L’impiego dei fosfori remoti nelle armature illuminanti a LED serie EVE-L

La quantità di risorse energetiche è diminuita, visto che una lampada a LED può arrivare anche a 100.000 ore rispetto alle 1.000 ore delle...

La quantità di risorse energetiche è diminuita, visto che una lampada a LED può arrivare anche a 100.000 ore rispetto alle 1.000 ore delle lampade ad incandescenza e alle 10.000 ore delle lampade fluorescenti e che le lampade LED consumano energia pari a circa il 15% delle lampade ad incandescenza di pari potenza equivalente (W). 

1. Come, quando e da chi è stato scoperto il LED?

Molti sono convinti che la tecnologia LED sia un'invenzione dell'ultimo decennio o ventennio ma non è cosi, infatti in questi giorni si festeggia la scoperta del Led avvenuta 50 anni fa, per la precisione nel 1962, anche se il premio Nobel 2014 non è stato attribuito al vero inventore Nick Holonyak.

Fu Henry Joseph Round, nel 1907, che lavorando presso i laboratori della Soc. Marconi Labs, notò l'emissione di luce da un diodo semiconduttore circa 100 anni fa?, oppure fu il genio russo Oleg Vladimirovich Losev, nel 1927, che credette di aver scoperto il LED?, oppure fu Nick Holonyak, nel 1962, chi sviluppò il primo spettro pratico visibile o, infine, fu Shuji Nakamura nel 1993, che scoperse il primo LED Blu?. 

Possiamo riassumere la storia del LED come segue:

  1. L'idea dell’esistenza dei LED ha avuto la sua scintilla dallo sperimentatore britannico Henry Joseph Round nel 1907. Collaboratore presso la Marconi Labs, scoprì il fenomeno della luminescenza quando l'elettricità fluisce nei semiconduttori di silicio germanio.
  2. Ha acquisito il suo significato e la vita dallo scienziato e inventore russo Oleg Vladimirovich Losev, nel 1927 il quale osservò che i diodi di cristallo utilizzati nei ricevitori radio emettevano luce quando venivano attraversati da un flusso di energia elettrica.
  3. Divenne visibile con l’ingegno dell’ingegnere e scienziato americano Dr. Nick Holonyak Jr., nel 1962. Sviluppò Il primo spettro pratico visibile (rosso) LED usando GaAsP (gallio Phosphide), ispirandosi al laser, definendo tale spettro come “il padre del diodo luminescente”. Sviluppò questa ricerca quando lavorava come consulente tecnico alla General Electric Company.
  4. Prese forma nella gamma del colore blu con gli studi dello scienziato Shuji Nakamura, nel 1993. Egli scoprì il primo LED blu ad alta luminosità utilizzando GaN (nitruro di gallio). Questa scoperta permetterà di produrre tutti i colori tra cui il bianco.

2. Lo stato dell’arte ai giorni nostri

I vincitori del Nobel per la fisica 2014 sono stati Isamu Akasaki, della Meijo University e Nagoya University, Hiroshi Amano, della Nagoya University, e Shuji Nakamura, della Università della California, Santa Barbara. I tre scienziati sono stati insigniti dell'onorificenza per "l'invenzione dei diodi efficienti a emissione di luce blu che hanno permesso la realizzazione di fonti luminose bianche brillanti e a risparmio di energia". 

Le lampade a LED bianchi emettono una luce bianca brillante, sono di lunga durata e a basso consumo. Inoltre, la loro efficienza energetica è costantemente in miglioramento, con un flusso luminoso (misurato in lumen) sempre più elevato per unità di potenza di ingresso (misurata in watt). Il record più recente è poco più di 300 lumen per watt. 

Dato che circa un quarto del consumo mondiale di energia elettrica è per l'illuminazione, i LED consentono, quindi, un notevole risparmio di risorse, creando molta aspettativa su quello che le lampade a LED potranno fare per rendere migliori le condizioni di vita di oltre 1,5 miliardi di persone che ancora non hanno accesso costante all’elettricità.

In conclusione, l’invenzione dei LED ha già contribuito ad illuminare in modo completamente nuovo, con benefici tangibili per tutti.

3. Il diodo ad emissione luminosa

Un diodo a emissione luminosa è formato da una serie di strati di differenti materiali semiconduttori, grazie ai quali l'energia elettrica viene convertita in fotoni, portando a notevoli guadagni di efficienza rispetto ad altre fonti di luce, nelle quali la maggior parte dell'energia elettrica viene convertita in calore e solo una piccola frazione in luce. 

Più specificamente, un LED è costituito da uno strato “di tipo n” in cui vi è un surplus di elettroni, carichi negativamente, uno strato “di tipo p”, in cui vi è invece un difetto di elettroni, e – interposto fra questi - uno strato intermedio detto “strato attivo”, quello in cui nasce la luce.

Quando al semiconduttore viene applicata una tensione elettrica, gli elettroni si spostano verso lo strato attivo, e così pure fanno le “lacune positive” rappresentate dai punti in cui, nello strato p, mancano degli elettroni. Quando elettroni e lacune si incontrano, si ricombinano con l'emissione di luce, la cui lunghezza d'onda dipende dal semiconduttore.

4. Comparazione fra le due tecnologie di impiego del Fosforo (Fonte Intematix)

Fosforo depositato localmente a contatto

Il calore generato dal fosforo transita attraverso la giunzione ed il package prima di raggiungere il dissipatore.

Esistono essenzialmente 3 metodologie di deposizione:

1. Dispersion: la tecnica in figura sotto (con le implementazioni Needle e Jetting)

2. Confomal Coating: (con le varianti Spraying, Screen Printing, Electrophoretic, Molding e Sedimentation)

3. Preform Coating: (Ceramic e Glass Ceramic).

Fosforo remoto*

Il calore generato dal fosforo è completamente disaccoppiato dai chip dei LED.

*Nota: il fattore di scala per discriminare il fosforo di prossimità, (quello depositato localmente da quello remoto) è costituito dal fatto che lo strato di fosforo sia posto ad una distanza dal chip pari ad almeno una delle dimensioni laterali del chip.

5. La tecnologia a fosforo remoto (Fonte Intematix)

Il termine “fosforo” viene utilizzato per indicare sia un materiale, sia una famiglia di materiali luminescenti capaci, in risposta all’assorbimento di un fotone di una certa lunghezza d’onda, di emettere un altro fotone ad una lunghezza d’onda differente. 

Il processo di illumino-conversione viene chiamato “down conversion” in quanto converte fotoni a lunghezza d’onda (λ) inferiori (di energia maggiore) in fotoni a lunghezza d’onda (λ) superiori (di energia minore).

Il processo che ha luogo entro i fosfori remoti ChromaLit della Intematix appartiene alla down conversion.

Fotone eccitante di λDom (450-460)nm

La combinazione di una porzione di luce blu, che deve quindi attraversare lo strato di fosforo, e dell’emissione dei fosfori ci appare sotto forma di luce “bianca”. 

Quindi i Fosfori determinano per il 95% la caratteristica luminosa della luce bianca.

6. I vantaggi dell’impiego della tecnica a Fosforo Remoto (Fonte Intematix)

  1. Con questa tecnica, il calore generato dal fosforo è completamente disaccoppiato dal cip dei LED e, quindi, non concorre ad elevare il riscaldamento dei LED.
  2. Produce una luce di qualità elevata ed un confort visivo impareggiabile (bassa luminanza).
  3. Si ottiene una superiore efficienza, proveniente dall’effetto combinato di aspetti termici (Tj inferiore del 20%) e di riciclo del 50% della luce generata dai fosfori reimmessa in circolo tramite la mixing chamber: fino al 30% in più (per una comparazione appropriata nel caso dei LED bianchi si deve tenere conto della presenza di un diffusore le cui perdite per trasmissività sono assunte dell’ordine del 10%).

7. Quanto calore viene generato dal Fosforo? (Fonte Intematix)

La quantità di calore dipende dal cosiddetto Stokes shift o Stokes loss (scoperto dal Fisico scozzese George G. Stokes) e può arrivare a valere circa il 20% dell’energia che riceve il fosforo.

Il punto di bianco dipenderà dal rapporto tra i fosfori impiegati e la lunghezza d’onda eccitante, quindi il calore generato varia dal caso migliore del bianco freddo a quello peggiore del bianco caldo.

8. L’impiego dei fosfori remoti nelle armature illuminanti Cortem Group serie EVE-...L

Considerando quanto in precedenza scritto, la nostra società ha adottato la tecnica del fosforo remoto che, come ampiamente descritto, è di gran lunga la miglior tecnologia oggi disponibile per ottenere una luce bianca di qualità.

Le armature illuminanti della serie EVE-L Cortem, sono state sviluppate per fornire un’ottima alternativa alle tradizionali lampade ad incandescenza e/o risparmio energetico, laddove sia necessario illuminare in modo puntiforme aree in zone a rischio di esplosione. 

Cortem ha pertanto optato per l’utilizzo di un diffusore a fosfori remoti, tipo ChromaLit Dome di forma circolare che, quando energizzato, converte la luce blu emessa dal LED in luce bianca, con una temperatura colore (K) selezionabile fra 2.700K e  5.000K e indice di resa cromatica (CRI) da 80 a 90.