22.1 Nuovi Prodotti - Tecnologia LED: il futuro dell’illuminazione

24/03/10

Cosa vuol dire LED?
E’ l’acronimo di “Light Emitting Diode”, ovvero “diodo che emette luce”, un dispositivo che sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni, un fenomeno detto elettroluminescenza. I fotoni non sono prodotti dal surriscaldamento di un materiale, come avviene per i neon (dove a scaldarsi è un gas) o per le classiche lampadine a incandescenza (dove è il filamento di tungsteno che raggiunge elevate temperature). Un’altra delle proprietà dei LED, che li differenzia dagli altri sistemi di produzione della luce, è quella di poter lampeggiare a frequenze molto alte, superiori al Mhz. Il tempo di accensione è tipicamente di 200 ns (nanosecondi, ovvero miliardesimi di secondo)  

Cos’è un LED?
Un LED è un diodo costituito da una giunzione di semiconduttore (silicio) opportunamente drogato, che emette fotoni (quindi luce) quando è attraversato da una corrente. La qualità del semiconduttore è uno dei fattori che determinano l’efficienza dei LED.
I primi LED erano disponibili solo nel colore rosso, e a questi fecero seguito quelli gialli e verdi. Dato che avevano un basso livello di emissione, furono utilizzati esclusivamente come luci-spia.
Con la realizzazione di LED a luce blu fu possibile realizzare dispositivi che, integrando tre LED (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore. Il successivo sviluppo della tecnologia ha portato all’utilizzo come illuminatori veri e propri.

Dallo schema sottostante possiamo vedere come il semiconduttore drogato è montato su un chip, e che due fili d’oro permettono il passaggio di corrente. I fotoni emessi dal semiconduttore vanno ad eccitare uno strato di fosfori depositati sulla superficie. Dalla tipologia e dalla qualità dei fosfori dipende il colore in uscita e la qualità della luce. Una lente di plastica ha il compito di moltiplicare l’effetto e di direzionarlo.
E’ facilmente intuibile che la luce in uscita è direzionale (ha un cono di circa 120° di apertura), a differenza di una lampadina classica, la cui luce viene diffusa a 360°. Nelle lampade classiche, quindi, parte della luce viene dispersa nell’ambiente, anche se con alcuni accorgimenti (specchi, superfici metallizzate), può essere in parte recuperata. Negli illuminatori a LED è possibile, con opportune lenti, restringere il cono al di sotto dei 10°, e quindi concentrare la luminosità in un’area ben precisa.

Perché utilizzare la tecnologia LED?
La tecnologia LED si propone innanzitutto nel settore restauro per la QUALITA’ della luce. Ci sono però molti altri vantaggi (che per esempio sono stati sfruttati per la retroilluminazione dei display dei televisori LCD o nei telefoni cellulari di ultima generazione), quali:

•          Bassissimo consumo energetico
•          Sicurezza dovuta al bassissimo voltaggio
•          Lunghissimo tempo di vita (fino a 100.000 ore per il LED di alta qualità = 11 anni di utilizzo continuo), e quindi ridotta manutenzione (un risparmio indiretto).
•         
Piccole dimensioni e leggerezza.

•         
Alta efficienza luminosa rispetto alle lampade ad incandescenza e alogene.

•          Basso impatto ambientale (niente mercurio).
•         
Ampio range di temperatura di funzionamento (da -40C a + 90°C).


I punti di forza che interessano il nostro settore, oltre a quello della qualità che andremo ad analizzare più sotto, sono:

•          Assenza di radiazioni UV (non si stancano gli occhi e non si degradano gli strati pittorici).
•          Assenza di radiazioni IR (non si scaldano le superfici illuminate).
•          Resistenza a shock e vibrazioni (dovuta all’assenza di filamenti incandescenti).

Per comprendere la diversa qualità della luce emessa dai LED è necessario introdurre alcuni termini tecnici, il principale dei quali è il CRI, ossia l’Indice di Resa Cromatica.

Gli oggetti che non emettono luce propria si presentano di un certo colore perché assorbono parte delle radiazioni luminose che ricevono, e riflettono il resto, che nel suo complesso definisce il colore. Le sorgenti di luce artificiale non emettono tutte le lunghezze d’onda visibili. Per misurare la loro capacità di avvicinarsi al livello ottimale, corrispondente ad una emissione completa su tutte le lunghezze d’onda, come quella della luce solare, si usa il CRI, che è un indice che va da 0 a 100. I LED possono andare da 65 a 95, nella nuova scala basata su 15 bande, o lunghezze d’onda (la vecchia ne prevedeva solo 8).

Altri termini utili sono:

Flusso luminoso_ Si intende la quantità di luce emessa da una sorgente luminosa in un secondo e si misura in lumen (lm).

Illuminamento_ Si definisce come la quantità di luce (quindi il flusso) che colpisce una superficie, e si misura in lumen/m2. L’unità di misura dell’illuminamento è il lux, definito come 1 lumen su 1 m2. Per dare un’idea delle dimensioni in gioco, la terra in una notte di luna piena è illuminata da 1 lux.

Efficienza luminosa_  E’ il rapporto tra il flusso luminoso e la potenza elettrica assorbita. Si misura in lumen/Watt (lm/W). Occorre tenerlo presente nella scelta di una lampada, perché fonti luminose diverse possono assorbire la stessa potenza, ma emettere un flusso differente, richiedendo una quantità di energia diversa. I LED hanno una efficienza luminosa fino a 100 lm/W. Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha un'efficienza luminosa massima di 15 lm/W, una lampada alogena di 25 lm/W ed una fluorescente lineare tipicamente 70 lm/W.

Temperatura di colore_ Con questo termine si quantifica la tonalità della luce. Ogni fonte luminosa ha una sua temperatura di colore che si misura in kelvin (k). Più la temperatura è bassa, più la luce percepita dall’occhio umano è calda: se la temperatura sale, ci si avvicina a tonalità fredde. Per esempio: una lampadina ad incandescenza da 100W ha una temperatura di 2.900 k: una lampadina da 40W tocca i 2.650 k. Importante sottolineare che mentre per una lampada a incandescenza se si varia l'intensità, varia la sua temperatura di colore, ciò non avviene per il LED che mantiene costante la sua temperatura per tutti i livelli di variazione dell'intensità dal 10% fino al 100%. 

High-CRI: il futuro del ritocco

Al di là delle molteplici idee che possono sorgere valutando le proprietà dei LED nel campo dei beni culturali, nella particolare applicazione del ritocco pittorico possiamo individuare la dirompente prospettiva della più recente innovazione nella tecnologia LED: la messa a punto di sistemi High-CRI.

Per comprendere la potenzialità nel campo del restauro di questa innovazione dobbiamo ricordare che i fotoni emessi dai semiconduttori dei diodi vanno ad eccitare uno strato di fosfori depositati sulla superficie. Questi fosfori di diversa tipologia, opportunamente dosati, permettono di ottenere una emissione completa, in tutte le zone dello spettro, e quindi di lavorare con un alto indice di resa cromatica.

Naturalmente la sovrapposizione di molti fosfori porta ad una riduzione dell’efficienza, perché questo materiale funziona in un certo senso da filtro.

La conseguenza è una riduzione del flusso luminoso, ma a vantaggio di una migliore qualità: è soprattutto questo che ci interessa, dato che nelle operazioni di ritocco più complesse una luce non perfetta può evidenziare la zona integrata in fase di esposizione.

Come precedentemente accennato, il CRI fino ad oggi veniva calcolato misurando la risposta spettrale di una sorgente luminosa in otto livelli di colore. Cosi facendo, i costruttori che volevano dichiarare un alto livello di CRI, si sono preoccupati di coprire bene quelle lunghezze d'onda richieste dalla normativa magari anche a scapito delle altre. Queste lampade, dichiarate in questo modo CRI 100, se venissero misurate applicando le regole della nuova normativa che misura il rendimento medio su 15 frequenze (colori), sarebbero notevolmente degradate.

Un esempio sono le luci alogene considerate con CRI 100 ma che non permettono di distinguere perfettamente un blu dal nero o da un marrone scuro.

Questo grafico evidenzia come un led HCRI a luce fredda 5000K° nonostante il picco di rendimento nella zona del blu, sia comunque efficace su tutta la scala cromatica del visibile. Inoltre si nota l'assenza di componenti ultraviolette (sotto i 420 nm) e di infrarosso (sopra 700 nm)

Questa potenzialità è stata intuita dal restauratore Daniele Piacenti, che ha integrato le sue osservazioni anche con la sua lunga esperienza come fotografo. Lo studio è partito dal caso di una problematica integrazione condotta su di una tela di Matteo Rosselli raffigurante San Giovanni Battista (collezione privata). Il problema era particolarmente difficile: era presente un lungo strappo che attraversava il volto in senso orizzontale, a livello del labbro superiore, e che coinvolgeva anche il cielo in azzurro chiaro, colore che era particolarmente sensibile a piccole ma determinanti variazioni cromatiche visto alla luce al neon (5500°K), con la quale si era eseguito il ritocco, ed il sole. E’ stato possibile ottenere un risoltato ottimale utilizzando una sorgente a LED High Cri, e si è così sviluppato un percorso che ha visto coinvolte F&M Progetti Srl, azienda specializzata nell’applicazione dei LED all’illuminazione, e C.T.S. Srl.

Oggi è quindi possibile proporre sul mercato delle lampade appositamente studiate per il restauro pittorico di alta qualità, che presentano tutti i vantaggi di questa innovativa tecnologia, non ultimi quelli del basso consumo e della sicurezza per gli operatori.

Sono le prime di una nuova generazione di corpi illuminanti destinati a rivoluzionare i laboratori.
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