Luce e elettronica organica

OLED. Stato dell’arte e applicazioni avanzate

 LivingSculpture. Il pannello Lumiblade OLED GL 350 presenta una dimensione dell’area illuminante di 103.8 x 103.8 mm, una tc di 3250 K con un indice di resa colore 90, un’efficienza luminosa di 16.7 lm/W e una luminanza di 4000 cd/m2 (courtesy: Philips Lumiblade)
LivingSculpture. Il pannello Lumiblade OLED GL 350 presenta una dimensione dell’area illuminante di 103.8 x 103.8 mm, una tc di 3250 K con un indice di resa colore 90, un’efficienza luminosa di 16.7 lm/W e una luminanza di 4000 cd/m2 (courtesy: Philips Lumiblade)

L’Elettronica Organica è un ramo dell’elettronica che utilizza i materiali organici, cioè basati sul carbonio, come semiconduttori, conduttori ed isolanti, oltre ad altre funzioni non meno importanti (substrati, incapsulanti, ecc.), per la realizzazione di dispositivi e di sistemi elettronici, generalmente su substrati di grande area

Negli ultimi decenni sono state effettuate importanti scoperte scientifiche relative ai dispositivi elettronici, grazie alla sinergia tra due rilevanti aree del settore dei materiali: quella dei semiconduttori e quella dei materiali organici, materiali ai quali nelle attività sviluppate si affiancano anche materiali inorganici, che vengono depositati con tecniche innovative (ad es. nanoparticelle metalliche disperse in inchiostri polimerici per la stampa di piste conduttive), o sono utilizzati per funzioni non convenzionali (ad es. film ultrasottili di ossidi inorganici impiegati per l’incapsulamento dei dispositivi).

Un po’ di storia…

Nel 1987, C. W. Tang e S. A. VanSlyke di Kodak ottengono emissione di luce in una giunzione di semiconduttori organici, applicando una tensione di pochi volt, realizzando così i primi dispositivi organici elettroluminescenti OLED (Organic Light Emitting Diode) che mostrano buona efficienza.

Le evoluzioni più avanzate di questa scoperta sono i display OLED, ormai ben noti e diffusi nel mercato, che competono sempre più con i display LCD in virtù della migliore qualità visiva, della maggiore semplicità di fabbricazione e dei minori consumi energetici, e le lampade OLED, che iniziano ad affacciarsi sul mercato, e che promettono grandi risparmi energetici e nuovi modi di intendere l’illuminazione degli spazi architettonici (figura 1 – 2).

Struttura base di OLED (cortesia dell’Autore)
Figura 1 – Struttura base di OLED (cortesia dell’Autore)
 Esempio di OLED verde realizzato su plastica nel C. R. ENEA Portici (cortesia dell’Autore)
Figura 2 – Esempio di OLED verde realizzato su plastica nel C. R. ENEA Portici (cortesia dell’Autore)

Nel 2000, il Premio Nobel per la Chimica viene assegnato a A. J. Heeger, H. Shirakawa e A. G. MacDiarmid per “la scoperta e lo sviluppo di polimeri conduttivi”.

La scoperta ha permesso di unire le possibilità tipiche dei semiconduttori come il silicio – costruire circuiti, sensori e dispositivi elettronici in generale – con la facilità di processo tipica dei polimeri, conseguita a temperature di lavorazione molto più basse rispetto a quelle dei semiconduttori inorganici1.

Da queste premesse hanno preso avvio le attività che ricadono sotto il nome di “Elettronica Organica e Flessibile a Grande Area” (FOLAE: Flexible Organic Large Area Electronics), in cui viene fatta rientrare anche l’“Elettronica Stampata” (Printed Electronics).

Cioè, si sono iniziati a studiare sempre più, e quindi a produrre, dispositivi elettronici che utilizzano materiali organici e polimerici quali elementi chiave per il loro funzionamento, come detto in funzione di semiconduttori, conduttori, isolanti, ecc..

Questi materiali, ed i dispositivi ed i sistemi con essi ottenibili, presentano grandissime potenzialità di applicazione, poiché si possono realizzare su substrati sottili e flessibili (polimeri, carta, lamine metalliche, tessuto), con consumi di energia ridotti, e fabbricabili tramite tecnologie a basso consumo e basso impatto ambientale (in generale, tecniche non in vuoto come, ad es., le tecniche di stampa).

Purtroppo, i dispositivi ed i sistemi basati su tali materiali presentano prestazioni generalmente inferiori e minore miniaturizzazione rispetto a quelli realizzati con materiali inorganici (silicio, arseniuro di gallio, ecc.). Ma, malgrado ciò, vengono proposti sempre più frequentemente dei prodotti dotati di nuove funzionalità che sfruttano le potenzialità appena ricordate.

Queste prospettive di applicazione hanno avviato in tutto il mondo moltissimi studi su intere famiglie di materiali (anche diversi dai semiconduttori ma altrettanto importanti per la fabbricazione dei dispositivi: conduttori, isolanti, incapsulanti, substrati, materiali sensibili, ecc.) e sulle tecnologie di deposizione diretta di tali materiali (spesso tramite tecniche “importate” da quelle utilizzate nel settore della grafica), che promettono di conseguire un notevole abbattimento dei prezzi del prodotto finale, in particolare per la realizzazione in linea “roll to roll” ad alta velocità.

A dimostrazione di questo fervore, si vuole ricordare che il valore del mercato mondiale dei prodotti dell’elettronica organica è stimato dell’ordine di 2.2 miliardi di dollari per il 2011, e si prevede supererà i 44 miliardi nel 2021 (fonte IdTechEx)2.

L’attività europea intorno agli OLED

All’interno di tale quadro generale, in Europa si sono costituite partnership industriali e di ricerca molto forti ed avanzate, che coprono tutta la “value chain” delle attività (sintesi e preparazione di ogni tipo di materiale, fabbricazione dei dispositivi e dei sistemi, sviluppo di processi e creazione di proprietà intellettuali, progettazione e realizzazione dei sistemi di processo e fabbricazione, ecc.), e sono state fondate associazioni (OE-A, OPERA) e lanciate piattaforme tecnologiche (Photonics21, EPoSS) per l’emissione di “agende di ricerca” ed elaborare le strategie UE nel settore, per indirizzare i flussi di investimento, per definire gli standard di prestazioni e di misura, per installare impianti dimostrativi e poter diffondere la conoscenza delle potenzialità di questa tecnologia nel grande pubblico, ecc., con l’obiettivo di rendere sempre più competitiva questa industria europea.

In Italia, sono presenti varie realtà di ricerca sull’Elettronica Organica, ma purtroppo non ancora delle affermate realtà industriali e produttive. L’ENEA è tra gli attori principali del settore, con laboratori dedicati allo studio di vari argomenti, con risultati all’avanguardia scientifica, e con attive collaborazioni con prestigiose istituzioni ed industrie piccole, medie e grandi in Italia ed all’estero.

Le applicazioni

Nella comunità tecnico-scientifica, gli OLED sono studiati prevalentemente come componente visiva (pannello frontale) in display piatti o flessibili e come sorgenti luminose a larga area per l’illuminazione. Affinché i dispositivi possano essere utilizzati vantaggiosamente in queste due applicazioni, si possono elencare una serie di proprietà e caratteristiche che essi devono presentare, che costituiscono una sorta di linee guida per la loro progettazione e realizzazione:

1. alta efficacia (quantità di luce emessa rispetto alla potenza elettrica utilizzata per produrla), e quindi basso consumo della sorgente luminosa;

2. alta intensità di emissione (quantità di luce emessa dalla sorgente);

3. lunga durata di vita;

4. bassi costi di realizzazione (basso costo dei materiali e degli impianti di fabbricazione);

5. facilità di realizzazione, cioè utilizzo di processi di fabbricazione semplici;

6. basso impatto ambientale dei materiali e delle tecnologie di fabbricazione, compresi i materiali di processo;

7. basso costo di gestione durante l’utilizzo;

8. utilizzabilità in vari contesti (indoor, outdoor);

9. facilità di regolare l’intensità di emissione durante l’utilizzo (dimming);

10. possibilità di realizzazione su differenti substrati, anche flessibili o curvi;

11. facile selezione del colore della luce emessa per l’applicazione desiderata;

12. facile adattamento delle forme e delle dimensioni all’applicazione desiderata;

13. possibilità di smaltimento o facilità di riciclo dei materiali costituenti a fine vita

I primi prodotti commerciali del OLED Lighting sono stati lanciati alla fine del 2009, quando OSRAM e Philips hanno presentato rispettivamente l’“Orbeos lighting panel” e il “Lumiblade”.

Questi dispositivi hanno caratteristiche non ancora concorrenziali con quelle di altre sorgenti luminose3, e costi di acquisto molto alti4, rappresentando più che altro dei dimostratori tecnologici.

Altre compagnie hanno più recentemente iniziato la vendita di lampade OLED: il sito OLED-Info.com elenca 25 società nel mondo attive nell’OLED Lighting, tra cui Blackbody, LG, Lumiotec, Konika Minolta, NEC Lighting, ecc., che hanno già a catalogo o stanno per presentare prodotti di questo tipo (figura 3 – 4).

Il progetto per la sede TÜV SÜD realizzato nel 2011 a Monaco di Baviera da Osram con un sistema di illuminazione definito con pannelli OLED “Orbeos”. Il pannello Orbeos CDW -031, largo 90 mm, presenta una tc di 2800 K con un indice di resa colore 75, una luminanza di 1000 cd/m2 e un’efficienza luminosa di 23 lm/W (cortesia: Osram)
Figura 3 – Il progetto per la sede TÜV SÜD realizzato nel 2011 a Monaco di Baviera da Osram con un sistema di illuminazione definito con pannelli OLED “Orbeos”. Il pannello Orbeos CDW -031, largo 90 mm, presenta una tc di 2800 K con un indice di resa colore 75, una luminanza di 1000 cd/m2 e un’efficenza luminosa di 23 lm/W (cortesia: Osram)
Anche in ambito lighting sarà presto disponibile la tecnologia per OLED flessibili che LG ha appena reso disponibile per i suoi smartphone ed i suoi TV (cortesia: LG – Citizen – Velco)
Figura 4 – Anche in ambito lighting sarà presto disponibile la tecnologia per OLED flessibili che LG ha appena reso disponibile per i suoi smartphone ed i suoi TV (cortesia: LG – Citizen – Velco)

Malgrado il fermento di tutte queste attività, gli aspetti da sviluppare ulteriormente e gli argomenti ancora aperti sono molto importanti, per far affermare gli OLED come sorgenti per l’illuminazione.

In particolare, OE-A (Organic Electronics Association, www.oe-a.org), l’organizzazione di riferimento mondiale per l’elettronica organica, ha individuato5 i seguenti obiettivi ed applicazioni per le prestazioni degli OLED a breve (2014), medio (2019) e lungo termine (2020 ed oltre) (vedi tab.I).

 Quadro previsionale di sviluppo della tecnologia relativa agli OLED per l’illuminazione (cortesia dell’Autore)
Tabella I – Quadro previsionale di sviluppo della tecnologia relativa agli OLED per l’illuminazione (cortesia dell’Autore)

Gli obiettivi sui quali si sta lavorando

Si vuole far notare come, nei prossimi anni, ad un incremento di 4 volte dell’efficacia e di 10 volte del tempo di vita e delle dimensioni, OE-A ponga l’obiettivo di una riduzione di oltre 100 volte del costo dei dispositivi.

Ulteriori fattori ritenuti importanti per migliorare le prestazioni dei dispositivi sono: la riduzione delle perdite elettriche dovute ai materiali degli elettrodi (principalmente ITO e PEDOT); l’efficienza quantica6; l’efficienza dell’estrazione luminosa; la stabilità del colore, rispetto a luminanza, temperatura di lavoro e tempo.

Ma i tre aspetti che più di altri vengono considerati fondamentali perché questa tecnologia si affermi sono:

  1. l’incapsulamento, cioè la loro protezione dall’ossigeno e dal vapor acqueo atmosferici per incrementarne il tempo di vita, poiché si avverte la necessità di nuovi materiali barriera più efficaci, che siano anche poco costosi, per ridurre i costi degli OLED e permetterne una veloce commercializzazione, in modo da ottenere rapidamente il ritorno economico degli investimenti effettuati finora su questa tecnologia;

  2. l’estrazione luminosa, cioè aumento dell’efficacia delle sorgenti, riuscendo ad impiegare quanta più luce possibile di quella generata all’interno del dispositivo, adottando metodi che impediscano che essa venga persa per riflessione totale interna alle interfacce tra i diversi materiali che compongono la struttura del dispositivo; questo fattore può incrementare notevolmente l’efficacia degli OLED, e dovrebbe essere integrato direttamente nella loro struttura, utilizzando appositi substrati, adatti anche a processi produttivi ad alta velocità;

  3. la fabbricazione, intendendo: (i) l’attuazione di alti volumi produttivi e l’efficienza di utilizzo dei materiali per la deposizione in vuoto, ed (ii) il miglioramento delle prestazioni degli OLED realizzati tramite tecniche di stampa con materiali in soluzione, per renderli confrontabili con i dispositivi realizzati per evaporazione di piccole molecole.

Le aziende prima elencate, e molte altre, sono tutte impegnate per portare sul mercato soluzioni di OLED lighting sempre migliori. Malgrado il loro costo sia ancora molto alto (tra i 1000 ed i 1500 US$/klm7), l’efficacia sia ancora limitata (Panasonic ha presentato nel 2012 un prodotto da 128 lm/W), il tempo di vita è ancora ridotto (circa 10.000 ore per i prodotti di OSRAM e Philips), e la produzione non sia ancora avviata in volumi, le aziende prevedono di superare molto presto tali attuali limitazioni e conseguire notevoli vantaggi commerciali e non solo.

Big Bang è una sospensione con moduli OLED realizzata da BlackBody (cortesia: BlackBody)
Big Bang è una sospensione con moduli OLED realizzata da BlackBody (cortesia: BlackBody)

Poiché l’illuminazione rappresenta il 20% del consumo totale di energia elettrica mondiale, per l’importanza sempre crescente di attuare un vero risparmio energetico e di proteggere l’ambiente, diventa fondamentale poter disporre di sorgenti luminose di vasto impiego che siano altamente efficienti ed eco-sostenibili, nella loro produzione, nell’esercizio e nel fine-vita.

Gli OLED costituiscono una delle risposte più innovative a queste istanze.

Rispetto ai LED inorganici, la loro caratteristica principale è quella di essere sorgenti estese, in cui la luce viene prodotta sull’intera superficie, di poter essere trasparenti quando spenti, di venire fabbricati su supporti anche curvi o flessibili, e di ottenere ottime rese di colore.

Tutto ciò permette di utilizzarli in contesti che sono complementari a quelli dei LED, e portare l’industria delle sorgenti luminose a nuovi paradigmi, dato che il pubblico potrà ripensare il modo di fruire la luce.

(dott.ssa Maria Grazia Maglione, ENEA C.R. Portici, Napoli)

1 Che i materiali organici potessero condurre corrente è un fatto noto dalla metà circa del XIX secolo (ref.: Advanced Information The Nobel Prize in      Chemistry, 2000: Conductive polymers, The Royal Swedish Academy of Sciences)

2 Per confronto, nel 2012, il mercato dei dispositivi elettronici in generale è stato dell’ordine di 1000 miliardi di US$ (GfK Group, CES 2012), mentre si prevede che il solo mercato dell’elettronica di consumo, nel 2014, raggiunga circa 290 miliardi di US$

3Ad es., presentano efficacia dell’ordine di 20 lm/W, contro valori che vanno da 40 lw/W fino ad oltre 100 lm/W per i LED e le lampade a fluorescenza

4 Superiori ad 1 euro/lm, rispetto ai pochi centesimi dei LED

5 White Paper “OE-A Roadmap for Organic and Printed Electronics”, 4th ed., dic. 2011

6 Rapporto tra il numero di fotoni generati ed il numero di coppie elettrone-lacuna che ricombinano all’interno del dispositivo

7 klm = kilolumen, corrispondente cioè all’incirca alla luce prodotta da una lampadina da 60 W

LASCIA UN COMMENTO

Please enter your comment!
Please enter your name here