I LED illuminano il futuro

Un tripudio di luci assale un visitatore che entra nella hall di Color Kinetics al 17° piano di un edificio per uffici nel centro di Boston. I disegni a spirale sui poster cambiano dall'arancione al verde, le forme in plastica trasparente si illuminano di blu, viola e rosso in rapida successione. E presto sorge una domanda: di che colore è quel divano? Brilla rosso ciliegia, sfuma in cremisi, diventa azzurro baby, quindi ricomincia il ciclo.

In effetti, il divano è rosso. È sempre rosso e cambia solo la luce che brilla su di esso da dozzine di piccoli faretti, poiché Color Kinetics dimostra gli effetti possibili con le sue luci digitali. Ogni piccola lampada contiene diodi emettitori di luce (LED) rossi, verdi e blu, che si accendono in varie combinazioni sotto il controllo del computer. Stiamo rivoluzionando il settore dell'illuminazione con quella che consideriamo una tecnologia dirompente, afferma entusiasta il presidente dell'azienda George Mueller, alto e con la coda di cavallo e il pizzetto standard Gen-X. È un nuovo modo di creare luce.

Questa storia faceva parte del nostro numero di settembre 2000

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Mueller e il suo co-fondatore, Ihor Lys, hanno sposato il software per computer con un decennio di progressi nella tecnologia LED. I LED sono diventati onnipresenti nella vita quotidiana, risplendendo sui volti di videoregistratori, radiosveglie e forni a microonde. Ma questi LED sono stati indicatori luminosi umili su tutti i tipi di apparecchi elettronici. Una volta limitati in luminosità e bloccati all'estremità rossa dello spettro, i LED sono diventati più potenti negli ultimi dodici anni. E una svolta nei primi anni '90 ha creato i LED blu, rendendo improvvisamente disponibile l'intero arcobaleno e mantenendo la promessa dei LED a luce bianca, sia mescolando l'uscita di LED colorati o con tecniche più esotiche. Color Kinetics acquista LED da produttori di dispositivi come Agilent e Cree e li incorpora in lampade che emettono praticamente qualsiasi colore che cambia una parete bianca o un display del negozio dal verde pallido al rosa acceso per un capriccio.

I loro dispositivi, rivolti in questo momento principalmente ai mercati del retail e dell'intrattenimento, sfruttano alcune delle caratteristiche speciali dei LED: dimensioni ridotte, peso leggero, basso consumo energetico, selezione di colori pressoché infinita. Ma gli esperti di illuminazione dicono che questo è solo l'inizio. Davanti ci sono interi edifici che si illuminano, semafori che durano un decennio, fari che non esauriranno la batteria dell'auto se li lasci accesi e forse anche lampade economiche e di lunga durata che porteranno all'estinzione le lampadine a incandescenza e fluorescenti.

Far funzionare la luce

Thomas Edison è acclamato soprattutto per aver inventato la lampadina. Mentre le altre sue invenzioni - come il fonografo, il ciclostile e la macchina per il ticchettio - sono state sostituite negli ultimi decenni dalle tecnologie digitali, la lampadina continua a brillare. Ora, dopo 12 decenni, i progressi tecnologici stanno finalmente minacciando di detronizzarlo. Anticipando la transizione, i principali produttori di illuminazione stanno stringendo alleanze con i produttori di LED. General Electric Lighting ha unito le forze con il produttore di chip Emcore lo scorso anno per formare una divisione di illuminazione chiamata GELCore, con sede a Independence, Ohio. Philips Lighting e Agilent Technologies, uno spin-off di Hewlett-Packard, hanno creato LumiLeds a San Jose. E Osram Sylvania ha collaborato con il business dei semiconduttori della sua società madre, Siemens. Stai assistendo a un grande impulso da parte dei produttori di lampadine, che in un certo senso stanno divorando la propria attività, ma con il riconoscimento che se non lo fanno, lo farà qualcun altro, afferma Makarand Chipalkatti, responsabile marketing e tecnico per LED servizi leggeri a Osram Sylvania a Danvers, Mass.

Non tutti gli attori in questo campo, però, sono grandi aziende. Anche le startup stanno entrando in azione. Mueller e Lys di Color Kinetics si sono incontrati alla Carnegie Mellon University, dove Lys ha conseguito un dottorato in ingegneria elettrica e Mueller si è laureato in ingegneria informatica ed elettrica, con una specializzazione in belle arti. La loro prima avventura nell'illuminazione, nel 1992, fu quella di costruire un'insegna nuova come quella che Mueller aveva visto al Detroit Science Center. Una singola riga verticale di LED mostrava porzioni di un'immagine, una colonna alla volta. Il cervello umano, rispondendo come se l'occhio dello spettatore stesse scrutando un'immagine ininterrotta, ricomponeva l'immagine. Il primo segno fatto da Mueller diceva AMORE; lo diede a sua madre. Poi, per i coinquilini che hanno scommesso che non ce l'avrebbe fatta, ha costruito un cartello con la scritta BIRRA.

Abbiamo scritto un business plan intorno a questo perché stavo prendendo lezioni di business school, ricorda Mueller. Aveva tre obiettivi per l'azienda risultante, Stone Age Technologies. I primi due erano desideri tipici degli studenti: guadagnare un po' di soldi per la birra e ottenere un paio di omaggi (in questo caso, cartelli gratuiti). Il terzo obiettivo era essere sulla copertina della rivista In Pittsburgh, dice, frugando in un cesto di patatine firmate per trovare quelle arancioni. Il mio nuovo obiettivo è Rolling Stone.

Mi accontenterò del Wall Street Journal, inserisce Lys, la metà della coppia con i capelli più corti e meno cinetica. Il guru tecnico, Lys è un ingegnere che, come le sue controparti alle startup di computer, arriva al lavoro verso mezzogiorno e fa tardi.

Sebbene Lys e Mueller abbiano avuto l'idea dell'illuminazione digitale nel 1993, l'hanno messa da parte quando Mueller e suo fratello Gary sono partiti per fondare una società di ricerche economiche, Internet Securities, Inc. I fratelli hanno venduto l'80% della società con sede a Boston l'anno scorso per 43 milioni di dollari. Mueller disdegna l'industria tradizionale dell'ottone, del vetro e dell'illuminazione a gas. È noioso, dichiara. Non è coinvolta alcuna tecnologia.

Forse no, ma di certo sono coinvolti dei soldi. Gli Stati Uniti acquistano ogni anno lampadine a incandescenza, tubi fluorescenti e lampade alogene per un valore di 3,5 miliardi di dollari; a livello globale il mercato è di 11,5 miliardi di dollari. Secondo la società di ricerca Strategies Unlimited, finora il mercato dei LED luminosi a luce visibile è relativamente esiguo: circa 680 milioni di dollari. Ma i progressi nella tecnologia LED stanno spostando questi dispositivi in ​​un numero crescente di applicazioni e si prevede che il mercato crescerà fino a raggiungere 1,8 miliardi di dollari in cinque anni.

La risposta bianca

I primi LED sono stati costruiti nei primi anni '60. I minuscoli frammenti di materiale semiconduttore, racchiusi in una resina epossidica trasparente, emettono un unico colore di luce quando l'elettricità li attraversa. Gli elettroni caricati negativamente si muovono per riempire le regioni caricate positivamente nel materiale, chiamate lacune, dove mancano gli elettroni. La combinazione di un elettrone e di una lacuna produce un fotone di luce. Maggiore è la differenza di energia tra elettrone e lacuna - il cosiddetto bandgap - maggiore è l'energia del fotone che emerge. L'energia del fotone corrisponde a sua volta al colore della luce; all'interno dello spettro visibile, i fotoni blu e viola portano la maggior parte dell'energia, i fotoni arancioni e rossi la minima. Materiali diversi hanno naturalmente bande proibite diverse, quindi per cambiare il livello di energia e quindi il colore dei fotoni, gli ingegneri coltivano i semiconduttori cristallini con leghe diverse (vedi articolo correlato: Vengono in colori).

I LED monocromatici ad alta luminosità stanno già facendo progressi sul mercato. Circa il 10% dei semafori rossi negli Stati Uniti è stato sostituito da LED. Sono più costose delle lampadine convenzionali, ma hanno altri vantaggi che superano il problema dei costi. Uno è l'efficienza: un semaforo a LED rosso utilizza solo 15 watt di elettricità invece dei 150 watt consumati dai semafori tradizionali. Un altro è la longevità: si prevede che i LED bloccheranno il traffico senza bruciarsi per un intero decennio. La compattezza, la bassa potenza, i colori intensi e il basso calore dei LED monocolore li fanno anche apparire come luci posteriori delle auto, luci di avvertimento degli aerei sulle torri radio e luci delle piste negli aeroporti. Ma le menti dei ricercatori e gli occhi dell'industria dell'illuminazione sono concentrate sul bianco.

E questo crea una sfida: come si ottiene la luce bianca da dispositivi che sono, per natura, monocromatici? Un metodo prevede la miscelazione di LED di diversi colori in modo che appaiano bianchi. Proprio come un televisore riproduce tutti i colori che visualizza, compreso il bianco dei fosfori rossi, verdi e blu incandescenti, la giusta combinazione di LED può dare l'aspetto del bianco. Il modo standard per mescolare è con tre diodi rossi, verdi e blu separati, ma la giusta combinazione di soli due, diciamo blu e arancione, può anche produrre bianco.

La compressione fotonica

Qualunque sia il metodo scelto per produrre la luce bianca, i LED coinvolti devono emettere più luce e diventare più efficienti dal punto di vista energetico se vogliono sostituire le lampadine di Edison. I LED bianchi producono circa 10 lumen di illuminazione per watt di elettricità consumata, che è paragonabile alle prestazioni delle lampadine a incandescenza (un lumen è una misura di quanto intensamente l'occhio percepisce la luce). Circa il 10 percento dell'elettricità che consumano viene trasformato in luce, leggermente migliore rispetto alla cifra del 7-8 percento per le lampadine a incandescenza. Ma i LED sono ancora troppo costosi per sfidare il tuo GE Soft White medio. In vendita presso il discount locale, le lampadine a incandescenza da 100 watt costano circa un dollaro per un pacchetto di quattro e forniscono 1.500 lumen di illuminazione ciascuna. Non posso realizzare un LED che ti dia 1.500 lumen per 25 centesimi, afferma Roland Haitz, responsabile ricerca e sviluppo del gruppo di prodotti a semiconduttori di Agilent. Prevede che in pochi anni il suo gruppo sarà in grado di realizzare un LED da 1.500 lumen che potrebbe essere venduto a $ 150. Dubita che il proprietario di casa medio si precipiterà a comprare un prodotto del genere.

I LED realizzati con AlInGaP sono piuttosto efficienti nel trasformare l'elettricità in luce. Circa il 90% degli elettroni che entrano nel diodo genera fotoni. Sfortunatamente, questa lega di semiconduttori ha anche un alto indice di rifrazione (una misura di quanto un materiale piega i raggi luminosi). Invece di risplendere agli occhi di tutti, quindi, la maggior parte dei fotoni rimbalza all'interno del diodo e si trasforma in calore disperso; solo il 30 percento di esse emerge come luce visibile. Il GaN ha un indice di rifrazione più basso, quindi più luce fuoriesce dai LED realizzati con quel materiale. Tuttavia, solo il 30 percento dell'elettricità immessa in un dispositivo GaN viene convertito in luce, quindi l'efficienza finale è ancora solo del 10 percento circa. È molto luminoso per qualcosa come un semaforo, ma non per l'illuminazione generale.

Questo non è un problema insormontabile, afferma George Crawford, direttore tecnico di LumiLeds. I ricercatori hanno sperimentato nuove strutture dei diodi per far scappare più fotoni. I LED convenzionali sono costituiti da cristalli a forma di cubo. Ma disponendo gli strati del semiconduttore in modo diverso e tagliando i wafer per creare lati inclinati, LumiLeds ha creato una piramide invertita che si traduce in un percorso ottico più breve da attraversare per i fotoni. In laboratorio, LumiLeds è riuscita a ottenere metà dei fotoni da un LED a piramide rovesciata fatto di AlInGaP e sperano di avere tali LED in produzione commerciale quest'anno. Il cinquanta per cento è plausibile, ma difficile, dice Crawford, ma aggiunge: è difficile per me immaginare di fare molto meglio di così.

Ottenere metà dei fotoni da AlInGaP potrebbe essere sufficiente per competere con le luci fluorescenti, ma non da solo. I dispositivi realizzati con quel materiale forniscono solo la luce rossa e gialla. I fotoni blu complementari necessari per produrre luce bianca devono provenire dal nitruro di gallio, e lì la tecnologia è ancora allo stato embrionale. Non capiamo davvero i fondamenti di come costruire un cristallo migliore nel nitruro di gallio, afferma Steve Johnson, leader del gruppo di ricerca sull'illuminazione presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

I ricercatori stanno cercando un colpo di finanziamento del governo per aiutare la loro ricerca. Arpad Bergh, presidente dell'Optoelectronics Industry Development Association, vuole un grande sforzo di ricerca e sviluppo per portare i LED al punto in cui possono competere con le sorgenti luminose tradizionali. Il suo gruppo sta lavorando con Johnson a Lawrence Berkeley per sviluppare un piano di ricerca per LED a luce bianca più efficienti e intende chiedere al Congresso un programma di finanziamento quinquennale di 50 milioni di dollari l'anno che partirà già nel 2002. Nel frattempo, Haitz ha ha scritto un white paper con i Sandia National Laboratories chiedendo al governo di versare 500 milioni di dollari nella ricerca in 10 anni. Tale spesa è necessaria, sostiene Haitz, per sollevare l'illuminazione a LED oltre gli ostacoli che ora impediscono il progresso. Lasciato da solo, sostiene, l'industria dell'illuminazione farà avanzare i LED solo quanto basta per assorbire circa un decimo del mercato dell'illuminazione entro il 2025. Ma con l'aiuto del governo, afferma, i dispositivi potrebbero entro quell'anno rappresentare metà del mercato. Poiché l'illuminazione rappresenta circa il 20 percento dell'elettricità consumata negli Stati Uniti, il passaggio alla tecnologia LED più efficiente potrebbe consentire risparmi energetici significativi.

Un bagliore inquietante

Ma se i LED vogliono catturare una grande fetta del mercato dell'illuminazione, dovranno produrre luce con il tono giusto. Come sa chiunque abbia mai scattato una foto in interni con una pellicola per esterni, la luce incandescente ha una forte dominante gialla e i designer dicono che ha una sensazione calda. I LED al fosforo bianco, d'altra parte, emettono un bagliore distintamente bluastro. Se stai cercando di illuminare un oggetto rosso con un LED bianco che ha solo il blu e il giallo nello spettro, non otterrai un rosso dall'aspetto molto gradevole, avverte Kathryn Conway del Lighting Research Center del Rensselaer Polytechnic Institute . Questo può essere un problema con la pelle umana, ad esempio, che sembra innaturale sotto una luce che non si avvicina alla luce del giorno. Il rinomato lighting designer di New York Howard Brandston sottolinea: Non vuoi che qualcuno si svegli al mattino e si guardi allo specchio e dica: 'Egads! Potrei fare un provino per la famiglia Addams senza trucco.'

Ma la tecnologia continuerà sicuramente a migliorare, dal momento che il vantaggio è in gran parte perché con i LED, sarai in grado di ruotare un quadrante per ottenere l'illuminazione con la giusta sensazione per la situazione a portata di mano. Brett Andersen, senior designer di Focus Lighting, un'azienda di progettazione illuminotecnica con sede a New York, immagina un giorno in cui le persone saranno in grado di impostare il colore e la luminosità della luce nelle loro case in base ai loro stati d'animo. Questo tipo di controllo renderà il vecchio interruttore dimmer uno strumento primitivo per creare atmosfera. Oltre a ciò, i LED offrono nuove possibilità che sollevano domande più fondamentali su come le persone pensano all'illuminazione, afferma Chipalkatti di Osram Sylvania. Come sarebbero le cose se l'edificio stesso fosse un lampadario? lui chiede. Potresti illuminare il pavimento o il soffitto.

Negli uffici di Color Kinetics, lo scrittore di software Mike Blackwell si siede sul divano camaleontico e mostra il programma che ha sviluppato per i lighting designer per creare effetti con le luci dell'azienda. Imposta una fila di lampade per attraversare lo spettro, ripetendo il ciclo ogni 10 secondi. Quindi aggiunge un impulso bianco che si sposta lungo la riga una volta al secondo. L'effetto è stridente, che ricorda gli spettacoli di luci psichedelici degli anni '60. Suggerisce anche artefatti di un'altra epoca: quelle newsletter pubblicate sul desktop della metà degli anni '80, piene di caratteri contrastanti. Ma se i progettisti dell'illuminazione hanno ragione, gli utenti più sofisticati saranno in grado di creare effetti più sottili o ridipingere le pareti con la luce. E forse la lampadina a incandescenza si unirà a uno standard di illuminazione precedente, la candela, come accento caratteristico per le occasioni speciali, mentre i nostri giorni e le nostre notti sono illuminati dal bagliore di minuscole schegge.

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