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LIGHTING 11 - MAGGIO 2016
XII
Lighting
La tecnologia dei LED a punti quantici
(Quantum Dot LED o QD-LED) è nota
sin dai lavori dello scienziato russo Alexey
Ekimov, pubblicati nel 1981 ma è diventata
competitiva da non più di un paio d’anni
grazie all’inesauribile sviluppo delle nano-
tecnologie, che ora ne consentono la fab-
bricabilità con i processi standard e con un
rapporto prestazioni/prezzo decisamente
vantaggioso rispetto a tutti gli altri LED
oggi disponibili. In più, c’è da considerare
il valore aggiunto della sostenibilità am-
bientale, perché questi LED consentono
di eliminare alcuni metalli piuttosto diffusi
negli attuali LED come ad esempio l’Arse-
nico e il Cadmio che sono altamente inqui-
nanti e devono essere trattati con processi
specifici per evitare che facciano danni all’ambiente.
La novità introdotta dai QD-LED consiste nell’utilizzare
esclusivamente LED blu fabbricati con un materiale facile
da riciclare e capace di ospitare al suo interno delle “nano
palline”, dette punti quantici, in grado di cambiare la fre-
quenza di emissione della giunzione laser e ottenere tutti i
colori senza bisogno di usare tre diverse sostanze per i tre
colori fondamentali che oltre a inquinare aumentano i co-
sti di produzione. Il risultato è un LED a basso costo con
una gamma cromatica enorme che può essere impiegato
tanto per l’illuminazione dei display per PC o smartphone
quanto per la visualizzazione a effetto nei televisori o nei
grandi pannelli e con prestazioni straordinariamente reali-
stiche nella qualità delle immagini.
Colori quantici
Come è noto, la temperatura di colore in gradi Kelvin misu-
ra la tonalità dei colori e differenzia la qualità visiva delle im-
magini perché può variare molto dai 2000K dell’arancione
ai 3000K del giallo, ai 5500K del bianco, ai 12000K dell’az-
zurro e ai 15000K del blu. La qualità visiva però dipende
anche dalla sorgente utilizzata e fino a un paio d’anni fa
era difficile fabbricare LED potenti ed economici senza
usare l’Arsenico mentre oggi si possono ottenere LED blu
con una temperatura di colore di 5000K, ossia praticamen-
te simile al bianco naturale, usando per
esempio l’InGaN, lo YAG, l’InP o lo ZnSe
(nitruro di gallio-indio, granato di ittrio-
alluminio, fosfuro di indio e seleniuro di
zinco) che sono assai meno pericolosi e si
possono recuperare. All’interno del retico-
lo metallico del semiconduttore prescelto
per ottenere l’emissione laser si possono
quindi miscelare un po’ di punti quantici
che consentono di generare gli altri co-
lori. In pratica, i punti quantici sono dei
“convertitori fotonici” che ricevono la luce
bianca o blu emessa dalle giunzioni dei
LED ed emettono per fluorescenza una
luce con banda molto stretta in un qualsia-
si colore dello spettro visibile.
Strutturalmente, sono delle palline di se-
miconduttore con diametro di una man-
ciata di nanometri inserite all’interno del
semiconduttore principale della giunzione
che dev’essere però caratterizzato da un gap fra le bande di
conduzione e valenza molto maggiore. Così, attorno a ogni
pallina si forma un pozzo di potenziale in grado di separare
elettricamente i portatori di carica del semiconduttore in-
terno da quelli del semiconduttore circostante lasciandoli
la possibilità di assorbire fotoni in un’ampia gamma di fre-
quenze salvo poi riemetterli a una o più frequenze che sono
quantizzate e perciò ben definite. Sono le dimensioni del
volume che ospita ogni punto quantico che determinano
anche la sua lunghezza d’onda di risonanza e i livelli energe-
tici di assorbimento ed emissione. Generalmente, i volumi
con diametro compreso all’incirca fra 2 e 10 nm corrispon-
dono allo spettro visibile e, precisamente, le nanopalline
più grandi con diametro tra 8 e 10 nm risuonano a energia
più alta ed emettono sul rosso mentre le più piccole tra i 2 e
4 nm emettono sul verde. I diametri dei nano-volumi si pos-
sono scegliere nella fase di fotolitografia ma poiché al loro
interno c’è sempre un numero discreto di modi risonanti
ciascuno con la propria probabilità di occupazione da
parte dei fotoni, ne consegue che si può anche decidere
quale modo far prevalere sugli altri e, in definitiva, scegliere
finemente la lunghezza d’onda di emissione e disporre di
un’ampia gamma di gradazioni del colore.
Di conseguenza, i LED a punti quantici sfruttano la poten-
Lucio Pellizzari
LED a punti
quantici
I Quantum Dot LED promettono di conquistare il mercato della visualizzazione grazie
alle ottime prestazioni cromatiche che ottengono a costi e consumi inferiori rispetto a
tutte le attuali tecnologie e inoltre grazie anche alla loro miglior sostenibilità ambientale
Fig. 1 – Al Fraunhofer hanno
ingegnerizzato una tecnologia
che consente di fabbricare i
QD-LED usando il fosfuro di
indio senza alcun altro mate-
riale inquinante per ottenere
a basso costo visualizzazioni
realistiche con una gamma
cromatica pressoché infinita