No dia 09/02/1907 o britânico Henry Joseph Round publicou seu primeiro artigo a respeito de certa luminescência observada em um detector cat’s whisker  (precursor do diodo). Seu relato foi vago e tratava da observação de um semicondutor sendo atravessado por uma corrente. Em 1927 o russo Oleg Vladimirovich Losev publicou artigo especifico a diodos emissores de luz. Losev observou que diodos receptores em radio emitiam eletroluminescência ao serem percorridos por corrente, e inventou o primeiro LED [1], mas como não havia utilidade para tal dispositivo, ficou esquecido na história junto com sua descoberta. Em 1962 o americano Nick Holonyak Jr. aprimorou um conhecimento já existente e achou uma utilidade para este aprimoramento, seu produto ficou conhecido como LED.

O funcionamento de um LED ocorre em nível eletrônico, são dispositivos compostos de materiais semicondutores e, quando dopados, possuem áreas carregadas negativamente e áreas com lacunas, onde os elétrons são absorvidos quando excitados com corrente externa. Ocorre barreira interna no ponto de contato entre áreas carregadas negativamente e as lacunas, visto que um material anula a carga do outro, criando barreira de potencial que, quando o excitada eletricamente, a barreira é ultrapassada e os elétrons livres do lado carregado negativamente vão ao encontro das lacunas e, quando este encontro acontece, a energia do elétron é eliminada através da emissão de calor ou de fótons, a depender do material que compõe o semicondutor. No caso de emissão de fótons, temos um LED, dispositivo que possui múltiplas utilizações e é precursor de tecnologias.

Capítulo 1: ROTEIRO

Desde a descoberta, em 1907, dos efeitos causados pela passagem de corrente por um semicondutor até os dias de hoje muitas coisas mudaram. Um efeito simplório que pode ter passado despercebido por muitos, veio a ser estudado de forma intensa para que pudessemos chegar muito perto da excelência em relação ao consumo energético. O aprimoramento dos LED’s possibilitou a melhora de eficiência da iluminação, fato esse que é responsável pelo novo modelo de iluminação de grandes áreas atualmente.

Tais dispositivos se fazem presentes em vastas gamas de atuação do engenheiro, desde meros indicadores, passando por dispositivos visuais como monitores e televisores, chegando a iluminação de pequenas e grandes áreas. Assim sendo, os profissionais da engenharia necessitam ter conhecimento pronunciado sobre esta tecnologia para que as melhores técnicas sejam empregadas.

O assunto abordado tem como objetivo deixar claro que a utilização de LED’s é benéfica tanto ecologicamente como energeticamente, visto que não se faz necessário o uso de produtos danosos ao ambiente em sua fabricação e também tais dispositivos requerem pequena quantidade de energia para operar. Sendo assim sua aplicação possui um payback muito rápido.

Este trabalho se baseia em estudos divulgados na internet, como em sites de empresas atuantes na área e sites que possuem vasto conteúdo sobre o contexto histórico. A divisão foi planejada de forma a esclarecer ao leitor sobre todos os passos que levaram esta tecnologia ao ponto que se encontra hoje. Uma breve descrição de como e por quem foi descoberto o LED é feita no capítulo 2. No capítulo seguinte temos algumas características da luz que permitem melhor compreensão do assunto abordado. Já na parte 4 deste trabalho encontramos a explicação do modo de operação de um LED, o que nos remete a parte 5, onde temos contato com algumas tecnologias onde este dispositivo é empregado e considerações sobre a aplicação de LED’s em espaço aberto.

Capítulo 2: CONCEITOS HISTÓRICOS

Para falarmos da observação dos fenômenos que levaram à descoberta dos diodos emissores de luz, precisamos primeiramente conhecer quem esteve por trás dessas observações.

Henry Joseph Round nasceu na Inglaterra em dois de junho de 1881. Filho mais velho de Joseph e Gertrude Round, freqüentou o Royal College of Science, instituição com forte foco em engenharia, ciência e medicina localizada também no reino unido, onde obteve diploma de honras de primeira classe. Um dos pioneiros da época do rádio, trabalhou na companhia Marconi no ano de 1902, algum tempo após esta realizar a primeira transmissão transatlântica sem fio. Detentor de 117 patentes, auxiliou a marinha britânica a detectar navios alemães através de interceptações radiofônicas durante a primeira guerra mundial, no ato que ficou conhecido como a maior batalha naval da história.

Enviado para os Estados Unidos para estudar diferentes tecnologias de rádio, acabou por perceber certa luminescência provinda da passagem de corrente por um detector cat’s whisker  (precursor do diodo), e acabou por relatar tal fato no dia nove de fevereiro de 1907. Tal relato em seu idioma original pode ser observado em anexo.

A experiência realizada consiste da passagem de corrente por um cristal de carboneto de silício (SiC), e pode ser montada conectando o terminal neutro ao cristal e ligando o terminal positivo a uma agulha. Ao aproximar a agulha ao cristal, certa luminescência pode ser percebida.

Oleg Vladimirovich Losev nasceu na Rússia no dia dez de maio de 1903. Filho de família de alto escalão, morreu na batalha de Leningrado que ocorreu na segunda guerra mundial, também na Rússia. Durante sua carreira publicou 43 artigos nos idiomas russo, inglês e alemão, possuindo também 16 patentes de sua autoria.

Losev, ao observar diodos em receptores de rádios, percebeu que estes emitiam luminescência com a passagem de certa corrente. No período de 1924 a 1941 publicou vários artigos relacionados à geração de eletroluminescência quando os elétrons saltam de uma banda de energia mais alta para uma mais baixa. Publicou artigo especifico a diodos emissores de luz no ano de 1927 em um jornal russo, no qual informava a criação de um diodo emissor de luz. Seus estudos foram abandonados por longo tempo, visto que não houve uma utilidade prática para sua invenção na época. Seus artigos foram muito mais detalhados e concisos que os artigos publicados por Henry Joseph Round e, desta forma, foi considerado por Nikolay Zheludev o inventor do LED em artigo publicado na revista Nature Photonics, em abril de 2007[1].

Nick Holonyak Jr. nasceu nos Estados Unidos no dia três de novembro de 1928 e foi o primeiro membro de sua família a receber educação formal. Engenheiro eletricista, ministrou aulas de engenharia elétrica e computação na universidade de Illinois, nos Estados Unidos, faleceu em 18 de setembro de 2022. Detém 41 patentes dentre as quais se destaca o diodo-laser, que foi muito utilizado em CDs e DVDs.

Sua participação na historia dos LED’s começa em 1962, ano em que trabalhou como consultor para os laboratórios da empresa norte americana General Electric. O que Holonyak fez foi aprimorar um conhecimento já existente e achar uma utilidade para este aprimoramento. Sua idéia foi tão afortunada que não parou mais de receber prêmios e passou a ser chamado, equivocadamente, por muitos de “O pai do diodo emissor de luz”[1].

Capítulo 1: CARACTERÍSTICAS DA LUZ

Para termos mais clareza, precisamos relembrar algumas características das ondas eletromagnéticas, as quais sensibilizam nossos olhos e possibilitam o mundo como conhecemos hoje.

O olho humano é sensível a faixa de comprimento de onda que vai de 380 nanômetros até 780 nanômetros. Todas as cores que conseguimos observar estão dentro deste limite e variam de entonação com a variação de seu comprimento de onda. O menor comprimento de onda que enxergamos é o equivalente a luz violeta, e o maior equivale a cor vermelha.

É interessante termos em mente alguns conceitos importantes com relação a luz:

3.1.CONCEITO DE LUZ

A luz na forma como a conhecemos é uma gama de comprimentos de onda a que o olho humano é sensível. Trata-se de uma radiação eletromagnética pulsante que se situa entre as radiações infravermelhas e as radiações ultravioletas. As três grandezas físicas básicas das ondas eletromagnéticas são a amplitude  (brilho para o caso da luz), a frequencia (ou cor) e o ângulo de vibração (ou polarização). Devido à dualidade onda-partícula, a luz exibe simultaneamente propriedades de ondas e partículas.

3.2.FLUXO LUMINOSO

Este conceito nos diz qual é a potencia emitida por uma fonte luminosa em um segundo para todos os sentidos, ou seja, é a quantidade total de luz emitida por uma fonte por segundo. A unidade do fluxo luminoso é o lúmen ou lm.

3.3.INSTENSIDADE LUMINOSA

Expressa em candelas (cd), é a medida da percepção da potencia emitida por uma fonte luminosa em uma dada direção. A unidade candela tem origem do antigo método utilizado para a aferição de valores. Este método consistia em usar uma vela padronizada e realizar comparação entre a intensidade luminosa da vela com a intensidade luminosa da fonte a ser observada.

3.4.ILUMINÂNCIA

É o fluxo luminoso incidente numa superfície por unidade de área, cuja unidade é o lux (lx). Um lux corresponde a iluminância de uma superfície plana de 1m² sobre a qual incide perpendicularmente fluxo luminoso de um lúmen. Pode se dizer que é a densidade de luz necessária para se realizar uma determinada tarefa visual, ou que é a quantidade de luz dentro de um ambiente.

3.5.LUMINÃNCIA

Medida em cd/m2, é uma medida da densidade da intensidade de uma luz refletida numa dada direção. Luminância não é a mesma grandeza física que intensidade luminosa, mas uma grandeza relacionada a densidade da intensidade luminosa.

3.6.FATOR OU ÍNDICE DE REFLEXÃO

É a relação entre o fluxo luminoso refletido e o incidente. Varia sempre em função das cores ou acabamentos das superfícies e suas características de refletância.

3.7.TEMPERATURA DE COR

É a grandeza que expressa a aparência de cor da luz, sendo sua unidade o Kelvin (K). Quanto mais alta a temperatura de cor, mais branca é a cor da luz. A “luz quente” é a que tem aparência amarelada e temperatura de cor baixa: 3.000 K ou menos. A “luz fria”, ao contrário, tem aparência azul-violeta, com temperatura de cor elevada: 6.000 K ou mais. A “luz branca natural” é aquela emitida pelo sol em céu aberto ao meio-dia, cuja temperatura de cor é de 5.800 K.  

Luz com tonalidade de cor mais suave torna-se mais aconchegante e relaxante, luz mais clara mais estimulante. A temperatura de cor é uma analogia entre a cor da luz emitida por um corpo negro aquecido até a temperatura especificada em Kelvin e a cor que estamos comparando.

3.8.ÍNDICE DE REPRODUÇÃO DE COR – IRC

É a medida de correspondência entre a cor real de um objeto ou superfície e sua aparência diante de uma fonte de luz. A luz artificial, como regra, deve permitir ao olho humano perceber as cores corretamente, ou o mais próximo possível da luz natural. Lâmpadas com IRC de 100 apresentam as cores com total fidelidade e precisão. Quanto mais baixo o índice, mais deficiente é a reprodução de cores. Os índices variam conforme a natureza da luz e são indicados de acordo com o uso de cada ambiente.

Este índice foi criado pela Comissão Internacional de Iluminação (CIE) com o intuito de classificar as fontes luminosas por sua capacidade de reproduzir com fidelidade as cores quando comparadas com um iluminante padrão CIE.

3.9.EFICIÊNCIA ENERGÉTICA É a relação entre o fluxo luminoso e a potência consumida. Um LED de potencia pode chegar a uma eficiência de 131 lm/W. Abaixo observa-se uma tabela com a eficiência de vários tipos de lâmpadas.

Capítulo 1: FUNCIONAMENTO

Para sabermos o que é um LED precisamos conhecer o funcionamento de um diodo, uma vez que o LED é uma modificação do diodo comum. O diodo é um dispositivo de dois terminas composto de um semicondutor dopado com elétrons e lacunas. Utiliza-se materiais semicondutores para a fabricação de diodos por estes possuírem uma banda de energia intermediária com relação à dos materiais condutores e a dos materiais isolantes.

Entende-se como banda de energia a energia necessária para levar os elétrons da banda de valência para a banda de condução. Nos materiais condutores a banda de valência e a banda de condução se sobrepõem, desta forma pouca energia é suficiente para fazer com que um elétron passe da camada de valência para a camada de condução, e com os elétrons na camada de condução a energia pode ser transferida entre materiais e transformada em outras formas de energia. Já para o caso de isolantes, a banda de valência está em um nível muito abaixo da banda de condução, fazendo com que a transferência de elétrons seja muito dificultada, necessitando assim de grande quantidade de energia para que este tipo de material passe a conduzir elétrons.

O fato de semicondutores possuírem características intermediárias dos condutores e dos isolantes permitiu um grande avanço, pois assim foi possível criar circuitos que funcionam como chaves, as quais são acionadas quando certa quantidade de energia é fornecida ao material. Isso significa que com pouca energia pode-se ionizar o material, liberando elétrons para condução.

O processo de dopagem dos semicondutores é realizado com a adição de impurezas ao waffer de Si, no caso de usar silício como material primário. Para obtermos um waffer de Si precisamos realizar o crescimento de um cristal em uma solução de óxido de silício. Deste crescimento obtém-se um cilindro de silício puro, o qual é fatiado e polido, dando origem a uma espécie de bolacha. Pode-se criar diferentes tipos de dopagens acrescentando-se diferentes tipos de materiais no processo de fabricação do cilindro, fazendo materiais do tipo-p (lacunas), bem como do tipo n (elétrons). 

Para criarmos material do tipo p, utilizamos material dopante de uma área do semicondutor contendo átomos com um elétron a menos na banda de valência em relação ao material semicondutor. Na ligação, os íons aceitadores desse material dopante removem elétrons de valência do semicondutor, deixando lacunas, portanto, o semicondutor torna-se do tipo p. Na outra área do semicondutor, o material dopante contém átomos com um elétron a mais do que o semicondutor puro em sua faixa de valência. Assim, esse elétron fica disponível sob a forma de elétron livre, formando o semicondutor do tipo n.

Como o próprio nome já diz, um LED é um diodo que emite luz quando energizado. Quando polarizado diretamente, ou seja, quando o potencial positivo é colocado no lado onde temos as lacunas e o potencial neutro ou negativo é colocado do lado dopado com elétrons, existe uma recombinação de lacunas e elétrons na junção p-n. Esta recombinação cria uma fina camada praticamente isenta de portadores de carga conhecida como barreira de potencial, onde temos apenas os íons doadores da região n e os íons aceitadores da região p, que por não apresentarem portadores de carga isolam as demais lacunas do material p dos outros elétrons livres do material n.

Um elétron livre ou uma lacuna só pode atravessar a barreira de potencial mediante a aplicação de energia externa. Com a aplicação de corrente no diodo, a barreira de potencial pode ser quebrada, fazendo com que exista uma recombinação das lacunas com os elétrons, fato que causa a irradiação de certa quantidade de energia dos elétron que até então eram livres e esta liberação de energia pode ser na forma de calor ou na forma de fótons. Os fótons poderão ser reabsorvidos pela estrutura ou deixarão o dispositivo na forma de energia radiante, que pode ser luz visível ou infravermelho. No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, a maior parte da energia é liberada na forma de calor, sendo insignificante a luz emitida devido a opacidade do material, e os componentes que trabalham com maior capacidade de corrente chegam a precisar de dissipadores de calor para ajudar na manutenção da temperatura em um patamar tolerável. Já no fosfeto de arsenieto de gálio (GaAsP) ou fosfeto de gálio (GaP) o número de fótons é suficiente para criar uma luz bem visível.

A cor emitida pelo LED dependente do cristal semicondutor e da quantidade de impurezas de dopagem com que o componente é fabricado. O LED que utiliza o arsenieto de gálio emite radiações infravermelhas. Dopando-se com fósforo, a emissão pode ser vermelha ou amarela de acordo com a concentração. Utilizando-se fosfeto de gálio com dopagem de nitrogênio, a luz emitida pode ser verde ou amarela. Para obtermos LED’s na cor azul utilizamos Nitreto de Gálio GaN, e para obtermos LED’s na cor branca, utilizamos emissores de cor azul revestidos com uma camada de fósforo, pois o fósforo absorve a luz azul e emite a luz branca.

No Anexo II podemos ver uma tabela com os mais usuais semicondutores utilizados para a fabricação de LED’s bem como com os valores de tensão necessários para polarizar e vencer a barreira de potencial do LED, emitindo assim luz sem sofrer danos físicos e com eficiência.

Atualmente estes dispositivos são feitos com um encapsulamento de epóxi transparente, para não atrapalhar na luminescência, com uma bandeja em formato cônico, que auxilia na focalização do feite de luz, uma vez que esta é emitida de forma dispersa. Um fino pedaço de fio une o anodo (tipo p) ao semicondutor, que está ligado ao cátodo (tipo n). Este tipo de ligação permite um menor fluxo de energia do catodo para o anodo, resultando em um numero maior de elétrons livres que, por sua vez, possibilitam uma maior quantidade de energia liberada na forma de fótons aumentando assim a luminescência. Podemos ver ao lado um esquema detalhado de um LED.

Capítulo 1: TECNOLOGIAS

Existem diversas aplicações para os LED’s em muitas áreas da engenharia, sendo que as mais notórias aplicações são na iluminação e em aplicações visuais, como monitores e outros tipos de visores eletrônicos.

5.1.APLICAÇÕES EM VISORES ELETRÔNICOS

Pouco tempo atrás, a tecnologia mais utilizada em monitores e visores digitais era a tecnologia LCD. O mecanismo básico de um visor de LCD consiste em incidir uma determinada iluminação sobre uma tela de cristal líquido. Através de diferentes comportamentos do cristal, as imagens são produzidas por uma única fonte luminosa, fato que limita a capacidade de reproduzir alta variedade de cores e impossibilita a obtenção da cor preta absoluta. Desta forma surgiu a tecnologia de visores de plasma. Os mostradores de plasma operam com milhares de micro células que reagem de maneira independente aos estímulos elétricos. Cada uma destas atua como sua própria fonte emissora de luz e dispensa iluminação central. Por este motivo as televisões de plasma eram capazes de produzir grandes contrastes, brilho acentuado, tempo de resposta menor e cores mais ricas. Em contrapartida, possuíam custo mais elevado e vida útil menor que a tecnologia LCD. Assim houve a necessidade de criar novas tecnologias que utilizassem os melhores pontos do LCD e da tecnologia plasma.

5.2.LED

         Os visores de LED são constituídos de painéis de LCD com retro iluminação feita por LED, ou seja, o mesmo mecanismo básico de um LCD, mas com iluminação LED. Ao invés de uma única luz branca que incide sobre toda a superfície da tela, encontra-se um painel com milhares de pequenas luzes coloridas que acendem de forma independente. Em outras palavras, aplica-se uma tecnologia similar ao plasma a uma tela de LCD, obtendo como resultado uma ótima qualidade de imagem. A tecnologia LED permite uma enorme gama de cores, além do negro profundo e do branco puro. Esta tecnologia permite contraste de imagem muito maior que as antecessoras numa espessura menor e com durabilidade muito maior, além do fato de ser reciclável, por não possuir mercúrio em sua fabricação e de ter um consumo de energia até 40% menor que a tecnologia LCD e plasma, pois somente as áreas necessárias da tela são acesas.

5.3.OLED

A tecnologia Diodo Orgânico Emissor de Luz é um aprimoramento da tecnologia LED conseguido pela empresa Kodak em 1980 e que permite telas planas muito mais finas, leves e baratas que as anteriores. Os LEDs tradicionais utilizam semicondutores em sua fabricação e estes materiais costumam ser caros, já com a tecnologia OLED temos um custo muito menor, pois estas estruturas são construídas com materiais à base de carbono, que podem ser produzidos em larga escala em indústrias químicas tradicionais. Outra vantagem é que, ao contrário dos diodos tradicionais, as moléculas à base de carbono podem ser aplicadas diretamente sobre a superfície da tela usando-se um método de impressão e, feito isso,  acrescenta-se os filamentos metálicos que conduzem os impulsos elétricos a cada célula e está pronto um visor a um custo extremamente baixo.

Uma das principais características da tela orgânica é que ela possui luz própria. Com isto não necessita de luz de fundo ou luz lateral e ocupa menos espaço. Outra importante característica é que, por emitir luz própria, cada OLED quando não polarizado torna-se obscuro obtendo-se assim o preto real, e ainda neste caso não há consumo de energia para a modulação de luz de fundo.

Além destas vantagens as telas OLED possuem baixos tempos de resposta (uma das principais desvantagens do LCD), podem ser visualizadas de diversos ângulos, chegando a até 180º, têm contraste muito melhor, suportam melhor o calor e o frio, pode ser fabricada em material flexível, como camisetas e visores dobráveis, pode ser fabricado em substrato transparente, possibilitando emissão de imagem para ambos os lados da estrutura, além de ser produzidas de forma mais simplificada e usando menos materiais do que os LCDs e de continuar funcionando mesmo com algumas partes danificadas.

O maior inconveniente da tecnologia OLED é sua vida útil, que é menor que a vida útil da tecnologia LED e também o fato de esta tecnologia sofrer danos em contato com água.

COLED

A tecnologia COLED (Cavity Organic Light-Emitting Diode) representa uma evolução significativa na família dos displays orgânicos, surgindo como resposta às limitações de pureza cromática e eficiência dos OLEDs convencionais. Desenvolvida inicialmente pelo Instituto SRI em 2010, esta inovação incorpora princípios ópticos de ressonância para otimizar a emissão luminosa em aplicações que exigem alta fidelidade visual.

O conceito de microcavidade não é novo na óptica, mas sua aplicação prática em displays orgânicos só se tornou viável após avanços em técnicas de deposição de camadas finas com precisão nanométrica. Enquanto os OLEDs tradicionais utilizam uma estrutura simples com camadas emissoras entre ânodo e cátodo, o COLED introduz dois espelhos paralelos que formam uma cavidade ressonante ao redor da camada orgânica. O primeiro espelho é constituído por uma superfície altamente refletora na região inferior (geralmente uma liga de prata), enquanto o segundo é um eletrodo semi-transparente posicionado na parte superior, permitindo exposição controlada da luz.

O funcionamento do COLED ocorre em nível eletro-óptico. A camada emissora orgânica é posicionada entre os dois espelhos a uma distância específica, projetada para corresponder a múltiplos inteiros de meio comprimento de onda da luz desejada (λ/2n), onde n representa o índice de refração do material. Quando excitada por corrente elétrica esta estrutura cria condições para que apenas determinados comprimentos de onda sejam amplificados por interferência construtiva, enquanto outros são cancelados. A condição matemática que define esta ressonância é expressa pela equação: 2nL=mλ onde L representa o comprimento físico da cavidade e m um número inteiro.

Esta configuração proporciona dois benefícios fundamentais em relação aos OLEDs padrão:

1. Estreita significativamente o espectro de emissão, melhorando a pureza das cores. Estudos recentes demonstram que COLEDs azuis atingem largura espectral (FWHM) de apenas 23 nm, comparado com os 50-80 nm típicos dos OLEDs convencionais. Na escala CIE 1931, a pureza numérica aumenta de 0,899 para 0,992 na direção frontal, representando um ganho de 10,3% na saturação das cores.
2. Eleva a eficiência quântica externa (EQE), que mede a capacidade do dispositivo converter elétrons injetados em fótons emitidos para o exterior. COLEDs verdes otimizados alcançam EQE de pico de 33,7%, superando em até 45% a eficiência dos OLEDs padrão, cujos valores tipicamente variam entre 20-25%.

A fabricação de COLEDs requer precisão extrema na definição das variáveis teóricas que determinam a estrutura inicial do dispositivo, o comprimento exato da cavidade é crítico para selecionar o comprimento de onda específico que será amplificado, permitindo a otimização para cores particulares (vermelho, verde ou azul) em displays coloridos. Técnicas de fotolitografia avançadas são empregadas para garantir a uniformidade da camada emissora em escalas nanométricas, especialmente em microdisplays de alta resolução onde a pureza cromática é crítica.

Apesar de suas vantagens, o COLED apresenta uma limitação conhecida, a dependência angular. Como a condição de ressonância varia com o ângulo de emissão da luz, as cores podem parecer ligeiramente diferentes quando vistas de ângulos extremos. Em ângulos superiores a 60°, a variação cromática pode atingir até 15%, exigindo soluções adicionais como lentes corretivas em aplicações que demandam consistência visual em amplos ângulos de visão.

Atualmente, esta tecnologia encontra aplicação prioritária em equipamentos médicos de visualização e microdisplays para realidade aumentada, onde a fidelidade cromática é determinante para diagnósticos precisos. Painéis de instrumentos automotivos de alta gama também têm adotado COLEDs, aproveitando sua capacidade de manter a saturação das cores mesmo sob intensa iluminação solar. Pesquisas em curso visam superar as limitações atuais através de cavidades dinâmicas que ajustam automaticamente seu comprimento em resposta ao ângulo de visão, prometendo expandir ainda mais o potencial desta tecnologia revolucionária.

5.5.HPLED

Os Diodos Emissores de Luz de Alta Potência (HPLEDs) representam uma evolução tecnológica fundamental na iluminação moderna, surgindo como alternativa eficiente para aplicações que exigem elevada intensidade luminosa. Diferentemente dos LEDs convencionais utilizados como indicadores em circuitos eletrônicos, os HPLEDs são projetados para operar com correntes superiores a 0,35A, alcançando potências que variam de 1W até mais de 100W por dispositivo individual. Este avanço tornou-se viável graças ao desenvolvimento de substratos de alta condutividade térmica e à otimização de materiais semicondutores, particularmente o Nitreto de Gálio (GaN) sobre substratos de safira ou carbeto de silício (SiC), que permitem maior densidade de corrente sem degradação prematura. 

O conceito de HPLED começou a tomar forma prática em 1999, quando a empresa Nichia Corporation introduziu o primeiro LED azul de alta potência utilizando GaN. Enquanto os LEDs tradicionais operavam com eficiências de aproximadamente 5-10lm/W na década de 1990, os primeiros HPLEDs já alcançavam 25lm/W, estabelecendo as bases para a revolução na iluminação geral. A verdadeira inflexão ocorreu em 2006, cientistas da empresa CREE Ink demonstraram um HPLED com eficiência de 131 lm/W, valor comparável às lâmpadas fluorescentes compactas, mas com vida útil significativamente superior. 

O funcionamento dos HPLEDs ocorre em nível eletrônico, seguindo os mesmos princípios dos LEDs convencionais porém com adaptações críticas para suportar altas densidades de corrente. A diferença fundamental está no design térmico, enquanto um LED típico dissipa menos de 0,1W, um HPLED de 1W gera aproximadamente 0,7W de calor que precisa ser gerenciado adequadamente. Para isso, os HPLEDs incorporam um substrato metálico, geralmente alumínio ou cobre, diretamente conectado ao chip semicondutor permitindo uma transferência térmica eficiente para dissipadores externos.

Esta configuração proporciona vantagens quantificáveis em relação às tecnologias de iluminação convencionais. Em termos de eficiência energética os HPLEDs modernos atingem 150-200lm/W em laboratório, quando temos 16-24 lm/W das lâmpadas incandescentes e 70-100lm/W das fluorescentes. Sua vida útil é muito superior, com dispositivos comerciais garantindo 50.000 horas de operação até a degradação de 70% do fluxo luminoso inicial, comparado com apenas 2.000 horas das lâmpadas incandescentes. Em aplicações de iluminação viária estudos demonstraram redução de 60% no consumo energético ao substituir lâmpadas de sódio por sistemas baseados em HPLEDs, com retorno do investimento em menos de três anos. 

A fabricação de HPLEDs requer técnicas avançadas de engenharia térmica e óptica, o chip semicondutor é montado sobre um substrato cerâmico ou metálico com alta condutividade térmica que está diretamente conectado a um dissipador de calor. O encapsulamento utiliza silicone de alta transparência em vez de epóxi tradicional visto que o silicone suporta melhor temperaturas elevadas (até 150°C) sem amarelar com o tempo. Para melhorar a eficiência de extração de luz superfícies texturizadas ou padrões fotônicos são gravados no chip, reduzindo a reflexão interna total que normalmente aprisionaria até 70% da luz gerada. 

Apesar de suas vantagens, os HPLEDs apresentam desafios significativos relacionados ao gerenciamento térmico, a eficiência quântica interna dos semicondutores diminui aproximadamente 0,5% por grau Celsius acima de 25°C, exigindo sistemas de resfriamento eficientes. Em aplicações automotivas, faróis com HPLEDs requerem dissipadores ativos (com ventoinhas) ou até sistemas de resfriamento líquido para manter a temperatura da junção abaixo de 120°C, limite crítico para evitar degradação acelerada. Outro desafio é a variação na temperatura de cor com a potência, um HPLED branco pode mudar de 5.500K para 6.200K quando operado de 50% a 100% de sua capacidade nominal exigindo circuitos de correção de cor em aplicações profissionais.  Hoje em dia os HPLEDs encontram aplicações em iluminação viária onde sua direcionalidade superior reduz o desperdício de luz e melhora a segurança, já na indústria automotiva, substituíram a maioria das lâmpadas halógenas em veículos premium, oferecendo 200% mais alcance com metade do consumo energético. Pesquisas em curso visam superar as limitações atuais através novos materiais como o nitreto de alumínio e gálio (AlGaN) para LEDs UV-C (aplicações em esterilização), além de estruturas híbridas para luz visível eficiente e técnicas de empilhamento vertical de chips que aumentam a potência sem expandir a área emissora.

Capítulo 1: CONCLUSÕES

O mercado impõe um ritmo frenético e crescente para a satisfação das necessidades do homem, e para manter este ritmo precisamos utilizar novas tecnologias e redesenhar outras já ultrapassadas. Quando a lâmpada de filamento foi descoberta revolucionou o modo de vida das pessoas, mas sabemos que este método de iluminação é muito ineficiente por consumir muita energia para pouco resultado. Com o tempo, novas formas de iluminação surgiram, como as fluorescentes compactas, porém este tipo de tecnologia não satisfaz mais a necessidade de economia e durabilidade que o mercado requer, fato que abriu espaço para alternativas.

Com o nível de conhecimento sobre semicondutores aumentando cada vez mais, foi possível aprimorar uma tecnologia há muito conhecida e de certa forma esquecida, os diodos emissores de luz. Tal dispositivo sofreu considerável avanço nas ultimas décadas e, contando com a descoberta dos LED’s azuis, foi possível criar emissores de luz branca, o que culminou na utilização de LED’s para a iluminação.

Grandes investimentos tem sido feitos para aprimorar os LED’s de forma a se tornarem mais baratos e terem a vida útil aumentada, porém ainda existem alguns empecilhos, como a alta temperatura a que ficam expostos em aplicações que necessitam de maior potencia. A solução encontrada passa desde o resfriamento a nitrogênio liquido, até a utilização de módulos contendo dezenas de LED’s de menor potência.

Observando projetos em atividade, fica evidente a relação custo-benefício positiva que a aplicação destes dispositivos proporciona, podendo chegar a alguns casos a ter um retorno de oito vezes do valor inicialmente investido. Desta forma fica evidenciado que o uso de LED’s para iluminação é inevitável e que este recurso sem duvidas ainda irá sofrer grandes avanços tecnológicos.

REFERÊNCIAS

[1]       WIKIPEDIA. A enciclopédia livre. Apresenta exposições sobre diversos temas em língua nacional e estrangeiras. Disponível em: < http://www.wikipedia.org/>. Acesso em: 05 de abril de 2025

[2]       INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Site direcionado aos avanços da tecnologia, trazendo as última noticias sobre produtos e conceitos que modificarão o mundo. Disponível em: <http://www.inovacaotecnologica.com.br>. Acesso em: 19 março de 2025.

[3]       VIBE MÍDIA. Site responsável por várias dicas de utilidade publica. Disponível em: <http://www.vibemidia.com/dicas-simples-para-economizar-energia-eletrica>. Acesso em: 25 de março de 2025.

[4]       FABRICANTE PHILIPS. Disponibiliza catálogos e informações. Disponível em: <https://www.loja.lighting.philips.com/>. Acesso em: 28 de março de 2025.

[5]       FABRICANTE OSRAM. Disponibiliza catálogos e informações. Disponível em: <https://loja.osram.com.br/>. Acesso em: 28 de março de 2025.

[6]       FABRICANTE ALUMBRA. Disponibiliza catálogos e informações. Disponível em: <https://www.alumbra.com.br/sitealumbra/>. Acesso em: 29 de março de 2025.

ANEXO I

To the Editors of Electrical World:

SIRS: During an investigation of the unsymmetrical passage of current through a contact of carborundum and other substances a curious phenomenon was noted. On applying a potential of 10 volts between two points on a crystal of carborundum, the crystal gave out a yellowish light. Only one of two specimens could be found which gave a bright glow on such a low voltage, but with 110 volts a large number could be found to glow. In some crystals only edges gave the light and others gave instead of a yellow light green, orange or blue. In all cases tested the glow appears to come from the negative pole, a bright blue-green spark appearing at the positive pole. In a single crystal, if contact is made near the center with the negative pole, and the positive pole is put in contact at any other place, only one section of the crystal will glow and that same section wherever the positive pole is placed.

There seems to be some connection between the above effect and the e.m.f. produced by a junction of carborundum and another conductor when heated by a direct or alternating current; but the connection may be only secondary as an obvious explanation of the e.m.f. effect is the thermoelectric one. The writer would be glad of references to any published account of an investigation of this or any allied phenomena.

New York, N. Y.

H. J. Round