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giovedì 28 maggio 2009

La spintronica aiuterà l’efficienza luminosa degli OLED


Esistono nel mondo, ed anche in Italia, spin-off che studiano e commercializzano tecnologie per lo sviluppo di prodotti innovativi, quali memorie ed elementi logici spintronici, basati sui semiconduttori organici, ed in particolare ricercano come poter migliorare l'efficienza dei displays OLED mediante iniezione spin-polarizzata.
Queste società operano nello sviluppo di applicazioni nella spintronica che è una delle nuove frontiere dell’elettronica destinata a soppiantare l’elettronica tradizionale.
Spintronica è un neologismo derivante dalla contrazione dei termini inglesi spin ed electronics, in altre parole è la disciplina di una nuova elettronica fondata sullo spin.
Tradizionalmente tutti i dispositivi elettronici commerciali sono basati sul trascinamento per mezzo di un campo elettrico o sulla diffusione di portatori di carica, elettroni e lacune, disponibili nei semiconduttori. I dispositivi spintronici sono progettati in modo che si produca un'interazione tra un campo magnetico esterno alla struttura ed i portatori che fluiscono al suo interno; poiché alla proprietà intrinseca di spin è associato un momento magnetico.
In generale il momento magnetico è una grandezza fisica vettoriale che esprime le proprietà di un corpo assimilabile ad un dipolo magnetico come una calamita o un circuito elettrico. Quindi Il vettore momento magnetico ha un valore numerico (o scalare), una direzione e un verso, che dipende dal senso della corrente elettrica.
Per un circuito elettrico il valore numerico del momento magnetico è definito come il prodotto dell’intensità di corrente che vi circola per l’area racchiusa dal circuito, la direzione è perpendicolare al piano individuato dal circuito e il verso si ottiene con la regola della mano destra ( avvolgendo le dita nel senso della corrente, il verso del momento magnetico è indicato dalla punta del pollice).
Le argomentazioni espresse sul momento magnetico di una corrente elettrica permettono di definire anche il momento di corpi magnetizzati. Questo fenomeno magnetico, infatti, si può interpretare pensando a correnti elettriche circolari interne agli atomi, considerando la materia come un insieme di microscopici circuiti elettrici. Nel loro moto orbitale intorno al nucleo, gli elettroni costituiscono tante piccole correnti chiuse, ognuna delle quali caratterizzata da un momento magnetico specifico. Il momento magnetico del corpo è dato dalla somma vettoriale dei momenti associati a tutti gli elettroni atomici che esso contiene,
La spintronica intesa inizialmente come tecnologia di memorizzazione, da pochi anni a questa parte riesce a trovare nuovi spazi di ricerca nella cosiddetta spintronica organica, che punta a trovare nuove soluzioni tecnologiche anche nel campo degli OLED prevedendo, nel medio termine, un deciso aumento dell’efficienza luminosa per effetto della iniezione di portatori con spin polarizzato.
L’obiettivo è quello di sviluppare i materiali e le tecnologie per realizzare dispositivi elettronici, oltre le memorie, con proprietà notevolmente superiori a quelle basate sulla tecnologia attuale. L’utilizzo innovativo della iniezione di portatori con spin polarizzato in semiconduttori organici prevede applicazioni che interessano un settore dalle notevoli potenzialità quale quello degli schermi OLED, con la potenzialità di migliorare di un fattore fino a quattro la loro efficienza luminosa, attraverso applicazioni in dispositivi sia attivi che passivi, sviluppando l’elettronica di consumo dei telefoni cellulari, delle autoradio, degli schermi per personal computer e per televisori.
Studi di proprietà spettrali e di efficienza luminosa di OLED con uno o due elettrodi spin polarizzati nascono dall’idea di realizzare, nel settore dell’illuminotecnica, dispositivi spintronici con l’utilizzo combinato di semiconduttori organici e di materiali a magnetoresistenza colossale.
Si ricorda in conclusione che la magnetoresistenza è la proprietà di alcuni materiali di cambiare il valore della loro resistenza elettrica in presenza di un campo magnetico esterno. Questo effetto è stato scoperto da Lord Kelvin nel 1856, anche se i primi materiali studiati evidenziavano una variazione massima del 5% della resistenza elettrica. I materiali che mostrano queste variazioni sono detti a magnetoresistenza ordinaria (OMR-Ordinary MagnetoResistance), ma recenti scoperte hanno portato alla scoperta della magnetoresistenza gigante (GMR-Giant MagnetoResistance) e della magnetoresistenza colossale (CMR-Colossal MagnetoResistance), proponendo nuove aspettative di ricerca nella spintronica organica.

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domenica 24 maggio 2009

La battaglia nanotecnologica degli schermi video: SED contro OLED



La tecnologia SED (Surface-conduction Electron-emitter Display) è stata studiata e progettata qualche anno fa e, almeno sulla carta, ha ottime qualità tecniche per renderla una valida alternativa ai sistemi OLED.
I nuovi schermi SED, per televisori, dovevano entrare in produzione già nell'agosto del 2005 e in seguito messi in vendita nella primavera del 2006. Il vicepresidente di Toshiba, invece, nel marzo del 2006 ha posticipato la loro produzione nel corso del biennio 2007/08 e il probabile ingresso nel mercato negli anni successivi, una volta risolta la causa tra Canon e Nano-Proprietary, legata a problemi di licenze non concesse a Toshiba.
Con questo sistema ogni singolo pixel dello schermo è costituito da un tubo catodico in miniatura, funzionante come i vecchi tubi a raggi catodici, in sigla CRT (dal corrispondente termine inglese "cathode-ray tube"), composti da fosfori luminosi, che sono illuminati da fasci di elettroni.
Si avranno, di conseguenza, miglioramenti sui livelli del nero, sull’angolo di visione e sulla resa cromatica generale. In altre parole, si uniscono i vantaggi dei vecchi CRT con quelli degli LCD e dei Plasma.
Ricordiamo in sintesi le caratteristiche dei sistemi al plasma ed a LCD; uno schermo al plasma (Plasma Display Panel - PDP) è un tipo di schermo piatto comunemente usato per grandi televisori al di sopra dei 32 pollici. Il sistema è composto da molte piccole celle poste in mezzo a due pannelli di vetro, all’interno dei quali risiede una mistura inerte di gas nobili quali neon e xeno. Il gas nelle celle è trasformato elettricamente in un plasma, il quale in seguito eccita i fosfori ad emettere luce.
Uno schermo a cristalli liquidi o LCD (Liquid Crystal Display), è uno schermo sottile e leggero basato sulle proprietà ottiche di particolari sostanze denominate cristalli liquidi. Tale liquido è intrappolato fra due superfici vetrose provviste di numerosissimi contatti elettrici con i quali poter applicare un campo elettrico al liquido contenuto. Ogni contatto elettrico comanda una piccola porzione del pannello identificabile come un pixel o subpixel per gli schermi a colori.
La tecnologia SED, a differenza degli OLED, ha un'aspettativa di vita del display piuttosto lunga, mentre i tempi di risposta, sono più alti rispetto a quelli promessi dal concorrente, rimanendo sempre nell'ordine dei decimi di millisecondo.
Il contrasto della tecnologia SED si dovrebbe attestare su valori di 100.000:1.
Purtroppo, nonostante le buone caratteristiche tecniche, il costo produttivo di questa tecnologia è ancora molto alto ed essendo tutto questo settore di ricerca coperto da brevetti detenuti da Canon ( multinazionale capace di sviluppare i concetti di electron-emission e microfabrication ) e Toshiba (leader nella creazione di CRT e LCD ), non ci si aspetta, nel breve periodo, un lancio su larga scala dei SED, poiché recentemente la stessa Toshiba ha annunciato il suo appoggio alla tecnologia OLED.

Ritornando alle caratteristiche della tecnologia SED, possiamo sintetizzare che ogni singolo pixel è un microscopico tubo catodico, con fosfori luminosi che sono accesi da un flusso di elettroni, unendo le qualità tecnologiche dei tubi catodici, come contrasto e velocità di risposta, alla praticità di uno schermo piatto al plasma o LCD.
Un'altra importante caratteristica è che l'immagine non perde qualità nei pressi dei bordi grazie a migliaia di "pistole", una per ogni pixel, che agiscono sparando elettroni anche nelle zone esterne, consentendo di avere delle dimensioni dello schermo elevate, un ingombro sicuramente ridotto, e la qualità dell'immagine ai bordi esattamente uguale come al centro dell'immagine.
Questi schermi nanotecnologici usciranno molto presto dai laboratori e gli utenti informatici potranno trarre enormi vantaggi dall'uso di monitor SED. Infatti, la possibilità di avere un dot pitch particolarmente basso, unito a tempi di reazione da record, ne farà una scelta obbligata per grafici, progettisti, e per le applicazioni dei videogiochi più complessi.
Ricordo in conclusione e per completezza di informazione, che il dot pitch, chiamato anche fosforo, è la somma delle dimensioni di una triade e la distanza tra le triadi stesse, dove per triade si intende un gruppo di tre puntini di fosforo, di colore rosso, verde, blu all'interno di uno schermo CRT, quindi indirettamente è la misura della larghezza di un singolo pixel. In generale dunque un display con minore dot pitch dovrebbe avere una migliore qualità di immagine rispetto ad uno con dot pitch più elevato.

domenica 17 maggio 2009

OLED: come illuminare la casa del futuro


Come avviene di norma nell’ambito delle discipline scientifiche, anche nell’illuminotecnica sono stabiliti i principi sui quali si basa la valutazione delle caratteristiche delle lampade e degli apparecchi di illuminazione standardizzando le relative unità di misura. Le definizioni più importanti sono rappresentate dall’efficienza luminosa che è pari al rapporto fra il flusso luminoso (lm) emesso da una sorgente luminosa e la potenza elettrica assorbita (watt, W): E = F/P, e dal flusso luminoso che rappresenta la quantità di luce od energia raggiante emessa da una sorgente
nell'unità di tempo: F = Q / t = quantità di luce/tempo da cui si deduce che il flusso luminoso è una potenza (energia diviso tempo).
L’efficienza luminosa come appunto dice anche la parola esprime l’efficienza di una lampada, si
misura in lm/W ed è una funzione variabile con il tipo di lampada.
L'efficienza di una lampadina ad incandescenza si aggira intorno ai 13,8 lumen/watt, quella di una lampadina alogena può arrivare fino ai 20 lumen/watt, mentre arriva fino a 60 lm/watt nelle lampadine fluorescenti, ovvero quelle a risparmio energetico. Sono di recente commercializzazione sorgenti di illuminazione a led che raggiungono, entro un angolo di 60°, l'efficienza di oltre 150 lm/watt.
Il flusso luminoso, per quanto detto sopra, non è altro che la parte di radiazione emessa (W) da una sorgente all’interno del campo del visibile, tra i 380nm e 780nm, nell’unità di tempo.
Nel panorama della illuminotecnica entrano di prepotenza gli OLED costituiti da polimeri organici che emettono luce quando sottoposti ad una debole corrente elettrica, consentendo di realizzare elementi illuminanti di forma piana, molto sottili ed a basso consumo energetico.
Questi sono dispositivi che stanno rivoluzionando anche il mondo delle sorgenti luminose, mostrando grandi potenzialità per lo sviluppo di moduli solidi piatti e flessibili visibili sotto forma di fogli ( carta da parati ) o di piastrelle, che oltre ad illuminare potranno anche arredare la casa del futuro.
I fogli flessibili OLED e le piastrelle OLED si possono, quindi, utilizzare per un’illuminazione ad alta efficienza, caratterizzando sistemi di elevata luminosità con basso consumo di energia.
Vediamo ora come è stato il lancio di questa nuova ed innovativa tecnologia, il 14 maggio 2007 ad Aachen in Germania due anni e mezzo dopo il suo inizio, il progetto di ricerca OLLA, Organic high brightness emitting diodes for ICT & Lighting Applications, ha raggiunto un importante traguardo nella creazione di un prototipo di sorgente di luce bianca realizzato con diodi a emissione di luce organici (OLED), con una efficienza di 25 Lumen per Watt e una durata di oltre 5000 ore oltre a una luminanza di 1000 cd/m2.
Il progetto OLLA, si pone, tra gli altri, l’obiettivo finale di ottenere prodotti con un tempo di vita di almeno 10.000 ore, 10 volte superiore alla durata di una lampada ad incandescenza standard, e un’efficienza di 50 lumen per Watt.
Una Considerazione alla base del progetto OLLA si fonda sul fatto che il consumo energetico per l’illuminazione in Europa ammonta a quasi 400 TWh/anno, ipotizzando, infatti, un risparmio del 30% rispetto all'uso di lampade ad incandescenza ed una penetrazione sul mercato del 30% di queste nuove tecnologie oled, si può prevedere una riduzione del consumo elettrico di poco inferiore al 10%, pari all’ammontare di energia fornita da circa 7 centrali termoelettriche di grande potenza.
Questo risparmio energetico avrà come conseguenza diretta una riduzione della quantità di gas serra immessa nell’atmosfera corrispondente a diversi milioni di tonnellate per anno di CO2, con effetti sicuramente benefici sull’ambiente.
Da fonte Osram possiamo dire che il futuro dell’illuminazione OLED è già iniziato con una lampada da tavolo dal nome è Early Future.
Si tratta di una lampada da tavolo prodotta dalla Osram Opto Semiconductors composta da dieci diversi pannelli Oled, che misurano 132 × 33 mm ciascuno e una luminanza di 1000 cd/m2, la luminaza è definita come il rapporto tra l’intensità luminosa emessa da una sorgente verso una superficie normale alla direzione del flusso e l’area della superficie stessa.
I diodi organici possiedono uno spessore dello strato attivo tipicamente inferiore a 500 nm in grado di emettere luce sfruttando la proprietà elettroluminescente di alcuni composti organici, determinando proprietà uniche, come l’estrema flessibilità, la leggerezza e la trasparenza.
Gli Oled hanno un costo molto ridotto e consumano meno elettricità di quella che serve alle lampadine a risparmio energetico, inoltre hanno una superficie radiante che genera una luce diffusa, riducendo le ombre e riflessi indesiderati, caratteristiche queste, che determinano un enorme passo avanti nell’illuminazione ad alta efficienza.

domenica 3 maggio 2009

Centrali termoelettriche e nanopatologie


Ultimamente, dopo l’accordo Berlusconi-Sarkozy, si è parlato spesso di centrali termonucleari, non focalizzando sufficientemente, a livello di pianificazione energetica, i problemi ambientali delle già progettate centrali termoelettriche a gas naturale, tecnicamente denominate Ngcc ( Natural Gas Combined Cycle ).
Con il meccanismo attivato in Italia della liberalizzazione del mercato dell’energia, si è assistito negli ultimi anni alla presentazione di numerose proposte di impianti termoelettrici a gas metano, caratterizzati da cicli combinati e cogenerativi, che si aggiungeranno agli esistenti impianti funzionanti con altri combustibili.
In generale, le centrali termoelettriche sono caratterizzate da una caldaia, alimentata automaticamente dal deposito che contiene il combustibile e attraversata da una serpentina nella quale circola l'acqua.
L'acqua, grazie alla combustione e all'energia termica conseguentemente creata, è riscaldata fino a circa 300°C trasformandosi in vapore; in seguito il vapore è ulteriormente riscaldato fino oltre i 450°C, acquisendo una notevole pressione.
Il vapore, con queste caratteristiche di temperatura e pressione, è convogliato sulla turbina, dove cede la sua energia cinetica facendo ruotare la stessa. La turbina a sua volta, collegata all'asse dell'alternatore lo trascina in rotazione. Nell'alternatore, in base al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, l'energia meccanica trasmessa dalla turbina, è trasformata in energia elettrica. L'energia elettrica prodotta dall'alternatore è trasmessa al trasformatore che ne innalza la tensione, per evitare perdite, prima di immetterla nella rete di distribuzione. Il vapore che esce dalla turbina, escluse le centrali turbogas a ciclo aperto, è riportato allo stato liquido nel condensatore e ripompato nella caldaia.
Il camino della centrale termoelettrica, infine, espelle nell'atmosfera i fumi della combustione.
I produttori di energia termoelettrica dicono, riferendosi ai fumi della combustione, che è un processo molto importante, infatti, i fumi prima di essere rilasciati in atmosfera, devono essere opportunamente filtrati, per ridurre le emissioni inquinanti. Affermano, inoltre, che dalle centrali termoelettriche i fumi escono dopo aver subito un minuzioso processo di depurazione per garantire che l'inquinamento dell'aria sia veramente ridotto a valori inferiori ai limiti di legge.
Questi limiti di legge sono dettati dai decreti sulla Valutazione di Impatto Ambientale (VIA) scaricabili dal sito del Ministero dell’Ambiente, pertanto nei progetti per le nuove centrali Ngcc si dovrebbero menzionare oltre le polveri PM10 anche le PM2,5, ma soprattutto le PM0,1 come inquinanti di rilievo.
Diversi articoli di settore testimoniano che per le centrali italiane, ai fini della valutazione dell’inquinamento atmosferico, è richiesto unicamente di misurare il Pst ( Particolato Sospeso Totale ) primario filtrabile, che peraltro ha scarsa rilevanza sanitaria. Questo approccio si rivela quindi totalmente inutile per valutare l’inquinamento da polveri di centrali a gas che producono PM10, PM2,5 e PM0,1, principalmente di natura secondaria.
La definizione corrente di particolato contempla quattro categorie, a seconda dell’intervallo di dimensioni del diametro aerodinamico della particella, che indicato con (da) si denomina: ultrafine per da≤0,1 μm; fine per 0,1 μm≤da≤2,5 μm; grossolano per 2,5 μm≤da≤10 μm; ultragrossolano per da>10 μm.
Questa articolata classificazione è semplificata nella prassi comune ove si utilizzano i termini PM10, PM2,5 e PM0,1 per indicare tutto il particolato con diametro minore od uguale rispettivamente a 10, 2,5 e 0,1 micron (μm).
Il particolato atmosferico, quindi, è costituito da particelle inorganiche talmente piccole da poter essere inalate e, attraverso gli alveoli polmonari, assorbite dal sangue che può portarle verso ogni organo o tessuto del corpo umano dove, accumulandosi, possono dar luogo a processi degenerativi meglio noti con il nome di nanopatologie.
Le nanopatologie, pur coinvolgendo diversi campi della medicina, sono tematiche nuove al di fuori di ambiti scientifici molto particolari e ancora riservate agli addetti ai lavori.
Volendo offrire una loro definizione possiamo affermare che le nanopatologie sono le malattie provocate da microparticelle e, soprattutto, nanoparticelle inorganiche che riescono a penetrare nell’organismo, sia umano che animale, provocando effetti i cui meccanismi sono ancora in gran parte da indagare e approfondire.
In ambito medico, si comincia a prendere atto che l’incremento vertiginoso della concentrazione in atmosfera delle nanopolveri va di pari passo con l’incremento di affezioni, per esempio, di natura cardiovascolare, ed inoltre cominciano ad essere molto sospette malattie tumorali, malattie neurologiche, malattie della sfera sessuale e malformazioni fetali.
Per queste indagini ci si avvale principalmente degli ESEM (Environmental Scanning Electron Microscope), in altre parole microscopi elettronici a scansione ambientale, opportunamente modificati. Questi strumenti nanoscopici offrono la possibilità di osservare campioni biologici in "wet mode", vale a dire in condizioni di normale idratazione, a pressione atmosferica, senza la necessità di renderli elettroconduttivi tramite ricoperture di carbone o di metalli quali l'oro e il palladio.
Quindi, il principale obiettivo dell'analisi è l'individuazione di micro/nano-particolato inorganico eventualmente contenuto nell'esemplare in studio, che è raggiunto senza alcun processamento del campione.
Da monitorare, infine, anche il grande aumento delle patologie allergiche, specie a livello pediatrico, che potrebbe essere correlato a fenomeni d’inquinamento ambientale o a prodotti d’uso comune quale, ad esempio, il cemento cui vengono sempre più spesso addizionate le ceneri che residuano da processi di combustione fossile delle centrali termoelettriche, ma questa è un’altra storia.