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La reinvenzione della luce

Light between fingers

I diodi organici a emissione di luce (Organic light-emitting diodes - OLED) creano un mondo in cui è possibile che la carta da parati e i vetri delle finestre illuminati diventino di notte una fonte di luce. Gli esperti sono convinti che nei prossimi anni questi promettenti fattori per il risparmio di energia potrebbero rivoluzionare il settore dell’illuminotecnica.

La porta, vecchia di secoli, è alta tre metri, scura e pesante e non fa filtrare neanche un po’ di luce. Ma dietro questa porta si sta creando il futuro dell’illuminazione. È qui che il Prof. Karl Leo ha il suo ufficio, presso il Politecnico di Dresda, in Germania. Insieme alla sua squadra, sta mettendo a punto un pannello di illuminazione molto particolare. Il professore, 53 anni, lavora presso l’Istituto di Fotofisica Applicata dell’Università. Dirige allo stesso tempo l’Istituto di Ricerca Fraunhofer per le Sostanze Organiche, i Materiali e i Dispositivi Elettronici (COMEDD) di Dresda ed è internazionalmente riconosciuto come un pioniere nel campo dei diodi organici a emissione di luce (OLED). Insieme al suo team, punta a realizzare il potenziale che hanno gli OLED di imitare quanto più da vicino possibile la luce naturale. “Gli OLED sono una meraviglia tecnologica che ci consente di ripensare completamente l’illuminazione artificiale,” afferma con entusiasmo Leo.

Le aspettative riposte negli OLED sono grandi; si prevede che diventeranno più efficienti di qualsiasi altra fonte luminosa esistente e che un giorno saranno in grado di convertire quasi il 100% della propria energia in luce. Queste ambizioni impegnative fanno sì che ci si aspetti molto sia da chi crea i materiali che da chi produce illuminotecnica. Con le lampadine elettriche, le lampade alogene e le lampadine a basso consumo di energia, una parte consistente dell’energia è convertita in calore anziché in emissione luminosa – la superficie di una lampadina elettrica da 100 watt, ad esempio, raggiunge una temperatura di oltre 200°C (392°F) quando è accesa. Per contro, gli OLED che si stanno mettendo a punto a Dresda restano a una temperatura intorno ai 30°C (86°F), e conservano perciò sempre una temperatura sicura e inferiore rispetto a quella corporea.

L’efficienza luminosa degli OLED commerciali è attualmente tra 45 e 60 lumen per watt. In laboratorio sono già stati raggiunti valori oltre i 90 lumen per watt. Per fare un raffronto: un tubo fluorescente standard raggiunge da 45 a 75 lumen per watt. Con 10.000 ore, anche la vita utile degli OLED è promettente, già in questa fase. Leo e la sua squadra stanno lavorando a un ulteriore miglioramento di tali valori. Prima che i maggiori produttori di illuminotecnica inseriscano gli OLED nella produzione su larga scala, devono raggiungere una durata di diverse decine di migliaia di ore e assicurare un’efficienza che sia più o meno il doppio rispetto a quella dei tubi fluorescenti esistenti.

Maggiore efficienza

L’efficienza luminosa indica la quantità di luce prodotta per watt di elettricità. Si misura in lumen per watt (lm/W).

Diagram of increasing efficacy of OLEDs
Fonte: Dipartimento dell’Energia USA: Potenziale di risparmio energetico delle tecnologie allo stato solido nelle applicazioni di illuminazione generale dal 2010 al 2030, Elektrizitätswerke des Kantons Zurich (EKZ).

Luce per il benessere

Non è solo grazie alla loro efficienza che gli OLED sono la fonte luminosa del futuro. “La loro luce è più piacevole, soffusa e clemente rispetto a qualsiasi altra fonte luminosa, ed è per questo che la chiamo ‘la luce del benessere’,” spiega Rogier van der Heide, capo progettista di Philips Lighting. Il segreto del loro fattore ‘benessere’ risiede nel modo in cui emanano luce. Diversamente da tutte le altre fonti luminose artificiali del passato e del presente, gli OLED non emettono luce da un punto: sono una fonte luminosa uniforme. “Con gli OLED è anche possibile regolare la temperatura di colore e adattare la luce all’ora del giorno,” spiega Leo. È così possibile avere una luce bianca calda per le prime ore del mattino e della sera e una luce bianca fredda per il giorno. “Si tratta di qualcosa che non credo si sia mai visto prima nel campo dell’illuminazione,” afferma.

C’è un’altra proprietà degli OLED che sta ispirando i progettisti dell’illuminazione. Sono costituiti da materiali organici dello spessore di un’ostia e nel prossimo futuro potrebbe essere possibile collocarli come una seconda pelle sulla carta da parati, sui soffitti o le finestre. Ciò consentirebbe di creare sul soffitto un’illusione perfetta di un cielo estivo, oppure di trasformare una parete in un prato primaverile virtuale. Una volta spenti gli OLED sono bianchi, a specchio o trasparenti e perciò potrebbero essere utilizzati per contribuire a creare superfici delle finestre che lasciano filtrare la luce solare durante il giorno, trasformandosi quindi in lampade da appartamento al buio. Le stanze del futuro potrebbero essere in grado di fare completamente a meno delle lampade così come le conosciamo.

Le molecole di carbonio creano luce

Gli OLED funzionano secondo gli stessi principi dei LED. Per entrambi i tipi, la luce è prodotta con l’impiego di semiconduttori. Si tratta di solidi che conducono elettricità in determinate condizioni. Quando l’elettricità passa attraverso i semiconduttori, essi cominciano a risplendere. La differenza tra LED e OLED è nella “o,” che sta per “organici.” Mentre i LED utilizzano minuscoli cristalli inorganici a base di nitruro di gallio, ad esempio, gli OLED sono costituiti da composti organici come i pigmenti che sono normalmente utilizzati per rivestire un materiale di base attraverso deposizione di vapore.

La struttura di un OLED è un po’ come quella di un sandwich. Gli strati di composti organici sono posizionati tra due elettrodi piatti, che sono all’incirca cento volte più sottili di un capello e invisibili a occhio nudo. Quando una corrente elettrica li attraversa, le molecole degli strati organici cominciano a risplendere. Se si combinano sostanze di colore rosso, verde e blu, si ottiene luce bianca. “Finora abbiamo utilizzato solo il vetro come base, ma nel medio periodo è probabile che saranno utilizzati materiali flessibili,” dichiara Leo. I semiconduttori organici devono essere ben protetti dal vapore e dall’aria e correttamente incapsulati. È ancora difficile ottenere tale risultato su materiali flessibili.

Diagram how OLEDs work

Le lucciole - Gli OLED della natura

Gli albori degli OLED risalgono al 1979, quando il chimico cino-americano Prof. Ching W. Tang scoprì un fenomeno nella materia organica che produceva un bagliore blu, mentre lavorava sulle celle solari presso il dipartimento di ricerca della Kodak negli Stati Uniti. Otto anni dopo, insieme al collega Steven Van Slyke presentò i primi diodi a emissione di luce costituiti da strati organici. Nel regno animale, il concetto è noto dalla notte dei tempi: le lucciole sono come gli OLED della natura. Il loro corpo contiene una sostanza naturale chiamata luciferina che reagisce con l’ossigeno grazie a un enzima. L’energia generata viene quasi interamente emessa come luce, ma mentre le molecole luminose nelle lucciole si disintegrano, negli OLED tornano al loro stato originario.

Aziende come BASF stanno lavorando per fare in modo che le molecole producano luce per un periodo più lungo e in maniera più efficiente di quanto non sia avvenuto finora. BASF ha un ruolo di leader nello sviluppo di sostanze luminose blu – la maggiore sfida che presentano questi materiali organici. Come spiega il Dott. Karl Hahn, “la luce azzurrognola ha molta più energia rispetto a quella verde e rossa. Ciò vuol dire che le molecole possono disintegrarsi e perdere il loro effetto.” Hahn è il responsabile della ricerca nel campo dell’elettronica organica presso BASF. I ricercatori di BASF sono arrivati alla prima svolta fondamentale nelle molecole a efficienza elevata qualche anno fa. Stanno oggi lavorando al prolungamento della durata e allo sviluppo di sistemi di illuminazione resistenti che noi chiamiamo diodi.

View from the bottom to BLACKBODY diodes
I diodi organici a emissione di luce (OLED) della società francese BLACKBODY sono allo stesso tempo eleganti e consentono di risparmiare energia (Foto: Chandeliers "I.RAIN").

Rinomate case produttrici di illuminotecnica hanno già cominciato a fare uso delle nuove tecnologie. Due delle maggiori società sono Osram e Philips. Qualche anno fa, Osram, che fa parte del Gruppo Siemens, ha lanciato sul mercato la prima scultura luminosa realizzata con OLED –  nota come Early Future. Da allora Osram ha ampliato questa attività e ha creato intere sale conferenze per i propri clienti con un’illuminazione che combina OLED e LED. Nel 2011 l’azienda ha aperto la sua prima linea di produzione pilota di OLED a Regensburg, per far sì che queste applicazioni siano disponibili su una scala più grande nel prossimo futuro. Oggi Osram sta svolgendo delle ricerche su come questi pannelli sensibili alla luce possono essere realizzati su scala industriale.

La società olandese Philips ha dato i natali al suo primo modulo di illuminazione OLED, Lumiblade, presentandolo nel 2010 come l’apparecchio per illuminazione OLED più grande del mondo: la parete è costituita da oltre 1.000 piccoli pannelli. Una telecamera registra ogni movimento nel suo raggio e lo traduce in impulsi elettrici che fanno illuminare i singoli pannelli. La luce naturale che trasmette benessere potrebbe anche essere applicata in futuro negli ospedali e negli ambulatori. Richieste stanno anche arrivando da musei interessati a una fonte di luce soffusa, senza emissione di raggi UV o intenso calore. Il Giappone è già un passo avanti: qui le prime sale esposizioni sono state già dotate di OLED.

5-10

Quante volte un OLED dura di più rispetto a una lampadina.

40.000

Numero di ore per cui dura un LED.

10.000

Numero di ore per cui dura un LED.

Inizio della produzione in serie

La nuova tecnologia sta ispirando in particolare i produttori asiatici. In Giappone, in seguito al disastro nucleare di Fukushima e alla chiusura temporanea della maggior parte delle centrali nucleari, quasi tutti stanno cercando di risparmiare elettricità, ogniqualvolta è possibile, secondo il Dott. Takuya Komoda, Direttore della Ricerca presso la divisione illuminazione organica di Panasonic. L’illuminazione costituisce il 16% del consumo totale di energia del Giappone. “Per ridurre il consumo di energia dovuto all’illuminazione, è urgentemente necessario introdurre apparecchi della nuova generazione. Gli OLED saranno una fonte di illuminazione molto importante in futuro, perché sono in grado di assicurare sia un elevato risparmio di energia che un’eccellente atmosfera data dalla luce,” afferma Komoda. Sebbene oggi come oggi le lampadine a basso consumo di energia siano più efficienti, ciò è destinato a cambiare. “Prevediamo di aumentare l’efficienza luminosa degli OLED fino a 100 lumen per watt entro il 2018.”

Nel 2011 la società giapponese Lumiotech, che è specializzata in OLED, ha dato nuovo impulso al mercato, lanciando degli economici pannelli luminosi sospesi e delle lampade da scrivania con OLED, rispettivamente a un prezzo unitario di $410 (€315) e $650 (€500). Konica Minolta, inoltre, sta partecipando alla rivoluzione del futuro nel campo dell’illuminazione con i suoi pannelli luminosi Symfos. La società ha anche fatto notizia con un tipo di testina di stampa per OLED. Al posto dell’inchiostro, questo dispositivo, il primo nel suo genere, applica materiali funzionali per l’elettronica ed è così in grado di ‘stampare’ luci organiche.

I governi adottano gli OLED

Anche i responsabili politici hanno riconosciuto il potenziale di queste luci miracolose a elevata efficienza energetica e da qualche anno promuovono il loro sviluppo. Negli Stati Uniti, il Dipartimento dell’Energia sostiene dal 2003 la ricerca, lo sviluppo e la produzione di fonti luminose efficienti, quali LED e OLED, con il suo “Solid State Lighting Program” (Programma per le Tecnologie di Illuminazione allo stato solido). L’obiettivo del governo è quello di ridurre il consumo di elettricità per scopi legati all’illuminazione.

Nell’Unione Europea (UE), l’obiettivo è quello di ottenere una riduzione del 20% nelle emissioni di gas serra entro il 2020. Per raggiungerlo, l’UE sta promuovendo la ricerca nel settore dell’energia, compreso l’utilizzo di OLED come tecnologia ecologica del futuro per il risparmio energetico.

Si stanno investendo svariati milioni di euro in progetti di ricerca europei, nell’ambito dei quali la comunità scientifica e l’industria stanno collaborando per mettere a punto OLED più efficienti. In Germania, il governo federale sta sostenendo la ricerca e lo sviluppo attraverso il suo programma OLED 2015. Insieme a partner commerciali, ha investito dal 2006 oltre un miliardo di dollari (800 milioni €). Questa iniziativa prevede joint venture per l’attuazione del programma, come il Kobalt Project, lanciato nella primavera del 2012, che coinvolge partner quali Philips e BASF e che si concentra sullo sviluppo di componenti OLED economici per applicazioni nel settore dell’illuminotecnica.

 

OLED nei display

Gli OLED sono già diffusi nell’industria dei display. La società coreana Samsung, ad esempio, sta già utilizzando pannelli luminosi piatti prodotti in serie nei suoi ultimi cellulari e tablet. Questa è un’opportunità per gli OLED per dimostrare ciò di cui sono veramente capaci. Emettendo luce propria, non richiedono l’illuminazione dello schermo – ciò consente di risparmiare elettricità. Si caricano velocemente immagini nitide e a contrasto elevato. Il design è anch’esso accattivante: i primi televisori OLED da 55 pollici presentati da Samsung e dal gruppo coreano dell’elettronica LG hanno uno spessore di pochi millimetri. Se si naviga sul web alla ricerca di informazioni sugli OLED, è possibile gettare uno sguardo sul futuro: le immagini mostrano i prototipi con display flessibili; tra gli esempi abbiamo e-book che possono essere ripiegati come fazzoletti e telefoni cellulari che si possono arrotolare.

Finger tipping a smartphone to open message
Questo display realizzato con diodi organici a emissione di luce (OLED) colpisce grazie al design completamente piatto e alla nitidezza dell’immagine.

“Le vendite annuali di display con OLED di piccole dimensioni ammontano già a circa 4 miliardi di dollari,” dice il Prof. Leo a Dresda. In pochi anni questo numero diventerà a due cifre. Se i costi calano e l’efficienza aumenta, gli esperti ritengono che nulla potrà ostacolare la rivoluzione OLED.

“I LED sono stati oggetto di ricerca più a lungo, da 40 anni, e hanno perciò oggi un margine competitivo. Ma nel momento in cui gli OLED raggiungono un’efficienza energetica paragonabile a quella dei LED, entrambe le soluzioni potranno avere la propria quota di mercato nel settore dell’illuminazione – proprio perché rappresentano alternative complementari,” afferma il Dott. Felix Christian Görth di BASF New Business. I pannelli luminosi organici perciò non monopolizzeranno interamente il mercato, nemmeno in futuro. Per determinate applicazioni, come ad esempio i fari delle automobili, sono ancora richieste le fonti luminose puntiformi.

I LED potrebbero essere perciò il futuro delle fonti luminose puntiformi e gli OLED il futuro delle luci piatte. Per Görth non è più in dubbio se la tecnologia OLED sarà un successo commerciale o meno. “Gli OLED, dopotutto, svolgono già dal 2011 un ruolo importante nei display dei telefoni cellulari,” sottolinea l’esperto di BASF. “L’unico aspetto ancora aperto al dibattito è che dimensioni avrà in ultima analisi il mercato,” aggiunge.

Il fatto che la grande svolta deve ancora arrivare per gli OLED è evidente dall’ufficio del Prof. Leo a Dresda. Ha ancora una lampada da lettura convenzionale sulla sua scrivania e la stanza è ancora illuminata da lampade fluorescenti tradizionali sul soffitto, eppure lui è convinto: “Non manca molto al momento in cui gli OLED saranno la norma in molti uffici come il mio.”

Laboratory with two persons dressed in blue

I ricercatori BASF stanno domando il blu

Light installation view from the bottom

Taking lighting to a new dimension

Soccket ball lamps

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Liters of light