I Materiali Elettroluminescenti

Un estratto del lavoro di ricerca finale del Corso di Nanotecnologie e materiali funzionali per il design – Politecnico di Milano.

Di Marta Lavagnini, Sara Nikkar, Carlotta Sada, Francesca Turati.

La ricerca ha lo scopo di approfondire la fenomenologia legata al mondo dell’elettroluminescenza (EL)  e delle sue molteplici applicazioni.

Per meglio comprendere l’elettroluminescenza (fenomeno fisico caratterizzato dall’emissione di radiazione elettromagnetica –luce- originata della ricombinazione di elettroni e lacune, emesse a seguito dell’applicazione di un campo elettrico) è stato necessario studiare l’atomo nella sua struttura tanto quanto nella sua composizione energetica.
L’approfondimento si è poi sviluppato nello studio di due dispositivi che vedono alla base del loro funzionamento l’elettroluminescenza: questi sono i LED (Light Emitting Diode) e gli OLED (Organic Light Emitting Diode).

La grande diffusione dei LED è dovuta, innanzitutto, alla sempre più grande necessità, da parte della società, di utilizzare fonti energetiche che massimizzino la propria efficienza energetica al fine di limitare l’utilizzo massiccio di fonti fossili; inoltre sia i LED che gli OLED, da poco commercialmente conosciuti, vengono percepiti dall’utenza ed utilizzati dai progettisti come componenti innovativi e ad alto impatto emotivo e per questo sempre più appetibili per il panorama internazionale.

Gli ambiti in cui i diodi a emissione luminosa sono stati e vengono tuttora utilizzati sono molteplici, procedendo dal più tradizionale campo illuminotecnico (con applicazioni nel design e nell’architettura), al campo tecnologico (ad oggi in continuo sviluppo e per questo fonte propulsiva di innovazione), passando poi alla medicina estetica, all’automotive, all’ utilizzo dell’EL per la misurazione della qualità dei dispositivi elettronici, sino ad arrivare alle più spettacolari applicazioni di light art e moda.

1.1 Il fenomeno dell’elettroluminescenza

La luminescenza è un fenomeno fisico che consiste nell’emissione di radiazione elettromagnetica (luce) da parte di un materiale, a seguito di sollecitazioni di diverso tipo.

In particolare l’elettroluminescenza (EL) consiste nell’emissione di luce da parte del materiale, a seguito dell’applicazione di un campo elettrico esterno; l’energia fornita al sistema viene così convertita in energia luminosa.

Tra i dispositivi che sfruttano l’elettroluminescenza troviamo i LED (Light Emitting Diode) e gli OLED (Organic Emitting Diode).

1.2 La scoperta dell’elettroluminescenza

Il primo rapporto sull’EL risale alla metà degli anni Venti ed è opera di O.V. Lossew, ingegnere russo di un laboratorio di radiotelegrafia di Novgorod, che ottenne emissione di luce applicando un campo elettrico ad un campione di SiC (carburo di Silicio).

Nonostante l’osservazione di tale fenomeno risalga ad oltre settant’anni fa, la sua importanza ebbe sviluppi solo quando fu possibile ottimizzare i dispositivi elettroluminescenti in modo che la radiazione luminosa emessa rientrasse nello spettro visibile, così da essere utilizzata per venire in contro ad esigenze di illuminazione.

La scoperta del fenomeno dell’elettroluminescenza nei semiconduttori organici (OLED) risale all’inizio degli anni cinquanta e si deve a Bernanose ed ai suoi collaboratori. Lo stesso fenomeno fu poi studiato nel 1963 da Pope su cristalli di Antracene.

Il prototipo realizzato da Pope richiedeva però voltaggi troppo elevati (200-1.000 V) per essere utilizzato commercialmente. Nel 1987 due ricercatori della Kodak, C.V. Tang e S.A. VanSlyke, ottennero un efficiente elettroluminescenza a basso voltaggio (<10 V) grazie a nuove tecnologie che permisero di preparare strati uniformi di composti organici aventi spessore di poche decine di nanometri. Questo fu possibile grazie a moderne tecniche di deposizione di film sottili ed uniformi ed all’introduzione di molecole con una miglior resa di emissione.

1.3 La diffusione dei dispositivi elettroluminescenti LED ed OLED

A partire dai primi anni del terzo millennio, la tecnologia LED ed OLED viene prodotta facilmente su larga scala grazie ad importanti aziende fabbricanti di materiali semiconduttori e di componentistica optoelettronica impegnate nello sviluppo e potenziamento del settore.

Le lampade elettroluminescenti sono state usate per la prima volta in ambito militare grazie alle loro qualità di flessibilità, resistenza meccanica, uniformità di luce, bassa dissipazione termica, spessori minimi e possibilità di essere realizzate in qualsiasi forma.

A riprova dell’enorme interesse verso questo campo di ricerca è il nobel per la chimica assegnato a H. Shirakawa, Alan J. Heeger e Alan G. MacDiarmid nel 2000 per ricerche in questo settore.

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