Gli ingegneri chimici dell'ETH di Zurigo sono riusciti per la prima volta a generare una luce verde ultrapura. Il nuovo diodo a emissione luminosa aprirà la strada a una qualità del colore visibilmente migliorata in una nuova generazione di display ad altissima definizione per TV e smartphone.

Chih-Jen Shih è molto soddisfatto della sua svolta:"Ad oggi, nessuno è riuscito a produrre luce verde pura come noi, " dice il professore di ingegneria chimica nel suo laboratorio al campus di Hönggerberg. Indica un ultrasottile, diodo a emissione di luce pieghevole (LED), che mostra le tre lettere "ETH" in una bella tonalità di verde brillante.

I progressi di Shih sono significativi, in particolare per quanto riguarda la prossima generazione di display ad altissima risoluzione utilizzati per TV e smartphone. I dispositivi elettronici devono prima essere in grado di produrre rosso purissimo, luce blu e verde per consentire alla prossima generazione di display di mostrare immagini più chiare, più acuto, più ricco di dettagli e con una gamma cromatica più raffinata. Per la maggior parte, questo è già possibile per la luce rossa e blu; luce verde, però, ha finora raggiunto i limiti della tecnologia.

Ciò è dovuto principalmente alla percezione umana, poiché l'occhio è in grado di distinguere tra più tonalità verdi intermedie rispetto a quelle rosse o blu. "Questo rende molto complessa la produzione tecnica del verde purissimo, che crea sfide per noi quando si tratta di sviluppare tecnologia e materiali, "dice Sudhir Kumar, co-autore del rapporto.

Fino al 99% di verde ultra puro

Dal riferimento allo standard Rec.2020 diventa chiaro quanti progressi abbia fatto la luce ultra-verde di Shih nello sviluppo della prossima generazione di display. Lo standard internazionale definisce i requisiti tecnici per i display ad altissima risoluzione (noti come "Ultra HD") e fornisce un quadro per ulteriori ricerche e sviluppi. I requisiti includono anche un miglioramento della qualità del colore visibile ad occhio nudo. Lo standard fornisce la scala di colori che un display può riprodurre e quindi una gamma più ampia di tonalità di colore.

Il verde purissimo gioca un ruolo fondamentale nell'ampliamento della gamma cromatica, o gamma. In definitiva, nuove tonalità vengono create attraverso la miscela tecnica di tre colori di base:rosso, blu e verde. Più puri sono i colori di base, più ampia è la gamma di tonalità che uno schermo può visualizzare. Il nuovo LED di Shih è in linea con il 97-99% del Rec. norma 2020. A confronto, gli schermi TV a colori più puri attualmente disponibili sul mercato coprono in media solo il 73,11-77,72 percento; nessuno supera l'80 per cento.

Economico, tecnologia LED producibile

Wendelin Stark, Professore ETH di ingegneria dei materiali funzionali, insieme a ricercatori della Corea del Sud e di Taiwan, contribuito anche ai risultati del progetto, che sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nano lettere . Shih non solo ha fatto un passo avanti in termini di risultati, ma anche nel materiale e nel metodo. Lui e i suoi colleghi hanno efficacemente sviluppato un ultrasottile, diodo emettitore di luce flessibile in grado di emettere luce verde pura utilizzando semplici processi a temperatura ambiente. Shih dice che questo è il secondo aspetto della sua svolta ed è almeno altrettanto importante, poiché fino ad ora erano necessari processi ad alta temperatura per produrre luce pura con la tecnologia LED. "Poiché siamo stati in grado di realizzare l'intero processo a temperatura ambiente, abbiamo aperto opportunità per il semplice, in futuro la produzione industriale a basso costo di diodi emettitori di luce ultra-verdi, "dice Jakub Jagielski, co-autore del rapporto.

Più specificamente, Shih e il suo team hanno utilizzato nanomateriali per sviluppare ulteriormente la tecnologia LED. Un diodo emettitore di luce di solito contiene un cristallo semiconduttore che converte la corrente elettrica che lo attraversa in luce radiante. La materia prima è solitamente nitruro di indio gallio (InGaN); però, questo materiale non ha le proprietà ideali per la produzione di luce verde ultrapura. Quindi la squadra di Shih ha invece usato la perovskite, un materiale che viene utilizzato anche nella produzione di celle solari e che può convertire l'elettricità in luce in modo relativamente efficiente. È anche poco costoso e aiuta a rendere il processo di produzione semplice e veloce:basta solo mezz'ora per pulire chimicamente la perovskite e renderla pronta per l'uso, dice Shih.

Il materiale di perovskite nel diodo a emissione di luce di Shih ha uno spessore minuscolo di 4,8 nanometri. Questo è un fattore importante, poiché la qualità del colore dipende dallo spessore e dalla forma del nanocristallo utilizzato. Per raggiungere il verde puro desiderato, i cristalli non dovrebbero essere più spessi o più sottili. Questi flessibili, i diodi a emissione di luce ultrasottili sono pieghevoli come un foglio di carta. Quindi, possono essere prodotti in modo economico e rapido utilizzando, ad esempio, il processo roll-to-roll esistente. Shih afferma che ciò andrà a beneficio anche della produzione industriale in futuro.

Prossimo passo:migliorare l'efficienza

Però, ci vorrà ancora del tempo prima di vedere la prima applicazione industriale di diodi a emissione di luce ultra-verdi. Il prossimo passo per Shih è prima di tutto migliorare l'efficienza. Oggi, il suo LED lavora con un'efficienza del 3% quando converte l'elettricità in luce; in confronto, Gli schermi TV attualmente disponibili sul mercato hanno valori di efficienza dal 5 al 10 percento. Shih spera che la prossima versione sarà dal 6 al 7% più efficiente. Vede anche un potenziale di miglioramento nella durata della vita del suo diodo a emissione di luce. Attualmente, si illumina per circa due ore, considerando che gli schermi disponibili sul mercato dovrebbero funzionare per molti anni.