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À partida a criação de um LED azul pareceria ser um passo simples na sequela dos LEDs já a emitir luz no verde e vermelho desde finais dos anos 60. Então como explicar um compasso de espera de cerca de 30 anos para que isso se tornasse uma realidade?
Vejamos de forma simples como funciona o processo de emissão de Luz num semicondutor: verifica-se a emissão de um fotão (Luz) quando um eletrão da banda de condução (mais energética) transita para a banda de valência (menos energética). Uma emissão no vermelho corresponde a fotões menos energéticos do que no azul logo, para ocorrer emissão nesta região espetral, precisamos de materiais em que a diferença de energia entre a banda de valência e a banda de condução seja elevada. Acontece que os materiais semicondutores que reuniam as propriedades Físicas necessárias para se obter um emissor eficiente no azul eram extremamente difíceis de conseguir. Foi necessária uma nova abordagem tecnológica, que exigiu um enorme esforço de investigação científica para conseguir estes materiais numa estrutura de camadas, fundamental à conceção de dispositivos. Foram precisamente, os avanços importantes no crescimento em camadas e a dopagem destes materiais à base de Nitreto de Gálio (GaN), preconizados por S. Nakamura, H. Amano e I. Akasaki, que estão na base da atribuição do Nobel da Física de 2014.

Por que é que o azul faz a diferença?

A importância do azul reside no facto desta ser a cor primária do sistema RGB (da língua Inglesa; Red-Green-Blue) que faltava na tecnologia LED. A mistura das três cores primárias de emissão permite ao olho humano percecionar todas as cores, nomeadamente o branco, tal como acontece num monitor ou televisão onde apenas temos pixéis com estas três cores. Hoje a maioria dos LEDs “brancos” comerciais são basicamente um LED azul muito eficiente, que excita oticamente um revestimento fosforescente que emite amarelo, sendo esta metodologia de combinação de cores uma das formas mais económicas de se produzir um emissor de luz branca.

Eficiência energética e durabilidade

Num LED, a emissão de luz ocorre por conversão de energia elétrica em luz quando num material semicondutor, neste caso o InGaN (uma liga ternária em que se adiciona Índio ao GaN), os eletrões da banda de condução transitam para a banda de valência libertando o excesso de energia através da emissão de fotões, e não por aquecimento de um filamento, como acontece numa lâmpada de incandescência onde a maior parte da energia elétrica é perdida por calor. Em termos práticos isto significa que uma lâmpada LED consome apenas cerca de 15 % da energia elétrica consumida por uma lâmpada incandescente para obter o mesmo brilho. Além disso, estima-se que um LED, quando usado 4 horas por dia, terá uma duração superior a 20 anos, enquanto uma lâmpada de incandescência durará cerca de 1 ano. Quando se tem em mente que aproximadamente 19 % do consumo energético global é para iluminação artificial, é imediata a relação que estabelecemos entre a relevância desta tecnologia e a sustentabilidade energética e de recursos naturais, que tanto preocupa as sociedades mais desenvolvidas.

Impacto na sociedade

É natural que, enquanto cidadãos de uma sociedade com bons níveis conforto, nos centremos essencialmente na eficiência enérgica. No entanto esta inovação está a ter um impacto no terceiro mundo que por vezes nos escapa. A elevada eficiência energética dos LEDs, a sua durabilidade, robustez mecânica e enorme tempo de vida, abre novas possibilidades de fazer chegar luz a locais remotos a um custo muito mais baixo quando comparado com as fontes de iluminação convencionais. Por exemplo a portabilidade e o baixo consumo energético dos LEDs viabiliza a respetiva incorporação em equipamentos portáteis de intervenção médica, capazes de funcionar em situações adversas em locais subdesenvolvidos.

É importante salientar que o desenvolvimento ao nível de ciência e tecnologia de materiais, que conduziram à possibilidade de produzir LEDs azuis, não se esgota de todo no LED azul. Passou a ser possível, por exemplo, produzir LEDs com emissão ultravioleta (relevantes para purificação de água) ou díodos laser no azul, que estão na base da tecnologia Blue-Ray, entre muitas outras aplicações que surgem constantemente.

O nosso contributo

Enquanto investigadores nesta área, o nosso contributo incide fundamentalmente na compreensão das propriedades óticas e estruturais dos materiais semicondutores que servem de base a esta tecnologia (InGaN/GaN). A atribuição do Nobel de 2014 ao desenvolvimento do LED azul veio dar visibilidade ao nosso trabalho perante a sociedade, e isso é gratificante.

 

Sérgio Pereira1 e Rosário Correia2

1CICECO e Departamento de Física da Universidade de Aveiro

2I3N e Departamento de Física da Universidade de Aveiro