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