Lo más probable es que la iluminación de tu casa provenga de diferentes tipos de fuentes de luz, pero quizá algunos de ustedes tengan una fuente de luz generada por los diodos emisores de luz (LED). Pues esta es la nueva generación de luz que está reemplazando rápidamente las luces y focos convencionales.
La razón por la que la iluminación LED ha tenido tanto éxito se debe a que cumple con 3 cualidades muy importantes: costo, eficiencia y fiabilidad. Gracias a las investigaciones, el precio de las luces LED está siendo cada vez mas accesible (casi alcanzando el precio de una bombilla convencional de alta capacidad). Todo esto gracias al trabajo de los científicos que retomaron una investigación de hace mas de un siglo, para poder convertirla en un negocio multimillonario.
Los LEDs se desarrollaron por primera vez a principios del siglo pasado, cuando un investigador notó cómo la aplicación de una corriente a cierto tipo de diodo de cristal (un componente eléctrico que sólo permite que la electricidad fluya en una dirección) le hizo emitir una débil luz. El material no se calentaba, y estaba emitiendo luz a través de otro método desconocido –WTF!-. Este fenómeno (que actualmente se conoce como electro-luminiscencia) siguió siendo una rareza científica sin mucho uso práctico hasta la década de los 50’s, cuando las empresas comenzaron a aprovecharlo para producir luces LED.
Los primeros eran LEDs infrarrojos, hechos a partir de un compuesto llamado arseniuro de galio (GaAs). Más tarde, otros investigadores utilizaron materiales similares para crear LEDs que emitieron luz roja y amarilla, y los hicieron más eficientes para crear LEDs más grandes y brillantes.
Había un problema importante con estos dispositivos: ellos emiten solamente una frecuencia de la luz, es decir, un solo color. Eso está bien para una pantalla de calculadora, pero no funciona para las luces que iluminan nuestra casa. Estos necesitan emitir una gama de frecuencias de luz a través del espectro de la luz visible, produciendo la misma luz blanca que el sol. Las bombillas convencionales hacen esto, pero los LEDs sólo dan una banda muy pequeña y estrecha de frecuencias debido a la forma en que funciona el efecto electro-luminiscente.
Su frecuencia es simple
Dentro de una bombilla LED hay un pequeño chip semiconductor, que es la parte que emite la luz. Esto está hecho de dos capas de un material cristalino como GaAs que han sido contaminados con diferentes materiales. Esta contaminación significa que una capa tiene muchos electrones de alta energía, mientras que la otra capa tiene espacios para electrones. La combinación forma lo que se llama una Unión PN.
Imagina una cascada, para el electrón es como lanzarse en ella, ponles un poco de electricidad y comenzaran a caer pero no pueden volver a subir. Ósea como el agua en la cascada, puede bajar pero no subir. Pero una cascada produce ruido, y los LEDs producen luz, porque a medida que los electrones fluyen de la capa N a la capa P, el nivel de energía de los electrones cae, ascendiendo al nivel de energía más alto de la capa de tipo P. Esta energía se libera como un fotón, que vemos como luz. (Espero me entiendan xD)
La cantidad de luz depende de la diferencia entre los niveles de energía de las dos capas NP, llamadas brecha de banda. Para usar nuevamente nuestra metáfora de la cascada, la brecha de energía es la altura de la cascada. Por lo tanto, un electrón que se mueve hacia abajo de esta cascada cae de un nivel de energía a la inferior, liberando la diferencia de energía como un fotón de luz.
Cuanto mayor es este intervalo de banda, más luz se libera y más corta es la longitud de onda de la luz que se emite. Los primeros LEDs tenían una pequeña brecha de banda, lo que significaba fotones de longitud de onda más largos, que se ven como luz roja. A medida que los científicos descubrieron nuevas maneras de fabricar LEDs, aprendieron a hacer una brecha de banda más grande, lo que significa que la longitud de onda de la luz que estos LEDs emiten disminuye, y la luz cambia a través del espectro de rojo, naranja, verde y eventualmente azul.
Sin embargo, esto se complica, porque la creación de una unión PN con una gran brecha de banda es muy difícil. Cuanto mayor es la brecha de banda, menos las dos capas desean estar al lado del otro: los cristales de los que están hechos se deterioran más fácilmente. El mejor material para hacerlos es el nitruro de galio (GaN), pero este material es frágil y el dopaje que lo convierte en un semiconductor de tipo N o P interfiere con la forma en que se crean los cristales. Cuanto más grandes son los cristales que pueden crear, más grande puede ser el LED final y más la luz que emite.
Recientemente, tres científicos descubrieron una nueva forma de hacer estos cristales para LEDs azules. El Premio Nobel fue concedido a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura (Premio Nobel de Física, 2014) porque descubrieron a finales de los 90’s cómo cultivar estos cristales. Al parecer, se dieron cuenta de esto por accidente al examinar un cristal en crecimiento con un microscopio electrónico. Este haz de electrones impide que el material dopante afecte a la estructura del cristal a medida que crece, por lo que puede volverse más grande.
Luz blanca y sin calor
El LED azul y el proceso que este permite es el santo grial de los LEDs, porque su luz azul puede ser convertida a otros colores con los productos químicos que absorben la luz y luego darla en una frecuencia diferente, en este caso más alta. Hay un montón de químicos que pueden convertir la luz azul a verde y rojo, por lo que si se combina un LED azul con algunos de estos, se obtiene la luz blanca.
El resultado es una bombilla que es mucho más eficiente que el antiguo tipo incandescente. Mientras que una bombilla incandescente convencional puede utilizar 60 vatios de energía para iluminar una habitación, una bombilla LED puede producir la misma cantidad de luz con menos de 10 vatios. Y, debido a que no hay filamentos calentados o gases requeridos, la bombilla durará más tiempo. Los LED se descomponen con el tiempo, pero eso toma mucho más tiempo que una luz incandescente.
Por lo tanto, las bombillas LED son más eficientes que los incandescentes. Y ahora que los fabricantes han trabajado cómo hacer estas bombillas rápidas y baratas, pueden reemplazar estas luces incandescentes por una nueva era de la iluminación más cómoda, más limpia y más eficiente en su hogar.
El futuro de las luces LED
Como hemos leído las bombillas LED son mucho más eficientes que las incandescentes. Duran más tiempo y consumen menos electricidad. Pero no son perfectas, no se pueden atenuar de la misma manera que las luces incandescentes, porque la salida de luz no cambia si reduce el voltaje. En su lugar, la luz LED tiene que fingir, encendiendo y apagando rápidamente el LED para reducir la salida de luz que a veces crea un efecto parpadeo desagradable. Muchos LED modernos evitan esto controlando cuidadosamente cómo se encienden y se apagan los LED individuales dentro de la bombilla, creando una luz no parpadeante.
Los científicos e ingenieros también están buscando nuevas maneras de hacer la luz de estas bombillas más atractiva mediante el uso de diferentes materiales para crear las diferentes frecuencias de luz que componen la luz blanca.
La mayoría de los LEDs usan una mezcla de diferentes químicos para crear la luz blanca mezclada, pero la Universidad de Georgia recientemente demostró un nuevo tipo de químico que crea una mezcla más amplia de frecuencias, lo que podría hacer que los LED sean más fáciles de hacer e incluso más baratos.
Por lo tanto, el futuro de las luces LED es la más barata, más eficiente y más cómoda fuente de iluminación.
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