Illuminazione “smart” a base di diodi organici elettroluminescenti
Coniugato all’approccio smart building, è stato introdotto il concetto di smart lighting in cui la luce artificiale riesce a conferire un valore aggiunto allo spazio domestico diventando sempre più controllabile, mediante l’utilizzo di tecnologie e dispositivi elettronici avanzati, per il benessere e la salute delle persone. Ci sono diversi sistemi di illuminazione funzionali allo smart lighting. Prima fra tutti è l’utilizzo delle tecnologie LED, sia inorganici che organici.
Descrizione
I LED sono sorgenti di luce puntiforme, anche estremamente piccole, in grado di emettere luce ad efficienza elevata (basso consumo). In un contesto di risparmio energetico, l’efficienza dei LED è l’aspetto cruciale di questa tecnologia. In commercio è reperibile una vasta gamma di lampadine a LED, del tutto simili nella forma ai loro antenati ad incandescenza che illuminavano le nostre case fino al 2013 (cioè con una forma a bulbo montabili sulle basi della precedente tecnologia senza alcun intervento). Esistono poi LED di forme e caratteristiche più accattivanti, ma ci si scontra con la loro natura puntiforme e la limitata varietà cromatica (tipicamente cool e warm white). Una modulazione della temperatura di colore (CCT) in modo continuo prevede matrici o “fogli” di LED di colori diversi generalmente combinati a filtri diffusivi, per ottenere superficie emettenti estese omogenee.
Esiste una tecnologia per le sorgenti di luce a stato solido che permette di superare queste limitazioni ed offre notevoli ulteriori vantaggi nel mondo smart lighting. Si tratta della tecnologia OLED che si è ritagliata un grosso spazio nel mercato dei display, televisioni e soprattutto smartphone, con prestazioni all’avanguardia e costi equiparati alle tecnologie concorrenti. In ambito illuminotecnico però, l’OLED si pone come antagonista ai LED. Infatti le peculiarità della tecnologia OLED offrono una libertà di progettazione e versatilità di impieghi che non ha eguali. Gli OLED permettono una grande area di emissione con generazione di luce diffusa, efficienza, virtuale assenza di calore residuo, la realizzazione di dispositivi sottili e leggeri, con emissione di una vasta gamma di colori, flessibilità e possibilità di realizzare forme e geometrie qualsiasi con possibile emissione da entrambe le facce.
Dal punto di vista del design infine, gli OLED acquisiscono un ulteriore valore aggiunto perché permettono non solo di illuminare la materia, ma è la materia stessa che genera la luce così da pensare alla fonte luminosa non più come oggetto di arredamento, ma come elemento architettonico vero e proprio.
Nella configurazione più semplice, un OLED è realizzato interponendo uno strato sottile di materiale organico semiconduttore tra due elettrodi metallici, utilizzati per l’iniezione dei portatori di carica. Generalmente uno dei due elettrodi è costituito da ossido d’indio e stagno (ITO), che funge da iniettore di lacune (anodo). L’ITO è trasparente alla luce visibile e quindi può essere usato come finestra d’uscita per la radiazione luminosa. Il secondo elettrodo può anch’esso essere trasparente o riflettente e svolge la funzione di iniettore di elettroni (catodo). Lo strato attivo costituito dal semiconduttore organico, può essere singolo oppure essere una combinazione multistrato di materiali con funzionalità diverse per l’iniezione e trasporto di carica. L’OLED con struttura multistrato è in grado di raggiungere prestazioni più elevate, ma al momento viene fabbricato principalmente con costose tecniche di deposizione in vuoto.
Campo di applicazione
Quando l’illuminazione è il risultato di una progettazione accurata, la luce artificiale riesce a conferire un valore aggiunto allo spazio domestico amplificando le sue potenzialità , in termini di colori e forme, rendendolo pienamente funzionale all’attività da svolgere all’interno. Coniugato all’approccio smart building, è stato introdotto il concetto di smart lighting in cui la luce diventa sempre più controllabile, mediante l’utilizzo di tecnologie e dispositivi elettronici avanzati, per il benessere e la salute delle persone, con effetti positivi sul livello di attenzione e prestazioni cognitive, e sulla qualità del sonno. Ci sono diversi sistemi di illuminazione funzionali allo smart lighting. Prima fra tutti è l’utilizzo delle tecnologie LED (light-emitting diodes) sia inorganici che organici.
Per molto tempo, gli OLED hanno vissuto all’ombra della rivoluzione LED, ma oggi il mercato degli OLED è solo 100 volte più piccolo del settore LED. Il mercato degli OLED, secondo le ultime previsioni, dovrebbe raggiungere circa $ 1,5 miliardi entro il 2021 [Yole, report OLED for Lighting - Technology, Industry and Market Trends, Marzo 2016].
I ricavi di OLED sono principalmente guidati dall’applicazioni come schermi soprattutto negli smartphone. Ma l’industria OLED sta cercando di indirizzare le applicazioni di illuminazione, sulla base delle specifiche tecnologiche in termini di design, fattore di forma ed efficienza.
Purtroppo, il costo della tecnologia OLED fa si che vantaggi reclamati dalle societĂ di illuminazione OLED non sono necessariamente percepiti dai clienti.
Le aziende di illuminazione OLED stanno attualmente affrontando il problema dello sviluppo del volume di produzione necessario per ridurre il costo. La maggior parte dei pannelli di illuminazione OLED commerciali si basano ancora sul processo Sheet-to-Sheet (S2S) in cui piccole molecole organiche sono depositate su substrati di vetro rigidi mediante tecniche di evaporazione termica in alto vuoto. Gli approcci rivoluzionari, che promettono minori costi di produzione e una migliore libertà di progettazione dell’illuminazione OLED, sono già stati avviati e sono prossimi alla fase commerciale: recentemente, Konica Minolta ha aperto il suo stabilimento di produzione Roll-to-Roll (R2R) (2015), LG Display ha iniziato a commercializzare pannelli di illuminazione OLED flessibili (2015) e Sumitomo Chemical ha recentemente iniziato a fornire i suoi pannelli di illuminazione OLED stampati a base polimerica. Infine, LG Display ha iniziato a commercializzare OLED flessibili (2015).
L’ulteriore vantaggio dell’utilizzo di substrati flessibili consiste nell’utilizzo di processi R2R, materiali processabili per soluzioni e tecniche basate su soluzioni, ad es. slot-die o ink-jet e queste tecnologie possono comportare una riduzione dei costi di produzione OLED.
Prestazioni
I prodotti OLED attualmente reperibili in commercio sono realizzati su supporti rigidi o flessibili, fabbricati con processi in vuoto, mentre sono stati presentati soltanto prototipi di OLED depositati da soluzione. L’efficienza dei prodotti più competitivi si sono assestate intorno ai 100 lm/W, con luminanza di 5000 cd/m2e vita di 20.000 ore. Per prodotto economicamente più accessibili, si possono trovare pannelli OLED di dimensioni dai 10-20 cm2 con un flusso luminoso di circa 500 lumen e finalizzati ad illuminare ambienti di diverso genere
Bibliografia
1 Giovanella, U., Pasini, M., Botta, C. “Organic light-emitting diodes (OLEDs): working principles and device technology”, Applied Photochemistry: When Light Meets Molecules. Springer, 2016, pp. 145.
2 Yole, report OLED for Lighting - Technology, Industry and Market Trends, Marzo 2016
3 Cantatore, E. (2013). Applications of organic and printed electronics. A Technology-Enabled Revolution. New York: Springer Science+ Business Media, 180.
4 Doutreloigne, J., Monté, A., & Windels, J. (2013). Design of an integrated OLED driver for a modular large-area lighting system. In WSEAS International Conference on Circuits, Systems and Signals (CSS-2013) (pp. 172-176). WSEAS, World Scientific and Engineering Academy and Society.
5 COK, Ronald S. OLED area illumination lighting apparatus. U.S. Patent No 6,565,231, 2003.
6 Eritt, M., May, C., Leo, K., Toerker, M., & Radehaus, C. (2010). OLED manufacturing for large area lighting applications. Thin solid films, 518(11), 3042-3045.
7 Meerheim, R., Walzer, K., He, G., Pfeiffer, M., & Leo, K. (2006, April). Highly efficient organic light emitting diodes (OLED) for diplays and lighting. In Organic Optoelectronics and Photonics II (Vol. 6192, p. 61920P). International Society for Optics and Photonics.
8 So, F., Kido, J., & Burrows, P. (2008). Organic light-emitting devices for solid-state lighting. MRS bulletin, 33(7), 663-669.
9 Sasabe, H., & Kido, J. (2013). Development of high performance OLEDs for general lighting. Journal of Materials Chemistry C, 1(9), 1699-1707.
10 Montoya, F. G., Peña-GarcĂa, A., Juaidi, A., & Manzano-Agugliaro, F. (2017). Indoor lighting techniques: An overview of evolution and new trends for energy saving. Energy and buildings, 140, 50-60.
11 Casciani, D. (2017). Nuovi interni di luce. Un approccio parametrico al lighting design di superfici architettoniche luminose. MD JOURNAL, 3, 150-159.
12 KANG, Minsoo, et al. OLED lighting module. U.S. Patent No 9,638,400, 2017.