Reinaldo Trindade Proençalivros01.livrosgratis.com.br/cp069391.pdf · Técnicas Nucleares da UFMG pela colaboração ao longo do curso. Aos familiares e amigos que de perto ou de

Reinaldo Trindade Proença

Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG

Junho de 2007

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial a obtenção do título de Mestre em Ciências e Técnicas Nucleares. Área de Concentração: Engenharia da Energia Orientador: José Roberto Tavares Branco Co-Orientador: Ricardo Brant Pinheiro

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PESQUISA E DESENVOLVIMENTO DE

FILMES FINOS DE TiO2 PARA

JANELAS INTELIGENTES



PESQUISA E DESENVOLVIMENTO DE FILMES FINOS DE TiO2 PARA JANELAS INTELIGENTES

Belo Horizonte Escola de Engenharia

2007

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares (CCTN) da Escola de Engenharia da Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Área de concentração: Engenharia da Energia Orientador: José Roberto Tavares Branco Rede Temática de Materiais, Universidade Federal de Ouro Preto Co-orientador: Ricardo Brant Pinheiro Escola de Engenharia, Universidade Federal de Minas Geais

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E TÉCNICAS NUCLEARES

Dissertação intitulada “Pesquisa e Desenvolvimento de Filmes Finos de TiO2 para Janelas Inteligentes ” de autoria do mestrando Reinaldo Trindade Proença , aprovada pela banca examinadora constituída pelos seguintes professores:

____________________________________________ Prof. Lauro de Vilhena Brandão Machado Neto, Dr.

____________________________________________ Prof.ª Antônia Sônia Alves Cardoso Diniz, Ph.D.

____________________________________________ Prof. Ricardo Brant Pinheiro, Prof. Dr. – Co-Orientador

_____________________________________________ Prof. José Roberto Tavares Branco, Ph.D. - Orientador

Belo Horizonte

2007

AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus por iluminar o meu caminho e permitir mais essa realização. Aos meus pais, Heleno e Francisca que proporcionaram e contribuíram neste momento e também como exemplos; aos meus irmãos Lucas e Raquel pela amizade e incentivo. A minha esposa Fernanda, fiel companheira e parceira nos estudos. Ao Dr. José Roberto Tavares Branco, pela oportunidade, amizade, orientação e confiança. Ao Dr. Ricardo Brant Pinheiro, pelos conhecimentos transmitidos ao longo dos últimos anos. Aos colegas do Laboratório de Engenharia e Modificações de Superfícies (LEMS) do CETEC-MG. Em especial aos colegas do Laboratório de Tratamento de Superfícies sob Vácuo (LATVA) pela convivência saudável dos últimos três anos. A colega Viviane Mota Bispo, que contribuiu significativamente na realização do trabalho. Aos Setores de Tecnologia Química (STQ) e Setor de Tecnologia Metalúrgica (SDT) do CETEC-MG, onde foi realizada a maior parte dos experimentos. Aos departamentos de Engenharia Química, Física e Química da UFMG por contribuir na realização de alguns experimentos. Aos professores, funcionários e alunos do Programa de Pós Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares da UFMG pela colaboração ao longo do curso. Aos familiares e amigos que de perto ou de longe fizeram esta etapa mais divertida. Aos colegas do Programa de Pós Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares. Em especial ao Serginho, Fernando, Larissa, Melissa, Rejane, Carlos Eduardo e Theo pela convivência saudável e momentos de descontração. À Companhia Energética de Minas Gerais, financiadora do projeto, através da gerente do projeto CEMIG - ANEEL - P&D 016, Abordagem Integrada da Eficiência Energética e Energias Renováveis, Dra Antônia Sônia Alves Cardoso Diniz “Agradecer é admitir que em um momento se precisou de alguém”, obrigado a todos.

5

SUMÁRIO LISTA DE ARTIGOS PUBLICADOS............................................................................ 7

LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................... 8

LISTA DE TABELAS ................................................................................................... 10

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .................................................................... 11

RESUMO ....................................................................................................................... 13

ABSTRACT ..................................................................................................................... 14

1 INTRODUÇÃO........................................................................................................... 15

1.1 Objetivos............................................................................................................... 17 1.1.1 Objetivos Gerais ............................................................................................ 17 1.1.2 Objetivos Específicos .................................................................................... 17

1.2 Justificativa........................................................................................................... 17 1.3 O Desenvolvimento da Dissertação...................................................................... 18

2 REVISÃO DE LITERATURA ................................................................................... 20

2.1 As Janelas e o Consumo de Energia..................................................................... 20 2.2 Janelas Inteligentes ............................................................................................... 21 2.2.1 Filme Fino ..................................................................................................... 23 2.2.2 Óxidos Condutores Transparentes................................................................. 24 2.2.3 Filmes eletrocrômicos ................................................................................... 25

2.3. Filmes de TiO2..................................................................................................... 30 2.4 Processos de Deposição a Vácuo.......................................................................... 34 2.4.1 Deposição química de vapor (CVD).............................................................. 34 2.4.2 Deposição física de vapor (PVD) .................................................................. 36 2.4.3. Sistemas de Deposição existentes no LATVA............................................. 39 2.4.4 Gestão da Manutenção na Produção de Filmes Finos ................................... 40

2.5. Eficiência Energética........................................................................................... 42 2.5.1 Demanda de Energia e a Questão da Eficiência Energética em Edificações 42 2.5.2 Sistemas de Iluminação Natural .................................................................... 44 2.5.3 Utilização de Luz Natural.............................................................................. 45

2.6. Conforto Ambiental............................................................................................. 45 2.7. Conforto Térmico ................................................................................................ 46 2.7.1 Desempenho Térmico e Ganho de Calor de Vidros ...................................... 47 2.7.2 Desempenho Térmico de Vidros e a Avaliação de Protótipos ...................... 49 2.7.3 A importância das janelas e aberturas ........................................................... 51 2.7.4 As janelas e o consumo de energia em edificações ....................................... 51

3 MATERIAIS E MÉTODOS........................................................................................ 53

3.1 Plano de Gestão da Manutenção, Modernização e Ampliação do LEMS............ 53 3.2 Produções de Filmes Finos................................................................................... 55 3.2.1 Planejamento de Experimento ....................................................................... 55 3.2.2 Deposição de Filmes Finos de óxido de Titânio ........................................... 56 3.2.3 Tratamento Termoquímico ............................................................................ 57

3.3 Caracterizações dos Filmes preparados................................................................ 60 3.3.1 Medida de Espessura ..................................................................................... 60

6

3.3.2 Análise de Composição e Estrutura............................................................... 60 3.3.3 Difração de Raios X ...................................................................................... 61 3.3.4 Caracterização Óptica.................................................................................... 61 3.3.5 Voltametria Cíclica........................................................................................ 62

3.4 Validações do desenvolvimento de filmes de TiO2.............................................. 65 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................ 66

4.1 Gestão da Manutenção.......................................................................................... 66 4.2 Influências dos Parâmetros de Deposição ............................................................ 67 4.3 Caracterização de Filmes de TiO2 ........................................................................ 72 4.3.1 Propriedades ópticas ...................................................................................... 72 4.3.2 Composição e Estrutura................................................................................. 73 4.3.3 Voltametria Cíclica........................................................................................ 79

4.4 Considerações finais ............................................................................................. 81 4.5 Protótipo produzido .............................................................................................. 81

5 CONCLUSÕES........................................................................................................... 82

6 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS............................................................ 83

7 REFERÊNCIAS .......................................................................................................... 86

ANEXO A: Ficha de Registro de Manutenção .............................................................. 94

7

LISTA DE ARTIGOS PUBLICADOS

1 PROENÇA, R. T./ BRANCO, J. R. T.; DINIZ, A. S. A. C.; BISPO, V. M.. “Pesquisa de Filmes de TiO2 para Janelas Inteligentes.” Publicado no I Congresso Brasileiro de Eficiência Energética, realizado em Belo Horizonte – MG no período de 12 a 14 de setembro de 2005.

2 PROENÇA, R. T./ BRANCO, J. R. T. ; DINIZ, A. S. A. C. ; BISPO, V.

M.. “Estudo de Filmes de ZnO e FTO para Janelas Inteligentes visando Conforto Térmico.” Publicado nos Anais do VIII Encontro Nacional sobre Conforto no Ambiente Construído (ENCAC), IV Encontro Latino-Americano sobre Conforto no Ambiente Construído (ELACAC) e III Workshop IBPSA-Brasil; AL – Maceió no período de 05 a 07 de outubro de 2005.

3 PROENÇA, R. T./ BRANCO, J. R. T.; NUNES, M. C.; FELIPPE, V. S.

L ; DINIZ, F. A. T. “Gestão da Manutenção na Produção de Filmes Finos para Fabricação de Células Solares Fotovoltaicas.” Publicado no Primeiro Seminário de Sistemas Indústrias de Automação, Minas Gerais , MG – Belo Horizonte no período de 23 a 25 de novembro de 2006.


L.. “Desenvolvimento de um “Painel Virtual” para o Sistema BAS450 utilizando o LABVIEW.” Publicado no Primeiro Seminário de Sistemas Indústrias de Automação, MG – Belo Horizonte no período de 23 a 25 de novembro de 2006.

5 PROENÇA, R. T./ BRANCO, J. R. T.; DINIZ, A. S. A. C.; SADE, W;

PROENÇA, F. P. H.; ANDRADE, R. P. “Pesquisa e Desenvolvimento de Filmes Finos para Janelas Inteligentes.” Publicado no I Congresso Brasileiro de Energia Solar, Ceará - Fortaleza no período de 08 a 11 de abril de 2007.


L; DINIZ, F. A. T.. “Gestão da Manutenção na Produção de Filmes Finos para Aplicação em Fontes Alternativas de Energia.” Publicado no XXVIII Congresso Brasileiro da Indústria de Vácuo e Aplicação (CBRAVIC) – Natal no período de 05 a 08 de setembro de 2007


L.. “Desenvolvimento de um “Painel Virtual” para um Sistema de Deposição de Filmes Finos.” Publicado no XXVIII Congresso Brasileiro da Indústria de Vácuo e Aplicação (CBRAVIC) – Natal no período de 05 a 08 de setembro de 2007

8

LISTA DE FIGURAS FIGURA 01 – Esquema de uma janela eletrocrômica ................................................... 16

FIGURA 02 – Filmes da janela eletrocrômica ............................................................... 22

FIGURA 03 – Janela Inteligente controlada por eletricidade para variação de

luminosidade e transmissão de calor ...................................................................... 23

FIGURA 04 – Janela Inteligente com mudança de coloração. ...................................... 29

FIGURA 05 – Esquema de funcionamento e foto do dispositivo de emissão do feixe de

elétrons ................................................................................................................... 37

FIGURA 06 – Esquema do sputtering ........................................................................... 39

FIGURA 07 – Fotos dos Sistemas de Deposição existentes no LATVA....................... 40

FIGURA 08 – Consumo Final de Energia por Setor...................................................... 43

Fonte: BEN, 2006........................................................................................................... 43

FIGURA 09 - Ferramentas utilizadas na gestão das atividades de manutenção ............ 54

FIGURA 10 – Esquema do reator para produção de filmes finos.................................. 56

FIGURA 11 – Vista frontal do reator BAI 640R ........................................................... 57

FIGURA 12 – Montagem utiliza para tratamento térmico............................................. 58

FIGURA 13 – Detalhe da entrada e saída de gases no forno ......................................... 59

FIGURA 14 – Detalhe das amostras dentro do tubo de quartzo .................................... 59

FIGURA 15 – Difratômetro ........................................................................................... 61

FIGURA 16 – Espectrofotômetro Specord – 210 AnalytikJena .................................... 62

FIGURA 17 – Estrutura organizacional do LEMS antes da mudança ........................... 66

FIGURA 18 – Estrutura organizacional do LEMS após a mudança. ............................. 67

FIGURA 19 – Variação da pressão ao longo do Experimento 1.................................... 70

FIGURA 20 – Variação da pressão ao longo do Experimento 2.................................... 71

FIGURA 21 – Transmitância das amostras T1 e T2 e amostras T1T(amostra T1 tratada)

e T2T(amostra T2 tratada)...................................................................................... 72

FIGURA 22 – Microscopia de Força Atômica da amostra T1....................................... 74

FIGURA 23 – Microscopia de Força Atômica da amostra T1 tratada. .......................... 74

FIGURA 24 – Microscopia de Força Atômica da amostra T2....................................... 75

FIGURA 25 – Microscopia de Força Atômica da amostra T2 tratada (T2T). ............... 75

FIGURA 26 – DRX de TiO2 Calcinado sintetizado....................................................... 76

FIGURA 27 – Identificação das fases presentes no recobrimento................................. 76

9

FIGURA 28 – Difratogramas de Raios X da amostra T1 a diferentes ângulos de

incidência................................................................................................................ 77

FIGURA 29 – Difratograma da amostra T1T ................................................................ 78

FIGURA 30 – Difratograma da amostra T2................................................................... 78

FIGURA 31 – Difratograma da amostra T2T ................................................................ 79

FIGURA 32 – Voltametria cíclica para amostra T1....................................................... 80

A amostra de TiO2 com tratamento térmico (T1T) mostrou-se menos eletroativa que a

amostra não tratada (Fig. 33).................................................................................. 80

FIGURA 33 – Voltamograma cíclico da amostra T1T. ................................................. 80

FIGURA 34 – Janela Eletrocrômica............................................................................... 81

FIGURA 35 – Detalhe da Janela Eletrocrômica ............................................................ 82

10

LISTA DE TABELAS

TABELA 01 – Aparelhos elétricos e suas respectivas potências................................... 21

TABELA 02 – Propriedades gerais de recobrimentos para janelas de energia eficiente.

................................................................................................................................ 29

TABELA 03 – Representação das propriedades de Materiais Eletrocrômicos.............. 30

TABELA 04 – Amostras analisadas por Voltametria Cíclica........................................ 64

TABELA 05 – Amostras utilizadas para caracterização sem tratamento térmico ......... 68

TABELA 06 – Matriz de experimentos 1 ...................................................................... 69

TABELA 07 – Matriz de experimentos 2 ...................................................................... 71

TABELA 08 – Dados da Microscopia de Força Atômica.............................................. 73

11

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas

AFM - Atomic Force Microscope

ALCVD - Atomic Layer CVD

ANEEL - Agência Nacional de Energia Elétrica

BEN - Balanço Energético Nacional

CDPAEE - Centro de Demonstração e Pesquisa Aplicada em Eficiência

Energética

CEMIG - Companhia Energética de Minas Gerais

CETEC-MG - Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais

CVD - Chemical Vapor Deposition

D.C. - Direct Current

DEC - Dispositivos Eletrocrômicos

EAP - Estrutura Analítica de Projeto

EVA - Etileno-Acetato de Vinila

FTO - Fluorine-doped Tin Oxide

HEC - 2-hidroxietil cellulose

HPC - hidroxipropil cellulose

ITO - Indium Tin Oxide

LATVA - Laboratório de Tratamento de Superfície sob Vácuo

LEMS - Laboratório de Engenharia e Modificação de Superfícies

LPCVD - Low-Pressure CVD

MEV - Microscopia Eletrônica de Varredura

MFA - Microscopia de Força Atômica

NBR - Normas Brasileiras

NIR - Near InfraRed

PECVD - Plasma-Enhanced CVD

P&D - Pesquisa e Desenvolvimento

PVD - Phisical Vapor Deposition

RF - Radiofreqüência

RMS - Root Mean Square

RTCVD - Rapid Thermal CVD

12

sccm - standard cubic centimeter per minute

SDT - Setor de Tecnologia Metalúrgica

SPM - Scanning Probe Microscopy

STQ - Setor de Análises Químicas

T1 - Amostra T1

T1T - T1 tratada

T2 - Amostra T2

T2T - T2 tratada

TCO - Transparent Conducting Oxide

UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais

XRD - X-ray Diffraction

WBS - Work Break-down Structure

13

RESUMO A conscientização quanto às limitações necessárias ao uso de recursos naturais impõe questões referentes a um projeto arquitetônico mais racional do ponto de vista energético. A associação de indústrias de energia solar nos Estados Unidos declara que janelas inteligentes (eletrocrômicas) poderiam chegar a causar uma diminuição de 50% no gasto de energia em um edifício. Isso torna seu uso importante não só para fins estéticos e de conforto térmico, mas, também, para redução do consumo e aumento da eficiência energética. Nesse contexto, a pesquisa e o desenvolvimento de janelas inteligentes (dispositivos eletrocrômicos) tornam-se relevantes para a agenda energética nacional e, também, mundial, pelo papel que podem desempenhar no tocante ao conforto térmico e visual, possibilitando a redução do consumo de energia elétrica com lâmpadas e aparelhos de ar condicionado. As janelas inteligentes possibilitam regular a transmissão de luz e calor para ambientes fechados, reduzindo o consumo de energia com iluminação e condicionamento de ar, contribuindo para o conforto visual e térmico. O conforto térmico resulta das condições climáticas externas e, portanto, da eficácia das proteções adequadas das edificações. Vários estudos sobre dispositivos têm sido realizados visando o conforto térmico e a eficiência energética. Dentre as técnicas promissoras para a produção de filmes para esse dispositivo, a Deposição Física de Vapores apresenta vantagens devido à sua flexibilidade e à qualidade dos produtos, o que proporciona uma maior diversidade dos materiais que podem ser utilizados, e à possibilidade de seu uso para produção seriada. Nesse estudo, investigou-se deposição a partir da evaporação a vácuo de Titânio, com fusão por feixe de elétrons e em atmosfera reativa com assistência por plasma. Investigou-se, também, o efeito de tratamento termoquímico pós-processamento, em atmosfera oxidante. Os filmes foram analisados por microscopia de força atômica, espectroscopia UV-VIS-NIV, difração de Raios X e voltametria cíclica. Considerando-se as características estruturais, ópticas e os resultados de voltametria, os filmes, da maneira como foram depositados, têm teor de óxidos de Titânio suficientes para a realização de processos eletrocrômicos. Com o melhor filme produzido e outros desenvolvidos em projetos correlatos, foi implementado com sucesso um dispositivo eletrocrômico de 2cm x 2cm que validou esse desenvolvimento.

14

ABSTRACT The understanding of the natural resource limitation brings up some important

questions referring to a more rational architectural project on energetic point view. The

association of solar energy industries in the United States declares that smart windows

(electrochromic) could allow a decrease of 50% in the amount of energy used in a

building. This makes their use important not only for aesthetic ends and for thermal

comfort, but also to reduce the consumption and to increase energy efficiency. In this

context, the research and development of smart windows (electrochromic devices)

become very important in the country and world calendar, because of the visual and

thermal comfort. The smart windows can reduce the electrical energy consumption of

lamp and devices of conditioned air. The smart windows regulate the light and heat

transmission to closed atmospheres, reducing the energy consumption with illumination

and air-conditioners, contributing to visual and thermal comfort. The thermal comfort

results of the external climatic conditions and, therefore, of the effectiveness of the

appropriate protections of the constructions. Several studies on devices have been

accomplished seeking thermal comfort and energy efficiency. Among the promising

methods of film production for smart windows, Physical Vapor Deposition have some

advantages because of the flexibility and quality of the product, this provide a bigger

diversity of the materials that can be used and the possibility to produce in large scale.

At this work, the consumption and energy efficiency increase of films of titanium oxide

produced by electron beam assisted by plasma, one of the techniques of Physical Vapor

Deposition and thermo chemical post-processing treatment, in oxidize atmosphere are

investigated. The films have been analyzed by atomic force microscopy, UV-VIS-NIV

spectroscopy, X-ray diffraction and cyclic voltammetry. Considering the structural and

optical properties and the voltammetry, the results indicate that the manufactured films,

considering the way of deposition, have sufficient titanium oxide to electrochromic

process. Through the best film produced, and other developed in correlated projects

was implemented an electrochromic device with 2cm x 2 cm that validated this

development.

15

1 INTRODUÇÃO

Vive-se, atualmente, tempos de incertezas, tempos de questionamentos e de

expectativas na construção do futuro com sustentabilidade. O desafio do setor elétrico

nacional, após o racionamento de energia, tem sido buscar modelo que garanta um

equilíbrio entre a oferta e a demanda de energia, necessárias para o crescimento do País.

Entretanto, juntamente a todas as incertezas e questionamentos, há uma direção a ser

seguida: utilizar a energia e os recursos disponíveis de forma racional. O

aproveitamento da energia solar tem sido o foco de inúmeras pesquisas visando à

eficiência e à redução do consumo de energia. Hoje, é notório o desenvolvimento de

tecnologias para a utilização de fontes alternativas de energia (YOONG, 1989;

OLIVEIRA, 2000; GRANQVIST, 2002; GRANQVIST,2007)

Essa direção, em processo de internalização na cultura brasileira, precisa se

tornar um valor importante não apenas nas políticas de governo ou nas concessionárias

de energia elétrica, mas, também, nas ações cotidianas, nas atividades empresariais e no

exercício da cidadania.

Em um tempo de escassez de recursos para novos investimentos, a eficiência

energética, resultado do combate ao desperdício de energia e da eficientização de

processos que a utilizam, é um fator de competitividade e cidadania.

Este trabalho está inserido em um projeto que pretende estudar e desenvolver

filmes finos para Janelas Inteligentes (Smart Windows) de forma a contribuir para uma

maior Eficiência Energética em usos finais de energia e, também, desenvolvimento de

novas tecnologias. A Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais (CETEC-MG) é a

executora do projeto e atua em parceria com a Companhia Energética de Minas Gerais

(CEMIG), a qual gerencia o trabalho junto à Agência Nacional de Energia Elétrica

(ANEEL), agência que tem a responsabilidade de regulamentar o Setor Elétrico. A

origem desse projeto foi a tese de doutorado de Diniz,1995, onde foi feito um estudo de

propriedades elétricas e macroestruturais de filmes In2O3:Sn para aplicações em energia

solar.

A pesquisa e o desenvolvimento de filmes finos são de fundamental importância

para a produção das Janelas Inteligentes. Esse tipo de janela é capaz de controlar a

16

luminosidade do ambiente, podendo ser usado para regular a intensidade da luz e atuar

na temperatura do local em que está instalada. Como resultado, pode-se ter um menor

uso de ventiladores e aparelhos de ar condicionado para refrigeração durante o verão ou

aquecedores durante o inverno. Uma comparação pode ser feita entre a janela

inteligente e um gerador fotovoltaico de mesma área e instalado no mesmo local. A

economia de energia advinda do uso da Janela Inteligente é equivalente à energia que

poderia ser gerada pelo gerador fotovoltaico, utilizando-se as células solares mais

eficientes atualmente. (GRANQVIST, 2002)

Materiais eletrocrômicos sofrem uma mudança em suas propriedades óticas

quando uma diferença de potencial é aplicada no dispositivo. Uma grande quantidade de

materiais orgânicos e inorgânicos exibe o eletrocromismo (GRANQVIST, 2007).

Dispositivos para envidraçamento eletrocrômico podem ser fabricados com cinco

camadas que consistem em dois óxidos condutores transparentes (TCO), um eletrólito

ou condutor de íons, um eletrodo contador (contra-eletrodo) e uma camada

eletrocrômica (eletrodo), Fig. 01. (LAMPERT, 2004). Controlando-se o potencial

elétrico nos filmes eletrocrômicos é possível controlar-se a transmitância através destes.

Isto os torna mais um recurso para contribuir com a redução da demanda de energia.

Substrato – Vidro

TCO

Eletrocrômico e-

A+

Eletrólito – Condutor de Íons

Armazenagem de íons

TCO

Substrato

FIGURA 01 – Esquema de uma janela eletrocrômica

17

Há vários dados que indicam que as janelas inteligentes têm um importante ciclo

pela frente (PRIDE, 2003). Um estudo de 2002 relatou que a demanda por essas janelas

nos Estados Unidos seria da ordem de 20% para o período de 2004-2006, quando

atingiria US$500 milhões, uma taxa, aproximadamente, 5 vezes maior que a taxa de

crescimento do consumo de vidros planos entre 1997 e 2002 (GRAHL, 2002).

Em outro estudo relevante, consumidores se mostraram altamente atraídos pelos

aspectos de economia de energia possibilitados pelas janelas inteligentes, tendo ainda

constatado que as melhores condições de iluminação ao longo do dia promovem o

aumento da produtividade, de 15 a 20% (SOTTILE, 2005). Com a utilização da janela

inteligente em edificações, será possível diminuir a demanda de energia durante o dia.

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivos Gerais

Desenvolver filme de Óxido de Titânio com qualidade para Janela Inteligente.

1.1.2 Objetivos Específicos

• Adequação/Manutenção de sistemas de deposição de vapores para preparo de

filmes óxidos.

• Preparar filmes de óxidos de Titânio, a partir da evaporação a vácuo de Ti, em

atmosfera oxidante.

• Determinar características estruturais, ópticas e eletroquímicas dos filmes

preparados e relacioná-las as variáveis de processamento.

• Verificar o efeito de tratamentos termoquímicos pós-processamento dos filmes

óxidos, na sua estrutura e transmitância óptica.

• Produzir um protótipo de janela inteligente para validação do filme.

1.2 Justificativa

No Estado de Minas Gerais, as questões relativas à eficiência energética de

edifícios e equipamentos é uma das ações da Companhia Energética de Minas Gerais

(CEMIG), a principal concessionária de energia elétrica do Estado. A CEMIG tem,

aprovados pela ANEEL, diversos projetos de P&D em áreas de interesse.

18

O projeto começou com a idealização de dois centros de pesquisa e

desenvolvimento em eficiência energética, um deles instalado na PUC-MG, para

estudos sobre energia solar como instrumento de eficientização energética, e o outro no

Centro Federal de Educação Tecnológica (CEFET), direcionado para equipamentos

usados na busca do uso racional de energia. Ambos também apoiaram a capacitação de

pessoas para compreender e praticar formas de energias eficientes e renováveis, além de

representarem espaços voltados para a transferência de tecnologia.

A idéia virou realidade quando a UFMG e o CETEC-MG se integraram ao

projeto por intermédio do Laboratório de Arquitetura Bioclimática e o Laboratório de

Engenharia e Modificações de Superfícies, respectivamente.

O P&D016, Abordagem Integrada da Eficiência Energética, buscava o

desenvolvimento de 5 subprojetos:

1) Habitações Eficientes,

2) Sistemas Integrados de Energia na Concepção e Uso de Edificações

de Diferentes Tipologias,

3) Maior Eficiência Energética de Processos e Equipamentos Térmicos

e Elétricos,

4) Automação Predial,

5) Vidros Eletrocrômicos.

Os resultados desse trabalho cobriram as metas do subprojeto 5 de

desenvolvimento experimental de vidro capaz de reagir, diferentemente, às variadas

incidências solares.

Espera-se, com isso, contribuir para o cumprimento, por parte dos edifícios

públicos do Estado, do decreto 43.696 de 11/12/2003. Esse decreto obriga os prédios

públicos a reduzirem os gastos com energia elétrica em 15%.

1.3 O Desenvolvimento da Dissertação

Seguindo a Introdução, a dissertação é apresentada ao longo de mais seis

capítulos, a saber, Revisão de Literatura, Materiais e Métodos, Resultados e Discussões,

Conclusões, Sugestões para Trabalhos Futuros, Referências e Anexos.

19

O Capítulo 2 aborda questões referentes à janela inteligente, óxidos condutores

transparentes, filmes eletrocrômicos, técnicas de produção de filmes finos,

gerenciamento da manutenção no Laboratório de Tratamento de Superfícies Sob Vácuo

(LATVA), eficiência energética, conforto térmico e filmes de óxido de Titânio (TiO2).

É enfatizado o setor elétrico brasileiro e o papel das edificações no consumo de energia

e a utilização de janelas inteligentes. Também é destacada a parte de gerenciamento da

manutenção no Laboratório de Tratamento de Superfícies sob Vácuo, tarefa essa de

fundamental importância para o desenvolvimento das atividades no Laboratório de

Engenharia e Modificações de Superfícies (LEMS) e para maior entendimento do

funcionamento dos reatores para produção de filmes

O Capítulo 3 apresenta a metodologia de trabalho e os materiais que estiveram

envolvidos na pesquisa. São tratados, ainda, o Plano de Gestão da Manutenção,

Modernização e Ampliação, Produções de Filmes Finos, Caracterização dos Filmes

preparados e a Validação do dispositivo.

O Capítulo 4 apresenta os resultados e discussão dos mesmos. São apresentados,

inicialmente, resultados referentes à gestão da manutenção e, posteriormente às

caracterizações dos filmes de TiO2 produzidos, especificamente caracterizações

relativas à estrutura e composição dos filmes, caracterização óptica, medida do efeito

eletrocrômico e montagem de protótipo de Janela Inteligente.

O Capítulo 5 apresenta as conclusões desse trabalho abordando os principais

avanços alcançados na pesquisa.

O Capítulo 6 apresenta sugestões de trabalhos futuros e mostra parte do

desenvolvimento referente aos dados para proposta de um novo P&D CEMIG-ANEEL

e simulação computacional utilizando o EnergyPlus.

No Capítulo 7, são listadas as Referências Bibliográficas utilizadas no presente

trabalho.

Ao final do trabalho, é apresentado o anexo A, referente à ficha de manutenção.

20

2 REVISÃO DE LITERATURA

2.1 As Janelas e o Consumo de Energia

As janelas, aberturas e proteções (cortinas, brise) proporcionam, em uma

edificação, o controle da passagem da luz e de ar para o interior do ambiente. Através

desses fechamentos, que, usualmente, são transparentes, torna-se possível o contato

visual entre os ocupantes de uma edificação e o meio externo. As características

construtivas desses elementos possibilitam o isolamento ao frio ou ao calor e também

uma maior privacidade. As janelas são um dos mais interessantes e sensíveis elementos

no projeto de uma edificação, devido às suas funções e à sua relação com o ambiente

externo (GÓMEZ, 1995; MARINOSKI, 2005).

No projeto arquitetônico, as janelas tendem a ocupar um lugar de destaque na

estética do projeto. Além disso, ela vem despertando preocupação em relação ao

consumo de energia de uma edificação. O interesse nasce da sua relação com o

dimensionamento de sistemas de iluminação e o condicionamento de ar (GHISI, 2005).

Janelas amplas podem proporcionar níveis mais altos de iluminação natural e melhor

vista para o exterior, mas, também, podem permitir maiores ganhos ou perdas de calor,

o que refletirá no consumo de energia de edificações condicionadas artificialmente

(GHISI, 2005).

O custo de energia é cada vez mais elevado devido às restrições de

licenciamento ambiental que impedem a expansão da geração de energia hidrelétrica e,

também, ao crescimento da economia que possibilita um aumento da demanda de

energia. Diante dessa situação, as edificações não podem ser vistas apenas como “a

parte” no meio. Outro ponto é que as janelas não consomem energia. Porém, é

necessário pensar na questão de forma ampla. O consumo não tem relação direta ao

elemento janela, mas aos efeitos que essa causa no ambiente. Ela exerce forte influência

sobre o desempenho energético de uma edificação. Basta se imaginar dias quentes e dias

frios onde se atua no elemento janela buscando estabelecer um melhor conforto em

determinado ambiente. Trabalhando-se com equipamentos/dispositivos de maior

eficiência energética, há uma redução do consumo de energia.

21

Para se ter uma idéia do consumo de energia com condicionamento de ar e

iluminação nas edificações de uma forma geral, a Tab. 01 apresenta médias de consumo

mensal de alguns aparelhos elétricos.

TABELA 01 – Aparelhos elétricos e suas respectivas potências

Aparelhos Elétricos Potência

(Watts)

Dias estimados

Uso/Mês

Média

Utilização/Dias

Consumo

Médio

Mensal

(kWh)

AR CONDICIONADO 7.500 BTU 1000 30 8 h 240,0





CIRCULADOR AR GRANDE 200 30 8 h 48,0

CIRCULADOR AR PEQ/MED 90 30 8 h 21,6

VENTILADOR DE TETO 120 30 8 h 28,8

VENTILADOR PEQUENO 65 30 8 h 15,6

LÂMPADA FLUORESCENTE

COMPACTA - 11W 11 30 5 h 1,65


COMPACTA - 15W 15 30 5 min 2,2


COMPACTA - 23W 23 30 5 h 3,5

LÂMPADA INCANDESCENTE - 40W 40 30 5 h 6,0


COMPACTA - 60W 60 30 5 h 9,0

FONTE: PROCEL

Analisando-se a Tab. 01, pode-se constatar o alto consumo de equipamentos

relacionados ao condicionamento de ar. Pode-se observar que o consumo médio mensal

desses aparelhos varia de 240 a 504kWh, de acordo com a potência do aparelho. Já os

sistemas de iluminação apresentam um menor consumo médio mensal quando

comparados aos sistemas de condicionamento de ar.

2.2 Janelas Inteligentes

As janelas inteligentes ou eletrocrômicas são dispositivos que representam a

aplicação prática do fenômeno chamado eletrocromismo. Por definição, eletrocromismo

22

implica em uma mudança reversível de coloração, ocasionada pela aplicação de uma

diferença de potencial ou corrente elétrica (GRANQVIST, 1991; MONTEIRO, 2002;

AVELLANEDA, 2005). Uma janela inteligente deve ser composta por algumas

camadas, conforme Fig. 02 (SIVAKUMAR, 2004). A parte central é um condutor

puramente iônico (eletrólito), usualmente um filme fino ou um material polimérico

laminar, que deve ser um bom condutor para pequenos íons, tais como Li+ ou H+. O

eletrólito fica em contato com uma camada eletrocrômica e um contra-eletrodo. O

último, no caso de um dispositivo transparente, deve exibir eletrocromismo de maneira

oposta àquela do filme eletrocrômico base. Idealmente, o filme eletrocrômico (contra-

eletrodo) pode apresentar um forte eletrocromismo catódico ou anódico (GRANQVIST,

2003; PAWLICKA, 2004; AVELLANEDA, 2005). Esses eletrodos são contatados com

filmes finos condutores e transparentes (por exemplo, ZnO e FTO) que, por sua vez,

devem se apoiar em algum substrato.

Os dispositivos eletrocrômicos apresentam uma estrutura de sanduíche,

composta por filmes finos de óxidos condutores (por exemplo, ZnO e FTO) e uma

segunda camada de filme eletrocrômico (por exemplo, WO3 e TiO2) (GRANQVIST,

1998).

FIGURA 02 – Filmes da janela eletrocrômica

1. Vidro 2. Óxido condutor 3. Filme eletrocrômico 4. Polímero com metal ou cátions que sairão desta camada para eletrocrômica com cargas negativas. 5. Filme

eletrocrômico com coloração elétrica oposta à anterior. 7. Vidro.

Janelas Inteligentes proporcionam um maior conforto térmico e luminoso nas

edificações, uma vez que são dispositivos capazes de controlar a luminosidade da luz

solar e a temperatura no ambiente. Nas janelas feitas de cristais líquidos, tem-se uma

redução na transparência das mesmas. Já nas janelas de materiais eletrocrômicos, tem-se

23

uma redução na transmitância da luz, ou seja, uma modulação óptica (GRANQVIST,

1998; PATIL, 2005).

FIGURA 03 – Janela Inteligente controlada por eletricidade para variação de

luminosidade e transmissão de calor

A Fig. 03 apresenta o esquema de uma janela inteligente em que uma tensão

elétrica é aplicada. O Lítio migra dessa camada (Contra-eletrodo) para a camada que

contém óxido de Titânio com propriedade eletrocrômica através de uma reação química,

a qual altera a transmissão de luz nesse material. A coloração de um material

eletrocrômico é controlada pela variação do número de cargas envolvidas na reação

eletrocrômica (OLIVEIRA e TORRESI, 2000).

A habilidade das janelas inteligentes para controlar efetivamente a transferência

de calor e de luz possibilita uma vantagem adicional em sua utilização, favorecendo a

utilização da luz natural durante várias horas do dia (NIKLASSON, 2004). Outra

vantagem é a possibilidade de se usar, efetivamente, uma área envidraçada maior que

pode ser ocupada, devido à rejeição das radiações do infravermelho médio e próximo.

2.2.1 Filme Fino

Filmes finos são camadas de materiais com uma alta razão superfície/volume.

Fino é um termo relativo. Porém, alguns filmes podem atingir a espessura de

nanômetros. Dentre os vários métodos possíveis, utilizou-se, nesse trabalho, um

24

processo de deposição de vapores sob vácuo (STEMPNIAK, 2002). Os filmes foram

produzidos a partir de evaporação de Titânio, sob vácuo, com a condensação do vapor

nos substratos, frios, em camadas sub-micrométricas.

A integridade dos filmes finos é influenciada pela qualidade da sua adesão, por

tensões residuais após a deposição e pela presença de imperfeições superficiais. A

adesão dos filmes finos ao substrato (material onde o filme fino é depositado) ou a uma

camada subjacente de filme fino é uma questão que afeta a confiabilidade do filme. Um

filme que está inicialmente aderindo à camada subjacente, mas se solta após o

dispositivo ser solicitado mecanicamente ou termicamente, pode ficar com defeitos. A

adesão de um filme fino depende da limpeza da superfície onde o filme será depositado

e da rugosidade. Uma superfície muito lisa diminui a tendência de adesão do filme,

enquanto uma superfície muito rugosa pode levar a defeitos na sua cobertura pelo filme,

o que acarreta falhas na adesão do filme fino.

Independente do processo de deposição do filme fino, freqüentemente ele acaba

tendo tensões residuais intrínsecas ao processo de deposição. Tensões residuais afetam

estrutura e propriedades e, se excessivas, podem levar às falhas do filme, como, por

exemplo, perda da adesão e da corrosão. Uma técnica correta de deposição é essencial

para minimizar as tensões residuais em filmes finos.

As aplicações dos filmes finos são diversas. Na ótica, eles são usados para

alterar as propriedades refletivas das superfícies. Na computação, há um estudo sobre a

utilização dos filmes finos de materiais ferromagnéticos para a confecção de memórias

de computadores. Filmes finos de materiais cerâmicos são usados para prolongar a vida

útil de ferramentas de corte e para proteger contra corrosão, devido à dureza e à baixa

reatividade dos materiais cerâmicos.

2.2.2 Óxidos Condutores Transparentes

Óxidos condutores transparentes apresentam, simultaneamente, duas

propriedades de interesse científico e tecnológico: transparência ótica na região da luz

visível e elevada condutividade elétrica à temperatura ambiente. Tais propriedades

viabilizam a utilização dos mesmos como eletrodos transparentes em diversos

dispositivos. Além de serem adequados para utilização em janelas inteligentes como

materiais eletricamente condutores e para dispositivos eletrocrômicos, eles são

25

utilizados, também, em displays finos, outdoor, dispositivos transparentes de alarme e

antenas transparentes para carros. Significativos estudos têm sido promovidos visando-

se o entendimento de suas propriedades, o aperfeiçoamento dessas para diversas funções

e redução de custos (SELLA et al, 1998).

Diversas técnicas são utilizadas para a produção de Óxidos Condutores

Transparentes. Entre elas, destacam-se: “RF magnetron sputtering”, deposição por

pulsos de laser, sol-gel, spray-pirólise, (SABINO, 2007).

A maioria dos experimentos em eletrocromismo são realizados com filmes

crescidos sobre condutores transparentes, sendo os mais comuns aqueles à base de SnO2

(Óxido de Estanho) e o In2O3:Sn (Óxido de Índio dopado com Estanho, ou ITO)

(DINIZ, 1995).

2.2.3 Filmes eletrocrômicos

Há um considerável interesse na pesquisa e desenvolvimento de materiais e

dispositivos que podem ser utilizados como moduladores ópticos em grandes janelas.

Algumas tecnologias potenciais estão disponíveis para janelas, incluindo aquelas

baseadas em fenômenos eletrocrômicos, termocrômicos e fotocrômicos. Vários óxidos

de metais de transição, quando preparados como filmes finos, apresentam a

característica de serem oticamente ativos sob a ação de radiação eletromagnética ou

calor, dando origem aos fenômenos conhecidos, respectivamente, como fotocromismo e

termocromismo (GRANQVIST, 1995). Ainda há outras tecnologias concorrentes, tais

como cristal líquido e displays de partículas suspensas.

Dispositivos eletrocrômicos são atrativos para dispositivos de grande área com

transparência. O desenvolvimento de tecnologias para esses dispositivos é realidade

para janelas de automóveis e edifícios e, também, para espelhos. A história dos

materiais cromogênicos é datada de 1704 quando Diesbach descobriu a coloração

química do Prussian Blue. Em 1930, a coloração eletroquímica foi observada em um

bulbo de Óxido de Tungstênio. Vinte anos mais tarde, Kraus observou coloração

eletroquímica em filmes finos, sendo que o primeiro dispositivo eletrocrômico foi

criado por Déb em 1969 (LAMPERT, 2004).

26

O eletrocromismo implica em poder ser colorido pela ação da eletricidade. O

efeito eletrocrômico ocorre em alguns materiais em que, quando sob ação de um campo

elétrico, são intercalados, neles, elétrons ou íons, o que resulta em mudança de

transmitância e/ou coloração. Um material eletrocrômico de valor tecnológico deve ter

uma ampla faixa de transmitância e independência em relação ao ângulo de visão,

memória óptica e estabilidade aos raios ultravioletas (OLIVEIRA e TORRESI, 1999).

Esse efeito é a base para as tecnologias mais promissoras para seletividade

óptica (MONTEIRO, 2002; AVELLANEDA, 2003).

A modulação da transmitância de materiais eletrocrômicos deve ser reversível

quando a tensão é removida ou quando a polaridade é invertida. São de particular

interesse tecnológico filmes de óxidos cuja absorbância varia com a intercalação ou

deintercalação de um íon condutor. Entre esses materiais, destacam-se óxidos de

tungstênio, molibdênio, nióbio e Titânio, os quais se tornam absorvedores sob inserção

de íons (coloração catódica), enquanto óxidos baseados em Irídio, Ródio, Níquel e

Cobalto tornam-se absorvedores com a extração dos íons, coloração anódica

(GUTARRA e GRANQVIST, 1994). Uma das propriedades de interesse desses

materiais é que eles, ao se tornarem coloridos e após a tensão ser removida, conservam

a cor por algum tempo.

As características que os materiais eletrocrômicos devem apresentar dependem

de sua aplicação, mas, geralmente, buscam-se materiais com baixa tensão mecânica,

alto contraste, rápida cinética de coloração e descoloração e boa capacidade de resistir

aos ciclos de coloração e descoloração.

No primeiro trabalho sobre o efeito eletrocrômico, Déb (Déb, 1969) propôs que

a cor azul produzida no WO3 se devia a centros de cor. Isso significa que, às vezes, a

cor de um sólido tem origem em transições que ocorrem em pontos determinados da

amostra, chamados centros de cor (delocalizados no cristal). Um caso clássico é o

centro de cor F em haletos alcalinos, no qual um elétron é capturado por um defeito da

estrutura do haleto, como a fluorita, ou CaF2, por exemplo, em que um átomo de Flúor é

retirado da sua posição na rede de algum modo (aquecimento, irradiação ou eletrólise).

Nesse deslocamento, o Flúor pode carregar uma carga negativa, deixando uma carga

positiva na sua lacuna, a qual pode ser balanceada por um elétron (CANTÃO, 1993).

27

O eletrocromismo é decorrente de um processo redox1. No caso de óxidos

cristalinos, ocorre uma dupla injeção de íons e elétrons na rede cristalina (OLIVEIRA e

TORRESI, 2000).

Os materiais eletrocrômicos podem ser classificados como:

• Material de coloração catódica: quando o estado mais absorvedor

envolver uma reação de redução,

ECM + xM+ + xe - MxECM (1)

• Material de coloração anódica: quando o estado mais absorvedor

envolver uma reação de oxidação.

ECM + xA- AxECM + xe- (2)

onde ECM representa o material eletrocrômico.

Os materiais eletrocrômicos podem, também, ser classificados de acordo com o

seu mecanismo de coloração. Nesse caso, eles podem ser:

• Material de inserção de íons, que são filmes finos que mudam de cor via

inserção rápida e reversível de íons e elétrons dentro do material,

• Sistema de eletrodeposição reversível, que se trata de uma mudança de

cor efetiva via deposição e dissolução de filmes finos sobre um substrato

transparente.

Os materiais de inserção de íons são condutores mistos, ou seja, conduzem íons

e elétrons, dentro dos quais íons podem ser inseridos rápida e reversivelmente. Para

garantir a eletro neutralidade do meio, a inserção de um íon, em geral um cátion

monovalente M+, dentro da rede do composto, deve ser acompanhada pela injeção de

um elétron, balanceando a estrutura eletrônica do composto e, vice-versa, a inserção de

um ânion, em geral monovalente A-, deve ser acompanhada pela perda de um elétron. O

processo de inserção de íons induz mudanças na distribuição da rede cristalina do

1 Diz-se de uma reação, ou qualquer outro fenômeno, em que, simultaneamente, ocorrem uma oxidação e uma redução.

28

material eletrocrômico e, portanto, nas suas propriedades ópticas (GRANQVIST, 1998;

PATIL, 2005).

Eletrodeposição reversível é um termo geral que inclui a deposição e dissolução

sobre um substrato condutor transparente do material eletrocrômico. Dispositivos

baseados nesse princípio contêm o material eletrocrômico no eletrólito e formam um

filme fino sobre o substrato por passagem de corrente elétrica (OLIVEIRA e TORRESI,

2000).

Materiais de intercalação ou de inserção são formados por óxidos, selenetos e

sulfetos de alguns metais de transição e seus compostos, nos quais íons de pequenas

dimensões, como H+ e Li+, podem ser reversivelmente inseridos e retirados desses

materiais sem acarretar em mudanças nas suas estruturas. As intercalações são

realizadas por meio de reações eletroquímicas em estado sólido, envolvendo

transferências de cargas eletrônicas acopladas com a inserção dos íons móveis na

estrutura do material. A transferência de elétrons pelas reações redox altera a

distribuição eletrônica dos metais de transição do material de intercalação e, então, suas

propriedades óticas e eletrônicas. Se o material de intercalação é preparado na forma de

filmes finos, as alterações nas respostas óticas podem ser usadas para a construção de

dispositivos eletrocrômicos que permitem modular a absorção de luz de forma contínua

entre dois estados claro e escuro (AVELLANEDA,2005; SCARMINIO, 2006).

Desse modo, o comportamento da janela pode ser entendido fazendo-se uma

analogia com o funcionamento de uma bateria, onde a cor depende do estado de carga

(intercalação) ou descarga (deintercalação) do filme eletrocrômico.

Na Fig. 04, pode-se observar uma fotografia da janela inteligente obtida da

Arcoweb.

29

FIGURA 04 – Janela Inteligente com mudança de coloração.

Como prefácio para uma discussão das características específicas de diferentes

recobrimentos para janelas de eficiência energética na Tab. 2, apresentam-se metas

gerais, os requisitos para atingí-las e os materiais pertinentes de cobertura.

TABELA 02 – Propriedades gerais de recobrimentos para janelas de energia eficiente.

Meta Requisitos Material do recobrimento * Calor solar diminuído Refletância de 0.7<λ<3µm

Transmitância dependente

angular

M ou D/M/D

Metal colunar oblíquo

Isolamento térmico

Refletância de 3< λ <50 µm D/M/D SnO2:F; In2O3:Sn, ZnO:Al...

Controle de radiação

dinâmica

Absorção e refletância em material eletrocrômico

Refletância de 0.7< λ <3 µm em material termocrômico

LixWO3, NiOxHy,... Em projeto de

multicamadas com condutor de íon transparente

- baseado em VO2

Alta transmitância Anti-refletância de λ =0.55 µm

AlOxFy...

* M é Ag, Cu, Au (ou Al?); D é Bi2O3, In2O3, SnO2, TiO2, ZnO ou ZnS. Fonte: GRANQVIST, 1991

A Tab. 03 apresenta materiais potencialmente úteis para essas aplicações. Os

filmes de TiO2 e NiO apresentam coloração catódica e anódica respectivamente,

tornando-os de interesse para produção de um dispositivo eletrocrômico.

30

TABELA 03 – Representação das propriedades de Materiais Eletrocrômicos

CLASSIFICAÇÃO

MATERIAL ELETROCRÔMICO

CORES DE TRANSIÇÃO

EFICIÊNCIA ELETROCRÔMICA

(cm2C-1)

WO3 Transparente/azul escuro

115 (633nm)

MoO3 Transparente/azul escuro

5 (633nm)

Nb2O3 Transparente/azul claro

90 (633nm)

Coloração Catódica

TiO2 Transparente/azul claro

8 (646nm)

NiO Transparente/Marrom escuro

50 (350-500nm)

IrO2 Transparente/preto 15-18 (633nm)

Coloração Anódica

IRTOF2 Transparente/preto 20 (633nm)

V2O5 Cinza/amarelo 80 (514nm)

CoOx Vermelho/azul 30 (633nm)

Coloração Anódica e Catódica

Rh2O3 Amarelo/Verde 20 (546nm)

Fonte : OLIVEIRA e TORRESI, 2000

2.3. Filmes de TiO2

Titânio é um dos mais estudados metais de transição. O interesse é devido à

ampla gama de aplicações e pesquisa do material na última década, que mostrou ter

notáveis propriedades ópticas e eletrônicas (CANTÃO, 1993; KARUNAGARAN,

2003). O Titânio é um elemento de transição que se encontra no 4º grupo da Tabela

Periódica. É o segundo metal de transição, possui número atômico igual a 22, massa

molar igual a 47,90 g/mol e símbolo químico, "Ti".

Ele é um metal sólido, branco, prateado e muito resistente à corrosão e ao

impacto mecânico. É um metal de baixa densidade, igual a 4,5 g/ml.

O Titânio foi descoberto em 1791, por William Gregor, no minério Ilmenita

(FeTiO3), que, após tratamento com ácido clorídrico e ácido sulfúrico concentrado,

permite obter o TiO2. M. H. Klaproth, quatro anos depois, redescobriu o elemento, de

31

forma independente, obtendo o chamado Rutilo2. Em 1910, Matthew A. Hunter obteve

o elemento na forma elementar, aquecendo TiCl4 com sódio metálico às temperaturas de

700 a 800°C. O seu nome, Titânio, é derivado do grego Titán, da mitologia grega, filhos

mitológicos do Céu (Uranus) e da Terra (Gaia). Eram gigantes e considerados

personificações das forças da natureza em número de doze (MEDEIROS, 2004).

Esse elemento não ocorre livre na natureza. Em compostos, ocorre

principalmente na forma de Rutilo e Ilmenita3 (FeTiO3). É um metal de abundância

significativa, sendo o nono mais abundante entre todos os elementos e o segundo entre

os metais de transição, ficando atrás apenas do Ferro (MEDEIROS, 2004).

O Titânio é aplicado na fabricação de ligas leves e de alta resistência,

empregadas em reatores, motores de foguetes, aviões e automóveis. Seus compostos são

empregados como pigmento branco para tintas, papel e borracha, além de ser utilizado

na produção de cosméticos e descontaminação radioativa da pele. O TiO2 é utilizado

como pigmento branco em tintas para alvenarias. O TiO2 produz ~90% de brancura,

onde o padrão 100% é produzido pelo MgO. Quanto mais TiO2 a tinta possuir, mais

"grossa" e mais cara ela será.

Titânio (IV) é o estado de oxidação mais estável e mais importante do Titânio. É

encontrado no cloreto de Titânio (IV), TiCl4, um líquido incolor que se hidrolisa

rapidamente quando exposto à umidade atmosférica, formando uma densa fumaça

(GREENWOOD e EARNSHAW, 1998; RUSSEL, 1994). O TiO2 amorfo é utilizado

em inúmeras aplicações por causa do seu alto índice de refração e resistência à corrosão

(MOHAMED et al, 2004).

Apesar do dióxido de Titânio ter sido extensivamente estudado, quer seja por

suas propriedades ópticas, quer seja pelo largo uso em eletroquímica, o efeito

eletrocrômico do mesmo foi observado e estudado por poucos pesquisadores. Em 1982,

o TiO2 foi proposto como material base para a construção de um dispositivo

eletrocrômico, através da intercalação de Li+. O espectro de transmissão óptica relatado

pelos autores (DYER e LEACH, 1978) mostra três picos de absorção: em 850, 480 e

350nm, resultando na cor verde escuro, não coincidindo com outros dados da literatura.

2 Mineral tetragonal, óxido de Titânio, minério de Titânio. 3 Mineral romboédrico, titanato ferroso.

32

Quinze anos mais tarde, mostrou-se que ocorre uma banda de absorção centrada entre

750 e 800nm e que resulta na cor azul escura (CANTÃO, 1993).

Filmes finos de TiO2 podem ser depositados em baixas temperaturas e em

pressão atmosférica por deposição física de vapores e pós-tratamento termoquímico

respectivamente. Enquanto os filmes de TiO2 depositados em temperaturas inferiores a

350ºC são tipicamente amorfos, acima desta temperatura uma fase meta estável

cristalina é formada (MARDARE, 2002). No trabalho proposto por Martin e

colaboradores, é possível observar que, com o tratamento térmico, na temperatura de

300ºC, é observada a forma cristalina Anastásio e que, então, é transformada em Rutilo

entre 700 a 900ºC (MARTIN, 1997; KONSTANTINIDIS, 2006). O tratamento térmico

pode modificar também a densidade das camadas de TiOx e pode mudar o índice de

refração.

O dióxido de Titânio possui eletrocromismo, podendo ser utilizado em liga com

outros metais como Vanádio, Tungstênio e Cério, aumentando, dessa maneira, o tempo

de vida do material em relação aos números de ciclos de intercalação e deintercalação

(IVANOVA e HARIZANOVA, 2005).

A capacidade de carga do TiO2 muda drasticamente nos primeiros 10 ciclos de

voltametria cíclica, quando a sua estrutura é a do cristal Rutilo, pois esta característica é

necessária para a mudança de cor em óxido de Titânio. Pode ser feita uma analogia do

dispositivo eletrocrômico com uma pilha recarregável, que hora está carregada e hora

está descarregada. O óxido de Titânio amorfo cristaliza na forma Anastásio por

aquecimento a 400ºC. A fase Rutilo é obtida por aquecimento a temperaturas mais altas

ou à 400ºC por tempos prolongados (EUFINGER, 2006).

A mudança de cor no dióxido de Titânio ocorre porque este óxido possui uma

estrutura cristalina que, justaposta, forma túneis onde pequenos cátions podem se

inserir, como H+, Li+, K+. Ocorre, assim, o fenômeno de eletrocromismo. Unidades

octaédricas de TiO6 se unem em cadeias que se organizam de maneira a formar

pequenos túneis com vagas para pequenos cátions (CERQUEIRA et al., 2006).

33

Entretanto, as propriedades eletrocrômicas dependem muito dos parâmetros de

deposição e do pós-processamento, por exemplo, tratamento térmico. Vem, daí, a

necessidade de se conhecer parâmetros ótimos para deposição (YONGHONG, 1997).

O TiO2 tem vantagens potenciais para ser utilizado como eletrodo devido à

microestrutura favorável à intercalação e deintercalação de pequenos íons. Além dessa

vantagem, esses óxidos possuem alta resistência mecânica e química, o que lhes confere

características importantes como camadas de revestimento.

Filmes de óxido de Titânio têm um grande band gap que resulta em uma

transmitância ótica excelente na região do visível e infravermelho próximo (MENG,

2005; EUFINGER, 2006). Ele pode ser utilizado como camada de proteção, em grande

escala, de circuitos integrados e na produção de elementos ópticos, devido às suas boas

propriedades de isolamento e índice de refração. Adicionalmente, o TiO2 tem aplicação

potencial em campos de dispositivos eletrônicos, tais como dye sensibilizável para

células fotovoltaicas como recobrimento anti-reflectivo, sensores a gás, displays

eletrocrômicos e guias de onda planares. Essas aplicações de filmes de TiO2 têm

resultado em inúmeros estudos (MENG, 2005).

Muitas técnicas podem ser utilizadas para preparação de filmes de TiO2, tais

como deposição química de vapores, processo Sol-Gel, deposição a laser pulsado,

evaporação por feixe de elétrons e sputtering (MARDARE, 2002; KARUNAGARAN,

2003; MENG, 2005).

A técnica de sputtering reativo tem emergido como uma das técnicas mais

promissoras. Essa técnica permite produção, em grande escala, de filmes de alta

qualidade em altas taxas de deposição. Os parâmetros de processo são facilmente

controlados e um alvo de metal pode ser utilizado (MENG, 2005).

Os filmes preparados à baixa pressão (2x10-3 à 2x10-2 mbar) têm a fase

Anastásio e os filmes preparados à alta pressão têm a fase amorfa. A fase amorfa pode

resultar em um menor espalhamento da luz e, então, um menor coeficiente de extinção.

O índice de refração dos filmes pode ser mudado pela mudança da pressão de

sputtering. Na fase Anastásio, filmes de TiO2 apresentam um maior espalhamento de

luz do que a fase amorfa (MENG, 2005).

34

2.4 Processos de Deposição a Vácuo

Para a produção de filmes finos a partir de vapor, são dois os grupos de

processo:

• Deposição Química de Vapores;

• Deposição Física de Vapores;

2.4.1 Deposição química de vapor (CVD)

A deposição química de vapor, Chemical Vapor Deposition (CVD) refere-se aos

processos que ocorrem na presença de reagentes químicos gasosos que, ao reagirem

quimicamente em substratos, formam filmes finos.

Esse tipo de deposição é usado para a fabricação de wafers semicondutores,

filmes finos amorfos, mono cristalinos e ou policristalinos de metais cerâmicos ou

compostos. O CVD também é usado na fabricação de diamantes artificiais.

Basicamente, para a realização de CVD, introduz-se, primeiramente, uma

mistura pré-definida de gases reagentes e gases inertes com um determinado fluxo em

uma câmara de reação. Depois, os gases vão para o substrato onde são adsorvidos. Em

seguida, ocorrem reações químicas na superfície do substrato para a formação de filmes.

Finalmente, os produtos gasosos das reações desorvem da superfície do substrato e são

removidos da câmara de reação.

Durante o processo de deposição química de vapor, os gases reagentes reagem

não somente na superfície do substrato, mas, também, na fase gasosa, no ambiente do

reator. As reações que ocorrem na superfície do substrato são as de interesse no

processo de CVD.

Reações que acontecem na fase gasosa são chamadas de reações homogêneas.

Essas reações formam agregados de materiais que podem ser depositados, os quais

aderem mal à superfície do substrato. Esses materiais formam filmes de baixa densidade

e com muitos defeitos. Por isso, as reações homogêneas são indesejadas durante a

deposição química de vapor.

35

Um sistema típico de CVD contém linhas de alimentação para gases,

controladores de fluxo mássicos para medirem os gases no sistema, uma câmara de

reação, um sistema de aquecimento para o substrato e sensores de temperatura. Algumas

técnicas especificas são apresentadas a seguir.

2.4.1.1 CVD em camada atômica (ALCVD)

Atomic Layer CVD é um processo de CVD no qual dois reagentes primários são

introduzidos na câmara de reação alternadamente. Um dos reagentes irá aderir à

superfície do substrato, mas não reage sem a presença do segundo. O primeiro reagente

adere ao substrato até saturar sua superfície. Então, o segundo reagente é introduzido, a

reação ocorre e há a formação do filme fino. A espessura do filme é controlada pelo

número de ciclos dos reagentes e não pelo tempo de deposição, como em outros

processos de CVD. Teoricamente, o ALCVD permite controle extremamente preciso da

espessura e da uniformidade do filme fino.

2.4.1.2 CVD à baixa pressão (LPCVD)

Low-Pressure CVD é um processo de CVD que ocorre a pressão menor que a

pressão atmosférica. O LPCVD tem a vantagem de apresentar menos gases indesejados

para a reação. Isso garante a redução de reações indesejadas na fase gasosa e melhora a

uniformidade dos filmes.

2.4.1.3 CVD auxiliado por plasma (PECVD)

Plasma-Enhanced CVD utiliza plasma para melhorar as taxas de reações

químicas. O processo de PECVD permite a deposição a temperaturas menores, o que é

bastante útil na fabricação de semicondutores.

2.4.1.4 CVD térmico rápido (RTCVD)

Rapid thermal CVD é o processo de CVD que usa lâmpadas ou outro método de

aquecimento para aquecer rapidamente o substrato. Aquecendo apenas o substrato, em

detrimento ao gás ou às paredes da câmara, ajuda a inibir as reações indesejadas na fase

gasosa.

36

2.4.2 Deposição física de vapor (PVD)

A deposição física de vapor ou PVD (Physical Vapor Deposition) é uma técnica

de produção de filmes a partir de vapor por reações físicas, diferenciando-se, portanto,

das de CVD. O material a ser depositado deve ser colocado no estado gasoso, formando

um ambiente altamente energético. Nesse ambiente, é colocada a superfície mais fria.

Os átomos, moléculas ou espécies que atingem essa superfície ficam adsorvidos nela e,

com o tempo, alcançam posições de equilíbrio, permitindo formar uma camada sólida.

O local onde partículas de vapor se condensam é o substrato. Frequentemente, todo o

sistema é mantido em uma câmara de vácuo para permitir maior controle da composição

dos filmes, maiores taxas de deposição e maior momentum das espécies que se chocam

com o substrato. Quando se aumenta o livre caminho médio das espécies, os filmes

sofrem os efeitos de sombras.

A Deposição Física de Vapor foi descoberta, acidentalmente, por Faraday, que

observou a deposição de matéria na superfície interna de bulbos de lâmpadas

incandescentes oriundas da explosão do seu filamento. De fato, pode-se observar que,

em uma lâmpada queimada, o vidro fica escurecido no interior, resultado da deposição

de vapor do filamento. A partir da descoberta de Faraday, diversos pesquisadores

desenvolveram processos de deposição em vácuo onde, primeiramente, um material é

transformado em vapor sendo, então, transportado nessa fase e por último, depositado

na superfície de um substrato.

Os primeiros processos de deposição física de vapores (PVD) remontam a 1938

por Berghaus. No entanto, foi necessário esperar pelas deposições iônicas desenvolvidas

por Mattox, no princípio da década de 60, para consolidar grandes expectativas em

torno dessas técnicas de PVD baseadas em sistemas de vácuo. Com o advento da

revolução tecnológica, desenvolveram-se sistemas de vácuo, fontes de alimentação,

entre outros, permitindo otimizar a qualidade da produção de revestimentos

repetidamente e a custos cada vez mais baixos.

Atualmente, existem variações desse processo básico em laboratórios de todo o

mundo. Filmes finos são produzidos dos mais variados materiais através das técnicas de

PVD, sendo a sputtering reativa uma das técnicas mais versáteis, dado que é facilitada a

passagem do trabalho laboratorial para o industrial. O processo possibilita controlar,

37

meticulosamente, os parâmetros de entrada durante a deposição, tais como pressão

inicial e de trabalho, espécies químicas envolvidas (quer sejam de trabalho, quer sejam

de reação) e respectivos fluxos, temperatura do substrato, potências e tensões/correntes

de alimentação e polarização do substrato.

Esse processo permite depositar uma infinidade de metais puros e ligas, como

Ouro, Cromo, Titânio, Tungstênio, Níquel e outros, bem como uma série de cerâmicas,

polímeros e compósitos.

Com o avanço das pesquisas, foi desenvolvido o chamado íon plating,

introduzindo diversos benefícios ao processo de PVD, tais como melhor aderência,

controle da estrutura do filme, deposição em temperaturas baixas, assim como

deposição de ligas, multicamadas, nanocamadas e camadas com gradiente de

composição (MATTOX, 1998).

A técnica se caracteriza pela aplicação de uma tensão negativa de polarização

(bias) nos substratos e assistência de plasma enquanto o material a ser depositado é

transformado para a fase vapor.

A produção da fase vapor pode ser realizada de formas distintas: por evaporação

a arco, por feixe de elétrons, sputtering, processos de aquecimento resistivo, deposição

por laser pulsante, entre outras. Nesse trabalho, serão abortados os processos de

evaporação por feixe de elétrons e sputtering.

2.4.2.1 Evaporação por feixe de elétrons

Nesse tipo de evaporação, o material a ser evaporado é bombardeado por um

feixe de elétrons de alta energia, Fig. 05.

FIGURA 05 – Esquema de funcionamento e foto do dispositivo de emissão do

feixe de elétrons

38

Um filamento de tungstênio do dispositivo de emissão do feixe de elétrons é

percorrido por uma corrente elétrica e libera elétrons termoionicamente. Esses elétrons

são acelerados por uma alta diferença de potencial e são guiados por campos elétricos e

magnéticos em direção ao alvo, que se localiza no cadinho. No bombardeio eletrônico, a

energia cinética dos elétrons se transforma em energia térmica no material-alvo, que

aquece até que taxas de evaporação são atingidas ao se chocarem com um substrato e,

finalmente, nele se adsorvem e se estabilizam, formando um filme.

As vantagens oferecidas pela evaporação por feixe de elétrons são altas taxas de

deposição e maior controle da pureza do filme.

As desvantagens encontradas ao se usar a evaporação por feixe de elétrons são

maior dificuldade em controlar a composição de compostos ou de filmes contendo mais

que um elemento e custo de capital relativamente elevado.

2.4.2.2 Sputtering

Sputtering significa processos pelo qual átomos em um material alvo sólido são

ejetados para uma fase gasosa devido ao bombardeio que sofrem por íons.

A técnica é realizada através da troca de momentum entre íons ou átomos de um

gás e átomos que ganharam momentum podendo ser ejetados. Quanto maior o número

de átomos ejetados por íon incidente, mais eficiente é o processo de sputtering. A

eficiência do processo depende da energia dos íons incidentes, das massas dos íons,

pressão da câmara, tempo de sputtering, potência, fluxo de gases, temperatura de

substrato e átomos do alvo e da energia de ligação dos átomos do alvo.

39

FIGURA 06 – Esquema do sputtering

Os íons para processos de sputtering são conseguidos do plasma onde o alvo está

inserido (geralmente um gás nobre, como o Argônio).

O alvo pode ser mantido a uma temperatura relativamente baixa, uma vez que o

processo não é de evaporação. Por isso, é uma técnica de deposição mais flexível, sendo

especialmente útil para produção de vapor de materiais compostos ou misturas, onde os

diferentes componentes evaporariam com taxas diferentes se outros processos fossem

usados.

O sputtering possui, entre outras, as seguintes vantagens: o material alvo pode

ser grande, permite a deposição uniforme sobre grandes áreas, a espessura do filme é

facilmente controlada através da fixação dos parâmetros operacionais e do ajuste do

tempo de deposição e o controle das propriedades do filme é garantido mais facilmente.

O sputtering também apresenta algumas desvantagens: é um processo caro de se

implementar, as taxas de deposição de alguns materiais são relativamente baixas,

alguns materiais, como sólidos orgânicos, se degradam por causa do bombardeio

iônico, impedindo sua deposição e a tendência do filme ficar impuro é maior que na

evaporação por feixe de elétrons, por trabalhar a uma pressão maior.

2.4.3. Sistemas de Deposição existentes no LATVA

No Laboratório de Tratamento de Superfícies sob Vácuo (LATVA), existem

alguns sistemas para processamento de filmes, Fig. 07. Alguns desses sistemas estão

40

operacionais (BAI e BAS), outros estão parcialmente operacionais (ASTRO e LC03),

em fase de montagem (LC02) e em manutenção (VARIAN).

Os sistemas BAI, VARIAN, BAS e LC02 trabalham com PVD. Já o ASTRO e

LC03 trabalham com processo CVD. O reator utilizado no trabalho foi o BAI.

A manutenção dos sistemas é de suma importância para o processamento de

filmes para aplicação em células solares fotovoltaicas, janelas inteligentes e coletores

solares. A máxima operacionalidade dos sistemas fará com que os mesmos possibilitem

a captação de um número maior de projetos.

(a) ASTRO LC01 (b) LC02 (c) HOT WIRE LC03

(d) BAS 450 MS (e) BAI 640 R (f) VARIAN

FIGURA 07 – Fotos dos Sistemas de Deposição existentes no LATVA

2.4.4 Gestão da Manutenção na Produção de Filmes Finos

Aplicar e desenvolver práticas da gestão da manutenção e implementar

ferramentas adequadas para as atividades desempenhadas dentro do LEMS, mais

especificamente LATVA, responsável pela produção de filmes finos, é parte do escopo

do trabalho de Mestrado. As motivações para o envolvimento do Laboratório no

planejamento e gestão da manutenção estão refletidas na busca do aumento da

41

produtividade, da redução de custo, do amplo compartilhamento das informações e na

identificação precoce de possíveis falhas nos sistemas/equipamentos.

Para melhor entendimento da situação atual da manutenção, é importante relatar

os caminhos percorridos até então. A evolução histórica da manutenção acompanha o

próprio desenvolvimento industrial, tendo sido bastante impulsionada e organizada

devido às necessidades do setor militar.

Essa evolução pode ser dividida em três gerações:

1ª. Geração: Período anterior à Segunda Guerra Mundial, em que a indústria era

pouco mecanizada, os equipamentos eram mais simples e, na sua maioria,

superdimencionados. Na época, a questão da produtividade não era prioritária. A

manutenção era essencialmente corretiva (KARDEC, 2001).

2ª. Geração: Período pós Segunda Guerra Mundial até os anos 60, em que a

indústria passou a atender a demanda por todo tipo de produto. Aumento na

mecanização e complexidade das instalações industriais e, conseqüentemente, um

menor contingente de mão-de-obra industrial. Há uma crescente necessidade de maior

disponibilidade e confiabilidade dos equipamentos e, na busca por maior produtividade,

surge o conceito de manutenção preventiva. Manutenções eram realizadas nos

equipamentos a intervalos fixos. Os custos de manutenção se elevam em comparação

com os custos operacionais. Aumenta-se o planejamento e controle da manutenção e há

uma preocupação com a vida útil dos equipamentos (KARDEC, 2001).

3ª. Geração: Período posterior à década de 70, em que ocorrem novas mudanças

na indústria, custos crescentes com a paralisação da produção e problemas na qualidade

dos produtos. Em alguns casos, ocorre ineficiência das indústrias na utilização de

sistemas just-in-time, onde estoques reduzidos poderiam paralisar a fábrica.

Crescimento da automação e mecanização nos diversos segmentos da sociedade (saúde,

informática, telecomunicações, construção civil) indicando a importância da

confiabilidade e disponibilidade. Na terceira geração, reforçou-se o conceito de uma

manutenção preditiva. A interação entre as fases de implantação de um sistema (projeto,

fabricação, instalação e manutenção) e a disponibilidade/confiabilidade torna-se mais

evidente (KARDEC, 2001).

42

No gerenciamento do trabalho em um centro de pesquisa, mais especificamente,

dentro da área de Manutenção do setor, existe o grande empecilho em relação à

mensuração do andamento das atividades. Além disso, ainda existe uma cultura muito

forte que valoriza a prática da manutenção corretiva, resultando em uma fonte de

gargalos e má utilização dos recursos.

Esses fatores foram impulsionadores da implantação do gerenciamento da

manutenção dentro do Laboratório de Engenharia e Modificações de Superfícies –

LEMS – dentro do Setor de Metalurgia do CETEC/MG em parceria com a CEMIG e

ANEEL no projeto de P&D012 – Desenvolvimento Experimental de Tecnologia para a

Produção de Células Solares de Baixo Custo.

2.5. Eficiência Energética

Utilizar de forma correta a energia elétrica, tratando-a com responsabilidade e

sem desperdício, é uma diretriz com valor crescente no exercício da cidadania. As

ferramentas a serem utilizadas devem estar alicerçadas em dois pontos: no uso de

tecnologias mais eficientes e na mudança de hábito (KRAUSE, 2002).

A energia é um bem essencial utilizado em todos os setores ou áreas da

sociedade. Em alguns setores produtivos, a energia representa não somente um insumo

essencial, mas também se constitui como um dos elementos de maior peso na estrutura

de custos.

O aumento da eficiência energética e a conseqüente redução do ritmo de

crescimento do consumo de energia irão permitir o desenvolvimento de novas

tecnologias. Além disso, a redução da intensidade de consumo energético é hoje a forma

mais eficaz de preservar o meio ambiente e evitar a destruição do patrimônio natural

(KRAUSE, 2002).

2.5.1 Demanda de Energia e a Questão da Eficiência Energética em Edificações

O crescimento da demanda de energia elétrica pode ser visto na Fig. 08. Nos

diversos setores da economia, o consumo de eletricidade é relevante, sendo observado

um bom potencial de economia em alguns setores tais como industrial, comercial e

público e residencial.

43

Gráfico 13 - Consumo Final de Energia: Evolução dos Consumos Setoriais(Brasil 1970-2005)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

106 tep

INDUSTRIAL

TRANSPORTERESIDENCIAL

ENERGÉTICO

AGROPECUÁRIO

COMERCIAL E PÚBLICO

USOS NÃO-ENERGÉTICOS

FIGURA 08 – Consumo Final de Energia por Setor

Fonte: BEN, 2006

A instalação de novas usinas geradoras causa preocupação do ponto de vista

ambiental e social. Há que se pensar em formas de diminuir a demanda de energia

elétrica sem prejudicar a economia do País. Algumas alternativas são possíveis, como:

• Utilização de tecnologias mais eficientes em processos de conversão de energia:

força motriz, ar condicionado, iluminação e refrigeração.

• Educação para a sociedade (programas que visem à educação da população em

geral).

O uso de eletricidade nas edificações comerciais e públicas tem seu foco em

elevadores, bombas e, de forma intensa (aproximadamente 60% da demanda de

eletricidade dos setores), em sistemas de iluminação e de condicionamento ambiental

(SANTOS, 2002). A utilização de aparelhos de ar condicionado nos setores comercial e

público é devida à construção de grandes centros comerciais, ampliação do horário de

funcionamento do comércio, crescimento e modernização do setor de serviço.

44

2.5.2 Sistemas de Iluminação Natural

A utilização da luz natural é, sob todos os aspectos, o ponto de partida para se

obter um sistema de iluminação energeticamente eficiente. Essa é uma tendência

mundial cada vez mais adotada nos modernos sistemas de iluminação, que encontra, no

Brasil, razões mais fortes para ser amplamente utilizada em função das características

climáticas. O Brasil possui uma das abóbadas celestes mais claras do mundo e, em

grande parte do território, a presença de nebulosidade é reduzida quando comparado a

outros países, evidenciando o enorme potencial de racionalização de energia que a

utilização da luz representa (KRAUSE, 2002).

O sol, que é fonte primária de iluminação, tem sua radiação filtrada na atmosfera

pelas moléculas gasosas e partículas de poeira suspensas no ar. Porém, para efeito de

iluminação natural, a fonte de luz considerada é a da abóbada celeste (fonte secundária).

A luz solar direta não é considerada como fonte primária de iluminação em sistemas

naturais, devido à sua enorme carga térmica, por ser uma fonte pontual de grande

intensidade luminosa e, também, devido à sua movimentação (KRAUSE, 2002).

Os problemas mais comuns para o correto aproveitamento da luz natural são:

• A variação da iluminância da abóbada celeste durante o dia: em um edifício, é

necessário considerar tanto a iluminação natural quanto a artificial. A correta

integração entre os dois sistemas pode solucionar o problema da variação da

intensidade da luz proveniente da abóbada e contribuir para a redução do

consumo de energia.

• Realização de tarefas com diferentes exigências visuais no mesmo recinto: a

iluminação de edifícios modernos visa atender a um grande número de pessoas

realizando várias atividades com exigências diferentes quanto ao nível de

iluminância. Para melhor utilizar a luz natural, a localização das tarefas com

maiores exigências visuais deve ser próxima às janelas.

• Da carga térmica que entra nas edificações, oriunda da radiação proveniente do

sol, aproximadamente 50% da energia recebida na Terra é composta pelo

espectro visível (luz) e uma parcela de aproximadamente 45% é composta por

radiações infravermelhas. Um sistema de iluminação natural eficiente deve

possuir uma proteção adequada contra a incidência da radiação solar direta.

45

Nessas condições, o uso da luz natural pode permitir uma redução de até 50% no

consumo de energia elétrica com iluminação, com efeitos positivos sobre o

consumo dos sistemas de ar-condicionado.

2.5.3 Utilização de Luz Natural

Proveniente do sol, direta ou difusa pelas nuvens, a luz natural deveria ser

utilizada ao máximo visando à eficiência dos sistemas de iluminação no período diurno.

Entre os problemas que podem surgir na utilização dessa fonte de luz, destacam-se:

• Certa imprevisibilidade quanto ao caráter da luz solar. O céu com nuvens produz

uma luz difusa e dispersa, enquanto que o sol ao meio-dia produzirá uma luz

dura e com fortes contrastes.

• Mudança rápida na “temperatura de cor” 4 ao longo do dia, o que origina

reproduções cromáticas incorretas.

• A constante mudança da direção da luz que acaba por afetar a situação das

sombras nos objetos imóveis.

• A diferença da duração da luz diurna no inverno e no verão.

• A distinta angulação do sol em relação à terra segundo as estações do ano.

• A necessidade de recorrer à utilização de superfícies pouco refletoras que

ajudem a diminuir o contraste entre luzes e sombras.

• Ter de recorrer às fontes de iluminação artificial para corrigir os efeitos da luz

natural ou para criar efeitos, provocando algumas incompatibilidades que

obrigam a utilização de filtros nos projetos de iluminação.

2.6. Conforto Ambiental

Conforto Ambiental em projetos de arquitetura significa, em linhas gerais, o

atendimento de algumas necessidades orgânicas – basicamente acústicas, higrotérmicas,

visuais e de qualidade do ar. Recentemente, vem se agregando a questão de

sustentabilidade a seu conceito, o que se traduz em novas escolhas de procedimentos e

materiais que resultem no menor impacto ambiental possível (KRAUSE, 2002).

4 Temperatura que se determina pela comparação entre a energia irradiada por um corpo num certo comprimento de onda (ou numa faixa de comprimentos de onda) e a energia irradiada por um corpo negro no mesmo comprimento de onda (ou na mesma faixa de comprimentos de onda).

46

Conforto Ambiental, no âmbito da eficiência energética, incorpora um atributo a

mais que, quando obtido, gera um ambiente saudável ao uso e uma fatura de energia

elétrica mínima necessária para complementar os momentos em que o microclima

externo não oferece as condições necessárias de iluminação, temperatura, qualidade do

ar, umidade ou silêncio (KRAUSE, 2002).

O grande desafio no âmbito da eficiência energética consiste em garantir, via

definição projetual, um ambiente interno o mais ameno possível durante o período de

ocupação – em geral diurno – de forma a retardar, ou mesmo evitar, que o usuário inicie

o processo de climatização artificial e que, se necessário, esse processo seja o mais

econômico possível.

Uma das funções dos fechamentos exteriores de uma edificação é controlar, de

forma adequada, as interferências do meio externo, visando proporcionar um melhor

condicionamento ambiental. A fachada de um edifício atua como um filtro entre as

condições externas e internas para controlar a entrada do ar, do calor, do frio, da luz e

dos ruídos. Do ponto de vista do conforto ambiental, a radiação solar relaciona-se

diretamente ao conforto térmico e visual nas edificações, sendo a fachada, através de

suas superfícies transparentes, a parte do envoltório que permite, facilmente, seu

ingresso no ambiente interno. A radiação solar é uma das condições externas que pode

ser muito benéfica quando bem aproveitada, como também pode ser especialmente

indesejável em determinadas condições. A radiação solar é um dos fatores mais

importantes na determinação de um projeto arquitetônico, pois influencia decisões como

a orientação de fachadas e aberturas e tipos de vidro (SANTOS, 2002).

2.7. Conforto Térmico

Em termos de projeto arquitetônico, deve-se sempre permitir a entrada

gerenciada do clima através do aproveitamento da insolação, iluminação e ventilação

naturalmente disponível. Essa entrada deverá situar-se sobre o envelope construtivo, por

meio do estudo adequado da orientação, sombreamento, escolha de matérias e da

redução das cargas térmicas internas (KRAUSE, 2002).

47

O Brasil encontra-se divido em oito Zonas Bioclimáticas5. Apesar de sua

dimensão e da predominância do clima tropical, a falta de proteção adequada das janelas

traz problemas de desconforto local (ABNT, 2005).

O comportamento do vidro frente à radiação solar e suas possíveis repercussões

no aquecimento e resfriamento deve ser analisado criteriosamente em um projeto de

janela. O vidro pode ser considerado transparente às radiações solares de pequeno

comprimento de onda e opaco às de grande comprimento de onda. Portanto, a radiação

solar que entra por uma janela não retornará da mesma forma ao exterior, aquecendo o

ambiente. Uma parte do calor absorvido será reemitida ao exterior da janela em forma

de condução.

As superfícies transparentes merecem atenção especial quando se trata do

conforto térmico de edificações, pois são elementos vulneráveis a um alto ganho de

calor, principalmente em locais de grande insolação, como é o caso do Brasil.

Considerando seu desempenho como fachadas, devem atender, também, às necessidades

de iluminação, as quais, conjugadas com os requisitos para conforto térmico, garantem a

eficiência energética da construção (MICHELATO, 2005).

2.7.1 Desempenho Térmico e Ganho de Calor de Vidros

As áreas envidraçadas em fachadas ocupam um papel importante em se tratando

de conforto térmico, pois, ao receberem radiação solar, contribuem consideravelmente

para a elevação da temperatura no ambiente interno (CASTRO, 2005).

Uma das funções dos fechamentos exteriores de uma edificação é controlar, de

forma adequada, as interferências do meio externo, visando proporcionar um melhor

condicionamento ambiental. As necessidades de iluminação e contato visual com o

exterior, às quais essas superfícies transparentes visam atender, devem ser conjugadas

com os requisitos para conforto térmico, de modo que se tenha um melhor

aproveitamento da energia solar incidente, resultando em eficiência energética

(CASTRO, 2005).

5 Região geográfica homogênea quanto aos elementos climáticos que interferem nas relações entre ambiente construído e conforto humano.

48

No Brasil, 17,5% do consumo de energia elétrica são relativos aos setores de

comércio e serviços, cujas edificações são, geralmente, compostas por fachadas

envidraçadas. Desse percentual, cerca de 75% são gastos com iluminação artificial e

condicionamento de ar, indicando que a climatização exige demanda energética maior e

que as fachadas envidraçadas, em países predominantemente quentes, contribuem com o

desperdício de energia (NUTAU, 1998).

Conforme Rivero (1986), os fechamentos transparentes são um ponto fraco da

envoltória de um edifício, apresentando uma série de inconvenientes: possuem elevada

transmissão térmica, obrigando a aumentar o dimensionamento dos equipamentos

condicionadores de ar para verão e inverno e incrementando as despesas de instalação e

funcionamento.

A utilização racional de energia implica em varias ações, tais como: substituição

de lâmpadas incandescentes pelas fluorescentes; durante o dia, dar preferência para

utilização de luz natural; manter portas e janelas fechadas quando utilizar o ar

condicionado; desligar o ar condicionado quando o ambiente permanecer vazio; limpar

os filtros do aparelho de condicionamento de ar; utilizar equipamentos de maior

rendimento e que possuam o selo PROCEL, dentre outros fatores.

Do ponto de vista do conforto ambiental, a radiação solar e as janelas

relacionam-se diretamente com o conforto térmico e visual nas edificações, sendo a

janela, através de suas superfícies transparentes, o componente do envelope responsável

pelo ingresso dessa radiação ao ambiente interno. A radiação solar, ao ser absorvida,

converte-se em energia térmica.

É interessante evitar o excesso de radiação solar sem diminuir o aproveitamento

de iluminação natural. O incremento da carga térmica interna devido aos ganhos por

radiação solar pode ser significativo em alguns casos, levando ao super

dimensionamento de equipamentos de refrigeração, que, geralmente, consomem muita

energia.

Atualmente, um constante desafio aos projetistas é o de projetar grandes áreas

envidraçadas que controlem, efetivamente, a penetração da radiação solar no interior

49

dos edifícios, e que obtenham, como conseqüência, um desempenho adequado quanto

ao nível de iluminação e de carga térmica (DIBARTOLOMEU, 2002).

Depreende-se, portanto, que a fachada é um dos elementos responsáveis pelos

resultados obtidos na economia de energia e o vidro, imprescindível para compor a

fachada, é um dos materiais mais requisitados nas exigências de desempenho térmico e

energético.

Caram (2002) obteve valores de transmitância e absortância à radiação solar de

vários tipos de vidros através de análise espectrofotométrica. A partir desses valores,

tornou-se evidente a necessidade de verificar, experimentalmente, os resultados da

aplicação desses materiais em fachadas sujeitas à incidência de radiação solar. Com

isso, é possível analisar o comportamento dos vidros com relação ao ganho de calor

solar verificando o efeito dessas superfícies transparentes no conforto térmico e visual.

2.7.2 Desempenho Térmico de Vidros e a Avaliação de Protótipos

A importância do estudo de um material que, cada vez mais, é utilizado como

envoltório de uma edificação é premente, principalmente em se tratando de edificações

que são verdadeiras “caixas de vidro”. A partir da década de 50, ocorreu a difusão do

conceito de “pele de vidro” através do estilo internacional proposto pelo Movimento

Moderno. Segundo Vianna e Gonçalves (2001), com o uso dos panos de vidro, foi

criada a idéia do espaço aberto sem limites, através da transparência total. O uso

generalizado das fachadas envidraçadas tornou-se possível graças ao avanço da

indústria do vidro e de outras tecnologias (MICHELATO, 2005).

As áreas envidraçadas em fachadas ocupam um papel importante quando se trata

de conforto térmico, pois, ao receberem radiação solar, contribuem consideravelmente

para a elevação da temperatura no ambiente interno. Os materiais que constituem a pele

da edificação têm um papel decisivo na utilização e no controle dos raios solares.

Portanto, as necessidades de iluminação e contato visual com o exterior, às quais essas

superfícies transparentes visam atender, devem ser conjugadas com os requisitos para

conforto térmico, de modo que se tenha um melhor aproveitamento da energia solar

incidente, resultando em eficiência energética (OLGYAY, 1998).

50

Com relação à qualidade da radiação solar transmitida para o ambiente interno,

sabe-se que, da radiação solar total incidente no vidro, uma parcela é absorvida, outra

refletida e a restante, maior, transmitida diretamente ao ambiente interno. As proporções

correspondentes às energias absorvida, refletida e transmitida variam de acordo com o

comprimento da onda incidente, além de estarem, também, relacionados com a

espessura, o índice de refração do vidro e o ângulo de incidência da radiação incidente.

Pode-se dizer, portanto, que cada tipo de vidro possui, para cada uma das faixas do

espectro solar, diferentes transmitâncias. Caram de Assis (2002) obteve esses valores de

transmissão para cada uma das três faixas do espectro solar, para diversos tipos de

vidro. Do ponto de vista de iluminação e temperatura, as principais diferenças entre os

tipos de materiais transparentes estão em suas transmitâncias relativas distintas e taxas

de comprimentos de onda transmitidos (CARAM, 2002). Um vidro ideal seria de

acordo com os efeitos físicos e biológicos relativos a cada faixa do espectro solar, ou

seja, aquele que tivesse uma alta transmissão da radiação visível e baixa transmissão do

ultravioleta e infravermelho (MICHELATO, 2005).

A crise energética ocorrida em 2001, devido à falta de planejamento e ausência

de investimentos em geração e distribuição de energia foi agravada pelas poucas

chuvas. Com a escassez de chuva, o nível de água dos reservatórios das hidroelétricas

baixou e os brasileiros foram obrigados a racionar energia. Diante dessa situação, o

consumo de energia e até questões referentes aos aspectos construtivos de

equipamentos/edificações foram reavaliados. Do ponto de vista arquitetônico, isso

trouxe à mídia um grande problema e os edifícios de vidro eclodiram como uma questão

fundamental. Tentando solucionar os problemas de superaquecimento, o mercado atual

oferece vários tipos de materiais transparentes em diversas cores, permitindo uma

grande liberdade no projeto. Porém, o que se tem notado é que a estética quase sempre

norteia a escolha do material, não levando em consideração as características óticas dos

materiais transparentes. Além disso, alguns materiais transparentes têm propriedades

que podem representar uma opção em termos de controle da radiação solar. Porém, esse

controle pode ter atenuação limitada, pois uma área transparente mal dimensionada ou

posicionada de forma incorreta provocaria um calor excessivo no ambiente.

Os arquitetos e projetistas têm um grande número de opções de materiais

transparentes no mercado. Porém, precisam escolher materiais mais adequados à

51

realidade climática. Esse cuidado deve ser maior num país como o Brasil, já que a

incidência solar proporciona elevadas temperaturas médias durante todo o ano. O uso

excessivo de paredes externas com grandes áreas transparentes, sem elementos

adequados de proteção, pode implicar num significativo aumento do ganho de calor no

interior das edificações, traduzindo-se em desconforto para usuários ou em grande

consumo energético (MICHELATO, 2005).

2.7.3 A importância das janelas e aberturas

As janelas e aberturas, comumente, nos proporcionam controle da passagem da

luz e de ar para o interior do ambiente. São elas que permitem, através de fechamentos

transparentes, o contato visual entre os ocupantes da edificação e o meio exterior. Suas

características construtivas podem oferecer isolamento ao frio ou ao calor, bem como

segurança e privacidade. Isso demonstra o seu significativo papel em proporcionar

qualidade de vida e conforto nas edificações. PEREIRA (1992) e CARMODY et al.

(1996) destacam que as janelas são um dos mais interessantes e sensíveis elementos no

projeto de uma edificação, devido às suas funções e à sua relação dinâmica com o

ambiente externo (MARINOSKY, 2005).

Arquitetonicamente, as janelas e aberturas podem ocupar um lugar de destaque

atribuindo beleza e estética ao projeto. Mas, além das atribuições estéticas e funcionais,

nos últimos anos, essas vêm despertando outro tipo de preocupação: a influência no

consumo geral de energia da edificação. Esses elementos podem influenciar,

diretamente, tanto o desempenho como o dimensionamento de sistemas de iluminação e

condicionamento de ar (MARINOSKY, 2005).

2.7.4 As janelas e o consumo de energia em edificações

Atualmente, a conservação de energia tem mostrado ser uma preocupação

crescente em diferentes setores produtivos da sociedade. A exemplo de outras áreas,

também na construção civil, a eficiência energética tem se tornado um aspecto

fundamental. Devido ao custo da energia, o edifício não pode mais ser considerado um

elemento à parte do meio. Com a crise do petróleo, que ocorreu na década de 70, muitos

países passaram a pesquisar novas fontes de geração e diferentes formas de redução do

consumo. Nos EUA, durante esse período, as janelas passaram a ser vistas como

52

responsáveis por uma grande parcela do uso da energia (SELKOWITZ, 1985;

ARASTEH, 1995).

Talvez seja difícil compreender ou, até de certa forma, torne-se intrigante dizer

que uma janela consome energia, porém, é preciso analisar a questão de forma mais

ampla. O consumo não está associado ao elemento em si, mas aos efeitos que este causa

no ambiente. Uma janela, mesmo sem utilizar energia diretamente, exerce influência

sobre o desempenho energético da edificação (FROST et al., 1993; CADDET, 1999).

Um dos principais aspectos aos quais se atribui responsabilidade de consumo de

energia às janelas está relacionado ao condicionamento do espaço interno. Muitos

estudos têm demonstrado a veracidade dessa culpa atribuída às mesmas. FROST et al.

(1996) estimam que, no ano de 1994, existia nos EUA uma área de janelas de

aproximadamente 1,77 bilhões de metros quadrados no setor residencial, os quais eram

responsáveis pelo consumo de 1,7x1015 BTU/ano (498 TWh/ano)1. Destes, 1,3x1015

BTU/ano (76,5%) eram usados para aquecimento e 0,4x1015 BTU/ano (23,5%) para

resfriamento. Isto representava mais de 2% do consumo total de energia do país.

Em outro trabalho, REILLY e HAWTHORNE (1998) realizaram um estudo

avaliando a influência da transmitância térmica e do ganho de calor solar através de

janelas sobre o consumo de energia com condicionamento (aquecimento e resfriamento)

de ambientes residenciais em cidades dos EUA. Estima-se que, para o caso da cidade de

Baltimore (aquecimento predominante), o ganho de calor solar através de janelas

compõe aproximadamente 15% da energia utilizada para condicionamento. Já para a

cidade de Miami (resfriamento predominante), o ganho de calor solar é responsável por

37% do consumo de energia com condicionamento.

Estudos e simulações energéticas de edifícios comerciais na cidade de Hong

Kong mostram que o consumo com ar condicionado está entre 50% e 60% do uso total

de energia elétrica, sendo o ganho de calor solar, principalmente por aberturas, o maior

responsável pela carga de resfriamento (LI e LAM, 2000). Também relacionado ao

consumo de energia, WINKELMANN (2001) estima que, em média, a transferência de

calor através de janelas corresponda a 31% da carga de resfriamento e 17% da carga de

aquecimento em edifícios comerciais dos EUA. Já no caso de construções residenciais,

esses números seriam de 34% e 23%, respectivamente.

53

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Os trabalhos foram conduzidos com vistas no desenvolvimento de processo para

produção de filmes óxidos de Ti. Além disso, foram realizadas, atividades:

• Adequação/Manutenção de sistemas de deposição de vapores para preparo de

filmes óxidos.

• Gestão da Manutenção, Modernização e Ampliação no LEMS.

Foram preparados e caracterizados filmes com e sem pós-processamento. O

melhor filme foi utilizado para montagem e testes de um dispositivo eletrocrômico.

3.1 Plano de Gestão da Manutenção, Modernização e Ampliação do LEMS

O propósito inicial era de melhorar os indicadores de desempenho através do

planejamento do trabalho das equipes de manutenção e registro das intervenções

realizadas nas máquinas, de forma a documentar a atividade e criar um histórico de

manutenção em cada equipamento. Esses indicadores constam da análise do andamento

das atividades conforme a linha de base traçada no planejamento quadrimestral do

laboratório. Semanalmente, é conferido o andamento das atividades e feita a

comparação com o planejamento inicial, com o objetivo de identificar possíveis atrasos

e riscos para o projeto. Ao final de cada mês, documenta-se o trabalho realizado e são

detalhadas as atividades que foram concluídas no prazo, as que estão em andamento

dentro do prazo, as que estão em andamento fora do prazo e as que ainda não foram

iniciadas e estão fora do prazo. Esses dados são tratados gerando documentos gráficos

que interpretam o desempenho da manutenção realizada nos equipamentos.

Para cumprir com os objetivos iniciais, o primeiro passo foi fazer uma revisão

bibliográfica e pesquisar as melhores práticas – benchmarks - existentes no segmento

industrial e que se adequam à situação de trabalho em estudo. Como resultado dessa

primeira etapa, foi preconizado, do Gerenciamento de Projetos, a Estrutura Analítica de

Projetos – EAP, do inglês Work Break-down Structure – WBS, usando, como

ferramenta, o software WBS Chart Pro. A EAP é um recurso que possibilita uma

adequada estruturação dos produtos, entregas e pacotes de atividades inerentes ao

54

projeto. Para o ótimo desenvolvimento da EAP, foram utilizadas diversas ferramentas,

(Fig. 09) tais como:

• 5W2H - Este consiste em um método que supervisiona e detalha o pacote de

atividades que estão presentes na EAP (Estrutura Analítica de Projeto). Com ele,

é possível estabelecer previsões de tempo, posicionar as ações a serem

executadas e especificar os principais responsáveis pelas atividades. O resultado

foi a definição de planos de ação que dimensionam, com certo grau de eficácia,

as ações a serem executadas pelas equipes de manutenção (SOUZA, 2004).

• Diagrama de Ishikawa - Este organiza o pensamento entre o que é causa e o

que é efeito. Deve ser usado após o levantamento das causas de um problema

por meio da ferramenta brainstorming.

• Brainstorming - É uma ferramenta utilizada constantemente e está presente em

todas as etapas anteriormente descritas. É ainda muito importante nas análises de

não-conformidades presentes na manutenção e no processo.

A importância dessas ferramentas na execução desse estudo não está somente

relacionada à aplicação das mesmas. Mais importante que isso, é a adequação dessas

ferramentas para o tipo da estrutura organizacional e para as especificidades existentes

em um Laboratório pertencente a um Centro de Pesquisa.

.

FIGURA 09 - Ferramentas utilizadas na gestão das atividades de manutenção

A implantação dessa metodologia, mesmo sendo significativa para o

desenvolvimento do trabalho no laboratório, exigiu aprimoramento no registro das

atividades. A participação no gerenciamento da manutenção, modernização e ampliação

55

possibilitou um maior entendimento do funcionamento dos diversos reatores e

contribuiu para uma maior disponibilidade dos recursos/máquinas no laboratório para os

diversos projetos, tais como desenvolvimento de células solares fotovoltaicas,

superfícies seletivas para coletores solares e janelas inteligentes.

3.2 Produções de Filmes Finos

Filmes finos podem ser preparados por diversos métodos, químicos (sol-gel e

CVD) ou físicos (Sputtering, Evaporação térmica, Evaporação por Feixe de elétrons)

(MONTEIRO, 2002; CUI, 2003). Nesse trabalho, foi utilizado um método de deposição

física a vácuo com evaporação por feixe de elétrons, assistido por plasma (reator BAI

640R da fabricante BALZERS).

3.2.1 Planejamento de Experimento

O planejamento de experimentos foi feito com base na competência do

Laboratório de Engenharia e Modificações de Superfícies (LEMS) do Setor de

Tecnologia Metalúrgica (SDT) da Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais

(CETEC-MG) para processos de filmes no reator BAI 640R e no estudo da literatura.

Foram realizados experimentos de forma a se obter um filme com boas propriedades

ópticas para aplicação em janelas.

Foram dois experimentos de deposição. No primeiro experimento para produção

de filmes finos de Dióxido de Titânio (TiO2), usou-se uma pressão inicial de 1,52x10-

3mBar. Após a injeção de gases na câmara, chegou-se a 1,74x10-3mBar. Foi introduzido

Ar (Argônio) pureza 99,9997%, O2 (Oxigênio) pureza 99,998%, com fluxo de gás

padrão de cm3 por minuto, de 39 Ar e 39, respectivamente. O tempo para recobrimento

do substrato chegou a 50 minutos. As amostras foram posicionadas a 33 e a 38 cm do

alvo de Titânio. Foram revestidos substratos de vidro previamente cobertos com Óxido

de Estanho Dopado com Flúor (FTO) numa face, pois este tem a função de óxido

condutor transparente.

No segundo experimento para produção de filmes de TiO2, o tempo de

recobrimento foi reduzido para apenas 15 minutos na tentativa de obter um filme de

menor espessura, pois o filme produzido no primeiro experimento apresentou-se opaco.

A espessura dos filmes eletrocrômicos é um dos importantes parâmetros que afetam a

56

resposta eletrocrômica. Os filmes com qualidade para dispositivos chegam a ter menos

de 120nm, com transmitância próxima a 80%. Filmes com espessuras superiores a

200nm tem sua mudança de coloração prejudicada e também uma baixa transmitância

no estado transparente devido ao aumento da absorção (KAMAL, 2005).

3.2.2 Deposição de Filmes Finos de óxido de Titânio

O equipamento utilizado para a produção dos filmes apresentados nesta

dissertação de mestrado foi um reator da BALZERS, o BAI640R, uma unidade

desenvolvida especificamente para trabalhos de P&D (Pesquisa e Desenvolvimento).

Filmes finos de TiO2 foram preparados pelo método de Deposição Física de Vapores, a

vácuo com evaporação por feixe de elétrons, Fig. 10 e 11.

FIGURA 10 – Esquema do reator para produção de filmes finos

O reator BAI640R possibilita que o processo de deposição seja feito de forma

automática. O sistema é provido de um magnetron sputter planar D.C., uma fonte de

evaporação por feixe de elétrons (E-gun) e um arco termiônico para auxiliar na câmara.

Os substratos são montados com a face de suas superfícies voltada para o magnetron e o

E-gun. O feixe de elétrons é utilizado para fundir o alvo de Titânio.

57

FIGURA 11 – Vista frontal do reator BAI 640R

Durante o processo de deposição, são realizadas as seguintes etapas:

• Aquecimento: quando se busca aquecimento das amostras. A temperatura de

aquecimento vai depender do filme a ser produzido;

• Limpeza: por vezes tratada como “ataque”. Quando se realiza a limpeza iônica

dos substratos, em plasma de Argônio;

• Recobrimentos: quando se depositam os filmes de interesse. O sistema está apto

a fazer uso de sputtering, ou evaporação a feixe de elétrons, com ou sem

assistencia de plasma;

• Resfriamento: quando os substratos são resfriados até as temperaturas em que o

contato dos filmes com o ar não mais afetarão as propriedades dos filmes.

No aquecimento, um arco de baixa tensão, em atmosfera de Argônio, aquece as

amostras. Durante a limpeza, usou-se tratamento em plasma de Argônio. Durante a

etapa de recobrimento, usou-se atmosfera de Argônio e Oxigênio, com assistência de

plasma de Argônio.

3.2.3 Tratamento Termoquímico

Para se melhorar as características químicas, estruturais e morfológicas das

amostras, realizou-se um tratamento térmico em forno com atmosfera controlada de

58

Oxigênio. A Fig. 12 traz a montagem utilizada. Os experimentos foram montados

utilizando-se um forno LINDBERG, um tubo de quartzo, cilindro de Oxigênio,

mangueiras e um béquer. O controle de temperatura do forno foi ajustado para se

realizar os tratamentos a 450ºC. Usualmente, filmes de dióxido de Titânio são tratados

em temperaturas entre 400-500ºC para melhorarem-se as propriedades em termos de

morfologia e cristalinidade (MOHAMED, 2004; NGUYEN, 2006). Usou-se uma vazão

de Oxigênio próxima de 80ml/s.

FIGURA 12 – Montagem utiliza para tratamento térmico

Na montagem do sistema para tratamento termoquímico, um termopar foi

instalado do lado externo do tubo de quartzo utilizado. As amostras foram tratadas

durante 30 minutos. As Fig. 13 e 14 apresentam alguns detalhes da entrada e saída de

gases no tubo, bem como as amostras dentro do tubo de quartzo.

O tratamento térmico foi realizado as amostras T1 e T2 como depositadas, a

450ºC.

59

FIGURA 13 – Detalhe da entrada e saída de gases no forno

FIGURA 14 – Detalhe das amostras dentro do tubo de quartzo

60

3.3 Caracterizações dos Filmes preparados

3.3.1 Medida de Espessura

As medidas de espessura dos filmes TiO2 foram realizadas por Microscopia de

Força Atômica no Atomic Force Microscopy Dimension 3000 Digital Instruments,

disponível no Departamento de Física da UFMG. Também foi utilizado o perfilômetro

Taylor Hobson, modelo Form Talysurf, disponível no Laboratório de Engenharia e

Modificações de Superfícies do LEMS, no CETEC.

3.3.2 Análise de Composição e Estrutura

A superfície e a morfologia dos filmes foram analisadas empregando-se

Microscopia de Força Atômica. Tais análises permitiram a observação da morfologia

das amostras bem como obtenção da rugosidade da superfície e do tamanho de grão das

mesmas.

As análises por Microscopia de Força Atômica (MFA) foram realizadas no

Laboratório de Nanoscopia do Departamento de Física da UFMG, utilizando-se o

equipamento de microscopia de varredura por sonda SPM (Scanning Probe

Microscopy) Nanoscope IV Multi Mode, da marca Veeco.

Utilizou-se a técnica de AFM no modo Contato Intermitente, também conhecido

como Tapping. Na técnica de AFM a imagem é formada pela interação entre a

superfície da amostra e uma sonda mecânica finíssima, cujo raio de curvatura da ponta é

da ordem de 5nm. No modo Tapping uma sonda, geralmente feita de Silício (Si), é

forçada a oscilar em uma freqüência próxima à freqüência de ressonância da alavanca

(100 kHz a 400 kHz) sobre a superfície da amostra, tocando-a periodicamente. Esse

modo diminui as forças de arraste lateral presentes no modo de operação em contato

constante, reduzindo os riscos de deterioração e mudança morfológica da superfície

devido à interação com a sonda. Por ser formada predominantemente por uma interação

de curto alcance (~ 1nm), a imagem obtida por AFM carrega informação tridimensional

quantitativa, isto é, as dimensões das amostras são quantificadas nas três direções

espaciais, ao contrário da Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), onde a

quantificação é bidimensional (JUNQUEIRA, 1998).

61

3.3.3 Difração de Raios X

A análise estrutural dos filmes foi feita por difração de raios X com ângulo de

incidência rasante. Nesse método, o ângulo de incidência (θ) é desacoplado do ângulo

percorrido pelo detector (2θ) e permanece fixo em valores pequenos (~1º). Assim, é

possível garantir uma baixa profundidade de penetração e um grande volume irradiado.

No método convencional de difração de raios X com ângulos acoplados, chamado de

Bragg-Bretano, o feixe incidente atinge o substrato, dificultando a obtenção de

informações de amostras muito delgadas. O equipamento usado nas análises de

difratometria foi o difratômetro LabX – XRD – 6000 SHIMADZU, com tubo de Cu

(K), disponível no Setor de Análises Químicas – STQ da Fundação Centro Tecnológico

de Minas Gerais, ver Fig. 15. Fases cristalinas dos filmes foram obtidas.

FIGURA 15 – Difratômetro

3.3.4 Caracterização Óptica

A caracterização óptica dos filmes foi feita utilizando-se um espectrômetro,

AnalytikJena, modelo Specord – 210, ver Fig. 16, disponível no Setor de Análises

Químicas da Fundação Centro Tecnológico de Minas Gerais (CETEC-MG). As análises

dos espectros de transmitância e de refletância obtidos na região de absorção do filme

permitiram a obtenção do coeficiente de absorção das amostras. Com a técnica, pôde-se

determinar a transmitância máxima e o seu respectivo comprimento de onda.

62

FIGURA 16 – Espectrofotômetro Specord – 210 AnalytikJena

3.3.5 Voltametria Cíclica

O comportamento eletroquímico dos polímeros intrinsecamente condutores

(PIC) utilizados em um dispositivo eletrocrômico resulta de processo eletroquímico

entre eletrodos, que pode ser estudado in situ por meio de técnicas

espectroeletroquímicas, tais como a voltametria cíclica, a qual permite obter

informações sobre o processo redox do material polimérico; e cronoamperometria, que

permite estudar a velocidade de transferência de elétrons através do cálculo do

coeficiente de difusão aparente no filme polimérico. A análise do sistema eletrocrômico,

após um transitório de potencial ou corrente, fornece dados importantes sobre efeitos

cinéticos e termodinâmicos que ocorrem no eletrodo. A espectroscopia de impedância

eletroquímica também é uma técnica utilizada para investigar parâmetros cinéticos

relacionados com as propriedades eletrocrômicas dos DEC (MACHADO, 2001).

Voltametria constitui um grupo de métodos eletro analíticos, em que a

informação sobre o analito (composto de interesse sendo analisado) é advinda da

medida da corrente em função do potencial aplicado nas condições de polarização do

eletrodo indicador ou de trabalho (CUSTÓDIO, 2001). A voltametria cíclica é a

63

varredura do potencial direto e inverso em vários ciclos sucessivos, gerando picos

catódicos e anódicos (CANTANE, 2004). Cronoamperometria é a análise das curvas de

corrente em função do tempo a um dado potencial aplicado. Cronocoulometria é a

modificação de corrente e o potencial do eletrodo é medido como função do tempo

(LMS, 2006).

As duas primeiras técnicas eletroquímicas citadas acima, associadas à

espectroscopia visível-NIR, permitem estudar a mudança de cor do filme quando passa

do estado reduzido para o estado oxidado. Os valores de máximo e a posição dos picos

de absorção do espectro Vis/NIR permitem o estudo do transporte iônico no filme

(MACHADO, 2001).

O eletrocromismo de um material está associado ao processo redox (transporte

eletrônico) e à entrada/saída do dopante na matriz polimérica (transporte

iônico/transporte de massa). Baseando-se nesse princípio, pode-se associar a variação de

contraste à carga inserida/ejetada por unidade de área do filme e monitorar o

comportamento eletrocrômico de um material em um comprimento de onda, o que

permite o estudo cinético do material (MACHADO, 2001).

A degradação do material leva à perda das características de polímero condutor.

Nesse ponto, ocorre a perda da reversibilidade eletroquímica, processo que é

acompanhado de mudanças de cor relacionadas às mudanças do estado de oxidação do

material, possibilitando estudos por meio de voltametria cíclica.

Alguns dados obtidos com as técnicas de voltametria cíclica e

cronoamperometria são:

Eficiência eletrocrômica: carga injetada para que ocorra uma mudança entre o estado

reduzido e oxidado, simultaneamente, com variação cromática. A eficiência

eletrocrômica é dada como uma função de unidade de área no material e deve apresentar

o menor valor possível.

Resposta eletrocrômica: tempo que os polímeros levam para responder a um potencial

e mudar de cor. Não se deve esperar uma resposta eletrocrômica rápida para os

polímeros por causa do processo de inserção de íons na matriz.

64

Tempo de vida: quando um material é submetido a vários ciclos de clareamento e

escurecimento, esse material apresenta variações na resposta eletrocrômica. Para se ter

um material com tempo de vida longo, ele deve ser estável ao máximo possível de

ciclos de carga e descarga do dispositivo eletrocrômico.

Memória óptica: tempo no qual o material mantém sua coloração em circuito aberto

após aplicação de um potencial externo, ou seja, o eletrodo é condicionado em um

potencial específico (potencial de oxidação ou redução) durante o tempo necessário para

que o material adquira a cor referente ao seu estado de oxidação. Em seguida, o circuito

é desligado e a variação de cor do material pode ser monitorada por técnicas

espectroscópicas (MACHADO, 2001).

A voltametria cíclica foi realizada em um potenciostato, PG -29 da Omnimetra

Equipamentos Científicos, disponível no Laboratório de Corrosão e Engenharia de

Superfície do Departamento de Engenharia Química da UFMG - DEQ/UFMG.

Nas análises de voltametria cíclica, utilizou-se como eletrólito uma solução de

10-3 molL-1 de ácido sulfúrico, com inserção de íons lítio. O eletrodo de trabalho foi um

filme de dióxido de Titânio depositado sobre FTO (óxido condutor transparente de

estanho dopado com flúor). O contra eletrodo utilizado foi o de platina. O eletrodo de

referência foi o de calomelano. A velocidade de varredura foi de 50mV/s.

Na Tab. 04, têm-se as amostras analisadas:

TABELA 04 – Amostras analisadas por Voltametria Cíclica

Nº Amostra Características de processo

1 (T1)- filme homogêneo TiO2 depositado por PVD

2 (T2)- filme fino TiO2 depositado por PVD, transparente, sem

tratamento térmico

3 Filme oxidado TiO2 com tratamento térmico (450ºC por 30

minutos)

Foram feitas análises de cronoamperometria com pulsos de potenciais catódicos

e anódicos (±0,3V) durante 10 segundos.

65

3.4 Validações do desenvolvimento de filmes de TiO2

Para validação do desenvolvimento de filmes de TiO2 para DEC, montou-se uma

pequena janela de, aproximadamente, 2cm x 2cm.

Nessa montagem foram utilizados:

Eletrodo: Filme de TiO2 desenvolvidos neste trabalho + Substrato de vidro previamente

recoberto com FTO numa face.

Contra-eletrodo: Filme de NiO + Substrato de vidro coberto com FTO numa face,

preparado para esse fim (CERQUEIRA, 2006).

Eletrólito: HPC / HEC, também preparado para esse fim (CERQUEIRA, 2006).

O dispositivo foi montado e nele aplicado uma tensão elétrica, registrando-se,

em filme digital, a ocorrência do fenômeno do eletrocromismo.

66

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Gestão da Manutenção

Como resultado desta demanda, padronizou-se um registro de manutenção (ver

Anexo A), que é um recurso de preenchimento rápido das intervenções realizadas nos

equipamentos. A adoção desse mecanismo substituiu o relatório que era feito e que

despendia muito tempo, permitindo maior disponibilidade do colaborador para atuar na

manutenção. Isso possibilitou a melhoria da prática que era adotada anteriormente para

a confecção dos relatórios. O resultado foi a documentação de pequenos reparos até

intervenções de porte maior, proporcionando, ainda, a confecção de um relatório

padronizado, cuja estrutura possibilita o registro de todas as atividades executadas em

determinado período.

Um importante impulsionador dos resultados adquiridos nas práticas de gestão

da manutenção no LEMS foi a mudança realizada na estrutura organizacional do setor.

Antes, o setor era formado por seis equipes independentes e cada uma delas contava

com um gerente responsável (Fig.17).

FIGURA 17 – Estrutura organizacional do LEMS antes da mudança

A troca de informações entre essas equipes era limitada, bem como o contato

entre os trabalhadores. A estratégia adotada consta em migrar as equipes para uma única

grande equipe de manutenção coordenada por uma gerência central (Fig. 18). Nessa

nova equipe, os profissionais trocam informações e experiências de trabalho,

compartilham recursos e ajudam uns aos outros na manutenção dos equipamentos.

67

FIGURA 18 – Estrutura organizacional do LEMS após a mudança.

A mudança na estrutura organizacional do setor de manutenção do Laboratório

de Engenharia e Modificações de Superfícies foi um grande estimulador para a adoção

das ferramentas de gestão descritas nesse trabalho. Dispor de uma equipe unificada

permite, mais facilmente, analisar riscos envolvidos na manutenção, bem como obter

informações entre os colaboradores e documentá-las como lições aprendidas. Através

dessa nova estrutura, o desempenho dos manutentores em relação ao sucesso das

intervenções realizadas nos equipamentos melhorou significativamente, uma vez que o

cenário atual é um facilitador para a aprendizagem constante.

4.2 Influências dos Parâmetros de Deposição

A análise que pode ser descrita, levando-se em consideração a faixa de

parâmetros usados para Deposição Física de Vapor, mostrou que, do ponto de vista da

taxa de deposição, a melhor faixa de pressão esta entre 1 x 10-5 e 5 x10-5 mbar na

câmara. Fora dessa faixa de pressão, o conteúdo de Titânio na atmosfera é insuficiente

para se produzir óxidos.

Durante as deposições, um parâmetro que foi alterado do primeiro recobrimento

para o segundo foi o tempo de deposição, fator este determinante para o controle da

espessura e características ópticas do filme, conforme Tabela 05.

68

TABELA 05 – Amostras utilizadas para caracterização sem tratamento térmico

Experimento Pressão

Total

(x10-

3mbar)

Argônio

Fluxo

(sccm)

Oxigênio

Fluxo

(sccm)

Tempo de

Recobrimento

(min)

Resultado

E1 * 1,74

39 39 50 Filme com

aspecto azulado,

baixa

transmitância no

visível.

E2 * 1,70 40 40 15 Filme

transparente, com

alta transmitância

na região do

visível.

* E1 corresponde ao primeiro experimento e E2 ao segundo experimento.

Quanto menor a pressão, menos íons disponíveis existem para serem

depositados, ao passo que pressões elevadas diminuem o caminho livre médio tanto dos

íons quanto dos átomos injetados e há uma maior ocorrência de choques entre as

espécies.

A espessura dos filmes eletrocrômicos é um dos importantes parâmetros que

afetam a resposta eletrocrômica. Os filmes de menor espessura, com menos que 120nm,

mostram elevada transmitância, 80%, mas sua coloração fica comprometida; já aqueles

de espessura maior que 200nm mostram uma maior coloração, mas uma baixa

transmitância no estado transparente devido ao aumento da absorção (KAMAL, 2005).

Os filmes produzidos no primeiro experimento tiveram suas espessuras

determinada com o perfilômetro Taylor Hobson, modelo Form Talysurf, obtendo-se

valores da ordem de 4938 nm. A medição foi feita com um cut-off de 0,8 mm (medição

do comprimento a cada 0,8 mm), num comprimento de 8 mm. Os filmes dessa primeira

etapa de experimentos se apresentaram espessos.

69

Os filmes obtidos com o segundo experimento tiveram sua espessura

determinada com o Microscópico de Força Atômica Atomic Force Microscopy

Dimension 3000 Digital Instruments. Nesse caso, os filmes apresentaram espessuras

muito inferiores ao do primeiro experimento. Na tabela 08, os resultados de espessura

podem ser vistos. O parâmetro espessura do filme influencia diretamente a

transmitância da amostra e o efeito eletrocrômico da mesma.

Na Tabela 06, tem-se a descrição da primeira matriz de experimentos onde

foram produzidas 10 amostras em diversos substratos. É importante salientar que as

amostras que serão utilizadas para produção do eletrodo são as que apresentam, como

material, vidro + FTO.

TABELA 06 – Matriz de experimentos 1

Material Posição (em relação ao cadinho) Quantidade

Aço com degrau 32 cm 38 cm 2

Vidro sodacal 38 cm 2

Vidro com degrau 32 cm 38 cm 2

Vidro + FTO 32 cm 38 cm 4

Referência do cadinho: 0 cm

As corridas realizadas podem ser divididas em três etapas principais. Essas

etapas para a realização da corrida podem ser vistas na Fig. 19, que resultaram nas

amostras da Tab. 06.

70

FIGURA 19 – Variação da pressão ao longo do Experimento 1

Durante o processo de deposição, pode-se observar três etapas, sendo elas o

aquecimento, a etapa de limpeza e o recobrimento propriamente dito. No primeiro

processo para produção de recobrimentos (Fig. 19), pode-se observar que essas etapas

ocorreram duas vezes seguidas. Na figura acima, observa-se a ocorrência de duas etapas

de aquecimento (heat), limpeza (etch) e recobrimento (coat). Em um primeiro

momento, é produzida uma camada de filme de Titânio com aproximadamente dois

minutos de oxidação da mesma (primeira etapa de coat na figura 19). Posteriormente,

outro filme é depositado, sendo que, nesse caso, há a presença de Titânio e oxigênio. A

oxidação ocorreu durante 40 minutos aproximadamente (segunda etapa de coat na

figura 19). Devido ao tempo de processo, o filme produzido apresentou-se espesso.

As curvas da pressão absoluta determinadas com um Baratron (PBara (x0,5)),

fluxo de Oxigênio (fO2(x0,2)) e corrente de emissão (Iemissão) também são apresentadas.

As variáveis de processo são apresentadas no eixo das ordenadas em mV, pois esta é a

forma como o sistema BAI faz a leitura das variáveis de processo.

71

Em um processo de Deposição Física de Vapores, o conhecimento da variação

dessas variáveis em função do tempo de processamento é relevante para avaliar a

qualidade dos filmes produzidos.

Na Tab. 07, tem-se a descrição da segunda matriz de experimentos. Nessa

corrida foram produzidas 6 amostras.

TABELA 07 – Matriz de experimentos 2

Material Posição Aço Inox 304 33 cm 38 cm

Vidro Sodacal com degrau

33 cm 38 cm

Vidro + FTO 33 cm 38 cm Referência do cadinho: 0 cm

Na Fig. 20, têm-se as variáveis de processo em função do tempo referentes à

segunda corrida para produção de filmes.

0 10 20 30 40 50

0

1000

2000

3000

4000

5000

ETCH COATHEAT

[mV]

tempo [min]

P Bara (x0,5)

f O2 (x0,2)

I emissão

I ARC (X3)

FIGURA 20 – Variação da pressão ao longo do Experimento 2

72

No segundo processo para produção do recobrimento (Fig. 20), buscou-se

melhorar o primeiro processo. Nesse processo, pode se observar as etapas de

aquecimento, limpeza e recobrimento ocorrendo apenas uma única vez. Em

aproximadamente 38 minutos, observa-se, na figura acima, o início do recobrimento,

inicialmente sem oxidação do filme e, em aproximadamente 43 minutos, observa-se a

injeção de oxigênio no processo. A etapa de recobrimento durou, aproximadamente, 20

minutos. As diferenças da segunda corrida para a primeira são o tempo de deposição e,

também, a ocorrência das etapas de aquecimento, limpeza e recobrimento.

4.3 Caracterização de Filmes de TiO2

4.3.1 Propriedades ópticas

A transmitância dos filmes na faixa da radiação UV-Vis-NIV, mostrada nas Fig.

21, indica o efeito dos parâmetros de processo, como fluxo de argônio, fluxo de

oxigênio, potência de plasma e temperatura do substrato, apresentados na Tab. 05.

Observa-se que o pós-processamento aumenta a transmitância em ambos os filmes

preparados. Os filmes resultantes da segunda corrida, antes ou após pós-processamento,

apresentaram maior transmitância. Na Fig. 21, pode-se observar o aumento da

transmitância das amostras T1 e T2 pós-tratamento termoquímico.

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Transmitância(%)

Comprimento de Onda (nm)

T2T

T2

T1

T1T

FIGURA 21 – Transmitância das amostras T1 e T2 e amostras T1T(amostra T1

tratada) e T2T(amostra T2 tratada)

73

4.3.2 Composição e Estrutura

Através da técnica de Microscopia de Força Atômica foi medido, para amostra

T1, o tamanho médio de partículas ou aglomerados. Seu tamanho ou rugosidade não foi

significativamente alterado com o tratamento termoquímico. A morfologia de T1 indica

que a deposição resultou em um filme menos compacto e menos homogêneo em termos

de sua textura superficial do que o da amostra T2. Verificou-se que o aumento do tempo

de deposição aumentou a porosidade dos filmes, o que, possivelmente, está relacionado

a um aumento de tensão residual nos filmes ou as reorientações estruturais do deposito

em busca de se minimizar energia livre de superfícies. A variação de temperatura

também pode influenciar o modo de crescimento do filme e afetar a porosidade do

mesmo. A porosidade dependerá da molhabilidade do filme contra o substrato e das

tensões residuais devido a diferenças de coeficiente de dilatação dos materiais. Com o

pós-processamento, obteve-se um material mais compacto e denso, como é possível

verificar, também, na literatura, só que para amostras tratadas termicamente

(TAKIKAWA, 1999). Da literatura, é possível verificar-se que as diferenças de

morfologia influenciam no transporte de íons e, assim, influenciam as propriedades

eletrocrômicas dos filmes (ZOPPI, 2000). Verificou-se que, em filmes menos

compactos, o transporte de íons é mais rápido e facilitado, provavelmente, por esse

fator. As análises de microscopia de força atômica indicaram que os filmes TiO2

apresentaram morfologias diferentes dependendo da região do eletrodo onde eles foram

observados. Os filmes depositados por PVD e sem tratamento térmico apresentam

fatores estruturais e morfológicos mostrados nas Fig. 22 e 25 de MFA. A porosidade

diminui com o tratamento térmico e as amostras tornam-se menos heterogêneas. A Tab.

08 mostra a espessura e a rugosidade para cada amostra.

TABELA 08 – Dados da Microscopia de Força Atômica

Amostra Espessura (Altura Vertical) Rugosidade (RMS)

T1 261 nm 127,6 nm

T2 26 nm 13,6 nm

T1 Tratada a 450ºC 239 nm 97,7 nm

T2 tratada a 450ºC 24 nm 10,6 nm

74

FIGURA 22 – Microscopia de Força Atômica da amostra T1

Nas figuras de MFA observa-se que a superfície se caracteriza por uma textura

com depressões da ordem de 10nm. Neste trabalho tais depressões são denominadas

poros.

FIGURA 23 – Microscopia de Força Atômica da amostra T1 tratada.

75

FIGURA 24 – Microscopia de Força Atômica da amostra T2

FIGURA 25 – Microscopia de Força Atômica da amostra T2 tratada (T2T).

Com o pós-processamento, ocorrem oxidação (porque a transmitância

aumentou) e cristalização (conforme resultados de difração de Raios X) dos filmes, o

76

que resultou em redução de porosidade, com redução de rugosidade, mas, também, da

transmitância.

Na Fig. 26, é apresentado um difratograma, onde se pode observar picos

correspondentes ao anastásio e rutilo (Cavalcante, 2006). A figura 27 mostra uma

representação gráfica das fases presentes no recobrimento de Titânio em função do

ângulo de difração 2θ.

FIGURA 26 – DRX de TiO2 Calcinado sintetizado

Fonte: CAVALCANTE, 2006

R – Rutilo; A – Anastásio

FIGURA 27 – Identificação das fases presentes no recobrimento

77

Nas Fig. 28, 29, 30 e 31 são apresentados os resultados obtidos para composição

das amostras.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

240

260

280

300

320

20.2

27.28

28.82

35.640.8 52.7456.26 69.4

ângulo de incidência 0.25

Intensidade

2q

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

50

100

150

200

250

300

20.76

27.24

29.18

39.3640.22 54.2268.3


Intensidade

2q

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

100

200

300

20.68


Intensidade

2θ

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

50

100

150

200

250

300

350

400

19.9224.74

27.18

43.72 54.38

73.44


Intensidade

2θ

FIGURA 28 – Difratogramas de Raios X da amostra T1 a diferentes ângulos de

incidência.

78

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

50

100

150

200

250

21.1

27.28

37.7643.4454.28

68.34


Intensidade

2θ

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

27.44

35.28

43.6 54.5868.74


Intensidade

2 θ

FIGURA 29 – Difratograma da amostra T1T

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180


Intensidade

2θ

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

50

100

150

200


Intensidade

2θ

FIGURA 30 – Difratograma da amostra T2

79

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180


Intensidade

2θ

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

50

100

150

200


Intensidade

2θ

FIGURA 31 – Difratograma da amostra T2T

Na amostra T1 existem picos em 27,02; 54,26; 56,20 que são próprios do cristal

Rutilo. Entretanto, para a mostra T2, o filme pareceu ter sido depositado com uma

espessura muito fina, o que pode ser constatado por análise de AFM listados na Tabela

08 e, como conseqüência disso, a análise de Difração de Raios X não detectou picos e,

sim, o halo amorfo. Isso pode ser constatado, também, na amostra T2T.

Os filmes de TiO2 foram crescidos com estrutura amorfa e cristalina e puderam

ser cristalizados mediante tratamento térmico. O tratamento térmico por um longo

tempo aumenta a espessura do filme e pode deixá-lo mais uniforme.

4.3.3 Voltametria Cíclica

A mudança de cor no filmes de TiO2 foi observada durante o experimento de

inserção de Li quando da aplicação da tensão elétrica no material. A polarização não

pode ser associada à retirada de oxigênio, pois a energia de coesão é muito grande, entre

10 e 13,5eV. Isso leva a crer que só pode ocorrer injeção de elétrons no material como

forma de se manter eletro neutralidade. Dois processos catódicos podem ser percebidos

na Fig. 32, um pico de corrente em torno de –0,5V, relacionado ao processo de inserção

de Li+, e um rápido aumento de corrente em 1,75V.

80

FIGURA 32 – Voltametria cíclica para amostra T1.

A amostra de TiO2 com tratamento térmico (T1T) mostrou-se menos eletroativa

que a amostra não tratada (Fig. 33).

FIGURA 33 – Voltamograma cíclico da amostra T1T.

Nos ensaios de voltametria foi observada a mudança de cor da amostra T2, o que

leva a concluir que o filme nessa amostra é um cristal Rutilo, pois essa característica é

necessária para a mudança de cor em óxido de Titânio. Isso ocorre porque o óxido de

Titânio possui uma estrutura cristalina que, justaposta, forma túneis onde pequenos

cátions podem se inserir como H+, Li+, K+ .

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6-0.00010

-0.00005

0.00000

0.00005

0.00010

0.00015

I / m

A

E / V versus ECS

CV82

81

4.4 Considerações finais

A variação dos parâmetros de deposição indica que, nos filmes T1, ocorreu uma

deposição a temperaturas mais altas que em T2. Disso resultam filmes mais cristalinos

em T1, que são mais rugosos (SABINO, 2007).

Considerando-se as características estruturais, ópticas e os resultados de

voltametria, os resultados permitem afirmar que os filmes, da maneira como foram

depositados, têm óxidos suficientes para os processos eletrocrômicos.

4.5 Protótipo produzido

Montaram-se alguns protótipos de Janela Inteligente e foram feitas as filmagens

dos mesmos. Não foi observada a mudança de coloração do dispositivo de forma

acentuada em todas as montagens. Os filmes apresentaram-se com coloração mais

escura em determinadas partes do dispositivo.

O dispositivo foi montado e nele aplicado uma tensão elétrica, registrando-se,

em filme digital, a ocorrência do fenômeno do eletrocromismo, ver Fig. 34.

(a) Estado transparente (b) Estado Colorido

FIGURA 34 – Janela Eletrocrômica

Não foi observada a mudança de coloração do dispositivo de forma

acentuada em todas as montagens, ver Fig. 35. Em algumas das montagens, o

dispositivo funcionou, sendo necessário desenvolver novos filmes para se conseguir

uma maior uniformidade no dispositivo. Na Fig. 35, (b), é possível observar onde o

efeito eletrocrômico foi mais acentuado (circulo vermelho).

82

(a) Estado transparente (b) Estado Colorido

FIGURA 35 – Detalhe da Janela Eletrocrômica

5 CONCLUSÕES

A evolução na Gestão da Manutenção evidencia que é possível para a equipe do

LEMS reduzir as paradas para manutenção e o fator de sucesso é o uso de ferramentas

para o planejamento e para identificação de riscos associados a falhas das atividades de

manutenção dos sistemas de deposição sob vácuo estudados do Laboratório. As técnicas

utilizadas resultaram em um aprimoramento expressivo nos indicadores de prazos de

conclusão das atividades de manutenção de equipamentos. Outro fator de sucesso é a

padronização de relatórios e registros de manutenção, que aprimoraram o banco de

dados do laboratório e facilitaram a análise de falhas e o planejamento das intervenções

realizadas pelos manutentores.

No tocante a produção do dispositivo eletrocrômico, o mesmo foi montado

usando-se o filme de TiO2 desenvolvido na Fundação Centro Tecnológico de Minas

Gerais, e operado com sucesso. Portanto o desenvolvimento do filme de óxido de

Titânio para Janela Inteligente foi alcançado com êxito.

Filmes de TiO2 foram depositados sob vácuo a partir de Ti . É possível observar-

se que filmes TiO2 na fase cristalina(anastásio) apresentam uma melhora significativa

em suas propriedades ópticas para serem aplicados em janelas inteligentes quando

ocorre um aumento no fluxo de oxigênio durante a sua deposição. Filmes com baixo

fluxo de oxigênio apresentam uma coloração azul e baixa transmitância no visível.

Através do tratamento termoquímico pós-processamento, constatou-se que

filmes de melhor qualidade em relação à transmitância no visível são obtidos. Filmes

mais porosos apresentam maior intercalação. Assim, é preciso verificar quais os

83

parâmetros ótimos que possam relacionar a maior facilidade de intercalação e

transparência no visível.

Através da técnica de voltametria cíclica, é possível concluir-se que os filmes de

dióxido de Titânio possuem capacidade de armazenar carga ou íons positivos.

Averiguou-se a necessidade de pequeno potencial para a coloração e clareamento dos

filmes, de acordo com trabalhos anteriores.

Pode-se concluir que com o controle dos parâmetros de deposição de filmes com

a evaporação sob vácuo, em atmosfera reativa, permite a técnica de PVD, obter-se

filmes com espessuras e transmitâncias que podem atender os requisitos de qualidade

para Janelas Inteligentes.

6 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS

Com o encerramento do Projeto P&D 016 CEMIG-ANEEL - Abordagem

Integrada da Eficiência Energética e Energias Renováveis, buscou-se a continuidade do

projeto de Janelas Inteligentes. Dessa forma, já foi feita uma proposta para um edital

CEMIG – ANEEL, período 2006/2007, sendo que se tem, como objetivo geral,

desenvolver um protótipo de janela inteligente a partir de filmes finos eletrocrômicos

cerâmicos à base de Ti, W ou Ni, para maior eficiência energética de edificações.

Como objetivos específicos, têm-se:

• Desenvolver processamento de filmes eletrocrômicos e de filme para função de

eletrólito, com qualidade para o dispositivo em pauta;

• A partir de filmes eletrocrômicos e de filme de eletrólito sólido, produzir um

protótipo de janela inteligente;

• Modelamento de relações entre propriedades de filmes e desempenho de

dispositivos;

• Modelamento de relações entre variáveis de processo de preparo de filmes, sua

composição, estrutura e propriedades;

• Quantificar indicadores da vida útil do dispositivo;

• Avaliar a viabilidade econômica do protótipo.

84

Os trabalhos serão conduzidos em 3 ciclos de aprendizado, buscando-se

combinar planejamento fatorial de experimentos para o desenvolvimento de filmes e de

dispositivos, caracterização, análise de resultado e definição de próximos passos.

Serão utilizados processos físicos e químicos para a deposição de filmes,

técnicas eletrostáticas e de espectroscopia de massa e óptica para a caracterização de

plasma durante deposições, bem como técnicas variadas para a caracterização química,

eletroquímica, estrutural e de propriedades dos filmes.

A análise de resultados buscará determinar relações entre composição, estrutura

e variáveis de deposição de filmes, bem como relações entre composição, estrutura e

propriedades ou desempenho eletrocrômico dos filmes. As ações a serem realizadas

compreendem:

a) Revisão da literatura e análise da situação de patentes para complementar a

pesquisa bibliográfica referente à relação Composição X Estrutura X Propriedades de

filmes bem como relativamente às novas metodologias e técnicas para produção e

caracterização de filmes eletrocrômicos. Revisão do planejamento de experimentos.

Determinação de requisitos de qualidade de filmes e janelas. Definição de matérias

primas e riscos pertinentes. Definição de processos, parâmetros e riscos. Definição de

métodos referentes e riscos.

b) Desenvolvimento de filmes eletrocrômicos para função de eletrodo e de

contra-eletrodo. Os resultados anteriores levaram os proponentes a optar pela produção,

nessa etapa, de filmes à base de óxido de tungstênio (WO3) e óxido de Titânio (TiO2).

Esses dois filmes apresentam características relevantes, tais como, mudança de cor com

a inserção rápida e reversível de íons e elétrons dentro do material. Deseja-se controlar a

espessura, a estrutura e a composição com parâmetros de processo que maximizem

taxas de deposição (qualidade e produtividade). Para se conseguir altas taxas de

deposição, necessita-se de alta potência, para o que será usada uma fonte de potência

pulsada. Os filmes serão produzidos, sistematicamente, em dois reatores (reatores da

Balzers BAI 640 R e BAS 450 MS), sobre substratos de vidro soda-cal. Vidros

especiais poderão ser utilizados para facilitar medidas ópticas e elétricas. Serão

utilizados vidros adquiridos com TCO e vidros revestidos com TCO preparados pela

equipe. Apesar de não existir, ainda, a técnica implementada para se usar substratos de

85

poliéster, serão feitas tentativas nesse sentido. O preparo de contra-eletrodos será

realizado por sputtering, em reator a ser implementado nesse projeto, e evaporação a

vácuo com fusão por feixe de elétrons, em reator BALZERS BAI 640 R. Pretende-se

avaliar o efeito de elementos de liga no contra-eletrodo, com base em óxido de níquel,

para melhora de desempenho. Também serão produzidos filmes com recobrimento com

níquel químico e eletroquímico e posterior oxidação da amostra.

c) Caracterização óptica de filmes eletrocrômicos, utilizando-se um sistema de

espectrometria de radiação eletromagnética na faixa de infravermelho próximo ao

ultravioleta, para se determinar a refletância e transmitância dos filmes (LARSSON,

2004), bem como eficiência de coloração com injeção de íons, medida por voltametria

cíclica (AVENDAÑO, 2003). As respostas eletroquímica e elétrica serão, também,

avaliadas por técnicas de espectroscopia de impedância eletroquímica. Serão

determinadas a condutividade elétrica e a capacidade de polarização dos filmes.

d) Desenvolvimento e caracterização de filmes para função de eletrólito,

pretendendo-se investigar dispositivos com eletrólito polimérico e eletrólito cerâmico

(base ZrO2) na busca de melhores sanduíches para janelas inteligentes (FAEZ, 2000;

LARSSON, 2004). A resposta eletroquímica e elétrica de eletrodos eletrocrômicos será

medida. Esses eletrodos serão isolados e, depois de laminados com eletrólitos, por meio

de técnicas de espectroscopia de impedância eletroquímica e voltametria cíclica,

determinar-se-ão os parâmetros pertinentes, tais como condutividade elétrica e

resistividade do meio condutor.

e) Montagem do protótipo de Janela Inteligente, a partir dos filmes

eletrocrômicos e de eletrólitos.

f) Caracterização de processos de degradação do dispositivo, também com a

combinação das técnicas de espectroscopia óptica e voltametria. Serão testados os

efeitos de testes de intemperismo e exposição controlada ao Sol. A modelagem do

dispositivo será definida considerando-se estrutura, composição e desempenho.

g) Caracterização de plasma durante as corridas para deposição de filmes finos,

com técnica eletrostática de Langmuir, combinada com espectroscopia de massa e de

emissão óptica.

86

Buscando-se a avaliar os benefícios possíveis com o dispositivo produzido, bem

como identificar a economia de energia utilizando o dispositivo, pretende-se dar

continuidade ao estudo de simulação computacional que, por hora, encontra-se

paralisado. No anexo A, encontra-se parte do desenvolvimento realizado até o momento

no tocante ao levantamento do estado da arte e, também, da simulação de uma

edificação simplificada.

7 REFERÊNCIAS ABNT (Associação Brasileira de normas Técnicas). (2005) NBR 15220-3. Parte 3: Zoneamento bioclimático brasileiro e diretrizes construtivas para habitações unifamiliares de interesse social. Rio de Janeiro. ALUCCI, M. P. www.usp.br/fau/deptecnologia/docs/bancovidros/low.htm ALUCCI, M.P. www.usp.br/fau/deptecnologia/docs/bancovidros/termica.htm AVELLANEDA C. O. e BULHÕES, L. O.S. - Optical and electrochemical properties of V2O5:Ta Sol–Gel thin films Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 90, Issue 4, 6 March 2006, Pages 444-451 AVELLANEDA C. O. e BULHÕES, L. O.S. – “Intercalation in WO3 and WO3:Li films” Solid State Ionics, 163 (2003) 59-64 AVELLANEDA, C. O., BULHÕES L.S., and PAWLICKA A., (2005) “The CeO2–TiO2–ZrO2 sol–gel film: a counter-electrode for electro chromic devices”. Thin Solid Films. AVENDAÑO, E. et alli. , Electrochromism in nickel oxide films containing Mg, Al, Si, V, Zr, Nb, Ag, or Ta, Solar Energy Materials and Solar Cells 84 (2004) 337-350. BALZERS, KA Introduction to Vacuum technology (Basics) BEN (Balanço Energetico Nacional): Análises Energéticas e Dados Agregados - 2006 Disponível em: http://ben.epe.gov.br/BEN2006_Capitulo1.aspx BERGER, P.; Gaillet, L.; El Tahhann, R.; Moulin, G.; Viennot, M. (2001) Oxygen diffusion studies in oxide scales thermally grown or deposited on mechanically loaded metallic surfaces (MS-P2). NIM B – Beam interactions with materials & atoms, 181, pp 382-388 BOHREN, C.F.; Huffman, D.R. “Absorption and Scattering of Light by Small Particles”John Wiley and Sons, Canadá, 1983. BOYLE, Godfrey. Renewable Energy Power for a Sustainable Future. Oxford, UK: Oxford University Press, 1996.

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94

ANEXO A: Ficha de Registro de Manutenção

REGISTRO DE MANUTENÇÃO N°:

Serviço Corretiva Preventiva Emergencial Melhoria

Laboratório:

Data Início:

Data término:

Horas gastas:

Dados do sistema/equipamento:

Equipamento/modelo:

Sub-sistema:

Marca:

Localização:

Defeito no equipamento e/ou serviço:

Possível causa do defeito e/ou justificativa do serviço:

Procedimentos / Tarefas realizadas:

1.

2.

3.

4.

5.

Observações:

Anexos: Fotos Testes Outros:

Componentes / peças compradas: Quantid. Valor unitário

Valor total

1.

2.

3.

4.

Elaborado por: Aprovado por:

95

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http://www.livrosgratis.com.br/cat_9/ciencia_da_informacao/1











http://www.livrosgratis.com.br/cat_7/ciencia_politica/1









http://www.livrosgratis.com.br/cat_10/ciencias_da_saude/1











http://www.livrosgratis.com.br/cat_11/comunicacao/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_12/conselho_nacional_de_educacao_-_cne/1















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http://www.livrosgratis.com.br/cat_15/direitos_humanos/1









http://www.livrosgratis.com.br/cat_16/economia/1







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http://www.livrosgratis.com.br/cat_18/educacao/1







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http://www.livrosgratis.com.br/cat_20/educacao_fisica/1









http://www.livrosgratis.com.br/cat_21/engenharia_aeroespacial/1









http://www.livrosgratis.com.br/cat_22/farmacia/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_23/filosofia/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_24/fisica/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_25/geociencias/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_26/geografia/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_27/historia/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_31/linguas/1







Baixar livros de LiteraturaBaixar livros de Literatura de CordelBaixar livros de Literatura InfantilBaixar livros de MatemáticaBaixar livros de MedicinaBaixar livros de Medicina VeterináriaBaixar livros de Meio AmbienteBaixar livros de MeteorologiaBaixar Monografias e TCCBaixar livros MultidisciplinarBaixar livros de MúsicaBaixar livros de PsicologiaBaixar livros de QuímicaBaixar livros de Saúde ColetivaBaixar livros de Serviço SocialBaixar livros de SociologiaBaixar livros de TeologiaBaixar livros de TrabalhoBaixar livros de Turismo

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http://www.livrosgratis.com.br/cat_33/medicina/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_34/medicina_veterinaria/1









http://www.livrosgratis.com.br/cat_35/meio_ambiente/1









http://www.livrosgratis.com.br/cat_36/meteorologia/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_45/monografias_e_tcc/1







http://www.livrosgratis.com.br/cat_37/multidisciplinar/1





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http://www.livrosgratis.com.br/cat_39/psicologia/1







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Reinaldo Trindade Proençalivros01.livrosgratis.com.br/cp069391.pdf · Técnicas Nucleares da UFMG pela colaboração ao longo do curso. Aos familiares e amigos que de perto ou de