Los LED iluminan el futuro

Una explosión de luz asalta a un visitante que entra al vestíbulo de Color Kinetics en el piso 17 de un edificio de oficinas en el centro de Boston. Los diseños en forma de remolino en los carteles cambian de naranja a verde, las formas de plástico transparente brillan en azul, violeta y rojo en rápida sucesión. Y pronto surge una pregunta: ¿De qué color es ese sofá? Brilla rojo cereza, se desvanece a carmesí, se vuelve azul bebé y luego comienza el ciclo nuevamente.



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De hecho, el sofá es rojo. Siempre es rojo, y solo cambia la luz que lo ilumina desde docenas de pequeños focos, ya que Color Kinetics demuestra los efectos posibles con sus luces digitales. Cada pequeña lámpara contiene diodos emisores de luz (LED) rojos, verdes y azules, que se iluminan en diversas combinaciones bajo el control de una computadora. Estamos revolucionando la industria de la iluminación con lo que consideramos una tecnología disruptiva, dice con entusiasmo el presidente de la compañía, George Mueller, alto y con cola de caballo con la perilla estándar Gen-X. Es una nueva forma de crear luz.

El gran agarre genético

Esta historia fue parte de nuestro número de septiembre de 2000





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Mueller y su cofundador, Ihor Lys, han casado el software informático con una década de avances en la tecnología LED. Los LED se han vuelto omnipresentes en la vida diaria, brillando en las caras de los VCR, los radios despertadores y los hornos microondas. Pero estos LED han sido luces indicadoras humildes en todo tipo de aparatos electrónicos. Una vez limitados en brillo y atrapados en el extremo rojo del espectro, los LED se han vuelto más poderosos en los últimos doce años. Y un gran avance a principios de la década de 1990 creó los LED azules, que de repente hicieron que todo el arco iris estuviera disponible y mantuviera la promesa de los LED de luz blanca, ya sea combinando la salida de LED de colores o mediante técnicas más exóticas. Color Kinetics compra LED a fabricantes de dispositivos como Agilent y Cree y los incorpora en lámparas que emiten prácticamente cualquier color que cambie una pared blanca o una pantalla de tienda de verde pálido a rosa intenso a su antojo.

Sus dispositivos, dirigidos en este momento principalmente al mercado minorista y del entretenimiento, aprovechan algunas de las características especiales de los LED: tamaño pequeño, peso ligero, bajo consumo de energía, selección casi infinita de colores. Pero los expertos en iluminación dicen que esto es solo el comienzo. Delante hay edificios enteros que se iluminan, semáforos que duran una década, faros que no agotan la batería de su automóvil si los deja encendidos y tal vez incluso lámparas baratas y duraderas que extinguirán las bombillas incandescentes y fluorescentes.

Hacer un trabajo ligero



Thomas Edison es aclamado, sobre todo, por inventar la bombilla. Si bien sus otros inventos, como el fonógrafo, el mimeógrafo y la máquina de cinta adhesiva, han sido desplazados en las últimas décadas por las tecnologías digitales, la bombilla sigue encendida. Ahora, después de 12 décadas, los avances tecnológicos finalmente amenazan con destronarlo. Anticipándose a la transición, los principales fabricantes de iluminación están forjando alianzas con los fabricantes de LED. General Electric Lighting unió fuerzas con el fabricante de chips Emcore el año pasado para formar una división de iluminación llamada GELCore, con sede en Independence, Ohio. Philips Lighting y Agilent Technologies, una escisión de Hewlett-Packard, crearon LumiLeds en San José. Y Osram Sylvania se ha asociado con el negocio de semiconductores de su empresa matriz, Siemens. Estás viendo un gran impulso por parte de los fabricantes de bombillas, que en cierto sentido están consumiendo su propio negocio, pero reconociendo que si no lo hacen, alguien más lo hará, dice Makarand Chipalkatti, gerente técnico y de marketing de LED. servicios de luz en Osram Sylvania en Danvers, Mass.

Sin embargo, no todos los actores en este campo son grandes empresas. Las empresas emergentes también están entrando en acción. Mueller y Lys of Color Kinetics se conocieron en la Universidad Carnegie Mellon, donde Lys obtuvo un doctorado en ingeniería eléctrica y Mueller se especializó en ingeniería informática y eléctrica, con especialización en bellas artes. Su primera incursión en la iluminación, en 1992, fue construir un letrero novedoso como el que Mueller había visto en el Centro de Ciencias de Detroit. Una sola fila vertical de LED mostraba cortes de una imagen, una columna a la vez. El cerebro humano, respondiendo como si el ojo del espectador estuviera escaneando una imagen ininterrumpida, reensamblaría la imagen. La primera señal que hizo Mueller decía AMOR; se lo dio a su madre. Luego, para los compañeros de cuarto que le apostaron que no podría hacerlo, construyó un letrero que decía CERVEZA.

Escribimos un plan de negocios en torno a eso porque estaba tomando clases en la escuela de negocios, recuerda Mueller. Tenía tres objetivos para la empresa resultante, Stone Age Technologies. Los dos primeros eran los deseos típicos de los estudiantes: ganar algo de dinero para la cerveza y obtener un par de regalos (en este caso, carteles gratis). El tercer objetivo era aparecer en la portada de la revista In Pittsburgh, dice, buscando entre una canasta de papas fritas de diseño para encontrar las naranjas. Mi nuevo objetivo es Rolling Stone.

Me conformaré con el Wall Street Journal, añade Lys, la mitad menos cinética y de pelo más corto de la pareja. El gurú técnico, Lys, es un ingeniero que, al igual que sus contrapartes en las nuevas empresas informáticas, llega a trabajar alrededor del mediodía y se queda hasta tarde.



Aunque a Lys y Mueller se les ocurrió la idea de la iluminación digital en 1993, la dejaron de lado cuando Mueller y su hermano Gary se fueron a fundar una empresa de investigación económica, Internet Securities, Inc. Los hermanos vendieron el 80 por ciento de la empresa con sede en Boston. el año pasado por $ 43 millones. Mueller desdeña la industria tradicional de iluminación de latón, vidrio y gas. Es aburrido, declara. No hay tecnología involucrada.

Quizás no, pero ciertamente hay dinero de por medio. Estados Unidos compra $ 3,5 mil millones en bombillas incandescentes, tubos fluorescentes y lámparas halógenas cada año; a nivel mundial, el mercado es de $ 11,5 mil millones. Hasta ahora, el mercado de LED brillantes de luz visible es relativamente insignificante, alrededor de $ 680 millones, según la firma de investigación Strategies Unlimited. Pero los avances en la tecnología LED están trasladando estos dispositivos a un número cada vez mayor de aplicaciones, y se espera que el mercado crezca hasta los 1.800 millones de dólares en cinco años.

La respuesta blanca

Los primeros LED se construyeron a principios de la década de 1960. Los diminutos chips de material semiconductor, encerrados en un epoxi transparente, emiten un solo color de luz cuando la electricidad los atraviesa. Los electrones cargados negativamente se mueven para llenar regiones cargadas positivamente en el material, llamadas huecos, donde faltan electrones. La combinación de un electrón y un agujero produce un fotón de luz. Cuanto mayor es la diferencia de energía entre el electrón y el hueco, el llamado bandgap, mayor es la energía del fotón que emerge. La energía del fotón corresponde a su vez al color de la luz; dentro del espectro visible, los fotones azules y violetas llevan la mayor cantidad de energía, los fotones naranjas y rojos los que menos. Los diferentes materiales tienen naturalmente diferentes bandas prohibidas, por lo que para cambiar el nivel de energía y, por lo tanto, el color de los fotones, los ingenieros cultivan los semiconductores cristalinos a partir de diferentes aleaciones (consulte el artículo complementario: Vienen en colores).

Los LED monocromáticos de alto brillo ya están avanzando en el mercado. Aproximadamente el 10 por ciento de los semáforos rojos en los Estados Unidos han sido reemplazados por LED. Son más caras que las bombillas convencionales, pero tienen otras ventajas que superan el problema del costo. Uno es la eficiencia: un semáforo de LED rojo usa solo 15 vatios de electricidad en lugar de los 150 vatios que consumen los semáforos tradicionales. Otro es la longevidad: se espera que los LED detengan el tráfico sin quemarse durante una década completa. La compacidad, la baja potencia, los colores intensos y el calor bajo de los LED de un solo color también los hacen aparecer como luces traseras de automóviles, luces de advertencia de aviones en torres de radio y luces de pista en aeropuertos. Pero las mentes de los investigadores y los ojos de la industria de la iluminación se centran en el blanco.

Y eso crea un desafío: ¿cómo se obtiene la luz blanca de los dispositivos que son, por naturaleza, monocromáticos? Un método consiste en mezclar LED de diferentes colores para que parezcan blancos. Así como un televisor produce todos los colores que muestra, incluido el blanqueamiento de fósforos rojos, verdes y azules brillantes, la combinación correcta de LED puede dar la apariencia de blanco. La forma estándar de mezclar es con tres diodos rojo, verde y azul separados, pero la combinación correcta de solo dos, digamos azul y naranja, también puede producir blanco.

El apretón fotónico

Independientemente de los métodos que se elijan para producir luz blanca, los LED involucrados deben apagar más luz y ser más eficientes energéticamente si van a reemplazar las bombillas de Edison. Los LED blancos producen aproximadamente 10 lúmenes de iluminación por vatio de electricidad consumida, lo que es comparable al rendimiento de las bombillas incandescentes (un lumen es una medida de la intensidad con la que el ojo percibe la luz). Aproximadamente el 10 por ciento de la electricidad que consumen se convierte en luz, ligeramente mejor que la cifra del 7 al 8 por ciento de las bombillas incandescentes. Pero los LED siguen siendo demasiado caros para desafiar al GE Soft White promedio. A la venta en la tienda de descuento local, las bombillas incandescentes de 100 vatios cuestan alrededor de un dólar por un paquete de cuatro y brindan 1,500 lúmenes de iluminación cada una. No puedo fabricar un LED que ofrezca 1500 lúmenes por 25 centavos, dice Roland Haitz, gerente de investigación y desarrollo del grupo de productos semiconductores de Agilent. Él predice que en unos años, su grupo podrá fabricar un LED de 1.500 lúmenes que podría venderse por 150 dólares. Duda que el propietario promedio se apresure a comprar un producto de este tipo.

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Los LED fabricados con AlInGaP son bastante eficientes para convertir la electricidad en luz. Aproximadamente el 90 por ciento de los electrones que entran en el diodo generan fotones. Desafortunadamente, esta aleación de semiconductores también tiene un alto índice de refracción (una medida de cuánto un material dobla los rayos de luz). En lugar de brillar para que todos lo vean, por lo tanto, la mayoría de los fotones rebotan alrededor del interior del diodo y se convierten en calor residual; solo el 30 por ciento de ellos emergen como luz visible. GaN tiene un índice de refracción más bajo, por lo que se escapa más luz de los LED hechos de ese material. Sin embargo, solo el 30 por ciento de la electricidad que se alimenta a un dispositivo de GaN se convierte en luz en primer lugar, por lo que la eficiencia final sigue siendo solo del 10 por ciento. Eso es bastante brillante para algo como un semáforo, pero no para iluminación general.

Este no es un problema insuperable, dice George Crawford, director técnico de LumiLeds. Los investigadores han estado experimentando con nuevas estructuras de diodos para permitir que escapen más fotones. Los LED convencionales constan de cristales en forma de cubo. Pero al disponer las capas del semiconductor de manera diferente y cortar las obleas para crear lados inclinados, LumiLeds ha creado una pirámide invertida que da como resultado una trayectoria óptica más corta para que los fotones la atraviesen. En el laboratorio, LumiLeds ha logrado obtener la mitad de los fotones de un LED piramidal invertido hecho de AlInGaP, y esperan tener estos LED en producción comercial este año. El cincuenta por ciento es plausible, pero difícil, dice Crawford, pero agrega: Es difícil para mí imaginarme hacer algo mucho mejor que eso.

Obtener la mitad de los fotones de AlInGaP puede ser suficiente para competir con las luces fluorescentes, pero no por sí solo. Los dispositivos fabricados con ese material solo proporcionan luz roja y amarilla. Los fotones azules complementarios necesarios para producir luz blanca deben provenir del nitruro de galio, y allí la tecnología aún es embrionaria. Realmente no entendemos los fundamentos de cómo construir un mejor cristal en nitruro de galio, dice Steve Johnson, líder del grupo de investigación de iluminación en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Los investigadores están buscando una inyección de fondos del gobierno para ayudar en su búsqueda. Arpad Bergh, presidente de la Asociación de Desarrollo de la Industria de la Optoelectrónica, quiere un gran esfuerzo de I + D para llevar los LED al punto en que puedan competir con las fuentes de luz tradicionales. Su grupo está trabajando con Johnson en Lawrence Berkeley para desarrollar un plan de investigación para LED de luz blanca más eficientes y tiene la intención de solicitar al Congreso un programa de financiamiento de cinco años y $ 50 millones por año que comenzaría en 2002. Mientras tanto, Haitz ha redactó un documento técnico con Sandia National Laboratories pidiendo que el gobierno invierta 500 millones de dólares en investigación durante 10 años. Se necesita tal gasto, argumenta Haitz, para levantar la iluminación LED sobre los obstáculos que ahora impiden el progreso. Si se deja por sí sola, argumenta, la industria de la iluminación avanzará en los LED solo lo suficiente como para tomar alrededor de una décima parte del mercado de la iluminación para 2025. Pero con la ayuda del gobierno, dice, los dispositivos podrían representar la mitad del mercado en ese año. Debido a que la iluminación representa aproximadamente el 20 por ciento de la electricidad consumida en los Estados Unidos, un cambio a la tecnología LED más eficiente podría generar ahorros de energía significativos.

Un resplandor espeluznante

Pero si los LED quieren capturar una gran parte del mercado de la iluminación, tendrán que producir luz con el tono adecuado. Como sabe cualquiera que haya tomado una foto en interiores con película para exteriores, la luz incandescente tiene un fuerte tono amarillo y los diseñadores dicen que tiene una sensación cálida. Los LED de fósforo blanco, por otro lado, emiten un brillo claramente azulado. Si está tratando de iluminar un objeto rojo con un LED blanco que solo tiene azul y amarillo en el espectro, no obtendrá un rojo muy bonito, advierte Kathryn Conway del Centro de Investigación de Iluminación en el Instituto Politécnico Rensselaer. . Eso puede ser un problema con la piel humana, por ejemplo, que parece antinatural bajo una luz que no se aproxima a la luz del día. El renombrado diseñador de iluminación de Nueva York, Howard Brandston, señala: No querrás que alguien se despierte por la mañana y se mire en el espejo y diga: '¡Vaya! Podría hacer una audición para The Addams Family sin maquillaje '.

Pero la tecnología definitivamente seguirá mejorando, ya que la recompensa es grande, en parte porque con los LED, podrá girar un dial para obtener iluminación con la sensación adecuada para la situación en cuestión. Brett Andersen, diseñador senior de Focus Lighting, una firma de diseño de iluminación con sede en Nueva York, prevé un día en el que las personas podrán configurar el color y el brillo de la luz en sus hogares de acuerdo con su estado de ánimo. Este tipo de control convertirá al anticuado regulador de intensidad en una herramienta primitiva para crear ambiente. Más allá de eso, los LED ofrecen nuevas posibilidades que plantean preguntas más fundamentales sobre cómo piensa la gente sobre la iluminación, dice Chipalkatti de Osram Sylvania. ¿Cómo se verían las cosas si el edificio en sí fuera un artefacto de iluminación? él pide. Puede iluminar el suelo o el techo.

En las oficinas de Color Kinetics, el escritor de software Mike Blackwell se sienta en el sofá camaleón y demuestra el programa que ha desarrollado para que los diseñadores de iluminación creen efectos con las luces de la empresa. Establece una fila de lámparas para que recorran el espectro, repitiendo el ciclo cada 10 segundos. Luego agrega un pulso blanco que se mueve hacia abajo de la fila una vez por segundo. El efecto es discordante, que recuerda a los espectáculos de luces psicodélicos de la década de 1960. También sugiere artefactos de otra era: esos boletines publicados en computadoras de escritorio de mediados de la década de 1980, llenos de fuentes en conflicto. Pero si los diseñadores de iluminación tienen razón, los usuarios más sofisticados podrán crear efectos más sutiles o volver a pintar sus paredes con luz. Y tal vez la bombilla incandescente se unirá a un estándar de iluminación anterior, la vela, como un acento pintoresco para ocasiones especiales, mientras que nuestros días y nuestras noches se iluminan con el resplandor de diminutos chips.

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