Gli OLED e i nuovi materiali per la luce

 

Apertura
(cortesia: Blackbody)

La luce sta assumendo un ruolo sempre più importante come mezzo per favorire il benessere e la salute delle persone, in ogni ambito della società: e la tecnologia OLED si configura in tal senso come l’alba di un nuovo paradigma.

Una buona illuminazione ha effetti positivi sulla salute, sul livello di attenzione, sulle prestazioni cognitive e sulla qualità del sonno delle persone.

Perciò, per una corretta illuminazione delle abitazioni, degli ambienti di lavoro e di svago, dei luoghi di cura, ecc., è necessario tenere conto delle necessità di orientamento spaziale e temporale, di percezione corretta della realtà, di stimolazione sensoriale, quindi per il benessere fisico e psichico.

Inoltre, è necessario non affaticare la vista e non indurre disturbi visivi, specialmente negli ambienti dove si permane a lungo. Sta nascendo, quindi, un approccio all’illuminazione chiamato “smart lighting”, per cui la luce diventa sempre più controllabile mediante l’utilizzo di tecnologie e dispositivi elettronici avanzati: in questo modo è possibile progettare specificamente l’illuminazione di un ambiente, valutandone i consumi e migliorandone l’efficienza di utilizzo, potendo controllare e accendere le lampade solo dove e quando necessario, mentre si produce l’effetto voluto nell’ambiente.

L’approccio di “smart lighting” si coniuga così all’approccio “smart building”, con un mercato specifico che si prevede potrà raggiungere 1,4 miliardi di euro nel 2020 [1].

Per fare tutto questo, sono dunque fondamentali sistemi di illuminazione efficaci ed efficienti, a basso consumo e basso costo, a ridotto inquinamento luminoso ed integrabili in costruzioni amiche dell’ambiente: questi sistemi sono ottenibili oggi con l’utilizzo congiunto e sinergico delle tecnologie LED (Light Emitting Diode) e OLED (Organic LED), le sorgenti luminose a stato solido (Solid State Lighting, SSL) [2].

Gli OLED, in particolare, permettono grande area di emissione con generazione di luce diffusa, efficienza, virtuale assenza di calore residuo, la realizzazione di dispositivi sottili e leggeri, con emissione di una vasta gamma di colori, flessibilità, assenza di sostanze pericolose e possibilità di realizzare forme e geometrie qualsiasi.

 In più, dal punto di vista del design, gli OLED permettono di pensare alla luce come materia e non solo come funzione, portando ad interagire con la luce in tempo reale e a pensare alla fonte luminosa non più come oggetto di arredamento ma come elemento architettonico vero e proprio [3].

Gli OLED sono dispositivi elettro-luminescenti organici, cioè generano luce quando sono attraversati da corrente elettrica ed i materiali attivi sono molecole basate sul carbonio. Sono i dispositivi optoelettronici organici più studiati e dei quali esistono applicazioni commerciali per l’illuminazione e nei display.

Essi sono costituiti dalla sovrapposizione di strati sottilissimi di materiali organici, frapposti tra due elettrodi, che servono a portare nel dispositivo la corrente necessaria ad accenderlo, e di cui almeno uno deve essere trasparente per poter far uscire la luce generata. Escludendo il supporto su cui vengono preparati – che può essere di vetro o plastica, ma anche metallico o di silicio – lo spessore di un dispositivo è inferiore a 0.5 micron, cioè meno di un centesimo dello spessore di un capello (figura 1).

Figura 1 - Struttura di un OLED; sono indicate le funzioni principali svolte dai materiali organici che lo compongono (fonte: ENEA SSPT-PROMAS-NANO)
Figura 1 – Struttura di un OLED; sono indicate le funzioni principali svolte dai materiali organici che lo compongono (fonte: ENEA SSPT-PROMAS-NANO)

La caratteristica peculiare degli OLED è quella di poter essere realizzati con una struttura che si estende su due dimensioni, e con le forme che si desiderano (figura 2 a-b).

Figura 2 a,b - OLED ENEA su vetro e su plastica, con area emissiva rispettivamente di circa 55 e di 5 centimetri quadrati (fonte: ENEA SSPT-PROMAS-NANO)
Figura 2a – OLED ENEA su vetro e su plastica, con area emissiva rispettivamente di circa 55 e di 5 centimetri quadrati (fonte: ENEA SSPT-PROMAS-NANO)
Figura 2b ((fonte: ENEA SSPT-PROMAS-NANO)

Per ottenere luce di colori diversi è necessario utilizzare materiali emissivi diversi, decisione che viene presa già in fase di progettazione del singolo dispositivo; in più, disponendo insieme più dispositivi, ciascuno con una differente emissione, è possibile modularne l’intensità reciproca per generare molti colori.

OLED: tecnologie di produzione

Esistono due approcci principali per la fabbricazione degli OLED, diversi per le tecniche di processo impiegate e per i tipi di sostanze utilizzate: deposizione di piccole molecole mediante evaporazione in ultra alto vuoto, e deposizione di sostanze a partire da soluzioni liquide.

Il primo approccio è, ad oggi, quello più diffuso ed applicato, e permette di preparare i dispositivi con le migliori prestazioni, in termini di intensità luminosa e di efficienza di conversione da energia elettrica in luce.

Il secondo è quello forse più studiato, per le notevoli potenzialità che presenta: poter effettuare la maggior parte delle fasi di processo in aria, e poter applicare tecniche di deposizione del tutto simili alle tecniche di stampa utilizzate in editoria (ad es. stampa rotocalco, flessografia, serigrafia, ecc.), realizzando i dispositivi su substrati a nastro continuo (approccio “roll-to-roll” (R2R)), con la velocità e le quantità che queste tecniche permettono [4].

Ciò si traduce in processi di costo minore e più semplici, meno inquinanti, che richiedono meno energia, e che usano soltanto le quantità di materiali necessarie alla preparazione dei dispositivi, con sprechi minimi, producendo quindi dispositivi più economici.

I prodotti OLED attualmente in commercio sono realizzati su supporti rigidi, principalmente vetro, depositati in vuoto, mentre sono stati presentati soltanto prototipi di OLED flessibili depositati da soluzione. Gli annunci di varie aziende per il 2015 indicano prodotti con efficienza fino a 100 lm/W, luminanza di 5000 cd/m2 e vita di 20.000 ore, mentre nel 2018 si conta di raggiungere 130 lm/W, 5000 cd/m2 e 40.000 ore.

Ciò indica che l’evoluzione dei prodotti OLED per illuminazione nei prossimi anni e l’incremento delle loro prestazioni saranno molto aggressivi, anche per colmare il gap che attualmente queste sorgenti hanno rispetto ai più diffusi LED.

Saranno sviluppati dispositivi di tipi diversi per una penetrazione differenziata sul mercato, con sorgenti ad altissime prestazioni e costi notevoli per applicazioni di design ad alto livello, accanto a lampade con prestazioni meno rilevanti ma anche più economiche, per una diffusione più larga sul mercato di massa.

La ricerca

Molte attività di ricerca e sviluppo sono in corso nel mondo da parte di aziende ed istituti come BASF, MERCK, Novaled, Philips, OSRAM, General Electric, Fraunhofer, CEA, CNRS, ecc., per i notevoli vantaggi che i prodotti OLED promettono in molti settori applicativi [5][6], e per superare gli attuali limiti di questa tecnologia: molti nuovi materiali sono allo studio sia per la generazione della luce, sia per l’incapsulamento e l’incremento del tempo di vita, sia per ridurre il costo dei dispositivi, così come vari metodi innovativi di produzione per sorgenti a grande area e flessibili, come ad es. i processi su nastro continuo (roll-to-roll), per ottenere, a basso costo, prodotti performanti e con tempi di vita soddisfacenti per il mercato [7].

Grande interesse sta suscitando una “versione semplificata” di OLED, le cosiddette celle elettrochimiche ad emissione di luce (Light-Emitting Electrochemical Cell, LEEC)[8]. In questi dispositivi, il materiale elettroluminescente è costituito da una coppia ionica, cioè formato da due parti, una con carica positiva, l’altra con carica negativa.

Alimentando il dispositivo, tali cariche migrano verso gli elettrodi, permettendone l’accensione anche a bassa tensione. In tal modo, si semplifica notevolmente la struttura del dispositivo che, oltre agli elettrodi, può essere formato da un singolo strato, depositabile da soluzione [2]. Tali dispositivi vengono studiati per l’uso nei display, ma sono ancora lontani dal pieno sviluppo e dall’uso in prodotti commerciali.

In Italia, vari laboratori ed università studiano la tecnologia OLED nei suoi vari aspetti: materiali, dispositivi con nuove architetture, processi di fabbricazione innovativi, e metodi di trattamento a fine vita per recuperare materiali critici o preziosi.

In particolare, si sta ponendo molta attenzione a nuovi materiali bio-ispirati e biocompatibili, o persino biodegradabili, cioè materiali la cui struttura chimica derivi da o sia simile a materiali che si trovino in natura, cosicché possano essere poco o per nulla nocivi, e quindi essere inseriti in dispositivi utilizzabili in presenza di organismi viventi, senza che questi subiscano problemi, o che possano anche essere rilasciati nell’ambiente senza che provochino danni.

Sebbene ci sia ancora molto lavoro da fare affinché il know-how sulla tecnologia OLED si diffonda capillarmente, numerosi segnali suggeriscono un importante impatto commerciale di queste sorgenti nei prossimi anni [4]

 (Maria Grazia Maglione, Paolo Tassini –  ENEA Centro Ricerche Portici)

Bibliografia

1 A. T. Kearney, 2012. A. T. Kearney Human Centric Lighting market model.

2  “Dispositivi luminescenti OLED per applicazioni di illuminazione”, M. G. Maglione, S. Aprano, P. Tassini, V. Criscuolo, T. Prontera, A. Rubino, P. Manini, C. Minarini (2015), Energia Ambiente Innovazione – Speciale EAI-ENEA – DOI 10.12910/EAI2015-094.

3 wisesociety.it, intervista a Irene Rettori (Inverse Lighting Design) (2015).

4 OE-A, 2015. White Paper – Roadmap for Organic and Printed Electronics. 6th Ed., Frankfurt am Main (D). OE-A (Organic and Printed Electronics Association. E’ la principale associazione mondiale dedicata all’elettronica organica e stampata. Raggruppa oltre 230 membri, tra aziende, università ed istituti di ricerca, di tutto il mondo, che coprono l’intera catena del valore del settore, con l’obiettivo di svilupparne la competitività e diffonderne la conoscenza. ENEA è l’unico partner pubblico italiano di OE-A.

5 N. Thejo Kalyani et al, “Organic light emitting diodes: Energy saving lighting technology – A review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012), 2696-2723.

6 N. Kimura et al, “Development of Organic Light Emitting Diode (OLED) Driver for Automotive Components”, Oki Technical Review 2007/Issue 211 Vol.74 No.3.

7 Konika Minolta, 2014.

8 T. Hu et al, “Solid-state light-emitting electrochemical cells based on ionic iridium(III) Complexes”, J. Mater. Chem. 22 (2012), 4206-4215.

Dispersion (Blackbody, tecnologia LG Chem, design: Thierry Gaugain)

A Londra, nel settembre 2015, in occasione dell’evento speciale Designjunction, parte del London Design Festival, e LG Chem, hanno collaborato per la preparazione di una grande installazione di pannelli OLED chiamata

“Dispersion”, con concept del designer Thierry Gaugain: si è trattato dell’illuminazione per l’ingresso della sede storica del Central Saint Martins Art School.

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L’installazione con pannelli OLED “Dispersion”, per l’evento speciale Designjunction, al London Design Festival (cortesia: Blackbody)

Mescolando la tradizionale architettura delle aule britanniche con l’illuminazione contemporanea, Dispersion dimostra al grande pubblico l’eccezionale qualità della luce degli OLED, utilizzando 550 pannelli OLED quadrati da 100 x 100 mm prodotti da LG Chem nell’allestimento sviluppato da Blackbody.

OLED per la Seoul National University

In occasione dell’inaugurazione della nuova biblioteca centrale della Seoul National University (SNU), LG Chem ha fornito 1100 pannelli OLED per le luci da lettura della biblioteca. L’università ha scelto i pannelli OLED per il loro design sottile e moderno ed in quanto sono le uniche sorgenti luminose piane disponibili.

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Una delle lampade con pannello OLED utilizzate a Seou

I pannelli OLED utilizzati presso la biblioteca della SNU misurano 320 x 110 mm e presentano uno spessore di 0.88 mm, con un’efficacia luminosa di 60 lm/W e un tempo di vita di 40.000 ore.

Il loro flusso luminoso è facilmente regolabile tra 300 lx e 850 lx, grazie alla presenza di un dimmer dedicato.

La finestra illuminante come obiettivo per l’illuminazione a OLED

OSRAM già nel 2012 ha presentato OLED bianchi trasparenti con prestazioni notevoli (si trattava del sistema di illuminazione “Rollercoaster Luminaire”, costituito da 30 OLED in una disposizione ispirata al celebre nastro di Möebius).

Il sistema di illuminazione con OLED trasparenti "Rollercoaster Luminaire" (cortesia: Osram)
Il sistema di illuminazione con OLED trasparenti “Rollercoaster Luminaire” (cortesia: Osram)

Con una superficie di emissione di 116 cm², i dispositivi spenti presentavano un valore di trasmissione del 57%, con un’ottima omogeneità ed un’efficacia luminosa di 20 lm/W. Poiché il requisito di “trasparenza” per un OLED comprende assenza di appannamento e una visione chiara attraverso di esso, questo valore di efficienza luminosa rappresenta una prestazione molto buona.

Rispetto agli OLED ad alte prestazioni con più di 50 lm/W, gli OLED trasparenti non possono fare uso di metodi di estrazione della luce, come gli strati diffusivi, perché ciò renderebbe opachi i dispositivi.

Negli OLED trasparenti, entrambi gli elettrodi devono far passare la luce generata nel dispositivo. Poiché, però, gli elettrodi trasparenti sono meno conduttivi rispetto ai metalli, di solito utilizzati per il catodo degli OLED standard, risulta difficoltoso aumentare l’area di emissione, in quanto una minore conduzione elettrica degli elettrodi provoca forti variazioni della luminosità in dispositivi grandi: trasparenza ed uniformità sono quindi parametri in competizione per gli OLED ad alte prestazioni.

Così, la visione di una finestra illuminante è ancora oggetto di forte ricerca. Gli OLED trasparenti emettono luce in due direzioni principali – al fronte e sul retro.

In fase di fabbricazione, è possibile regolare l’intensità di emissione verso ciascuna direzione, in un rapporto che va da 50:50 a 80:20, utilizzando una differente conducibilità degli elettrodi, e quindi una diversa riflettività alla luce.

Si possono ipotizzare varie applicazioni di un’emissione asimmetrica: ad es. l’OLED potrebbe venir usato come una tenda di luce, per gli osservatori posti sul lato ad alta emissione, perché la luce prodotta non permetterebbe di veder gli oggetti posti al di là dell’OLED acceso.

(1) OLED trasparente spento posto davanti ad un oggetto in esposizione (2) OLED trasparente acceso, l'osservatore guarda il lato con debole illuminazione (3) OLED trasparente acceso, l'osservatore vede il lato a forte illuminazione che impedisce la visione dell'oggetto al di là (tenda di luce) (cortesia: Osram)
(1) OLED trasparente spento posto davanti ad un oggetto in esposizione (2) OLED trasparente acceso, l’osservatore guarda il lato con debole illuminazione (3) OLED trasparente acceso, l’osservatore vede il lato a forte illuminazione che impedisce la visione dell’oggetto al di là (tenda di luce) (cortesia: Osram)

Invece, gli osservatori posti dal lato di minore emissione, vedrebbero gli oggetti posti al di là dell’OLED illuminati dalla luce prodotta da questo.

Combinando  questi effetti con una regolazione dinamica dell’intensità, si potrebbero sviluppare nuovi tipi di presentazioni, ad esempio per le vetrine nel retail.

E come per gli OLED standard, anche per gli OLED trasparenti la zona di emissione può essere strutturata, ad esempio per una cornice di illuminazione.

Smart building. Pannelli fotovoltaici organici integrati negli edifici

Oltre agli OLED, l’elettronica organica studia e sviluppa vari altri dispositivi. Tra i più importanti, e più vicini al mercato, ci sono le celle solari fotovoltaiche organiche (OPV, organic photovoltaics).

Tra la fine del 2014 e i primi mesi del 2015, Heliatek  ha mostrato alcune importanti realizzazioni di sistemi OPV integrati in edifici (BIOPV, building-integrated OPV), che si inseriscono a pieno titolo nell’approccio “smart building”.

Pannelli OPV Heliatek integrati nella facciata della sede della Reckli (cortesia: Heliatek)
Pannelli OPV Heliatek integrati nella facciata della sede della Reckli (cortesia: Heliatek)

Ad ottobre 2014, è stato annunciato il più grande impianto BIOPV del mondo, che Heliatek ha installato sulla facciata dell’edificio della propria sede a Dresda.

I pannelli sono realizzati su substrati di vetro, e prodotti con i materiali sviluppati dall’azienda, che permettono migliore durevolezza e buona efficienza di conversione anche a bassa illuminazione e ad alte temperature.

L’impianto è progettato per generare 1 kWp/20 m2. Nel maggio dello scorso anno, Reckli, azienda di prima grandezza nella produzione di matrici in elastomero per la sagomatura e decorazione del cemento armato con Heliatek hanno presentato il primo muro solare di cemento in Europa, nella facciata della sede Reckli.

L’installazione è orientata verso sud-ovest, e la potenza è di 1 kWp, con un’area complessiva coperta dai pannelli di 16.8 x 3.5 m. L’energia prodotta sarà del 25% maggiore di quella di un analogo sistema realizzato con tecnologie convenzionali.

Questa soluzione delle facciate solari in cemento potrà essere la soluzione d’elezione per il futuro, considerando che circa 130 milioni di metri quadri di facciate in cemento sono realizzati ogni anno.

 

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