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Engenharia Elétrica

Plástico de luz

Polímeros luminescentes são cotados para substituir telas de LCD

eduardo cesarPolímero condutor de eletricidade pode ser usado em vários dispositivos eletrônicoseduardo cesar

Uma das mais conhecidas propriedades dos polímeros – materiais que englobam os plásticos em geral – é a capacidade de isolamento elétrico, o que os torna amplamente usados para encapar fios, evitando choques e curtos-circuitos. Em meados dos anos 1970, uma descoberta feita por pesquisadores japoneses e norte-americanos veio mostrar que isso não vale para todos os tipos desses materiais. Alguns têm a habilidade de conduzir eletricidade e são cotados para substituir com vantagens as telas de TV e computadores em LCD ou plasma, além de poderem ser usados em transistores e células solares e outros dispositivos eletrônicos. Esses novos polímeros condutores de eletricidade fazem parte de uma linha de pesquisa de vários grupos no mundo, inclusive no Brasil com pesquisadores da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (Poli-USP). Liderados pelo professor Adnei Melges de Andrade, do Instituto de Eletrotécnica e Energia (IEE) da USP, eles integram o Grupo de Eletrônica Molecular (GEM).

Os pesquisadores trabalham principalmente com o Polymer Organic Light-Emitting (Pled) e o Organic Light-Emitting Diode (Oled), dois tipos de diodos emissores de luz (LED na sigla em inglês) diferentes dos comercializados hoje – produzidos com material semicondutor inorgânico – por serem orgânicos, porque compostos basicamente com moléculas de carbono. O grupo trabalha também no desenvolvimento de outros dispositivos, como transistores de filme fino, células solares orgânicas e sensores.

Apoiado por projetos de auxílio regular da FAPESP, o grupo avança no desenvolvimento dos novos dispositivos eletrônicos com material polimérico. “Agora não nos interessa somente que os dispositivos funcionem”, explica o professor Fernando Josepetti Fonseca, que também faz parte do GEM. “Isso é o mínimo e já fizemos no projeto anterior iniciado em março de 2004 e finalizado em fevereiro de 2006. Agora queremos saber quanto tempo eles funcionam e como podem ser mais eficientes, além de serem feitos de modo mais simples e barato.”

Nobel de Química
O trabalho do grupo da Poli só é possível devido a duas grandes descobertas científicas  realizadas no final do século XX. Como acontece algumas vezes em ciência, a primeira delas ocorreu por acidente ou erro. Foi em 1976, no laboratório do pesquisador japonês Hideki Shirakawa, do Instituto de Tecnologia de Tóquio. Na tentativa de sintetizar o poliacetileno – um polímero simples formado por carbono e hidrogênio, que se apresenta na forma de um pó preto –, um estudante chinês de Shirakawa errou a “receita”. Como resultado, em vez do polímero desejado, produziu um lustroso filme prateado, brilhante como uma folha de alumínio. Buscando entender onde havia errado, o estudante verificou que tinha utilizado uma quantidade de catalisador (substância usada para acelerar reações químicas) mil vezes superior à necessária. Shirakawa guardou a película e mais tarde a apresentou para o químico norte-americano Alan MacDiarmid, da Universidade da Pensilvânia, que estava em visita ao Japão. Então Shirakawa foi convidado a fazer uma parceria, com Mac­Diarmid e o físico norte-americano Alan Heeger. Trabalhando juntos, em 1977, os três verificaram que após a dopagem do poliacetileno com iodo o filme prateado flexível tornava-se uma folha metálica dourada, cuja condutividade elétrica era significativamente aumentada. Estavam descobertos os polímeros semicondutores, o que rendeu aos três pesquisadores o Prêmio Nobel de Química de 2000.

A segunda descoberta ocorreu em 1990, quando Jeremy Burroughes, Richard Friend e Donald Bradley, da Universidade de Cambridge, na Inglaterra, criaram o primeiro dispositivo com polímero semicondutor eletroluminescente, que emite luz ao receber uma carga elétrica. Mais especificamente, eles notaram que determinadas estruturas de polímeros semicondutores poderiam ser montadas de forma a tornar possível a emissão de luz. Criavam-se, assim, os diodos emissores de luz orgânicos, os Oleds, que estão sendo incorporados a telas de TV e de computadores, além de displays em dispositivos portáteis como celulares.

eduardo cesarPlaca de Oled iluminada no laboratório da USPeduardo cesar

No laboratório da Poli, os pesquisadores não produzem polímeros, eles desenvolvem os dispositivos. “Nós os recebemos de instituições acadêmicas que colaboram conosco”, explica Fonseca. Entre os colaboradores estão a Universidade Federal do Paraná (UFPR), por meio do grupo da professora Leni Akcelrud; o Instituto de Química da USP, por intermédio da professora Neyde Yukie Murakami Iha; e o Departamento de Engenharia Metalúrgica  e de Materiais da Poli-USP, com a professora Wang Shui Hui. “No âmbito da física e da fabricação de dispositivos, trabalhamos com o professor Luiz Pereira, do Departamento de Física da Universidade de Aveiro, de Portugal.” Com os polímeros eletroluminescentes que recebem eles fazem Pleds e Oleds. O grupo trabalha no desenvolvimento de transistores há dois anos. O grande diferencial em relação aos de silício é o custo menor de fabricação. Quanto às células solares orgânicas, as pesquisas estão na fase inicial.

Os maiores esforços do grupo de pesquisadores da USP estão direcionados nesse momento para o desenvolvimento dos dois diodos emissores de luz orgânicos. A diferença entre os dois tipos está no processo de fabricação e nos componentes de que são feitos. “Oleds é a designação geralmente dada aos LEDs orgânicos feitos a partir de pequenas moléculas”, explica o pesquisador Gerson dos Santos, integrante do grupo. “Os Pleds, por sua vez, são feitos a partir de cadeias poliméricas longas.” Apesar dessas diferenças, a expressão Oleds vem se tornando dominante no mundo para designar os dois tipos de LEDs orgânicos.

Existem muitas possibilidades de montar esses dispositivos e os pesquisadores buscam produzi-los de forma eficiente, reprodutível e duradoura. A estrutura mais simples de um Oled é composta de um substrato transparente (vidro ou polímero inerte), sobre o qual é depositado um eletrodo, feito de um óxido metálico de alto potencial de ionização – normalmente é utilizado para isso o óxido de estanho e índio. Sobre essa camada vai o que se pode chamar de coração do Oled: o polímero emissor de luz. Esse, por sua vez, é recoberto por outro eletrodo, uma fina camada metálica, geralmente feita de um metal com baixo potencial de ionização (perda de elétrons), como alumínio, cálcio ou magnésio.

Decai o éxciton
O princípio de fun­cionamento do Oled também é relativamente simples. “Elétrons são injetados a partir de um eletrodo, enquanto lacunas (ou chamados também de buracos, termo muito comum em física e eletricidade que significa a ausência de elétrons em determinadas posições) são introduzidas pelo outro, quando uma tensão elétrica é aplicada entre os dois”, explica o pesquisador John Paul Hempel Lima. “Essas cargas se deslocam pelas cadeias poliméricas e podem se recombinar para formar uma espécie eletronicamente excitada, o éxciton. Esse éxciton decai radiativamente, emitindo luz. Ou seja, o decaimento radiativo do éxciton é a eletroluminescência do Oled.”

A montagem desses dispositivos começa com a escolha dos materiais, o que vai definir a cor que ele emitirá. Além disso, para se produzir dispositivos eficientes é essencial que sejam controladas a morfologia e a espessura de cada camada. Há várias técnicas para depositá-las, uma em cima da outra, a partir do substrato. Grande parte da montagem dos Oleds é feita no interior da glovebox, uma máquina cujo modelo foi projetado pelos pesquisadores em conjunto com um fabricante nacional. Ela permite criar em seu interior uma atmosfera, composta de nitrogênio, com reduzida concentração de oxigênio e água para evitar a degradação dos dispositivos. Dentro da câmara é feito ainda o encapsulamento dos Oleds, etapa que consiste em colocar uma cápsula de vidro sobre o material.  “Como uma máquina importada era muito cara, tivemos de encomendar a fabricação de uma similar nacional numa empresa brasileira”, conta Andrade. A maior parte do financiamento recebido da FAPESP no primeiro projeto, cerca de R$ 300 mil do total de pouco mais de R$ 450 mil, foi usada para fabricar a glovebox. “Além desse equipamento, desenvolvemos um robô para deposição de camadas em uma técnica conhecida como automontagem e adaptamos uma impressora comercial para depositar os polímeros (técnica conhecida como ink-jet deposition).”

Os pesquisadores do GEM já produziram vários tipos de Oleds de cores diferentes, usando mais de 20 tipos de polímeros. O trabalho do grupo, segundo Fonseca, está a meio caminho entre a pesquisa básica, a descoberta científica e a indústria. “Nosso objetivo não é produzir dispositivos prontos para o mercado, mas avançar além da pesquisa básica de modo que se desenvolvam tecnologias para as indústrias poderem desenvolver e fabricar em larga escala.” Para isso, o grande desafio a ser vencido é ampliar o tempo de vida dos Oleds, que ainda é de poucas horas, não só visando às aplicações imediatas, mas também para propiciar maior estabilidade ao material e boa luminância a eles. Outro desafio do grupo é produzir um Oled que emita a cor branca, façanha que vem sendo tentada por empresas e instituições de pesquisa de todo o mundo. “Produzir esse tipo de dispositivo não é tarefa fácil. É preciso conseguir uma combinação equilibrada das emissões de cores básicas, vermelha, verde e azul, o que é difícil”, diz Andrade. O grupo está testando duas maneiras de conseguir isso. Em uma os componentes são mesclados para produzir emissão próxima à luz branca. Em outra é produzido um Oled com mais de um polímero emissor, cada um emitindo uma cor, o que implica mais etapas de processo.

Segundo Andrade, o advento desse emissor de luz branca vai revolucionar nosso modo de vida, pois alterará profundamente a forma como os ambientes serão iluminados. Hoje todos estão acostumados com o uso de lâmpadas convencionais, como as incandescentes, e mais recentemente com as fluorescentes compactas, mas elas poderão ser substituídas no futuro por dispositivos planos muito finos, com a espessura  equivalente a uma folha de papel sulfite, consumindo menos energia, característica importante, levando-se em consideração que os recursos naturais serão cada vez mais limitados.

Os projetos
1. Pesquisa e desenvolvimento de dispositivos eletroluminescentes com polímeros semicondutores (n° 03/07454-5); Modalidade Auxílio Regular a Projeto de Pesquisa; Co­or­de­na­dor Adnei Melges de Andrade – USP; Investimento R$ 352.347,45 e US$ 51.268,94 (FAPESP)
2. Estudo e desenvolvimento de LEDs orgânicos, células solares, transistores de filmes finos e sensores baseados em polímeros semicondutores (nº 09/05589-7); Modalidade Auxílio Regular a Projeto de Pesquisa; Co­or­de­na­dor Adnei Melges de Andrade – USP; Investimento R$ 135.293,81 e US$ 121.643,95 (FAPESP)

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