Mientras en algunas partes del mundo las incandescentes ya se han prohibido siguiendo una tendencia generalizada, en otras las lámparas fluorescentes compactas (CFL) siguen recibiendo generosos subsidios gubernamentales, y ahora los LED parece que inician su despegue en el mercado terciario aunque necesitan aun despegar en el ámbito doméstico. Pero fuera del mercado,  los investigadores ya están a la búsqueda de los sucesores del LED.

La electrónica basada en el carbono, especialmente los nanotubos de carbono (CNT por sus siglas en inglés), se perfilan como los sucesores del silicio para la fabricación de materiales semiconductores. Y podrían favorecer la aparición de una nueva generación de dispositivos de iluminación de bajo costo, más brillantes, de baja potencia, que podrían desafiar el dominio de los LED en el futuro y dar respuesta a una cada vez más intensa demanda de bombillas ecológicas por parte de la sociedad.

Un consumo 100 veces menor que el del LED

Científicos de la Universidad de Tohoku  en Japón han desarrollado un nuevo tipo de fuente de luz plana de alta eficiencia energética basada en nanotubos de carbono con muy bajo consumo de energía de alrededor de 0,1 vatios por cada hora de funcionamiento, cerca de un centenar de veces menor que la de un LED.

En la revista Review of Scientific Instruments, los investigadores ofrecen detalles acerca del proceso de fabricación y la optimización del dispositivo, que se basa en una pantalla de fósforo y nanotubos de carbono de una sola pared actuando como electrodos en una estructura de diodo. Este sistema se podría comparar con un campo de filamentos de tungsteno reducido a proporciones microscópicas.

El dispositivo fue ensamblado a partir de una mezcla liquida que contiene nanotubos de carbono de pared simple altamente cristalinos dispersados en un disolvente orgánico mezclado con un producto químico similar al jabón conocido como un agente tensioactivo. A continuación, «pintaron» la mezcla sobre el electrodo positivo o cátodo, y rascaron la superficie con papel de lija para formar un panel de luz capaz de producir una corriente de emisiones amplia, estable y homogénea con bajo consumo de energía.

Alta eficiencia lumínica

«Nuestro sencillo panel de» diodo «podría obtener una alta eficiencia lumínica de unos 60 lúmenes por vatio, lo que ofrece un excelente potencial para un dispositivo de iluminación de bajo consumo energético «, dijo Norihiro Shimoi, el investigador principal y profesor asociado de estudios ambientales en la Universidad de Tohoku . “La eficiencia lumínica o del brillo es el dato que indica la cantidad de luz que una fuente de iluminación produce por cada unidad de potencia eléctrica que está consumiendo y supone un importante índice para comparar la eficiencia energética de los diferentes dispositivos de iluminación”, dijo Shimoi. Por ejemplo, los LED pueden producir 100 Lumen por vatio y los OLED (LED orgánicos) alrededor de 40.

Aunque el dispositivo tiene una estructura similar a la de un diodo, su sistema de emisión de luz no está basado en un sistema de diodos, compuesto este último de capas de semiconductores, materiales que actúan como un cruce entre un conductor y un aislante, y cuyas  propiedades eléctricas pueden ser controladas con la adición de impurezas denominadas “dopantes”.

Funcionamiento de la nueva fuente de luz

Los nuevos dispositivos poseen sistemas de luminiscencia que funcionan de forma similar a los tubos de rayos catódicos, con nanotubos de carbono actuando en calidad de cátodos, y una pantalla de fósforo en una cavidad de vacío que actúa como el ánodo. Bajo un fuerte campo eléctrico, el cátodo emite haces de electrones concentrados de alta velocidad a través de las afiladas puntas de los nanotubos – un fenómeno denominado de emisión de campo. Los electrones a continuación vuelan en el vacío en la cavidad, y golpean la pantalla de fósforo convirtiéndose en brillantes.

«Hemos hallado que un cátodo con nanotubos de carbono de pared simple altamente cristalinos y un ánodo con la pantalla de fósforo mejorada no presentaron ningún parpadeo en la corriente de emisión de campo y presentaron una buena homogeneidad de brillo «, dijo Shimoi.

Las fuentes de emisión de campo de electrones atraen la atención de los científicos debido a su capacidad para proporcionar haces de electrones intensos que son alrededor de mil veces más densos que el cátodo termiónico convencional (como filamentos en una bombilla incandescente). Eso significa que las fuentes de emisión de campo requieren mucha menos energía para funcionar y producen una corriente de electrones mucho más direccional y fácilmente controlable.

En los últimos años, los nanotubos de carbono han surgido como un material prometedor de emisores de campo de electrones, debido a su forma de aguja a nano-escala y extraordinarias propiedades de estabilidad química, conductividad térmica y resistencia mecánica.

Los nanotubos de carbono de pared simple altamente cristalinos (HCSWCNT por sus siglas en inglés) presentan casi cero defectos, explica Shimoi. «La resistencia del electrodo de cátodo con nanotubos de carbono de pared simple altamente cristalinos es muy baja. Por lo tanto, el nuevo dispositivo de pantalla plana sufre menores pérdidas de energía en comparación con otros dispositivos de iluminación actuales».

«Muchos investigadores han intentado construir fuentes de luz con nanotubos de carbono como emisor de campo», dijo Shimoi. «Pero nadie ha desarrollado un dispositivo de iluminación equivalente y más simple.» Además, puntualiza Shimoi “Teniendo en cuenta que el proceso de fabricación es de bajo costo pero estable el dispositivo de emisión de superficie plana tiene el potencial de proporcionar un nuevo enfoque en iluminación reduciendo además las emisiones de dióxido de carbono “.

Fuente: Instituto Americano de Física