LED, brillante futuro


En los últimos años se ha venido hablando incesantemente de los LED (Light Emitting Diode) como una de las nuevas revoluciones tecnológicas abierta a oportunidades y perspectivas desconocidas hasta la fecha.
De hecho, en el campo de la señalización e indicación ha ganado completamente la batalla a otras técnicas y, poco a poco, está expandiendo su dominio a muchas otras aplicaciones, sobre todo dentro del sector de la iluminación.
El importante ahorro energético que proporcionan (prioridad de gran parte de los países industrializados), junto con su larga vida útil, su nula emisión de calor y su fiabilidad, hacen prever un prometedor futuro para estos diodos que están llamados a sustituir a las lámparas incandescentes inventadas por Edison hace más de 125 años.
Clara Baonza


Un LED o diodo emisor de luz podría definirse como un dispositivo semiconductor unido a dos terminales cátodo y ánodo (negativo y positivo, respectivamente) recubierto por una resina epoxi transparente (polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador o “endurecedor”) que emite luz policromática, es decir, con diferentes longitudes de onda, cuando se le somete a una determinada polarización eléctrica (Fig.1), excluyendo los efectos comunes de emisión de luz como consecuencia de la generación de una temperatura elevada (caso de la incandescencia).
Los parámetros que caracterizan el funcionamiento de un LED y que pueden servir de base para la elección del modelo más adecuado para la aplicación correcta podrían ser los siguientes: eficiencia, color, directividad, tensión directa, corriente inversa y disipación de potencia.
• Eficiencia: es la relación entre la intensidad luminosa emitida (medida en unas unidades denominadas milicandelas, mcd) y la corriente (o potencia) eléctrica que produce dicha radiación (mA). Los valores normales oscilan entre los 0,5 y 2 mcd a 20 mA, aunque los de alta eficiencia alcanzan hasta las 20 mcd a 10 mA.
• Color: la frecuencia de la radiación emitida y, por tanto, su color, dependerá de la altura de la banda prohibida (diferencias de energía entre las bandas de conducción y valencia), es decir, del material semiconductor empleado en la construcción del diodo (montado en un chip-reflector) (Tabla 1). Los diodos convencionales, de silicio o germanio, emiten radiación infrarroja muy alejada del espectro visible, recibiendo éstos últimos la denominación de diodos IRED (Infra-Red Emitting Diode). Sin embargo, con materiales especiales pueden conseguirse longitudes de onda desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo. Existen tres colores básicos de LED que, en términos generales, soportan la siguiente potencia: rojo (1,6 v.), verde (2,5 v.) y azul (4,3 v.) el resto son combinaciones de ambos. Así, la luz blanca, en realidad es un diodo azul al que se le ha añadido fósforo blanco dentro del encapsulado, con una leve tonalidad amarillenta para contrarrestar el tono azulado del semiconductor.
• Directividad o ángulo de visión: desplazamiento angular desde la perpendicular donde la potencia de emisión disminuye a la mitad. Según la aplicación que se le dé al dispositivo se necesitarán distintos ángulos de visión que pueden ir desde los 4 hasta los 90º de visión. Normalmente, este ángulo está determinado por el radio de curvatura del reflector del LED y por el radio de curvatura del encapsulado (Fig.1). Así, mientras más pequeño sea el ángulo, y a igual sustrato semiconductor, se tendrá una mayor potencia de emisión y viceversa. Por regla general, los LED cilíndricos de 3 mm y 5 mm, los más comunes, son los que ofrecen una mayor luminosidad aunque ven reducido su ángulo de visión. Por el contrario los LEDs con encapsulado SMDs (Surface Mount Device) abren el ángulo de emisión (llegan hasta 120º) y ofrecen una menor luminosidad. Su uso se ha potenciado desde algunas empresas, con un soporte externo, para mejorar la eficiencia y la facilidad en su empleo.
• Tensión directa: voltaje que se produce en los dos terminales del LED cuando le atraviesa la corriente de excitación. Suele ser relativamente bajo, entre 1 y 4 voltios, y la gama de intensidades que debe circular por él, va desde 10 hasta 20 miliamperios en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs. Voltajes y corrientes superiores a los indicados pueden derretir el chip del LED (su parte más importante y localizado en el centro del foco).
• Corriente inversa: máxima corriente que es capaz de circular por el LED cuando se le somete a una polarización inversa. Los valores típicos se encuentran alrededor de 10 microamperios.
• Disipación de potencia: fracción de la potencia que absorbe el LED y no transforma en radiación visible, teniéndola que disipar al ambiente en forma de calor.
También es importante tener en cuenta la vida útil del LED. En este sentido, cabe decir que es muy difícil que este tipo de dispositivos se queme, aunque sí es posible que sufra un cortocircuito, que se abra como un fusible o, incluso, que explote si se le hace circular una elevada corriente. Sin embargo, en condiciones normales, el LED se degrada y pierde luminosidad a razón de un 5% anual. Cuando ha perdido el 50% de su brillo inicial, se dice que ha llegado al fin de su vida útil. Por regla general, la vida de un LED es de diez años.

Evolución del LED
Hasta llegar a la situación actual, han sido numerosos los estudios y avances necesarios para afianzar esta tecnología. Ya en 1921, Albert Einstein era galardonado con el Premio Nobel de Física por el efecto fotoeléctrico; es decir, por la aparición de una corriente eléctrica en ciertos materiales cuando éstos se ven iluminados por radiación electromagnética. A la inversa, algunos materiales, al ser sometidos a una corriente eléctrica, emiten luz, tal y como detectó, en 1923, Lossew. Bajo este principio, en 1962, el ingeniero Nick Holonyak, tras algunas experiencias realizadas con el arseniuro de galio (GaAS), demostró que era posible obtener unos elevados niveles de emisión luminosa partiendo de uniones P-N. Así puso en marcha el primer LED práctico que emitió en el espectro visible. En un principio, estos LEDs eran de color rojo y, dada su baja luminosidad, empezaron a utilizarse como indicadores de equipos de uso doméstico, como los indicadores on/off o los displays numéricos.
Los siguientes desarrollos, ya en la década de los 70, introdujeron nuevos colores al espectro. Así, se consiguieron colores verde y rojo utilizando fosfuro de galio (GaP) y ámbar, naranja y rojo de 630 nm, empleando arseniuro fosfuro de galio (GaAsP). También se desarrollaron LEDs infrarrojos, muy populares en los controles remotos de los televisores.
En la década de los 80, entró en escena el galio, aluminio y arsénico y el mercado de los LEDs empezó a despegar dado que alcanzaba un brillo diez veces superior al existente hasta el momento. Además, se podía utilizar a elevadas corrientes lo que permitía utilizarlos en circuitos multiplexados. Sin embargo, con este material tan sólo se conseguía el color rojo y se degradaba más rápidamente en el tiempo.
El paso definitivo se produjo en 1993, cuando el investigador Shuji Nakamura desarrolló el LED azul de alto brillo, basado en nitruro de galio (GaN) con el que se consiguió cerrar el círculo de los colores primarios y, por tanto, la posibilidad de formar todos los colores, incluido el blanco. De hecho, Nakamura ha obtenido en junio de este año 2006 (cuya ceremonia se ha celebrado el 8 de septiembre en Helsinki) el Premio de Tecnología del Milenio, considerado como el premio de tecnología más importante del mundo, dotado con un millón de euros, y entregado por la Fundación Premio del Milenio de Finlandia. En él, el jurado reconoce la “perseverancia y dedicación de Nakamura que le permitió alcanzar algo que sus colegas consideraban casi imposible: desarrollar luz azul, verde y blanca de un material sólido, en este caso nitruro de galio, mediante un reactor de su propio diseño, y también generar una potente luz de láser azul. Las aplicaciones que sus descubrimientos hacen posible en el campo de la iluminación pueden compararse a la lámpara incandescente inventada por Thomas Edison, que con el tiempo será reemplazada por potentes fuentes lumínicas basadas en los descubrimientos de Nakamura”.
De hecho, y pese a que existen varias técnicas para producir esta luz azul, la basada en GaN es la más utilizada.
Los siguientes pasos del camino, aún inacabado, se han ido dando en distintas direcciones. De una, y con el punto de mira puesto en la iluminación, en la introducción de diodos de mayor potencia (en 1999 se introdujo el de 1 W y en 2202 el de 5 W, aunque con matrices semiconductoras de dimensiones mucho mayores para poder soportar tales potencias e incorporan aletas metálicas para disipar el calor, máximo problema de estos LEDs ), y de otro en el menor consumo y gasto. En este sentido se han fabricado los denominados OLED (diodos LED orgánicos) fabricados con materiales polímeros orgánicos semiconductores. Aunque la eficiencia lograda con estos dispositivos está lejos de la de los diodos inorgánicos, su fabricación promete ser considerablemente más barata que la de aquellos, siendo además posible depositar gran cantidad de diodos sobre cualquier superficie empleando técnicas de pintado para crear pantallas a color.

Principales aplicaciones
En el apartado anterior se han ido reseñando algunas de las principales aplicaciones que a lo largo de los últimos años han tenido a los LED como protagonistas. De hecho, en el campo de la señalización o indicadores de estado (encendido/apagado) han ganado completamente la batalla y están presentes en mandos a distancia, frentes de un gran número de electrodomésticos (equipos de aire acondicionado y de música, DVD, relojes digitales, portátiles), dispositivos detectores, alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, agendas electrónicas, calculadoras, etc. De igual modo, los dispositivos de señalización de tráfico (semáforos, paneles informativos...), de emergencia, la publicidad luminosa (los cruces de farmacia o rótulos, por ejemplo, han dicho adiós al neón) o la pantallas gigantes para todo tipo de eventos ya han apostado claramente por esta técnica
Otros sectores claves que se viene decantando por el LED son el de la automoción (tanto para los frontales de los vehículos como para las luces de emergencia, posición, freno e intermitentes), la medicina (terapias de luz infrarroja), la impresión electrofotográfica (más sencillo y fiable que la tecnología láser), la óptica (mirillas de rifle), el almacenamiento y la transmisión de datos (el uso de luces generadas por un láser azul en un CD o DVD podrá incrementar la capacidad de almacenaje por cinco) y la iluminación. En este último caso, y aunque todavía haya mucho camino por recorrer, es sintomático que los principales fabricantes del mundo hayan apostado claramente por esta tecnología, muy presente ya en todo lo que es iluminación móvil (linternas y cascos de minería, espeleología, etc.).
Así, y según un estudio de una de las principales compañías alemanas de distribución de componentes electrónicos, se calcula un crecimiento del mercado de los diodos luminosos de actualmente 144 millones a 875 millones de dólares hasta el año 2010. Esto corresponde a una tasa de crecimiento del 52%.
A todas estas aplicaciones hay que sumarles algunas otras que pueden ser totalmente revolucionarias. Así, y como ya resaltó el jurado del Premio de Tecnología del Milenio (citado anteriormente), una de las utilidades futuras más importantes es la esterilización del agua potable, pues el proceso de purificación mediante el LED ultravioleta es más barato y eficiente. Se espera, por tanto, que los sistemas basados en esta tecnología mejorarán las condiciones de vida y de salud de decenas de millones de personas del tercer mundo.

Ventajas del LED
El porqué de esta carrera fulminante del LED hay que buscarlo en sus innumerables ventajas frente a la iluminación convencional. Entre ellas destacan las siguientes:
• Larga duración: hasta 100.000 horas, frente a los 6.000 de una lámpara incandescente (es decir 17 veces mayor). Además, tienen una vida útil superior a los diez años por lo que los repuestos no son tan necesarios.
• Menor consumo energético cifrado, aproximadamente, en el orden de 100 mw, comparado con 1 w de las lámparas incandescentes. De hecho, se ha calculado que solamente en los Estados Unidos el reemplazo de los actuales sistemas de iluminación por los basados en LED podrá reducir significativamente el consumo de energía en las próximas décadas. Las nuevas fuentes lumínicas también son muy adecuadas para operar con sistemas de energía solar y por lo tanto ideales para la iluminación en áreas periféricas de países en desarrollo.
• Nula emisión de calor: la incandescencia emite luz en todo el espectro visible, siendo el difusor (que hace de filtro) el que deja pasar sólo el color requerido y el resto del espectro se transforma en calor; mientras que el LED emite luz monocromática directamente, en la longitud de onda del color requerido, por lo que no existe transformación de luz en calor. Por este motivo su eficiencia de conversión es mucho mayor (la mayor parte de la energía eléctrica de entrada es transformada en energía lumínica). Se calcula que el 90% de la energía de las lámparas incandescentes (incluyen las de Xenon y Krypto) se transforma en calor y se pierde, mientras que en el LED la totalidad de la energía se transforma en luz.
- Menor coste de mantenimiento: dado que la vida efectiva de las lámparas LED es mayor, el cambio de unidades es menos frecuente.
- Nula emisión de radiación U.V.
- Mayor luminosidad: los LED proporcionan una luz más brillante que, además, no se concentra en un punto (como el filamento de una bombilla incandescente).
- Mayor resistencia mecánica: al encontrarse dentro de una lente de plástico transparente (sin cristal) resisten mejor los golpes y vibraciones, entre ellos el vandalismo que puede darse en semáforos o carteles de tráfico.
- Consecución de todo tipo de colores, como por ejemplo el verde azulado o turquesa, de una frecuencia del orden de los 505 nm (con GaN) que utilizado en los semáforos, y dado su tono azulado, lo hace visible para las personas daltónicas.
- Reducción del tamaño (sólo ocupan unos pocos milímetros cúbicos).
- Resistencia al agua.
- Eliminación del efecto fantasma en iluminación al no requerir reflector.

Bien es cierto que, pese a todas estas ventajas, la implantación del LED no es todavía masiva. La dificultad de su instalación, el calentamiento producido a partir de 1 watio (cuando sobrepasa esta potencia es necesario instalar junto a él otra placa de aluminio que reduzca el calor), así como el precio, desaconsejan su empleo en un buen número de aplicaciones. No obstante, la velocidad de los avances posibilitará, a buen seguro, el incremento de su demanda, con la consiguiente reducción de precios, y el acceso de esta tecnología a un mayor número de público y de aplicaciones.