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Tecnologia di Base


PRINCIPI DI FOSFOROCONVERSIONE DELLA LUCE


La fosforo conversione della luce è un fenomeno di tipo fisico, intimamente legato ai principi cardine della fisica atomica e della meccanica quantistica. Lo sfruttamento industriale di questo fenomeno per utilizzo illuminotecnico risale al diciannovesimo secolo, quando sono certificate le prime realizzazioni di lampade a scarica con rivestimento interno in materiale fluorescente specificatamente reattivo all'irraggiamento diretto. La recente introduzione sul mercato di materiali di questo tipo disponibili su supporto rigido ha finalmente reso possibile il loro accoppiamento con le sorgenti allo stato solido (LED) a maggiore efficienza quantica, ovvero con quelle tipologie di leds non già incorporanti fosfori.

E' noto che per effetto dell'irraggiamento, ovvero l'esposizione di un materiale opportuno alla radiazione elettromagnetica, l'energia quantizzata trasportata dalla radiazione viene assorbita dalle molecole del materiale in oggetto provocando il passaggio degli elettroni molecolari dai livelli energetici stabili a quelli metastabili. Il processo di eccitazione è un processo stepless. La diseccitazione, che avviene pressoché istantaneamente, è invece un processo step by step, il cui risultato è il rilascio della stessa quantità di energia inizialmente assorbita sottoforma di quantità separate e singolarmente più piccole.
L'intero fenomeno fisico, chiamato fluorescenza, viene descritto compiutamente dalle equazioni della meccanica quantistica classica, quali ad esempio la famosa equazione di Schroedinger:

formula

dove H è l'operatore matematico chiamato hamiltoniano che descrive lo stato complessivo del materiale irradiato, e Ψ è la cosiddetta funzione d'onda, che descrive lo stato stabile oppure metastabile delle molecole del materiale stesso.

Il risultato macroscopico netto di questo processo è lo spostamento del picco della distribuzione spettrale della radiazione uscente dal materiale fluorescente, rispetto all'analoga distribuzione della radiazione che lo ha investito. Quindi, se per ipotesi il materiale fluorescente viene colpito da radiazione elettromagnetica ad energia più elevata, quale quella emessa da LEDs privi di deposizioni superficiali o drogaggi di composti delle terre rare, detto materiale emetterà uno spettro luminoso con energia di picco mediamente più bassa. Questo fenomeno macroscopico, comunemente chiamato "spectral shift" rende visibile all'occhio, nelle regioni dello spettro in cui l'occhio stesso è maggiormente sensibile, la maggior parte dell'energia originariamente emessa dai leds in regioni dello spettro prossime ai limiti del blu, e perciò difficilmente percettibili o caratterizzate da una percezione visiva generalmente molesta.

Inoltre, dato di assoluto interesse ai fini illuminotecnici, il fatto di effettuare lo spectral shift in posizione remota rispetto alle sorgenti LEDs, ovvero da parte di fosfori non a contatto con il semiconduttore, permette una più efficiente emissione complessiva della luce. Infatti, il rapporto tra il flusso luminoso complessivamente emesso e l'assorbimento di corrente elettrica, viene incrementato di una quota non trascurabile rispetto all'efficienza dei LEDs normalmente impiegati per scopi illuminotecnici.

 

 

diagramma

 

Da ultimo, ma non meno importante, la presenza di uno strato superficiale di fosfori a diretto contatto con il semiconduttore, o peggio il drogaggio di quest'ultimo con composti delle terre rare, provoca un fenomeno di heat-blocking. Infatti il calore generato come sottoprodotto della diseccitazione degli elettroni ai livelli metastabili, che si trova imprigionato all'interno del semiconduttore, esce da questo con maggiore facilità se non vi sono strati di "tappo" esterni o peggio inclusioni dense di materiali inerti.

Le tecniche di fosforoconversione remota della luce dei LEDs sono diventate di dominio semipubblico in epoca molto recente, in particolare quelle tecniche atte a realizzare sorgenti luminose composite ed estese applicabili all'illuminotecnica. Si tratta di una reale nuova frontiera tecnologica, che apre possibilità notevoli sia nell'illuminazione per interni che per esterni, anche di grandi aree. Di particolare interesse sono le varianti utili delle miscele di fosfori, che in dipendenza dalla composizione e dalla dosimetria possono produrre distribuzioni spettrali molto variabili, con percezioni di tonalità e colorazioni molto diverse.