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Passato, presente e futuro dell'illuminazione a LED a 50 anni dalla nascita

La moderna illuminazione LED è nata esattamente 50 anni fa. Jeanine Chrobak-Kando, Business Development Manager di Verbatim, descrive quanto si sia evoluta la tecnologia di illuminazione in così poco tempo e quali saranno i possibili sviluppi futuri.

I diodi emettitori di luce (LED) sono diventati un dispositivo elettronico molto comune e facile da trovare in molti dispositivi. Nel 2011, le applicazioni di illuminazione generale hanno rappresentato la quota maggiore (35%) del mercato dei LED, seguite dai dispositivi mobili (30%) e dalle applicazioni di segnaletica (18%). Secondo le stime di MarketWatch, entro il 2020 il costo di una lampadina LED dovrebbe scendere a metà del suo costo attuale. Il momento in cui i LED saranno disponibili sul mercato a un prezzo che li renderà la tecnologia dominante si sta avvicinando rapidamente.

Ma come è cominciato tutto questo? Esattamente 50 anni fa è stata creata la prima luce LED visibile. Anche se il fenomeno di elettroluminescenza fu scoperto nel 1907 dallo scienziato inglese Henry Round, è stato nel mese di ottobre 1962 che il fisico Nick Holonyak è diventato il 'padre fondatore dell’illuminazione LED'. Mentre lavorava alla General Electric, ha presentato all'American Institute of Physics un documento sulla creazione di uno spettro visibile rosso a base di LED di arseniuro di gallio fosfato (GaAsP).

L’invenzione di Holonyak ha fatto sì che i display a LED entrassero in commercio già nel 1964. Questi dispositivi realizzati a mano erano costosi e, per il primo decennio, erano disponibili solamente di colore rosso. Tuttavia, data la loro minuscola dimensione i LED rossi avevano abbastanza intensità luminosa e durata di vita da essere utilizzati nei display di calcolatrici tascabili e orologi digitali durante la prima metà degli anni ‘70. 

Holonyak, già studente di John Bardeen, premio Nobel che sviluppò il transistor, inventò anche il quantum-well laser (che divenne la base per i lettori di compact disc e per la fibra ottica) e sviluppò il primo interruttore regolabiile per l'illuminazione domestica.

Da allora la crescita delle applicazioni LED è proseguita con grandi innovazioni nei materiali, nell'ottica e nello sviluppo delle tecnologie dei semiconduttori, generando una maggiore emissione luminosa, una migliore efficienza e una gamma sempre più ampia di colori. L'uso di vari composti semiconduttori come arseniuro fosfide di gallio e alluminio (GaAlAsP), il nitruro di gallio e indio (InGaN) e il fosfuro di alluminio e gallio (AlGaP), in combinazione con rivestimenti di fosforo, ha consentito l’ulteriore sviluppo dell’illuminazione LED.

Nel corso degli ultimi 50 anni, la tecnologia è avanzata dal colore rosso, passando per l'arancione, giallo e verde nel 1980, fino ai primi LED ad alta intensità blu basati su nitruro di gallio (GaN) un decennio più tardi. Nel 1991, il professore giapponese Shuji Nakamura ha fatto un ulteriore passo in avanti con lo sviluppo del LED bianco. Ha così svelato il primo LED ad elevata luminosità con un emettitore di nitruro di gallio che ha prodotto una luce blu brillante, in parte convertita in giallo utilizzando un rivestimento di fosforo.

Naturalmente, non solo è aumentato l'ampio spettro di colori LED ora disponibili, ma, oltre a una maggiore efficienza energetica, è notevolmente incrementata anche l'intensità della luce. È interessante notare che il ritmo di miglioramento dei LED ha una regola empirica simile alla Legge di Moore nel mondo dei semiconduttori, chiamata Legge di Haitz.

Proposta nel 2000 dal dottor Roland Haitz, essa afferma che circa ogni dieci anni il costo per la produzione di LED per lumen (unità di luce emessa utile) si riduce di un fattore 10, mentre l'emissione di luce a LED aumenta di un fattore di 20. Haitz ha anche predetto come l'efficienza di illuminazione dei LED potrebbe raggiungere i 200 lm/W nel 2020 se un numero sufficiente di investimenti in Ricerca e Sviluppo venisse stanziato da parte dei governi e dell'industria dell'illuminazione per l'avanzamento della tecnologia a LED.

L'utilizzo dei LED per la retroilluminazione nei display LCD è ormai diffuso in diverse applicazioni consumer mobili come telefoni cellulari, fotocamere digitali, lettori MP3 e televisori, con grandi vantaggi rispetto alla retroilluminazione LCD fluorescenti a catodo freddo (CCFL) che includono un basso costo, bassa tensione di pilotaggio, ampia visione d’angolo, contrasto e gamma di colori, oltre ad un’estrema flessibilità.

Una branca dei LED che è importante ricordare è la tecnologia a LED organico, o OLED. Si tratta essenzialmente di uno strato di materiale elettroluminescente tra due strati organici polimerici. La tecnologia OLED promette di aggiungere una nuova dimensione alla luce. Mitsubishi Chemical Corporation, casa madre di Verbatim, grazie alla sua vasta conoscenza ed esperienza nel settore dell'illuminazione, ha apportato miglioramenti significativi per i processi che coinvolgono con il colore di fabbricazione (RGB) dei pannelli sintonizzabili OLED.

Verbatim ha recentemente presentato il primo modulo di colore regolabile e dimmerabile OLED che offre luminosità fino a 2.000 cd/m². L’ultima serie di moduli OLED Velve risulta due volte più brillante dei dispositivi precedenti. Architetti e interior designer possono utilizzare la tecnologia OLED per creare un'illuminazione d'atmosfera senza punti caldi, bagliori o cali di intensità. Verbatim Velve moduli OLED possono essere utilizzati per creare illuminazioni dinamiche da parete.

Offrendo un’armoniosa luminosità, una calibrazione integrata e una distribuzione uniforme della luce da pannello e pannello, gli OLED sono particolarmente adatti per l'uso creativo di luci di scena e nuove applicazioni in ambienti discoteca e bar.

I LED stanno diventando lo standard nell’illuminazione esterna pubblica come nell’utilizzo della luce nei semafori, nei segnali stradali e nelle bacheche.

L'industria automobilistica, in particolare, è fortemente indirizzata a sostituire le lampade a incandescenza con i LED. Grazie alla loro efficienza energetica, le luci a LED sono particolarmente adatte per le auto elettriche e ibride. Recenti studi hanno dimostrato, inoltre, che l'uso di fari a LED prolunga la carica delle auto elettriche di circa sei miglia. Anche l’illuminazione negli acquari e nell’orticoltura sono destinate a una crescita sostanziale. Ad esempio, le piante sono molto sensibili a determinate lunghezze d'onda, con conseguente aumento dell’assorbimento e della fotosintesi clorofilliana quando esposte a luce blu e rossa.

Ci si può aspettare che i LED diventeranno il principale dispositivo di illuminazione ad alta efficienza energetica nei prossimi anni, prendendo il posto delle tecnologie esistenti di illuminazione a incandescenza, delle lampade alogene e di quelle fluorescenti compatte (CFL). 

Secondo Electronics.ca Research Network, il mercato dei LED per illuminazione generale potrebbe raggiungere 19,5 miliardi dollari (€ 15,5 miliardi di euro) nel 2012 e 31,4 miliardi dollari (€ 25 miliardi di euro) nel 2017. Mentre monitor LCD e TV LED a retroilluminazione sono attualmente in testa a questa crescita, seguiti dagli schermi per dispositivi mobile, gli analisti prevedono che l'illuminazione a LED catturerà la leadership di mercato entro il 2014. Ed entro il 2021, si prevede che l’illuminazione a LED possa raggiungere oltre il 50% del mercato edilizio commerciale. 

Nel settembre 2012 è entrato in vigore in tutta l'Unione Europea il divieto di produzione e importazione di lampadine incandescenti standard. E’ stato predisposto questo passaggio a causa dei livelli estremamente bassi di efficienza energetica che le tradizionali lampadine forniscono - in genere utilizzano meno del 10% dell'energia fornita alla lampada per creare luce visibile.

Questo significa che i consumatori e gli operatori devono ora scegliere alternative a basso consumo energetico per l'illuminazione, come ad esempio i diodi emettitori di luce (LED) e le lampade fluorescenti compatte (CFL). A differenza delle lampade fluorescenti compatte, le lampade a LED in genere garantiscono una durata d'esercizio cinque volte maggiore, si accendono istantaneamente e non contengono materiali pericolosi come il mercurio. Le lampade a LED offrono anche una maggiore resistenza agli urti e alle vibrazioni.

In previsione della dismissione delle lampadine tradizionali, Verbatim ha introdotto una famiglia completa di lampade retrofit a LED per uso domestico, progettate per soddisfare la crescente domanda di affidabilità, alta qualità e illuminazione a basso consumo.    

E che cosa serba il futuro per i dispositivi a LED, oltre al fatto di divenire sempre più efficienti e disponibili con intensità più elevate? I LED sono destinati a diventare sempre più intelligenti. Una definizione che probabilmente sentiremo molte volte nel corso dei prossimi anni, con tutti i dispositivi elettronici che avranno il proprio indirizzo IP, perfino le singole lampade a LED. Ciò significa che con ogni probabilità si avrà la possibilità di programmare l'illuminazione nelle nostre case e negli uffici direttamente dai nostri smartphone. Qualunque sia il futuro, sembra luminoso per l’illuminazione a LED.

Per ulteriori informazioni: Speciale Tecnico di Qualenergia.it - Nuovi LED per ambienti interni ed esterni a cura di Gianni Forcolini del Politecnico di Milano