Primera parte de una serie de artículos, donde el Científico jefe de Soraa, Aurelien David nos hablará de la tecnología que hay detrás de un LED así como de muchos de los conceptos relacionados, siempre desde un punto de vista técnico pero consiguiendo una lectura amena, didáctica y de fácil comprensión.

 

Los LED son el camino del futuro. No se puede negar eso. Son asequibles, reducen los costos de energía, duran más que otros tipos de bombillas y son más seguros para el medio ambiente. Pero si alguna vez te preguntas acerca de la tecnología detrás de los LED y cómo funcionan, este artículo es para ti. Hemos pensado en todas las preguntas detalladas que podría desear saber sobre la luz, la tecnología de iluminación y el diseño de LED y recurrimos a nuestro brillante científico en jefe, Aurelien David, para ayudarnos.

¿Cuál es tu título oficial? ¿Cómo describirías tu posición?

Soy Chief Scientist en Soraa. Dirijo nuestra investigación a largo plazo sobre tecnología LED. También participo activamente en investigaciones sobre mejoras de eficiencia LED y ciencia del color.

Antes de entrar en el diseño de LED, ¿podría explicarnos las diferencias entre incandescentes, halógenos y bombillas?

Una incandescente es básicamente un calentador. Ejecuta corriente eléctrica a través de un pequeño cable de metal para calentarla. Un poco (4%) de la corriente eléctrica se convierte en luz visible, el resto se desperdicia en radiación infrarroja (también conocida como calor). Es como calentar una pieza de metal a una temperatura lo suficientemente alta que comienza a brillar intensamente en rojo, solo que más caliente. Por el lado positivo, la luz incandescente se siente cálida y cómoda, y hace que los colores sean agradables. Pero es muy ineficiente.

El halógeno es incandescente, pero el filamento es un poco más caliente y marginalmente más eficiente (5-6% en lugar de 4%). Desafortunadamente, no es posible aumentar aún más la temperatura del filamento más allá de lo que hace un halógeno porque se quemaría demasiado rápido.

Fluorescente es muy diferente. Hay un gas dentro de un tubo (un vapor de mercurio), que se excita con la electricidad, lo que significa que las moléculas en el gas adquieren algo de energía de la corriente eléctrica. Luego, liberan esa energía emitiendo radiación ultravioleta. El tubo está recubierto con materiales “fluorescentes” (también llamados fósforos), que absorben esta radiación UV y emiten nuevamente radiación a una longitud de onda más larga. Al seleccionar los fósforos correctos, obtienes luz con un color blanco. Esto es más eficiente que incandescente (digamos, 20% más), pero hay inconvenientes: por ejemplo, los colores generalmente se ven apagados.

Y el LED?

El LED es una tecnología completamente diferente, en la cual una pequeña pieza de material llamada semiconductor recibe corriente eléctrica y convierte parte de la energía de los electrones en luz. Los LED emiten luz a una longitud de onda bien definida, que está determinada por el tipo de semiconductor del que está hecho el LED. Al igual que las luces fluorescentes, los LED generalmente emplean fósforos para convertir la longitud de onda del LED a otras longitudes de onda y emiten un amplio espectro de luz. En principio, los LED podrían ser perfectamente  eficientes energéticamente y, en la práctica, ya han superado otras tecnologías de iluminación en casi todas las aplicaciones.

¿Cuáles son las partes físicas principales de un LED?

En una bombilla / lámpara LED, las partes principales son el emisor de LED en sí; los componentes electrónicos (que convierten la energía de la red de CA a una potencia eléctrica que el emisor LED puede usar); el disipador de calor (para disipar el calor); y la óptica (para dirigir o difundir la luz).

Si hacemos un zoom dentro del emisor de LED, encontramos muchas subpartes. En primer lugar, está el chip LED propiamente dicho, que emite luz a una longitud de onda específica (generalmente azul o violeta). Este chip LED está unido a un paquete plano y cubierto con una pasta de aspecto amarillo, que es una mezcla de un aglutinante transparente (o silicona) y de partículas llamadas fósforos. Los fósforos absorben parte de la luz  del chip LED y vuelven a emitir luz a longitudes de onda más largas (como azul, verde, amarillo y rojo). El espectro que sale del emisor de LED combina la luz del chip y la luz convertida con fósforo. Al seleccionar los fósforos adecuados (en términos de su longitud de onda de emisión y las cantidades respectivas), podemos dar forma a ese espectro.

¿Cómo funcionan los LED?

¡Es difícil dar una explicación simple! Un LED es esencialmente una pequeña pieza de un material llamado semiconductor. Como su nombre lo indica, dichos materiales son menos conductores de la electricidad que los metales, pero más conductivos que los aislantes, y tienen varias propiedades útiles. Los electrones dentro de un semiconductor se pueden poner en un estado “excitado” donde tienen algo de energía eléctrica adicional. Cuando “caen” de este estado de excitación a su estado de reposo, esta energía adicional sale del electrón y se emite como luz. Fundamentalmente, cada tipo dado de semiconductor tiene un valor bien definido para esta energía extra, y así los electrones emitirán luz con una energía bien definida y, por lo tanto, una longitud de onda bien definida. Entonces, en resumen, un LED es un pedazo de semiconductor en el que se dirigen electrones excitados de una corriente eléctrica, los electrones pierden energía y se obtiene luz a una longitud de onda específica de eso.

¿Cuáles son algunos de los beneficios de los LED?

Hay dos cosas buenas sobre los LED. En primer lugar, este proceso de emisión de luz podría, en principio, ser perfectamente eficiente, lo que significa que toda la potencia eléctrica podría convertirse en luz. Si bien aún no hemos llegado a eso, la eficiencia de los LED ya superó a otras tecnologías de iluminación. En segundo lugar, al elegir el material semiconductor adecuado, podemos emitir luz a cualquier longitud de onda. En particular, GaN es el material de elección para los LED violetas y azules. El desarrollo de GaN en la década de 1990 fue lo que hizo posible la iluminación LED actual, y ese trabajo resultó en un Premio Nobel para el fundador de Soraa, Shuji Nakamura y otros dos científicos.

¿Cómo se mantienen frios los LED?

Ellos realmente no! Desafortunadamente, los LED del mundo real no son perfectamente eficientes. Eso significa que parte de la energía eléctrica enviada al LED se convierte en calor y no en luz. Este calor necesita ser disipado, de ahí que los sistemas de iluminación LED tengan un disipador térmico para irradiar este calor residual. Dicho esto, los LED no funcionan con tanto calor como las bombillas incandescentes.

¿Cómo ahorran energía los LED?

Usan un proceso físico muy diferente para emitir luz que otras tecnologías. En principio, cada electrón enviado a un LED podría darnos un fotón, lo que los hace 100% eficientes. Los mejores emisores LED, como los LED violetas de Soraa, alcanzan una eficiencia máxima de casi el 90%. Pero en las aplicaciones del mundo real aún perdemos parte de esta eficiencia cuando convertimos la luz del chip (violeta) en luz blanca, y los sistemas de iluminación LED blancos de hoy en día tienen una eficiencia de entre el 20 y el 40% (dependiendo de muchos otros factores). Esa es una gran mejora con respecto a otras tecnologías de iluminación.

¿Qué hace a un buen LED y qué se interpone para mejorarlo?

Los LED ya han recorrido un largo camino y ahora se encuentran en casi todos los productos de iluminación. ¿Cómo los mejoramos más? ¡Todo depende de lo que llames “mejor”!

Según algunos, los LED son todos energéticamente eficientes, y cualquier cosa que aumente esa eficiencia es deseable.
Para otros -y Soraa está entre ellos- muchas propiedades importantes definen la calidad de un LED. Además de la eficiencia, esto incluye la calidad del color (¿los objetos se ven bien con luz LED o se distorsionan sus colores?), la calidad del haz (¿va la luz donde debería ir sin cegar al usuario?), Parpadeo (¿la intensidad de la luz fluctúa rápidamente con el tiempo, lo que puede dar dolores de cabeza a la gente?) y así sucesivamente.

Este debate es importante porque hay algunas concesiones bastante fundamentales entre la eficiencia y estas otras cualidades. Por ejemplo, mejorar la calidad del color requiere dar forma al espectro de la luz de una cierta manera, lo que cuesta algo de eficiencia.
Actualmente, cómo equilibrar tales concesiones es una decisión difícil. Dicho esto, no hemos terminado de perfeccionar la eficiencia de los LED y no hemos llegado al límite de lo que permiten las leyes físicas. La investigación a largo plazo debería ayudar a desarrollar nuevos materiales y tecnologías que rompan algunas de estas concesiones, y permitan LEDs cada vez más eficientes que no comprometan otros aspectos de calidad. Parte de esa investigación está en manos de la industria, y algunos provendrán del mundo académico.

Aurelien David, Chief Scientist SORAA

Después de trabajar con los Laboratorios Avanzados de Lumileds para estudiar la eficiencia de los LEDS basados en GaN, Aurelien David se unió a Soraa como Chief Scientist para trabajar en más avances importantes en la investigación del LED. Desde que se unió en 2010, Aurelien ha aportado su experiencia en física de semiconductores y ciencia del color para ayudar a lograr importantes avances en la tecnología central de Soraa y su enfoque de calidad de la luz. Aurelien tiene un doctorado en Física Aplicada de la Universidad de California, Santa Bárbara, así como un doctorado y una maestría en Física de Ecole Polytechnique, Palaiseau, Francia.

Artículo e imágen propiedad de Soraa, enlace al original

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