Estudo da Estrutura do White Light Emitting Diode – White

Estudo da Estrutura do White Light Emitting Diode – White
LED
Laura Martinez de Novoa, Prof.Dr. Jorge Tomioka
Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas, Universidade Federal do ABC
Avenida dos Estados, 5001, Santo André, SP
{[email protected], [email protected]}
Desde a pré-história, com o uso de simples tochas, o homem já tinha consciência da importância da iluminação artificial em
sua vida. A eficiência das lâmpadas convencionais não possui perspectivas de melhora já que os seus princípios físicos de geração
de luz estão esgotados. A introdução de novas formas de iluminação eficientes baseada em outros princípios físicos é então muito
importante para a economia energética. Os LEDs proporcionam tanto eficiência quanto durabilidade superior a de lâmpadas
comuns e consomem a metade do percentual de energia elétrica que é utilizada para iluminação. Investir em pesquisas para
desenvolvimento e aperfeiçoamento destes dispositivos implica em uma visível economia tanto de capital quanto de recursos
energéticos. Este estudo tem como objetivo fazer uma breve explanação sobre o funcionamento de diodos emissores de luz (Light
Emitting Diodes), suas características físicas, vantagens e desvantagens e sua gama de utilizações.
Palavras Chave: LED, Iluminação, Diodo Semicondutor, Dopagem, Junção.
1.
INTRODUÇÃO
O primeiro dispositivo de luz no estado sólido foi o
Até o início do século XI, a única alternativa para
Limelight, descoberto por Thomas Drummond em 1826
a iluminação era a produzida por combustão (tochas na
era baseado no efeito da candoluminescência (luz
pré-história mais tarde aperfeiçoadas para lamparinas a
produzida pela excitação térmica dos íons). Apesar de
base de substâncias inflamáveis tais como cera de
terem sido descobertos há um tempo considerável, a
abelha, óleos de origem animal e vegetal e gás, o que
eficiência dos materiais de estado sólido para iluminação
tornou a luz mais portátil. As lamparinas foram então
era restrita às cores básicas vermelho, verde e por último
sendo aperfeiçoadas. Os princípios da iluminação
a azul. Sua eficiência luminosa era inferior às lâmpadas
elétrica foram só descobertos no início do século XIX,
convencionais da época e seu custo era mais elevado, o
porém a substituição dos dispositivos de iluminação
que restringiu a aplicação dos LEDs à área eletrônica.Na
por combustão pelos dispositivos de iluminação por
Figura 1
eletricidade só ocorreu por volta de 1870. Foi em 1879
evolução da tecnologia das lâmpadas.
é apresentado um resumo histórico sobre a
que Tomas Alva Edison demonstrou sua lâmpada de
Nos dias de hoje, maior parte da iluminação
filamento incandescente e obteve sua patente, com a
residencial é feita por lâmpadas incandescentes de
invenção da lâmpada incandescente encerrou-se a fase
tungstênio e lâmpadas fluorescentes portáteis de maior
do uso de materiais combustíveis para a iluminação.
eficiência. A maioria dos ambientes de trabalho utiliza
Mais tarde foram descobertas novas fontes
lâmpadas
fluorescentes,
apesar
do
inconveniente,
emissoras de luz: em 1900, Peter Cooper patenteou a
também presente nos LEDs, de injetarem harmônicos na
lâmpada de mercúrio, que apresentava eficiência
rede elétrica, comprometendo a qualidade da energia.
superior à das lâmpadas incandescentes, em 1938
Para iluminação pública são usadas lâmpadas de sódio.
surgiram
Com o notável desenvolvimento dos LEDs, esses
as
lâmpadas
fluorescentes.
Foram
descobertas as lâmpadas halógenas, de alta e baixa
padrões certamente mudarão.
pressão de descarga, contendo metais pesados, entre
outras.
FIGURA 1 AQUI
Para avaliar o desenvolvimento científico e
2.
LEDS INORGÂNICOS
tecnológico sobre inovações na área de LEDs, foi
realizado um levantamento de depósitos de
2.1 PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO
patentes no banco de dados da Organização
LEDS produzem luz pelo movimento dos
Mundial de Propriedade Intelectual (WIPO –
elétrons em um material semicondutor. Um diodo
World
Organization).
é o tipo mais simples de dispositivo semicondutor,
Observa-se na Figura 2 que na década de 90
feito da combinação de materiais capazes de
ocorreu um grande investimento de pesquisa nesta
conduzir corrente elétrica. De modo geral, um
área onde partiu da média de 2 para 137 patentes
semicondutor é um material com capacidade
em 2008. Isto demonstra que houve um grande
variável de conduzir corrente elétrica. A maioria
avanço no campo científico, tecnológico e
deles é feita de um condutor pobre que sofre o
investimento financeiro. Na Figura 3 observa-se
tratamento de dopagem, ou seja, a adição de
que os EUA lideram em depósito de patentes e é
átomos de outro material à sua composição. A esse
superado pelos blocos de países asiáticos que
processo dá-se o nome de dopagem que será mais
totalizam 361: Japão (JP), China (CN) e Coréia
aprofundada no tópico a seguir.
Intelectual
Property
A dopagem é necessária, pois o semicondutor
(KR).
feito de AlGaAs puro, por exemplo, apresenta uma
FIGURA 2 AQUI
estrutura onde os átomos estão ligados de uma
FIGURA 3 AQUI
maneira perfeita à seus átomos vizinhos, não
Na Figura 4 são ilustrados os maiores
deixando assim , nenhum elétron livre para
depositantes de patentes onde pode se observar a
conduzir corrente elétrica.
empresa OSRAM da Alemanha na liderança e que
dopado os átomos mudam a configuração de suas
deposita em diversos países.
Observa-se ainda
ligações com os átomos vizinhos, podendo
que o campo é dominado pelas empresas e apenas
adicionar elétrons livres (que sobram sem se ligar
uma instituição universitária aparece na base de
com outros) ou criar buracos livres (sem ligação)
dados como maiores depositantes de patentes.
Já no semicondutor
com os quais o elétron pode se combinar. Ambas
as mudanças tornam o material mais condutível.
FIGURA 4 AQUI
O semicondutor que possui elétrons extras
Pelos dados da WIPO observa-se que não
existe nenhuma patente depositada no Brasil e
nem pelos brasileiros. Isto implica que não
existem empresas, universidades e institutos de
pesquisa
protegendo
suas
pesquisas
como
patentes. As atividades desta área podem estar
sendo publicadas em revistas e desta forma, tornase difícil para o Brasil reivindicar qualquer tipo de
proteção no campo industrial.
chama-se Semicondutor tipo N, uma vez que
possui
partículas
extras
negativas.
Nesses
semicondutores, os elétrons migram de uma área
carregada negativamente para uma área carregada
positivamente
O semicondutor que possui buracos extras
chama-se Semicondutor tipo P por possuir
partículas extras positivas. Os elétrons conseguem
“pular” de buraco em buraco, de uma área
negativa para uma área positiva, como resultado
os buracos aparentam mover-se de uma área
positiva para uma área negativa.
Um diodo é então composto por uma junção
Atualmente, todos os componentes eletrônicos
do semicondutor tipo-N com um do tipo-P sendo
computadorizados (microchips e transistores) são
que esse arranjo só conduz corrente elétrica em
feitos de materiais semicondutores, que possuem
um único sentido. Quando não se aplica voltagem
em sua maioria uma composição de silício. O
ao diodo, elétrons do semicondutor N preenchem
silício, assim como o germânio e o carbono possui
os buracos do semicondutor tipo P, formando a
uma propriedade única na sua estrutura eletrônica:
zona de depleção (Figura5) que separa as duas
quatro elétrons em sua camada de valência o que
camadas. Em uma zona de depleção não há como
permite que formem cristais, com um átomo
ocorrer condução de corrente, pois não existem
central ligado a mais quatro átomos vizinhos em
nem lacunas livres nem elétrons livres.
ligações covalentes perfeitas. Essa estrutura
perfeita, porém, não deixa elétrons livres para
FIGURA 5 AQUI
condução de corrente. Por isso existe a dopagem,
onde
Para se livrar da zona de depleção deve-
impurezas
(átomos
diferentes)
são
adicionadas ao componente (Figura 8).
se conectar ao tipo-N o pólo negativo e ao tipo-P o
Dopando-se Silício com Fósforo ou Arsênio,
pólo positivo, com isso os elétrons livres do tipo-N
é formado um semicondutor tipo-N, pois os
são repelidos pelos elétrons emitidos pelo pólo
dopantes possuem cinco elétrons em sua camada
negativo da tensão, e são levados para a região P o
de valência, ou seja, fazem cinco ligações e
diodo, da mesma forma, os buracos movem-se em
quando ligados ao Silício, que faz somente quatro,
direção contrária (Figura 6). Quando a tensão
sobra um elétron livre.
aplicada é forte o suficiente, os elétrons livres que
Dopando-se Silício com Boro ou Gálio, que
estavam nos buracos na zona de depleção são
fazem somente três ligações por terem somente
forçados para fora, a zona desaparece e a corrente
três elétrons em sua camada de valência, obtém-se
flui pelo diodo.
um semicondutor do tipo P, pois ao se ligarem
FIGURA 6 AQUI
com o Silício são formados buracos e o elétron do
silício não tem onde ligar-se. A falta de um elétron
Por outro lado, se conectarmos a região-N
cria o efeito de uma carga positiva.
do diodo ao pólo positivo da fonte de tensão e a
Assim, o silício passa de um material
região-P ao pólo negativo, a corrente não será
praticamente isolante pra um condutor viável (não
conduzida, isso porque os elétrons livres da região
ótimo) daí o nome semicondutor.
P serão atraídos pelo pólo positivo da tensão e o
mesmo acontecerá com os buracos e o pólo
FIGURA 8 AQUI
negativo (Figura 7). Assim, elétrons e buracos
ficarão concentrados em lados extremos do diodo,
2.3 PRODUÇÃO DE LUZ
o que aumenta a zona de depleção e não permitirá
A luz é um tipo de energia que pode ser
a condução de corrente.
emitida por um átomo. As partículas denominadas
fótons são as unidades básicas mais comuns da luz
FIGURA 7 AQUI
[2].
A eletroluminescência é a conversão da
2.2 DOPAGEM
eletricidade diretamente em luz, ou seja, um
fenômeno óptico e elétrico durante o qual um
material emite luz em resposta a uma corrente
2.3.1 TRANSIÇÕES RADIATIVAS:
elétrica que o atravessa. É o resultado da
Portadores de carga em excesso recombinam-
recombinação radioativa entre elétrons e lacunas.
se de forma radiativa e não-radiativa. As frações
Esse fenômeno pode ocorrer em uma variedade de
destas recombinações determinam a eficiência
sistemas em diferentes condições, mas o tipo de
quântica interna de um LED. Um mecanismo
eletroluminescência mais eficiente é o causado
intrínseco de recombinação radiativa é a transição
pela injeção de portadores em semicondutores. [3]
banda-a-banda, em que um par elétron-lacuna
Em um átomo, os elétrons estão dispostos em
recombina-se emitindo um fóton [2].
orbitais, sendo que os elétrons que possuem mais
A Figura 10 demonstra esquematicamente as
energia se localizam em orbitais mais distantes do
transições de recombinação básica dos portadores
núcleo. Para que um elétron mude de um orbital
em excesso em um semicondutor. Essas transições
para outro de maior energia é preciso fornecer
podem ser classificadas como:
energia a ele, da mesma forma, quando um elétron
(1) Transição inter-bandas
muda de um orbital para um de menor energia ele
libera energia. Esta energia é liberada na forma de
(a)
Emissão
intrínseca
correspondendo
similarmente à energia do bandgap
um fóton. Quanto maior for a diferença de energia
(b) Emissão de alta-energia envolvendo
entre os orbitais, mais energético é o fóton
portadores energéticos, às vezes relacionados por
liberado,que
emissão de avalancha.
também
possui
uma
maior
freqüência.
(2) Transições envolvendo impurezas químicas e
Os elétrons livres do diodo , quando
combinados com as lacunas, sofrem justamente
essa queda para um orbital mais baixo na banda de
valência, então esses elétrons liberam energia na
forma de fótons (Figura 9). Os fótons tornam-se
defeitos físicos.
(a) Banda de condução para defeito do tipo
aceptor
(b) Defeito tipo doador para banda de
valência.
visíveis dependendo do tipo de material usado no
(c) Defeito doador para defeito aceptor
diodo, por exemplo, em um diodo de silício os
(d) Banda-a-banda
átomos estão organizados de uma forma que o
(3) Transições intra-banda (Auger Process)
elétron sofre uma queda de orbital relativamente
baixa, conseqüentemente a freqüência do fóton é
FIGURA 10 AQUI
tão baixa que este não é visível ao olho humano,
pois está na faixa do infravermelho do espectro da
O número de onda de um fóton é muito
luz. O que não é necessariamente ruim, esses
pequeno se comparado com o de um elétron ou de
LEDS são ideais para controles remotos entre
uma lacuna, o que significa que a transição do
outros.
elétron da banda de condução para a banda de
LEDS emissores de luz visível possuem uma
maior distância entre a banda de condução e os
orbitais de baixa energia
valência é praticamente vertical no diagrama de
bandas.
Durante uma transição radiativa a energia e o
momento devem ser conservados. A conservação
FIGURA 9 AQUI
de energia resulta na energia do fóton ser igual à
distância entre os níveis ocupados pelo elétron e a
lacuna,
momento
respectivamente.
impõe
A
conservação
requerimentos
estritos
do
na
A Eficiência de alimentação é a fração da energia
média de um fóton emitido (hv) pela energia total
que um par elétron- lacuna recebe pela fonte de
potência.
estrutura da banda de energia do semicondutor
ŋ𝑓 =
usados nas regiões ativas dos LEDs [2].
ℎ𝑣
𝑞𝑉
Um material luminescente eficiente é o qual
transições radiativas predominam sobre as não-
V = voltagem, q = carga elementar.
radiativas. A recombinação banda-a-banda é o
processo onde a recombinação radiativa é mais
2.5 ASPECTOS FÍSICOS
provável.
FIGURA 11 AQUI
2.4 DESEMPENHO DO LED
FIGURA 12 AQUI
Considera-se que o desempenho do LED seja
determinado pelo seu processo de geração de luz.
Um dispositivo eletroluminescente por injeção é
caracterizado por sua eficiência radiante (ŋ𝑒 ). A
eficiência radiante é o fluxo radiante emitido em
relação à potência fornecida.
ŋ𝑒 = (ŋ𝑒𝑥𝑡 )(ŋ𝑓 )
ŋext é a eficiência quântica externa, ŋf
eficiência de alimentação.
2.5.1 CORES E MATERIAIS
TABELA 1 AQUI
2.6 VANTAGENS
Todos os diodos produzem luz, porém a
maioria não o faz de forma muito eficiente. Em
é a
um diodo simples o próprio material com que é
feito absorve muita energia da luz, já os LEDs são
construídos
A Eficiência quântica de um dispositivo foto
sensível é a porcentagem de fótons absorvidos que
irão produzir um par elétron-lacuna. É uma
medição precisa da sensibilidade elétrica do
dispositivo em relação à luz.
A Eficiência quântica externa é o número de
fótons emitidos pelo número de elétrons que
atravessaram o LED. É dada pelo produto da
eficiência quântica interna (ŋrad) pela eficiência de
injeção (ŋinj) e eficiência óptica (ŋopt)
ŋ𝑒𝑥𝑡 = (ŋ𝑖𝑛𝑗 )(ŋ𝑟𝑎𝑑 )( ŋ𝑜𝑝𝑡 )
A Eficiência de injeção é a fração dos elétrons que
atravessao o LED que são injetados na região
ativa, onde ocorre a recombinação radioativa
para
maximizar
essa
eficiência,
emitindo o máximo de fótons, e também,
concentrando essa emissão em uma direção
através do bulbo que envolve o dispositivo, a luz
emitida é então refletida por suas paredes até a
direção desejada.
Por
não
possuírem
um
filamento
incandescente, duram mais que as lâmpadas
comuns, chegando a funcionar por 20 mil horas,
além de se adaptarem mais facilmente aos
circuitos modernos. Tanto sua tensão como
corrente de operação são baixas.
Sua maior vantagem é a alta eficiência, pois
não existe alta quantidade de energia térmica
A Eficiência quântica interna é o número de pares
elétron-lacuna
que
se
recombinam
radioativamente entre o número total de pares que
recombinam na região ativa.
A Eficiência óptica é a fração de fótons gerados
que escapam pelo dispositivo.
dissipada, sendo assim uma maior porcentagem da
energia elétrica consumida é usada para a
produção de luz, economizando a demanda por
energia elétrica.
Apesar de serem mais caros que as lâmpadas
convencionais, em um longo prazo a economia de
energia compensa o investimento [4].
eficiência maior comparada à dos LEDs de
fósforo.
Existem vários tipos de LEDs brancos
LEDs são mais resistentes a vibrações e
multicoloridos: di, tri e tetracromáticos, ou seja, a
choques mecânicos o que aumenta ainda mais sua
combinação de dois, três ou quatro LEDs de cores
gama de aplicações.
diferentes para a obtenção da luz branca [5].
Geralmente uma maior eficiência implica em uma
2.7 DESVANTAGENS
renderização de cor mais baixa. Por exemplo,
As desvantagens no uso de LEDs são seu alto
LEDs brancos dicromáticos têm uma melhor
custo de produção em comparação com outras
eficiência luminosa (120 lm/W), mas a menor
lâmpadas,
capacidade
sua
forte
dependência
com
a
de
renderização
cromática.
Em
temperatura de funcionamento, sua sensibilidade a
contraponto, LEDs brancos tetracromáticos têm
alterações de voltagem (o que implica na
uma excelente capacidade de renderização de cor,
necessidade de um resistor no circuito), como
e conseqüentemente a eficiência luminosa mais
pode ser visto na Figura 13 a corrente produzida
baixa.
por
intermediários,
uma
polarização
direta
varia
LEDs
exponencialmente com a tensão. A qualidade da
luminosa
iluminação por LEDs ainda é inferior a das
renderização.
lâmpadas convencionais, podendo alterar a cor dos
objetos
por
ele
iluminados.
Sua
brancos
tendo
tricromáticos
ambas
(>70lm/W)
e
boa
estão
eficiência
capacidade
de
A obtenção de luz branca através de LEDs
maior
RGB apresenta alguns desafios. Deve ser levado
complexidade tecnológica para desenvolvimento
em consideração que para poder ser utilizada
ainda não é plenamente conhecida e não é muito
comercialmente
explorada no Brasil.
uniformidade da cor na distribuição espacial da luz
em
diversas
aplicações
a
da lâmpada de LEDs deve estar em níveis
aceitáveis. Esta uniformidade é dificilmente
FIGURA 13 AQUI
alcançada, pois misturando um ou mais LEDs
3.
vermelho, verde e azul, qualquer variação em uma
GERAÇÃO DE LUZ BRANCA
BASEADA NA MISTURA DE LEDs
AZUL, VERMELHO E VERDE
das cores ou um LED sequer pode causar uma
variação significante na cor resultante.
Lâmpadas baseadas em LEDs de alto brilho
A
Figura
14
mostra
as
coordenadas
RGB (vermelho, verde e azul) podem produzir
cromáticas obtidas com LEDs InGaN e AlInGaP .
quase qualquer cor, inclusive luz branca. A
A área
eficiência luminosa da luz branca emitida por
coordenadas de cor alcançáveis em uma lâmpada
lâmpadas de LED já ultrapassa a eficiência das
de LEDs usando LEDs Azul (450nm), Verde
lâmpadas incandescentes.
(530nm)
dentro
e
do triângulo
Vermelho
representa
(650nm).
as
Qualquer
Existem dois tipos de geração de luz branca a
coordenada de cor (incluindo branco) dentro deste
partir de LEDs: utilizando fósforo ou então LEDs
triângulo pode ser obtida combinando quantidades
multicoloridos
apropriadas das luzes dos LEDs vermelho, verde e
(incluindo
LEDs
RGB).
A
combinação de LEDs RGB proporciona uma
azul.
FIGURA 14 AQUI
3.1 MANUTENÇÃO DA COR E
INTENSIDADE DA LUZ
FIGURA 16 AQUI
Por ser um semicondutor, o LED tem suas
Questões térmicas: A eficácia luminosa da
características de emissão de luz afetadas por
luz branca decai com o aumento da temperatura
vários fatores como temperatura e corrente.
como no gráfico abaixo:
Efeito da temperatura: A potência elétrica
FIGURA 17 AQUI
que é perdida em calor dissipado causa um
aumento de temperatura na junção p-n do LED. A
A obtenção de luz branca através da
saída de luz do LED vermelho AlInGaP é reduzida
combinação de LEDs RGB oferece não somente
em 10% a cada aumento de 10 graus Celsius. Nos
uma alternativa para produção de luz branca, mas
LEDs InGaN verde e azul a mesma é reduzida em
também uma técnica nova de produção de
5% e 2% respectivamente. O espectro do LED
diferentes cores de luz. Antes que esse tipo de
varia para comprimentos de onda mais longos com
LED possa ser produzido de forma viável, muitas
um aumento de temperatura.
técnicas e problemas precisam ser resolvidos, o
A
Figura
15
mostra
a
variação
das
que
inclui
o
fato
da
sua
potência
cair
um
aumento
de
coordenadas de cor com a temperatura para LEDs
exponencialmente
vermelho, verde e azul. O LED azul possui uma
temperatura, resultando em uma mudança drástica
maior variação em comparação com os LEDs
na estabilidade da cor. Tais problemas não são
vermelho e verde.
aceitáveis para uso industrial e comercial.
FIGURA 15 AQUI
4.
com
GERAÇÃO DE LUZ BRANCA POR
LEDS À BASE DE FÓSFORO
Efeito da idade: A emissão de luz dos LEDs
Este método é similar ao usado nas lâmpadas
brancos multicoloridos muda conforme o tempo.
fluorescentes, e envolve o uso de filtros em um
Em geral, a emissão de luz decresce com o tempo
LED monocromático (o mais utilizado é LED
e atinge 50% da emissão inicial após 50 mil horas
azul, feito de InGaN e o LED UV) . Uma fração
de operação. O que resulta em mudanças em um
das ondas de luz azul sofre um aumento em seu
LED RGD que não podem ser previstas.
comprimento. Dependendo da cor do LED
original, fósforos de diferentes corem podem ser
Efeito da corrente: O espectro do LED
utilizados. Se diversas camadas de fósforos de
branco multicolorido muda para comprimentos de
cores distintas são empregadas, o espectro emitido
onda menores conforme o aumento da corrente. A
é
variação resultante pode ser observada no gráfico
renderização cromática de um dado LED.
aumentado,
aumentando
efetivamente
a
abaixo. Pode se observar que as variações no LED
LEDs à base de fósforo têm mais baixa
vermelho são mínimas se comparadas com as
eficiência se comparados com LEDs normais
variações dos LEDs verde e azul. Se essas grandes
devido às perdas de calor e a outras degradações
variações não forem levadas em consideração, a
relacionadas com o fósforo, o que causa uma
precisão para obtenção da cor branca não poderá
mudança de cor nos objetos por ele iluminados.
ser mantida.
Porém, essa técnica é a mais popularmente
automóveis, pois seu poder de iluminação é alto o
utilizada para produção de LEDs brancos de alta
suficiente para ser visível mesmo quando expostos
intensidade, sendo mais simples que a técnica de
à luz solar direta. Na área médica os LEDs podem
mistura das cores primárias nos LEDs brancos
ser
multicoloridos.
fotodinâmica (utilizada no combate ao câncer) e
encontrados
em
fototerapia,
terapia
A maior barreira para obtenção de uma maior
polimerização de compostos dentários. Na área
eficiência são as aparentemente inevitáveis perdas
botânica LEDs são usados para interferir no
de energia, embora muito esforço tenha sido feito
processo de fotossíntese das plantas, aumentando
para otimização desses dispositivos em busca de
seu crescimento. Dentre os instrumentos para
maior poder luminoso e temperaturas de operação
medições óticas podemos encontrar LEDs em
mais altas. A eficiência, por exemplo, pode ser
sensores de fluorescência e espectroscopia. Outra
aumentada utilizando-se tipos de fósforo mais
recente aplicação para LEDs é em TVs ou também
suscetíveis. Com o seu eminente desenvolvimento,
como
a eficiência dos LEDs à base de fósforo cresce a
em TVs de LCD ( Figuras 18 e 19 ).
backlight
(luz
de
cada novo produto anunciado no mercado. OLEDs
FIGURA 18 AQUI
também são capazes de emitir luz branca de
FIGURA 19 AQUI
fundo)
acordo com a combinação de seus materiais
componentes.
É na iluminação que os LEDs, principalmente
os emissores de luz branca, encontram sua
5.
APLICAÇÕES PARA O LED
aplicação mais promissora. A proposta de uma
O uso comercial do LED começou no final de
iluminação geral feita por LEDs é garantir um
1960. Os primeiros LEDs, hoje obsoletos, eram
nível de iluminação uniforme em uma área.
conhecidos como pequenas lâmpadas coloridas
Incluindo iluminação residencial, de escritório,
usadas como indicadores em diversos tipos de
industrial, de estabelecimentos como escolas e
aparelhos eletrônicos. Mais tarde LEDs foram
hospitais e também sinalizações em estradas. A
utilizados em displays alfanuméricos (compostos
iluminação baseada em LEDs é uma aplicação em
por pontos e barras), nas primeiras calculadoras e
constante
evolução,
relógios eletrônicos.
vantagens.
O
Com um maior desenvolvimento tecnológico
seu
apresentando
pequeno
muitas
tamanho,
e
a
possibilidade de direção da luz oferecem uma
atual, que envolve um aumento da capacidade
facilidade
luminosa, da eficiência e uma diminuição do custo
arquitetônicos e versatilidade em design. Além
dos dispositivos, a gama de aplicações para os
disso, esta iluminação vai ao encontro dos padrões
LEDs tende a aumentar. As principais vantagens
ambientais, pois LEDs não contêm mercúrio e
do LED sobre as outras lâmpadas são o menor
também possuem um baixo consumo elétrico com
consumo
maior
uma alta eficiência luminosa. LEDs brancos de
durabilidade, que implica na diminuição dos
fósforo já superaram as lâmpadas incandescentes
custos para manutenção.
convencionais em termos de eficiência luminosa e
de
Atualmente,
energia
LEDs
elétrica
são
e
a
utilizados
em
semáforos e demais sinalizações de trânsito, em
displays alfanuméricos e de vídeo e sinalização em
dispositivos
de
integração
com
séries
com
desses
alcançaram as lâmpadas fluorescentes.
elementos
LEDs
já
O maior impedimento desta aplicação é o alto
forma é possível investir menos na construção de
custo em comparação com as outras lâmpadas,
novas usinas e priorizar os recursos financeiros em
porém, este empecilho está diminuindo por um
outras áreas carentes da sociedade brasileira. [4]
fator de 10 a cada 10 anos. Considerando a longa
durabilidade dos LEDs, é esperado que a partir da
6.
segunda década do século XXI não existam mais
A iluminação geral a base de LEDs brancos,
empecilhos para esta tecnologia.
CONCLUSÃO
atualmente ainda na fase experimental, se mostra
muito promissora em termos de economia
5.1 PANORAMA SOBRE A ENERGIA
energética.
ELÉTRICA NO BRASIL
As aplicações para iluminação requerem um
No Brasil, estima-se que 30% de toda a
alto fluxo luminoso, cuja geração por LEDs
energia elétrica consumida é utilizada para
apresenta atualmente um custo mais elevado,
iluminação [4]. Isto significa que dos 444,6 TWh
porém, em um futuro próximo espera-se uma
gerados em 2007 [6], 133TWh foram necessários
queda em seu preço e o desenvolvimento de
para tal fim. Se compararmos a energia elétrica
dispositivos mais eficientes que contribuam para
gerada anualmente em Itaipu, estimada em média
um uso mais racional da energia elétrica sem
de
seu
perda de qualidade para o consumidor e que
à
ofereçam ao nosso país alternativas para um
90
TWh,
funcionamento
concluímos
em
2007
que
foi
todo
destinado
iluminação [4]. Outra analogia pode ser feita
melhor investimento de seus recursos financeiros.
considerando que se as lâmpadas convencionais
No Brasil não existe nenhuma patente
possuem uma eficiência em torno de 20% [1],
depositada na área de LEDs, o que é preocupante
106,7
TWh foram gastos em resíduo térmico
já que o Brasil está entre os maiores consumidores
dissipado. Considerando a atual estimativa da
de energia elétrica no mundo, isto demonstra que
Eletronuclear de que a usina Angra III, ainda em
ocorrerá uma grande dependência de fornecedores
construção, irá gerar anualmente 10,6 TWh ,
estrangeiros para fornecimento de LEDs para
percebemos que seriam necessárias dez usinas
iluminação e para equipamentos eletrônicos.
equivalentes para gerar somente o resíduo térmico
dissipado.
De
7.
acordo
com
as
expectativas
AGRADECIMENTOS
de
Ao Prof.Dr. Jorge Tomioka, minha gratidão
crescimento econômico no Brasil, nos próximos
por orientar-me a suplantar os obstáculos e a
anos serão necessários maiores investimentos em
desafiar minhas próprias dificuldades ao iniciar-
geração, transmissão e distribuição de energia
me no fantástico mundo do conhecimento.
elétrica. A construção de novas usinas além do
grande
investimento
financeiro
implica
em
Aos meus pais, que sempre me deram
incentivo para o estudo e esperança para o futuro.
alterações ambientais (inundação e desapropriação
de grandes áreas para usinas hidrelétricas,
aumento
na
emissão
de
CO2
para
8.
REFERÊNCIAS
usinas
termoelétricas). A simples mudança na tecnologia
[1]
Zukauskas, A., Shur, M. S., Caska,R.
em iluminação já quebra vários paradigmas na
“Introduction to Solid State Lighting”. New
forma de consumo de energia elétrica. Desta
York. Wiley, 2002.
[2]
Millman, J., Halkias, C. C. “Eletrônica:
Dispositivos e Circuitos”.Tóquio.McGrawHill Kogakusha, 1981.
[3]
Sze, S.M., Kwowk, K.Ng. “Physics of
Semiconductor Devices”, 3 ed. Canada
.Wiley,2007
[4]
Tomioka,J., Mammana, A.P., Souza,G.P.,
Muller,S.L.R., Robert,R. “Novos Materiais
de Estado Sólido para Iluminação”. In:
SEMINÁRIO NACIONAL DE
PROUDUÇÃO E TRANSMISSÃO DE
Figura 2: Número de patentes concedidas em LEDs
ENERGIA ELÉTRICA, Curitiba – Paraná,
2005.
[5]
Muthu,S.;Schuurmans,F.J.,
Pashley,M.D."Red, Green, Blue LED based
white light generation: Issues and
control".IEEE, 2002.
[6]
EMPRESA DE PESQUISA ENERGÉTICA
(BRASIL). “Balanço Energético
Nacional2008: Ano base 2007”. Empresa de
Pesquisa Energética. Rio de Janeiro: EPE,
2008. 244p.
Figura 3: Número de patentes por país
Figura 4: Maiores depositantes de patentes em LEDs
Figura1 – Evolução da tecnologia das lâmpadas utilizadas em
iluminação.
Figura 5 - A formação da zona de depleção em um
diodo.
Figura 9 – Formação de um fóton pela combinação de
um elétron e uma lacuna.
Figura 6- Desaparecimento da zona de depleção
em um diodo.
Figura 10 – Transições de recombinação básicas em
um semicondutor. Ed, Ea, Et são armadilhas do tipo
doadora, aceptora e nível-profundo, respectivamente.
Figura 7- Aumento da zona de depleção em um diodo.
Figura 8 – Dopagem em um semicondutor de silício.
Figura 11 – Componentes de um LED.
Figura 12 – Vários exemplos de LEDs.
Figura 16 – Variação nas coordenadas cromáticas de
um LED RGB a uma temperatura constante. [5]
Figura 13 – Curva I x V de um diodo
Figura 17 - Degradação da luz branca (lm/W) com
aumento da temperatura [5].
Figura 14 – Sistema de coordenadas uv (CIE 1964),
mostrando as coordenadas de LEDs InGaN e
AlInGaP.[5]
Figura 18 – TV a LED.
Figura 15 – Variação nas coordenadas de cor como
função da temperatura. [5]
Figura 19 – LED como backlight para TV de LCD
Cor
Infravermelho
Comprimento
Voltagem [V]
de onda [nm]
Material
Semicondutor
λ > 760
ΔV < 1.9
Vermelho
610 < λ < 760
1.63<ΔV<2.03
Laranja
590 < λ < 610
2.03<ΔV<2.10
Amarelo
570 < λ < 590
2.10<ΔV<2.18
Verde
500 < λ < 570
2.18<ΔV<4.0
GaAs, AlGaAs
AlGaAs, GaAsP,
AlGaInP, GaP
GaAsP, AlGaInP,
GaP
GaAsP, AlGaInP,
GaP
InGaN, GaN, GaP,
AlGaInP, AlGaP
Azul
450 < λ < 500
2.48<ΔV<3.7
ZnSe, InGaN, SiC
Roxo
Múltiplos
tipos
2.48<ΔV<3.7
LED azul com
fósforo vermelho
400 < λ < 450
2.76<ΔV<4.0
λ < 400
Espectro
aberto
3.1<ΔV<4.4
Violeta
UV
Branco
ΔV = 3.5
InGaN
AlN,AlGaN,
AlGaInN)(<210nm)
LEDs azul/UV com
fósforo amarelo
Tabela 1 – Cores e seus respectivos comprimentos de
onda, voltagem e materiais.