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ÓPTICA

La revolución de los LEDs

Científicos paulistas desarrollan artefactos con diodos emisores de luz en la ciudad de São Carlos

Publicado en septiembre de 2007

El retrofit reemplaza a las lámparas de los semáforos tradicionales y reduce el costo de mantenimiento

EDUARDO CESAREl retrofit reemplaza a las lámparas de los semáforos tradicionales y reduce el costo de mantenimientoEDUARDO CESAR

Investigadores del Centro de Investigación en Óptica y Fotónica de la ciudad paulista de São Carlos (Cepof), dependiente de la Universidad de São Paulo (USP), han desarrollado una nueva concepción de semáforo con un diseño innovador, más liviano y compacto, que en lugar de las tradicionales lámparas incandescentes posee diodos emisores de luz de alto brillo como fuente luminosa: son los llamados LEDs. Estos nuevos artefactos tienen un formato plano, con un espesor de menos de dos centímetros, y su instalación es sumamente sencilla. Otras ventajas de los mismos son su bajo consumo de energía, un 15% inferior a los de los aparatos tradicionales, y el hecho de que permanezcan en funcionamiento aun en caso de cortes de energía en la zona donde estén instalados. Esto sucede porque operan acoplados a un juego de baterías compactas que les otorgan una autonomía de una hora y media en caso de apagón.

“Es una tecnología más barata que la convencional, más económica en términos de consumo energético y de bajo costo de mantenimiento”, afirma Vanderlei Salvador Bagnato, profesor del Instituto de Física de la USP de São Carlos y coordinador del Cepof. Estos semáforos emplean cuatro emisores LEDs y un diseño que aprovecha toda la refracción de la luz.“Hemos registrado una patente del aparato completo y, por lo que sabemos, ningún otro grupo de Brasil o del exterior está fabricando semáforos como el nuestro.”

Denominado blackout, en una referencia al hecho de que no se apaga cuando falta energía, este aparato utiliza cuatro LEDs, de la sigla en inglés de light emitting diode, de alto brillo en cada reflector (rojo, amarillo y verde).Una lente plástica con un diseño óptico especial distribuye la luz y emite el efecto luminoso deseado. Según Bagnato, una de las mayores ventajas de esta nueva tecnología es la seguridad que aportará al sistema vial de las ciudades.“Disminuirá notablemente la probabilidad de accidentes y trastornos de tránsito ocasionados por pequeños apagones, principalmente en las grandes ciudades como São Paulo, donde el flujo de vehículos es intenso”, afirma. El producto se encuentra en fase final de acabado y el grupo de la USP ya hace contactos con empresas que operan en el sector de señalización de tránsito para negociar la transferencia de la tecnología.

El semáforo blackout es tan sólo una de las aplicaciones del equipo que conduce Bagnato, basadas en la tecnología de LEDs. Este grupo, compuesto por 70 investigadores fijos y otros 50 colaboradores o asociados, en los últimos años viene investigando y desarrollando una serie de otros artefactos que utilizan esta fuente luminosa, descubierta en la década de 1960 (lea en el recuadro).“El proceso de producción de luz en los LEDs es mucho más eficiente que en las lámparas comunes, y hasta un 80% de la energía eléctrica empleada se convierte en energía luminosa. Esto representa una inversión en la eficiencia de la producción de luz, pues el índice de conversión de las lámparas incandescentes es de tan sólo un 20%”, explica Bagnato.“Hace mucho tiempo que los LEDs dejaron de ser simplemente aquellas pequeñas lucecitas indicadoras de los tableros de frente de los equipos de sonido,normalmente rojas o verdes, y otros de equipamientos electrónicos, para ser una fuente efectiva de iluminación.”

Una sustitución ventajosa
Otro aplicativo en el sector de señalización vial desarrollado en el Cepof de São Carlos, que es uno de los once Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid, sigla en portugués) financiados por la FAPESP, es un sistema llamado retrofit, que emplea seis o siete LEDs y fue creado para sustituir solamente a las lámparas incandescentes que se emplean en los semáforos tradicionales. Al contrario del semáforo blackout, en el cual los LEDs están integrados a los lentes reflectores, el retrofit tiene un formato parecido al de una lámpara común y cuenta con un portalámpara de rosca, lo que permite la fácil sustitución de las luces convencionales. Esta tecnología se le transfirió a la empresa Meng Engenharia, de São Paulo, y se encuentra a la venta desde noviembre de 2005. “Ya hemos comercializado alrededor de 15 mil lámparas, que se instalaron en semáforos de São Paulo y de la localidad de Guarulhos”, dice Alberto Monteiro, dueño de Meng. La empresa se especializa en la fabricación de dispositivos para el sector de señalización urbana e industrial de carreteras.

LEDs auxiliares para la iluminación de quirófanos

EDUARDO CESARLEDs auxiliares para la iluminación de quirófanosEDUARDO CESAR

“La utilización en semáforos de la lámpara a base de LED aporta una serie de ventajas,porque es más económica, segura y eficaz, además de iluminar mejor. Y eso sin contar que el retrofit tiene una gran vida útil, con lo cual reduce el costo de mantenimiento de los semáforos hasta en un 80% y la frecuencia del cambio de lámparas. En los aparatos convencionales, los cambios tienen lugar unas cuatro veces al año, en el caso de las verdes y las rojas que permanecen más tiempo encendidas, y dos veces en el de las amarillas. El costo de las mismas varía de 4,00 a 8,00 reales, para un total apróximado de 60,00 reales anuales además de los gastos con el mantenimiento y el cambio. Con el retrofit, basta con una visita anual solamente para hacer una inspección porque cada uno dura entre tres y cinco años”, destaca Monteiro. Cada retrofit creacuesta unos 500,00 reales, lo que daría en total 1.500,00 reales, que, divididos por cuatro años (en promedio), representarían 375,00 reales por año.“Con la reducción de las visitas al semáforo y del costo de mantenimiento, la instalación de los LEDs tiene un tiempo de recuperación de la inversión de alrededor de un año y medio”, dice Monteiro.

La eficiencia luminosa y la larga durabilidad de más de 50 mil horas –50 veces mayor que la de las lámparas convencionales, constituyen dos importantes diferencias de los LEDs, que tienen además otra ventaja comparativa: su bajo impacto ambiental en lo que atañe a su proceso productivo. Las lámparas fluorescentes, siempre recordadas como una alternativa más económica que las incandescentes, utilizan mercurio en su composición, una sustancia altamente tóxica.“Estos factores han llevado a un crecimiento explosivo de las investigaciones en los últimos cinco años, y diversas empresas están sacando al mercado más y más LEDs de alto brillo y productos basados en éstos en las más variadas combinaciones”, destaca el físico Henrique de Carvalho, integrante del equipo del Cepof.

Un área fuertemente beneficiada con el desarrollo de la tecnología LED es la iluminación domiciliaria y urbana. Las lámparas para las vías públicas fabricadas con diodos emisores de luz y proyectadas en el Cepof se encuentran en etapa de ensayos en São Paulo.En Nueva York, un ejemplo puede verse en la gigantesca pantalla del Nasdaq Marketsite Tower, en la Times Square, la plaza central de la ciudad, que utiliza 18,6 millones de LEDs para la decoración de la fachada del edificio y la indicación de la cotización de las acciones negociadas en la bolsa de tecnología estadounidense. Según los investigadores de la USP de São Carlos, en el ámbito domiciliario es posible reemplazar toda la iluminación por LEDs, tanto en el área interna como en la externa, sin perder intensidad, mejorando la calidad de la iluminación y reduciendo el consumo energético.

Las luces de emergencia, esas que se activan cuando falta energía, también constituyen una aplicación prometedora para los LEDs. En sociedad con el Cepof, la empresa Direct Light, también de la localidad São Carlos, formada por ex investigadores del centro,desarrolló dos modelos de luces auxiliares de emergencia con la tecnología LED. “El primer lote, de 25 unidades, lo compró el propio Cepof, que lo instaló en sus laboratorios. El segundo, con cien lámparas, saldrá a la venta en septiembre”, dice el ingeniero electricista Alexandre Oliveira, uno de los siete socios de Direct Light, firma fundada hace solamente un año.

Las lámparas emplean solamente un LED de 3 vatios de potencia cada una y tienen una autonomía de una hora, con un 70% de intensidad luminosa. “Además de ser más compactas, nuestras lámparas utilizan una batería recargable de níquel-metal-hidruro, que dura al menos dos veces más que las baterías selladas a base de plomo ácido que se emplean en las luces de emergencia existentes en el mercado”, explica Oliveira. El producto cuesta alrededor de 90,00 reales, el precio equivalente al de una luz de emergencia de la calidad de las competidoras. El precio aún es alto, pero la tendencia indica que caerá con el incremento de la producción.

En el consultorio odontológico
La tecnología LED también ha sido empleada en el desarrollo de varios productos destinados al área médico-odontológica, tales como los iluminadores bucales para los consultorios dentales, por ejemplo. Éste es un segmento que también está en el foco del Cepof. Según Bagnato, este dispositivo, crea do por su equipo en sociedad con la empresa Gnatus, fabricante de equipos médico-odontológicos con sede en São Carlos, permite a los dentistas ver los colores de los dientes y las encías con mayor nitidez y definición. Eso de debe a que las lámparas halógenas que normalmente se utilizan en los reflectores odontológicos tienen una tonalidad más amarilla, lo dificulta la perfecta visualización.

El ingeniero mecánico Carlos Banhos, gerente de ingeniería de Gnatus, señala otras diferencias del aparato, que saldrá al mercado en Brasil durante este mes de septiembre. “Como la luz emitida por el LED es fría no emite calor y le evita molestias el paciente.Asimismo, el nuevo reflector permitirá una reducción del consumo de energía de un 90% comparado con los dispositivos tradicionales”, informa.Gnatus apuesta mucho en este equipo, que será presentado durante el segundo semestre de este año en diversos congresos odontológicos internacionales en países tales como México, Estados Unidos, Italia y Rusia.“Tenemos la expectativa de venderle el producto, que lleva el nombre de Reflector Gnatus LED, a clientes en el exterior. Nuestros productos se exportan a 140 países”, dice Banhos. El aparato es entre un 10% y 20% más caro que los dispositivos convencionales que usan lámparas halógenas.

Otro equipamiento nacido en los laboratorios del Cepof y que ya ha salido al mercado es el PDT LED, un aparato que emplea la tecnología de diodos emisores de luz para la técnica de terapia fotodinámica, el PDT, en la sigla en inglés, en pacientes con cáncer de piel, con recidiva cutánea del cáncer de mama y otras lesiones superficiales.

Fabricado por MM Optics, otra empresa generada (spin-off) en el Cepof, el PDT LED es una alternativa a los dispositivos que usan láser para el mismo tipo de tratamiento.“Con la diferencia de ser cuatro veces más barato. Mientras que un aparato de láser cuesta alrededor de 40 mil dólares, el nuestro sale por 20 mil dólares”, dice el ingeniero mecánico Fernando Ribeiro, uno de los socios de la empresa. Desde que salió a la venta en el primer semestre del año pasado, MM Optics ha vendido 20 aparatos de terapia fotodinámica.

LEDs que varían de color iluminan la mesa que sirve para el estudio de microorganismos

EDUARDO CESARLEDs que varían de color iluminan la mesa que sirve para el estudio de microorganismosEDUARDO CESAR

Este artefacto cuenta con un conjunto de 21 LEDs con potencia total de 3 vatios en una longitud de onda de 630 nanómetros. La luz emitida reacciona con las drogas sensibilizantes aplicadas al paciente, que se concentran en las células tumorales. La reacción causa la muerte del tumor.“La robustez del aparato se evidencia en una baja necesidad de mantenimiento, lo que le asigna una ventaja más a nuestro producto.Y eso sin hablar de que el LED,por emitir una luz menos concentrada, logra tratar un área mayor de la piel del paciente, al tiempo que el láser tiene un alcance más puntual”, explica Ribeiro.“Éste es el primer y único dispositivo con tecnología LED hecho en Brasil y destinado a la terapia fotodinámica.”

El éxito de este equipamiento hizo que Bagnato y su equipo desarrollaran una nueva versión del dispositivo. Se trata de un kit con tres dispositivos para tratar no solamente a pacientes con cáncer de piel, sino también con psoriasis, una enfermedad que causa el descame de la piel, pacientes con papilomavirus humano (PVH) genital o anal, que son verrugas visibles o microscópicas, y con cáncer de boca. Ese proyecto cuenta con la asociación de la Facultad de Medicina de la USP de Ribeirão Preto, del Instituto del Corazón (InCor) de São Paulo, del Hospital Amaral Carvalho, de la localidad de Jaú, y del laboratorio farmacéutico ESM-Sigma-Pharma, con sede en la ciudad de Hortolândia, entre otros.

“La novedad del proyecto consiste en ofrecer un kit que trate varias enfermedades al mismo tiempo. Estamos cerca del diseño final y comercializable de los dispositivos.”Los investigadores del Cepof están tan entusiasmados con el kit que han elevado una solicitud de financiación al Banco Nacional de Desarrollo Económico y Social (BNDES) para concluir el proyecto de creación de cien centros de tratamiento en todo Brasil utilizando el kit”, afirma Bagnato. De acuerdo con el investigador, tres empresas, entre ellas MM Optics y Direct Light, estudian la producción del kit.

Microscopio coloreado
Para el área científica, los investigadores del Cepof crearon dos aparatos innovadores a base de LEDs.Uno de ellos es una mesa iluminada para estudios de fotobiología, llamada biotable. Su funcionamiento es sencillo: el científico pone microorganismos sobre una placa de plástico transparente ubicada encima de la mesa y verifica de qué manera éstos reaccio- nan a la aplicación de luces de diferentes colores instaladas dentro de la mesa. El aparato, que por ahora es un prototipo, está siendo sometido a pruebas en varias instituciones de enseñanza, tales como las facultades de Odontología de la Universidad Estadual Paulista (Unesp), del campus de Araraquara, de la USP de Ribeirão Preto y de Baurú, así como en la facultad de Bioquímica de la USP de São Carlos.

El otro aparato es un microscopio óptico iluminado con LEDs.“Es una tecnología propia, que se vale de tres LEDs: azul, rojo y verde. Al combinar la intensidad de luz, el investigador logra realzar algunas estructuras morfológicas del microorganismo en estudio. Esto sería imposible de hacer en un microscopio óptico tradicional”, explica el coordinador del Cepof. Esta tecnología, conocida como microscopía por contraste cromático, aún está en fase de pruebas y ya cuenta con una patente registrada. “Todos los proyetos hechos por nuestro grupo revelan el enorme potencial aplicativo de los diodos emisores de luz. De alrededor de 40 patentes originadas dentro del Cepof, al menos 15 se han transformado en productos finales, y de ellas, la mitad corresponde a dispositivos a base de LEDs”, afirma Bagnato. “Después de la invención de la lámpara eléctrica y del láser, creemos que el LED representa la tercera revolución en el campo de la óptica.”

Una historia luminosa
El primer diodo emisor de luz o LED (sigla en inglés de light emitting diode) fue creado por el científico estadounidense Nick Holonyak Jr. en 1962, cuando trabajaba en un laboratorio de la empresa General Electric en Syracuse, estado de Nueva York. Sin embargo, el interés en el uso de estos nuevos dispositivos con fines de iluminación surgió recién en la década de 1990, cuando un grupo de investigadores de la empresa Hewlett Packard, también de Estados Unidos, desarrolló el primer LED de alto brillo. “Inmediatamente después, investigadores de la empresa japonesa Nichia llegaron al primer LED azul de alto brillo, que abrió el camino para los LEDs de luz blanca”, dice el físico Henrique de Carvalho, del Cepof de São Carlos. “Hoy en día los LEDs barren todo el espectro electromagnético, del ultravioleta al infrarrojo.” El LED es un emisor de luz con un principio diferente que el de las lámparas incandescentes o fluorescentes. “Es un dispositivo semiconductor que, con el paso de la corriente eléctrica, emite luz visible mediante un proceso conocido como electroluminiscencia, con alrededor de un 80% de la potencia aplicada en él, dependiendo de la longitud de onda del emisor”, dice Carvalho. Una de las diferencias significativas del LED consiste en que, al contrario de las lámparas comunes, puede producir una luz que cambia de color, de intensidad y de distribución. Además de los LED’s, los científicos de los institutos de investigación y las empresas están perfeccionando los diodos emisores de luz a base de sustancias orgánicas, tales como polímeros compuestos con moléculas de carbono en lugar de semiconductores inorgánicos, hechos de silicio y galio. Denominados diodos orgánicos emisores de luz (OLED’s), pueden producirse con materiales maleables y transparentes. Ya se usan en celulares y aparatos de MP3, y los primeros prototipos de pantallas para televisión se encuentran en fase de pruebas.

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