[EN] Les Led n’ont pas fini de nous étonner… et de nous éclairer

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L’experte : Géraldine Dantelle. Chimiste des matériaux à l’institut Néel (Grenoble) au sein de l’équipe Matériaux, Optique Non Linéaire et Plasmonique, précédemment au Laboratoire de physique de la matière condensée de l’École Polytechnique. Spécialiste des Led et des luminophores qui en régulent la lumière. Médaille de bronze du CNRS en 2014.

Les Led sont aujourd’hui omniprésentes et servent à de multiples usages. Quels sont les progrès qu’on peut encore en attendre ?
Géraldine Dantelle : Il y en a encore dans plusieurs domaines. Sur la qualité de la lumière blanche, car celle des Led est actuellement un peu trop bleue, donc ” froide ». Sur la luminosité, car actuellement, l’efficacité des Led chute pour les fortes puissances et la seule solution est donc de les multiplier, ce qui est coûteux. Sur les matériaux aussi. Par exemple, le cérium est utilisé dans certains types de Led. Or, c’est une terre rare dont les gisements actuellement exploités se trouvent essentiellement en Chine, ce qui complique l’approvisionnement et augmente le coût.
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C’est grâce à ce genre de particules microscopiques que la lumière bleue des diodes est transformée en lumière blanche. Grâce aux progrès réalisés à ce niveau invisible à l’œil nu , les Led des années à venir émettront une lumière plus puissante et plus blanche. © G. Dantelle
Que concoctent les scientifiques comme vous pour améliorer ces questions ?
Par exemple augmenter la quantité de lumière émise. On peut éviter que l’élément qui la produit l’envoie en partie vers l’arrière. Comme l’élément lumineux (la diode) émet une lumière bleue, il faut mettre une couche, les ” luminophores », qui la transforme en lumière blanche. Mais, du coup, elle est en partie renvoyée vers l’arrière : c’est la diffusion. Nous explorons une piste : réduire la taille des grains de luminophores jusqu’à en faire des nanoparticules pour que la lumière traverse la couche sans être trop diffusée. C’est le travail que j’ai commencé au Laboratoire de physique condensée de l’École Polytechnique.
Pourquoi la lumière des Led n’est pas encore d’un beau blancLes diodes électroluminescentes (Light-emitting Diode, ou Led) émettent de la lumière lorsque leur matériau semi-conducteur est parcouru par un courant électrique : pas de filament ni de perte de chaleur. Cette conversion directe de l’électricité en lumière a été découverte en 1907. Longtemps, cependant, on ne savait réaliser que des Led émettant une lumière verte ou rouge. Les inventeurs de la diode bleue ont complètement changé la donne et ont même été récompensés par le prix Nobel 2014. Avec trois diodes de couleur, on obtient du blanc… enfin pas vraiment. En effet, les rendements ne sont pas les mêmes pour les trois couleurs et on ne sait pas en mélanger harmonieusement les teintes. La technique la plus courante est de n’utiliser que des diodes bleues, les plus efficaces, sur lesquelles on ajoute une couche d’une substance absorbant une partie de la lumière bleue pour la réémettre dans une autre couleur : ce sont les luminophores, objets de toutes les attentions des chercheurs. Trop ” froide », c’est-à-dire un peu trop bleue, la lumière des Led convient encore mal à l’éclairage, d’autant que les puissances restent faibles. Mais les recherches actuelles sont actives et il y a encore beaucoup à attendre études fondamentales menées au laboratoire. Réduire la diffusion dans les luminophores, par exemple, c’est augmenter la puissance lumineuse à consommation électrique égale. Améliorer l’efficacité de la conversion électricité-lumière, c’est permettre la réalisation d’éclairages puissants, sous forme de phares, composés d’un seul élément. Les diodes multiples à la mode aujourd’hui sur les voitures sont condamnées…

Nous cherchons aussi à trouver des matériaux plus efficaces et moins chers. Par exemple, le ” YAG est très bon mais coûteux. Pourquoi est-il très bon ? Si nous le comprenons, alors nous pourrons chercher un autre matériau. Et nous avons compris ! Lors d’une recherche effectuée à l’université de Santa Barbara, aux États-Unis, et à laquelle j’ai participé, nous avons découvert que le YAG présente une certaine caractéristique (une grande rigidité interatomique) et nous pouvons chercher maintenant d’autres matériaux qui ont cette propriété.
Quelles améliorations sortiront des laboratoires ?
OnLa recherche, très active, porte notamment sur l’augmentation du rendement des diodes à lumière bleues dans les fortes puissances. Nous aurons alors des Led d’éclairage bon marché, qui remplaceront les lampes basses consommations actuelles. Même avec une lumière peut-être un peu froide, elles permettront d’apporter de la lumière là où il n’y en a pas assez, dans les pays en développement. Il y a également des recherches sur les luminophore orange-rouge, qui permettront de mieux maîtriser la ou les couleurs des éclairages. Dans les années à venir, les Led vont donc continuer à se multiplier dans les maisons, dans l’éclairage public et dans les automobiles.

Un prix Nobel a récompensé l’invention des Led bleues, qui ont permis de créer toutes les couleurs possibles et donc aussi le blanc. © Akimbomidget, CC, by-sa 2.5Sur le même sujet
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