Utilizzato dagli ultimi anni nei gruppi ottici posteriori, l'OLED coniuga il basso consumo ad una proiezione omogenea che il comune LED non permette, oltre a trasformare le luci in display multifunzione.
Sembra un LED ma non lo è, non foss’altro che per quella O che ne precede il nome; ha una giunzione e fa luce come il LED, ma ancora una volta non lo è… Stiamo parlando dell’OLED, meglio noto come LED organico (da qui l’acronimo Organic Light Emitting Diode) che da anni è apparso sulla scena dell’illuminotecnica, prima per edifici e poi, immancabilmente, per l’automobile, dove viene ampiamente utilizzato da varie case automobilistiche come il gruppo VAG. Rispetto al tradizionale LED a giunzione di semiconduttore, presenta alcuni vantaggi che sono il minor consumo (non a caso Samsung ci ha fatto gli schermi per i suoi smartphone e tablet…) e la luminosità uniforme in tutta la superficie, che gli permette di realizzare corpi illuminanti di varia sagoma, anche flessibili, con un’unica giunzione emittente luce uniformemente distribuita.
Ma che cos’è esattamente l’OLED? Ebbene, si tratta di un diodo allo stato solido le cui giunzioni sono composte da materiale organico. L’OLED deve la sua scoperta ad un esperimento condotto nel 1936 dal fisico francese Georges Destriau, il quale notò che sottoponendo un sale di zinco a un campo elettrico alternato, questi produceva luce. Negli anni ‘80 del secolo scorso Ching Tand e Stephen Van Slyke della Eastman Kodak Company riprovarono applicando un campo elettrico in continua a strati estremamente fini di un composto di alluminio chiamato ALq (tris 8-hydroxyquinoline aluminum) e quella volta l’emissione di luce fu molto più intensa.
Il principio di funzionamento degli OLED si basa sulle proprietà di sostanze organiche che, poste tra due elettrodi (anodo e catodo), al passaggio della corrente si illuminano. Di norma le sostanze, composte prevalentemente da carbonio, sono in grado di emettere solo luce bianca quando vengono attraversate dalla corrente; miscelando ad esse (ovvero drogando le giunzioni) dei composti elettrofosforescenti, è possibile renderle in grado di emettere luce rossa, verde o blu, cioè i colori primari da quali produrre tutti i colori dello spettro visibile.
Struttura dell’OLED
A differenza di qualsiasi altra tecnologia di illuminazione gli OLED non hanno, nell’aspetto, nulla
che ricordi una lampada o una lampadina e tantomeno un LED: si presentano come fogli sottili, flessibili, in grado di emettere una luce diffusa. Con gli OLED, vista la possibilità di realizzare sottili lamine flessibili, si costruiscono anche tubi luminosi utilizzabili per decorazioni e per insegne luminose che sostituiscono i tubi fluorescenti e luminescenti a neon, rispetto ai quali presentano un risparmio di corrente non trascurabile. I tubi sono composti da una pellicola OLED arrotolata all’interno della guaina esterna (che è di gomma) e provvisti di due contatti, ognuno su un lato della pellicola, che realizzano anodo e catodo.
Un’altra forma sotto la quale si trovano gli OLED per illuminotecnica è a piastra o lamina di
dimensioni più o meno grandi; proprio le lamine hanno consentito l’impiego in automotive.
La tipica struttura di un OLED è una pila di strati di materiale organico posti fra gli elettrodi di anodo (positivo) trasparente, normalmente realizzato da un piano di vetro ricoperto da ossidi conduttivi (Indium tin oxide) e di catodo (negativo) metallico, formato da alluminio o calcio; esiste anche una configurazione con emissione luminosa dalla zona superiore, formata da un catodo semitrasparente e un anodo metallico. La struttura a strati di un tipico OLED è proposta nella Figura 1.
Le molecole dell’OLED sono molto piccole e vengono prodotte in camere sottovuoto dalle industrie dei semiconduttori; esistono anche i Poly-OLED (POLED), il cui materiale organico è un polimero speciale, di semplice applicazione al substrato, cosa che rende il processo produttivo economico e adatto a produzioni su larga scala. Gli strati organici (spessi circa 100 nm) servono a iniettare elettroni e farli spostare nella regione ricca di lacune, ossia spazi privi di elettroni.
Più esattamente, dal punto di vista costitutivo esistono due grandi famiglie di OLED:
- Small Molecule OLED (SmOLED), tecnologia originaria utilizzata nell’87 dal prof. Chin Tang, che prevede l’utilizzo di materiali dal basso peso molecolare, depositati per evaporazione;
- Polymer OLED (POLED), di più recente invenzione, nella cui costruzione vengono utilizzate lunghe catene polimeriche fluorescenti depositate per centrifugazione o per stampaggio ad iniezione, tecnologia quest’ultima del tutto simile a quella utilizzata nelle stampanti a getto d’inchiostro.
La possibilità di costruire pellicole luminose realizzabili con tecniche di stampa si deve a due ricercatori: Ludvig Edman (dell’università di Umea) e Nathaniel Robinson (dell’università di Linkoping).
Funzionamento dell’OLED
Quando alla singola cella viene applicata una tensione di alcuni volt (normalmente 3,4 V) negativa sul substrato e comunque sullo strato inferiore (catodo) gli elettroni partono da questo e migrano andando a colmare le lacune nello strato organico collegato all’anodo, cedendo l’energia che il campo elettrico gli ha fornito per spostarli; tale energia si libera sotto forma di radiazione elettromagnetica con lunghezza visibile (elettroluminescenza) esattamente come avviene nei LED. Il funzionamento è schematizzato nella Figura 2.
Come nei LED, la lunghezza d’onda della luce emessa dipende dal lavoro di estrazione degli elettroni; attualmente è facile elementi ad alto lavoro di estrazione, quindi realizzare OLED emittenti luce verde e blu, mentre la luce rossa è quella più difficile da ottenere, perché richiede elementi a basso lavoro di estrazione.
La struttura degli strati organici e di anodo e catodo è progettata al fine di ottimizzare il processo di ricombinazione nello strato di emissione e quindi il flusso luminoso; con i materiali giusti, l’intera struttura può essere spessa appena 0,1 mm.
Molte aziende si sono cimentate nello sviluppo industriale della tecnologia OLED: Osram OPto Semiconductors (oggi AMS-Osram) per esempio fu tra le prima a creare dispositivi con efficienza energetica di 46 lm/W e longevità maggiore di 10.000 ore. Gli OLED Osram hanno l’aspetto di sottili piastrine simili a lastre di vetro, in grado di emettere luce di vari colori ed anche bianca.
Anche la Philips è impegnata nel settore degli OLED e produce i lumiblade, elementi rigidi base OLED, in varie forme e dimensioni. Philips ha cooperato con Osram e Siemens, al progetto OLLA, finalizzato allo sviluppo della tecnologia OLED in ambito illuminotecnico. Altre aziende che hanno contribuito allo sviluppo degli OLED sono General Electric e BASF.
La tecnologia attuale consente l’emissione luminosa da un solo lato, con angoli di irraggiamento dell’ordine dei 150°, tuttavia futuri sviluppi che coinvolgono l’utilizzo del grafene (grafite bidimensionale) permetterebbero di ottenere OLED capaci di emettere bilateralmente.
Lo stato dell’arte della tecnologia OLED permette al momento emissioni luminose di 45÷90 lm/W, una durata dei dispositivi di 10.000 ore in media (con una riduzione del 50% rispetto alla luminosità iniziale) e luminanze di ben 1.000 cd/m² con strati dello spessore di 1,8 mm.
OLED e automotive
La possibilità di emettere una luce uniforme su tutta la superficie e di poter flettere le giunzioni emittenti ha permesso di realizzare pannelli luminosi in ambito architettonico e viene convenientemente sfruttata nel settore del lighting automobilistico, dove consente di realizzare gruppi ottici come luci di posizione e indicatori di direzione di varia sagoma, ben visibili e senza la trama a punti caratteristica dei sistemi a LED e senza bisogno di riflettori o deflettori interni.
Il controllo degli OLED avviene in corrente, giacché la curva caratteristica in polarizzazione diretta vede inizialmente una crescita lenta e poi grandi variazioni di corrente per variazioni relativamente contenute di tensione; inoltre, l’emissione luminosa è legata alla corrente nella struttura; quindi, regolando la corrente si ottiene l’intensità luminosa attesa.
Vari costruttori si cimentano nella realizzazione di gruppi ottici, per ora limitati alla parte posteriore degli autoveicoli per ragioni di densità dell’emissione luminosa.
Con gli OLED è possibile realizzare strisce luminose e forme anche arrotondate, curvate per seguire la carrozzeria, fino ad arrivare a creare motivi luminosi personalizzati.
Oltre a perfezionare la tecnologia dei proiettori a matrice di LED, l’OLED può fornire un apporto esclusivo al concetto di illuminazione automotive, che sta passando dall’illuminazione tecnica richiesta dalla Legge, alla trasposizione dei corpi illuminanti nel mondo della segnalazione luminosa esterna dei veicoli.
Questo viene ottenuto con la gestione digitale sei singoli OLED, che se nelle prime forme di lighting per auto erano semplicemente blocchi luminosi dotati di un regolatore di corrente funzionante alla tensione dell’impianto elettrico del veicolo, oggigiorno sono gruppi di segmenti OLED organizzati e gestiti da un controller a microprocessore, interfacciato all’unità elettronica di gestione.
Questa forma di illuminazione digitale porta alla creazione, attraverso i corpi illuminanti OLED, di veri e propri display esterni, che non solo aumentano la sicurezza ma personalizzano lo stile del veicolo in sinergia con il design della carrozzeria; tutto ciò è permesso dal fatto che nell’OLED digitale ogni segmento può essere acceso, spento o dimmerato individualmente a seconda del motivo luminoso da proiettare.
La possibilità di creare forme luminose apre la strada alla segnalazione dinamica, che permette di proiettare segnali di pericolo secondo un design interattivo: per esempio se l’elettronica di bordo rileva la presenza di ghiaccio sulla strada può comandare le luci posteriori OLED digitali per mostrare un segnale di pericolo che permetterà ai conducenti dei veicoli che seguono di regolare velocità e distanza con sufficiente anticipo. Non appena la legislazione lo consentirà, sarà anche possibile regolare automaticamente gli elementi OLED digitali durante la guida, ad esempio per informare direttamente i conducenti dietro l’auto di situazioni di pericolo. Il tutto si colloca nel contesto della cosiddetta “comunicazione Car-to-X” ossia dell’interazione visiva e sonora (per esempio l’AVASS degli EV e dei BHEV) tra l’automobile e le persone all’esterno.
Un altro elemento unico dei gruppi ottici OLED è che siccome hanno un substrato flessibile, possono non solo seguire le curve, ma anche dare luogo a strutture tridimensionali che rendono ancora più versatili i corpi illuminanti.
Chi utilizza gli OLED
Un esempio di gruppo ottico posteriore OLED lo fornisce l’Audi, che già adotta questa tecnologia in corpi illuminanti curvi e composti da segmenti, come quello proposto nella Figura 3.
Ciascun gruppo ottico è composto da pannelli OLED divisi in settori, che nelle Audi sono triangolari e raggruppati in cluster, disposti opportunamente nel retro e sul lato del veicolo, ovvero sugli angoli, in virtù della possibilità di avere pannelli flessibili; tutti i pannelli sono alimentati dall’impianto elettrico dell’auto (12 o 48 V in base alla configurazione dell’impianto di servizio) e collegati alla Body Electronic attraverso un bus dati che ne permette l’impostazione, vale a dire l’accensione e il controllo di luminosità individuale dei singoli segmenti, così da comporre il pattern luminoso desiderato (Figura 4).
I segmenti triangolari degli OLED Audi componenti ogni pannello sono raggruppati in cluster di forma esagonale, della quale ciascun triangolo è uno “spicchio”; la struttura di ciascun esagono è proposta nella Figura 5; tutti i segmenti vengono organizzati in matrici che fanno capo al controller del singolo pannello.
Una questione che spesso si pone in merito alla tecnologia dei fanali posteriori OLED digitali è la loro durata, perché la tecnologia OLED in origine non garantiva grande durata e stabilità del colore nel corso della vita utile. Per quanto riguarda gli OLED digitali adottati dal gruppo VAG, oggi soddisfano le caratteristiche di durata e qualità richiesti dai rigorosi standard del settore automobilistico: la speciale tecnologia dei materiali ne impedisce la degenerazione attraverso la termoregolazione e la tecnologia di incapsulamento, impedendo agli elementi OLED di entrare in contatto con l’umidità; ciò consente agli elementi OLED di presentare un profilo di durata e di soddisfare gli stessi requisiti dei LED inorganici convenzionali per auto.
Dal 2020, Audi monta luci posteriori OLED digitali sulla Q5, rendendo per la prima volta possibile una varietà di configurazioni con un solo tipo di hardware; qui, ogni funzione luminosa ha un proprio canale, perché i gruppi ottici posteriori OLED digitali sono collegati all’apposita unità elettronica di gestione tramite un CAN-Bus. La tecnologia offre un numero maggiore di segmenti controllabili singolarmente rispetto ai gruppi ottici posteriori OLED presentati per la prima volta dal gruppo VAG, in un gruppo ottico posteriore dell’Audi Q5 vengono utilizzati tre pannelli, ognuno dei quali integra sei segmenti OLED. Questi possono essere attivati in modo casuale, con una variazione continua della luminosità. La tecnologia OLED digitale è integrata di serie anche nei gruppi ottici posteriori dell’Audi A8 prodotta dal 2021, dove vengono utilizzati otto pannelli, ognuno dei quali integra sei segmenti OLED.
In futuro, l’OLED digitale con oltre 60 segmenti per pannello avrà un numero di aree controllabili individualmente circa dieci volte superiore.
L’OLED digitale può anche essere utilizzato come indicatore nell’illuminazione posteriore e quindi per la comunicazione Car-to-x, cosicché le auto che seguono potrebbero essere informati, ad esempio, di pericoli localizzati come punti sdrucciolevoli della strada. Già oggi Audi sta utilizzando le luci posteriori per comunicare visivamente col mondo esterno: nella Q5 e nelle recenti A8 le luci posteriori implementano un segnale di prossimità per i veicoli che seguono.
L’illuminazione OLED non riguarda tuttavia i soli gruppi ottici posteriori, perché già diverse auto ne fanno uso sul frontale (per esempio vetture cinesi e VAG) sotto forma di fasce luminose bianche estese sopra la calandra raccordando i proiettori, che oltre a fare coreografia forniscono visivamente la percezione dell’ingombro, meglio delle attuali luci di posizione.
Chi controlla gli OLED?
Dietro la tecnologia OLED digitale del gruppo VAG c’è ST Microelectronics, la quale produce controller dedicati all’automotive come l’L99LDLH32, interfacciabile tramite CAN FD per supportare la programmazione della luce da parte dell’unità elettronica di gestione dedicata. Integra, oltre ai driver, un ADC a 8 bit per rilevare i parametri di funzionamento dei corpi illuminanti a scopo diagnostico.
L’STM L99LDLH32 (Figura 6) è un regolatore di corrente lineare monolitico a 32 canali specificamente progettato per il controllo di pannelli OLED a catodo comune. Garantisce una capacità di pilotaggio in uscita fino a 35 V, per coprire l’ampia gamma di tensioni dirette degli OLED, e dispone di 32 sorgenti di corrente regolate in grado di fornire da 1 mA a 15 mA di corrente programmabile individualmente per pilotare ciascun pixel del pannello OLED in modo indipendente. Come l'altro dispositivo della famiglia (L99LDLL16), l’L99LDLH32 integra una robusta interfaccia di comunicazione compatibile con CAN FD Light, puramente automotive, che consente una trasmissione dati ad alta velocità (fino a 1 Mbit/s) e utilizza la struttura CAN FD long frame (64 bit). Oltre al livello fisico compatibile con CAN FD Light, il dispositivo integra anche il gestore di protocollo, quindi non sono necessari dispositivi esterni aggiuntivi per l’interfacciamento all’unità elettronica di gestione (Commander). Il chip L99LDLH32 può funzionare in modalità bus utilizzando l'interfaccia compatibile con CAN FD Light o in modalità autonoma/fail-safe utilizzando registri di memoria interni programmabili per pochi minuti (FTP).
Il componente è fornito in package QFN48L 7×7 ed è qualificato AEC-Q100.
