OLED

Le applicazioni a luce bianca

Lampadari ad OLED della Blackbody (www.blackbody.fr, www.blackbody-oled.com)
Lampadari ad OLED della Blackbody (www.blackbody.fr, www.blackbody-oled.com)

I vantaggi potenziali degli OLED rispetto ai LED risiedono nella possibilità di venire fabbricati praticamente in ogni forma e su aree molto grandi (anche dell’ordine di alcuni metri quadri), applicando processi di produzione molto poco costosi. In questo articolo il punto sulla tecnologia per la luce bianca

I diodi emettitori di luce (LED) basati su materiali inorganici (arseniuro di gallio, nitruro di gallio, e loro leghe) sono ormai una tecnologia affermata, che produce dispositivi con un’emissione molto brillante ed una buona efficienza a costi ormai molto contenuti.

Tuttavia, le dimensioni intrinsecamente ridotte (puntiformi) di questi dispositivi, che rendono difficoltosa la dissipazione del calore generato, la forte direzionalità della luce prodotta, e la loro intensità, che può in qualche caso produrre abbagliamento, devono essere attentamente tenute in conto nella realizzazione di sorgenti dedicate all’illuminazione.

Per superare i “limiti” dei LED

Spesso, nelle lampade LED vengono montati numerosi singoli dispositivi, accoppiati ad uno o più strati diffusivi, i quali hanno la funzione di diffondere la radiazione emessa e renderla così più gradevole all’occhio umano. Una lampada così progettata introduce però delle perdite ottiche ed elettriche, che riducono la potenziale alta efficienza del singolo LED emettitore.

Per questo, fin dall’invenzione di LED realizzati con materiali organici, i cosiddetti OLED (Organic LED), che mostravano buona efficienza di conversione dell’energia elettrica in luce, si è ipotizzato di poterli utilizzare come sorgenti luminose in svariate applicazioni, ed in particolare nei display e per l’illuminazione.

OLED: quali reali vantaggi?

I vantaggi potenziali degli OLED rispetto ai LED risiedono nella possibilità di venire fabbricati praticamente in ogni forma e su aree molto grandi (anche dell’ordine di alcuni metri quadri), applicando processi di produzione molto poco costosi (processi di stampa su nastro continuo), utilizzando substrati sottilissimi anche in materiale plastico o su superfici curve, senza indurre abbagliamento, potendo generare luce di qualsiasi colore con buona efficienza di funzionamento.

Come detto, a seguire l’invenzione di OLED efficienti nel 1987 nei laboratori della KODAK, molti altri laboratori ed aziende si sono concentrati sullo sviluppo di questi dispositivi, pubblicando un gran numero di articoli scientifici e brevetti, e raggiungendo ad oggi risultati notevoli, con la commercializzazione anche di alcuni prodotti, tra cui alcuni primi esempi di lampade per interni.

Le architetture degli OLED che possono essere utilizzate per generare luce bianca sono varie, ciascuna con vantaggi e svantaggi, sia di fabbricazione sia di utilizzo ( in figura 1, le configurazioni (i) e (ii) sono solitamente utilizzate per i pixel dei display, mentre le altre per le sorgenti per illuminazione).

Configurazioni per OLED con emissione di luce bianca (S. Reineke, M. Thomschke, B. Lüssem, and K. Leo, Rev. Mod. Phys., vol. 85 (3), pp. 1245-1294, 2013)
Figura 1 – Configurazioni per OLED con emissione di luce bianca (S. Reineke, M. Thomschke, B. Lüssem, and K. Leo, Rev. Mod. Phys., vol. 85 (3), pp. 1245-1294, 2013)

L’obiettivo ultimo per gli OLED è comunque produrre luce bianca nelle varie tonalità (calda o fredda), di intensità facilmente variabile e grande stabilità temporale. Dispositivi con queste caratteristiche potrebbero essere adattati molto più semplicemente agli ambiti di utilizzo citati.

OLED: su cosa si sta lavorando/le difficoltà ancora da superare

Non mancano però ancora alcuni ostacoli tecnologici per raggiungere tali obiettivi. In particolare, al momento vengono attivamente studiati tre temi:

1) materiali che presentino contemporaneamente emissione blu profonda (lunghezze d’onda dell’ordine di 420 ÷ 430 nm) ed elevata stabilità;

2) singoli materiali emettitori nelle regioni RGB, necessarie ad ottenere complessivamente luce bianca, che abbiano tempi di vita ed efficienze comparabili tra loro;

3) materiali di protezione e di incapsulamento dei dispositivi con elevatissime proprietà barriera contro l’infiltrazione di vapor acqueo e di ossigeno, soprattutto se i dispositivi sono destinati all’utilizzo in esterno.

Esistono alcuni materiali con emissione blu profonda ma – durante il funzionamento dei dispositivi – essi degradano chimicamente molto rapidamente, producendo inoltre frammenti di molecole che risultano dannosi per gli altri materiali utilizzati.

Negli OLED realizzati attualmente, ogni colore RGB viene generato da materiali diversi, con intensità, efficienze e tempi di vita differenti tra loro. Ciò rende necessario un accurato bilanciamento dell’emissione reciproca dei diversi materiali al fine di ottenere il punto di colore bianco desiderato, sia esso “colourless” o “warm white” (secondo lo standard CIE 1931).

Per applicazioni di illuminazione, i dispositivi vengono molto sollecitati, dovendo produrre luminanze di 3000 cd/m2 ed oltre, causando un invecchiamento precoce dei materiali ed in particolare di quelli che emettono nel blu, effetto che provoca quindi un progressivo viraggio dell’emissione verso il rosso.

Il fattore forse più limitante per la vasta diffusione degli OLED nel mercato è dovuto al rapido degrado dei materiali che li compongono indotto dalla loro reazione chimica con il vapor acqueo e l’ossigeno atmosferici, che causa un decadimento irreversibile delle prestazioni dei dispositivi fino alla loro morte.

Da ciò, l’assoluta necessità di proteggere gli OLED, sigillandoli mediante un idoneo incapsulamento. Per far ciò, sono necessari materiali che impediscano il più possibile all’aria di arrivare in contatto con i dispositivi, presentando un effetto barriera ai gas.

Ciò è, inoltre, particolarmente stringente se si vogliono realizzare OLED su substrati plastici. La ricerca di una soluzione per questo problema è oggetto di un vasto lavoro in tutto il mondo.

Le proposte presenti sul mercato

Nonostante questi punti ancora da risolvere completamente, negli anni sono stati proposti vari esempi di prodotti basati sugli OLED, da parte sia di compagnie sia di designer.

Tali oggetti sono spesso pezzi unici o realizzati in piccoli numeri, preparati a dimostrazione delle capacità della tecnologia, e quindi ancora destinati ad un mercato di fascia alta, con prezzi di acquisto elevati (figura 2).

Esempi di lampade ed impianti di illuminazione ad OLED proposti da LG (www.lgoledlight.com
Figura 2 – Esempi di lampade ed impianti di illuminazione ad OLED proposti da LG (www.lgoledlight.com)
Figura 2bis
Figura 2bis

Nel settore dell’illuminazione, si vorrebbe sfruttare la possibilità di fabbricare OLED di grandi dimensioni per integrarli nelle finestre o nei soffitti, per generare un’illuminazione diffusa e di intensità variabile nell’arco della giornata, in modo da dare una sensazione di naturalezza alla luce artificiale.

Osram offre ad esempio una lampada OLED (OLED Reading Lamp, figura 3) montabile facilmente in qualunque posizione, particolarmente adatta per la lettura. Essa ha un costo appena inferiore ai 200,00 euro ed è garantita 5 anni. Una tale estensione temporale lascia pensare che soluzioni ragionevoli alle problematiche sopra citate siano state trovate.

Per l’ambito automotive, Osram ha realizzato con OLED Reading Lamp, una lampada portatile e fissabile con una clip, con tc 3300 K e una luce molto uniforme, e intensità luminosa regolabile (courtesy: Osram)
Figura 3 – Per l’ambito automotive, Osram ha realizzato con OLED Reading Lamp, una lampada portatile e fissabile con una clip, con tc 3300 K e una luce molto uniforme, e intensità luminosa regolabile (courtesy: Osram)

La produzione di OLED su supporto flessibile

Per incrementare il numero di prodotti fabbricati, numerosi centri di ricerca e aziende stanno sperimentando linee pilota che utilizzano substrati a nastro (processo roll-to-roll) per la produzione di OLED.

L’obiettivo è quello di ottenere dispositivi con buone prestazioni e con tempi di vita soddisfacenti per le richieste del mercato, riducendo i costi di produzione grazie ai grandissimi volumi di produzione ottenibili con questo tipo di processi.

Nel Marzo 2014, ad esempio, Konika Minolta ha annunciato il lancio della prima produzione pilota di OLED bianchi su larga scala e con tecniche roll-to-roll compatibili.

Con questa linea produttiva Konica Minolta si prefigge di produrre un milione di sorgenti OLED al mese, portando così ad una riduzione sostanziale dei prezzi al consumo.

Anche nel settore display, in particolare LG e Samsung hanno presentato nel tempo vari prototipi di televisori e display OLED, fino ai recenti TV OLED 55 pollici curvi (figura 4). Lo spessore di pochi millimetri dei pannelli di questi televisori è reso possibile dall’assenza di sistemi di retroilluminazione, quali lampade fluorescenti o LED, non necessari perché gli OLED sono essi stessi sorgenti luminose.

Un display OLED curvo della LG (courtesy: LG)
Figura 4 – Un display OLED curvo della LG (courtesy: LG)

In particolare, le prestazioni dichiarate da LG sono ottenute grazie all’utilizzo di 4 sub-pixel per ciascuno punto dell’immagine: insieme ai normali sub-pixel rosso, verde e blu (RGB: red, green, blue), è stato aggiunto un sub-pixel bianco, così da aumentare la gamma cromatica, e ridurre lo stress di funzionamento degli altri sub-pixel, dato che non è più necessario accendere i tre colori RGB per ottenere l’emissione bianca.

In conclusione, dunque, anche se c’è ancora ancora molto lavoro da fare per superare completamente le difficoltà di produzione e di funzionamento degli OLED affinché il loro mercato si diffonda globalmente, si possono già intravvedere vari segnali che suggeriscono che l’impatto commerciale di questi dispositivi sia imminente, e che – nei prossimi anni – gli OLED possano diventare, insieme ai LED, una delle principali sorgenti di illuminazione, contribuendo a ridurre il consumo di energia ed a migliorare la maniera di illuminare le nostre abitazioni ed i nostri luoghi di lavoro e di svago.

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

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