LED nell’industria: l'evoluzione tecnologica delle sorgenti in ambienti difficili

L’illuminazione a LED nei reparti produttivi dell’industria assicura risparmio energetico, qualità della luce e lunga durata di vita. Particolari situazioni ambientali possono limitare questi vantaggi. Il parere di alcuni dei maggiori produttori di sorgenti LED nelle interviste esclusive di Disano LED Technology.

LED nell’industria: l'evoluzione tecnologica

Intervista a Mauro Ceresa di Cree

L’impiego di sorgenti LED negli impianti di illuminazione del settore industriale rappresenta un importante progresso. Oltre a garantire un sostanziale risparmio energetico l’illuminazione a LED migliora la qualità della luce in termini di resa del colore, con sensibili benefici per la sicurezza e anche per la produttività di chi lavora.

L’evoluzione tecnologica dei LED e la progettazione di nuovi apparecchi di illuminazione ha permesso di superare i problemi che si sono presentati nella fase iniziale della loro applicazione, come per esempio quelli legati a un’insufficiente dispersione del calore. Tuttavia, con la maggiore diffusione delle nuove tecnologie si manifestano nuove criticità legate a situazioni particolari. Una di queste riguarda l’installazione di LED in ambienti con un alto grado di concentrazione di particolari sostanze chimiche volatili.

 “Allo stato attuale – spiega Ceresa– sono due i fattori che possono accorciare la vita dei Led: gli stress elettrici e il fenomeno che noi chiamiamo di incompatibilità chimica. Si tratta un processo che avviene all’interno della struttura del LED a causa di contaminanti esterni.

La struttura del Led a luce bianca (quello usato per i sistemi di illuminazione) è formata da un chip che produce luce blu, coperto da uno strato di fosforo che la converte in luce bianca, tutto questo è protetto da un involucro di silicone. Si tratta di un silicone particolare, altamente trasparente, resistente agli scambi termici, un materiale fortemente stabile, che non degrada con l’azione dei raggi UV e garantisce una lunga durata di vita ai LED. Questo silicone, però è permeabile ai gas e quindi può essere danneggiato da alcune sostanze chimiche in alta concentrazione.

“Si tratta di composti organici volatili che in alta concentrazione possono penetrare e rimanere nel silicone all’interno del LED. Questo fenomeno lo abbiamo riscontrato inizialmente con determinati collanti che venivano impiegati per sigillare gli apparecchi di illuminazione. Quando i LED cominciarono ad essere utilizzati per l’illuminazione esterna si scoprì che alcuni sigillanti usati per garantire la tenuta stagna degli apparecchi rilasciavano composti organici volatili (VOC) che andavano a interferire con il silicone. Con l’intervento di altri fattori, come la lunghezza d’onda del LED blu (particolamente energetici) e l’innalzamento di temperatura negli apparecchi si può innescare un fenomeno che in inglese si chiama discoloration.

Il LED diventa marroncino, perde il flusso luminoso e cambia tonalità. Quando vediamo questi fenomeni possiamo dire con certezza che c’è un’incompatibilità chimica.

Questo problema è stato superato testando i sigillanti in laboratorio per verificare che non ci fossero sostanze dannose per i LED. Sul sito della Cree è possibile reperire appositi kit, forniti da nostri partner, che consentono ai produttori di apparecchi di illuminazione di effettuare dei test che rivelano l’eventuale incompatibilità di alcuni composti chimici con i LED.

Il fenomeno di incompatibilità chimica può essere causato anche da un alta concentrazione di particolari sostanze presenti nell’ambiente esterno all’apparecchio di illuminazione. Per esempio, in ambienti dove si fa la verniciatura, dove si usano particolari solventi. Anche in questo caso perché ci sia un alterazione del LED occorre che ci siano determinate condizioni, come un certo livello di saturazione, una temperatura che accelera il processo.”

Cosa si può fare per evitare questi fenomeni?

“Per rendere un Led assolutamente impermeabile ai gas – spiega Ceresa – in linea teorica bisognerebbe incapsularlo, come avviene per i led a bassissima potenza delle spie luminose, ma questo farebbe perdere molta dell’efficienza luminosa del LED, che quindi perderebbe i suoi vantaggi sulle sorgenti tradizionali. Un discorso analogo si può fare per gli apparecchi di illuminazione che non possono essere tutti prodotti con protezioni speciali, visto che nella grande maggioranza dei casi vengono utilizzati in ambienti in cui non ci sono questi problemi.

• La parola chiave quindi è quella dell’informazione, che deve riguardare un po’ tutta la filiera.

I produttori devono dotare gli apparecchi di avvertenze sulla possibilità che alcune sostanze ad alte concentrazioni possono determinare questi fenomeni, ma sarebbe importante che anche chi acquista l’apparecchio fornisca al produttore le informazioni necessarie per avere eventuali protezioni speciali. Il tema deve essere ben presente anche agli altri soggetti coinvolti, come il progettista e l’installatore.

• Il LED offre grandi vantaggi anche nel settore industriale ed è importante evitare che applicazioni non corrette rallentino la diffusione delle nuove tecnologie di illuminazione.”

 LED e industria: la luce in ambienti critici

Intervista a Gabriele Giaffreda di Osram Opto Semiconductors

L’illuminazione dei reparti produttivi industriali deve sempre tener conto delle diverse condizioni ambientali che si creano all’interno del capannone. Apparecchi e sorgenti luminose devono essere adeguatamente protetti da calore, freddo, umidità e sostanze volatili, come polveri e gas, che si generano nei diversi tipi di lavorazione.

 “I primi impianti di illuminazione per l’industria interamente a LED - ricorda Giaffreda -risalgono a tempi molto più recenti rispetto all’illuminazione generale. Si tratta quindi di una tecnologia il cui sviluppo ha beneficiato degli studi e delle applicazioni pionieristiche, che però ha caratteristiche molto diverse da quelle che l’hanno preceduta. La lampada a scarica, generalmente utilizzata in questo ambito, non presenta particolari rischi legati alle condizioni ambientali, se non quello dell’eventuale scoppio dovuto a casi estremi. Naturalmente l’apparecchio di illuminazione deve garantire il grado di protezione adeguato al contesto in cui opera. In ogni caso, mentre la lampada a scarica ha una durata di vita limitata e va sostituita periodicamente, il - limitando di fatto fortemente i costi di sostituzione - e il tema della protezione dai possibili danni legati all’ambiente di installazione va affrontato in modo diverso.

Quando sono comparsi i primi LED la durata di vita di 50mila ore era un dato teorico, raggiungibile solo per le sorgenti che operavano nelle condizioni ideali. Oggi che i costruttori sono più consapevoli delle potenzialità dei LED e hanno risolto i problemi di fondo, come per esempio la dissipazione del calore, possiamo indicare per i LED una durata di vita anche oltre le 100mila ore, a patto che si rispettino determinate condizioni ambientali. Fra queste la temperatura, il grado di umidità e anche la protezione dalle alte concentrazioni di alcune sostanze chimiche.

 “Si è scoperto – continua Giaffreda - che l’alta concentrazione nell’ambiente di alcune sostanze chimiche, come per esempio alcuni solventi utilizzati nelle verniciature, può andare a deteriorare il materiale utilizzato per la realizzazione dell’ottica primaria del LED. In questi casi il flusso luminoso diminuisce e il LED non è più in grado di raggiungere l’aspettativa di vita che dovrebbe avere. Noi produttori di LED siamo da sempre sensibili a questo tema e oggi ancor più focalizziamo gli sforzi per la realizzazione di test che siano in grado di dare indicazioni ai produttori di apparecchi su quali siano le sostanze chimiche che in alte concentrazioni possono dare origine a questo fenomeno.

Per proteggere direttamente il LED da qualsiasi agente esterno occorrerebbe incapsularlo, ma in questo modo si perderebbe molto del flusso luminoso e quindi dell’efficienza totale dell’apparecchio di illuminazione. Un esempio di applicazione LED con protezioni estremamente elevate è quello dell’automotive. In questi casi il LED deve avere una protezione superiore proprio perché si trova ancor più direttamente a contatto con ambienti altamente dannosi e corrosivi per i componenti e riconducibili ai gas di scarico e ai vapori presenti a livello asfalto.

Le caratteristiche costruttive dei LED continuano a migliorare con il moltiplicarsi delle applicazioni: di pari passo vengono affinati gli studi che portano ad adottare i materiali e i componenti maggiormente idonei ad affrontare i vari ambienti in cui si troverà a lavorare il led (si pensi all’utilizzo dell’oro per il wire bonding che da tempo trova applicazione nel campo automotive).

I testi di laboratorio e le esperienze sul campo ci aiuteranno a capire meglio quali sono le sostanze specifiche che ad alte concentrazioni possono generare fenomeni di incompatibilità con i LED. In questo modo il produttore di apparecchi può inserire dei “warning” avvertendo che in presenza di alte concentrazioni di determinate sostanze la vita della lampada è ridotta.

La lunga durata di vita è una caratteristica fondamentale dei LED ed è importante fornire a chi acquista gli apparecchi di illuminazione garanzie serie in questo senso. Per questo noi di Osram Opto Semiconductors siamo orientati a fornire ai produttori che ci danno le opportune informazioni sulle condizioni di funzionamento del LED, indicazioni affidabili e conservative sull’aspettativa e sulla durata di vita.