Os plásticos empregados na tecnologia LED
O mercado de iluminação está passando por uma revolução. As fontes de luz convencionais estão sendo gradativamente retiradas de circulação pela indústria de lâmpadas. Graças à sua maior eficiência energética e, simultaneamente, à vida útil mais longa, o futuro agora pertence aos LEDs (light emitting diodes ou diodos emissores de luz). Plásticos especialmente adaptados revelaram-se como o material ideal neste atraente campo de aplicação.
Gudrun Klein, da redação da Kunststoffe
Data: 30/08/2017
Edição: PI Agosto 2017 Ano - 19 - No 228
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No novo automóvel-conceito “Budii”, da empresa Rindspeed, os condutores de luz das regiões frontal e traseira do painel foram feitos com um grau especialmente desenvolvido de acrílico com qualidade óptica (foto fornecida pela Evonik)
A União Europeia estipulou a seus países-membros que até o ano de 2020 o consumo de energia deverá ser reduzido em 20%. Isso significa, concretamente falando, que os países precisam reduzir em 1,5% seu consumo de energia por ano durante o período entre 2014 e 2020. A Alemanha – conforme a avaliação da Agência Alemã de Energia (Deutsche Energie-Agentur GmbH), com sede em Berlim – encontra-se no caminho para alcançar esse objetivo(1), com a introdução da tecnologia de iluminação por LEDs (light emitting diodes ou diodos emissores de luz) assumindo um papel muito relevante nesse sentido. Revolução na iluminação
A indústria da iluminação passa atualmente por uma revolução. Fabricantes como a Osram Licht AG, de Munique, e a Philips GmbH, de Hamburgo, ambas na Alemanha, e a Samsung AG, de Seul, Coréia do Sul, estão retirando gradualmente de circulação as ineficientes fontes de luz convencionais. Por sua vez, já faz tempo que a tecnologia LED vem sendo introduzida no mercado a preços realistas e com tecnologia comprovada. Conforme o estudo sobre iluminação “Iluminando o Caminho” (Lighting the Way), elaborado pela empresa de consultoria McKinsey, a tecnologia de iluminação baseada em semicondutores atingiu aproximadamente 45% do mercado mundial de lâmpadas já no ano de 2016. Conforme a McKinsey, no ano de 2020 a tecnologia LED responderá por, no mínimo, 70% de todas as fontes de iluminação. Para fins de comparação, em 2011 esse valor era de 12%. Naquela época, o segmento global de iluminação tinha faturamento de aproximadamente 73 bilhões de euros. Para o ano de 2020, a McKinsey admite que o mercado de iluminação deverá apresentar faturamento mundial de 100 bilhões de euros. A União Europeia é pioneira na introdução da iluminação por LEDs, e o estudo da McKinsey prevê que no ano de 2020 o faturamento com lâmpadas de LED naquele mercado deverá atingir cerca de 19,8 bilhões de euros(2).
Fig. 1 – Construção de um LED (Foto fornecida pela lich.de)
Vantagens comprovadas
As vantagens proporcionadas pela tecnologia de iluminação LED já estão comprovadas. Elas consistem na alta eficiência energética associada à vida útil mais longa. Além disso, as fontes de iluminação por LED não apenas poupam energia, como também se caracterizam por apresentar melhor índice de salubridade. Ao contrário das lâmpadas econômicas e das fluorescentes convencionais, as lâmpadas de LED geram intensidade significativamente menor de irradiação eletromagnética, reduzindo consideravelmente a poluição eletromagnética. As vantagens já mencionadas e, adicionalmente, a ausência de mercúrio e de gases venenosos, tornam a tecnologia geral de iluminação por LED muito amigável ao meio ambiente.
Constituição e princípio de funcionamento
Fig. 2 – A iluminação por LEDs é comparável à das lâmpadas incandescentes do ponto de vista da qualidade e cor da luz (figura fornecida pela fotalia)
Os LEDs são minúsculas pastilhas (“chips”) eletrônicas constituídas por compostos semicondutores especiais. Assim que uma corrente flui através desses elementos no estado sólido eles passam a emitir luz. Dentro da tecnologia de iluminação esse processo é denominado eletroluminescência. É necessária realmente pouca energia para que o semicondutor ative a emissão de luz. O LED, que apresenta comprimento de aresta da ordem de 1 mm, é uma das menores fontes de luz disponíveis.
A matéria-prima para os LEDs são cristais semicondutores, os quais constituem a assim chamada pastilha (“wafer”) que, por sua vez, são cortadas em micropastilhas (“chips”). Os diodos emissores de luz são constituídos por uma base semicondutora com condução negativa apresentando excesso de elétrons. Acima dela é aplicada uma camada semicondutora muito fina, com condução positiva, onde há falta de elétrons – chamados de “buracos”. Ao aplicar tensão elétrica, os numerosos elétrons e “buracos” migram uns para os outros, recombinando-se na assim chamada camada de barreira. A energia liberada no cristal semicondutor é transformada em luz e calor.
O LED é encapsulado em plástico, de modo a simplificar o contato elétrico e ser protegido das influências externas, o que igualmente melhora a saída da luz. Refletores fazem com que a luz irradiada dentro de um ângulo de até 180° na metade superior da cápsula seja emitida para fora. Lentes se encarregam de efetuar o direcionamento primário da luz (figura 1)(3).
Revolução no design de luminárias
Conforme informações obtidas na feira “Light + Building” (Luz e Construção), com sede em Frankfurt am Main, Alemanha, o LED está no caminho para revolucionar o design das luminárias. Essa nova lâmpada está muito à frente das incandescentes em razão de sua eficiência energética e durabilidade. Além disso, a iluminação por diodos se incorpora de maneira excepcional nos modernos sistemas para controle de luz. Este novo tipo de iluminação é absolutamente comparável com as lâmpadas incandescentes do ponto de vista da qualidade e cor da luz (figura 2).
No caso dos LEDs, o foco prioritário não é mais a luz, mas sim como ela é direcionada. Por isso a irradiação da luz tornou-se o elemento dominante para a configuração das lâmpadas e luminárias. Superfícies luminosas e coberturas extremamente planas possibilitam cenários inovadores de iluminação, em que a fonte luminosa de LED propriamente dita encontra-se em segundo plano ou permanece até mesmo totalmente oculta(4).
Os especialistas veem um potencial crescente para o uso de LEDs, por exemplo, na iluminação de construções e ruas, bem como na propaganda e na retroiluminação de telas. Eles também serão mais usados na tecnologia de iluminação para automóveis. Neste caso, conforme a aplicação, os mais diferentes tipos de plásticos terão um papel cada vez mais importante.
Design atraente com uso dos plásticos
Os plásticos de engenharia e de alto desempenho são particularmente adequados para o desenvolvimento de designs atraentes para luminárias que usam LEDs. Formulações adequadas demostraram ser os materiais ideais para corpos de lâmpadas, dissipadores de calor e refletores para LEDs, bem como plugues. Numerosos fabricantes desenvolveram produtos específicos para essa aplicação.
Fig. 3 – Um grau especial de PC transparente permite a fabricação sob medida de lâmpadas LED com design extremamente plano, modelo “F I Iimyè Flat” (foto fornecida pela Covestro)
Conforme informações da Evonik Industries AG, de Essen, Alemanha, há perspectivas encorajadoras para a demanda de plásticos em função dos novos campos de aplicação em automóveis. Elementos estéticos e de design na área da iluminação ambiente, bem como novas possibilidades proporcionadas por tendências inovadoras na tecnologia de iluminação como, por exemplo, refletores de faróis dianteiros ou modernos condutores de luz (ver foto no início do artigo) abrem possibilidades totalmente novas. Os fabricantes de automóveis precisam de materiais adequados para tais aplicações. Por esse motivo, a força-motriz para os conceitos inovadores em iluminação a serem aplicados aos automóveis é a tecnologia dos LEDs. Eles possibilitam valores muito baixos de profundidade para montagem, mas geram um ponto de luz intensa, a qual pode então ser direcionada de maneira uniforme no componente. Pode-se fazer uso de produtos especiais, tais como o “Plexiglas-LED”, da francesa Arkema, uma placa transparente e difusora de luz feita de acrílico (PMMA) com comportamento peculiar de condução de luz. Dessa forma é possível fabricar componentes tão transparentes quanto o vidro, dispondo de estruturas com a habilidade de espalhar a luz(5).
Muitos fabricantes de computadores pessoais também reagiram à crescente tendência de uso da tecnologia de iluminação por LEDs. A Covestro AG (antiga Bayer MaterialScience AG), de Leverkusen (Alemanha), por exemplo, desenvolveu um grau de policarbonato (PC) amplamente diferenciado, designado Makrolon LED. Ele apresenta alta transmissibilidade, mesmo sob grandes espessuras, guiando a luz branca sem grandes perdas, inclusive através de longos trajetos. Essa linha de produtos é adequada para o atendimento de solicitações das mais diversas, tanto na indústria como na construção civil e nos sistemas de tráfego. Uma inovação atual na área de iluminação lançada por essa empresa é o Makrolon OD-2015, um policarbonato especialmente transparente. Esse produto foi desenvolvido para atender às demandas da fabricação de condutores de luz, dispositivos ópticos e lentes, oferecendo, além de alto índice de transmissão de luz, boa estabilidade dimensional ao longo de uma ampla faixa de temperaturas, além de alto limite de resistência. Isso permite a fabricação de peças com alta precisão dimensional como, por exemplo, faróis para LEDs extremamente planos, como o “F I li-myè Flat” (figura 3). O disco luminoso pode ser opcionalmente dotado de lentes auxiliares planas ou dispositivos ópticos integrados, os quais podem colimar ou espalhar a luz gerada pelo LED(6).
Corpos de lâmpadas, dissipadores de calor e refletores para LEDs, bem como plugues, representaram um atraente crescimento de mercado, tanto para o poliéster, como para o poli(tereftalato de butileno) (PBT) (figura 4). O PBT proporciona muitos benefícios neste campo de aplicação como, por exemplo, alta estabilidade ao calor e propriedades mecânicas excepcionais. Por esses motivos, a Lanxess AG, de Colônia, Alemanha, desenvolveu graus de PBT sob medida para LEDs e outras aplicações de iluminação. Elas se caracterizam, por exemplo, por apresentar alta estabilidade aos raios ultravioleta, baixa tendência ao amarelamento sob altas temperaturas, alta reflexão de luz, boa condutibilidade térmica, alta fluidez e alta resistência à chama. Há variantes de materiais cuja capacidade de reflexão de luz é extraordinariamente alta(7), da ordem de 95% (450 nm).
Fig. 4 – Há graus de PBT desenvolvidos sob medida para LEDs e outras aplicações na área da iluminação (foto fornecida pela Lanxess)
A Albis Plastic GmbH, de Hamburgo, Alemanha, desenvolveu uma ampla variedade de formulações para a tecnologia do LED para atender às crescentes demandas da indústria automotiva em termos da iluminação externa e interna dos automóveis. Alguns produtos especiais são adequados, entre outras aplicações, para a fabricação dos refletores utilizados no interior dos painéis de instrumentos. Eles precisam proporcionar, além dos requisitos mecânicos e térmicos necessários, sobretudo estabilidade dimensional e alta capacidade de reflexão das fontes de luz utilizadas. O fabricante desenvolveu o grau especial Alcom LB (bloqueador de luz) a partir de diversas resinas termoplásticas para atender a este perfil de requisitos. Esse material possui alto brilho e é particularmente claro, de forma a possibilitar um grau de reflexão de até 97%. A série de resinas Alcom T-Conductive, com alta condutividade térmica, foi desenvolvida para uso na indústria eletroeletrônica. Elas encontram aplicação, por exemplo, nos dissipadores de calor ou gabinetes de aparelhos eletrônicos, e também em componentes de lâmpadas LED, tais como corpos de refletores (figura 5)(8). O desenvolvimento mais recente da Albis Plastic é o grau Alcom LDM (difusão fosca de luz), à base de PC. Em cooperação com a Röber Kunststoffe GmbH, de Kroppach, Alemanha, foi desenvolvida a placa R.Carbonat Alcom LED. Esse produto é constituído de policarbonato extrudado e congelado, apresentando superfície fosca. É adequado para as mais variadas demandas nas áreas de iluminação e caixas de luz. Ele oferece condições equilibradas de iluminação aos usuários.
A Lehmann & Voss & Co., de Hamburg, Alemanha, desenvolveu um novo plástico condutor de calor para atender especialmente aos requisitos dos fabricantes de lâmpadas LED. Ele é usado no dissipador de calor (figura 6) e no corpo da lâmpada. Esse material novo se caracteriza por apresentar condutibilidade térmica ajustada dentro da faixa entre 0,6 e 1,5 W/mK, boa resistência mecânica, isolamento elétrico e coloração branca. Esta resina, à base de poli(tereftalato de etileno) (PET), PA 6 e PC, pode ser opcionalmente dotada de resistência à chama, atendendo à norma técnica UL94 V-O.
Fig. 5 – Formulações termicamente condutoras encontram aplicações, por exemplo, em dissipadores de calor ou corpos de componentes eletrônicos, bem como em componentes para LEDs como corpos de refletores (foto fornecida pela Albis)
As lâmpadas podem atingir maiores níveis de potência e vidas úteis mais longas por meio dessas características definidas sob medida. A boa processabilidade possibilita liberdade para design e redução de custos em comparação com outros materiais, tais como metais e cerâmica. A linha de produtos inclui mais de 70 formulações condutoras de calor à base de outros plásticos como, por exemplo, PA 6.6, PA 4.6, PBT, PPS, LCT e PEEK. De acordo com o fabricante, podem ser alcançados valores de condutividade térmica superiores a 30 W/mK(9).
Também a Ensinger Compounds, uma unidade de negócios da HP Polymer GmbH, de Lenzing, Áustria, oferece uma ampla seleção de formulações termicamente condutoras, por exemplo, à base das resinas PP, PA, PC, PPS e PEEK. Os componentes feitos com esses materiais proporcionam condutividade térmica entre 5 e 20 W/mK – e, em casos especiais, até 30 W/mK. De acordo com as cargas incorporadas, pode-se prover a formulação inclusive de proteção contra chama. Elas substituem elementos construtivos metálicos reforçados como, por exemplo, dissipadores de calor para sistemas de LED. Placas para circuitos moldadas por injeção podem dimensionar exatamente a distribuição requerida de calor. As formulações Tecacomp TC, desenvolvidas especialmente com esse fim, são permanentemente resistentes ao calor e à luz sob temperaturas de, no mínimo, 100 °C. A processabilidade e a coloração estética, mesmo no caso de cores claras e do branco, proporcionam liberdade de design.
Fig. 6 – Novas formulações termicamente condutoras foram especialmente desenvolvidas para dissipadores de calor de lâmpadas LED (foto fornecida pela LuV)
Na eletrônica automotiva os plásticos precisam ser concebidos de forma a atender altas propriedades mecânicas. A Ensinger conseguiu obter elevada resistência ao calor e ao envelhecimento, bem como alta temperatura de deflexão térmica, por meio da combinação otimizada de cargas, também em combinação com fibras. A resistência mecânica, rigidez e tenacidade são particularmente altas. Além disso, essas formulações são resistentes a muitos fluidos que são utilizados na indústria automotiva(10).
A Grafe Polymer Technik GmbH, de Blankenhain, Alemanha, desenvolveu formulações que apresentam níveis de condutibilidade térmica sob medida, especialmente como requerido pela aplicação desejada pelos seus clientes. Conforme a aplicação final, pode-se desenvolver uma formulação termicamente condutora ajustada à cadeia de processos posterior por meio da escolha adequada de matérias-primas, fração otimizada de cargas e tecnologia de elaboração de formulação compatível com elas. Ali se encontram – de acordo com as afirmações da empresa – as possibilidades para elevar a condutibilidade térmica dos plásticos de 200 até 500%(11).
Conclusões
As lâmpadas de LED constituem – de acordo com especialistas – a fonte de luz mais amigável ao meio ambiente disponível nos dias de hoje. Elas não contêm substâncias tóxicas e consomem pouca energia. Seu tempo de funcionamento, de 15.000 até 30.000 horas, é superior à vida útil das fontes de luz convencionais.
A iluminação LED também possui vantagens claras, ao contrário da muito elogiada tecnologia OLED (organic light emitting diodes ou diodos orgânicos emissores de luz). O LED convencional apresenta custos significativamente menores, bem como maior eficiência. Por esses motivos, analistas do mercado mundial para iluminação OLED preveem para o ano de 2023 um faturamento não superior 1,3 bilhão de dólares. Por outro lado, a McKinsey prevê que o mercado mundial de lâmpadas LED no ano de 2020 deverá apresentar um faturamento superior a 100 bilhões de euros(2).
No futuro as lâmpadas LED continuarão sendo um atraente campo para aplicações e crescimento da indústria de plásticos. A multiplicidade de plásticos e seu desenvolvimento inovador viabilizam designs criativos e soluções sob medida para a indústria de iluminação.
Referências Bibliográficas
As referências bibliográficas referentes a este trabalho encontram-se no seguinte endereço da internet: www.kunststoffe.de/1118568.