Nel 2007 il mercato relativo ai Led ha raggiunto i 4,97 miliardi di dollari, con un Total Available Market per l'Europa di 1,05 miliardi di dollari. Diversi sono i segmenti applicativi emergenti della tecnologia Led: la retroilluminazione dei terminali portatili, la segnaletica (ad esempio semafori e illuminazione stradale), i pannelli pubblicitari, le apparecchiature d'ufficio, le soluzioni automotive e l'illuminazione allo stato solido. Quest'ultima applicazione riguarda un mercato di dimensioni ancora molto contenute, che ha totalizzato appena 440 milioni di dollari nel 2007, ma che, secondo gli analisti, sarà caratterizzato da un tasso medio di crescita a due cifre, pari al 29,1%, entro il 2010. Il mercato totale disponibile in Europa è di 150 milioni di dollari. L'illuminazione allo stato solido rappresenta ancora un mercato di nicchia, ma molto strategico, soprattutto alla luce del suo minore impatto sull'ambiente rispetto alle tecnologie tradizionali. Il potenziale é enorme, dal momento che l'illuminazione costituisce da sola oltre il 20% del consumo complessivo di energia elettrica. Basti pensare che l'efficienza di conversione dell'energia elettrica in luce delle lampadine a incandescenza è di appena il 5%; l'energia restante viene convertita in calore, e quindi sprecata, comportando, specialmente in un Paese come il nostro fortemente dipendente dalle fonti di energia fossili, maggiori emissioni di gas serra.
Nonostante i prezzi ancora elevati, i Led stanno già facendo ingresso nel mercato dell'illuminazione. Circa 10 milioni di nuove lampade Led sostituiscono ogni anno le lampade a incandescenza. Il potenziale per questa tecnologia è enorme, anche per applicazioni meno ovvie ma in realtà pervasive, come l'illuminazione stradale.
Il ruolo delle normative
Un altro importante incentivo per questo mercato emergente arriva dalle normative internazionali, sempre più rigide in materia ambientale. Alla fine del 2006 il Congresso degli Stati Uniti ha emanato un provvedimento che metterà al bando le lampade a incandescenza a partire dal 2012, rendendo le lampade Ccfl (Cold Cathod Fluorescent Lamp) e i Led le uniche opzioni possibili per l'illuminazione domestica e degli edifici commerciali e industriali. Il provvedimento riguarda per ora solo le abitazioni di nuova costruzione; tuttavia, si tratta di un buon inizio.
Anche il Portogallo e l'Australia prevedono disposizioni simili entro il 2011. Nel Regno Unito, nel 2006, è stata emanata una legge sul risparmio energetico negli edifici, che fissa valori sia sull'efficienza, sia sull'emissione luminosa, pari a 45 lumen/Watt per le applicazioni commerciali e 40 lm/W per usi domestici, imponendo di fatto il passaggio verso le tecnologie emergenti per l'illuminazione, dato che le tradizionali lampadine raggiungono un'efficienza massima di appena 15 lumen per Watt.
Negli Stati Uniti è stato costituito, nel 2002, l'Assist (Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies), un consorzio finalizzato a promuovere l'uso di soluzioni di illuminazione allo stato solido più efficienti che conta fra i propri membri enti accademici e aziende, fra cui Cree, Liteon, Ge Lumination, Osram e Philips Lumileds. L'Unione Europea ha avviato, nel corso del 2007, uno studio che potrebbe portare alla messa al bando dei bulbi a incandescenza entro il 2009. Le tradizionali lampadine saranno sostituite dalle lampade a fluorescenza o dai Led. L'iniziativa rientra nell'ambito della cosiddetta direttiva Ecodesign, che ha il fine di migliorare l'efficienza energetica nell'illuminazione di strade ed edifici e in tutti gli apparecchi che consumano energia, in particolare computer e lavatrici. Il risparmio potenziale in emissioni di CO2 conseguente al provvedimento sarebbe di 180 milioni di tonnellate all'anno, l'equivalente di un quarto dell'obiettivo di riduzione del 20% delle emissioni fissato entro il 2020. Di questi, 15 milioni di tonnellate di CO2 potrebbero essere evitate semplicemente sostituendo le tradizionali lampadine all'interno delle abitazioni. Le lampade fluorescenti utilizzano infatti solo il 20% dell'energia delle lampadine, e durano di più. I Led consumano ancora meno, e garantiscono una vita utile di 10 anni.
I ricercatori ritengono che le efficienze attuali delle tecnologie emergenti di illuminazione potrebbero essere triplicate.
Secondo la società di analisi Darnell, le tecnologie Led per l'illuminazione allo stato solido godranno nel breve termine di una buona accettazione da parte del mercato. La progressiva sostituzione delle lampade fluorescenti a catodo freddo con i Led nei sistemi di retroilluminazione dei display dei laptop ne è un indicatore evidente. Il forte sviluppo di numerose applicazioni dei Led, fra cui l'e-signage e l'automotive, sta determinando una diminuzione più rapida del previsto dei costi dei Led, rendendo quindi la tecnologia ancora più vantaggiosa per l'illuminazione allo stato solido. Il dipartimento statunitense per l'energia ha inoltre previsto un decollo significativo dei Led nell'illuminazione nei prossimi 5 anni, mentre l'adozione in massa dovrebbe avvenire nel giro di 20 anni.
I vantaggi della tecnologia Led
I vantaggi potenziali legati all'uso dei Led in sostituzione delle lampade a incandescenza sono enormi. I Led sono più piccoli, più durevoli, più efficienti e in più consentono di realizzare nuove soluzioni di illuminazione con prestazioni migliori o rendono possibili nuove forme di illuminazione, ad esempio con cambiamento di colori o per illuminare monumenti ed edifici storici, finora non fattibili o non economicamente convenienti. Una sorgente di luce in tecnologia Led è inoltre più luminosa rispetto ai bulbi a incandescenza. I produttori di Led ad alta luminosità stanno compiendo intensi sforzi per ridurre il prezzo dei dispositivi per renderli vantaggiosi per l'illuminazione di ambienti, migliorandone l'emissione luminosa e l'efficienza, ossia i lumen per watt per dollaro. Rispetto alla principale tecnologia alternativa ai bulbi a incandescenza che fa concorrenza ai Led, ossia alle lampade fluorescenti a catodo freddo, i Led sono più luminosi e consumano meno potenza. I Led nel bianco attualmente in produzione emettono anche 99 lm/W e in laboratorio raggiungono 120 lm/W e oltre. Per contro, le lampade a fluorescenza forniscono circa 70 lm/W, per circa 10.000 ore di vita utile. Le lampade Ccfl presentano tempi di vita largamente variabili; la luce che producono è in uno spettro limitato e in più contengono una quantità piccola ma non trascurabile di mercurio.
Con la direttiva RoHs l'Unione Europea ha proibito l'uso di mercurio all'intero dei sistemi elettronici, ma non ha ancora toccato direttamente le soluzioni di illuminazione, come pure i sistemi di retroilluminazione dei display a cristalli liquidi. Al momento queste applicazioni rientrano infatti nelle numerose eccezioni della direttiva. Nel frattempo, i produttori hanno però compiuto sforzi significativi per ridurre la presenza di mercurio all'interno delle lampade Ccfl, e stanno sviluppando lampade a fluorescenza prive di mercurio, anche se questo crea delle criticità non ancora risolte. D'altro canto però, i sistemi basati sulla tecnologia Ccfl, usata comunemente per la retroilluminazione dei display Lcd, sono in commercio dalla metà degli anni '80, e da allora sono stati compiuti progressi notevoli in termini di efficienza e durata di questi prodotti. I Led, al contrario, non hanno ancora raggiunto un livello confrontabile di maturità, anche se le loro prestazioni stanno migliorando rapidamente. Inoltre, le specifiche dei Led, in termini di luminosità, efficienza e durata, variano significativamente da un produttore all'altro. Il tempo di vita è invece confrontabile se non superiore rispetto a quello delle Ccfl, che varia fra le 8.000 e le 100.000 ore, anche se questo dipende in larga misura dai sistemi di pilotaggio dei dispositivi e dalla gestione del progetto termico.
In ogni caso, la maggiore attenzione verso l'ambiente e il risparmio energetico accelererà la migrazione verso le soluzioni a Led. Attualmente l'efficienza di conversione della potenza elettrica in luce delle lampade a fluorescenza è di circa il 15%, Un sistema di illuminazione a Led può fornire livelli confrontabili di luminosità, a fronte di una riduzione dei consumi del 60% rispetto a un'analoga soluzione Ccfl. Un altro grande vantaggio dei Led è nella tensione di pilotaggio: per attivare una Ccfl occorrono tensioni molto elevate, pari a 1,500 and 1,600 V in alternata e da 700 a 800 Vac per il normale funzionamento. In un tipico sistema Led per contro occorrono appena 12 - 24 V in continua o meno. Un altro grosso vantaggio dei Led è dato dalla migliore resa dei colori. Lo spettro di emissione delle lampade Ccfl è simile a quello dei Led bianchi, basati su un piccolo Led nel blu rivestito di fosfori gialli. I Led ad alta luminosità sono in genere basati sui Led nel blu. La luce bianca è costituita infatti da uno spettro continuo che va dall'infrarosso all'ultravioletto. La combinazione di un Led nel blu con un fosforo giallo porta a ottenere una luce di un colore bianco freddo. I consumatori tuttavia preferiscono una luce bianca calda per l'illuminazione degli ambienti. Per questo motivo, i produttori di Led hanno aggiunto in passato dei fosfori rossi per ottenere una tonalità calda della luce bianca. I fosfori rossi costituiscono sorgenti luminose inefficienti e riducono l'emissione luminosa per watt di potenza dei Led ad alta luminosità, permettendo un'efficienza massima di appena 70 lumen per Watt.
I Led organici per l'illuminazione
Pur essendo molto promettente, la tecnologia Oled (Organic Light Emitting Diode) riguarda al momento un mercato di nicchia, che vale appena 0,5 miliardi di dollari. Gli Oled potrebbero sostituire sia i bulbi a incandescenza, sia i tubi a fluorescenza, oltre a poter essere realizzati in forme diverse in relazione all'applicazione, a costi considerevolmente più bassi.
Grazie alla loro fabbricazione su substrati economici in plastica, gli Oled promettono di ridurre i costi di produzione usando tecniche a basso costo come la stampa a getto di inchiostro e il roll-to-roll al posto della più costosa lavorazione tradizionale su silicio. Gli Oled promettono di raggiungere un'efficienza di conversione di oltre il 50%, ben superiore rispetto a quella delle lampade a fluorescenza, offrono inoltre una buona resa dei colori e un'emissione luminosa che copre pressoché l'intero spettro di colori, e non contengono sostanze tossiche e inquinanti come il mercurio. Consentono infine di realizzare soluzioni di illuminazione con la massima flessibilità nelle forme e dimensioni, in quanto sono piatti, sottili e leggeri.
Diversi ricercatori stanno studiando le tecniche per aumentare l'efficienza, l'affidabilità e la durata degli Oled, eliminando o compensando gli effetti dovuti alle trappole presenti nello strato semiconduttore e i meccanismi fisici di invecchiamento.
Il ridotto impatto ambientale della tecnologia Oled ha spinto l'Unione Europea a investire in attività di ricerca portate avanti dalle aziende per applicare la tecnologia Oled nell'illuminazione.
Olla, un consorzio europeo di ricercatori provenienti da 24 Università e da grossi gruppi industriali come Osram e Philips, è impegnato nello sviluppo di soluzioni Oled ad alta luminosità per applicazioni nell'Ict e nell'illuminazione allo stato solido. Il consorzio ha dato dimostrazione di Oled nel bianco con un'efficienza di 25 lumen/Watt e un tempo di vita di 5.000 ore. Questo risultato rappresenta già il doppio dell'efficienza rispetto alle lampadine al tungsteno e una durata 5 volte superiore, anche se è ancora lontano dalle prestazioni offerte dai Led inorganici e dalle lampade a fluorescenza. D'altro canto però, gli Oled potrebbero raggiungere efficienze ben superiore rispetto al limite teorico di efficienza in lumen per Watt delle Cfl, che è il massimo che si può ottenere dalle lampade a scarica di gas dotate di fosfori; secondo alcuni esperti, questo limite si aggira attorno a 110-125 lm/W range. Sono stati già realizzati in laboratorio dei Oled con un'efficienza di 120 lm/W.
Ostacoli tecnologici ed economici
Oltre ai vantaggi esistono però alcuni ostacoli da superare prima di poter introdurre con successo soluzioni allo stato solido per l'illuminazione. Un fattore chiave che ne frena l'adozione, come avviene per tutte le tecnologie emergenti, è naturalmente il costo. Attualmente le lampade Led hanno un costo superiore di due ordini di grandezza rispetto alle lampadine tradizionali e di un ordine di grandezza rispetto alle Ccfl. D'altra parte, è in atto una forte erosione dei prezzi dei Led ad alta luminosità. Allo scopo di produrre in massa sistemi in tecnologia Led in grado di competere nei prezzi con i tradizionali bulbi a incandescenza, i dispositivi a Led devono essere il più possibile integrati con driver, unità per l'alimentazione e componenti ottici.
Il costo rappresenta un importante ostacolo, anche perché i consumatori non si interessano particolarmente al tipo di tecnologia utilizzata per l'illuminazione. La principale preoccupazione è rappresentata dal costo e dall'impatto ambientale, vista la crescente sensibilità attorno a queste tematiche. Una sostanza altamente tossica come il mercurio contenuta nelle lampade Cfl potrebbe spingere almeno parte dei consumatori, dotati di maggiore sensibilità verso l'ambiente, a preferire le lampade a Led anziché le più economiche lampade ad incandescenza. Il problema riguarda quanto i consumatori siano disposti a pagare per una soluzione di illuminazione più ecologica, come quella in tecnologia Led.
La riduzione dei costi di fabbricazione delle lampade Led richiede una serie di ottimizzazioni che riguardano non solo i chip, ma anche i package e i processi stessi di fabbricazione. La fabbricazione di Led ad alta luminosità richiede package ad alta efficienza, che facciano uso dei materiali più adatti, e consentano di massimizzare la luminosità, anche usando die caratterizzati da un'emissione luminosa di intensità inferiore, e ovviamente di minimizzare il numero degli scarti produttivi.
Anche i volumi sono essenziali per assicurare un prezzo di acquisto concorrenziale; di conseguenza occorre assicurarsi che, quando un nuovo componente è introdotto sul mercato, questo passi immediatamente ad alti volumi di produzione. I progettisti devono trovare un giusto compromesso fra i costi e le prestazioni agendo sul numero più adatto di Led nel sistema e sulla corrente di pilotaggio, ad esempio usando più Led pilotati a una corrente più bassa, o meno Led con una corrente più alta. Sono quindi necessari tool ottimizzati che consentano al progettista di trovare rapidamente la combinazione ideale dei parametri dei Led per il proprio progetto.
Un altro problema per la commercializzazione dei Led per l'illuminazione allo stato solido è costituito dall'assenza di standardizzazioni sulle tensioni, sul formato dei package e sui terminali, che variano da un produttore all'altro. Per questo risulta necessario uno standard condiviso non solo per formati e prestazioni, ma anche per determinare l'affidabilità, la sicurezza e il tempo di vita effettivo dei prodotti in tecnologia Led.
I Led raramente si guastano completamente, e la loro intensità luminosa diminuisce gradualmente su un lungo periodo, in funzione della corrente di pilotaggio e della temperatura. Per questo motivo non si può applicare ai Led lo stesso concetto di Mtbf (Mean Time Between Failure) che vale per le lampade a incandescenza. Queste complesse relazioni fra luminosità, corrente e temperatura rendono difficile modellizzare con accuratezza il comportamento dei Led di potenza per applicazioni nell'illuminazione.
