Il Nobel agli inventori del Led a luce blu.

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Si può chiamare felice chi, grazie alla ragione, non ha né desideri, né timori.

Seneca, De vita beata

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Il Nobel per la Fisica è stato assegnato a tre scienziati giapponesi (Isamu Akasaki e Hiroshi Amano della Nagoya University, e Shuji Nakamura dell’Università della California Santa Barbara). I tre fisici hanno inventato i Led (Light Emitting Diode) a luce blu. I Led a luce rossa e verde erano stati inventati da anni, ma quello a luce blu ha permesso di realizzare la luce bianca utilizzata per un'infinità di applicazioni. L'invenzione dei Led a luce blu, rileva la Fondazione Nobel, è stata premiata "nello spirito di Alfred Nobel", che mirava a riconoscere il valore delle scoperte in grado di dare importanti benefici per l'umanità.
L'invenzione dei Led blu risale all'inizio degli anni '90, quando Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura sono riusciti per la prima volta a generare un fascio di luce blu da materiali semiconduttori. Fino ad allora esistevano soltanto Led a luce rossa e verde, ma da questi dispositivi non era possibile produrre luce bianca. Per anni superare questo ostacolo è stata una vera scommessa per i fisici e la sfida prosegue costantemente per rendere i Led blu sempre più efficienti. Poichè un quarto del consumo di elettricità nel mondo si deve all'illuminazione, i Led permettono un risparmio notevole nei consumi e una maggiore efficienza. Basti pensare che la durata dei Led è di 100.000 ore, contro le mille delle lampade a incandescenza e del 10.000 ore di quelle a fluorescenza. E che l'attuale record di efficienza luminosa per i Led blu supera 300 lumen/Watt, pari a quella di 16 lampade tradizionali o di 70 lampade a fluorescenza. Grazie ai Led blu, infine, le persone che sul pianeta vivono senza reti elettriche (si stima che siano almeno un milione e mezzo) potrebbero avere reti a basso costo dal momento che per alimentare i Led bastano piccole quantità di energia, ad esempio prodotte dai pannelli solari.
"Sono stato sorpreso dalla notizia e, ovviamente, per me è un onore". E' stato il primo commento di Akasaki. "Sono riconoscente a quanti hanno permesso i miei studi", ha detto in una conferenza stampa, e ha ringraziato il Matsushita Research Institute e sua università; ha detto di aver ricevuto "da 2 o 3 giorni telefonate da parte di media e altre istituzioni internazionali. Ho pensato - ha aggiunto - che potesse essere la volta buona". Un consiglio ai giovani ricercatori: "Non rincorrete quello che è popolare e accattivante, ma cercate quello che veramente volete fare e come farlo".
"Sono molto onorato di ricevere il premio Nobel dall'Accademia reale svedese delle Scienze per l'invenzione dei Led", ha commentato Nakamura sul sito dell'Università della California a Santa Barbara, dove insegna. "E' molto gratificante - ha aggiunto - vedere che il sogno di illuminazione a Led sia diventato una realtà. Mi auguro che le lampadine Led a risparmio energetico possano contribuire a ridurre il consumo di energia e i costi di illuminazione in tutto il mondo".
STORIA DEL LED
In elettronica un diodo a emissione luminosa o Led è un dispositivo optoelettronico che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni attraverso il fenomeno dell'emissione spontanea indotta dalla ricombinazione di coppie elettrone-lacuna. Il primo Led è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr. I primi diodi a emissione luminosa erano disponibili solo nel colore rosso. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli optoisolatori. Successivamente ne vennero sviluppati alcuni che emettevano luce gialla e verde e vennero realizzati dispositivi che integravano due Led, generalmente uno rosso e uno verde, nello stesso contenitore permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo.
Negli anni novanta vennero realizzati Led con efficienza sempre più alta e in una gamma di colori sempre maggiore fino a quando con la realizzazione del Led a luce blu fu possibile realizzare dispositivi che, integrando tre diodi (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore, parallelamente, la quantità di luce emessa, competitiva con le comuni lampadine, portò a un impiego generalizzato in molti i campi.
I Led sono un particolare tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore (detto die). Gli elettroni e le lacune vengono iniettati in una zona di ricombinazione attraverso due regioni del diodo drogate in modo diverso, cioè di tipo n per gli elettroni e p per le lacune. Quando sono sottoposti ad una tensione atta a ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si combinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sotto forma di fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un notevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce ovvero fotoni ottici. Il colore o frequenza della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune e corrisponde tipicamente al valore della banda proibita del semiconduttore in questione. L'esatta scelta dei semiconduttori determina dunque la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita. I Led possono essere formati da GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio).
I Led se colpiti da radiazione luminosa nello spettro visibile, infrarosso o ultravioletto (dipendentemente dal Led utilizzato come ricevitore) producono elettricità esattamente come un modulo fotovoltaico. I Led di colore blu e infrarosso producono tensioni considerevoli. Questa particolarità rende possibile l'applicazione dei Led per sistemi di ricezione di impulsi luminosi. Intorno a questa proprietà sono stati sviluppati molti prodotti industriali come sensori di distanza, sensori di colore, sensori tattili e ricetrasmettitori. Nel campo dell'elettronica di consumo il sistema di comunicazione IrDA (Infrared Data Association) è un buon esempio proprio perché sfrutta appieno questa particolarità.
A seconda del materiale utilizzato, i Led producono i seguenti colori:
AlGaAs - rosso ed infrarosso
GaAlP - verde
GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo
GaN - verde e blu
GaP - rosso, giallo e verde
ZnSe - blu
InGaN - blu-verde, blu
InGaAlP - rosso-arancione, arancione, giallo e verde
SiC come substrato - blu
Diamante (C) - ultravioletto
Zaffiro (Al2O3) come substrato - blu.
La tensione in volt applicata alla giunzione dei Led dipende dalla banda proibita del materiale, la quale determina il colore della luce emessa, come riportato nella seguente tabella:
Colore infrarosso 1,3
Colore rosso 1,8
Colore giallo 1,9
Colore verde 2,0
Colore arancione 2,0
Flash blu/bianco 3,0
Colore Blu 3,5
Colore Ultravioletto 4 ÷ 4,5
I primi Led ad alta efficienza sono stati investigati dall'ingegnere Alberto Barbieri presso i laboratori dell'università di Cardiff (GB) nel 1995, caratterizzando le ottime proprietà per dispositivi in AlGaInP/GaAs con contatto trasparente di Indio e Stagno (ITO) e gettando così le basi per l'alta efficienza.
L'evoluzione dei materiali è stata quindi la chiave per ottenere sorgenti luminose che hanno tutte le caratteristiche per sostituire quasi tutte quelle ad oggi utilizzate.
Nei telefoni cellulari sono presenti nel formato più piccolo in commercio, per l'illuminazione dei tasti, su alcuni modelli di autovetture e ciclomotori di nuova produzione, sono presenti in sostituzione delle lampade a filamento, per le luci di "posizione" e "stop", sul mercato sono già presenti dispositivi sostitutivi diretti dei faretti e lampadine alogene, aventi identico standard dimensionale, per l'illuminazione stradale sono disponibili lampioni analoghi ai tradizionali; la quantità di luce al fabbisogno per ogni applicazione, viene realizzata con il posizionamento nel dispositivo di matrici di die in numero vario, per esempio un dispositivo da 100 watt è realizzato disponendo 100 die da 1 watt in una matrice quadrata 10 X 10, la potenza massima raggiunta attualmente in un singolo dispositivo è dell'ordine di un kilowatt.
L'incremento di efficienza è in continuo aumento, è del 13 febbraio 2013 l'annuncio del produttore Cree, il raggiungimento in luce bianca di 276 lumen per watt con il dispositivo Xlamp, alimentato con 350 mA e a una temperatura di colore di 4401 K. Un netto miglioramento, quasi una svolta sul piano dell'affidabilità, era già stato introdotto con il dispositivo MT-G, immesso sul mercato il 22 febbraio 2011 come diretto sostituto del faretto alogeno standard MR16, per la prima volta, la caratterizzazione dei parametri di questo Led viene effettuata alla temperatura di 85 °C rispetto ai canonici 25 °C.
Applicazioni del Led.
telecomandi a infrarossi;
indicatori di stato (lampadine spia);
retroilluminazione di display LCD;
semafori stradali;
dispositivi luminosi obbligatori di autovetture e motocicli;
lampeggianti dei veicoli d'emergenza di ultima generazione (ambulanze, carabinieri, polizia, ecc.);
cartelloni a messaggio variabile;
illuminazione;
comunicazioni ottiche di breve distanza in sostituzione del più costoso laser;
segnalazione degli ostacoli al volo.
I vantaggi dei Led dal punto di vista illuminotecnico sono:
durata di funzionamento (i Led ad alta emissione arrivano a circa 10-50.000 ore);
costi di manutenzione-sostituzione ridotti;
elevato rendimento (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene);
luce pulita perché priva di componenti IR e UV;
facilità di realizzazione di ottiche efficienti di plastica;
flessibilità di installazione del punto luce;
possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme);
funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i 3 e i 24 Vdc);
accensione a freddo (fino a -40 °C) senza problemi;
insensibilità a umidità e vibrazioni;
assenza di mercurio;
durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti;
possibilità di creare apparecchi illuminanti di nuova foggia per via dell'impatto dimensionale ridotto.

Led rossso, verde, blu.

Eugenio Caruso
8 ottobre 2014

Tratto da