La investigación presentada en una reunión de la American Chemical Society (ACS) en estos días, propone el uso de un material distinto a las tierras raras para la fabricación del LED reduciendo así su coste de producción en un 90% a la vez que consume menos energía y se reducen las emisiones de CO2.

Foto de portada Crédito: American Chemical Society 

Los LED de alta eficiencia podrían reducir drásticamente el consumo de electricidad del mundo. Ya se venden en las tiendas, pero la adopción más generalizada de la tecnología ha sido obstaculizada por los altos costes derivados de la limitada disponibilidad de las materias primas y las dificultades para lograr una calidad de luz aceptable. Sin embargo, los investigadores de la Universidad de Rutgers de EE.UU han superado estos escollos al desarrollar un LED blanco menos costoso y más sostenible en base a nuevos materiales.

«Si más personas en EE.UU. utilizan LED en sus hogares y negocios, el consumo de electricidad del país podría reducirse a la mitad», dijo Zhichao Hu, Ph.D., miembro del equipo de la Universidad de Rutgers que realizó la investigación bajo la dirección de Jing Li, Ph.D. En la actualidad estudian la recuperación de elementos de tierras raras de modo que se pueda abaratar el LED ya que según añade Zhichao, los estudios demuestran que mediante la sustitución de una bombilla de luz incandescente común por una de LED en todos los hogares estadounidenses  podría ahorrar a la nación 700 millones de dólares al año en costes de energía.

Para conseguir una luz blanca común, suave que los consumidores esperan, las tecnologías actuales de LED suelen utilizar un único chip semiconductor para producir luz, generalmente de color azul, y a continuación utilizan un revestimiento de «fósforo» amarillo-emisor para cambiar el color a blanco. Esto se debe a que los LED no emiten una luz blanca. El fósforo está hecho de materiales, tales como cristal de granate de aluminio de itrio dopado con cerio, que se componen de elementos de tierras raras. Estos elementos son caros y están disponibles en cantidades limitadas, ya que están principalmente disponibles tan sólo de las operaciones mineras que se llevan a cabo fuera de EE.UU. Además, la salida de luz que proporcionan estos fósforos tiende a ser de colores «fríos» y duros.

Utilización de metales comunes en lugar de tierras raras

El equipo de Li está desarrollando tecnologías basadas en fósforos híbridos que son mucho más sostenibles, eficientes y de bajo costo. Combinan metales comunes abundantes en la tierra con moléculas luminiscentes orgánicas para producir fósforos que emiten una luz blanca controlable a partir de los LED. Mediante la variación de los componentes metálicos y orgánicos, los investigadores pueden sistemáticamente sintonizar el color de los fósforos hacia las regiones del espectro de luz visible que son más aceptables para el ojo humano, explican Hu y Li. El equipo sigue experimentando y desarrollando otros fósforos LED libres de tierras raras basados en diferentes metales y compuestos orgánicos.

Multitud de combinaciones de materiales son posibles, por lo que utilizan un enfoque computacional para inicialmente ordenar a través de las posibilidades y para predecir qué color de luz emitirán los distintos metales y combinaciones orgánicas. A continuación, prueban mediante experimento las mejores combinaciones.

Reducción de costes hasta en un 90%

Su enfoque permite un ajuste fino sistemático de las bandas de energía prohibida (band gaps) y las emisiones ópticas que cubren todo el rango visible, incluidos los colores amarillo y blanco. Como resultado, sus LED pueden ser sintonizados para crear una luz blanca más cálida, similar a las luces incandescentes más baratas pero ineficientes. Su enfoque es muy prometedor para su uso en aplicaciones de iluminación general.

«Uno de los desafíos que tuvimos que superar fue el de averiguar las condiciones adecuadas para sintetizar el compuesto», dijo Hu. «Al igual que en la cocina, la síntesis requiere de una ‘receta’. A menudo no se puede simplemente mezclar los materiales de partida juntos y obtener el producto final deseado. Hemos optimizado las condiciones de reacción – la temperatura y la adición de un disolvente – y desarrollamos un procedimiento fácil para que el compuesto proporcione un alto rendimiento».

Los experimentos con algunos materiales han demostrado que la tecnología del equipo puede reducir los costes de los LED hasta en un 90 por ciento respecto a los métodos actuales que se basan en elementos de tierras raras. Los investigadores tienen varios procedimientos de patentes concedidos y pendientes en Estados Unidos y están explorando posibilidades de fabricación.

La financiación para esta investigación ha sido proporcionada por la Fundación Nacional de las Ciencias (NSF) y la Universidad Rutgers. Hu está siendo financiado en la actualidad por el Instituto de Materiales Críticos del Departamento de la Energía (DOE).

Los científicos han presentado sus investigaciones en la 250a Reunión y Exposición Nacional de la Sociedad Americana de Química (ACS), la sociedad científica más grande del mundo con más de 158.000 miembros cuyo encuentro nacional reúne a cientos de científicos y conto en esta ocasión con más de 9.000 presentaciones sobre una amplia gama de temas científicos.

Conferencia de prensa de presentación de nueva técnica de fabricación LED 19 de agosto