Blu Nobel

n. 501

ledPremio Nobel per la Fisica agli studiosi Nakamura, Akasaki, Amano che hanno messo a punto il led a luce blu. A parte i buffi titoli dei giornali italiani dedicati a una fantomatica “luce ecologica”, avete notato che gli espositori al supermercato tolgono spazio alle lampade fluorescenti (che non mi sono MAI piaciute, la loro luce è troppo fredda, obitorio-style) per darne sempre di più a quelle a led? Costano un po’ di più ma i vantaggi non mancano. Per esempio le lampadine led non hanno bisogno dei vapori di mercurio per fare luce come invece accade nelle lampade a fluorescenza. La luce, infatti, sgorga grazie a piccoli ma preziosi incidenti di percorso (chiedo scusa per il disegno: non ho trovato elettroni e cariche postive con le faccine, le ho fatte io).

ledLED: che cos’è E’ l’acronimo di light emetting diode cioè diodo a emissione di luce. E allora che cos’è un diodo? E’ un piccolo pezzetto di metallo che ha le caratteristiche del semiconduttore. Il semiconduttore è un materiale in cui se la corrente fluisce in un senso, si comporta come un conduttore (l’elettricità scorre come un fiume al suo interno) se invece scorre nella direzione inversa, diventa un isolante (l’elettricità non riesce a muoversi, un po’ come un insetto intrappolato nella resina). Il semiconduttore si comporta così perché contiene delle impurità, cioè atomi che non fanno parte della sua struttura cristallina naturale. In termini tecnici si dice che il semiconduttore è stato drogato.

 

ledDoping cristallino La “droga” è costituita da cariche negative (portate da atomi che hanno un eccesso di elettroni) e cariche positive (atomi a cui mancano elettroni, che invece di essere chiamati ioni positivi sono chiamati “buche”). Il doping avviene durante la “coltivazione” del cristallo in laboratorio, strato atomico dopo strato atomico. Le cariche elettriche positive si incastonano da una parte del cristallo, le negative dall’altra in modo da ottener due zone distinte. La parte ricca di elettroni è la zona n, quella positiva ricca di buche è la zona p. Per esempio il silicio è il materiale semiconduttore per eccellenza: per drogarlo di elettroni si aggiunge un pizzico di fosforo o di arsenico mentre per aggiungergli le buche, lo si droga con atomi di boro.

 

ledAl confine Immaginate una torta in cui nella metà alta c’è la granella di nocciola e nella metà inferiore le scaglie di cioccolato. Nello strato centrale, scaglie e granella si incontrano e il cioccolato grazie al calore si fonde con i frammenti di noccioline. Ecco, nel diodo avviene una cosa simile: il led ha due zone, di tipo p e di tipo n e nella zona centrale, quando non passa corrente, si forma la zona di svuotamento o giunzione p-n . E’ una specie barriera che si forma perché le cariche positive e negative risentono dell’attrazione reciproca là dove sono a contatto e così si combinano (o gli elettroni “riempiono” le buche). La barriera dunque è fatta di atomi elettricamente neutri che impedisce altre ricombinazioni, come se fosse il famigerato muro di Berlino: frontiere chiuse, niente scambi!

ledAlla carica! Ma cosa succede se si applica una differenza di potenziale (voltaggio), cioè una forza elettromotrice capace di mettere in moto le cariche rimaste confinate nei territori p ed n? Accade che le cariche hanno la forza per attraversare il muro. Se colleghiamo una pila alle due estremità del diodo in modo da avere un passaggio di corrente, gli elettroni sentono l’attrazione del polo positivo e inizieranno a muoversi verso di esso, viceversa le buche si muoveranno verso il polo negativo. Durante questa migrazione di massa in direzioni opposte, è inevitabile che avvengano degli scontri: alcuni elettroni si legheranno agli atomi carichi “+”. Quando questo avviene, si liberano i fotoni. Scegliendo il materiale idoneo, si hanno fotoni con l’energia giusta per essere visibili ai nostri occhi, cioè si ha la luce*.

 

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Prima era il rosso Il led rosso è stato il primo a essere creato e commercializzato: era il 1962, fu sviluppato dall’americano Nick Holonyak ed era un diodo semiconduttore fatto da gallio-arsenico-fosforo. Nel 1971 arrivano gli altri colori: verde, giallo, arancio. Il più sfuggevole è stato il blu, arrivato trent’anni dopo quello rosso, grazie agli studi dei futuri premi Nobel. E’ una rivoluzione: con il blu disponibile, finalmente si può ottenere una bella, piacevole luce bianca. Però... come mai il blu è arrivato così tardi?

Sua maestà il blu Ottenere un diodo semiconduttore che emettesse luce blu era difficilissimo perché il semiconduttore necessario è il cristallo di nitruro di gallio ed è molto delicato: durante il drogaggio (aggiunta di atomi di silicio per aggiungere elettroni e di magnesio per le buche), il cristallo si rovinava e perdeva le sue proprietà ottiche. Allora quei geniacci da nobel di Nakamura-Akasaki-Amano dopo anni di studi hanno trovato il modo per drogare il cristallo senza rovinarlo. In parole povere: hanno combinato diversi strati nitruro di gallio insieme all’alluminio e all’indio, drogandolo con zinco, “cucinando” il tutto su uno strato di supporto fatto di zaffiro. Et voilà, signore e signori, la luce blu è servita!

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In pratica Bene, ma torniamo alla luce bianca. Si potrebbe ottenere mescolando i tre led rosso+blu+verde ma questo metodo è poco efficiente ed è riservato alle lampade che creano giochi di luce colorata. La luce bianca infatti si può fare anche in un altro modo, più economico ed efficiente. Si prende il ed a luce blu e lo si fa collaborare con i fosfori. Il led emette luce blu, quindi i fotoni “piovono” su uno strato di fosfori stesi sul semiconduttore oppure sul rivestimento interno della lampada. Così i fosfori assorbono la luce blu e riemettono una luce di energia inferiore che al nostro occhio appare gialla. Dato che non tutti i fotoni blu sono intercettati dai fosfori, al nostro occhio arriva un fascio di luce blu mescolata a luce gialla, che il nostro occhio percepisce come bianca.

 

ledBianca??? Questo fenomeno si chiama metamerismo ed è un fenomeno che si crea a causa della struttura dei nostri recettori detti coni che sono sensibili solo a tre colori (blu/verde/rosso) ma nel cervello “ricostruiamo” tutti gli altri. Un esempio di metamerismo può essere il colore di un tappeto, magari di un tenue azzurro-polvere, che cambia a seconda che sia sotto le luci al neon di un negozio o quella del sole che lo lambisce quando è steso nel salotto di casa: qual è la vera tinta del tappeto?

Alcuni colori sono più metamerici di altri, fra cui il grigio-blu, il lilla, il grigio-talpa, il cenere, il verde pallido. Il metamerismo è veramente fastidioso non solo nel campo della grafica editoriale ma anche nel make up: un rossetto può apparire très-chic in negozio ma diventare un omaggio a Dracula se indossato alla luce del Sole. il metamerismo è lo stesso fenomeno per cui il colore degli occhi cambia a seconda che sia bel tempo o nuvoloso (mi dispiace, non è magia dell'anima ma meraviglia della fisica!).

Parliamo di soldi Conviene abbandonare le fluorescenti per passare ai led? I led sono ancora un po’ cari: una lampada in media al supermercato l’ho vista a 10 euro. Però: La vita media di una lampadina a led è di 30.000 ore contro le 10.000 delle fluorescenti. Le lampade led non contengono mercurio, al contrario delle fluorescenti. Emettono una luce più simile a quella della vecchia lampadina a incandescenza, quindi meno fredda e più piacevole. Le lampade a fluorescenza convertono in luce il 20% dell’energia elettrica necessaria al loro funzionamento, il resto è sprecato in calore. I led per ora si attestano intorno al 25% (alcuni produttori “sparano” anche il 30%). La vecchia lampadina con il filamento in tungsteno trasformava solo il 5% di energia elettrica in luce. Il Dipartimento dell’energia americano ha calcolato che in 20 anni di uso di led, si potrebbero risparmiare 120 miliardi di dollari e ridurre l’emissione di gas serra di una quantità pari a 246 milioni di tonnellate cubiche.

Fonti

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/advanced-p...

http://www.photonstartechnology.com/learn/how_leds_produce_white_light

http://www.hadco.com/Hadco/Upload/Content/downloads/techPapers/Philips_H...

http://www.uwsp.edu/pointeronline/Pages/articles/Lighting-the-Way-to-Ene... http://physicscentral.com/explore/action/led.cfm

http://www.lightson.ca/comparing-light-bulb-efficiencies-or-the-money-yo...

http://www.globalgraphics.com/technology/color-management/metamerism/ http://www.colormatters.com/color-and-design/true-color-metamerism

*L’energia rilasciata dagli elettroni dopo essere “caduti nella buca” infatti può non essere visibile. Per esempio quando si tratta di silicio, i fotoni emessi sono ultravioletti, quindi invisibili ai nostri occhi.

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