Investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) participan en el proyecto europeo SMASH con el objetivo de desarrollar nuevos emisores LEDs (Light Emitting Diodes) de luz blanca, más eficientes, baratos y aplicables a zonas urbanas.
Semáforos, lámparas de automóviles, linternas, pantallas de teléfonos móviles, televisiones de última generación, son objetos de nuestra vida diaria que incorporan LEDs como emisores de luz azul o blanca, fabricados con aleaciones de materiales semiconductores (nitruros). Desde su aparición comercial a principios de los años 90, los dispositivos LED de nitruros se han utilizado en múltiples aplicaciones por su estrecho rango espectral, eficiencia, duración y bajo consumo. La tecnología ya ha conseguido fabricar LEDs con emisión suficientemente monocromática en un amplio rango espectral (violeta, azul, rojo, verde, etc.) y el reto ahora es producir luz blanca eficiente, a gran escala, y de forma rentable.
Hoy por hoy, los LEDs son capaces de generar luz blanca de gran calidad. Es decir, la que más se aproxima a la luz solar. Aprovechan prácticamente toda la energía eléctrica que consumen para generar luz, mientras que la bombilla incandescente “desperdicia” hasta un 75% en generación de calor. Por ello, los LEDs ofrecen una alternativa a la tradicional bombilla incandescente, e incluso a los tubos fluorescentes, que, aún siendo eficientes, producen un tipo de luz blanca poco “natural” y plantean problemas de residuos una vez agotados.
A pesar de sus ventajas, la aplicabilidad de los LEDs en iluminación general se ve lastrada aún por limitaciones técnicas: la producción eficiente de luz blanca para grandes áreas. A este objetivo se dirige el proyecto europeo “Smart Nanostructured Semiconductors for Energy-Saving Light Solutions (SMASH)”, coordinado por la empresa OSRAM, que pretende desarrollar, mediante nanotecnología, nuevos emisores LED de luz blanca para dotar de iluminación general a grandes zonas urbanas.
La Universidad Politécnica de Madrid, a través del Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología (ISOM), participa en este proyecto enfocado a la generación de emisores LED que sustituyan con mayor durabilidad y ahorro energético a los sistemas de iluminación actuales en viviendas, calles, vehículos, etc, en definitiva, grandes zonas urbanas o de aplicación masiva.
Iluminar grandes áreas mediante este tipo de emisores requiere, bien aumentar el tamaño de los dispositivos o incrementar el número de LEDs. Mientras la segunda opción encarece el producto, la primera adolece aún de una baja eficiencia (relación entre consumo eléctrico e intensidad de luz obtenida). Sin embargo, este problema, relacionado con aspectos tecnológicos y físicos, se pretende solventar a corto plazo aplicando diferentes métodos.
El proyecto SMASH propone el uso de nanotecnología para la fabricación de nanoleds, con geometría cilíndrica de anchuras nanométricas (20 a 150 nm) y altura de una micra. El director del ISOM, Enrique Calleja, quien lidera este proyecto desde la UPM, explica que se trata de “crear bosques de nanoleds y conectarlos entre sí, algo que optimizaría su funcionamiento ya que, cada uno de estos elementos sería casi perfecto”. Estos bosques (matrices ordenadas) serían aún más eficientes que sus equivalentes “macizos”, tendrían una durabilidad de 50 a 100 mil horas (frente a las tres mil horas de una bombilla incandescente), y su consumo sería mínimo, ya que toda la energía eléctrica se utilizaría para emitir luz, sin producir calor.
El trabajo de los investigadores del ISOM es fabricar ese bosque de nanoleds de manera ordenada, ya que los emisores, además de ser idénticos, han de estar repartidos siguiendo un patrón geométrico que aumenta su eficiencia (efecto de cristal fotónico).
Reducir costes
Otra de las finalidades del proyecto es evitar el uso de fósforos (conversores) en la fabricación de LEDs de luz blanca. La combinación de nanoleds con los colores fundamentales (rojo, azul y verde), fabricados en un proceso único, produciría un blanco controlable en función del peso de cada componente, un proceso aún complicado pero factible a corto-medio plazo, indica Enrique Calleja.
Las dificultades actuales para la aplicación masiva de LEDs en iluminación general, no son solo de carácter tecnológico, sino también de índole económica. Resulta evidente que para reemplazar una tecnología ya existente, la nueva debe ser técnicamente mejor y más barata. Por ello el proyecto SMASH propone hacer un esfuerzo aún mayor para reducir el coste de estos nanoleds. En la actualidad, los LEDs comerciales se fabrican mediante técnicas complejas y sobre materiales caros, como el carburo de silicio o el zafiro. Para incrementar la rentabilidad de estos dispositivos, el proyecto SMASH plantea utilizar sustratos de silicio, un material barato y el más utilizado en la industria electrónica. “Con este proyecto creemos que será posible demostrar que se pueden aplicar estos dispositivos para iluminar áreas grandes con costes reducidos”, concluye el profesor Calleja.
Un proyecto europeo coordinado por OSRAM
El proyecto europeo “Smart Nanostructured Semiconductors for Energy-Saving Light Solutions (SMASH)” es un Integrated Project del VII Programa Marco y cuenta con un presupuesto cercano a los 9 M de euros. Coordinado por OSRAM, en Regensburg (Alemania), uno de los mayores fabricantes de componentes de luz en Europa, cuenta con la participación de la Universidad Politécnica de Madrid, a través del Instituto de Sistemas Optoelectrónicos y Microtecnología (ISOM).
Otros organismos colaboradores son Universita di Roma “Tor Vergata” (Italia), University of Kassel (Alemania), CEA-LETI, Minatec LETI (Francia), University of Bath (Reino Unido), Oxford Instruments Plasma, Technology Ltd OIPT (Reino Unido), Technical University, Braunschweig (Alemania), Paul-Drude-Institut Berlin PDI (Alemania), CRHEA-CNRS CNRS (Francia), Obducat Technologies AB (Suecia), MacDermid Autotype Ltd. (Reino Unido), e International Laser Centre (Eslovaquia).
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