Sebbene la tecnologia dei LED (Light Emitting Diode – diodi a emissione luminosa) non rappresenti certo una novità, in quanto esiste da oltre mezzo secolo, la richiesta di soluzioni di illuminazione a LED da utilizzare nelle abitazioni, negli uffici e persino nelle automobili, sta crescendo a ritmi senza precedenti. Ciò ha portato allo sviluppo di soluzioni più integrate in grado di garantire una maggiore luminosità e colori più naturali. Al seguente link un interessante articolo dal titolo "LED Matrix Player: la scheda per gestire matrici e strisce di led".
Tecnologia LED: un breve ripasso
L'elemento fondamentale di ogni LED è la giunzione P-N che rappresenta la base del diodo. Nel momento in cui elettroni e lacune si ricombinano ai capi della giunzione, ogni elettrone deve occupare un livello energetico più basso e l'energia in eccesso degli elettroni è rilasciata sotto forma di fotoni (particelle) di luce. Al seguente link un approfondimento sulla giunzione PN.
L'obiettivo principale dei produttori di LED è ovviamente il miglioramento dell'efficienza luminosa e ciò richiede investimenti finanziari non indifferenti e l'allocazione di ingenti risorse per lo sviluppo e l'ingegnerizzazione dei prodotti. L'efficienza dei LED è misurata in lumen per Watt (lm/W), un dato questo riportato nel datasheet di ogni dispositivo. Tali misure sono generalmente ricavate da prove eseguite in un laboratorio (quindi in condizioni ideali), dove la temperatura di giunzione è strettamente controllata. Nelle applicazioni reali, l'efficienza risulta inferiore a quella dichiarata dal produttore. Senza dimenticare che questo parametro diminuisce in presenza di correnti operative di valore elevato.
La diffusione su larga scala
Secondo alcuni esperti, l'evoluzione della tecnologia dei LED avrebbe comportato una diminuzione del costo per lumen e tale riduzione poteva essere prevista con una certa precisione. In particolare all'inizio di questo millennio Roland Haitz ha formulato una legge, che prende il suo nome e si può considerare analoga alla più nota legge di Moore per il mondo dei semiconduttori, la quale afferma che il costo per lumen è destinato a diminuire di un fattore pari a 10 ogni 10 anni. La legge di Haitz, inoltre, prevedeva la possibilità di produrre LED in grado di generare 200 lm/W entro il 2020, tagliando il traguardo dei 100 lm/W nel 2010. I maggiori produttori operanti in questo settore, e in particolare Cree, hanno conseguito tale obbiettivo nei tempo previsti dalla legge di Haitz.
Oggigiorno più emettitori a LED sono solitamente montati su moduli sfruttando tecnologie CSP (Chip-Scale Packaging) oppure COB (Chip-On-Board). Poiché i LED bianchi a elevata luminosità attualmente emettono meno della metà dell'energia rilasciata in corrispondenza della giunzione sotto forma di fotoni, la parte restante viene rilasciata sotto forma di calore che deve essere dissipato per mantenere la temperature di giunzione all'interno di limiti operativi previsti (di solito pari a circa 150 °C). Al crescere della richiesta di soluzioni di illuminazione a LED, i costruttori hanno fatto investimenti nello sviluppo di soluzioni per la gestione termica più efficienti. Tra queste si possono segnalare l'adozione di nuovi materiali da impiegare come dielettrico tra il chip LED, la scheda PCB e il dissipatore di calore (tipicamente di tipo conduttivo). I dielettrici basati su polimeri e materiali ceramici contenenti additivi cristallini di dimensioni nanometriche si stanno affermando come una soluzione valida e praticabile.
Substrati: le varie alternative
I pionieri della tecnologia LED hanno scoperto attraverso numerosi esperimenti l'esistenza di una varietà di materiali in grado di produrre l'elettroluminescenza necessaria per generare la luce. Tra questi si possono annoverare l'arseniuro di gallio (GaAS), il carburo di silicio (SiC), l'antimoniuro di gallio (GaSb) e il fosfuro di Indio (InP). La soluzioni più ampiamente standardizzata nel mondo industriale prevede l'uso di nitruro di gallio (GaN) su un substrato di zaffiro per i LED blu (usati per creare luce bianca). Al seguente link un interessante approfondimento dal titolo "Massimizzare le performance di un driver LED con la tecnologia GaN".
I substrati in zaffiro sono più costosi rispetto al silicio, ma il nitruro di gallio lo è in misura ancora maggiore. Poiché il silicio, oltre a essere più economico, offre l'opportunità di integrare un numero maggiore di circuiti che sfruttano il processo CMOS, l'industria ha seguito un approccio basata sull'utilizzo della tecnologia GaN su silicio (GaN-on-Si) per la produzione dei LED. Nonostante ciò, molti produttori siano tornati all'utilizzo dello zaffiro mentre altri, come ad esempio Plessey Semiconductors, hanno continuato a impiegare il silicio, una tecnologia che offre secondo gli esperti della società parecchi altri vantaggi altri tra cui temperature di funzionamento più basse e possibilità di utilizzare correnti di pilotaggio più elevate. Le proprietà termiche del silicio, inoltre, sono migliori rispetto a quelle dello zaffiro, con conseguente semplificazione della gestione termica. In ogni caso questo approccio richiede la deposizione del GaN su un substrato di silicio, un processo che comporta l'insorgere di alcune problematiche. Un'alternativa potrebbe essere rappresentata dall'utilizzo del GaN come substrato: un approccio di questo tipo è stato finora ampiamente ignorato a causa del fatto che un substrato GaN è molto più costoso rispetto ai tradizionali substrati di silicio o di zaffiro. Una società ha comunque deciso di adottare questo approccio sviluppando LED con il procedimento GaN-on-GaN. La società in questione, Soraa, sostiene che i maggiori costi legati all'utilizzo di un substrato GaN sono compensati dal notevole incremento di efficienza, quantificabile in un'emissione luminosa cinque volte superiore per unità di area. L'azienda è stata anche in grado di realizzare LED che emettono luce violetta, in grado di fornire una luce bianca migliore rispetto a quella ottenibile con i tradizionali LED blu. Uno dei principali vantaggi legati all'uso della tecnologia GaN-on-GaN è derivato dal fatto che non esistono discontinuità tra differenti materiali (che si solito rappresentano una barriera per i fotoni), consentendo a un numero maggiore di fotoni di raggiungere la superficie e essere quindi emessi sotto forma di luce (figura 1).
Figura 1: la gamma di LED ad alta potenza PLW7070 di Plessey è realizzata sfruttando la tecnologia GaN-on-Si
I fondatori di Soraa ritengono che, mentre i produttori di LED saranno sempre più impegnati nel tentativo di migliorare l'efficienza del processo GaN su zaffiro, si creerà uno spazio per altre realtà che intendono investire nello sviluppo della tecnologia GaN-on-GaN. L'efficienza della metodologia messa a punto da Soraa è paragonabile a quella ottenibile con i laser, il che si traduce in una diminuzione delle perdite rispetto a quelle dei LED prodotti utilizzando un substrato di zaffiro.
Illuminazione a stato solido: applicazioni presenti e future
Anche se attualmente i produttori stanno concentrando i loro sforzi sullo sviluppo di LED bianchi ad alta potenza da utilizzare nel campo dell'illuminazione, vi sono altre aree applicative che si stanno affacciando alla ribalta. Tra queste si può segnale l'impiego dei LED nel settore dell'orticoltura: in questo caso specifico di tratta di coltivare verdure in ambienti artificiali, spesso completamente chiusi e che sfruttano solamente sorgenti di luce artificiali. Ciò permette di realizzare vere e proprie micro-fattorie nelle vicinanze di aree densamente popolate, come ad esempio i centri delle grandi città. Uno sviluppo di questo tipo potrebbe rappresentare una soluzione al prevedibile aumento della domanda di produzione di cibo.
Un'altra area promettente è quella dei LED ultravioletti (UV) che attualmente vengono impiegati nel campo della biomedicina per combattere le infezioni, purificare aria e acqua, decontaminare superfici, oltre che per i processi di vulcanizzazione utilizzati in numerosi settori industriali e produttivi.
La crescente attenzione al problema della sicurezza ha anche contribuito a favorire la diffusione dell'uso di Li-Fi, la tecnologia che permette l'uso della luce per trasferire i dati ad alta velocità tra due dispositivi. Poiché non vi sono radiazioni elettromagnetiche che potrebbero essere rilevate da potenziali intercettatori, come accade nelle comunicazioni basate sulla radiofrequenza, la tecnologia Li-Fi dovrebbe garantire una maggiore protezione contro eventuali fenomeni di pirateria informatica. Ricercatori e aziende sono attivamente impegnati nelle attività di sviluppo di questa tecnologia, che potrebbe garantire ampiezze di banda dell'ordine di centinaia di Gbit/s senza nessuna limitazione per quel che concerne la coesistenza delle connessioni. Al seguente link un interessante articolo dal titolo " Li-Fi: la tecnica di trasmissione wireless di tipo ottico".
Considerazioni conclusive
L'illuminazione a LED è destinata a diventare, entro il 2020, la forma di illuminazione più efficiente in termini economici. Non può dunque sorprendere il crescente interesse per questa tecnologia che garantisce notevoli vantaggi sotto tutti gli aspetti: nel momento in cui i costi iniziano a diventare sempre più competitivi, questa tecnologia è destinata a soppiantare in tempi brevi tutte le altre forme di illuminazione, meno affidabili e caratterizzate da un maggior impatto ambientale. Lo sviluppo di altre tipologie di applicazioni per i LED favorirà sicuramente ulteriori investimenti in nuove tecnologie, assicurando un futuro luminoso per i produttori operanti in questo settore.
A cura di Mark Patrick, Mouser Electronics
Penso che le soluzioni GaN potrebbe rappresentare una buona tecnologia per l’illuminazione lighting. Molte aziende stanno investendo molto soprattutto nel settore automotive.