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. 

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.

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).

 

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.

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