Aparatos opto-electrónicos orgánicos: ¡Nueva tecnología plástica!

Hoy en día, vivimos en un mundo donde nuestras actividades dependen de una multitud de aparatos tecnológicos basados en la conducción de la electricidad, la electrónica y la luz, por ejemplo: la TV, la radio, el teléfono celular, el reproductor de CDs y DVDs, el lector óptico del supermercado, las computadoras, etc. ¡Todos hemos usado o hacemos uso de más de uno de estos dispositivos electrónicos! Estos equipos funcionan con la electrónica desarrollada en el siglo anterior, que a su vez se basa en pequeños dispositivos llamados diodos y transistores que conforman los chips electrónicos de todos los circuitos (tarjetas) de los aparatos mencionados.

Por: José Luis Maldonado Rivera*

Hoy en día, vivimos en un mundo donde nuestras actividades dependen de una multitud de aparatos tecnológicos basados en la conducción de la electricidad, la electrónica y la luz, por ejemplo: la TV, la radio, el teléfono celular, el reproductor de CDs y DVDs, el lector óptico del supermercado, las computadoras, etc. ¡Todos hemos usado o hacemos uso de más de uno de estos dispositivos electrónicos! Estos equipos funcionan con la electrónica desarrollada en el siglo anterior, que a su vez se basa en pequeños dispositivos llamados diodos y transistores que conforman los chips electrónicos de todos los circuitos (tarjetas) de los aparatos mencionados. Estos diodos y transistores están fabricados de un material muy abundante en nuestro planeta, el silicio, que es un elemento químico no metálico y el segundo más abundante en la corteza terrestre (28%) después del oxígeno. El silicio presenta características interesantes, por ejemplo, tiene propiedades semiconductoras, es decir, sólo bajo ciertas condiciones conduce electricidad a diferencia de los buenos conductores eléctricos tales como los metales (cobre, plata, oro, etc.).

Desde hace unos 20 años, los científicos están estudiando y desarrollando una nueva electrónica basada ya no en el silicio sino en materiales orgánicos (o plásticos). Ésta es una tecnología donde se emplean compuestos químicos que contienen átomos de carbono en sus estructuras. Además de conducir electricidad, en esta nueva tecnología plástica, los dispositivos, para su funcionamiento, requieren y/o manipulan y/o emiten luz, de aquí el nombre de opto-electrónica, recordemos que la luz es estudiada por la óptica que a su vez es una rama de la Física. Este campo científico-tecnológico de la opto-electrónica está provocando una revolución en nuestras vidas por ser un área de intensa investigación y desarrollo a nivel mundial debido a su gran impacto académico, económico, energético, social, etc.

Dentro de los dispositivos plásticos que más auge han tenido y que de hecho, ya están saliendo comercialmente al mercado, tenemos a los denominados diodos orgánicos electro-luminiscentes (OLEDs por sus siglas en inglés) para displays ópticos. Los displays ópticos son, por ejemplo, las pantallas de una calculadora, una lap top, etc. Estos dispositivos ya están siendo una tecnología paralela y con ventajas a los displays basados en cristales líquidos (LCDs) ampliamente usados en las pantallas de los celulares, calculadoras, relojes, monitores de computadora, TVs y muchos equipos más. Por otra parte, dentro de quizá algunos años, otros de los dispositivos que puedan ya estar presentes comercialmente son las celdas solares orgánicas (OPVs), considerados los primos hermanos de los OLEDs dado su funcionamiento: en los OLEDs se aplica electricidad y se produce luz, mientras que las OPVs captan luz (solar) y la transforman en electricidad.
De fundamental importancia en la investigación y desarrollo de los equipos mencionados son los materiales empleados. Los científicos de las área de ciencias físicas, la química, la óptica, las ciencias de materiales y la ingeniería (ver figura), buscan e investigan nuevos materiales con distintas y mejores características para una multitud de aplicaciones.

De entre estos nuevos materiales, las moléculas y polímeros (grandes cadenas de moléculas) orgánicos semiconductores, como un área interdisciplinaria, son de interés particular. En los años 70s los científicos comenzaron a estudiar las propiedades de semiconductor en materiales orgánicos, pero fue hasta en los 80s cuando los químicos y personas del área de ciencias de materiales lograron diseñar y sintetizar nuevas moléculas y polímeros con mejores propiedades. Estos novedosos compuestos presentan características excepcionales, tales como fácil procesamiento, bajo costo, flexibilidad mecánica y deposición a temperatura ambiente sobre una variedad de sustratos (algo fundamental para los dispositivos electrónicos plásticos). Además, estos materiales orgánicos pueden ser diseñados por medio de la ingeniería molecular en una variedad virtualmente infinita de formas para optimizar alguna o varias de sus propiedades eléctricas, mecánicas y ópticas, es decir, es algo así como lo que realizan los arquitectos e ingenieros: ¡pueden diseñar y construir una casa con multitud de materiales, formas, tanto internas como externas y, con variados muebles para el confort y decoración! Por las anteriores razones, se espera que en un futuro cercano, hagamos uso de una gran diversidad de aparatos tecnológicos que empleen materiales plásticos por lo que, paulatinamente, la electrónica tradicional basada principalmente en el silicio, estará dando paso a esta nueva tecnología plástica.
Como investigador del Centro de Investigaciones en Óptica A.C. (CIO), al lado de colegas del Grupo de Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM), participo activamente en esta área de materiales y en el estudio de varios de los dispositivos opto-electrónicos orgánicos mencionados.

Estas investigaciones las realizo en conjunto con varios científicos de distintas y prestigiosas instituciones nacionales e internacionales. El financiamiento económico lo recibo principalmente del gobierno mexicano, estatal y federal, a través de sus organismos para ciencia y tecnología, el Concyteg (Consejo de Ciencia y Tecnología del Estado de Guanajuato) y el Conacyt (Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología), es decir, son investigaciones financiadas con dinero de todos los mexicanos que pagamos impuestos.
El lector interesado puede encontrar más información en las siguientes tres lecturas recomendadas para un amplio público:

a) J.L. Maldonado, Nota en revista Ciencia y Desarrollo: "Opto-electrónica de plásticos". Vol. 33, diciembre 2007, p. 70.
b) J.L. Maldonado y G. Ramos-Ortíz, "Opto-electrónica orgánica (plástica); nueva tecnología". Bol. Soc. Mex Fis. Vol. 22-3, julio-septiembre 2008, p. 131-136.
c) J.L. Maldonado et al., "Two examples of plastic opto-electronic devices: light emitting diodes and solar cells". Am. J. Phys. 76, diciembre 2008, p. 1130-1136.
 Fuente : http://ciencias.jornada.com.mx/ciencias/investigacion/ciencias-fisico-matematicas/investigacion/aparatos-opto-electronicos-organicos-a1nueva-tecnologia-plastica

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Nuevas posibilidades Innovación con LED

Los diodos luminosos quizá sean lo más diferente que hayamos visto nunca de la luminotecnia convencional, no sólo por su aspecto, sino también por su rendimiento y sus aplicaciones. Es más, si hace cinco años nos hubieran dado una lámpara Lumileds Luxeon.

Avances en diodos
Las lámparas de semiconductores aparecieron en los años sesenta, pero durante los primeros treinta años, y debido a su insignificante flujo luminoso y a que sólo ofrecían los colores rojo, amarillo y verde, su empleo se limitaba a los diminutos indicadores de los paneles de los equipos electrónicos. La segunda era de la tecnología LED comenzó con el avance que supuso en 1990 la introducción del primer dispositivo azul. A partir de entonces la gente reaccionó y se empezó a tomar más en serio esta tecnología, ya que mezclando su luz con un semiconductor rojo y otro verde se podía crear por primera vez luz blanca. Hoy en día los diodos blancos todavía emplean este chip azul, pero en el resto de los colores ahora interviene un recubrimiento de fósforo que rellena algunos huecos del espectro para dar una apariencia general de blanco.
Pero es sin duda la tercera era de la tecnología LED la que ha provocado su presencia masiva en el mercado actual, y la que continuará extendiéndolos en el futuro. Esta claro que la cuestión clave es el flujo luminoso, la cantidad total de luz creada por cada unidad. Cuando se produjo este avance, la industria de los semiconductores empezaba a amenazar a la industria de las lámparas y, como suele ocurrir, la dura competencia a que dio lugar aceleró enormemente el progreso tecnológico. Así se ha creado la situación idónea para el usuario final, ya que de los laboratorios de investigación surgen a una velocidad nueva hasta ahora productos cada vez más deslumbrantes y, por supuesto, a precios más asequibles.

Flujo luminoso
Ahora a los diodos luminosos por fin les ha llegado la hora de invadir el territorio de las lámparas incandescentes en miniatura, y de hecho esta última tecnología tiene los días contados en muchas aplicaciones. Ya se puede colocar una serie de tres dispositivos Luxeon blancos en la base de una lámpara halógena de expositor MR16 de 20 W y prácticamente alcanzar la misma intensidad máxima, aunque está por verse si las propiedades cromáticas son adecuadas a este tipo de aplicaciones. En los casos en que resulte aceptable una línea larga de diodos, su flujo luminoso será equivalente al de los tubos de cátodo frío de estilo "neón". El continuo aumento del flujo luminoso hará que cada vez se necesiten menos unidades LED para generar un determinado nivel, y las lámparas de mayor potencia podrán llegar a verse amenazadas.
Pero este artículo no trata únicamente sobre cómo los semiconductores pueden desbancar a los filamentos o al arco voltaico en su mismo terreno. Lo más interesante es ver cómo están abriendo nuevos campos de aplicación. Al comenzar la era de los LED de alto flujo, inmediatamente se especuló con que podrían dejar obsoletas a las lámparas convencionales en diez o veinte años.
Ahora bien, no hay que olvidar que lo mismo se dijo de los tubos fluorescentes, de las lámparas de halogenuros metálicos y de otras muchas fuentes luminosas cuando comenzaron a utilizarse. En todos los casos anteriores, los pronósticos no se han cumplido por exceso de optimismo en la velocidad de implantación. Por supuesto que habrá una cierta penetración en las aplicaciones existentes, pero la historia nos demuestra que la creación de cada nueva fuente luminosa, todas tan significativas en todos los aspectos como son los LED en su campo, provoca únicamente un ligero desbancamiento de las lámparas anteriores y sirve sobre todo para la creación de nuevas aplicaciones. Esto nos lleva al tema de qué se puede hacer con los diodos que no se pueda conseguir con ninguna otra lámpara, y cómo están surgiendo nuevas aplicaciones en torno a su uso. Analizaremos la iluminación dinámica de color, los sistemas sellados de por vida y lo último en posibilidades de diseño para una iluminación discreta.

Color y mezclas de color
Al hablar de diodos luminosos, normalmente en lo primero que se piensa es en la luz de color. La iluminación con color se practica desde hace un siglo, pero hasta la llegada de los diodos no existía ninguna fuente luminosa de pequeño tamaño que produjera luz de color de forma natural: todas ellas requerían el uso de filtros, con la consiguiente falta de eficiencia y encarecimiento de los sistemas. Está claro que se pueden producir varios tonos con determinadas lámparas de descarga de alta intensidad, o con grandes longitudes de tubo de cátodo frío, pero los colores resultantes son más débiles y el flujo luminoso demasiado alto.
Los diodos luminosos son unos excepcionales generadores de luz de color y, dado que su flujo es prácticamente monocromo, los colores tienen una riqueza y una saturación insuperables. La lámpara de semiconductores es el nuevo juguete de los diseñadores de iluminación, ya que se puede instalar con total libertad siempre que se desee acentuar una zona determinada salpicándola con un color intenso. Hoy en día, los modernos controles electrónicos, en especial desde la introducción de la Interfaz Digital de Alumbrado Direccionable, hacen que resulte más fácil que nunca emplear varios diodos para cambiar el color de un proyecto. Esta capacidad de color dinámico, unida a las dimensiones reducidas y al excelente control del haz, ha dado lugar a unos sorprendentes efectos de iluminación de acento en el sector de tiendas.

Sellados de por vida
En todos los sistemas de iluminación, los costes de mantenimiento equivalen a varias veces el gasto inicial de instalación y suponen el coste de reposición de las lámparas más el tiempo y el equipamiento necesarios para sustituirlas. Las luminarias deben prestar atención a esta cuestión, y un criterio fundamental en su diseño ha de ser que la unidad se abra fácilmente para poder cambiar las lámparas. Como es natural, el coste del equipo se incrementa al añadir piezas móviles o incluir un portalámparas, que a menudo es caro y requiere un espacio adicional. Sin embargo, la mayoría de los sistemas LED tienen una vida útil superior a las 50.000 horas (más de 5 años de funcionamiento continuo), y con ellos todos los requisitos anteriores son innecesarios. Su excepcional durabilidad ha dado lugar a unos diseños muy creativos, con diodos ubicados en lugares totalmente inaccesibles que antes eran sencillamente imposibles de iluminar.
La baja tensión, el funcionamiento en frío y el carácter totalmente hermético de las lámparas de semiconductores las convierten en la opción perfecta para iluminar exteriores con luminarias sencillas. El alumbrado de jardines residenciales es un mercado de gran valor y tremendo potencial, en el que los diodos luminosos también están comenzando a demostrar sus posibilidades. La penetrante luz verde de un solo proyector intensivo permite realzar un pequeño arbusto con un colorido de lo más intenso, y colocando discretos puntos de luz de color se puede hacer que cobren vida durante la noche otros elementos destacados del jardín que de otro modo no serían visibles.

Posibilidades de diseño únicas
Aunque ya existen productos para reemplazar determinadas lámparas por diodos luminosos, debemos centrarnos en soluciones más creativas. Los diodos son unas fuentes luminosas radicalmente distintas y no hace falta crear productos que se parezcan a las luminarias ya conocidas. El planteamiento tradicional ha sido siempre partir de una lámpara y construir una luminaria alrededor, y de ahí que la apariencia final de la unidad dependa en gran medida de la lámpara utilizada. Sin embargo, las compactas dimensiones de los diodos luminosos, su precisión en el control del haz, su baja temperatura y su prolongada vida útil hacen irrelevantes muchas de las limitaciones anteriores. Algunos de los recientes sistemas de más éxito nacen como concepto orientado a que la luminaria resulte lo más atractiva posible, para después, trabajando en el sentido contrario al habitual, integrar en ella los puntos de luz. Un buen ejemplo es el empotrable de cristal suspendido que aparece en la foto, que más que una luminaria, parece una obra de arte. Ideal para iluminar cualquier superficie plana, la mesa de una sala de juntas, por ejemplo, es una luminaria totalmente discreta cuyos puntos de luz producen un increíble efecto de luz estelar.

Los detractores de los sistemas LED tienden a insistir en el flujo luminoso máximo actual, que por supuesto es bastante bajo en comparación con el de otras lámparas de alumbrado general. Sin embargo, lejos de ser un obstáculo, es en realidad la clave de su éxito en las aplicaciones más innovadoras. Lo que los diodos luminosos están haciendo para cambiar el mundo actual de la iluminación es similar a cuando hace 125 años, hombres como Thomas Edison y Sir Joseph Swan consiguieron "descomponer la luz" para que el resplandor del arco de carbono se pudiera dividir en unidades más pequeñas de uso en interiores.
Dado el reducido tamaño y la precisión en el control del haz de cada unidad de flujo luminoso, qué mejor opción que disponer de unos pequeños elementos modulares de luz como éstos. Combinando los diodos de forma creativa, se puede construir una fuente luminosa con todo tipo de formas, cantidad de flujo, colores y distribución de la luz.

Aparte de la evidente necesidad de reducir los costes, ¿qué más pueden pedir los diseñadores de iluminación? En resumen, las luminarias LED son más pequeñas, más baratas y permiten diseños mucho más atractivos y discretos de lo habitual. Una luminaria más pequeña cabe en cualquier parte, con lo que las fuentes luminosas pueden ser más discretas: por ejemplo, se puede instalar iluminación indirecta totalmente oculta alojando diodos detrás de unas unidades de cornisa. Esta tendencia a la miniaturización es uno de los puntos fuertes de los diodos luminosos y garantía de mercado en el sector. Queda por ver si el precio de esta tecnología puede bajar lo suficiente y si la calidad de su luz blanca puede aumentar hasta hacer que el resto de las lámparas quede auténticamente obsoleto. Aunque no fuera así, las diminutas luminarias que se pueden fabricar en torno a los diodos luminosos en miniatura y sellados de por vida se venderán como nuevas aplicaciones independientemente de su elevado coste de instalación, ya que a la larga compensan.
En consecuencia, no creemos que las lámparas halógenas vayan a desaparecer de la noche a la mañana, aunque sí esperamos ver su luz aumentada significativamente mediante diodos luminosos en nuevas aplicaciones como ésta.

Posibilidades de futuro
Respecto a las nuevas aplicaciones que surgirán en el futuro, dependerá totalmente de nuestro ingenio a la hora de aprender a utilizar estos nuevos y diminutos paquetes de luz, de lo que avance la calidad de esta tecnología y, por supuesto, de las tendencias en los precios. De todas formas, la ausencia total de mantenimiento siempre permitirá invertir relativamente más en un principio que con las lámparas convencionales.

Quizá el tema de la luz blanca dependa sobre todo de los futuros avances en la tecnología. Los actuales diodos blancos son más parecidos a las lámparas fluorescentes de lo que creemos, ya que funcionan mediante un fósforo fluorescente que transforma en blanco la luz de un chip azul.

La reproducción cromática es adecuada, pero la temperatura de color sigue siendo alta. Aun así, igual que con la tecnología de fluorescentes, se esperan avances con los que mejorar las propiedades de color. De momento, Lumileds y la empresa japonesa Nichia Chemical Corporation están lanzando al mercado unos diodos luminosos blancos de alto flujo de 3000 K.
Este tipo de desarrollos sin duda ampliará los horizontes del alumbrado LED, y posiblemente hasta el sector del alumbrado residencial , donde una temperatura de color baja puede crear un ambiente fundamental para conquistar este segmento del mercado.
Fuente: http://www.voltimum.es/news/274/s/Nuevas-posibilidades-Innovaci-n-con-LED.html

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Tecnologías relacionadas

• SM-OLED (Small-molecule OLED) Los SM-OLEDs se basan en una tecnología desarrollada por la compañía Eastman Kodak. La producción de pantallas con pequeñas moléculas requiere una deposición en el vacío de las moléculas que se consigue con un proceso de producción mucho más caro que con otras técnicas (como las siguientes). Típicamente se utilizan sustratos de vidrio para hacer el vacío, pero esto quita la flexibilidad a las pantallas aunque las moléculas sí lo sean.

• PLED (Polymer Light-Emitting Diodes) Los PLEDs o LEPs (Light-Emitting Polymers) han sido desarrollados por la Cambridge Display Technology. Se basan en un polímero conductivo electroluminiscente que emite luz cuando le recorre una corriente eléctrica. Se utiliza una película de sustrato muy delgada y se obtiene una pantalla de gran intensidad de color que requiere relativamente muy poca energía en comparación con la luz emitida. El vacío, a diferencia de los SM-OLED, no es necesario y los polímeros pueden aplicarse sobre el sustrato mediante una técnica derivada de la impresión de chorro de tinta comercial (llamada inkjet en inglés). El sustrato usado puede ser flexible, como un plástico PET. Con todo ello, los PLEDs pueden ser producidos de manera económica.

• TOLED (Transparent OLED) Los TOLEDs usan un terminal transparente para crear pantallas que pueden emitir en su cara de delante, en la de atrás, o en ambas consiguiendo ser transparentes. Los TOLEDs pueden mejorar enormemente el contraste con el entorno, haciendo mucho más fácil el poder ver las pantallas con la luz del sol.

• SOLED (Stacked OLED) Los SOLEDs utilizan una arquitectura de píxel novedosa que se basa en almacenar subpíxeles rojos, verdes y azules, unos encima de otros en vez de disponerlos a los lados como sucede de manera normal en los CRTs y LCDs. Las mejoras en la resolución de las pantallas se triplican y se realza por completo la calidad del color.

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Importante avance en el procesamiento de Semiconductores Orgánicos

"Esta investigación nos acerca más al desarrollo de semiconductores orgánicos con propiedades físicas y eléctricas muy superiores a las de los que existen actualmente", subraya Richard D. McCullough, el investigador principal. "Estamos sorprendidos y asombrados con nuestros resultados".
En el primer paso del nuevo proceso, se combina químicamente un polímero inherentemente conductor (ICP por sus siglas en inglés) con un producto químico semejante a la grasa. El segundo paso implica depositar este material híbrido, denominado bloque copolímero, sobre una plataforma engrasada.
En la capa superficial de un transistor, los ICPs funcionan como buenos conductores eléctricos que proporcionan el interruptor que permite el encendido y el apagado del transistor. Pero los ICPs son por naturaleza quebradizos. Con el fin de contrarrestar esta fragilidad, los científicos unen químicamente los ICPs con polímeros elásticos semejantes a la grasa, para formar bloques copolímeros.
Estos bloques copolímeros resultan muy prometedores para la creación de futuros materiales, como las películas delgadas y de bajo peso para los dispositivos lectores de libros electrónicos que se podrían enrollar como los periódicos actuales de papel.
Si bien proporcionan la muy necesaria flexibilidad, los polímeros elásticos son aislantes en lugar de conductores de electricidad. Los bloques copolímeros que contienen polímeros semejantes a las grasas, son menos eficaces como conductores eléctricos que los ICPs puros. Pero con el correcto ajuste del proceso, la situación puede cambiar de manera substancial, según han revelado los científicos de la Carnegie Mellon. Sólo depende de cómo sea tratada la capa base de dióxido de silicio del transistor.
Como parte del estudio actual, el equipo de la Carnegie Mellon probó cuatro bloques copolímeros, cada uno con una proporción diferente de polímero elástico aislante y de polímero conductor. Cuando aplicaron películas delgadas de estos diferentes polímeros al dióxido de silicio no tratado, encontraron que cuanto mayor era la cantidad total de polímero aislante en la película final, peor se comportaba la película para conducir las cargas eléctricas. El resultado es una capa interruptora flexible que no resulta muy eficaz.
Pero cuando los científicos trataron previamente la plataforma de dióxido de silicio del transistor con OTS-8 (un producto químico que crea un recubrimiento semejante a la grasa) comprobaron que los transistores que incorporaban cualquiera de los cuatro bloques copolímeros conducían las cargas eléctricas con una notable facilidad, incluso cuando el polímero aislante constituía más de la mitad del bloque copolímero aplicado.

Fuente:http://www.solociencia.com/quimica/07081302.htm

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