flood lighting system Belfast City Hall has become the first building in Europe to install a revolutionary new ‘intelligent’ lighting system. New LED floodlighting on the exterior of the city’s civic headquarters is also the biggest single building project of its kind in Europe – and will help reduce both the Hall’s energy bill and CO2 emissions. The City Hall is one of seven European buildings chosen to take part in the EU’s ILLUMINATE pilot project, which will see new solid state lighting systems installed on other landmarks such as the world famous waterfront in Genoa. Picture by Brian Thompson / Press Eye.
El color de la luz que emite un LED depende de los elementos químicos empleados en la su fabricación de sus materiales P y N. Los primeros emplearon arseniuro de galio para luz infrarroja y después agregaron fósforo para emitir en color rojo, pero eran tan débiles que requerían lentes plásticos para poder hacerse visibles, especialmente cuando se usaban para desplegar números en las pantallas de los primeros relojes y calculadoras electrónicas.
Hacia 1970, su costo se redujo de 200 dólares por unidad a tal sólo unos centavos gracias a métodos de producción en gran escala derivados de la fabricación y empaquetado de chips de computadora así como investigaciones hechas en Monsanto Company y Hewlett Packard.
Variando la proporción de mezcla de los elementos se pudieron producir otros colores aparte del rojo: Naranja, Amarillo, Verde (Galio y fósforo) y hasta Ultravioleta (Diamante, Nitruro de Boro). El color azul, sin embargo, continuaba siendo muy difícil de lograr porque sus componentes se degradaban rápidamente con el paso del tiempo y el uso.
Finalmente, en 1994 un equipo a cargo de Shūji Nakamura logró un LED de color azul con gran brillo y duración basado en Nitruro de Galio. Al ser usados, los LEDs azules junto con los rojos y verdes, es posible recrear una buena parte del espectro visible de colores y esa tecnología se usa desde entonces en grandes pantallas espectaculares para anuncios y estadios deportivos; no obstante, dicha aplicación era un segmento especializado y debido a su costo inicial, de poco alcance masivo.
La mayor aplicación vendría con la iluminación para uso doméstico, automotriz y comercial, donde la luz de un LED azul se cambia a blanco mediante un revestimiento de Itrio, Aluminio, Oxígeno y Cerio.
Pero, si ya teníamos luz a partir de focos incandescentes o fluorescentes, ¿por qué cambiar a LEDs?
Aproximadamente la cuarta parte de toda la energía eléctrica producida mundialmente se destina a la iluminación. Recordemos además que su producción viene de fuentes no renovables, contaminantes y hasta contribuyentes al calentamiento global.
De toda la energía que consume una luz incandescente, solamente el 5% se convierte en luz visible y el resto se disipa en calor. Aunque es barata de fabricar, su duración apenas alcanza 1000 horas. Una luz fluorescente eleva la eficiencia a 45% con una duración de 10,000 horas, pero representa un riesgo de contaminación por el vapor de mercurio que contiene. En cambio, un LED puede alcanzar una eficiencia de 70% con una duración de 30,000 horas y prácticamente no produce calor.
Mejor aún, los LEDs pueden ser energetizados con bancos de baterías conectados a paneles solares y eso los hace ideales para lugares alejados de la red eléctrica, donde actualmente viven alrededor de mil quinientos millones de personas.
Muchos países han tomado la medida de sacar de producción a los focos incandescentes, sustituyéndolos por lámparas fluorescentes compactas (CFLs) y más recientemente por luces LED que ya están disponibles como sustituto inmediato de sus predecesoras.
Aunque por ahora son más caras, los beneficios económicos se pueden apreciar a corto plazo y con toda seguridad su precio decrecerá conforme se abra el mercado.
No obstante, no todos están contentos con la noticia del premio. Nick Holonyak Jr., quien es ampliamente reconocido como el creador del primer LED de luz visible en 1962, se siente olvidado y molesto porque no se tomó en cuenta todo el trabajo previo, y necesario para el posterior desarrollo, que hicieron él y sus colegas.
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