¿Alguna vez se han preguntado cómo funciona un LED? Si nunca lo has hecho, va a ser difícil que no te plantees la pregunta cuando sepas que has convivido con esta tecnología todos los días sin darte cuenta. El LED no está limitado a aparecer como esa pequeña ampolleta de miniatura en un robot de juguete, o esa diminuta luz del módem que te permite conectarte a la Internet. El LED es sólo la punta del iceberg, uno de tantas aplicaciones de los semiconductores en la tecnología moderna.
Hoy continuamos con la sección Viva el Ingenio, donde les contaremos los inicios de la tecnología LED, en qué consiste y hasta donde ha llegado hoy en día. Es el penúltimo artículo de la colección con que FayerWayer aportó a la campaña Viva el Ingenio de 3M.
Henry J. Round y Oleg Lósev
LED viene de la sigla inglesa “Light-Emitting Diode”, que en español quiere decir “Diodo emisor de luz”. Ahondando en la definición, y por si no leyeron nuestro artículo anterior, un diodo es un objeto que sólo permite el paso de corriente en una dirección. Es conductor si la corriente pasa a favor, y aislante si intenta circular en contra.
El invento se ha masificado en los últimos años y por ello la mayor parte de la gente cree que es una tecnología nueva. Es cierto, los LEDs de hoy son mucho más avanzados que los originales, pero el principio científico detrás de su funcionamiento proviene de la primera década del siglo XX. Se trata de un fenómeno similar al que explica los Rayos X, mediante el cual la variación de energía en la estructura electrónica de un material provoca la liberación de esa energía en forma de radiación electromagnética. A diferencia de los rayos X, en este caso no hay tal cosa como un bombardeo de electrones sino que existe un contacto directo entre el conductor y el cristal semiconductor. Además, el fotón emitido mediante este fenómeno sale provisto de una frecuencia que lo ubica dentro del espectro de la luz visible. Por eso se llama a esto Electroluminescencia, y fue descubierta y documentada por Henry Joseph Round en 1907, mientras trabajaba en los Laboratorios Marconi, el mayor proveedor de equipos para la radiotelegrafía en esa época.
El inglés H.R. Round era el asistente personal de Guillermo Marconi, y estaba dedicado a perfeccionar el llamado “detector de bigotes de gato” (que pueden ver en la imagen) una forma muy primitiva de antena receptora que explicamos cuando hablamos de las radios de galena. Es tal como se ve: un brazo metálico con un alambre que hace contacto con un semiconductor (usualmente galena, pero no necesariamente) en su otro extremo. Si el cristal de galena es aceptable para filtrar señales de radio, Round quería comprobar qué resultados se obtenía con otros materiales.
En uno de esos días medianamente fríos de febrero de 1907, Round empezó a hacer la clásica iteración prueba y error para ver cómo se comportaban otros elementos. En esa época no existía la mecánica cuántica y no tenían una manera de determinar en el papel cómo se comportaría un compuesto. Se limitaban a probar y documentar los resultados. Experimentando cómo se comportaba el detector de bigotes de gato con una colección de cristales y a distintas intensidades de corriente, se podría decir que Round le pegó el palo al gato y vio la luz. Esa luz fue bautizada como Electroluminscencia.
Round envió una carta a la revista Electrical World comentando el inesperado fenómeno:
A los editores de Electrical World:
Durante la investicación del paso asimétrico de corriente a través de un contacto de carborundum (Carburo de Silicio) y otras sustancias, se ha notado un curioso fenómeno. Al aplicar un potencial de 10 volt entre dos puntos del contacto, el cristal brilló con una luz amarillenta. Sólo dos de mis muestras brillaron a 10 volt, pero subiendo el potencial a 110 volt muchos más mostraron brillo. En algunos cristales sólo brillaron los extremos. Otros mostraron una luz más bien verdosa, anaranjada o azul. En todos los casos exitosos la luz venía del polo negativo, pero también se podía ver una chispa azul verdosa en el polo positivo. Si pongo el polo negativo en la mitad del cristal y el positivo en un costado, sólo brilla el costado hacia donde está el polo positivo.
Parece haber cierta conexión entre el fenómeno descrito y el campo electromagnético que produce una junta de carborundum con otro conductor, si se calienta por corriente contínua o alterna. Pero la conexión podría deberse simplemente a un fenómeno termoeléctrico. Quien suscribe estaría muy feliz si pudiesen enviarle referencias de cualquier publicación que se relacione con este fenómeno u otro relacionado.
Hasta donde hemos podido investigar, Round nunca recibió respuesta y, fuera de su carta como testimonio, no parece haber evidencia de que nadie en los laboratorios Marconi siguiera experimentando con el fenómeno, lo cual podría deberse a que el tema de la iluminación ya estaba resuelto por la lámpara incandescente, un invento que estaba prosperando y masificándose. A la luz de ello, no valía la pena perder el tiempo electrocutando cristales cuando el negocio en boga eran las telecomunicaciones. Tan abandonado quedó el descubrimiento que pasaron 20 años antes de que alguien volviera a mencionarlo. Esto ocurrió en 1927, cuando un técnico ruso llamado Oleg Vladimírovich Lósev redescubrió la electroluminescencia y de paso inventó el LED como lo conocemos.
Oleg trabajaba en una radioemisora, y un día notó que algunos semiconductores presentes en los equipos radiales resplandecían en la oscuridad. El ruso no era un científico ni tenía una gran formación académica, pero se apasionó con el tema y lo investigó a fondo, al punto que elaboró un estudio digno de ser publicado en una revista de su país. No se detuvo ahí, sino que aisló el fenómeno y siguió enviando correspondencia a revistas científicas.
Lamentablemente, Lósev no tuvo en vida reconocimiento ni recompensas materiales, puesto que el estallido de la Segunda Guerra Mundial y su muerte en el sitio Leningrado truncaron su carrera. Si de algo sirve reconocerlo ahora, es cierto que H.J. Round descubrió la electroluminescencia, pero fue Oleg Lósev quien inventó el LED como tal.
Electroluminescencia for dummies
Los semiconductores son sustancias que pueden conducir electricidad en ciertas condiciones, como por ejemplo, bajo cierto voltaje, temperatura o corriente. A estos semiconductores se les mezcla con una “impureza” o “dopante”, que les permite estar cargados de forma negativa o positiva. De cuerdo al lado de la cancha que elijan con el dopante, pasan a ser semiconductores Tipo-N y Tipo-P, respectivamente.
Mientras el Tipo-N tiene electrones de sobra (de ahí su carga negativa), en el Tipo-P hay espacios donde faltan, generando “Huecos de Electrones” o mal llamados “Electrones Positivos”.
How Stuff Works (C)
Cuando se aplica corriente, los iones negativos van a encontrarse con los positivos. Cuando uno de ellos con electrones libres (negativo) encuentra un agujero (positivo), estos “caen” como las bolas de billar en los extremos de una Mesa de Pool. Al ser capturados, los electrones pasan al otro átomo pero a una órbita menor que la original. En esa órbita tienen menor energía y están obligados a deshacerse de ella de alguna forma. Esa forma es, ya lo supondrá el lector, un fotón. Por eso dijimos que el efecto es distinto al que explica los Rayos X. En aquellos hay un electrón proyectado por efecto termoiónico que impacta a un ánodo metálico provocando ya sea la fuga de un electrón del ánodo o el frenado repentino del electrón original. En la electroluminescencia, en cambio, prácticamente no hay energía cinética involucrada y la transferencia de electrones prescinde por completo de la emisión termoiónica. En la práctica, una de las ventajas de los LEDs es que casi no se calientan.
¿Recuerdan la imagen de las frecuencias de radio del artículo anterior? La traemos a colación para mencionar que la energía del fotón liberado en la electroluminescencia determina su frecuencia, y por añadidura su color. Para cierto semiconductor y cierto voltaje, el color emitido es constante y característico. Bajas frecuencias producen un color rojo, y altas frecuencias producen luz azul o violeta. Si no tienen una frecuencia final dentro del espectro visible, pueden incluso caer dentro la luz infraroja (como de los controles remotos) o ultra-violeta (la que bloquea el el protector solar porque te produce cáncer).
Y ojo, que los semiconductores no sólo se aplican en el mundo de la luz, sino también en la informática. ¿Saben de qué está hecho su microprocesador?
El LED azul y la historia de Shuji Nakamura
La industria de los LED no floreció sino hasta los años 60, en donde empezó a demostrar su conveniencia en términos de tamaño, consumo eléctrico, calor disipado y duración. Sin embargo no fue sino hasta los años 90 en que la industria empezó a pensar: “Qué lindo sería poder usar leds para hacer pantallas a color“. Evidentemente, la miniaturización y el auge de los dispositivos portátiles sugerían que el led era ideal para ese uso, más que un VFD teñido o un pequeño CRT.
El problema es que, aunque habían logrado generar leds de varios colores, todavía no habían dado con uno que pudiese generar luz azul por efecto de electroluminescencia. A falta de un color primario, no podían suplirlo mezclando otras luces. Eso cambió cuando Shuji Nakamura inventó el LED azul, y la historia es tan particular que vale la pena mencionarla.
Hoy en día existen muchas tecnologías patentadas por empresas y no por el ingeniero que realmente las descubre. Esto es así porque las empresas basan gran parte de su valor en la propiedad intelectual, y tienen sendos contratos garantizando que todo lo que inventan sus empleados en realidad es de la compañía. Un equipo de investigación y desarrollo descubre algo, y ese “algo” pasa a ser propiedad de la compañía, el cual le saca provecho y evita a través de la patente que alguien más lo haga. Parece justo, pero en el caso de Nichia Corporation no lo fue tanto.
Gizmag – Randall Lamb (C)
Era 1995 y Shuji Nakamura y sus asistentes lograron dar con la combinación InGaN y AlGaN para crearlos, pero como trabajaban para Nichia Corporation, la empresa se quedó con el invento. La salvedad es que Shuji no hizo su investigación en las instalaciones de la empresa ni en sus horas laborales, sino que Nichia se apropió de su investigación y luego lo despidió. Nakamura vio con impotencia cómo los productos derivados del LED Azul florecieron generando celulares a color y discos Blu Ray.
Para la comunidad científica esto era bastante injusto, mucho más si contamos con que Shuji fue considerado para un Premio Nóbel de Física por el invento, así que el propio inventor decidió demandar a la compañía. El juicio demoró varios años, pero finalmente la corte ordenó a Nichia que le otorgase la no despreciable suma de USD$180 millones por las utilidades generadas por su invento. Sin embargo, la patente que había sido desarrollada para la compañía mientras era empleado de la misma seguiría siendo de Nichia Corporation hasta el fin de los tiempos. Shuji actualmente es es profesor en la Universidad de California y tiene un puntero láser azul.
Los OLED
Como dijimos, los LEDs tuvieron aplicación práctica en los años 60, cuando se empezaron a incorporar en equipos que sólo necesitaban una pequeña luz como indicador. Lo primero que se me viene a la mente son esas películas en blanco y negro donde los laboratorios tenían luces que se prendían y apagaban como si estuviesen haciendo algo importante. Como eran de GaAsP (Galio, Arsénico y Fósforo), los fotones que se desprendían estaban al límite (infrarojo) del espectro visible por el ojo humano. Ese brillo rojizo tenía aplicaciones bastante puntuales en los paneles de control y los display monocromáticos.
Faltando poco para entrar a los años ’90, Hewlett Packard empezó a producir LED usando AlGaAs que pudieron producir luz más brillante, y pasaron a formar parte de productos más exigentes. Después apareció GaP que permitió LED verdes y más brillantes. También hubo varias otras combinaciones que mejoraron la luminosidad del producto final e incentivaron su propagación y adopción, lo cual a su vez generó economías de escala que fueron haciendo de los LEDs una tecnología competitiva con las luces fluorescentes, las de cátodo frio y las incandescentes. ¿Quién recuerda los display alfanuméricos de LEDs rojos a mediados de los ’90? Habia uno fuera de Worldcomputer en el metro Tobalaba.
Bienvenidos al Times Square – LGEPR – Flickr (CC)
Hoy en día, gracias al principio de electroluminescencia y los constantes avances en fabricación, los LED empezaron a tomarse casi todo el mercado. El Times Square es prueba que los LED son una gran herramienta para mostrar imágenes en movimiento a todo color, tu monitor LCD LED es la prueba fiel que todavía hay cabida para circuitos más pequeños donde sacarles provecho, y las linternas ecológicas recargables cada vez echan más mano a los LEDs blancos para sacar provecho de su bajo consumo.
Y, aunque ustedes no lo crean, todavía hay espacio para crear más cosas a partir de los LED, como el OLED. Esta es la última tecnología que promete mejor contraste y profundidad de negro gracias a que sus compuestos son orgánicos (tienen Carbono) y que no necesitan, necesariamente, retroiluminación LED. Por ser orgánico, se degradan con facilidad, pero cuando los científicos lo solucionen, no duden en que las actuales pantallas LCD y Plasma se jubilen en cosa de meses. Atentos al OLED.
Estas invenciones son las que dan ganas de tener un trabajo como repartidor de pizza y en uno de esos envíos quedarse atrapado en un tubo de criogenia por unos 2000 años para ver cómo siguen evolucionando. Pero como todavía no sabemos de nadie que haya logrado pasar por una experiencia de ese tipo, tendremos que conformarnos con atestiguar el progreso mientras nos dure esta vida, y vivir sabiendo que nuestros nietos conocerán cosas exponencialmente más prodigiosas y tal vez, en una de esas, escribirán un decálogo llamado “Viva el Ingenio” enumerando 10 tecnologías “antiguas” que todavía no se han descubierto.
