INSTITUTO DE ELETROTÉCNICA E ENERGIA

Pós-doutorando: Dr. Elvo Calixto Burini Junior

“TECNOLOGIA DO LED DE ILUMINAÇÃO”

Thomas Alva Edison

Itália (1847) – EUA (1931)

ABINEE - Associação Brasileira

da Indústria Elétrica e Eletrônica

Reunião do Grupo de PD & I

Abril, 9, 2013, São Paulo, Capital

ENGENHARIA METALÚRGICA E DE MATERIAIS

Pós-doutorando: Dr. Emerson Roberto Santos

Sumário

OLEDs:

Aplicações dos dispositivos OLEDs;

Quais as principais diferenças entre um LED e um OLED;

Comparação entre uma tela de LCD e uma tela em OLED;

Como caracterizamos os OLEDs;

Processo de montagem de OLEDs em elaboratório.

LEDs:

Resumo;

Introdução;

Transformando eletricidade em luz visível ;

Comparando tecnologias para luz elétrica;

Barreiras;

Usuários/consumidores;

Vida útil 100kh (sob qual temperatura???

Custos para produzir luz;

Agradecimentos;

Bibliografia.

OLEDs

(Organic Light Emitting Diodes)

Diodos Orgânico Emissor de Luz

Aplicações dos dispositivos OLEDs

TV da LG

TV da Samsung

OLED da Siemens

Pioneer (1998)

Philips

(2001)

OLED (abajur) da Philips

Kodak LS 633

(ano 2000)

Painel da GE OSRAM

6

Eastman Kodak

2008

Solvay

Quais as principais diferenças

entre um LED e um OLED???

Diferenças entre dispositivos LEDs e OLEDs:

• OLEDs possuem espessuras menores nas camadas, garantindo

leveza no dispositivo final;

• As cores emitidas pelos OLEDs são mais brilhantes que os LEDs

inorgânicos;

• Nos displays com OLEDs, não há necessidade de “luz de fundo”

(ou backlight), como nos LCDs, o próprio OLED emite a luz;

• Os displays com OLEDs possuem maior ângulo de visualização

(≈180 ), o que não ocorrem com os LCDs;

• Processo de fabricação dos OLEDs é mais simplificado, se

comparado com os LEDs inorgânicos.

Comparação entre uma tela de

LCD e uma tela de OLED

Como caracterizamos os

OLEDs???

Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente

Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente

Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente

Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente

Tensão de limiar

Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente

Tensão de limiar Espectrorradiômetro: Intensidade vs. Comprimento de Onda

Fonte de Energia: Tensão vs. Corrente

Tensão de limiar

Espectrorradiômetro: Intensidade vs. Comprimento de Onda

Luminancímetro e colorímetro: Luminância

Processo de montagem

de OLED em laboratório

Os OLEDs são produzidos pela sobreposição de camadas. Cada

camada possui uma funcionalidade específica que é característica

de cada material, portanto existe uma ordem lógica de montagem.

Base do dispositivos: Transparente

Base do dispositivos: Transparente

Eletrodo anodo: TCO

Eletrodo anodo: TCO

Polímero semicondutor e transparente

Base do dispositivos: Transparente

Eletrodo anodo: TCO

Polímero semicondutor e transparente

Polímero emissor de luz

Base do dispositivos: Transparente

Eletrodo anodo: TCO

Polímero semicondutor e transparente

Material orgânico semicondutor

Polímero emissor de luz

Base do dispositivos: Transparente

Eletrodo anodo: TCO

Polímero semicondutor e transparente

Material orgânico semicondutor

Polímero emissor de luz

Eletrodo catodo: metal

Base do dispositivos: Transparente

Eletrodo anodo: TCO

Polímero semicondutor e transparente

Material orgânico semicondutor

Polímero emissor de luz

Eletrodo catodo: metal

Encapsulamento

Base do dispositivos: Transparente

Porque é realizado o encapsulamento do dispositivo???

Barreira: encapsulamento...

Porque é realizado o encapsulamento do dispositivo???

Barreira: encapsulamento...

OS MATERIAIS UTILIZADOS, PRINCIPALMENTE OS EMISSORES DE LUZ,

POSSUEM VULNERABILIDADE AO ATAQUE QUÍMICO COM:

• ÁGUA (do ambiente);

• Oxigênio (do ambiente);

• UV do Ambiente.

DEGRADAM e DIMINUEM O

TEMPO DE VIDA DO

DISPOSITIVO

Como fazemos para diminuir a exposição dos dispositivos

à ÁGUA, OXIGÊNIO e UV (além do encapsulamento)???

SOLUÇÃO: CÂMARA GLOVE BOX

RESPOSTA: montar os dispositivos em ambiente fechado e controlado.

(Sem a presença de água, oxigênio e UV).

Como fazemos para diminuir a exposição dos dispositivos

à ÁGUA, OXIGÊNIO e UV (além do encapsulamento)???

4,5 V a 18 V 1 mA a 70 mA

< 100 cd/m2

Polímero Emissor Comercial

Polímero Emissor

Desenvolvido no

Laboratório

LED Verde - 5 mm

2 V 74 mA

≈ 20.000 cd/m2

LED Amarelo - 5 mm

1,7 V 22 mA

≈ 7.000 cd/m2

LED Vermelho - 5 mm

1,5 V 19 mA

≈ 5.000 cd/m2

LED Azul - 5 mm

2,5 V 50 mA

≈ 250.000 cd/m2

LED Branco - 5 mm

2,5 V 100 mA

≈ 900.000 cd/m2

Título: Máximo Desempenho e

Degradação em LEDs

4,5 V a 15 V 1 mA a 70 mA

< 100 cd/m2

Emissor

Diluído em

Diferentes

Solventes

Triclorobenzeno

Tetrahidrofurano

Diclorometano

Clorofórmio

http://www.newscenter.philips.com/br_pt/standard/about/news/press/article-201011291.wpd#.UWMY0Hm5fIU

A empresa uniu esforços com a Fundação CERTI, com o apoio do FUNTEC, para desenvolver um

projeto de pesquisa, desenvolvimento e produção voltada aos mercados emergentes.

O OLED revolucionará o conceito de fonte de iluminação, pois permite o uso de lâminas emissoras de

luz no lugar de lâmpadas.

https://www.lumiblade-shop.com/index.php/

EQUIPE DO LABORATÓRIO DE ENGENHARIA DE

MACROMOLÉCULAS

Líder do Grupo: Profa. Dra. Wang Shu Hui

Pós-doutorando: Dr. Emerson Roberto Santos

Doutorando: Me. Fábio Conte Correia

Me. Eduardo Cavalcante da Silva

Me. Etunísia Eufrausino Shuler

Mestrandos: Herick Garcia Takimoto

Fernanda Barberato

Satoru Yoshida

Iniciação Científica: José Igor Balbino de Moraes

Camila Bassetti de Oliveira

Juliana Aparecida Vendrami

Profa. Dra. Marcia Akemi Yamasoe

PRINCIPAIS COLABORADORES:

Prof. Dr. Roberto Koji Onmori

Cursos de: Materiais, Processos e Componentes Eletrônicos

Eletrônica Industrial

emmowalker@yahoo.com.br

E-mail:

LEDs

“Tecnologias LED – LP (OLED /PLED)

para Iluminação (SSL)”

Uma abordagem visando introduzir as tecnologias SSL;

LEDs com base em material orgânico/ híbridos e inorgânico;

A apresentação faz foco na eficiência energética e tópicos relevantes, dados coligidos da literatura;

O cenário: uma provável transição em fontes de luz para iluminação, a fluorescente dando lugar a luz produzida por dispositivos de microeletrônica (Solid State Lighting – SSL); e

As fontes de luz artificial passarão a ser montadas com base em materiais da eletrônica em estado sólido e processos de microeletrônica (SSL).

RESUMO

BURINI JUNIOR, E. C., SANTOS, E. R., Tecnologias LED – LP (OLED /PLED) para Iluminação (SSL)

Estados Unidos da América

Consumo anual de eletricidade (EUA) conforme setor e tipo de fonte de luz. Fonte: DOE, EUA, 2010 [6].

Introdução

Transformação no mercado de lâmpadas fluorescentes convencionais (lineares) em

função do diâmetro do bulbo (T12; T8 e T5). Fonte: Antonio.Giacobbe@sylvania.com, 2011.

Fig.3 - Padrão de eficiência norte americano para lâmpadas fluorescentes

convencionais. Fonte: Antonio.Giacobbe@sylvania.com, 2011.

Introdução

definição de eletroluminescência (p.20, item 3.4.24, TB-23/1991 ou NBR 5461)

“Luminescência causada pela ação de uma campo elétrico sobre um gás ou um material sólido

(... tal como num diodo emissor de luz). (845-04-24)”

Diodo emissor de luz /”Diodo LED” (p.21, item 3.4.40, TB-23/1991 ou NBR 5461)

“Dispositivo de estado sólido que compreende uma junção PN, e que emite radiação óptica quando excitado por corrente elétrica.”

Introdução - terminologia

Tabela periódica de elementos: grupos III e V.

A dimensão nanométrica:

49

Ampliando/alargando o conceito de diodo emissor de luz (do inglês Light-Emitting Diode - LED)

Diodo emissor de luz (LED) é um dispositivo semicondutor que emite luz incoerente num espectro estreito (≈30 nm)quando polarizado eletricamente no sentido denominado direto. Tal efeito é uma forma de eletroluminescência. A cor da luz emitida depende da composição química do material semicondutor utilizado no dispositivo. A seguir alguns materiais (siglas) e a cor típica predominante na emissão por LEDs.

GaAs, AlGaAs - vermelha e IR;

AlGaP - verde;

AlGaInP – (alto brilho) laranja-vermelho, laranja, amarela e verde;

GaAsP - vermelha, laranja-vermelho, laranja e amarela;

GaN - verde e azul;

InGaN - UV próximo, verde-azulado e azul;

AlN, AlGaN - UV próximo e distante.

.

Introdução - terminologia

O primeiro LED, 1962

SSL: LEDs inorgânicos.

Diferentes formatos (arte prévia) e indicação de partes componentes de

LED inorgânico (vista em corte). Fonte: YUAN, T. et al., Solid state lighting component (patente: US 20120241781 A1), 2012.

Outro formatos e aspectos construtivos de LED inorgânico.

Porque o Custo do LED é Elevado ?

2 – Transformando eletricidade em luz visível

A luz branca pode ser obtida a partir de composição adequada de fontes (ou “cores”) primarias (sistema aditivo: R, G, B) ou fotoluminescência (luminescência causada pela absorção de radiação óptica, geralmente, azul ou UV). A fluorescência é outro tipo de luminescência, cuja emissão geralmente ocorre 10 nano segundos após a radiação de excitação.

Iluminação: como a luz branca costuma ser feita com LEDi

O LED inorgânico: da pastilha a luminária montada.

Fonte: Licht.vissen 17 (p.23), 2010.

Eficiência comparativa entre tecnologias e limite previsto. Fonte: Licht.vissen 17 (p.19), 2010.

Eficiência comparativa entre tecnologias e limite previsto. Limites da figura 3. Fonte: [11], 2010.

61 SSL e seus componentes.

Fonte: http://www.ecnmag.com/articles/2011/01/introduction-solid-state-lighting.

62

Detalhamento dos componentes de um SSL

(a proteção contra surto não está indicada). Fonte: http://www.digikey.com/us/en/ph/TE/nevalo.html.

3 – Comparando tecnologias para luz elétrica

A partição do investimento norte-americano para as tecnologias SSL

(os valores estão aproximados: 70% em LEDi). Fonte: DOE SSL R&D funding in 2011.

Tabela 2 – Meta projetada para parâmetros selecionados, tecnologia

emergente (SSL-LED) e convencional (incandescente e fluorescente) para

iluminação. Fonte: [7].

Parâmetro /

Tecnologia

SSL-LED 2002

SSL-LED 2007 SSL-LED 2012 SSL-LED 2020 Incandesc. Fluoresc.

Eficiência

luminosa

(lm/W)

25 75 150 200 16 85

Vida útil (kh) 20 >20 >100 >100 1 10

Fluxo

luminoso

(lm/lamp.)

25 200 1,000 1,500 1,200 3,400

Potência

nominal

(W/lamp.)

1 2,7 6,7 7,5 75 40

Custo do

pacote de

lumens

($/klm)

200 20 <5 <2 0,4 1,5

Custo da

lâmpada

($/lamp.)

5 4 <5 <3 0,5 5

Índicie de

reprodução de

cor (IRC)

75 80 >80 >80 95 75

Nicho de

penetração

nos mercados

de iluminação

Fluxo reduzido

Incandescente

Fluorescente todos

Definição de regiões em plano: fluxo luminoso e eficiência, amostras de

fontes de luz (Caliper # 9) com diferentes tecnologias. Fontes: [14, 15].

4 - Barreiras

Autores e alguma inter-relação relativa a patentes nos EUA.

Autores e inter-relação WLED relativa a patentes nos EUA.

O estado da Arte (inclui indicação de partes componentes de LED inorgânico.

Fonte: [10].

5 – Usuários/consumidores

Informações aos usuários australianos sobre características

de luminária SSL. Fonte: Austrália (ver acima).

Imagem de fonte de luz elétrica disponível comercialmente, base tipo E-27, e

dimensões externas compatíveis co lâmpada incandescente convencional. Fonte: http://www.liquidleds.com.au/6-watt-240-volt-clear-dimmable-edison-led-globe-edison-screw-e27.html.

O comportamento da potência elétrica nominal segundo amostras coletadas

anualmente desde 2006 para produtos com LED inorgânico. Fonte: [13] DOE, EUA, Dez., 2012.

O comportamento do fluxo luminoso segundo amostras coletadas anualmente

desde 2006 para produtos com LED inorgânico.

Fonte: PNNL-AS-92469, CALiPER, DOE, EUA, Dez., 2012.

O comportamento da eficiêncide luz primária (lampada) segundo amostras

coletadas anualmente desde 2006 para produtos com LED inorgânico.

Fonte: PNNL-SA-92469, CALiPER, DOE, EUA, Dez., 2012.

O comportamento da eficiência segundo amostras coletadas anualmente desde

2006 para produtos com LED inorgânico. Fonte: PNNL-SA-92469, CALiPER, DOE, EUA, Dez., 2012.

O comportamento do IRC segundo amostras coletadas anualmente desde 2006

para produtos com LED inorgânico. Fonte: PNNL-AS-92469, CALiPER, DOE, EUA, Dez., 2012.

6 – Vida útil:100 kh (sob qual temperatura ?)

ariação da vida nominal (2005) em função da temperatura de

funcionamento de LED inorgânico. Fonte: [16].

7 – Custos para produzir luz

82

O progresso no desenvolvimento do LEDi, descrito por uma relação logarítmica (lei

de Haitz): a emissão de luz de dispositivos LEDs praticamente dobraram a cada

dois anos, enquanto o custo caiu pela metade. Fonte: [8].

Comparação de custos: equipamento tipo spot LED e

incandescente a halogênio. Fonte: [11], 2010.

Comparação de custos: equipamento tipo LED e fluorescente. Fonte: [11], 2010.

Custo de capital e funcionamento, em US$/Mlm.h para algumas tecnologias de fonte

de luz primária (incandescente, fluorescente, HID e SSL/ano). Fonte: [7].

Tabela 3 – Comparativo de tecnologias para iluminação (luz branca). Fonte: [9].

Programas nacionais, metas e informações para a tecnologia SSL / LEDs.

Fonte: LIU, Y S, 2004 (http://www.phys.nthu.edu.tw/~colloquium/930512_Physics_abb.pdf).

Referências Bibliográficas

[1] ABNT TB-23/1991 (NBR 5461) Iluminação – terminologia. p.20, item 3.4.24, 1991.

[2] ABNT TB-23/1991 (NBR 5461) Iluminação – terminologia. p.21, item 3.4.40, 1991.

[3] HELD, G Introduction to Light Emitting Diode Technology and applications. 192p., TAYLOR & FRANCIS LTD, Print ISBN: 978-1-4200-7662-2 (www.auerbach-publications.com), 2008.

[4] TANG, C. W. and S. A. Vanslyke, Appl. Phys. Lett. 51, 913 (1987).

[5] SHUR, M. S.; Gaska, R. (2011) Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes. IEEE Transactions on Electron Devices, v.57, n.1, p.12-25, 2010.

[6] 2010 US Lighting Market Characterization Report. Solid-State Lighting Program, Building Technologies Program, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy – DOE, p.xiii, Fig. ES-1, Jan., 2012.

[7] TSAO, J Y Light Emitting Diodes (LEDs) for General Illumination. AN OIDA TECHNOLOGY ROADMAP UPDATE 2002, p.5, Tab.1, Oct., 2002.

[8] Nanoworld Slide Show Library, Light Emitting Diodes (NSTA Minneapolis), University of Wisconsin-Madison. Material (Slide) disponível em: http://education.mrsec.wisc.edu/SlideShow/slides/LED_applications/Haitz.html.

[9] HSIEH, C-C Analysis of LED Technologies for Solid State Lighting Markets. Technical Report No. UCB/EECS-2012-156, Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkeley, June 2, 2012.

[10] YUAN, T. et al., Solid state lighting component (patente: US 20120241781 A1), 2012.

[11] Licht.vissen 17- LED The light of the Future, 58p., 2010 (www.all-about-light.de), 2010.

[12] OHNO, Y Color Rendering and Luminous Efficacy of White LED Spectra. Fourth International Conference on Solid State Lighting, Proc. of SPIE Vol. 5530, p.89, SPIE, Bellingham, WA, 2004. doi: 10.1117/12.565757.

[13] PNNL-AS-92469, CALiPER year in review, 3p., DOE, EUA, Dez., 2012.

[14] DOE Solid-State Lighting CALiPER Program. Summary of Results: Round 9 of Product Testing, 32p., US Department of Energy, Out., 2009.

Referências Bibliográficas

[15] TYAN, Y-S (2011) Organic light-emitting-diode lighting overview. Journal of Photonics for Energy, v.1, n.1, p.011009-3, Fig.2, Special Section on Organic Light-Emitting Materials and Devices, (doi:10.1117/1.3529412), 2011.

[16] ALLEN, D. Solid state lighting component (patente: US 2006/0098440 A1), 31 jan 2005.

[17] “Energy Conservation Standards and Test Procedures for General Service Fluorescent Lamps and Incandescent Reflector Lamps Energy”, (Final rule), Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy, Federal Register, v.74, n.133, July 14, 2009. <http://www.gpo.gov/fdsys/pkg/FR-2009-07-14/pdf/E9-15710.pdf>.

[18] SSL R&D: Manufacturing Roadmap, p.19, Fig.1-3, DOE, USA, Ago., 2012.

[19] CALiPER Application Summary Report 19: LED Linear Pendants, DOE, EUA, Out., 2012.

Endereço: Universidade de São Paulo,

Instituto de Energia e Ambiente,

Av. Prof. Luciano Gualberto, n. 1289, CEP: 05508–010, Cidade Universitária – São Paulo – SP, Brasil Tel.: +55 (11) 3091-2572 e Fax: +55 (11) 3812-9251. e-mail: elvo@iee.usp.br .

BURINI JUNIOR, E. C., SANTOS, E. R., Tecnologias LED – LP (OLED /PLED) para Iluminação (SSL)

Perguntas ?

AGRADECIMENTOS

Ao Dr. Emerson Roberto Santos, parceiro em atividades na USP, pela

gentileza do convite para participar dessa apresentação na ABINEE,

Ao Prof. Adnei Melges de Andrade pelo convite que permitiu nossa entrada

para explorar a eletrônica denominada orgânica.

Os autores deste trabalho agradecem a: ABINEE, ao apoio da

CAPES (n.23/09) e as pessoas da assistência.

elvo@iee.usp.br

E-mail: