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INSTITUTO DE ELETROTÉCNICA E ENERGIA
Pós-doutorando: Dr. Elvo Calixto Burini Junior
“TECNOLOGIA DO LED DE ILUMINAÇÃO”
Thomas Alva Edison
Itália (1847) – EUA (1931)
ABINEE - Associação Brasileira
da Indústria Elétrica e Eletrônica
Reunião do Grupo de PD & I
Abril, 9, 2013, São Paulo, Capital
ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS
Pós-doutorando: Dr. Emerson Roberto Santos
Sumário
OLEDs:
Aplicações dos dispositivos OLEDs;
Quais as principais diferenças entre um LED e um OLED;
Comparação entre uma tela de LCD e uma tela em OLED;
Como caracterizamos os OLEDs;
Processo de montagem de OLEDs em elaboratório.
LEDs:
Resumo;
Introdução;
Transformando eletricidade em luz visível ;
Comparando tecnologias para luz elétrica;
Barreiras;
Usuários/consumidores;
Vida útil 100kh (sob qual temperatura???
Custos para produzir luz;
Agradecimentos;
Bibliografia.
OLEDs
(Organic Light Emitting Diodes)
Diodos Orgânico Emissor de Luz
Aplicações dos dispositivos OLEDs
TV da LG
TV da Samsung
OLED da Siemens
Pioneer (1998)
Philips
(2001)
OLED (abajur) da Philips
Kodak LS 633
(ano 2000)
Painel da GE OSRAM
6
Eastman Kodak
2008
Solvay
Quais as principais diferenças
entre um LED e um OLED???
Diferenças entre dispositivos LEDs e OLEDs:
• OLEDs possuem espessuras menores nas camadas, garantindo
leveza no dispositivo final;
• As cores emitidas pelos OLEDs são mais brilhantes que os LEDs
inorgânicos;
• Nos displays com OLEDs, não há necessidade de “luz de fundo”
(ou backlight), como nos LCDs, o próprio OLED emite a luz;
• Os displays com OLEDs possuem maior ângulo de visualização
(≈180 ), o que não ocorrem com os LCDs;
• Processo de fabricação dos OLEDs é mais simplificado, se
comparado com os LEDs inorgânicos.
Comparação entre uma tela de
LCD e uma tela de OLED
Como caracterizamos os
OLEDs???
Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente
Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente
Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente
Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente
Tensão de limiar
Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente
Tensão de limiar Espectrorradiômetro: Intensidade vs. Comprimento de Onda
Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente
Tensão de limiar
Espectrorradiômetro: Intensidade vs. Comprimento de Onda
Luminancímetro e colorímetro: Luminância
Processo de montagem
de OLED em laboratório
Os OLEDs são produzidos pela sobreposição de camadas. Cada
camada possui uma funcionalidade específica que é característica
de cada material, portanto existe uma ordem lógica de montagem.
Base do dispositivos: Transparente
Base do dispositivos: Transparente
Eletrodo anodo: TCO
Eletrodo anodo: TCO
Polímero semicondutor e transparente
Base do dispositivos: Transparente
Eletrodo anodo: TCO
Polímero semicondutor e transparente
Polímero emissor de luz
Base do dispositivos: Transparente
Eletrodo anodo: TCO
Polímero semicondutor e transparente
Material orgânico semicondutor
Polímero emissor de luz
Base do dispositivos: Transparente
Eletrodo anodo: TCO
Polímero semicondutor e transparente
Material orgânico semicondutor
Polímero emissor de luz
Eletrodo catodo: metal
Base do dispositivos: Transparente
Eletrodo anodo: TCO
Polímero semicondutor e transparente
Material orgânico semicondutor
Polímero emissor de luz
Eletrodo catodo: metal
Encapsulamento
Base do dispositivos: Transparente
Porque é realizado o encapsulamento do dispositivo???
Barreira: encapsulamento...
Porque é realizado o encapsulamento do dispositivo???
Barreira: encapsulamento...
OS MATERIAIS UTILIZADOS, PRINCIPALMENTE OS EMISSORES DE LUZ,
POSSUEM VULNERABILIDADE AO ATAQUE QUÍMICO COM:
• ÁGUA (do ambiente);
• Oxigênio (do ambiente);
• UV do Ambiente.
DEGRADAM e DIMINUEM O
TEMPO DE VIDA DO
DISPOSITIVO
Como fazemos para diminuir a exposição dos dispositivos
à ÁGUA, OXIGÊNIO e UV (além do encapsulamento)???
SOLUÇÃO: CÂMARA GLOVE BOX
RESPOSTA: montar os dispositivos em ambiente fechado e controlado.
(Sem a presença de água, oxigênio e UV).
Como fazemos para diminuir a exposição dos dispositivos
à ÁGUA, OXIGÊNIO e UV (além do encapsulamento)???
4,5 V a 18 V 1 mA a 70 mA
< 100 cd/m2
Polímero Emissor Comercial
Polímero Emissor
Desenvolvido no
Laboratório
LED Verde - 5 mm
2 V 74 mA
≈ 20.000 cd/m2
LED Amarelo - 5 mm
1,7 V 22 mA
≈ 7.000 cd/m2
LED Vermelho - 5 mm
1,5 V 19 mA
≈ 5.000 cd/m2
LED Azul - 5 mm
2,5 V 50 mA
≈ 250.000 cd/m2
LED Branco - 5 mm
2,5 V 100 mA
≈ 900.000 cd/m2
Título: Máximo Desempenho e
Degradação em LEDs
4,5 V a 15 V 1 mA a 70 mA
< 100 cd/m2
Emissor
Diluído em
Diferentes
Solventes
Triclorobenzeno
Tetrahidrofurano
Diclorometano
Clorofórmio
http://www.newscenter.philips.com/br_pt/standard/about/news/press/article-201011291.wpd#.UWMY0Hm5fIU
A empresa uniu esforços com a Fundação CERTI, com o apoio do FUNTEC, para desenvolver um
projeto de pesquisa, desenvolvimento e produção voltada aos mercados emergentes.
O OLED revolucionará o conceito de fonte de iluminação, pois permite o uso de lâminas emissoras de
luz no lugar de lâmpadas.
https://www.lumiblade-shop.com/index.php/
EQUIPE DO LABORATÓRIO DE ENGENHARIA DE
MACROMOLÉCULAS
Líder do Grupo: Profa. Dra. Wang Shu Hui
Pós-doutorando: Dr. Emerson Roberto Santos
Doutorando: Me. Fábio Conte Correia
Me. Eduardo Cavalcante da Silva
Me. Etunísia Eufrausino Shuler
Mestrandos: Herick Garcia Takimoto
Fernanda Barberato
Satoru Yoshida
Iniciação Científica: José Igor Balbino de Moraes
Camila Bassetti de Oliveira
Juliana Aparecida Vendrami
Profa. Dra. Marcia Akemi Yamasoe
PRINCIPAIS COLABORADORES:
Prof. Dr. Roberto Koji Onmori
Cursos de: Materiais, Processos e Componentes Eletrônicos
Eletrônica Industrial
LEDs
“Tecnologias LED – LP (OLED /PLED)
para Iluminação (SSL)”
Uma abordagem visando introduzir as tecnologias SSL;
LEDs com base em material orgânico/ híbridos e inorgânico;
A apresentação faz foco na eficiência energética e tópicos relevantes, dados coligidos da literatura;
O cenário: uma provável transição em fontes de luz para iluminação, a fluorescente dando lugar a luz produzida por dispositivos de microeletrônica (Solid State Lighting – SSL); e
As fontes de luz artificial passarão a ser montadas com base em materiais da eletrônica em estado sólido e processos de microeletrônica (SSL).
RESUMO
BURINI JUNIOR, E. C., SANTOS, E. R., Tecnologias LED – LP (OLED /PLED) para Iluminação (SSL)
Estados Unidos da América
Consumo anual de eletricidade (EUA) conforme setor e tipo de fonte de luz. Fonte: DOE, EUA, 2010 [6].
Introdução
Transformação no mercado de lâmpadas fluorescentes convencionais (lineares) em
função do diâmetro do bulbo (T12; T8 e T5). Fonte: [email protected], 2011.
Fig.3 - Padrão de eficiência norte americano para lâmpadas fluorescentes
convencionais. Fonte: [email protected], 2011.
Introdução
definição de eletroluminescência (p.20, item 3.4.24, TB-23/1991 ou NBR 5461)
“Luminescência causada pela ação de uma campo elétrico sobre um gás ou um material sólido
(... tal como num diodo emissor de luz). (845-04-24)”
Diodo emissor de luz /”Diodo LED” (p.21, item 3.4.40, TB-23/1991 ou NBR 5461)
“Dispositivo de estado sólido que compreende uma junção PN, e que emite radiação óptica quando excitado por corrente elétrica.”
Introdução - terminologia
Tabela periódica de elementos: grupos III e V.
A dimensão nanométrica:
49
Ampliando/alargando o conceito de diodo emissor de luz (do inglês Light-Emitting Diode - LED)
Diodo emissor de luz (LED) é um dispositivo semicondutor que emite luz incoerente num espectro estreito (≈30 nm)quando polarizado eletricamente no sentido denominado direto. Tal efeito é uma forma de eletroluminescência. A cor da luz emitida depende da composição química do material semicondutor utilizado no dispositivo. A seguir alguns materiais (siglas) e a cor típica predominante na emissão por LEDs.
GaAs, AlGaAs - vermelha e IR;
AlGaP - verde;
AlGaInP – (alto brilho) laranja-vermelho, laranja, amarela e verde;
GaAsP - vermelha, laranja-vermelho, laranja e amarela;
GaN - verde e azul;
InGaN - UV próximo, verde-azulado e azul;
AlN, AlGaN - UV próximo e distante.
.
Introdução - terminologia
O primeiro LED, 1962
SSL: LEDs inorgânicos.
Diferentes formatos (arte prévia) e indicação de partes componentes de
LED inorgânico (vista em corte). Fonte: YUAN, T. et al., Solid state lighting component (patente: US 20120241781 A1), 2012.
Outro formatos e aspectos construtivos de LED inorgânico.
Porque o Custo do LED é Elevado ?
2 – Transformando eletricidade em luz visível
A luz branca pode ser obtida a partir de composição adequada de fontes (ou “cores”) primarias (sistema aditivo: R, G, B) ou fotoluminescência (luminescência causada pela absorção de radiação óptica, geralmente, azul ou UV). A fluorescência é outro tipo de luminescência, cuja emissão geralmente ocorre 10 nano segundos após a radiação de excitação.
Iluminação: como a luz branca costuma ser feita com LEDi
O LED inorgânico: da pastilha a luminária montada.
Fonte: Licht.vissen 17 (p.23), 2010.
Eficiência comparativa entre tecnologias e limite previsto. Fonte: Licht.vissen 17 (p.19), 2010.
Eficiência comparativa entre tecnologias e limite previsto. Limites da figura 3. Fonte: [11], 2010.
61 SSL e seus componentes.
Fonte: http://www.ecnmag.com/articles/2011/01/introduction-solid-state-lighting.
62
Detalhamento dos componentes de um SSL
(a proteção contra surto não está indicada). Fonte: http://www.digikey.com/us/en/ph/TE/nevalo.html.
3 – Comparando tecnologias para luz elétrica
A partição do investimento norte-americano para as tecnologias SSL
(os valores estão aproximados: 70% em LEDi). Fonte: DOE SSL R&D funding in 2011.
Tabela 2 – Meta projetada para parâmetros selecionados, tecnologia
emergente (SSL-LED) e convencional (incandescente e fluorescente) para
iluminação. Fonte: [7].
Parâmetro /
Tecnologia
SSL-LED 2002
SSL-LED 2007 SSL-LED 2012 SSL-LED 2020 Incandesc. Fluoresc.
Eficiência
luminosa
(lm/W)
25 75 150 200 16 85
Vida útil (kh) 20 >20 >100 >100 1 10
Fluxo
luminoso
(lm/lamp.)
25 200 1,000 1,500 1,200 3,400
Potência
nominal
(W/lamp.)
1 2,7 6,7 7,5 75 40
Custo do
pacote de
lumens
($/klm)
200 20 <5 <2 0,4 1,5
Custo da
lâmpada
($/lamp.)
5 4 <5 <3 0,5 5
Índicie de
reprodução de
cor (IRC)
75 80 >80 >80 95 75
Nicho de
penetração
nos mercados
de iluminação
Fluxo reduzido
Incandescente
Fluorescente todos
Definição de regiões em plano: fluxo luminoso e eficiência, amostras de
fontes de luz (Caliper # 9) com diferentes tecnologias. Fontes: [14, 15].
4 - Barreiras
Autores e alguma inter-relação relativa a patentes nos EUA.
Autores e inter-relação WLED relativa a patentes nos EUA.
O estado da Arte (inclui indicação de partes componentes de LED inorgânico.
Fonte: [10].
5 – Usuários/consumidores
Informações aos usuários australianos sobre características
de luminária SSL. Fonte: Austrália (ver acima).
Imagem de fonte de luz elétrica disponível comercialmente, base tipo E-27, e
dimensões externas compatíveis co lâmpada incandescente convencional. Fonte: http://www.liquidleds.com.au/6-watt-240-volt-clear-dimmable-edison-led-globe-edison-screw-e27.html.
O comportamento da potência elétrica nominal segundo amostras coletadas
anualmente desde 2006 para produtos com LED inorgânico. Fonte: [13] DOE, EUA, Dez., 2012.
O comportamento do fluxo luminoso segundo amostras coletadas anualmente
desde 2006 para produtos com LED inorgânico.
Fonte: PNNL-AS-92469, CALiPER, DOE, EUA, Dez., 2012.
O comportamento da eficiêncide luz primária (lampada) segundo amostras
coletadas anualmente desde 2006 para produtos com LED inorgânico.
Fonte: PNNL-SA-92469, CALiPER, DOE, EUA, Dez., 2012.
O comportamento da eficiência segundo amostras coletadas anualmente desde
2006 para produtos com LED inorgânico. Fonte: PNNL-SA-92469, CALiPER, DOE, EUA, Dez., 2012.
O comportamento do IRC segundo amostras coletadas anualmente desde 2006
para produtos com LED inorgânico. Fonte: PNNL-AS-92469, CALiPER, DOE, EUA, Dez., 2012.
6 – Vida útil:100 kh (sob qual temperatura ?)
ariação da vida nominal (2005) em função da temperatura de
funcionamento de LED inorgânico. Fonte: [16].
7 – Custos para produzir luz
82
O progresso no desenvolvimento do LEDi, descrito por uma relação logarítmica (lei
de Haitz): a emissão de luz de dispositivos LEDs praticamente dobraram a cada
dois anos, enquanto o custo caiu pela metade. Fonte: [8].
Comparação de custos: equipamento tipo spot LED e
incandescente a halogênio. Fonte: [11], 2010.
Comparação de custos: equipamento tipo LED e fluorescente. Fonte: [11], 2010.
Custo de capital e funcionamento, em US$/Mlm.h para algumas tecnologias de fonte
de luz primária (incandescente, fluorescente, HID e SSL/ano). Fonte: [7].
Tabela 3 – Comparativo de tecnologias para iluminação (luz branca). Fonte: [9].
Programas nacionais, metas e informações para a tecnologia SSL / LEDs.
Fonte: LIU, Y S, 2004 (http://www.phys.nthu.edu.tw/~colloquium/930512_Physics_abb.pdf).
Referências Bibliográficas
[1] ABNT TB-23/1991 (NBR 5461) Iluminação – terminologia. p.20, item 3.4.24, 1991.
[2] ABNT TB-23/1991 (NBR 5461) Iluminação – terminologia. p.21, item 3.4.40, 1991.
[3] HELD, G Introduction to Light Emitting Diode Technology and applications. 192p., TAYLOR & FRANCIS LTD, Print ISBN: 978-1-4200-7662-2 (www.auerbach-publications.com), 2008.
[4] TANG, C. W. and S. A. Vanslyke, Appl. Phys. Lett. 51, 913 (1987).
[5] SHUR, M. S.; Gaska, R. (2011) Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes. IEEE Transactions on Electron Devices, v.57, n.1, p.12-25, 2010.
[6] 2010 US Lighting Market Characterization Report. Solid-State Lighting Program, Building Technologies Program, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy – DOE, p.xiii, Fig. ES-1, Jan., 2012.
[7] TSAO, J Y Light Emitting Diodes (LEDs) for General Illumination. AN OIDA TECHNOLOGY ROADMAP UPDATE 2002, p.5, Tab.1, Oct., 2002.
[8] Nanoworld Slide Show Library, Light Emitting Diodes (NSTA Minneapolis), University of Wisconsin-Madison. Material (Slide) disponível em: http://education.mrsec.wisc.edu/SlideShow/slides/LED_applications/Haitz.html.
[9] HSIEH, C-C Analysis of LED Technologies for Solid State Lighting Markets. Technical Report No. UCB/EECS-2012-156, Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkeley, June 2, 2012.
[10] YUAN, T. et al., Solid state lighting component (patente: US 20120241781 A1), 2012.
[11] Licht.vissen 17- LED The light of the Future, 58p., 2010 (www.all-about-light.de), 2010.
[12] OHNO, Y Color Rendering and Luminous Efficacy of White LED Spectra. Fourth International Conference on Solid State Lighting, Proc. of SPIE Vol. 5530, p.89, SPIE, Bellingham, WA, 2004. doi: 10.1117/12.565757.
[13] PNNL-AS-92469, CALiPER year in review, 3p., DOE, EUA, Dez., 2012.
[14] DOE Solid-State Lighting CALiPER Program. Summary of Results: Round 9 of Product Testing, 32p., US Department of Energy, Out., 2009.
Referências Bibliográficas
[15] TYAN, Y-S (2011) Organic light-emitting-diode lighting overview. Journal of Photonics for Energy, v.1, n.1, p.011009-3, Fig.2, Special Section on Organic Light-Emitting Materials and Devices, (doi:10.1117/1.3529412), 2011.
[16] ALLEN, D. Solid state lighting component (patente: US 2006/0098440 A1), 31 jan 2005.
[17] “Energy Conservation Standards and Test Procedures for General Service Fluorescent Lamps and Incandescent Reflector Lamps Energy”, (Final rule), Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy, Federal Register, v.74, n.133, July 14, 2009. <http://www.gpo.gov/fdsys/pkg/FR-2009-07-14/pdf/E9-15710.pdf>.
[18] SSL R&D: Manufacturing Roadmap, p.19, Fig.1-3, DOE, USA, Ago., 2012.
[19] CALiPER Application Summary Report 19: LED Linear Pendants, DOE, EUA, Out., 2012.
Endereço: Universidade de São Paulo,
Instituto de Energia e Ambiente,
Av. Prof. Luciano Gualberto, n. 1289, CEP: 05508–010, Cidade Universitária – São Paulo – SP, Brasil Tel.: +55 (11) 3091-2572 e Fax: +55 (11) 3812-9251. e-mail: [email protected] .
BURINI JUNIOR, E. C., SANTOS, E. R., Tecnologias LED – LP (OLED /PLED) para Iluminação (SSL)
Perguntas ?
AGRADECIMENTOS
Ao Dr. Emerson Roberto Santos, parceiro em atividades na USP, pela
gentileza do convite para participar dessa apresentação na ABINEE,
Ao Prof. Adnei Melges de Andrade pelo convite que permitiu nossa entrada
para explorar a eletrônica denominada orgânica.
Os autores deste trabalho agradecem a: ABINEE, ao apoio da
CAPES (n.23/09) e as pessoas da assistência.
E-mail:
