A vida de quase todo mundo depende dos LEDs: telas de celulares e computadores, iluminação diária e faróis de carros, todos envolvem a tecnologia LED. Surpreendentemente, foram necessários apenas 100 anos para que a tecnologia LED passasse da invenção à adoção em larga escala.
Você está curioso para saber como a tecnologia LED evoluiu e quais tecnologias ela inclui? Este artigo lhe fornecerá uma introdução completa.
Índice
1910s: Luminescência de materiais semicondutores
Se você quiser rastrear as origens do LED, terá que voltar ao início do século XX. Em 1907, o cientista H. J. Round observou que, quando uma corrente passava por um diodo de SiC, uma fraca luz verde-amarelada era emitida. Esse é o primeiro fenômeno registrado com base nos princípios dos LEDs.
Na década de 1920, o cientista russo Oleg Losev descobriu que os diodos de SiC e ZnO poderiam emitir uma luz mais perceptível. Entretanto, naquela época, a pureza do material era extremamente baixa, e a tecnologia existente não suportava seu uso como fonte de luz.
Década de 1950: o primeiro lote de LEDs infravermelhos
Em 1947, a junção p-n foi inventada, fornecendo a base tecnológica para a tecnologia de diodo emissor de luz (LED). Na década de 1950, semicondutores de cristal único de alta pureza, como carbeto de silício (SiC) e óxido de zinco (ZnO), foram desenvolvidos e, ao mesmo tempo, os processos de fabricação de eletrodos metálicos começaram a amadurecer.
Até 1962, o cientista Nick Holonyak Jr. fabricou o primeiro LED vermelho visível usando fosfeto de arseneto de gálio (GaAsP). Essa conquista é amplamente considerada como o ponto de partida do LED moderno. Tecnologia LED. Entretanto, os LEDs desenvolvidos durante esse período apresentavam brilho e eficiência luminosa extremamente baixos, tinham vida útil limitada e eram muito caros.
1970s: Os LEDs começaram a ser formalmente adotados
Na década de 1970, os LEDs se tornaram dispositivos eletrônicos adequados para produção em massa. O processo de fabricação de LEDs vermelhos baseados em GaAsP amadureceu gradualmente, e os LEDs verdes e amarelos baseados em fosfeto de gálio (GaP) também começaram a ser produzidos. Ao mesmo tempo, os LEDs começaram a adotar a embalagem DIP (Dual In-line Package) com orifício de passagem, o que prolongou a vida útil dos LEDs e reduziu os custos até certo ponto.
No entanto, durante esse período, os LEDs estavam apenas começando a ser usados para iluminação e ainda não tinham alcançado a verdadeira comercialização. Isso se deve ao fato de que a tecnologia de LED ainda não havia atingido a maturidade; os níveis de brilho permaneciam baixos e os custos unitários ainda eram relativamente altos.
Década de 1990: Inventado o LED azul de alto brilho
A invenção do LED azul
Em 1990, os LEDs haviam amadurecido nas cores vermelha e verde, mas ainda não havia LEDs azuis. Isso impossibilitou a síntese de luz branca e, consequentemente, impediu que os LEDs entrassem de fato no mercado de iluminação. Finalmente, em 1993, Shuji Nakamura conseguiu um avanço tecnológico usando nitreto de gálio (GaN) e produziu um LED azul de alto brilho.
O surgimento do LED branco
Após o advento dos LEDs azuis, a questão da luz branca também foi resolvida. Em 1996-1997, foram desenvolvidos LEDs brancos. Para isso, um chip de LED azul é revestido com fósforo YAG: Ce, que converte uma parte da luz azul em amarela. A combinação de luz azul e amarela é percebida pelo olho humano como luz branca.
Nesse estágio, os LEDs brancos já haviam superado as lâmpadas incandescentes em termos de brilho, com eficácia luminosa atingindo 20-40 lm/W e vida útil superior a dezenas de milhares de horas, embora o custo de uso continuasse alto.
A expansão para outras áreas de aplicação
Com o advento dos LEDs azuis e brancos, eles começaram a ser aplicados em uma ampla gama de campos, incluindo luzes indicadoras em eletrodomésticos, telas digitais como calculadoras e relógios, bem como iluminação de fundo para as primeiras telas de LCD.
2000s: Amplamente utilizado para iluminação LED
Chip de alta potência
No início do século XXI, a tecnologia de LED azul amadureceu gradualmente, e o desempenho dos LEDs melhorou em todos os aspectos. A eficácia luminosa dos LEDs brancos atingiu até 70 lm/W, proporcionando maior brilho, menor consumo de energia e desempenho muito superior ao das lâmpadas incandescentes e halógenas tradicionais.
Métricas de avaliação precisas e vida útil mais longa
O método de medição da vida útil do LED também avançou. Em vez de simplesmente calcular o tempo até a falha do dispositivo, a vida útil passou a ser definida como o tempo necessário para que o fluxo luminoso caia para 70% ou 80% de seu valor inicial, denotado como L70 ou L80. Essa métrica de avaliação da vida útil tem sido usada desde então, o que permite que seus produtos de LED avaliem com mais precisão sua vida útil.
Naquela época, a vida útil dos LEDs havia sido bastante ampliada, chegando a até 50.000 horas de acordo com o padrão L70.
Tecnologia de dissipação de calor
Os chips de LED são muito sensíveis a altas temperaturas. No caso das lâmpadas LED, as altas temperaturas aceleram a depreciação do lúmen, diminuem a vida útil do chip e reduzem a eficiência da corrente, enquanto a dissipação eficaz do calor pode estender a vida útil do LED, mantendo-o com bom desempenho mesmo após o uso prolongado.
Os primeiros pacotes DIP e SMD não proporcionavam dissipação de calor adequada. Na década de 2000, os LEDs adotaram gradualmente projetos de gerenciamento térmico mais eficientes, incluindo substratos de cerâmica e metal de alta condutividade térmica, dissipadores de calor de alumínio, resfriamento por ventilador e projetos de copos refletores. Ao mesmo tempo, foi desenvolvida uma embalagem COB mais eficiente. Essas medidas aumentaram significativamente a vida útil dos LEDs.
O LED substitui as fontes de luz tradicionais
As lâmpadas incandescentes e fluorescentes são grandes, têm baixa eficácia luminosa e vida útil curta, e as lâmpadas fluorescentes contêm substâncias como o mercúrio, que podem ser prejudiciais aos seres humanos. Os LEDs não apenas têm vida útil longa, melhor índice de reprodução de cores (CRI) e custos de substituição mais baixos, mas também oferecem maior eficácia luminosa.
Além disso, o mais importante é que os chips de LED são pequenos e a embalagem é flexível, o que permite que eles sejam fabricados em vários tipos, como lâmpadas, downlights, luzes de painel e módulos de luz de fundo.
2010s: Grande desenvolvimento na tecnologia de telas LED
Melhoria adicional do desempenho
Os LEDs continuaram a se desenvolver rapidamente no século XXI. Por volta de 2015, os LEDs de alta eficiência alcançaram eficiências luminosas de aproximadamente 150-220 lm/W, vida útil L70 de quase 100.000 horas e índices de reprodução de cores (CRI) de 90 ou mais, atendendo aos requisitos da maioria das aplicações de ponta.
LED com pequeno passo de pixel
De modo geral, um pixel pitch menor torna a tela de LED mais nítida. Desde 2009, as telas de LED para ambientes internos começaram a usar LEDs embalados em SMD, que permitem campos de pixels a ser reduzido para P2-P3 mm, obtendo maior resolução. Em 2012, as distâncias entre os pixels atingiram P1,5-P2 mm e foram usadas em muitos monitores internos de alta qualidade.
A ascensão do mini LED
Na década de 2010, surgiu uma tecnologia de Mini LED mais avançada. Os mini LEDs são uma tecnologia avançada de escurecimento usada em telas LCD, com dezenas de milhares de LEDs de luz de fundo atrás da tela, cada um com um diâmetro inferior a 200 mícrons. Esses LEDs são divididos em milhares de zonas, cada uma das quais pode ser escurecida individualmente, melhorando muito o desempenho das cores da tela.
Mesmo hoje, o Mini LED ainda é relativamente caro, mas é uma excelente opção se você quiser comprar um monitor LCD.
Crescimento rápido do mercado global de LEDs
Durante a década de 2010, o mercado global de LEDs se expandiu rapidamente. Em 2010, o mercado global de LEDs foi avaliado em aproximadamente US$ 15 bilhões, crescendo para US$ 38 bilhões em 2015. No final da década, os LEDs foram gradualmente difundidos em iluminação, displays e iluminação automotiva, enquanto a demanda por LCDs retroiluminados, laptops e TVs aumentava. TVs com retroiluminação por LED substituíram quase completamente as CCFLs tradicionais.
Ao mesmo tempo, regiões e países, incluindo Europa, China e Estados Unidos, introduziram padrões de economia de energia e redução de emissões, eliminando gradualmente as lâmpadas incandescentes e fluorescentes. Essas políticas significam que você verá mais produtos incorporando a tecnologia LED no futuro.
2020s: Tecnologia de telas de última geração
Um mercado muito expandido
Em comparação com a década de 2010, os LEDs conquistaram uma fatia maior do mercado na década de 2020. Você também verá que os LEDs estão se tornando cada vez mais comuns e penetraram em vários setores. De acordo com relatórios de mercado de fontes confiáveis, como Fortune Business Insights e Grand View Research, o mercado global de LEDs foi avaliado em aproximadamente US$ 55 bilhões em 2020 e deve ultrapassar US$ 70 bilhões até 2025.
Micro LED: Um novo avanço
Em comparação com os displays de LED tradicionais, o Micro LED apresenta chips de LED muito menores, uma distância de pixel mais fina e um número significativamente maior de LEDs. Uma tela com resolução de 8K pode conter cerca de 100 milhões de pixels.
No entanto, a comercialização do micro LED pelos fabricantes ainda está em um estágio inicial. A tecnologia Micro LED requer processos de fabricação extremamente complexos, e desafios como baixas taxas de rendimento e altos custos de reparo continuam difíceis de superar. Além disso, o micro LED é a tecnologia de tela de LED mais avançada que você pode adquirir. No momento, apenas os principais fabricantes, como a Samsung, comercializaram a tecnologia Micro LED.
A combinação de LED e IA
Na década de 2020, as tecnologias de IA amadureceram gradualmente e foram adotadas em vários setores. Ao mesmo tempo, os setores de IA e LED começaram a se cruzar em um estágio inicial.
Para telas de LED, a IA pode ser incorporada aos algoritmos de exibição da tela de LED, possibilitando o aprimoramento automático da imagem, incluindo aumento da resolução, redução de ruído e otimização escurecimento local.
Para a iluminação LED, a IA pode ajustar o brilho e a temperatura da cor de acordo com diferentes ambientes, seguir os ritmos naturais da luz do dia e até mesmo melhorar a eficiência energética, o que pode lhe proporcionar uma melhor experiência de iluminação.
As perspectivas da tecnologia LED
Em meados da década de 2020, a tecnologia LED já estava muito madura. Independentemente do setor, os LEDs estavam entre os melhores em termos de eficiência luminosa, consumo de energia e custo.
No futuro, com os avanços tecnológicos em campos relacionados, a eficiência luminosa e os processos de fabricação de LEDs poderão ser aprimorados ainda mais, as tecnologias de telas de LED se tornarão mais maduras e os preços ficarão mais acessíveis. Ao mesmo tempo, os LEDs serão integrados a produtos inteligentes mais avançados, como telas de RA/RV, iluminação inteligente e aplicações terapêuticas de LED.
Tecnologia de iluminação tradicional
Lâmpada incandescente
A lâmpada incandescente é a fonte de luz elétrica mais tradicional. Quando uma corrente elétrica passa pelo filamento de tungstênio, o filamento resiste à corrente, aquece e produz luz visível. Embora as lâmpadas incandescentes possam fornecer iluminação de alto brilho, elas têm uma vida útil curta e baixa eficiência luminosa, e foram amplamente substituídas por LEDs e lâmpadas fluorescentes.
Lâmpada halógena
A lâmpada halógena é uma versão melhorada da lâmpada incandescente, que adiciona gases halógenos, como iodo ou bromo, dentro do bulbo, aumentando a eficiência luminosa e a vida útil em comparação com as lâmpadas incandescentes tradicionais. No entanto, seu consumo de energia continua alto e está sendo gradualmente substituída por LEDs.
Lâmpada fluorescente compacta (CFL)
O Lâmpada fluorescente compacta (CFL) é um tipo de lâmpada fluorescente. Ela tem tamanho pequeno, é eficiente em termos de energia e tem uma vida útil mais longa do que uma lâmpada incandescente, sendo amplamente utilizada na iluminação residencial e de escritórios. No entanto, por conter mercúrio, o descarte inadequado pode prejudicar o meio ambiente e a saúde humana, e ela vem sendo gradualmente eliminada.
Lâmpada de xenônio
A lâmpada de xenônio é uma fonte de luz de descarga de gás de alta intensidade, composta por dois eletrodos de tungstênio de alta temperatura, um tubo de vidro de quartzo e preenchida com gás xenônio de alta pressão. O gás xenônio é ionizado por uma descarga de alta tensão, formando um arco elétrico que produz luz branca de alto brilho.
No campo da iluminação, as lâmpadas de xenônio foram amplamente substituídas por LEDs. Entretanto, em aplicações como simulação óptica e projetores de grande porte, em que os LEDs não conseguem atender aos requisitos de brilho ultra-alto e espectros contínuos, as lâmpadas de xenônio continuam insubstituíveis por enquanto.
Perguntas frequentes
As telas de LED podem ser sensíveis ao toque?
Sim. Embora as telas de LED sejam inerentemente dispositivos de exibição que emitem luz, uma camada de detecção de toque pode ser adicionada para habilitar a funcionalidade de toque. Há dois métodos principais: toque infravermelho e toque capacitivo. O conceito básico do toque capacitivo foi proposto já na década de 1960 e, nos anos 2000, a tecnologia de toque foi amplamente aplicada em smartphones e telas sensíveis ao toque.
Como as telas grandes alcançam a uniformidade de cor e brilho?
Para telas de LED grandes, para obter cores e brilho uniformes, é necessário garantir alta qualidade nos níveis de hardware e de calibração de cores. No lado do hardware, isso inclui a qualidade do chip de LED, o design óptico e a soldagem precisa. No lado da calibração de cores, técnicas como escurecimento local e calibração de fábrica são usadas para manter o desempenho de alta qualidade.
Como os displays de LED estão se tornando cada vez mais finos?
Os displays de LED estão se tornando cada vez mais finos, principalmente devido aos tamanhos menores dos chips de LED, à espessura reduzida da placa de circuito impresso, aos métodos de empacotamento mais avançados e aos designs de módulos mais racionais. Ao mesmo tempo, os materiais de embalagem foram aprimorados, com ligas de alumínio ou fibra de carbono substituindo com frequência as estruturas de aço, tornando os displays de LED mais leves e finos.
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