'’Que la lumière soit’’ bleue, pour le Prix Nobel de physique 2014

'’Que la lumière soit’’ bleue, pour le Prix Nobel de physique 2014​

L’attribution du Prix Nobel 2014 de physique aux chercheurs japonais et américain Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura pour leur invention de la diode électroluminescente (LED) bleue

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura ont été récompensés pour avoir réalisée une nouvelle source énergétique efficace et respectueuse de l'environnement capable d’émettre de la lumière par les diodes électroluminescentes bleue (LED).

S’inscrivant dans l’état d'esprit d'Alfred Nobel, la remise du prix pour une invention correspond à une notion majeure celle qui octroiera un plus grand bénéfice à l'humanité.

Ainsi, en utilisant une LED, les alternatives plus durables et plus efficaces représentent un apanage par rapport aux sources de lumière antérieures.

La première émission de lumière par un semi-conducteur date de 1907 et fut découverte par H. J. Round. Quelques années après, en 1927, O. V. Losev dépose le premier brevet de ce qui sera appelé, bien plus tard, une diode électroluminescente. Ce n’est qu’en 1962 que la première LED rouge est créée par Nick Holonyak Jr et S. Bevacqua. Durant quelques années, les chercheurs ont cru devoir se limiter à quelques couleurs telles que le rouge, le jaune ou le vert.

Mais près d’un demi-siècle plus tard, le Led bleue est apparu, dans les années 1990, les recherches, entre autres, de Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia, dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permirent la création de DEL bleue, et par conséquent de DEL blanches, par l’utilisation couplée de DEL bleue et de luminophore jaune. Cette importante avancée fut le point de départ de nouvelles applications majeures : éclairage, écrans de téléviseurs et d’ordinateurs. Le 7 octobre 2014, Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les DEL bleues.

Et lorsque Akasaki, Amano et Nakamura arriveront à Stockholm au début de Décembre pour recevoir leur Prix Nobel, ils auront du mal à ne pas remarquer la lumière de leur invention éclatante dans pratiquement toutes les rues de la ville. Le blanc des lampes à LED sont économes en énergie, durable et émettent une lumière blanche brillante. En outre, et contrairement à des lampes fluorescentes, ils ne contiennent pas de mercure.

Nichia, une entreprise Japonaise de taille moyenne (200-300 personnes en 1975), fournissait à ses clients (fabricants de tube pour l’éclairage, de télévision) ce précieux phosphore. Au cours des années 80, la technologie d’éclairage à phosphore connaissait son apogée, tubes, écran de télévision, utilisaient le procédé d’une excitation du phosphore par une radiation UV-bleue.

Tandis qu’Isamu Akasaki travaillait avec Amano à l'Université de Nagoya, Nakamura en 1979, fut recruté au sein de Nichia afin de développer de nouveaux produits et de prendre en charge le département R&D. Shuji provenait du monde de l’électronique et du semi-conducteur, et se mit en quête de développer un semi conducteur ayant une émission bleue. De 1982 à 1989 il travailla sur différents types de wafer afin de développer une LED bleue suffisamment performante. Au cours de l’année 1989, il y avait 2 méthodes de fabrication des LEDs bleues, utilisant 2 types de matériaux : le séléniure de zinc (ZnSe) et le Nitrure de gallium (GaN).

Quand ils ont obtenu des faisceaux lumineux de couleur bleue de leurs semi-conducteurs, les portes se sont alors ouvertes à une transformation fondamentale de la technologie d'éclairage. Les ampoules à incandescence ont allumé le 20ème siècle; le 21ème siècle va s’éclairer par des lampes LED.

Économiser l'énergie et des ressources :

Une diode émettrice de lumière est constituée d'un certain nombre de matériaux semi-conducteurs en couches. Une LED est un semi-conducteur (diode) qui émet de la lumière quand du courant le traverse. Les matériaux semi-conducteurs que les LED utilisent transforment l’énergie électrique en un rayonnement électromagnétique visible, c’est-à-dire en lumière :

Le stimulant est donc le courant électrique qui passe par la diode (plus spécifiquement par la jonction*. La diode que traverse le courant électrique est – comme toutes les diodes – unidirectionnelle : de la lumière n’apparaîtra que si un courant continu la traverse dans la ‘bonne’ direction, à savoir de l’anode (pôle positif) à la cathode (pôle négatif). La quantité de lumière générée est à peu près proportionnelle à la quantité de courant qui traverse la diode. À des fins d’éclairage, on travaille par conséquent toujours avec des alimentations à courant régulé (‘constant current’),

Dans les ampoules incandescentes, ainsi que dans les lampes à halogène, le courant électrique est utilisé pour chauffer un filament métallique, ce qui fait briller. Dans les lampes fluorescentes (auparavant appelé les lampes basse consommation, mais avec l'avènement de lampes à LED que l'étiquette a perdu son sens) une décharge de gaz est produit créant à la fois de la chaleur et de la lumière.

Ainsi, les nouvelles LED nécessitent moins d'énergie pour émettre de la lumière par rapport à des sources lumineuses traditionnelles. De plus, les LeD sont constamment améliorées, une efficacité avec un flux lumineux plus élevé (mesuré en lumens) par la puissance d'entrée électrique de l'unité (mesurée en watts). L'enregistrement le plus récent est un peu plus de 300 lumens / watt, qui peut être comparé à 16 ampoules ordinaires et près de 70 pour lampes fluorescentes.

Cette distinction récompense des scientifiques qui ont mis au point un procédé innovant faiblement consommateur d’énergie, et qui ont tissé des liens étroits avec le laboratoire Charles Coulomb du CNRS à Montpellier, dont ils sont citoyens d’honneur. Le comité Nobel a insisté sur l’importance cruciale de la LED bleue pour économiser l’énergie, notamment dans les pays en développement où ces diodes permettent d’accéder à l’éclairage grâce au stockage de l’énergie solaire photovoltaïque.

Sans jamais renoncer à leur idée, malgré le scepticisme ambiant, ces chercheurs ont poursuivi pendant plus de dix ans leurs travaux anticipateurs. Ce procédé, qui a vu le jour dans une start-up, est désormais un objet de notre quotidien, des écrans à cristaux liquides de nos télévisions, smartphones et tablettes, au laser bleu des DVD Blu-Ray.

MM. Akasaki, Amano et Nakamura donnent un bel exemple de l’apport de la recherche à l’innovation technologique et au développement de nouvelles activités industrielles qui améliorent la vie quotidienne et font avancer la croissance verte.

La combinaison de la LED (le semi-conducteur), de l’embase et de l’optique primaire est appelée un composant LED. Ce composant LED englobe et protège la LED, veille à ce que la chaleur générée en interne soit également diffusée, et comprend un système optique primaire – disons une petite lentille – afin de collecter et de rayonner la lumière générée par la LED selon un schéma défini.

La LED émet une lumière monochromatique. La couleur de la lumière dépend des matériaux utilisés pendant la production. Il peut s’agir de toutes les couleurs saturées du spectre visible, du violet au rouge en passant par le bleu et le vert.

Si nous voulons produire de la lumière, nous procéderons comme suit :

1. De manière dichromatique:

- La manière la plus courante est de munir une LED bleue d’un matériau luminescent qui transforme une partie de la lumière bleue en lumière blanche (ou plutôt ‘jaune’). La composition du matériau luminescent détermine la température de couleur de la lumière en résultant (plus d’informations sur la température de couleur plus loin dans ce chapitre).

2. De manière trichromatique

- En mélangeant les couleurs rouge, verte et bleue (RGB).

- En combinant des LED blanches selon le premier principe avec des LED rouges ou ambre. Dans ce cas, différentes températures de couleur sont possibles avec un seul module.

LES TYPES DE LED

Les sources lumineuses à LED peuvent être subdivisées de nombreuses façons. Nous distinguons chez ETAP les niveaux suivants :

NIVEAU 1 - LED À OPTIQUE PRIMAIRE

Dans ce cas, le fabricant d’éclairage (ETAP) achète le composant LED, produit lui-même des PCB (printed circuit boards – circuits imprimés) sur mesure et les combine avec une optique secondaire. Cette méthode offre la plus grande flexibilité de conception, car il est possible d’intégrer totalement la forme du module d’éclairage dans le design du luminaire.

On travaille actuellement exclusivement avec des LED SMD (Surface Mounted Device). Ces LED sont soudées directement sur la surface d’un circuit imprimé et présentent une évacuation de chaleur sensiblement meilleure. Ces types sont de conception plus récente et optimisés spécifiquement pour produire des puissances et des flux lumineux supérieurs. Leur durée de vie et leur rendement sont sensiblement améliorés. En termes de puissance, une gamme complète est disponible, allant des LED Low Power (de 70 mW à 0,5 W) aux Power LED (d’1 W à 3 W) et aux High Wattage LED (jusqu’à 90 W). Les flux lumineux par LED varient dans ce cadre de 4 lm par composant à 6 000 lm pour les puissances les plus élevées.

NIVEAU 2 – PCB (printed circuit boards ou circuits imprimés) PRÉGARNIS

Le fabricant d’éclairage achète auprès du fournisseur de LED des circuits imprimés prégarnis. Il s’agit de circuits imprimés sur lesquels une ou plusieurs LED sont déjà montées. L’électronique de commande nécessaire peut également déjà se trouver sur les circuits imprimés, de sorte que les modules peuvent être raccordés simplement sur une source de tension. De tels PCB prégarnis existent en différentes formes d’exécution (ronde, linéaire ou en barrettes, substrats flexibles,...) et peuvent être équipés aussi bien de LED SMD basse puissance (Low Power), que haute puissance. Les PCB linéaires à LED d’Osram ou de Philips en constituent des exemples.

Les circuits imprimés prégarnis offrent d’une part l’avantage de modules d’éclairage prêts à l’emploi. D’autre part, la forme des modules est définie, ce qui limite quelque peu la liberté de création. Il n’est pas non plus possible d’optimiser complètement le type de LED en fonction de l’application visée.

NIVEAU 3 – MODULES LED (lampes complètes)

Les modules LED franchissent une étape supplémentaire : le circuit imprimé prégarni est intégré dans un caisson avec les interfaces électriques et thermiques nécessaires. Une optique secondaire peut également être éventuellement intégrée.

Les modules LED franchissent une étape supplémentaire : le circuit imprimé prégarni est intégré dans un caisson avec les interfaces électriques et thermiques nécessaires. Une optique secondaire peut également être éventuellement intégrée.

Des modules commerciaux sont notamment :

␣␣ les modules LLM (Linear Light Module) et DLM (Downlight Light Module) Fortimo de Philips (voir photo), qui génèrent une lumière blanche sur la base de LED bleues et de la technologie dite du remote phosphor)

␣␣ le module LED Tridonic TALEX

␣␣ la PrevaLED Osram (LED blanches classiques)

␣␣ les modules spot et luminaires de Xicato

␣␣ les tubes LED (par ex. Osram, Philips)

ENCORE À LEURS BALBUTIEMENTS : LES OLED DESTINÉES À L’ÉCLAIRAGE

La diode électroluminescente organique (DELO) ou OLED est une source lumineuse bidimensionnelle. L’OLED consiste en une couche en matière synthétique extrêmement fine (d’environ 100 à 200 nanomètres) insérée entre deux électrodes, l’anode et la cathode. L’anode est toujours transparente, la cathode peut, en fonction de l’application, être transparente ou réfléchissante.

Lors de l’application de courant, de la lumière est produite dans la couche en matière synthétique (comme pour une LED classique) qui s’échappe ensuite vers l’extérieur par une des électrodes. Un avantage de cette source lumineuse est qu’elle est ultramince : appliquée sur un substrat en verre, elle ne fait même pas 2 mm d’épaisseur. Il est en outre possible d’appliquer des OLED sur des substrats flexibles, par exemple pour fabriquer des écrans flexibles ultrafins.

Bien que les OLED soient déjà mises en œuvre commercialement (principalement dans des écrans de petites dimensions), cette technologie n’en est encore qu’à ses balbutiements pour les applications d’éclairage. En effet, le flux lumineux, la durée de vie, la stabilité de couleur et l’uniformité pour les plus grandes surfaces (>10 cm2) sont encore trop limités. Un exemple (statut mi- 2011) : efficacité provisoirement encore limitée, +/- 20 lm/W pour les OLED blanches et 40 lm/W pour les OLED vertes, avec une luminosité de 500 cd/m2.