Un semáforo innovador:una lente especialdistribuye y emite el efectoluminoso de los LEDs

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Investigadores del Centro de Investigación en Óptica y

Fotónica de la ciudad paulista de São Carlos (Cepof), dependien-

te de la Universidad de São Paulo (USP), han desarrollado una

nueva concepción de semáforo con un diseño innovador, más li-

viano y compacto, que en lugar de las tradicionales lámparas in-

candescentes 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 venta-

jas de los mismos son su bajo consumo de energía, un 15% in-

ferior a los de los aparatos tradicionales, y el hecho de que per-

manezcan 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.

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La revolución de los LEDsCientíficos paulistas desarrollan artefactos con diodos emisores de luz en la ciudad de São Carlos

ÓPTICA

>TECNOLOGÍA

YURI VASCONCELOS | FOTOS EDUARDO CESAR

Publicado en septiembre de 2007

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“Es una tecnología más barata quela convencional, más económica en tér-minos de consumo energético y de ba-jo costo de mantenimiento”, afirmaVanderlei Salvador Bagnato, profesordel Instituto de Física de la USP de SãoCarlos y coordinador del Cepof. Estossemáforos emplean cuatro emisoresLEDs y un diseño que aprovecha todala refracción de la luz.“Hemos registra-do una patente del aparato completo y,por lo que sabemos, ningún otro grupode Brasil o del exterior está fabrican-do semáforos como el nuestro.”

Denominado blackout, en una refe-rencia al hecho de que no se apaga cuan-do falta energía, este aparato utiliza cua-tro LEDs, de la sigla en inglés de lightemitting diode, de alto brillo en cada re-flector (rojo, amarillo y verde). Una len-te plástica con un diseño óptico especialdistribuye la luz y emite el efecto lumi-noso deseado. Según Bagnato, una de lasmayores ventajas de esta nueva tecno-logía es la seguridad que aportará al sis-tema vial de las ciudades. “Disminuiránotablemente la probabilidad de acci-dentes y trastornos de tránsito ocasiona-dos por pequeños apagones, principal-mente en las grandes ciudades como SãoPaulo, donde el flujo de vehículos es in-tenso”, afirma. El producto se encuen-tra en fase final de acabado y el grupo dela USP ya hace contactos con empresasque operan en el sector de señalizaciónde tránsito para negociar la transferen-cia de la tecnología.

El semáforo blackout es tan sólo unade las aplicaciones del equipo que con-duce Bagnato, basadas en la tecnologíade LEDs. Este grupo, compuesto por 70investigadores fijos y otros 50 colabora-dores o asociados, en los últimos añosviene investigando y desarrollando unaserie de otros artefactos que utilizan es-ta fuente luminosa,descubierta en la dé-cada de 1960 (lea en el recuadro).“El pro-ceso de producción de luz en los LEDses mucho más eficiente que en las lám-paras comunes, y hasta un 80% de laenergía eléctrica empleada se convierteen energía luminosa.Esto representa unainversión en la eficiencia de la produc-ción de luz, pues el índice de conversiónde las lámparas incandescentes es de tansólo un 20%”, explica Bagnato. “Hace

mucho tiempo que los LEDs dejaron deser simplemente aquellas pequeñas lu-cecitas indicadoras de los tableros defrente de los equipos de sonido, normal-mente rojas o verdes, y otros de equi-pamientos electrónicos, para ser unafuente efectiva de iluminación.”

Una sustitución ventajosa – Otro apli-cativo en el sector de señalización vialdesarrollado en el Cepof de São Carlos,que es uno de los once Centros de In-vestigación, Innovación y Difusión (Ce-pid, sigla en portugués) financiados porla FAPESP, es un sistema llamado retro-fit, que emplea seis o siete LEDs y fuecreado para sustituir solamente a laslámparas incandescentes que se emple-an en los semáforos tradicionales. Alcontrario del semáforo blackout, en elcual los LEDs están integrados a los len-tes reflectores, el retrofit tiene un forma-to parecido al de una lámpara comúny cuenta con un portalámpara de rosca,lo que permite la fácil sustitución de lasluces convencionales. Esta tecnología sele transfirió a la empresa Meng Enge-nharia, de São Paulo, y se encuentra ala venta desde noviembre de 2005. “Yahemos comercializado alrededor de 15mil lámparas, que se instalaron en se-máforos de São Paulo y de la localidadde Guarulhos”, dice Alberto Monteiro,dueño de Meng. La empresa se espe-cializa en la fabricación de dispositivospara el sector de señalización urbanae industrial de carreteras.

“La utilización en semáforos de lalámpara a base de LED aporta una se-rie de ventajas, porque es más económi-ca, segura y eficaz, además de iluminarmejor. Y eso sin contar que el retrofittiene una gran vida útil, con lo cual re-duce el costo de mantenimiento de lossemáforos hasta en un 80% y la frecuen-cia del cambio de lámparas. En los apa-ratos convencionales, los cambios tie-nen lugar unas cuatro veces al año, enel caso de las verdes y las rojas que per-manecen más tiempo encendidas, y dosveces en el de las amarillas. El costo delas mismas varía de 4,00 a 8,00 reales,para un total apróximado de 60,00 re-ales anuales además de los gastos con elmantenimiento y el cambio. Con el re-trofit, basta con una visita anual sola-mente para hacer una inspección por-que cada uno dura entre tres y cincoaños”, destaca Monteiro. Cada retrofit

Programa de innovacióntecnológica del Centro deInvestigación en Óptica y Fotónica de São Carlos (Cepof)

MODALIDADE

Centro de Investigación,Innovación y Difusión (Cepid)

COORDENADOR

VANDERLEI SALVADOR BAGNATO – USP

INVESTIMENTO

200.000,00 reales por año (FAPESP)

EL PROYECTO

El retrofit reemplaza a laslámparas de los semáforostradicionales y reduce el costo de mantenimiento

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Reflectorodontológicodesarrolladojunto con laempresa Gnatus

investigadores del centro, desarrolló dosmodelos de luces auxiliares de emergen-cia con la tecnología LED. “El primerlote, de 25 unidades, lo compró el pro-pio Cepof, que lo instaló en sus labora-torios. El segundo, con cien lámparas,saldrá a la venta en septiembre”, dice elingeniero electricista Alexandre Olivei-ra, uno de los siete socios de Direct Light,firma fundada hace solamente un año.

Las lámparas emplean solamente unLED de 3 vatios de potencia cada unay tienen una autonomía de una hora,con un 70% de intensidad luminosa.“Además de ser más compactas, nues-tras lámparas utilizan una batería recar-gable de níquel-metal-hidruro, que du-ra al menos dos veces más que las ba-terías selladas a base de plomo ácido quese emplean en las luces de emergenciaexistentes en el mercado”, explica Oli-veira. El producto cuesta alrededor de90,00 reales, el precio equivalente al deuna luz de emergencia de la calidad delas competidoras. El precio aún es al-to, pero la tendencia indica que caerácon el incremento de la producción.

En el consultorio odontológico – Latecnología LED también ha sido emple-ada en el desarrollo de varios produc-tos destinados al área médico-odon-tológica, tales como los iluminadoresbucales para los consultorios denta-les, por ejemplo. Éste es un segmentoque también está en el foco del Cepof.Según Bagnato, este dispositivo, crea-

cuesta unos 500,00 reales, lo que daríaen total 1.500,00 reales, que, divididospor cuatro años (en promedio), repre-sentarían 375,00 reales por año.“Con lareducción de las visitas al semáforo y delcosto de mantenimiento, la instalaciónde los LEDs tiene un tiempo de recupe-ración de la inversión de alrededor deun año y medio”, dice Monteiro.

La eficiencia luminosa y la larga du-rabilidad de más de 50 mil horas –50 ve-ces mayor que la de las lámparas con-vencionales–, constituyen dos impor-tantes diferencias de los LEDs, que tie-nen además otra ventaja comparativa:su bajo impacto ambiental en lo que ata-ñe a su proceso productivo. Las lámpa-ras fluorescentes, siempre recordadascomo una alternativa más económicaque las incandescentes, utilizan mer-curio en su composición, una sustanciaaltamente tóxica.“Estos factores han lle-vado a un crecimiento explosivo de lasinvestigaciones en los últimos cincoaños, y diversas empresas están sacan-do al mercado más y más LEDs de altobrillo y productos basados en éstos enlas más variadas combinaciones”, desta-ca el físico Henrique de Carvalho, in-tegrante del equipo del Cepof.

Un área fuertemente beneficiada conel desarrollo de la tecnología LED es lailuminación domiciliaria y urbana. Laslámparas para las vías públicas fabrica-das con diodos emisores de luz y proyec-tadas en el Cepof se encuentran en etapade ensayos en São Paulo. En Nueva York,un ejemplo puede verse en la gigantes-ca pantalla del Nasdaq Marketsite Tower,en la Times Square, la plaza central de

la ciudad, que utiliza 18,6 millones deLEDs para la decoración de la fachada deledificio y la indicación de la cotización delas acciones negociadas en la bolsa de tec-nología estadounidense. Según los inves-tigadores de la USP de São Carlos, en elámbito domiciliario es posible reempla-zar toda la iluminación por LEDs, tan-to en el área interna como en la exter-na, sin perder intensidad, mejorando lacalidad de la iluminación y reduciendoel consumo energético.

Las luces de emergencia, esas que seactivan cuando falta energía, tambiénconstituyen una aplicación prometedo-ra para los LEDs. En sociedad con el Ce-pof, la empresa Direct Light, también dela localidad São Carlos, formada por ex

LEDs auxiliares para la iluminación de quirófanos

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do por su equipo en sociedad con laempresa Gnatus, fabricante de equiposmédico-odontológicos con sede en SãoCarlos, permite a los dentistas ver loscolores de los dientes y las encías conmayor nitidez y definición. Eso de de-be a que las lámparas halógenas quenormalmente se utilizan en los reflec-tores odontológicos tienen una tonali-dad más amarilla, lo dificulta la perfec-ta visualización.

El ingeniero mecánico Carlos Ba-nhos, gerente de ingeniería de Gnatus,señala otras diferencias del aparato, quesaldrá al mercado en Brasil durante estemes de septiembre. “Como la luz emi-tida por el LED es fría no emite calory le evita molestias el paciente. Asimis-mo, el nuevo reflector permitirá una re-ducción del consumo de energía de un90% comparado con los dispositivostradicionales”, informa. Gnatus apues-ta mucho en este equipo, que será pre-sentado durante el segundo semestre deeste año en diversos congresos odonto-lógicos internacionales en países talescomo México, Estados Unidos, Italia yRusia.“Tenemos la expectativa de ven-derle el producto, que lleva el nombrede Reflector Gnatus LED, a clientes enel exterior. Nuestros productos se ex-portan a 140 países”, dice Banhos. El

aparato es entre un 10% y 20% máscaro que los dispositivos convenciona-les que usan lámparas halógenas.

Otro equipamiento nacido en los la-boratorios del Cepof y que ya ha salidoal mercado es el PDT LED, un aparatoque emplea la tecnología de diodos emi-sores de luz para la técnica de terapiafotodinámica, el PDT, en la sigla en in-glés, en pacientes con cáncer de piel, conrecidiva cutánea del cáncer de mamay otras lesiones superficiales.

Fabricado por MM Optics, otraempresa generada (spin-off) en el Ce-pof, el PDT LED es una alternativa alos dispositivos que usan láser para elmismo tipo de tratamiento.“Con la di-ferencia de ser cuatro veces más ba-rato. Mientras que un aparato de lásercuesta alrededor de 40 mil dólares, elnuestro sale por 20 mil dólares”, diceel ingeniero mecánico Fernando Ribei-ro, uno de los socios de la empresa.Desde que salió a la venta en el primersemestre del año pasado, MM Opticsha vendido 20 aparatos de terapia fo-todinámica.

Este artefacto cuenta con un conjun-to de 21 LEDs con potencia total de 3vatios en una longitud de onda de 630nanómetros. La luz emitida reaccionacon las drogas sensibilizantes aplicadas

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

al paciente, que se concentran en las cé-lulas tumorales. La reacción causa lamuerte del tumor.“La robustez del apa-rato se evidencia en una baja necesidadde mantenimiento, lo que le asigna unaventaja más a nuestro producto. Y esosin hablar de que el LED, por emitir unaluz menos concentrada, logra tratar unárea mayor de la piel del paciente, altiempo que el láser tiene un alcance máspuntual”, explica Ribeiro.“Éste es el pri-mer y único dispositivo con tecnolo-gía LED hecho en Brasil y destinado ala terapia fotodinámica.”

El éxito de este equipamiento hizoque Bagnato y su equipo desarrollaranuna nueva versión del dispositivo. Setrata de un kit con tres dispositivos paratratar no solamente a pacientes con cán-cer de piel, sino también con psoriasis,una enfermedad que causa el descamede la piel, pacientes con papilomavi-rus humano (PVH) genital o anal, queson verrugas visibles o microscópicas,y con cáncer de boca.Ese proyecto cuen-ta con la asociación de la Facultad deMedicina de la USP de Ribeirão Preto,del Instituto del Corazón (InCor) deSão Paulo, del Hospital Amaral Carva-lho, de la localidad de Jaú, y del labora-torio farmacéutico ESM-Sigma-Phar-ma, con sede en la ciudad de Hortolân-dia, entre otros.

“La novedad del proyecto consisteen ofrecer un kit que trate varias enfer-medades al mismo tiempo. Estamos cer-ca del diseño final y comercializable delos dispositivos.”Los investigadores delCepof están tan entusiasmados con elkit que han elevado una solicitud de fi-nanciación al Banco Nacional de Desar-rollo Económico y Social (BNDES) paraconcluir el proyecto de creación de ciencentros de tratamiento en todo Brasilutilizando el kit”, afirma Bagnato. Deacuerdo con el investigador, tres empre-sas, entre ellas MM Optics y DirectLight, estudian la producción del kit.

Microscopio coloreado – Para el áreacientífica, los investigadores del Cepofcrearon dos aparatos innovadores abase de LEDs. Uno de ellos es una mesailuminada para estudios de fotobiolo-gía, llamada biotable. Su funcionamien-to es sencillo: el científico pone micro-organismos sobre una placa de plásticotransparente ubicada encima de la mesay verifica de qué manera éstos reaccio-

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Una historia luminosaEl primer diodo emisor de luz o LED (sigla en inglés de lightemitting diode) fue creado por el científico estadounidense Nick Holonyak Jr. en 1962, cuando trabajaba en unlaboratorio de la empresa General Electric en Syracuse,estado de Nueva York. Sinembargo, el interés en el uso de estos nuevos dispositivos con fines de iluminación surgiórecién en la década de 1990,cuando un grupo deinvestigadores de la empresaHewlett Packard, también deEstados Unidos, desarrolló el primer LED de alto brillo.“Inmediatamente después,investigadores de la empresajaponesa Nichia llegaron al primer LED azul de alto brillo,que abrió el camino para los LEDs de luz blanca”, dice el físicoHenrique de Carvalho, del Cepofde 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 corrienteeléctrica, emite luz visiblemediante un proceso conocidocomo electroluminiscencia, conalrededor de un 80% de lapotencia aplicada en él,dependiendo de la longitud de onda del emisor”, diceCarvalho. Una de las diferenciassignificativas del LED consiste en que, al contrario de laslámparas comunes, puede produciruna luz que cambia de color, de intensidad y de distribución.Además de los LED’s, loscientíficos de los institutos de investigación y las empresas están perfeccionando los diodosemisores de luz a base desustancias orgánicas, tales comopolímeros compuestos conmoléculas de carbono en lugar de semiconductores inorgánicos,hechos de silicio y galio.Denominados diodos orgánicosemisores de luz (OLED’s), puedenproducirse con materialesmaleables y transparentes. Ya seusan en celulares y aparatos deMP3, y los primeros prototipos de pantallas para televisión seencuentran en fase de pruebas.

Este aparatosubstituye al láser en la terapiafotodinámicadestinada altratamiento delcáncer de piel

nan a la aplicación de luces de diferen-tes colores instaladas dentro de la mesa.El aparato, que por ahora es un proto-tipo, está siendo sometido a pruebas envarias instituciones de enseñanza, talescomo las facultades de Odontología de laUniversidad Estadual Paulista (Unesp),del campus de Araraquara, de la USPde Ribeirão Preto y de Baurú, así comoen la facultad de Bioquímica de la USPde São Carlos.

El otro aparato es un microscopioóptico iluminado con LEDs.“Es una tec-nología propia, que se vale de tres LEDs:azul, rojo y verde.Al combinar la inten-sidad de luz, el investigador logra real-zar algunas estructuras morfológicas delmicroorganismo en estudio. Esto seríaimposible de hacer en un microscopioóptico tradicional”, explica el coordi-nador del Cepof. Esta tecnología, cono-cida como microscopía por contrastecromático, aún está en fase de pruebas yya cuenta con una patente registrada.

“Todos los proyetos hechos pornuestro grupo revelan el enorme poten-cial aplicativo de los diodos emisores deluz. De alrededor de 40 patentes origi-nadas dentro del Cepof, al menos 15se han transformado en productos fi-nales, y de ellas, la mitad corresponde adispositivos a base de LEDs”, afirmaBagnato. “Después de la invención dela lámpara eléctrica y del láser, creemosque el LED representa la tercera revo-lución en el campo de la óptica.” ■

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