DE LA BOMBILLA A LA ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO: LA NUEVA LUZ DEL SIGLO XXI

Juan José Serrano Pérez (Universidad Europea de Valencia)

INTRODUCCIÓN

La luz desempeña un papel central en nuestra sociedad. Aparte de la necesidad esencial de agua y comida, los requerimientos básicos del ser humano son el calor y la luz. El control del fuego marcó un punto de inflexión para nuestra especie, ya que no solo nos permitió cocinar los alimentos y ahuyentar a los depredadores, sino también porque se podía utilizar para iluminar, permitiendo la actividad después del ocaso. No es sorprendente que el Sol, nuestra principal fuente de luz y calor, se considerase una divinidad en la mayoría de civilizaciones antiguas.

El primer dispositivo para generar luz artificial fue la bombilla incandescente. Sin embargo, este dispositivo es muy ineficiente: el 95% de la energía se emite en forma de calor (como radiación infrarroja), de modo que sólo se puede aprovechar el 5% de la potencia consumida, lo que ha motivado la búsqueda de nuevas fuentes de iluminación[*].

¡ENCIENDE LA LUZ!

Las fuentes de luz han evolucionado mucho desde las antorchas hasta la tecnología LED1. Por lo que respecta a la iluminación eléctrica, el invento de la lámpara incandescente se le atribuye a Thomas Edison, quien patentó la primera bombilla comercialmente viable en 1880. Una bombilla está formada por una ampolla de vidrio, en cuyo interior hay un filamento de tungsteno que se calienta al paso de la corriente eléctrica. Al ponerse incandescente, emite energía en forma de luz y de calor. Conviene aclarar que todos los cuerpos emiten radiación térmica, pues todos están calientes en alguna medida2-4. Sin embargo, esta radiación suele ser infrarroja, y no es detectada por el ojo humano. Solo a muy altas temperaturas los cuerpos brillan con luz visible. Pese a su innegable trascendencia histórica, en aras del ahorro energético han dejado de fabricarse lámparas incandescentes en la Unión Europea (las bombillas[†] en 2012 y las lámparas halógenas[‡] en 2016).

Por otro lado, en las lámparas de descarga la generación de luz se produce mediante la excitación de los electrones de los átomos de un gas encerrado en un tubo, mediante la aplicación de una diferencia de potencial entre los extremos del mismo. En este caso hablamos de luminiscencia, porque hay emisión de luz sin que se produzca un aumento de temperatura. Entre estos dispositivos destacan las lámparas fluorescentes, cuyo uso se popularizó en oficinas y colegios durante la segunda mitad del siglo XX, y las lámparas fluorescentes compactas (las “lámparas de bajo consumo”).

En la actualidad, las necesidades energéticas y medioambientales del siglo XXI han propiciado el desarrollo de diodos emisores de luz (LEDs), diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs) y células electroquímicas emisoras de luz (LECs). Y para entender su funcionamiento hemos de adentrarnos en el mundo atómico-molecular.

EL MUNDO MICROSCÓPICO

La materia está formada por átomos, que constan de un núcleo y de electrones que, al tener carga negativa, se encuentran en el radio de influencia del núcleo positivo. A su vez, los electrones más externos pueden estar implicados en la formación de enlaces químicos, dando lugar a moléculas.

El mundo microscópico tiene unas reglas que pueden parecernos sorprendentes a priori2-4. Verbigracia: no todas los valores de energía están permitidos. Así, podemos suponer que la energía cinética de un coche puede adquirir cualquier valor posible, ya que puede avanzar a cualquier velocidad (dentro de los límites que le impone su motor), pero esta aproximación no es válida en el mundo microscópico.

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Figura 1. En el mundo microscópico hay un gap o intervalo prohibido de energía entre dos niveles permitidos de energía.

De este modo, la energía es una magnitud discreta, como lo es el número de hojas de un árbol o el número de goles que marca un futbolista (un delantero no puede haber marcado 2 goles y medio, por ejemplo).

Además, los electrones no pueden estar describiendo órbitas alrededor del núcleo, porque no es posible describir la trayectoria de un electrón, sino que pueden encontrarse en ciertas regiones denominadas orbitales5, que pueden ser atómicos o moleculares. Según cómo se distribuyan los electrones en estos orbitales tenemos diferentes estados permitidos de energía que determinan las propiedades físicas y químicas de los compuestos.

La absorción de luz provoca que una molécula pase de su estado fundamental, el más estable, a un estado excitado de mayor energía2, y la emisión de luz provoca que una molécula excitada vuelva al estado fundamental. Según la causa de la excitación distinguimos entre fotoluminiscencia (si una sustancia es excitada por luz y, seguidamente, emite luz) y electroluminiscencia (si el material emite luz cuando la electricidad pasa a su través).

ELECTRONES Y HUECOS

Todo movimiento de cargas a través de un material conductor constituye una corriente eléctrica. En los nuevos dispositivos de iluminación las partículas cargadas móviles son electrones y huecos6.

En un átomo o en una molécula, los electrones se encuentran en niveles de energía discretos y bien definidos. En cambio, en un sólido tenemos un gran número de átomos próximos formando una red, de modo que los electrones de un átomo son perturbados por los electrones y los núcleos de los átomos vecinos, y en vez de niveles hemos de considerar bandas de energía, las cuales determinarán las propiedades del material6.

La banda que contiene los electrones más externos se denomina banda de valencia. La banda de energía siguiente, que contiene estados vacíos, es la banda de conducción. Con el fin de participar en la conducción, los electrones deben excitarse hacia uno de estos estados vacíos. En el caso de un metal conductor, tenemos una banda de valencia parcialmente llena, con estados vacíos contiguos a los estados llenos, y se requiere muy poca energía para excitar un gran número de electrones a estos estados conductores. Sin embargo, no es tan fácil en el caso de semiconductores, ya que se debe excitar un electrón desde la banda de valencia llena hasta la banda de conducción, salvando un gap de energía prohibida, para quedar un electrón negativo en la banda de conducción y un hueco positivo (que ha dejado ese electrón) en la banda de valencia.

Existen dos tipos de semiconductores: los intrínsecos, cuyo comportamiento eléctrico se debe a su propia estructura; y los extrínsecos, cuya conductividad se debe a la presencia de impurezas. Estos últimos se dividen, a su vez, en dos tipos: de tipo n (contiene exceso de portadores negativos, electrones) y de tipo p (contiene exceso de portadores positivos, huecos). En el primer caso, un electrón procedente de la impureza se excita a la banda del conducción del material, generándose un electrón libre en dicha banda, mientras que en el segundo caso un electrón de la banda de valencia del material salta a un nivel vacío de la impureza, generándose un hueco en la banda de valencia del material. La conducción ocurre por el movimiento, bajo la influencia de un campo eléctrico, de los electrones en la banda de conducción y de los huecos en la banda de valencia.

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Figura 2. Estructura de bandas de diferentes materiales. La energía proporcionada por un campo eléctrico es suficiente para excitar electrones en un conductor, mientras que en los semiconductores la excitación suele ser térmica o lumínica.  

Una propiedad importante de los semiconductores es que pueden combinarse para dar lugar a interesantes dispositivos electrónicos, como diodos y transistores4, 6, 7. Por ejemplo, si unimos un semiconductor tipo p y un semiconductor tipo n obtenemos una unión p-n, una estructura clave en el funcionamiento de los LEDs[§].

MATERIALES ORGÁNICOS CONDUCTORES

Al pensar en materiales conductores y semiconductores solemos imaginarnos metales (cobre, aluminio) y semimetales (silicio, germanio), pero no compuestos basados en el carbono. Esta concepción comenzó a cambiar alrededor de 1950, con el descubrimiento de compuestos orgánicos que presentaban una cierta conductividad. En 1967, por una de esas casualidades que ocurren a veces en ciencia, un estudiante del investigador Hideki Shirakawa8 estaba sintetizando poliacetileno y agregó por error mil veces más catalizador que el requerido. En lugar de obtener un polvo oscuro y opaco, como era de esperar, se obtuvo una película con brillo metálico y flexible como un plástico, aunque sin propiedades conductoras. Posteriormente, en 1977, Shirakawa, Alan Heeger y Alan MacDiarmid descubrieron que la oxidación de poliacetileno con vapor de iodo, bromo o cloro incrementaba la conductividad del material 1000 millones de veces[**]. Estos investigadores fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 2000 por el descubrimiento de los polímeros conductores.

Actualmente se buscan materiales que combinen las propiedades eléctricas y ópticas de los metales con las propiedades mecánicas de los plásticos. Estas moléculas orgánicas suelen presentar dobles enlaces alternados con enlaces sencillos. Esta configuración da lugar a una deslocalización de la carga, en concreto de los electrones implicados en estos dobles enlaces, por lo que estos polímeros orgánicos presentan conductividad eléctrica.

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Figura 3. Poliacetileno.

Por otro lado, Martin Pope9 demostró en 1963 que los semiconductores orgánicos podían usarse para conseguir electroluminiscencia, y poco después Roger Partridge10 observó electroluminiscencia a partir de polímeros orgánicos.

La gran ventaja de estos polímeros orgánicos conductores y electroluminiscentes es que se pueden modificar químicamente con facilidad, pudiendo obtener materiales a la carta, con propiedades mecánicas, eléctricas y ópticas diseñadas ad hoc para un uso concreto.

 ILUMINACIÓN DE ESTADO SÓLIDO

El gran salto en la tecnología de la iluminación se gestó en las postrimerías del siglo XX, con la utilización de materiales semiconductores para producir luz visible bajo la acción de un campo eléctrico. Así, la denominada iluminación de estado sólido11 se empezó a popularizar en detrimento de las clásicas fuentes de luz artificial12.

Entre los primeros dispositivos utilizados se encuentran los LEDs, utilizados como indicadores luminosos en dispositivos electrónicos, señales de tráfico, e iluminación. Los LEDs13, 14 consisten en una capa fina de un material entre dos capas más gruesas (una rica en electrones y otra rica en huecos) de otro material diferente, puestas una encima de la otra, como en un sándwich. Los huecos serán los transportadores de carga mayoritarios en el lado p, mientras que los electrones predominarán en la región n. Cuando aplicamos una diferencia de potencial entre los extremos de la unión (conectando el terminal positivo de un generador en el lado p, y el negativo en el lado n), los electrones de la zona n y los huecos de la zona p se dirigen hacia la zona central, donde pueden recombinarse y producir emisión de luz visible. El color de la luz depende de la estructura de bandas de los materiales empleados.

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Figura 4. Esquema básico de un LED, un OLED y un LEC.

 El desarrollo de los LEDs comenzó en la década de 1960 gracias a Robert Hall y a Nick Holonyak, aunque el gran pionero fue Oleg Losev15, cuyo trabajo fue olvidado debido a la II Guerra Mundial. Cabe destacar que el Premio Nobel de Física de 2014 fue otorgado16, 17 a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura, por la invención de eficientes diodos emisores de luz azul.

Estos dispositivos han ido mejorándose con el paso de los años, lo que ha permitido su uso a gran escala. La ciudad de Torraca[††] fue el primer lugar del mundo en usar tecnología LED para el alumbrado público, y en Denver fueron pioneros en utilizar LEDs para los semáforos. Su uso ha propiciado tanto un ahorro energético como una disminución de las emisiones de CO2.

Otra alternativa interesante son los OLEDs18, 19, constituidos por materiales orgánicos. Su bajo coste y alto rendimiento los hacen muy interesantes para muchas aplicaciones tecnológicas, sobre todo en pantallas de dispositivos electrónicos, ya que pueden crearse de cualquier forma o tamaño, y ya tenemos televisores y móviles curvos en el mercado. Un OLED está constituido por dos capas de materiales semiconductores orgánicos (una capa emisora y una capa conductora) dispuestas entre dos electrodos, todos ellos depositados sobre un sustrato. Al aplicar un voltaje a lo largo del dispositivo, los huecos procedentes de la capa p y los electrones procedentes de la capa n se unen en las capas emisoras, dando lugar a emisión de luz visible, cuyo color depende de los materiales utilizados.

Sin embargo, debido a su elevado coste de producción, han surgido alternativas con arquitecturas más simples. Así, los LECs20, 21 consisten en un material luminiscente (un complejo organometálico iónico o un polímero) situado entre dos electrodos, y se presentan como una alternativa prometedora en un futuro próximo.

CONCLUSIÓN

La investigación básica y aplicada de nuevos dispositivos electroluminiscentes está en boga, lo que sin duda permitirá el desarrollo de fuentes de luz más eficientes y menos contaminantes, con el objetivo de hacer frente a las necesidades del presente sin hipotecar nuestro futuro.

REFERENCIAS

  1. S. Barbero, C. Dorronsoro y J. Gonzalo, La luz: Ciencia y tecnología. (CSIC y Los Libros de la Catarata, Madrid, 2015).
  2. A. Requena y J. Zúñiga, Espectroscopía. (Editorial Pearson Prentice-Hall, Madrid, 2004).
  3. P. A. Tipler, Física para la ciencia y la tecnología, 4ª ed. (Editorial Reverté, Barcelona, 2001).
  4. J. A. Fidalgo y M. R. Fernández, Física General, 8ª ed. (Editorial Everest, León, 2000).
  5. J. Casabó, Estructura atómica y enlace químico. (Editorial Reverté, Barcelona, 1996).
  6. W. D. Callister Jr., Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. (Editorial Reverté, Barcelona, 1993).
  7. G. Huertas, L. Huertas y J. L. Huertas, Del electrón al chip. (CSIC y Los libros de la Catarata, Madrid, 2015).
  8. H. Shirakawa, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 40 (14), 2574-2580 (2001).
  9. M. Pope, H. P. Kallmann y P. Magnante, J. Chem. Phys. 38 (8), 2042-2043 (1963).
  10. R. H. Partridge, Polymer 24 (6), 733-738 (1983).
  11. S. K. Mayer, Am. J. Phys. 78 (12), 1258-1264 (2010).
  12. M. G. Craford, N. Holonyak y F. A. Kish, Sci. Am. 284 (2), 62-67 (2001).
  13. N. Holonyak, Am. J. Phys. 68 (9), 864-866 (2000).
  14. M. F. Ortuño, S. Gallego, A. Márquez, A. Beléndez y I. Pascual, Rev. Esp. Fis. 30 (1), 9-12 (2016).
  15. N. Zheludev, Nat. Photon. 1 (4), 189-192 (2007).
  16. E. Calleja, Rev. Esp. Fis. 28 (4), 32-33 (2014).
  17. G. Lozano, Rev. Esp. Fis. 28 (4), 34-36 (2014).
  18. W. E. Howard, Inv. y Cien. 336, 80-85 (2004).
  19. K. Walzer, B. Maennig, M. Pfeiffer y K. Leo, Chem. Rev. 107 (4), 1233-1271 (2007).
  20. R. D. Costa, E. Ortí, H. J. Bolink, F. Monti, G. Accorsi y N. Armaroli, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 51 (33), 8178-8211 (2012).
  21. S. B. Meier, D. Tordera, A. Pertegás, C. Roldán-Carmona, E. Ortí y H. J. Bolink, Materials Today 17 (5), 217-223 (2014).

[*] http://sociedad.elpais.com/sociedad/2010/04/17/actualidad/1271455201_850215.html

[†] http://www.elmundo.es/elmundo/2012/08/31/ciencia/1346441405.html

[‡]http://economia.elpais.com/economia/2016/08/26/actualidad/1472235454_392399.html

[§] Aunque se suele utilizar este término, la sigla “LED” se ha lexicalizado y ha pasado a emplearse como sustantivo, “led”; así lo recoge el Diccionario de la Real Academia, y el plural correcto sería “ledes”.

[**]https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2000/advanced-chemistryprize2000.pdf

[††] http://www.scientificamerican.com/article/led-there-be-light/