Los led en arquitectura

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Los led en arquitectura
Pascual Bolufer - Institut Químic de Sarriá
Arman Ginza Tower, Tokyo.
E
n 2007 la Empresa de Finanzas Nasdaq escogió para su edificio en Times
Square, de New York, 19 millones de Led. Su fachada es el mayor panel
informativo del mundo. NASDAQ tiene 36.6m de altura. Su pantalla está
formada por filas de Led verdes, azules y rojos, ordenados según la arquitectura
RGB, controlados individualmente para formar imágenes junto con textos financieros. Es una exhibición de alto nivel de contraste, muy brillante, lo cual le da la
capacidad de ser completamente visible en condiciones de luz solar. Soporta la
lluvia y los impactos. Desde entonces está claro que la iluminación convencional
no resuelve los problemas del arquitecto.
En el laboratorio ya se logran 200 lm/W, y pese a que en 2010 los Led representan sólo 4% del mercado mundial de iluminación, hay optimismo respecto
de su futuro. En CREE opinan que en 2015 ya se logrará un porcentaje del 80%
del mercado.
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la energía eléctrica en fotones, y su
pequeño tamaño. Su fiabilidad, menor
riesgo para el Medio Ambiente, porque disminuye las emisiones de CO2
a la atmósfera, y su respuesta rápida
encendido-apagado.
El ahorro energético varía entre
70-80% respecto de la iluminación
tradicional.
Pero en iluminación tan importante
como el rendimiento energético es el
color:
Blanco cálido
Edificio de Nasdaq, New york.
Más de 100 años de aumento
en eficiencia
Joseph Round descubrió el led
accidentalmente en 1907, mientras
investigaba un diodo de vacío, y lo
consideró un curioso fenómeno de
electroluminiscencia, pero lo olvidó.
El lector de Luces CEI ya conoce que
la interpretación correcta del led la
debemos a Kart Lehovec, en 1951: la
luminiscencia procede de la inyección
de portadores minoritarios de cargas a
través de la unión p-n, en polarización
directa. El polo positivo de la fuente de
alimentación conectado al ánodo, y el
negativo al cátodo.
Light emitting diode (Led) es un
diodo semiconductor, que emite luz
incoherente, cuando se polariza de
forma directa la unión p-n del mismo,
Luces CEI nº 43 - 2011
y circula por él la corriente eléctrica. Es
una forma de electroluminiscencia. Se
fabrican con materiales inorgánicos.
Los primeros diodos eran de
infrarrojo y de color rojo. Luego la
investigación ha logrado Led de menor
longitud de onda.
Su vida útil se cifra en 50.000 horas,
unos 20 años de servicio. Están diseñados para potencias de 30-60mW.
Lamentablemente su precio es elevado.
Existen también los OLED, (Organic
Light Emitting Diode), pero su grado
de desarrollo es inferior. Su capa electroluminiscente está formada por una
película de componentes orgánicos.
En los mandos a distancia de los TV
y del acondicionador de aire, por ej., se
usan diodos infrarrojos IRED.
Para el arquitecto lo importante
es la eficiencia del led, en convertir
Por de pronto hubo que substituir el
SiC, usado por Joseph Round en 1907,
por los compuestos III-V del sistema
periódico de los Elementos. Y en la
década 1960-70 aparecieron los Led
rojo-amarillo-naranja-verde, a base de
los compuestos III-V ,como el GaP As,
el GaP dopado con Nitrógeno, el GaP
As, también dopado con Nitrógeno, y el
GaP dopado con zinc y Oxígeno.
Estos Led eran eficientes, en dar
colores limpios, pero quedan lejos de
los actuales basados en AlGaAs y el
AlGaInP.
El color más difícil era el azul. En
1992 Shuji Nakamura, de la empresa
Nichia, presentó el GaInN, de color
azul-verde, de doble heteroestructura
y de pozo cuántico.
El paso siguiente fue el led blanco,
tan indispensable para el arquitecto,
que muestra a cada objeto con su
color natural. Para emitir luz blanca,
la solución es mezclar Led de varios
colores, tarea iniciada por Nichia en
1993. De hecho es un chip con un fósforo amarillo y un led azul. El blanco
logrado no era aceptable, pero su eficiencia luminosa alcanzó 150lm/W, con
una corriente de polarización de 20mA.
Su eficiencia era 1.7 veces superior a
la de la lámpara fluorescente, y 11.5
veces superior a la de la lámpara incandescente (13lm/W). Con nanocristales
de sulfuro de cadmio D. Sarma, perteneciente al Indian Institute of Science,
Bangalore, India, recubrió un led ultravioleta, y logró un blanco aceptable.
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El efecto se debe a los nanocristales de SCd, de sólo 5 nanómetros. La
ventaja de los nanocristales consiste en
que, debido a su tamaño, no dispersan
la luz.
Hoy con una mezcla de fósforos y un
led ultravioleta obtenemos luz blanca.
Es el método usado por el alumbrado
fluorescente.
Un led azul, como el InGaN, ultravioleta de 450-470 nanómetros de
longitud de onda, se puede recubrir
con fósforo amarillo, un compuesto de
Itrio y Aluminio, activado con Cerio, y
obtenemos un color saturado, de 570573nm. Es un blanco frío, de 6000ºK,
poco apropiado para arquitectura, porque le falta un poco de rojo.
Cambio de estrategia: dejar el led
azul, y usar el ultravioleta, más eficiente
en la conversión hacia el color blanco;
en abril de 2002 Nitride Semiconductors
presentó el led UV, de 380nm. Se trataba de aprovechar la gran experiencia
de la industria de lámparas fluorescentes en pasar de las líneas del mercurio
(366nm) al color blanco.
El logro del chip-led color blanco
cálido (5 000ºK) ha sido un éxito.
El cristal fotónico para
extraer fotones del led
Torre Agbar, Barcelona
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El futuro del led se basa en el cristal
fotónico. El arquitecto necesita Led de
potencia para iluminar calles y fachadas.
Es una nueva etapa de investigación, ya
en curso. Consiste en recubrimientos
reflectantes para mejorar la eficiencia
del led. Recubrirlo con nanocristales.
Ahora el led aprovecha el 50% de la
energía eléctrica en generación de luz, y
el resto, el otro 50% de luz se convierte
en calor. La causa del atrapamiento es
el alto índice de refracción y la reflexión
interna en la interfase aire-diodo.
En el diamante, con su alto índice
(2.42) la luz queda atrapada dentro. Por
ello se pule el cristal de forma que la
luz salga por unas facetas escogidas,
de diseño, que dan al diamante todo
su valor.
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El led, por ej.: el GaN, tiene un índice
de refracción más elevado que el del
diamante (2.67). Retiene la luz igualmente, con la diferencia de que la luz
led ha sido generada en su interior.
Se trata de lograr una estructura
cristalina, que permita extraer la luz en
ciertas direcciones. Cambiar la estructura del semiconductor equivale a
aumentar la eficiencia del led, sin cambiar su estructura electrónica. Cuanta
más luz saquemos al exterior, más
brillante será el led, sin aumentar en
nada su consumo eléctrico: es la nueva
generación de Led de cristal fotónico.
La luz generada por el par electrónhueco puede seguir muchos caminos.
Entre la capa p y n hay la capa ópticamente activa, que es la generadora
de luz, la cual en gran parte se pierde
por reflexión total en la base del led y
la superfice superior. Sigue un método
óptico horizontal de propagación: la luz
led no sale al exterior.
La solución actual es nanoestructurar la superficie del led, para producir
una matriz de huecos. Es lo más eficaz
para extraer los modos horizontales de
propagación de la luz.
El cristal fotónico es una nanoestructura dieléctrica periódica, que afecta a
la propagación de la luz, con bandas de
energía permitidas y prohibidas.
El fenómeno físico está basado en la
difracción. La periodicidad de la estructura del cristal fotónico ha de estar en el
mismo orden de longitud, que la mitad
de la longitud de onda de la luz led.
El recubrimiento fotónico del led
exhibe un contraste entre el índice de
refracción de las zonas llenas y vacías
de la matriz (p y n). Cuanto mayor sea
el contraste, más potente es el cristal
fotónico en manipular la luz.
En 1996 Thomas Krauss exhibió el
cristal fotónico en dos dimensiones, el
planar, en el espectro visible. Requirió
el apilamiento de múltiples láminas de
dieléctricos, para lograr el control de la
luz. La reflexión interna total confina la
luz en las láminas, y previene las pérdidas debidas a la dispersión fotónica.
Se logran los efectos del cristal fotó-
Luces CEI nº 43 - 2011
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nico. La industria logrará que el cristal
fotónico de Th. Krauss aumente la eficiencia del led.
Lograr el cristal fotónico tridimensional ya es más difícil.
Matrices de Led
en la fachada
Desde 2005 en Barcelona todos
conocen la torre Agbar, de Jean Nouvel,
un rascacielos de oficinas de 142m y
34 plantas, con 59.619 paneles de Led,
que pueden generar hasta 16 millones
de colores. Los fines de semana, de
20 a 24h, la torre es iluminada, para
admiración de los peatones.
La dinámica de la exhibición óptica
es controlada por el Protocolo DMX
(Digital Multiplex), con un software
expresamente diseñado para la torre
Agbar.
Es la nueva arquitectura, que resalta
la imagen comercial de Agbar, Aigues
de Barcelona.
Actualmente en todos los países
hay algún edificio de empresa comercial, o de espectáculos, con un panel
gigante de Led en la fachada, con su
dinamismo de colores cambiantes.
En arquitectura hay opiniones diferentes: no gusta a todos, que la fachada
sirva de soporte, para colgar un anuncio.
La fachada es un componente importante del edificio, y el panel-anuncio
tapa la fachada. La Empresa propietaria
del edificio queda beneficiada.
La tecnología de la iluminación de
escenarios y espectáculos está muy
desarrollada, y es aplicada a los paneles de Led de fachada.
Había que evitar el problema de
incompatibilidad que existía entre
marcas por la utilización de protocolos
propietarios, lo cual obligaba a tener un
control de manejo de cada marca de
luces que se tenía. Esto se ha resuelto
con el protocolo DMX, pensado para
usarlo en controladores de enlace y
dimmers (regulador de la intensidad
de la luz) de diferentes fabricantes. Se
dispone de 512 canales por Universo
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DMX. La señal DMX es enviada desde
el controlador al panel de Led.
PWM: Modulación por ancho de
impulsos:
Es el 2º Protocolo, muy usado, para
espectáculos de paneles de Led.
Modifica una señal periódica en su
ciclo de trabajo, el tiempo en que la
señal es positiva. Además de la frecuencia portadora hay la señal moduladora.
PWM es una técnica usada, desde
hace años, para regular la velocidad
de los motores, mantener el par motor
constante, y no supone un desaprovechamiento de la energía. Excelente
para controlar servomotores, pues
PWM modifica su posición de acuerdo
al ancho de pulso, enviado cada cierto
período.
El efecto estroboscópico también
se puede controlar con DMX y PWM:
ilumina mediante destellos un cabezal
móvil, que se desplaza de forma rápida
y periódica.
Cuando la frecuencia de destellos
se aproxima a la frecuencia de paso
del objeto móvil, el observador lo verá
moverse lentamente, hacia adelante o
hacia atrás, según que la frecuencia
de destellos sea inferior o superior a la
frecuencia de paso del cabezal móvil.
Es un método que también se
emplea fuera de la industria del espectáculo, para examinar con pormenor y
sin contacto físico el comportamiento
de partes mecánicas en movimiento. n
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