LED: cómo es la tecnología que ha merecido un Nobel

Los tres ganadores del Premio Nobel de Física de este año, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano (ambos japoneses) y Shuji Nakamura (estadounidense de origen japonés) han sido premiados por la Academia Sueca por el desarrollo de los LED azules de tipo eficientes. Los LED ya habían sido inventados hace décadas, pero ha habido que esperar a finales de los años 80 y principios de los 90 para que llegara este nuevo diodo emisor de luz azul de mano de los premiados. Gracias a su eficiencia y a su capacidad de producir luz blanca, los LED han podido entrar en el mercado de la iluminación.

De la importancia del logro da testimonio la evolución de la iluminación en los últimos 20 años. Ahora los LED son conocidos ampliamente y su adopción se extiende cada vez más. Sin embargo, a finales de los años 90 las luces LED más luminosas podían producir unos 10 lumens (que miden la potencia de luz). Habría sido inútil tratar de iluminar una casa con este tipo de bombillas, pues habría que haber colocado un número desmesurado de ellas. Algo poco práctico, contando además con que el precio era muy superior al de ahora.

En 2005, en cambio, ya existían paquetes de LED que daban 100 lumens, mientras que hoy los hay que producen 1.000 lumens (cerca de las bombillas tradicionales de 100 vatios, que dan 1.700 lumens). Si la evolución continúa por estos caminos, en pocos años habrá LED de 10.000 lumens. No en vano existe una suerte de Ley de Moore en los LED, llamada Ley Haitz. Dicta que cada diez años la potencia de los paquetes de luz LED es 20 veces superior, al mismo tiempo que el coste de estos paquetes se divide entre diez.

Para dar una idea de la influencia de los LED hay que tener en cuenta que una bombilla incandescente produce 16 lumens por cada vatio que recibe. Los fluorescentes son cinco veces más eficientes, mientras que los LED producen 300 lumens por cada vatio, una eficiencia 19 veces superior a la de las bombillas tradicionales. Y cada año alrededor de una cuarta parte de la electricidad que generamos se usa para el alumbrado.

Cómo se gestaron los LED

El sistema de los LED se basa en una combinación de electrones y huecos vacíos, donde al no haber electrón hay una carga positiva. La diferencia de energía entre estas dos áreas se convierte en un fotón. Pero esta diferencia de energía depende del material en el que estén asentados los electrones y los huecos, con lo que varía según el tipo de semiconductor que se utiliza. Aumentando mucho la diferencia de energía se gana eficiencia, pero si se sobrepasa cierto límite el semiconductor se convierte en aislante y pierde valor.

Han pasado muchas décadas hasta que se logró conseguir esta precisión. Las primeras informaciones que hablan de luces emitidas por un semiconductor se remontan a principios del siglo XX. Sin embargo, no fue hasta los años 50 cuando se empezaron a desarrollar los LED rojos, que llegaron al mercado en los 70 formando parte de las calculadoras electrónicas.

De hecho, el inventor en 1962 del primer LED (rojo) Nick Holonyak ha expresado su disgusto por lo que considera una injusticia. “Hola, soy un viejo ya. Pero creo que esto es insultante”, señaló, sin dejar de explicitarlo aún más. “No creo que sea justo”. Afirma que el LED, tal y como lo conocemos hoy procede de su trabajo y el de sus compañeros. Aparte de que el color rojo se utiliza en tecnologías tan influyentes como el DVD o las redes de fibra óptica.

La clave para desarrollar otros colores estaba en los materiales semiconductores. Isamu Akasaki, el mayor de los tres científicos que han recibido el Nobel de Física, dejó en los 80 el mundo industrial para entrar en el académico. Allí se encontró con Hiroshi Amano, por entonces joven investigador en la Universidad de Nagoya. Ambos comenzaron a experimentar con el nitruro de galio, al que ya se le anticipaban propiedades de valor para su uso en LED.

Para que el nitruro de galio fuera efectivo era necesario doparlo con aluminio o zinc. Los resultados obtenidos por Akasaki y Amano se publicaron, pero un tercero vino a mejorar el sistema. Shuji Nakamura había estado trabajando durante años en el mismo campo y pronto desarrolló un método más sencillo para llegar al mismo fin. Usó el indio como dopante del nitruro de galio y en 1994 se obtuvieron LED azules considerados como de alta eficiencia.

Algo más que luz

Las luces LED van más allá de su función de iluminar. No son simples sustitutivos de las bombillas incandescentes. Utilizan menos energía y generan menos calor que las segundas y a la vez permiten su control mediante dispositivos digitales, como un ordenador o un smartphone. Además, esta tecnología se usa en pantallas, ya sea de televisores, tabletas u otros aparatos.

Y no solo eso. El desarrollo de las luces LED ha permitido que estas se utilicen para mejorar las condiciones del entorno, influyendo en la salud o el ánimo. La luz azul, por ejemplo, estimula un fotorreceptor del ojo que reduce la producción de melatonina, ayudando a mantenerse despierto. Se puede forzar el efecto contrario. Para facilitar el sueño por la noche es posible dejar de emitir esta luz azul o controlarla mediante un smartphone.

Philips ha puesto en marcha en algunos hospitales un programa de iluminación que cambia el color de las luces dependiendo del momento del día. De esta forma se estimula a los pacientes a despertarse cuando corresponde y a dormirse más fácilmente. Un estudio del Centro Médico de la Universidad de Maastricht, en Holanda, comprobó que los pacientes de cardiología dormían mejor y se sentían más animados con este tipo de iluminación.

Las propiedades de la luz LED también se está probando para cultivos en interior. La propia Philips ha cultivado de esta manera tomates y otros vegetales, optimizando el ciclo de maduración gracias a las condiciones de luminosidad.

Imágenes: John Loo y Nobelprize.org