LED a luce bianca, conversione al fosforo e miscela di colori.

Abbiamo visto nell’articolo Costi ed efficienza dei LED, l’evoluzione dal 2004 al 2020 quale efficienza hanno raggiunto i LED a luce bianca per illuminazione, vediamo ora con quali metodi si ottiene la luce bianca.

I LED sono dispositivi a semiconduttore che emettono luce con uno spettro a banda stretta nell’ultravioletto (UV), visibile (VIS) o infrarosso (IR). Per generare luce bianca per applicazioni di illuminazione generale bisogna mescolare diversi colori in maniera controllata e per farlo si usa uno di questi tre approcci: (a) conversione al fosforo, (b) miscela di colori discreti o (c) un approccio ibrido che combina la conversione al fosforo e la miscela di colori. La figura successiva mostra schematicamente questi tre approcci. 

Tecnologie utilizzate per la produzione di LED bianchi ad alta emissione. Fonte: DOE MYPP 2012

Fig.1. Tecnologie utilizzate per la produzione di LED bianchi ad alta emissione.
Fonte: DOE MYPP 2012

LED a conversione ai fosfori.

Attualmente la maggioranza dei LED utilizza la conversione al fosforo (phosfor-converted LEDs o pcLED). La luce bianca è generata mescolando una parte della luce blu emessa direttamente da un LED con substrato in Nitruro di Gallio (GaN) con la luce convertita al giallo emessa dai fosfori. I fosfori sono situati sulla superficie d’emissione del LED, all’interno dell’incapsulante, o lontano dal LED (fosfori remoti). Molti produttori sono riusciti a ridurre la temperatura di colore (CCT) ed aumentare l’indice di resa cromatica (CRI) mescolando i fosfori ad emissione gialla con fosfori ad emissione rossa. La Figura 2 mostra il confronto tra lo spettro della luce solare al suolo (corpo nero a 5800 K) e la luce di un pcLED a bianco freddo (5000 K) e bianco caldo (2700 K) mentre la Figura 3 mostra gli spettri delle principali lampade.

Fig.2 In rosso lo spettro di un pcLED bianco caldo (2700 K), in blu lo spettro di un pcLED bianco freddo (5000 K) ed in verde lo spettro della luce solare al suolo (ASTM E-490 AM0 Standard Spectra).

Fig.2 In rosso lo spettro di un pcLED bianco caldo (2700 K), in blu lo spettro di un pcLED bianco freddo (5000 K) ed in verde lo spettro della luce solare al suolo (ASTM E-490 AM0 Standard Spectra).

Fig.3 Spettro di varie lampade. Fonte: http://knikerboker.it e http://www.binelliservice.com

Fig.3 Spettro di varie lampade.
Fonte: http://knikerboker.it e http://www.binelliservice.com

Questa tecnologia non ha raggiunto lo sviluppo massimo. Vediamo nella tabella seguente il livello raggiunto e quello raggiungibile per vari aspetti, alcuni intrinseci del LED blu (efficienza elettrica, efficienza quantica interna [IQE], efficienza d’estrazione) ed altri riferiti ai fosfori (efficienza di conversione, efficienza di scattering/assorbimento).

 

Canali di perdita ed efficienza per un pcLED bianco caldo.

Canali di perdita ed efficienza per un pcLED bianco caldo.
Fonte DOE MYPP 2013

Note:
1. Efficienza riferita a 25 °C e 35 A/cm2.
2. L’analisi assume CCT di 3000 K e CRI di 85. Scelte differenti di CCT/CRI portano a risultati molto diversi.

LED a miscela di colori

Questi LED miscelano la luce proveniente da diversi chip a sorgente monocromatica con diverse lunghezze d’onda,rosso, verde, blu, ambra, creando luce bianca. Con questo approccio sono completamente eliminate le perdite d’efficienza dovute alla conversione dei fosfori, ma i LED verdi ed ambra hanno una scarsa qualità di conversione quantica interna.  Per questo motivo l’efficienza di questa tecnica è ancora inferiore a quella ai fosfori ma lascia spazio ad una grande evoluzione, maggiore di quest’ultima nei prossimi anni. Vediamo anche per questa tecnologia l’efficienza raggiunta e raggiungibile per i vari fattori.

Canali di perdita ed efficienza per un color mixed LED bianco caldo. Fonte: DOE MYPP 2013

Canali di perdita ed efficienza per un color mixed LED bianco caldo.
Fonte: DOE MYPP 2013

Note:
1. Efficienza riferita a 25 °C e 35 A/cm2.
2. L’analisi assume CCT di 3000 K e CRI di 85. Scelte differenti di CCT/CRI portano a risultati molto diversi.

LED a metodo ibrido.

Questo approccio è un mix dei due precedenti è gode dei benefici di entrambi. I LED a conversione di fosfori sono utilizzati assieme ai LED ad emissione diretta per ottenere alta efficienza ed incrementare la qualità del colore della luce. Questo approccio può essere utilizzato a livello di moduli LED e lampade o all’nterno di un singolo LED. Sono gia presenti sul mercato alcuni progetti di LED ibridi con ottime prestazioni ma si tratta ancora di una tecnica in fase di sviluppo.

Fonte: DOE MYPP 2012 e 2013
  • Marco

    Perché non si usano miscele di decine di fluorofori diversi di tipo “quantum dot” per ottenere uno spettro praticamente continuo (irc 99-100%) in una luce diffusa (tipo lampada smerigliata) ma pur sempre intensa? Che problemi danno i “quantum dot” rispetto ai fluorofori (o fosfori) tradizionali?

    Perché il led eccitatore dev’essere blu e non ultravioletto-a? Un residuo di ultravioletti-a nella luce fuoriuscente da una lampada a led, infatti, eccita le sostanze fluorescenti presenti nei vestiti e nelle sostanze naturali (di piante, di cibi, ecc.) determinandone un colore restituito più prossimo a quello sotto luce del sole.

    Il grafico che voi mostrate non è quello del corpo nero del sole ma del corpo nero d’una lampadina… C’è un errore.
    Il corpo nero del sole ha un dosso nel visibile, nel ciano-blu, ed è quello visibile nel grafico pubblicato alla fine della pagina all’indirizzo seguente (in francese): http://www.sc-astro.com/dossiers/naturelumiere3.htm , ove si mostra la composizione di parte della radiazione elettromagnetica solare supra-atmosferica e di quella al livello del mare (“au niveau de la mer”).

    • Elia

      Se può interessare, l’utilizzo di led violetti per la produzione di luce bianca attraverso i fosfori è adottata da una ditta americana, la Soora.
      Loro utilizzano un led a 410nm per l’eccitazione dei fosfori e vantano una resa cromatica imbattuta ad oggi.
      Qui un riferimento: http://www.soraa.com/technology/VP3-natural-white
      Anche altri produttori stanno un po’ alla volta portando il led blu da 470nm a 430nm.Come dice lei, molti oggetti che utiiziamo quotidianamente contengono delle sostanze che se colpite da radiazioni nel violetto emettono luce bianca, quindi la sensazione del colore cambia molto.

  • Dario Roncati

    Sono state fatte delle ricerche sull’utilizzo dei quantum dot per ottenere uno spettro più uniforme ma hanno dato risultati meno efficienti del fosforo standard. Qui può trovare uno studio dell’OSRAM: http://www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/cr_nanocrystal.asp
    Per quanto riguarda il tipo di LED utilizzato come substrato, quello blu è al momento il LED più efficiente, molto più dei LED-UV. Consideri che parliamo di LED ad alta potenza in cui la componente di flusso emesso è molto importante. Ad oggi è praticamente stata raggiunta l’efficienza massima con questa tecnologia e la ricerca punta a migliorare le altre caratteristiche come la gestione del calore e la qualità della luce emessa puntando ad aumentare il CRI.
    La linea rossa del grafico mostrato non è relativa allo spettro di corpo nero del sole (5800 K) ma di un corpo nero a 3000 K.

    • Marco

      Grazie davvero per le risposte sui quantum dots e sulla molto minore efficienza dei led di potenza uv-a rispetto a quelli di potenza blu, perché hanno entrambe colmato le mie domande. Con l’occasione rilevo come le ditte infingarde publicizzino l’assenza di uv come un pregio mentre non soltanto è allora un’imposizione tecnologico-commerciale (ricercata efficienza) per loro, ma in più è un difetto: gli uv-a fanno bene alla retina (in certa moderata misura) ed alla pelle, ed inoltre attivano le componenti fluorescenti di certe sostanze rivelandone il colore diurno reale (il giorno possedendo sempre uv-a), colore formato anche dalla luce riemessa in fluorescenza (piante, vestiti, cibi, ecc.).

      Riguardo al vostro grafico, invece, siete voi stessi ad aver scritto tre righe sopra di esso: “Di seguito è mostrato il confronto tra la luce naturale (corpo nero del sole) e la luce di un pcLED.” il che è già un errore (confermo mio post precedente) e v’invito a correggerlo. Quanto alla leggenda del grafico, peraltro mal approntata, essa induce a pensare che la dicitura: “(3000 K, 85 CRI)” si riferisca al primo e non al secondo soggetto: cioè si riferisca al led (curva nera). Infatti un corpo nero da 3.000° K (bisogna sempre aggiungere la “°” perché si parla di “gradi kelvin”) ha un irc (o cri) di 100, mai di 85 che è invece l’indice di resa cromatica secondo Cie di molti led. Se quindi i dati in parentesi si riferissero alla curva rossa scura e non alla nera (come sembrate sostenere), andranno anch’essi corretti nel modo seguente: “(3.000° K, 100 C.R.I.)”.

  • Dario Roncati

    Grazie per la segnalazione, abbiamo corretto la figura sbagliata nell’articolo.
    I gradi Kelvin si indicano con K, senza il simbolo ° che va invece utilizzato per i gradi Celsius, °C.
    Sul discorso degli ultravioletti che eccitano i pigmenti presenti su vestiti e cose naturali da lei citato ammetto di non esserne a conoscenza. E’ sicuro che più lo spettro di una sorgente luminosa si avvicina a quella del sole e più i colori delle cose illuminate appariranno “naturali”, questo effetto “naturale” è indicato dal CRI (Indice resa cromatica).