El nuevo sendero de luz

Tras cien años de su descubrimiento, los LEDs se diseminan con el objetivo de iluminar y hacerlo bien.

El conflicto es resolver cómo diseñar Sistemas de iluminación con led a los que se les pueda extraer el calor.

A casi 100 años de su descubrimiento, la tecnología LED se posiciona como el siguiente camino. Los focos incandescentes están a punto de ser sustituidos por lámparas de larga vida útil, menos frágiles, con menor disipación de energía, mayor eficiencia y un número de aplicaciones que en el presente siglo seguirá en aumento.

Por Andrea Rivera.

Probablemente, Oleg Vladimírovich Lósev nunca imaginó los alcances de su descubrimiento. Capitán del ejército ruso, técnico de radio, científico e inventor, Oleg se percató de los principios del diodo luminoso, al ver que los semiconductores usados en los receptores de radio emitían luz mientras eran atravesados por una corriente eléctrica. Su artículo, donde aborda los pormenores de lo que hoy se conoce como tecnología LED (Light-Emitting Diode), el primero, fue publicado en 1927 en una revista científica de Rusia. Siguió escribiendo hasta 1941, un año antes de su muerte.

A pesar de los esfuerzos de Vladimírovich por dar a conocer sus avances, nada sucedió. El estallido de la Segunda Guerra Mundial, acompañado de sus secuelas, opacó este conocimiento. No fue sino hasta 1962 cuando el diodo luminoso se dio a conocer como un “nuevo componente electrónico”. A casi cien años de haber sido descubiertos, son evidentes los alcances y la enorme variedad de aplicaciones que desde hace tiempo ofrecen estos ya famosos foquitos de colores.

Indicadores de estado (encendido-apagado), dispositivos de señalización (tráfico-emergencia), paneles informativos (con 36.6 metros de altura, el mayor del mundo es el de la bolsa de valores automatizada más grande de Estados Unidos, NASDAQ,  en el edificio del Time Square de Manhattan); alumbrado de pantallas de cristal líquido en celulares, calculadoras, agendas electrónicas; hay también impresoras LED, lámparas LED de iluminación y emisión de señales de luz que se transmiten a través de fibra óptica.

Con tanta oferta en el mercado, el dilema es aprender a reconocer LEDs de excelente calidad. “Es una de las preguntas que me hago, en una especie de monólogo que gira en espiral y no encuentra final: ¿cómo saber distinguir un diodo de otro, un buen LED de un mal LED; un equipo profesional de diodos emisores de luz de uno de baja calidad? En pocas palabras, ¿cómo distinguir un buen LED de uno chafa? ¿Por precio o por vida útil?”, reconoce Ricardo Noriega Serrano, durante una interesante disertación con un ingeniero experto en LEDs.

Para Noriega, quien es diseñador de iluminación arquitectónica, “El poeta de la Luz”, como también se le conoce, resulta frustrante llegar al mostrador de un comercio de iluminación y ver que la prioridad está siempre en el precio; lo peor, no encontrar a nadie que sepa resolver sus dudas.

“Nunca he visto al dueño de la tienda o a alguno de sus empleados explicar a los usuarios el porqué de un diodo: ¿qué lo hace ser cálido o frío, que esté dentro de 2 mil 700 o 4 mil 100 Kelvin, la implicación de la química inorgánica en la luz, qué hace que un LED sea barato? De manera concreta: ¿cuáles son los secretos del diodo? Quiero saber lo que en la calle no se dice. Soy consciente de que busco calidad en la luz, perfecto equilibrio en el flujo luminoso, una realidad en la vida útil y que las curvas mostradas en los catálogos sean lo más cercano a la realidad; pero, ¿cómo explicar todo eso?”.

La química inorgánica de la luz
Desarrollador de nuevos negocios de la división LED Lamps, Systems & Freezers, de la empresa Philips, el ingeniero y diseñador industrial, César Sánchez Ortuño, comienza diciendo: “Sin la química inorgánica no existiría la luz de diodos”. Menciona el galio, el fósforo y el indio como los minerales esenciales que van a determinar el color.

Los diodos, explica, son la única fuente de iluminación que nos puede dar un color fijo y, prácticamente, todos los colores del espectro de luz visible. Los tonos se obtienen mediante la mezcla de estos tres minerales; el tipo y la cantidad utilizada es lo que generará el color.

Una mezcla cuyo principal componente sea el indio dará colores azules, violetas, verdes y blanco con tendencia al azul; el fosfuro de galio da tonos naranjas, rojos, amarillos; el nitruro de galio, tonos tanto azules como rojos; el fosfuro de galio con indio y aluminio, rojizos, debido a que la interacción de los dos últimos minerales genera la liberación de oxígeno.

Una luz blanca, completamente pura, se obtiene de dos maneras: mediante el sistema RGB (que combina la luz de un diodo rojo, la de un verde y la de un azul), a través de un procedimiento óptico que concentra los tres haces de luz, y utilizando un diodo de color azul con una mezcla de fósforo, en el cual se combinan los fotones azules con el amarillo del fósforo.

Obtener una luz completamente blanca para iluminación profesional sólo es posible mediante el uso del fósforo, un mineral no metal que al momento de combinarse con otros metales va a dar estabilidad al color.

Lo que sucede en el azul es que el nitruro de galio le va a quitar electrones al galio y los va a dejar flotando. Desde esa posición chocan con el indio (al indio también le faltarán electrones en este proceso), van a interactuar, a saltar de un lado a otro. Estos saltos generan fotones, y estos fotones generan luz. La vibración de los electrones, los saltos de un lado a otro, van a producir calor, el peor enemigo de los diodos.

Aquí es donde comienzan los conflictos porque entonces se debe pensar cómo diseñar sistemas de iluminación con LED a los que se les pueda extraer ese calor. En la medida en que se logre, es como se podrá garantizar un largo tiempo de vida útil a los diodos.

“Pero todo esto sólo lo saben los fabricantes”, señala el experto en LEDs. “Ningún empaque incluye una ficha técnica que indique los minerales utilizados y su porcentaje, porque, a final de cuentas, no es algo que un usuario final pueda comprobar. Lo que sí podemos ver es la luz: percibir si es un blanco cálido o un blanco frío. Ojo: si tiende al verde, nos están dando gato por liebre”.

A manera de recapitulación: los minerales van a definir el color de la luz (morado, rojo, verde, azul o blanco). Los  miliamperes van a dar la fuerza, el brillo. Entre mayor corriente se le inyecte a un LED, más va a brillar. Con mayor miliamperaje, el LED brillará más, pero se acortará su vida útil.

Es importante saber que el megapopular formato halógeno MR-16 es ineficiente porque consume mucha energía y muy poca cantidad de esa energía la transforma en luz; el mercado está infestado de estas lámparas. La gran ventaja de la luz halógena es su excelente reproducción cromática; pero no nació para uso doméstico, sino más bien comercial (para displays o aparadores, principalmente).

Cómo diferenciar entre un diodo bueno y uno de mala calidad
Ricardo Noriega agradece a César Sánchez su puntual esclarecimiento, aunque insiste: “¿cómo saber, de manera práctica, qué tipo de diodos comprar?” El ingeniero de Philips responde: “Lo mejor sería poder verlo encendido y observar el tipo de luz que irradia: blanca, verde o roja. Una lámpara de mala calidad radiará luz de color verde o rojizo. Eso significa que en los diodos la mezcla mineral no es la correcta: el fósforo, en este caso, no cumple con su papel de producir luz blanca; es decir, un diodo mal fabricado mostrará una pésima cromatía.

”Una luz corriente, una pésima luz, es pecosa. Sucede cuando salen manchas por la mala calidad del filtro óptico (piezas de plástico inyectado de policarbonato o acrílico), cuyo material determinará la eficiencia del paso de la luz. En el momento en que ésta atraviesa un cuerpo transparente, se difracta. Cuando no se tiene una óptica bien estudiada y de buena calidad, la luz dentro del diodo va a salir desfragmentada; entonces, se ven tonos rojos, verdes y hasta rosas, porque esa óptica está desfragmentando la luz en lugar de filtrarla correctamente.”

Fabricación de los diodos
Después de mezclar los minerales de la manera más homogénea posible, se colocan sobre una plancha con calor para cristalizarlos. Como se va a obtener un cristal de grandes dimensiones, lo que se hace es dividirlo en pequeños cuadritos; cada uno va a ser un diodo; esos diodos se van a clasificar de acuerdo con sus características, ya sea de color, de temperatura o por la cantidad de corriente consumida.

Según el ingeniero Sánchez, la temperatura de color no tiene nada que ver con la calidad de la luz. Es más barato fabricar un diodo de color azul, verde o rojo, que un diodo de luz blanca de alta calidad, porque en ellos se excluye al fósforo. “El poeta de la Luz” comprende perfectamente, pero las preguntas lo siguen atormentando: “¿Qué diodo muere más rápido, el rojo, el verde, el azul o el blanco?”

Es mucho más barato fabricar un diodo de color rojo, verde, azul. En perfecto equilibrio puede dar un blanco frío o blanco cálido, o muchos otros colores; sin embargo, uno de los errores más frecuentes de los fabricantes de diodos de baja calidad es no utilizar la temperatura correcta para fundir los minerales que generan el cristal. Eso puede provocar que el fósforo no cubra solamente el LED, sino que se empiece a mezclar con otros minerales.

Si eso sucede, el fósforo se va a degradar mucho más rápido que cuando queda perfectamente bien aplicado sobre la capa superior del LED. Aquí, la intervención del fósforo nos puede ayudar a dar una luz excelente, con el tono exacto que se requiera, o por el contrario, puede resultar un mal producto.

En el caso del sistema RGB para generación de luz blanca, el problema principal es que en corto tiempo se empiezan a notar tonalidades verdes o azules, porque los LEDs de color rojo (por la misma configuración física de la estructura molecular de los minerales) van a degradarse mucho más rápido.

La explicación ha sido excelente. En su próxima visita a una tienda de materiales eléctricos, Noriega irá con elementos suficientes para decidir qué LEDs comprar. Por supuesto, mucho quedó en el tintero, pero Ricardo permanece satisfecho, reflexionando en voz alta: “Siempre me he preguntado hacia dónde va el camino de la luz…”

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