sindbad001
07/11/2013, 12h25
Dossier : tout sur les Led, un éclairage d'avenirDécouvrez le dossier « Les Led, l’éclairage de demain ». Des phares de voiture aux luminaires du salon, les Led sont partout. Apprenez comment elles fonctionnent, comment on les fabrique, et les raisons qui font des Led les sources de lumière de choix pour demain. Les paramètres qui distinguent les Led seront aussi passés en revue.
La technologie Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/), qui a plus de 100 ans maintenant, n’en finit plus de dévoiler ses performances. Toujours plus efficaces, encore plus fiables, les Led des années 2010 présentent maintenant des colorimétries (et en particulier les Led blanches) leur permettant d’être intégrées dans les applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/)d’éclairage les plus contraignantes, mais également les plus exigeantes, requérant des niveaux de performances identiques voir supérieurs aux technologies plus traditionnelles (incandescence (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-incandescence-6978/), fluorescence, décharge).Des rendements supérieurs à 120 lm/W sur des modèles de Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/)commerciaux et disponibles à la vente sont désormais possibles, atteindre plusieurs dizaines de milliers d’heures sans pertes trop importantes (inférieures à 30 %) est monnaie courante, et desspectres (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-spectre-1663/) de Led blanches validés par des concepteurs lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) et autres conservateurs de musée existent et sont disponibles.Des pays ont été les précurseurs de cette technologie (États-Unis, Japon), notamment dans les années 1950 et 1960 quand les premières Led rouges puis jaunes (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-led-vertes-lumiere-blanche-23371/) sont nées, puis dans les années 1990 avec les premières productions de Led bleues et de Led blanches.
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Des Led ont été utilisées dans la réalisation de cette image abstraite. Ainsi, la technologie Led inspire aussi les artistes, en plus de trouver une utilité dans de nombreuses applications du quotidien. © Chínmay, Flickr, cc by nc sa 2.0
Pour l’année 2012, l’Asie représentait plus de 70 % du chiffre d’affaires en matière de revenu pour les sociétés qui fabriquent des Led (fabricants de puces et ceux de Led confondus), et pour 2013, il semble que cette proportion s’accentue encore en défaveur de l’Occident.Toutefois, la surcapacité de certains fabricants, couplée à une conjoncture économique et à des développements d’applications nécessitant de moins en moins de composants (performances croissantes), nous a plongés dès 2011 dans une période relativement turbulente pour les prévisions de futures performances et de réalisations de chiffre d’affaires. Seules les applications d’éclairage (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/actu/d/medecine-eclairage-led-attention-yeux-25795/)présentent aujourd’hui des marges de progression importantes, d’autant qu’au fil du temps, de nouvelles idées sclérosées jusque-là (par manque de performances, prix trop élevés, etc.) réapparaissent et peuvent être mises sur le marché.
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Les Led blanches s’invitent progressivement dans les applications d’éclairage, car leur spectre d’émission peut être proche de celui des lampes à incandescence par exemple. © Mike Deal, Flickr, cc by nc nd 2.0
Dans ce dossier, Laurent Massol (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/personnalites/d/high-tech-laurent-massol-1273/), auteur du livre Les Led pour l'éclairage, aux éditions Dunod (http://www.dunod.com/), explique ce qu’est une Led, apporte des précisions sur cette technologie et en explique le fonctionnement, mais balaye aussi les paramètres indispensables à maîtriser pour permettre d’identifier, de sélectionner et d’intégrer des Led dans une application d’éclairage. Les récentes performances des composants et des applications seront ensuite présentées, pour donner au lecteur une vision d’ensemble des paramètres technicoéconomiques de cette technologie.
Une Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) (light emitting diode, ou encore diode électroluminescente) est un composant électronique qui émet de la lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) à partir d’une excitation électrique.Un semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/), fabriqué à partir de l’empilement de couches de différents matériaux et d’épaisseurs différentes, constitue ce que nous pourrions appeler le moteur du composant en créant une jonction semi-conductrice. Celui-ci est soudé sur un support qui est à la fois conducteur de courant et de chaleur, puis protégé par une couche de matériau transparent (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-transparent-1646/), permettant de laisser passer la lumière émise (souvent un dôme de silicone (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-silicone-2847/) dans le cas des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) de puissance).
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Les applications qui utilisent les Led sont très nombreuses, de l’éclairage domestique aux feux de voiture. © Led Engineering Development
Cette lumière est relativement monochromatique (sa largeur d’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) en termes de longueur d’onde est étroite, de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-nanometre-2517/)), et pour pouvoir émettre de la lumière blanche, une couche de luminophore (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/) permet de convertir cette lumière monochromatique en lumière de plus large spectre (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-spectre-1663/) (voir l’image ci-dessous).
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Schéma d'une Led de puissance blanche. La couche de luminophore permet d’élargir le spectre d’émission de la Led. © Semileds
Suivant les fabricants, l’alimentation électrique du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) est faite par l’intermédiaire de fils d’or (de diamètre de quelques dizaines de microns (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-micron-5146/)) ou par des méthodes de via électrique au travers du semi-conducteur lui-même, sorte de petits puits métallisés conduisant donc le courant (voir ci-dessous).En appliquant une polarité aux bornes de la Led et en lui injectant un courant (maîtrisé), le semi-conducteur va émettre de la lumière (relativement monochromatique). Suivant la fabrication du semi-conducteur et des différents matériaux employés, la couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) émise sera différente, allant de l’UV (certaines Led émettent autour de 275 nm) au proche infrarouge (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/qr/d/matiere-chaleur-rayonnement-infrarouge-1780/) (850 nm).
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Schéma d’une Led de puissance blanche. On distingue nettement les via électriques, qui conduisent le courant au travers du semi-conducteur. © Nichia
La principale différence entre les Led blanches et les Led de couleur réside dans le fait que les Led blanches possèdent un luminophore supplémentaire de couleur jaune-orange permettant de reconstituer un spectre d’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-spectre-antihydrogene-commence-livrer-secrets-37515/) relativement plat. Pour cela, le semi-conducteur émet une lumière bleue (et monochromatique), qui est absorbée en partie par le luminophore et transformée par celui-ci en couleurs allant du vert au rouge. La superposition de cette émission et du bleu qui n’a pas été absorbé permet de recréer le spectre de la lumière blanche ou tout du moins de s’en rapprocher (voir la figure ci-dessous).
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Méthode de création d’un spectre de lumière blanche. La Led blanche (a) contient un luminophore (b) qui émet dans des longueurs d’onde différentes de celles produites par le semi-conducteur (ici le bleu, c). Le tout est complémentaire, et permet d’obtenir une lumière blanche (d). © Led Engineering Development
Les premières Led blanches, qui étaient fabriquées à la fin des années 1990, mettaient en œuvre des luminophores de qualité toute relative, et le mode de dépôt de ces luminophores, couplé à cette qualité, aboutissait souvent à des spectres bleutés (voir ci-dessus), où la part de bleu non absorbée était difficilement maîtrisable et souvent trop importante (température de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-couleur-tous-eclats-1396/) froide des Led).Une autre raison peut être évoquée à cette colorimétrie. Le manque de rendement des puces semi-conductrices bleues de cette époque ne permettait pas de mettre en œuvre des luminophores plus absorbants (afin de restituer les autres couleurs du spectre), qui pour nombre d’entre eux existaient déjà, et étaient issus des technologies précédentes. Il faut rappeler que la société Nichia, actuellement un des leaders dans la fabrication des Led, était avant tout un fabricant de luminophores, notamment pour le marché destubes fluorescents (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/4/).
Dès lors que le principe de puce semi-conductrice bleue couplée à un luminophore a pris ses marques, de multiples technologies complémentaires sont apparues pour améliorer les rendements, proposer de nouveaux spectres (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-spectre-1663/) lumineux ou encore améliorer les durées de vie des composants.Parmi les technologies Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) qui sont apparues, nous pouvons citer la technologie flip chip qui, tout en limitant l’emploi de fils d’or pour l’alimentation, a ouvert la voie de la dissipation de la chaleur se faisant par des thermiques au travers dusemi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/) lui-même. De nombreuses améliorations sur les luminophores (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/), notamment l’utilisation de différents types mélangés entre eux, ou simplement de nouveaux matériaux, ont abouti à des spectres de Led blanches de plus en plus proches des technologies de type incandescence (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-incandescence-6978/). Technologies vers lesquelles, naturellement, on a voulu se rapprocher lors de l’arrivée de cette nouvelle méthode d’éclairage que constituent les Led (voir figure ci-dessous).
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Spectre de Led de type blanc chaud. Grâce à diverses technologies, les Led blanches se sont rapprochées des technologies d’incandescence. © Dunod
Nous avons décrit brièvement de quoi est constitué une Led, et nous allons balayer cela en détail en faisant un focus sur les Led blanches, pour lesquelles existe une si grande attente de performances pour les applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/) d’éclairage. Les Led de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-couleur-tous-eclats-1396/) étant quant à elles réservées aux applications décoratives, architecturales ou de signalisation. Toutefois, il faut garder à l’esprit que les Led sont constituées d’un semi-conducteur bleu, très proche de ceux employés pour la fabrication de Led bleues, ce qui rend les Led blanches relativement proches d’un point de vue comportemental.
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Une Led blanche fonctionnant en courant alternatif à 220 volts (220VAC). On distingue les fils d’or employés pour l’alimentation. © Led Engineering Development
Les organes principaux qui constituent une Led sont :
le semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/), qui est le moteur de la Led. Convenablement alimenté, il produit unelumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) dont la couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) correspond aux propriétés intrinsèques du semi-conducteur ;
le boîtier de la Led, qui permet de réaliser une protection du semi-conducteur pour l’intégration de la Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) dans les applications, mais qui a aussi une fonction importante, qui est de dissiper la chaleur dégagée par le semi-conducteur au travers des pattes d’alimentation ou de pads (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/high-tech-pad-1271/) de dissipation thermique présents chez certains fabricants ;
la lentille (http://www.futura-sciences.com/magazines/nature/infos/dico/d/botanique-lentille-7665/) primaire, qui surmonte le boîtier pour encapsuler le semi-conducteur, et éventuellement le luminophore dans le cas des Led blanches, mais aussi les fils d’or d’alimentation pour les modèles qui en possèdent.
Comme nous l'avons mentionné précédemment, le semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/) est le moteur de la Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/). Il est constitué d’un empilement de différentes couches, et suivant la méthode d’alimentation choisie par le fabricant, la structure du semi-conducteur est différente.Il existe différents différents types de structure de semi-conducteurs (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/)utilisés dans la fabrication des Led (voir l’illustration ci-dessous) :
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Structures de semi-conducteurs les plus répandues : latérale (a), verticale (b) et flip chip (c). Le détail de chaque structure est donné dans le texte ci-dessous. © Led Engineering Development
structure latérale à fil d’or : l’alimentation se fait quasiment sur un même plan, avec un léger décroché pour l’une des deux électrodes pour permettre de réaliser la zone active du semi-conducteur de quelques microns (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-micron-5146/) ;
structure verticale à fil d’or : Dans ce cas, l’alimentation se fait par le dessus du semi-conducteur, qui est soudé sur une embase qui conduit le courant ainsi que la chaleur ;
structure flip chip : Des microbilles assurent dans ce cas de figure la conduction électrique, le tout se faisant par le dessous de la puce semi-conductrice, anode (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/informatique-batteries-dix-fois-meilleures-cest-possible-34759/) commecathode (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/chimie-cathode-332/).
Le semi-conducteur produit une lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) relativement monochromatique, et il est possible de créer un grand nombre de couleurs (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) suivant le type de semi-conducteur utilisé.Toutefois, ils ne se comportent pas de la même manière face aux sollicitations électriques et thermiques. Ainsi, une Led constituée d’un semi-conducteur émettant dans le rouge ou l’ambre est beaucoup plus sensible à la température qu’un semi-conducteur émettant du bleu. Alors que la Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/)rouge perd plus de 50 % de son flux si le semi-conducteur fonctionne autour de 70 ou 80 °C (par rapport à celui émis pour une température de la jonction autour de 25 °C), un semi-conducteur émettant dans le bleu perdra dans des conditions thermiques identiques de l’ordre de 5 à 10 % de son flux initial (à 25 °C).En termes de taille, c’est le prix des wafers (http://www.futura-sciences.com/magazines/terre/infos/dossiers/d/geologie-coeur-silice-silex-wafer-567/) (les galettes de silicium sur lesquelles sont déposées les différentes couches de matériaux), les technologies mises en jeu et le type de Led qui définissent la taille des semi-conducteurs, qui peut aller de quelques dizaines de microns à deux ou trois millimètres. La difficulté dans les processus de fabrication étant de déposer des couches très fines de matériaux, de façon uniforme et sur des surfaces les plus grandes possible, afin de fabriquer des puces semi-conductrices de performances proches. Ainsi, lors de la découpe de ces puces, la disparité en performances (optiques et électriques) est peu importante et permet de fabriquer des lots de Led complets (diminuant de ce fait les coûts de fabrication).
Le semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/) a besoin d’être encapsulé de telle sorte qu’il puisse être alimenté, et surtout que la chaleur qu’il génère (en général de 45 % à 75 % de la puissance électrique consommée, et même jusqu’à 90 % pour certaines Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) UV) puisse être dissipée vers l’extérieur.Il existe aujourd’hui de très nombreux modèles de boîtiers et de formes de Led, fabriqués dans des matériaux différents (résines, céramiques, métaux).Pour les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) de puissance importante (à partir de 0,25 W de consommation), la tendance est plutôt de s’orienter vers des boîtiers CMS (composants montés en surface), qui ont des capacités d’extraction thermique bien plus importantes que leurs homologues de type traversant.
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Différents boîtiers de Led : traversant (a), CMS sans pad de dissipation thermique de type PLCC4 (b) et CMS avec pad de dissipation thermique de type 5630 (c). © Led Engineering Development
Les pattes d’alimentation peuvent servir de dissipation thermique dans le cas des boîtiers traversants, y compris pour des boîtiers CMS, mais c’est d’une efficacité bien inférieure à despads (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/high-tech-pad-1271/)thermiques situés en dessous de la Led et en contact avec la puce.Quelques ordres de grandeur en matière de résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/) thermique, ce qui représente pour une Led sa capacité à dissiper la chaleur dégagée par le semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) ; plus la résistance thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-thermique-10891/) est faible (en kelvin (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-kelvin-353/) par watt (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-watt-370/), K/W), plus la capacité de la Led à dissiper la chaleur est importante :
Led traversantes : souvent entre 150 et 350 K/W ;
Led CMS sans pad de dissipation thermique : souvent entre 50 et 200 K/W ;
Led CMS avec pad de dissipation thermique : entre 10 et 80 K/W.
Du côté des matériaux, il existe principalement des boîtiers en résine dure (voir la figure ci-dessous) et en céramique (http://www.futura-sciences.com/magazines/sciences/infos/dossiers/d/geographie-promenade-limousin-742/page/5/).À la fin des années 2010, de plus en plus de Led de puissance « intermédiaire » (entre 0,2 W et 0,6 W de consommation) en boîtier céramique ont commencé à faire leur apparition (figure ci-dessous, b), même si dès le début des années 2000, quelques modèles en céramique pour de faible puissance et des puissances intermédiaires existaient déjà.
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Boîtiers de Led CMS de puissance intermédiaire en résine (a) et en céramique (b). © Led Engineering Development
Pour les Led de puissance (voir ci-dessous), les boîtiers en céramique sont apparus plus tôt, dès le début des années 2000, pour des raisons de robustesse, de dissipation thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-nanotubes-nouvelle-theorie-dissipation-chaleur-8123/) et de coefficient de dilatation (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-dilatation-3251/), permettant de rendre les applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/) d’éclairage performantes dans le temps. Il existe tout de même beaucoup de modèles en résine (parfois pour des raisons de prix).
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Boîtiers de Led CMS de puissance en résine (a) et en céramique (b). © Led Engineering Development
Dans les années 2010, en même temps que l’accélération de l’adoption des boîtiers céramiques, les dimensions se sont réduites à des boîtiers de 4 mm à 6 mm de côté.
En grande partie pour des raisons d’extraction lumineuse, beaucoup de boîtiers de Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) intègrent aujourd’hui des lentilles (http://www.futura-sciences.com/magazines/nature/infos/dico/d/botanique-lentille-7665/)primaires en forme de dôme, et souvent en silicone (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-silicone-2847/)souple.De nombreux modèles de boîtiers de Led ont existé et existent encore. On compte notamment ceux intégrant des lentilles de verre (http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/developpement-durable-recyclage-traitement-dechets-932/page/10/) (cas des modèles XRE du fabricant Cree dès les années 2002-2003), des lentilles en plastique (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-plastique-autocicatrisable-sensible-42612/) ne résistant pas à certains processus de refusion des Led (et donc abandonné rapidement, cas de certains modèles de Led du fabricant Osram), des modèles de lentille préformée ou encore des modèles de Led où le haut boîtier est rempli de résine (souple ou dure), et qui constitue la lentille primaire. D’autres méthodes moins courantes consistent à coller ou surmouler des lentilles (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-optique-lentilles-ultrafines-promettent-images-parfaites-40886/) primaires de forme rectangulaire ou carrée.
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Types de lentilles primaires : verre (a), résine dure préformée (b et c) et silicone (d). © Led Engineering Development
L’un des principaux travaux des fabricants actuellement consiste à améliorer encore l’extraction lumineuse, avec également comme objectif de créer des formes de faisceaux particulières directement au niveau de la Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), pour faciliter les intégrations des composants dans les solutions et limiter les pertes optiques.
Pour la création d’une lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) blanche, nous avons vu qu’il est souvent mis en œuvre un semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/) bleu, coiffé d’un luminophore. Celui-ci est sous forme de poudre que l’on noie dans un encapsulant (la plupart du temps des silicones (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-silicone-2847/) ou des résines dures, voire dans certains cas des céramiques particulières).Les deux principaux types d’évolutions des luminophores (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/) de ces dix dernières années sont l’amélioration des matériaux les constituant (nouveaux types de matériaux, nouvelles méthodes de création des poudres) d’une part, et d’autre part les méthodes de dépôt de ces luminophores encapsulés. Les matériaux nouveaux ont permis d’améliorer l’efficacité ainsi que la qualité des blancs obtenus. Quant aux méthodes de dépôt, elles ont accru un peu plus l’efficacité, mais ont avant tout permis de mieux maîtriser l’uniformité colorimétrique du faisceau et ont fait réaliser des économies du point de vue des matériaux.
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Méthodes de dépôt de luminophore : liquide dans le boîtier (a), liquide dans une lentille en résine dure retournée (b), en épaisseur maîtrisée uniquement sur la puce semi-conductrice (c), en spray avec masque (d). © Led Engineering Development
L’encapsulation dans un réceptacle est toujours réalisée, mais de moins en moins pour les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) de puissance. Pour les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) de semi-puissance de type 5630, de nombreux modèles emploient encore cette méthode. Pour mieux maîtriser les quantités de matériaux employés et aussi les épaisseurs, les fabricants utilisent aussi une lentille (http://www.futura-sciences.com/magazines/nature/infos/dico/d/botanique-lentille-7665/) de résine transparente déjà formée et dans laquelle on vient verser le luminophore sous forme de liquide visqueux, puis que l’on recouvre tête-bêche par le boîtier de la Led pour réaliser le collage (liquide dans une lentille en résine dure retournée, dans l’image ci-dessus). Enfin, les deux dernières méthodes consistent à recouvrir de façon sélective (par masque) et en maîtrisant l’épaisseur, soit uniquement la puce semi-conductrice, soit éventuellement de façon un peu plus large.Au début des années 2010, une autre méthode consiste à déposer le luminophore directement sur lewafer (http://www.futura-sciences.com/magazines/terre/infos/dossiers/d/geologie-coeur-silice-silex-wafer-567/) après le processus de croissance épitaxiale. Les avantages sont nombreux, notamment diminuer encore les quantités de matériaux, améliorer la maîtrise de l’épaisseur de luminophore (uniforme sur la puce elle-même, mais également entre Led du même wafer (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/informatique-wafer-2460/)) et gagner du temps de production.
La documentation des constructeurs de Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) n’a pas été créée dans le respect d’une certaine charte, pour la simple et bonne raison qu’il n’en existait pas. Actuellement, c’est plus l’utilisateur final qui a influencé l’ensemble des fabricants à suivre une certaine façon de réaliser cette documentation, mais il reste encore beaucoup de choses qui changent d’un fabricant à l’autre, et qui rendent parfois difficile la lecture de ces documents.En plus des diverses difficultés liées à la documentation sur les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), des erreurs grossières apparaissent parfois (unités mal utilisées : un flux encandelas (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-candela-345/), par exemple) et des incohérences sont présentes lorsque les documentations sont issues de traductions. De plus, les conditions de test de certains paramètres sont parfois différentes (mesure de flux en mode continu ou impulsionnel), et les définitions de ces paramètres sont parfois elles-mêmes ambiguës (résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/) thermique entre la jonction et le boîtier externe de la Led, ou entre la jonction et la température ambiante avec une mise en œuvre de la Led sur un support mal défini lui aussi).
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Des guirlandes de Noël placées en rotation. On remarque des Led vertes, bleues ou encore rouges. Il est parfois difficile de s’y retrouver dans les paramètres pris en compte dans la documentation des Led. © Duane Schoon, Flickr, cc by nc sa 2.0
C’est dans ce contexte que nous souhaitons apporter des précisions sur les principaux paramètres des Led, sur lesquels il faut être attentif non seulement pour la valeur, mais également pour les unités.Une liste non exhaustive pourrait être la suivante, sans ordre d’importance, en donnant l’unité :
flux lumineux : en lumens (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumen-355/) (lm) ;
rendement : en lumens par watt (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-watt-370/) (lm/W) ;
intensité : en candelas (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/actu/d/medecine-eclairage-led-attention-yeux-25795/) (cd (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/high-tech-cd-1149/)) ;
tension d’alimentation nominale : en volts (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-volt-369/) (Vf pour forward voltage) ;
résistance thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-thermique-10891/) : en kelvins (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-kelvin-353/) par watt (K/W) ;
coordonnées chromatiques : sans unité, surface délimitée sur le diagramme CIE 1931 (nommé X-Y) par quatre points de façon générale ;
dérive des coordonnées chromatiques (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/matiere-couleur-mysteres-757/page/15/) en fonction de la température de la jonction de la Led ;
température de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-temperature-couleur-1962/) (corrélée) : en kelvins (K) ;
courant nominal de fonctionnement : en ampères (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-ampere-328/) (A) ;
courant à respecter pour différentes températures de la jonction semi-conductrice : sous forme graphique ;
température de stockage et de fonctionnement : en degrés Celsius (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-celsius-333/) (°C) ;
température maximale avant détérioration du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) : en degrés Celsius ;
profil en température permettant de souder les composants dans de bonnes conditions thermiques ;
forme de l’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) lumineuse, sur un graphique représentant deux directions en général.
Parmi les nombreuses propriétés des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) qui entrent en ligne de compte pour effectuer des comparaisons, nous entrons dans les détails pour les principaux éléments : flux lumineux, rendement, tension et résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/).Flux lumineux (lm)
On exprime le flux lumineux en lumens (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumen-355/), et il permet de comparer deux sources de qualité colorimétrique proches (couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) et types de blancs similaires) sans avoir besoin d’autres caractéristiques. Une erreur fréquemment rencontrée est de trouver cette valeur exprimée encandelas (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-candela-345/).Pour les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) dédiées à l’éclairage, cette valeur est indispensable et il est rédhibitoire de notre point de vue si elle ne figure pas de façon explicite dans la documentation.Le flux lumineux permet de donner à l’utilisateur une information sur la quantité d’énergie lumineuse disponible pour réaliser l’application (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/)d’éclairage. Les domaines dans lesquels cette information est importante sont l’éclairage général, l’éclairage de surfaces quelconques ou toute autre application d’éclairage, pour lesquels le résultat attendu est une quantité de lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/actu/d/astronomie-lumiere-accelere-rotation-asteroides-effet-yarkovsky-10495/) à un endroit donné.
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Cette voiture de la marque BMW arbore des Led dans ses feux. © Nozilla, cc by nc 3.0
Rendement (lm/W)
Depuis le début des années 2010, le rendement apparaît dans les documentations, mais elle reste encore peu présente. Elle peut toutefois se calculer à partir d’informations des constructeurs, mais il faut pour cela prendre quelques précautions, car les propriétés des Led évoluent avec la température.Intensité (cd)
Cette information est utile pour des applications qui requièrent une visibilité de l’objet éclairant. En d’autres termes, les applications d’éclairage qui ont comme fonctionnalité d’attirer l’œil ou tout autre capteur pour prévenir d’une présence nécessitent cette information. Nous pouvons citer par exemple les applications routières (panneau de sécurité d’autoroute orange clignotant, feux de signalisation (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/)routière), des applications de signalisation et de balisage aérien, etc.
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Des Led bleues. Pour obtenir cette couleur, on peut utiliser un semi-conducteur en séléniure de zinc (ZnSe), en nitrure de gallium-indium (InGaN) ou en carbure de silicium (SiC). © Alexofdodd, cc by nc 3.0
Tension d’alimentation (Vf)
Les Led se pilotent en courant, c’est-à-dire que le courant qui alimente les Led doit être maîtrisé et régulé. La raison est simple : la tension d’alimentation des Led ayant une valeur nominale, mais variable en fonction de la température du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/), cette tension diminue lorsque la température du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) augmente. Ainsi, si l’alimentation fournit une tension stable à la place d’un courant stable, si le besoin en tension aux bornes des Led devient moins important et si l’alimentation est en mesure de fournir le courant demandé par les Led, pour avoir une tension aux bornes des Led identique même avec un accroissement de chaleur, les Led demandent de fonctionner avec un courant supérieur.De plus, pour dimensionner les systèmes électroniques d’alimentation des Led, cette information (Vf) est indispensable, ainsi que sa variation en fonction de la température. Certaines Led ont des Vf différentes dues à la technologie du semi-conducteur lui-même (pour des Led rouges, Vf vaut 1,9 V, alors que pour des Led vertes, on a une Vf de 3,5 V).
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Led rouges, bleues, jaunes, vertes... De plus en plus de bâtiments arborent des Led à des fins décoratives, comme le BC Place Stadium, un stade à Vancouver, au Canada. © Totororo.roro, cc by nc 2.0
Résistance thermique (K/W)
Cette caractéristique est primordiale pour l’intégration des Led dans les applications, notamment lorsque la température de fonctionnement du luminaire (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/qr/d/decoration-eclairage-salle-bain-choisir-4334/) est élevée. En effet, la résistance thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-thermique-10891/) des Led définit leur capacité à extraire la chaleur générée par le semi-conducteur vers l’extérieur du boîtier, pour ensuite être dissipée vers l’extérieur du luminaire (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-luminaire-10761/). Si les Led intégrées dans une application d’éclairage ont une résistance thermique importante, cela signifie que la température de fonctionnement du semi-conducteur va être élevée par rapport à la température interne du luminaire. Si celle-ci est également élevée, la température de fonctionnement du semi-conducteur peut atteindre des niveaux pour lesquels les caractéristiques optiques (flux, couleur) ainsi que la durée de vie sont fortement détériorées.
Nous poursuivons notre description des caractéristiques importantes des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) avec des données électriques et optiques : coordonnées chromatiques et température de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-temperature-couleur-1962/), courant nominal de fonctionnement, températures de stokage et de fonctionnement et enfin l’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) lumineuse.Coordonnées chromatiques et température de couleur
Ces informations déterminent la qualité colorimétrique des Led decouleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) et des Led blanches. C’est important de les connaître, mais également d’avoir leurs variations en fonction de la température et du courant injecté dans les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), en particulier pour des applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/) RGB.En ce qui concerne la température de couleur (CCT), les valeurs nominales sont données avec des valeurs minimale et maximale sur toute la gamme, mais il est important d’avoir pour un modèle de Led bien précis l’intervalle (plus réduit) correspondant.
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Courant admissible en fonction de la température de jonction dans la Led. On voit que ce courant diminue significativement quand la Led dépasse 80 °C au niveau de la jonction. © Led Engineering Development
Courant nominal de fonctionnement
Bien que le courant nominal de fonctionnement soit défini en mode continu la plupart du temps, les fabricants donnent également le maximum admissible en mode continu et pulsé. Ce courant nominal définit le mode « normal » d’alimentation, pour lequel les performances optiques et thermiques ont été validées. Si l’on s’écarte de cette valeur, des courbes dites de « derating » permettent de retrouver les informations à une température donnée (voir figure ci-dessus).Températures de stockage et de fonctionnement
Les températures maximales de stockage sont souvent importantes (au-delà de 100 °C) et sont accompagnées en général d’un taux d’humidité (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dossiers/d/maison-humidite-maison-lutter-remontees-capillaires-1635/page/3/) à ne pas dépasser (permettant aux composants d’être intégrés aux applications et de garder leurs propriétés lorsqu’ils seront en fonctionnement). Il s’agit souvent d’une température ambiante.En ce qui concerne la température de fonctionnement maximale des Led, il faut être attentif aux conditions que donne le fabricant, notamment s’il s’agit d’une température ambiante (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-premier-maser-fonctionnant-temperature-ambiante-40708/) (nous avons alors besoin de connaître le design d’intégration de la Led pour évaluer le bon fonctionnement). Si la documentation précise une température maximale de jonction, la valeur de la résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/) thermique sera nécessaire pour vérifier que la Led ne s’échauffe pas trop, ainsi que le courant maximal admissible.Une chose importante : la température de fonctionnement maximale ne signifie pas qu’en dessous de cette valeur, la Led fonctionne « normalement ». Cette valeur représente la limite de fonctionnement au-delà de laquelle le composant à de grandes chances de se détériorer rapidement.Forme de l’émission lumineuse
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Diagramme d’émission lumineuse d’une Led. Cette figure permet de se faire une idée de la forme du faisceau lumineux émis par la diode. © Nichia
Pour exploiter les performances d’une Led au maximum, la connaissance de la forme de son faisceau est importante (voir figure ci-dessus). De plus, cela permet d’évaluer parfois la qualité de fabrication d’une Led, notamment pour les Led blanches, dont la qualité du dépôt de luminophore (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/) noyé dans l’encapsulant constitue l’une des difficultés les plus importantes lors de la fabrication des composants.
Il existe beaucoup de fabricants et de très nombreux modèles deLed (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) ayant chacun leurs spécificités en matière de flux, de qualité spectrale, de forme d’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) lumineuse ou encore de performances thermiques. Nous allons discuter ici de ces performances, en précisant à chaque fois le type de Led évalué.
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Il existe des voyants Led de différentes tailles et couleurs, notamment pour la mise au point d’interfaces Homme-machine. © Nowakowska, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0
Le flux lumineux
Les valeurs communément rencontrées courant 2013 pour des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) blanches monopuces (de tension d’alimentation comprise entre 2,9 VDC et 3,5 VDC, en mode continu) sont les suivantes, en fonction des différents courants (considérant des Led de type « top emitting » c’est-à-dire d’émission perpendiculaire au plan de soudure (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-soudure-3489/) des Led) :
pour 20 mA, 1 à 4 lumens (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumen-355/) ;
pour 60 mA, 5 à 30 lumens ;
pour 120 mA, 20 à 50 lumens ;
pour 200 mA, 40 à 70 lumens ;
pour 350 mA, 80 à 130 lumens ;
pour 500 mA, 100 à 160 lumens.
Bien entendu, ces valeurs sont des flux lumineux constatés sur des Led du commerce que Led engineering Development a testées, mais dépendent fortement de la colorimétrie (http://www.futura-sciences.com/magazines/sciences/infos/actu/d/recherche-nouveau-procede-colorimetrique-reconnaissance-virus-2927/) (et notamment du type de blanc émis, chaud, neutre ou froid) ainsi que du tri (en flux) réalisé par les fabricants eux-mêmes.Le rendement (lm/W)
Avant de donner quelques ordres de grandeur, il convient de faire quelques précisions sur ce que nous appelons rendement. En effet, il existe différents types de rendement dans une Led qui correspondent aux différentes étapes de conversion de l’énergie électrique en énergie lumineuse visible par l’œil. Nous allons nous focaliser sur le rendement lumineux (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-pled-ecrans-plats-plus-lumineux-11849/) global, c’est-à-dire le pourcentage d’énergie électrique injectée converti en lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/). Dans le cas des Led de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/), nous parlerons en pour cent (mis à part le vert et le rouge pour lequel l’emploi de l’unité lm/W peut être fait) et pour les Led blanches, nous donnerons les deux informations (pour cent et lm/W).Depuis qu’il est envisageable d’intégrer des Led blanches dans des applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/)d’éclairage général, le rendement est, avant tous les autres, le paramètre qui intéresse les utilisateurs (tout en garantissant une qualité de la lumière émise).En ce qui concerne les Led blanches (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-bientot-oled-blanches-grace-platine-49099/), il a considérablement augmenté depuis 10 ans, passant de moins de 15 lm/W à plus de 120 lm/W à fin des années 2012, pour des composants produisant plusieurs dizaines de lumens en terme de flux, avec des types de blancs neutres (CCT comprises entre 3.500 et 4.000 K).En 2013, certaines Led blanches atteignent plus de 35 %, ou encore près de 130 lm/W (toujours pour des blancs dont les CCT se situent autour de 4.000 K), mais la grosse majorité est comprise entre 80 et 110 lm/W.Pour les Led de couleur, beaucoup de progrès ont également été effectués, notamment pour le rouge où certains modèles de Led atteignent plus de 100 lm/W. En ce qui concerne les Led vertes, même constat, avec des valeurs supérieures à 100 lm/W. Pour les Led bleues, la progression a été un peu plus lente et a connu une accélération à partir des années 2010, pour atteindre plus de 50 % de rendement.La résistance thermique
Elle est le résultat de l’intégration du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) dans le boîtier de la Led. Si cette intégration est de qualité, avec des processus de fabrication maîtrisés, il est possible d’atteindre de faibles valeurs de résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/) thermique (voir figure ci-dessous), permettant aux composants d’être sollicités de façon importante même s’ils fonctionnement à des températures élevées.
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Résistances thermiques de Led de puissance du marché en 2013. Une faible résistance thermique permet de limiter la diminution des performances. © Led Engineering Development
Suivant les types de Led, ces résistances thermiques (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-thermique-10891/) peuvent être importantes (plus de 400 K/W), mais s’il l’on regarde l’accroissement de température entre la jonction et la carte électronique sur laquelle est soudée la Led, il peut rester raisonnable du fait du faible courant injecté dans la Led (et donc de la faible quantité de chaleur à dégager).Quelques ordres de grandeur de valeurs rencontrées suivant les modèles de Led :
Led traversantes 5 mm : de 150 à 400 K/W ;
Led CMS PLCC4 sans pad (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/high-tech-pad-1271/) de dissipation thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-nanotubes-nouvelle-theorie-dissipation-chaleur-8123/) : de 80 à 200 K/W ;
Led CMS de type 5630 avec pad de dissipation thermique : de 30 à 80 K/W ;
Led CMS de puissance avec pad de dissipation thermique : de 4 à 15 K/W.
Des valeurs inférieures à 4 K/W sont rares, mais existent sur des boîtiers de Led particuliers, qui requièrent une dissipation importante au regard (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-regard-10885/) des forts courants injectés et donc de la quantité de chaleur à dissiper.Autre point à noter, la valeur de la résistance thermique des Led est donnée de façon nominale le plus souvent. Mais cette caractéristique évolue avec la température et dans le mauvais sens, c’est-à-dire qu’elle augmente lorsque la température du composant augmente. En conséquence, connaître la valeur maximale que peut prendre cette donnée est important, notamment lors d’applications où la température de fonctionnement est élevée.La qualité colorimétrique des Led
Si nous mettons de côté les Led de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-led-vertes-lumiere-blanche-23371/), qui elles aussi se sont améliorées (nombre de couleurs disponibles plus important, largeur spectrale affinée, uniformité des couleurs entre différentes Led d’un lot), les Led blanches ont pu être intégrées dans des applications d’éclairage (voir figure ci-dessous) dès lors que leur spectre (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-spectre-1663/) s’est approché de celui des technologies employées jusqu’à présent (lampes à incandescence (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-incandescence-6978/), tubes fluorescents (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-tube-fluorescent-10959/), lampes à décharge).
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Spectre d’une Led de qualité colorimétrique dédiée à l’éclairage intérieur. Les Led blanches commencent à être utilisées pour les applications d’éclairage, car leur spectre lumineux est proche de celui que l’on peut obtenir à l’aide de lampes à incandescence. © Seoul Semiconductor
Ces améliorations spectrales ont pu être possibles à partir du moment où les puces semi-conductrices bleues ont atteint des rendements permettant aux luminophores (conversion du bleu en vert et en rouge, entre autres) de ne pas diminuer de façon trop importante le rendement global des Led. De plus, les luminophores (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/) eux-mêmes se sont améliorés en rendement et en qualité de restitution de l’énergie absorbée, ce qui a complété la qualité colorimétrique.
Reléguées au rang de simples indicateurs lumineux jusque dans les années 1990 (présents dans les produits électroniques comme les radios, magnétoscopes et autres afficheurs de voiture), les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) sont en passe de conquérir tous les domaines de l’éclairage.Il n’existe que très peu d’endroits où les Led ne sont pas encore présentes aujourd’hui, que ce soit pour des applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/) industrielles, médicales, automobiles (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-automobile-11105/) ou domestiques. Bien sûr, des applications comme les éclairages intérieurs de bâtiments emploient encore majoritairement des technologies anciennes (lampes à incandescence (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-incandescence-6978/),tubes fluorescents (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-tube-fluorescent-10959/)), mais les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) s’y immiscent petit à petit. De là à penser que cette nouvelle technologie remplacera toutes les anciennes sources d’éclairage, il y a un grand pas, et les Led seront plutôt souvent une solution alternative, quelquefois de remplacement évident et souvent apportant des fonctionnalités différentes ou complémentaires.
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Rendement de certaines applications d’éclairage à Led. On retrouve des Led dans de nombreux domaines de l’éclairage, chez les particuliers comme chez les professionnels. © Led Engineering Development
Applications qui requièrent de hauts rendements
La forte augmentation du rendement des composants eux-mêmes (Led) s’est accompagnée « naturellement » d’une diminution de la quantité de chaleur à extraire de la Led. Ainsi, non seulement les applications d’éclairage ont gagné en rendement, mais les méthodes d’intégration ont pu certaines fois être simplifiées du fait d’avoir moins de calories à dissiper. Les applications comme les lampes à Led atteignent aujourd’hui des rendements supérieurs à 85 ou 90 lm/W à des prix « raisonnables » (moins de 10 dollars) du fait de cette fabrication simplifiée employant des matériaux peu chers (comme du plastique (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/chimie-plastique-13438/) par exemple).D’autres applications, comme l’éclairage extérieur (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/qr/d/electricite-installer-eclairage-exterieur-detecteur-mouvement-2135/) autonome (sur batteries avec panneaux solaires), demandent aux concepteurs d’utiliser des Led très performantes pour économiser l’énergie difficilement captée et stockée, et diminuer de ce fait la dimension et le poids des systèmes. Toujours pour ce type d’applications, l’impact de cette évolution se fait également sur le dimensionnement des poteaux (souvent au-delà de quatre mètres) qui peuvent être plus réduits en terme de diamètre (économie de prix).
Éclairage sportif à Led. Les Led s’adaptent particulièrement bien aux vastes salles de sport, car leur durée de vie très longue évite d’importants frais de remplacement. © Led Engineering Development
Des domaines d’éclairage comme les gymnases, les halls de gare ou les bâtiments présentant des plafonds très hauts, où les changements de luminaires (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-luminaire-10761/) sont difficiles à réaliser et nécessitent des moyens coûteux, mais qui peuvent constituer des lieux de prédilection pour les Led en matière de durée de vie. Une condition tout de même : un rendement du luminaire au-dessus de 80 lm/W.Applications nécessitant des Led de flux important
Certaines applications requièrent des composants capables de générer des flux très importants à partir de surfaces d’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) les plus petites possible. C’est le cas notamment des feux diurnes (http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/actu/d/developpement-durable-3008-hybrid4-peugeot-hybride-prochain-mondial-auto-24915/)avant de véhicule, où la mise en forme du faisceau doit être précise (source lumineuse de petite taille) avec une quantité de lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) importante, et donc une sollicitation des composants de forts courants.
L’éclairage avant de voiture nécessite des Leds de flux important, car le faisceau désiré est très précis. © DR
Les Led employées atteignent parfois des flux lumineux supérieurs à 150 ou 200 lumens (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumen-355/), voir près de 400 à 500 lumens lorsqu’il s’agit de Led multipuces. Des optiques complémentaires sont utilisées pour mettre en forme le faisceau lumineux (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-lampadaire-led-econome-supprime-pollution-lumineuse-46605/) et créer des surfaces de forte luminance (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-luminance-2510/). D’autres applications comme les éclairages d’appoints (liseuses dans les transports en commun, dans certains véhicules ou dans les avions (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-avion-11106/)) demandent aussi des Led ayant de forts flux issus de petite surface d’émission (toujours pour faciliter la mise en forme du faisceau).Signalisation et balisage : forte intensité, grande directivité
Ce type d’applications est l’un des premiers à avoir intégré les Led comme source lumineuse. Nous pouvons citer en exemple les feux de signalisation routière et les feux tricolores (ou la technologie Led est présente depuis plus de 20 ans) et plus récemment les feux arrière de véhicules.Une forte intensité lumineuse (http://www.futura-sciences.com/videos/d/tache-solaire-evolution-intensite-lumineuse-116/) (de plusieurs dizaines voire centaines de candelas (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-candela-345/)) est requise pour ces applications, qui sont la plupart du temps en extérieur et doivent présenter une excellente visibilité, y compris en plein jour. Parfois, des spécifications complémentaires comme des surfaces de source lumineuse à respecter ou encore des uniformités de cette même surface sont demandées.
Détail de l’éclairage de signalisation routière et de feux arrière de véhicule. Pour ces applications, une grande intensité lumineuse est requise, afin que les objets soient visibles de jour comme de nuit. © Led Engineering Development
Les Led utilisées pour ces applications sont aujourd’hui très souvent CMS, alors qu’au milieu des années 2000, elles étaient majoritairement traversantes. Pour les feux tricolores, elles restent en grande proportion de type traversant.Applications pour écrans
Au début des années 2010, les premiers écrans à Led (dont les pixels (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/informatique-pixel-591/) sont réalisés non plus par des cristaux liquides, mais par des puces semi-conductrices (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/)) sont apparus, mais la grande majorité des écrans actuellement sur le marché (ordinateurs (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/informatique-ordinateur-586/), télévisions) sont constitués de dalle à cristaux liquides, rétroéclairées par des Led. Le marché des Led pour ce domaine est l’un des plus importants en matière de volume encore aujourd’hui.
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Le rétroéclairage d’écran à cristaux liquides est l’un des marchés les plus importants pour les Led de nos jours. © Led Engineering Development
Au départ, des Led de type « side emitting » étaient utilisées, remplacées petit à petit par des Led de type 5630 (ou de boîtier plus petit) plus performantes, diminuant de ce fait leur nombre et le prix des produits.
L’évolution des performances des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) n’est pas encore terminée. Des perspectives prometteuses sont énoncées ici et là, et même si certaines d’entre elles semblent inatteignables (rendement de 250 lm/W par exemple), beaucoup seront dépassées.Les Led vont apporter dans les années à venir d’autres possibilités d’intégration, de nouvelles manières d’appréhender la lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/), car bien que cette technologie ait plus de 100 ans, son exploitation industrielle en éclairage (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/actu/d/medecine-eclairage-led-attention-yeux-25795/) n’a réellement commencé qu’au début des années 2000.Depuis plus de dix ans, je sillonne le monde à la rencontre des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), d’intégrateurs de cette technologie d’éclairage, de chercheurs. De formation technique, je passe une grande partie de mon temps au laboratoire de Led Engineering Development à étudier et tester les systèmes, solliciter et décortiquer de nombreux modèles de Led et à rechercher de nouvelles méthodes d’intégration, de nouvelles propriétés de cette belle technologie à exploiter.
Des Led blanches et bleues utilisées pour l’éclairage d’une scène. Bien qu’ayant plus d’un siècle, la technologie Led n’a vraiment été exploitée industriellement que depuis le début du XXIesiècle. © Jeff Wilcox, cc by 2.0
J’ai eu la chance de participer à de nombreux programmes de recherche et de nombreux projets de développement avec les plus grands groupes industriels.Fin 2012, Les Led pour l’éclairage (http://www.dunod.com/sciences-techniques/sciences-techniques-industrielles/electronique/ouvrages-professionnels/les-led-pour-leclairage) (éditions Dunod (http://www.dunod.com/)), que j’ai écrit, est finalement un condensé de cette expérience passée, et ce dossier a permis au lecteur d’approcher la technologie des Led. Puis, s’il souhaite aller un peu plus loin, je pense que cet ouvrage lui fournira des éléments technicoéconomiques sur les Led et leurs applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/).
L’évolution des performances des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) n’est pas encore terminée. Des perspectives prometteuses sont énoncées ici et là, et même si certaines d’entre elles semblent inatteignables (rendement de 250 lm/W par exemple), beaucoup seront dépassées.Les Led vont apporter dans les années à venir d’autres possibilités d’intégration, de nouvelles manières d’appréhender la lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/), car bien que cette technologie ait plus de 100 ans, son exploitation industrielle en éclairage (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/actu/d/medecine-eclairage-led-attention-yeux-25795/) n’a réellement commencé qu’au début des années 2000.Depuis plus de dix ans, je sillonne le monde à la rencontre des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), d’intégrateurs de cette technologie d’éclairage, de chercheurs. De formation technique, je passe une grande partie de mon temps au laboratoire de Led Engineering Development à étudier et tester les systèmes, solliciter et décortiquer de nombreux modèles de Led et à rechercher de nouvelles méthodes d’intégration, de nouvelles propriétés de cette belle technologie à exploiter.
Des Led blanches et bleues utilisées pour l’éclairage d’une scène. Bien qu’ayant plus d’un siècle, la technologie Led n’a vraiment été exploitée industriellement que depuis le début du XXIesiècle. © Jeff Wilcox, cc by 2.0
J’ai eu la chance de participer à de nombreux programmes de recherche et de nombreux projets de développement avec les plus grands groupes industriels.Fin 2012, Les Led pour l’éclairage (http://www.dunod.com/sciences-techniques/sciences-techniques-industrielles/electronique/ouvrages-professionnels/les-led-pour-leclairage) (éditions Dunod (http://www.dunod.com/)), que j’ai écrit, est finalement un condensé de cette expérience passée, et ce dossier a permis au lecteur d’approcher la technologie des Led. Puis, s’il souhaite aller un peu plus loin, je pense que cet ouvrage lui fournira des éléments technicoéconomiques sur les Led et leurs applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/).
La technologie Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/), qui a plus de 100 ans maintenant, n’en finit plus de dévoiler ses performances. Toujours plus efficaces, encore plus fiables, les Led des années 2010 présentent maintenant des colorimétries (et en particulier les Led blanches) leur permettant d’être intégrées dans les applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/)d’éclairage les plus contraignantes, mais également les plus exigeantes, requérant des niveaux de performances identiques voir supérieurs aux technologies plus traditionnelles (incandescence (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-incandescence-6978/), fluorescence, décharge).Des rendements supérieurs à 120 lm/W sur des modèles de Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/)commerciaux et disponibles à la vente sont désormais possibles, atteindre plusieurs dizaines de milliers d’heures sans pertes trop importantes (inférieures à 30 %) est monnaie courante, et desspectres (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-spectre-1663/) de Led blanches validés par des concepteurs lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) et autres conservateurs de musée existent et sont disponibles.Des pays ont été les précurseurs de cette technologie (États-Unis, Japon), notamment dans les années 1950 et 1960 quand les premières Led rouges puis jaunes (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-led-vertes-lumiere-blanche-23371/) sont nées, puis dans les années 1990 avec les premières productions de Led bleues et de Led blanches.
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Des Led ont été utilisées dans la réalisation de cette image abstraite. Ainsi, la technologie Led inspire aussi les artistes, en plus de trouver une utilité dans de nombreuses applications du quotidien. © Chínmay, Flickr, cc by nc sa 2.0
Pour l’année 2012, l’Asie représentait plus de 70 % du chiffre d’affaires en matière de revenu pour les sociétés qui fabriquent des Led (fabricants de puces et ceux de Led confondus), et pour 2013, il semble que cette proportion s’accentue encore en défaveur de l’Occident.Toutefois, la surcapacité de certains fabricants, couplée à une conjoncture économique et à des développements d’applications nécessitant de moins en moins de composants (performances croissantes), nous a plongés dès 2011 dans une période relativement turbulente pour les prévisions de futures performances et de réalisations de chiffre d’affaires. Seules les applications d’éclairage (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/actu/d/medecine-eclairage-led-attention-yeux-25795/)présentent aujourd’hui des marges de progression importantes, d’autant qu’au fil du temps, de nouvelles idées sclérosées jusque-là (par manque de performances, prix trop élevés, etc.) réapparaissent et peuvent être mises sur le marché.
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Les Led blanches s’invitent progressivement dans les applications d’éclairage, car leur spectre d’émission peut être proche de celui des lampes à incandescence par exemple. © Mike Deal, Flickr, cc by nc nd 2.0
Dans ce dossier, Laurent Massol (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/personnalites/d/high-tech-laurent-massol-1273/), auteur du livre Les Led pour l'éclairage, aux éditions Dunod (http://www.dunod.com/), explique ce qu’est une Led, apporte des précisions sur cette technologie et en explique le fonctionnement, mais balaye aussi les paramètres indispensables à maîtriser pour permettre d’identifier, de sélectionner et d’intégrer des Led dans une application d’éclairage. Les récentes performances des composants et des applications seront ensuite présentées, pour donner au lecteur une vision d’ensemble des paramètres technicoéconomiques de cette technologie.
Une Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) (light emitting diode, ou encore diode électroluminescente) est un composant électronique qui émet de la lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) à partir d’une excitation électrique.Un semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/), fabriqué à partir de l’empilement de couches de différents matériaux et d’épaisseurs différentes, constitue ce que nous pourrions appeler le moteur du composant en créant une jonction semi-conductrice. Celui-ci est soudé sur un support qui est à la fois conducteur de courant et de chaleur, puis protégé par une couche de matériau transparent (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-transparent-1646/), permettant de laisser passer la lumière émise (souvent un dôme de silicone (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-silicone-2847/) dans le cas des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) de puissance).
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Les applications qui utilisent les Led sont très nombreuses, de l’éclairage domestique aux feux de voiture. © Led Engineering Development
Cette lumière est relativement monochromatique (sa largeur d’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) en termes de longueur d’onde est étroite, de l’ordre de quelques dizaines de nanomètres (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-nanometre-2517/)), et pour pouvoir émettre de la lumière blanche, une couche de luminophore (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/) permet de convertir cette lumière monochromatique en lumière de plus large spectre (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-spectre-1663/) (voir l’image ci-dessous).
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Schéma d'une Led de puissance blanche. La couche de luminophore permet d’élargir le spectre d’émission de la Led. © Semileds
Suivant les fabricants, l’alimentation électrique du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) est faite par l’intermédiaire de fils d’or (de diamètre de quelques dizaines de microns (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-micron-5146/)) ou par des méthodes de via électrique au travers du semi-conducteur lui-même, sorte de petits puits métallisés conduisant donc le courant (voir ci-dessous).En appliquant une polarité aux bornes de la Led et en lui injectant un courant (maîtrisé), le semi-conducteur va émettre de la lumière (relativement monochromatique). Suivant la fabrication du semi-conducteur et des différents matériaux employés, la couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) émise sera différente, allant de l’UV (certaines Led émettent autour de 275 nm) au proche infrarouge (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/qr/d/matiere-chaleur-rayonnement-infrarouge-1780/) (850 nm).
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Schéma d’une Led de puissance blanche. On distingue nettement les via électriques, qui conduisent le courant au travers du semi-conducteur. © Nichia
La principale différence entre les Led blanches et les Led de couleur réside dans le fait que les Led blanches possèdent un luminophore supplémentaire de couleur jaune-orange permettant de reconstituer un spectre d’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-spectre-antihydrogene-commence-livrer-secrets-37515/) relativement plat. Pour cela, le semi-conducteur émet une lumière bleue (et monochromatique), qui est absorbée en partie par le luminophore et transformée par celui-ci en couleurs allant du vert au rouge. La superposition de cette émission et du bleu qui n’a pas été absorbé permet de recréer le spectre de la lumière blanche ou tout du moins de s’en rapprocher (voir la figure ci-dessous).
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Méthode de création d’un spectre de lumière blanche. La Led blanche (a) contient un luminophore (b) qui émet dans des longueurs d’onde différentes de celles produites par le semi-conducteur (ici le bleu, c). Le tout est complémentaire, et permet d’obtenir une lumière blanche (d). © Led Engineering Development
Les premières Led blanches, qui étaient fabriquées à la fin des années 1990, mettaient en œuvre des luminophores de qualité toute relative, et le mode de dépôt de ces luminophores, couplé à cette qualité, aboutissait souvent à des spectres bleutés (voir ci-dessus), où la part de bleu non absorbée était difficilement maîtrisable et souvent trop importante (température de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-couleur-tous-eclats-1396/) froide des Led).Une autre raison peut être évoquée à cette colorimétrie. Le manque de rendement des puces semi-conductrices bleues de cette époque ne permettait pas de mettre en œuvre des luminophores plus absorbants (afin de restituer les autres couleurs du spectre), qui pour nombre d’entre eux existaient déjà, et étaient issus des technologies précédentes. Il faut rappeler que la société Nichia, actuellement un des leaders dans la fabrication des Led, était avant tout un fabricant de luminophores, notamment pour le marché destubes fluorescents (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/4/).
Dès lors que le principe de puce semi-conductrice bleue couplée à un luminophore a pris ses marques, de multiples technologies complémentaires sont apparues pour améliorer les rendements, proposer de nouveaux spectres (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-spectre-1663/) lumineux ou encore améliorer les durées de vie des composants.Parmi les technologies Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) qui sont apparues, nous pouvons citer la technologie flip chip qui, tout en limitant l’emploi de fils d’or pour l’alimentation, a ouvert la voie de la dissipation de la chaleur se faisant par des thermiques au travers dusemi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/) lui-même. De nombreuses améliorations sur les luminophores (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/), notamment l’utilisation de différents types mélangés entre eux, ou simplement de nouveaux matériaux, ont abouti à des spectres de Led blanches de plus en plus proches des technologies de type incandescence (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-incandescence-6978/). Technologies vers lesquelles, naturellement, on a voulu se rapprocher lors de l’arrivée de cette nouvelle méthode d’éclairage que constituent les Led (voir figure ci-dessous).
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Spectre de Led de type blanc chaud. Grâce à diverses technologies, les Led blanches se sont rapprochées des technologies d’incandescence. © Dunod
Nous avons décrit brièvement de quoi est constitué une Led, et nous allons balayer cela en détail en faisant un focus sur les Led blanches, pour lesquelles existe une si grande attente de performances pour les applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/) d’éclairage. Les Led de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-couleur-tous-eclats-1396/) étant quant à elles réservées aux applications décoratives, architecturales ou de signalisation. Toutefois, il faut garder à l’esprit que les Led sont constituées d’un semi-conducteur bleu, très proche de ceux employés pour la fabrication de Led bleues, ce qui rend les Led blanches relativement proches d’un point de vue comportemental.
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Une Led blanche fonctionnant en courant alternatif à 220 volts (220VAC). On distingue les fils d’or employés pour l’alimentation. © Led Engineering Development
Les organes principaux qui constituent une Led sont :
le semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/), qui est le moteur de la Led. Convenablement alimenté, il produit unelumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) dont la couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) correspond aux propriétés intrinsèques du semi-conducteur ;
le boîtier de la Led, qui permet de réaliser une protection du semi-conducteur pour l’intégration de la Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) dans les applications, mais qui a aussi une fonction importante, qui est de dissiper la chaleur dégagée par le semi-conducteur au travers des pattes d’alimentation ou de pads (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/high-tech-pad-1271/) de dissipation thermique présents chez certains fabricants ;
la lentille (http://www.futura-sciences.com/magazines/nature/infos/dico/d/botanique-lentille-7665/) primaire, qui surmonte le boîtier pour encapsuler le semi-conducteur, et éventuellement le luminophore dans le cas des Led blanches, mais aussi les fils d’or d’alimentation pour les modèles qui en possèdent.
Comme nous l'avons mentionné précédemment, le semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/) est le moteur de la Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/). Il est constitué d’un empilement de différentes couches, et suivant la méthode d’alimentation choisie par le fabricant, la structure du semi-conducteur est différente.Il existe différents différents types de structure de semi-conducteurs (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/)utilisés dans la fabrication des Led (voir l’illustration ci-dessous) :
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Structures de semi-conducteurs les plus répandues : latérale (a), verticale (b) et flip chip (c). Le détail de chaque structure est donné dans le texte ci-dessous. © Led Engineering Development
structure latérale à fil d’or : l’alimentation se fait quasiment sur un même plan, avec un léger décroché pour l’une des deux électrodes pour permettre de réaliser la zone active du semi-conducteur de quelques microns (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-micron-5146/) ;
structure verticale à fil d’or : Dans ce cas, l’alimentation se fait par le dessus du semi-conducteur, qui est soudé sur une embase qui conduit le courant ainsi que la chaleur ;
structure flip chip : Des microbilles assurent dans ce cas de figure la conduction électrique, le tout se faisant par le dessous de la puce semi-conductrice, anode (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/informatique-batteries-dix-fois-meilleures-cest-possible-34759/) commecathode (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/chimie-cathode-332/).
Le semi-conducteur produit une lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) relativement monochromatique, et il est possible de créer un grand nombre de couleurs (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) suivant le type de semi-conducteur utilisé.Toutefois, ils ne se comportent pas de la même manière face aux sollicitations électriques et thermiques. Ainsi, une Led constituée d’un semi-conducteur émettant dans le rouge ou l’ambre est beaucoup plus sensible à la température qu’un semi-conducteur émettant du bleu. Alors que la Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/)rouge perd plus de 50 % de son flux si le semi-conducteur fonctionne autour de 70 ou 80 °C (par rapport à celui émis pour une température de la jonction autour de 25 °C), un semi-conducteur émettant dans le bleu perdra dans des conditions thermiques identiques de l’ordre de 5 à 10 % de son flux initial (à 25 °C).En termes de taille, c’est le prix des wafers (http://www.futura-sciences.com/magazines/terre/infos/dossiers/d/geologie-coeur-silice-silex-wafer-567/) (les galettes de silicium sur lesquelles sont déposées les différentes couches de matériaux), les technologies mises en jeu et le type de Led qui définissent la taille des semi-conducteurs, qui peut aller de quelques dizaines de microns à deux ou trois millimètres. La difficulté dans les processus de fabrication étant de déposer des couches très fines de matériaux, de façon uniforme et sur des surfaces les plus grandes possible, afin de fabriquer des puces semi-conductrices de performances proches. Ainsi, lors de la découpe de ces puces, la disparité en performances (optiques et électriques) est peu importante et permet de fabriquer des lots de Led complets (diminuant de ce fait les coûts de fabrication).
Le semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/) a besoin d’être encapsulé de telle sorte qu’il puisse être alimenté, et surtout que la chaleur qu’il génère (en général de 45 % à 75 % de la puissance électrique consommée, et même jusqu’à 90 % pour certaines Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) UV) puisse être dissipée vers l’extérieur.Il existe aujourd’hui de très nombreux modèles de boîtiers et de formes de Led, fabriqués dans des matériaux différents (résines, céramiques, métaux).Pour les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) de puissance importante (à partir de 0,25 W de consommation), la tendance est plutôt de s’orienter vers des boîtiers CMS (composants montés en surface), qui ont des capacités d’extraction thermique bien plus importantes que leurs homologues de type traversant.
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Différents boîtiers de Led : traversant (a), CMS sans pad de dissipation thermique de type PLCC4 (b) et CMS avec pad de dissipation thermique de type 5630 (c). © Led Engineering Development
Les pattes d’alimentation peuvent servir de dissipation thermique dans le cas des boîtiers traversants, y compris pour des boîtiers CMS, mais c’est d’une efficacité bien inférieure à despads (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/high-tech-pad-1271/)thermiques situés en dessous de la Led et en contact avec la puce.Quelques ordres de grandeur en matière de résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/) thermique, ce qui représente pour une Led sa capacité à dissiper la chaleur dégagée par le semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) ; plus la résistance thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-thermique-10891/) est faible (en kelvin (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-kelvin-353/) par watt (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-watt-370/), K/W), plus la capacité de la Led à dissiper la chaleur est importante :
Led traversantes : souvent entre 150 et 350 K/W ;
Led CMS sans pad de dissipation thermique : souvent entre 50 et 200 K/W ;
Led CMS avec pad de dissipation thermique : entre 10 et 80 K/W.
Du côté des matériaux, il existe principalement des boîtiers en résine dure (voir la figure ci-dessous) et en céramique (http://www.futura-sciences.com/magazines/sciences/infos/dossiers/d/geographie-promenade-limousin-742/page/5/).À la fin des années 2010, de plus en plus de Led de puissance « intermédiaire » (entre 0,2 W et 0,6 W de consommation) en boîtier céramique ont commencé à faire leur apparition (figure ci-dessous, b), même si dès le début des années 2000, quelques modèles en céramique pour de faible puissance et des puissances intermédiaires existaient déjà.
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Boîtiers de Led CMS de puissance intermédiaire en résine (a) et en céramique (b). © Led Engineering Development
Pour les Led de puissance (voir ci-dessous), les boîtiers en céramique sont apparus plus tôt, dès le début des années 2000, pour des raisons de robustesse, de dissipation thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-nanotubes-nouvelle-theorie-dissipation-chaleur-8123/) et de coefficient de dilatation (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-dilatation-3251/), permettant de rendre les applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/) d’éclairage performantes dans le temps. Il existe tout de même beaucoup de modèles en résine (parfois pour des raisons de prix).
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Boîtiers de Led CMS de puissance en résine (a) et en céramique (b). © Led Engineering Development
Dans les années 2010, en même temps que l’accélération de l’adoption des boîtiers céramiques, les dimensions se sont réduites à des boîtiers de 4 mm à 6 mm de côté.
En grande partie pour des raisons d’extraction lumineuse, beaucoup de boîtiers de Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) intègrent aujourd’hui des lentilles (http://www.futura-sciences.com/magazines/nature/infos/dico/d/botanique-lentille-7665/)primaires en forme de dôme, et souvent en silicone (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-silicone-2847/)souple.De nombreux modèles de boîtiers de Led ont existé et existent encore. On compte notamment ceux intégrant des lentilles de verre (http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/dossiers/d/developpement-durable-recyclage-traitement-dechets-932/page/10/) (cas des modèles XRE du fabricant Cree dès les années 2002-2003), des lentilles en plastique (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-plastique-autocicatrisable-sensible-42612/) ne résistant pas à certains processus de refusion des Led (et donc abandonné rapidement, cas de certains modèles de Led du fabricant Osram), des modèles de lentille préformée ou encore des modèles de Led où le haut boîtier est rempli de résine (souple ou dure), et qui constitue la lentille primaire. D’autres méthodes moins courantes consistent à coller ou surmouler des lentilles (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-optique-lentilles-ultrafines-promettent-images-parfaites-40886/) primaires de forme rectangulaire ou carrée.
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Types de lentilles primaires : verre (a), résine dure préformée (b et c) et silicone (d). © Led Engineering Development
L’un des principaux travaux des fabricants actuellement consiste à améliorer encore l’extraction lumineuse, avec également comme objectif de créer des formes de faisceaux particulières directement au niveau de la Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), pour faciliter les intégrations des composants dans les solutions et limiter les pertes optiques.
Pour la création d’une lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) blanche, nous avons vu qu’il est souvent mis en œuvre un semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/) bleu, coiffé d’un luminophore. Celui-ci est sous forme de poudre que l’on noie dans un encapsulant (la plupart du temps des silicones (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/dico/d/medecine-silicone-2847/) ou des résines dures, voire dans certains cas des céramiques particulières).Les deux principaux types d’évolutions des luminophores (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/) de ces dix dernières années sont l’amélioration des matériaux les constituant (nouveaux types de matériaux, nouvelles méthodes de création des poudres) d’une part, et d’autre part les méthodes de dépôt de ces luminophores encapsulés. Les matériaux nouveaux ont permis d’améliorer l’efficacité ainsi que la qualité des blancs obtenus. Quant aux méthodes de dépôt, elles ont accru un peu plus l’efficacité, mais ont avant tout permis de mieux maîtriser l’uniformité colorimétrique du faisceau et ont fait réaliser des économies du point de vue des matériaux.
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Méthodes de dépôt de luminophore : liquide dans le boîtier (a), liquide dans une lentille en résine dure retournée (b), en épaisseur maîtrisée uniquement sur la puce semi-conductrice (c), en spray avec masque (d). © Led Engineering Development
L’encapsulation dans un réceptacle est toujours réalisée, mais de moins en moins pour les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) de puissance. Pour les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) de semi-puissance de type 5630, de nombreux modèles emploient encore cette méthode. Pour mieux maîtriser les quantités de matériaux employés et aussi les épaisseurs, les fabricants utilisent aussi une lentille (http://www.futura-sciences.com/magazines/nature/infos/dico/d/botanique-lentille-7665/) de résine transparente déjà formée et dans laquelle on vient verser le luminophore sous forme de liquide visqueux, puis que l’on recouvre tête-bêche par le boîtier de la Led pour réaliser le collage (liquide dans une lentille en résine dure retournée, dans l’image ci-dessus). Enfin, les deux dernières méthodes consistent à recouvrir de façon sélective (par masque) et en maîtrisant l’épaisseur, soit uniquement la puce semi-conductrice, soit éventuellement de façon un peu plus large.Au début des années 2010, une autre méthode consiste à déposer le luminophore directement sur lewafer (http://www.futura-sciences.com/magazines/terre/infos/dossiers/d/geologie-coeur-silice-silex-wafer-567/) après le processus de croissance épitaxiale. Les avantages sont nombreux, notamment diminuer encore les quantités de matériaux, améliorer la maîtrise de l’épaisseur de luminophore (uniforme sur la puce elle-même, mais également entre Led du même wafer (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/informatique-wafer-2460/)) et gagner du temps de production.
La documentation des constructeurs de Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) n’a pas été créée dans le respect d’une certaine charte, pour la simple et bonne raison qu’il n’en existait pas. Actuellement, c’est plus l’utilisateur final qui a influencé l’ensemble des fabricants à suivre une certaine façon de réaliser cette documentation, mais il reste encore beaucoup de choses qui changent d’un fabricant à l’autre, et qui rendent parfois difficile la lecture de ces documents.En plus des diverses difficultés liées à la documentation sur les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), des erreurs grossières apparaissent parfois (unités mal utilisées : un flux encandelas (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-candela-345/), par exemple) et des incohérences sont présentes lorsque les documentations sont issues de traductions. De plus, les conditions de test de certains paramètres sont parfois différentes (mesure de flux en mode continu ou impulsionnel), et les définitions de ces paramètres sont parfois elles-mêmes ambiguës (résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/) thermique entre la jonction et le boîtier externe de la Led, ou entre la jonction et la température ambiante avec une mise en œuvre de la Led sur un support mal défini lui aussi).
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Des guirlandes de Noël placées en rotation. On remarque des Led vertes, bleues ou encore rouges. Il est parfois difficile de s’y retrouver dans les paramètres pris en compte dans la documentation des Led. © Duane Schoon, Flickr, cc by nc sa 2.0
C’est dans ce contexte que nous souhaitons apporter des précisions sur les principaux paramètres des Led, sur lesquels il faut être attentif non seulement pour la valeur, mais également pour les unités.Une liste non exhaustive pourrait être la suivante, sans ordre d’importance, en donnant l’unité :
flux lumineux : en lumens (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumen-355/) (lm) ;
rendement : en lumens par watt (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-watt-370/) (lm/W) ;
intensité : en candelas (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/actu/d/medecine-eclairage-led-attention-yeux-25795/) (cd (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/high-tech-cd-1149/)) ;
tension d’alimentation nominale : en volts (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-volt-369/) (Vf pour forward voltage) ;
résistance thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-thermique-10891/) : en kelvins (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-kelvin-353/) par watt (K/W) ;
coordonnées chromatiques : sans unité, surface délimitée sur le diagramme CIE 1931 (nommé X-Y) par quatre points de façon générale ;
dérive des coordonnées chromatiques (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/matiere-couleur-mysteres-757/page/15/) en fonction de la température de la jonction de la Led ;
température de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-temperature-couleur-1962/) (corrélée) : en kelvins (K) ;
courant nominal de fonctionnement : en ampères (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-ampere-328/) (A) ;
courant à respecter pour différentes températures de la jonction semi-conductrice : sous forme graphique ;
température de stockage et de fonctionnement : en degrés Celsius (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-celsius-333/) (°C) ;
température maximale avant détérioration du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) : en degrés Celsius ;
profil en température permettant de souder les composants dans de bonnes conditions thermiques ;
forme de l’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) lumineuse, sur un graphique représentant deux directions en général.
Parmi les nombreuses propriétés des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) qui entrent en ligne de compte pour effectuer des comparaisons, nous entrons dans les détails pour les principaux éléments : flux lumineux, rendement, tension et résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/).Flux lumineux (lm)
On exprime le flux lumineux en lumens (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumen-355/), et il permet de comparer deux sources de qualité colorimétrique proches (couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) et types de blancs similaires) sans avoir besoin d’autres caractéristiques. Une erreur fréquemment rencontrée est de trouver cette valeur exprimée encandelas (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-candela-345/).Pour les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) dédiées à l’éclairage, cette valeur est indispensable et il est rédhibitoire de notre point de vue si elle ne figure pas de façon explicite dans la documentation.Le flux lumineux permet de donner à l’utilisateur une information sur la quantité d’énergie lumineuse disponible pour réaliser l’application (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/)d’éclairage. Les domaines dans lesquels cette information est importante sont l’éclairage général, l’éclairage de surfaces quelconques ou toute autre application d’éclairage, pour lesquels le résultat attendu est une quantité de lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/espace/infos/actu/d/astronomie-lumiere-accelere-rotation-asteroides-effet-yarkovsky-10495/) à un endroit donné.
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Cette voiture de la marque BMW arbore des Led dans ses feux. © Nozilla, cc by nc 3.0
Rendement (lm/W)
Depuis le début des années 2010, le rendement apparaît dans les documentations, mais elle reste encore peu présente. Elle peut toutefois se calculer à partir d’informations des constructeurs, mais il faut pour cela prendre quelques précautions, car les propriétés des Led évoluent avec la température.Intensité (cd)
Cette information est utile pour des applications qui requièrent une visibilité de l’objet éclairant. En d’autres termes, les applications d’éclairage qui ont comme fonctionnalité d’attirer l’œil ou tout autre capteur pour prévenir d’une présence nécessitent cette information. Nous pouvons citer par exemple les applications routières (panneau de sécurité d’autoroute orange clignotant, feux de signalisation (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/)routière), des applications de signalisation et de balisage aérien, etc.
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Des Led bleues. Pour obtenir cette couleur, on peut utiliser un semi-conducteur en séléniure de zinc (ZnSe), en nitrure de gallium-indium (InGaN) ou en carbure de silicium (SiC). © Alexofdodd, cc by nc 3.0
Tension d’alimentation (Vf)
Les Led se pilotent en courant, c’est-à-dire que le courant qui alimente les Led doit être maîtrisé et régulé. La raison est simple : la tension d’alimentation des Led ayant une valeur nominale, mais variable en fonction de la température du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-semi-conducteur-3875/), cette tension diminue lorsque la température du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) augmente. Ainsi, si l’alimentation fournit une tension stable à la place d’un courant stable, si le besoin en tension aux bornes des Led devient moins important et si l’alimentation est en mesure de fournir le courant demandé par les Led, pour avoir une tension aux bornes des Led identique même avec un accroissement de chaleur, les Led demandent de fonctionner avec un courant supérieur.De plus, pour dimensionner les systèmes électroniques d’alimentation des Led, cette information (Vf) est indispensable, ainsi que sa variation en fonction de la température. Certaines Led ont des Vf différentes dues à la technologie du semi-conducteur lui-même (pour des Led rouges, Vf vaut 1,9 V, alors que pour des Led vertes, on a une Vf de 3,5 V).
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Led rouges, bleues, jaunes, vertes... De plus en plus de bâtiments arborent des Led à des fins décoratives, comme le BC Place Stadium, un stade à Vancouver, au Canada. © Totororo.roro, cc by nc 2.0
Résistance thermique (K/W)
Cette caractéristique est primordiale pour l’intégration des Led dans les applications, notamment lorsque la température de fonctionnement du luminaire (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/qr/d/decoration-eclairage-salle-bain-choisir-4334/) est élevée. En effet, la résistance thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-thermique-10891/) des Led définit leur capacité à extraire la chaleur générée par le semi-conducteur vers l’extérieur du boîtier, pour ensuite être dissipée vers l’extérieur du luminaire (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-luminaire-10761/). Si les Led intégrées dans une application d’éclairage ont une résistance thermique importante, cela signifie que la température de fonctionnement du semi-conducteur va être élevée par rapport à la température interne du luminaire. Si celle-ci est également élevée, la température de fonctionnement du semi-conducteur peut atteindre des niveaux pour lesquels les caractéristiques optiques (flux, couleur) ainsi que la durée de vie sont fortement détériorées.
Nous poursuivons notre description des caractéristiques importantes des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) avec des données électriques et optiques : coordonnées chromatiques et température de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-temperature-couleur-1962/), courant nominal de fonctionnement, températures de stokage et de fonctionnement et enfin l’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) lumineuse.Coordonnées chromatiques et température de couleur
Ces informations déterminent la qualité colorimétrique des Led decouleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/) et des Led blanches. C’est important de les connaître, mais également d’avoir leurs variations en fonction de la température et du courant injecté dans les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), en particulier pour des applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/) RGB.En ce qui concerne la température de couleur (CCT), les valeurs nominales sont données avec des valeurs minimale et maximale sur toute la gamme, mais il est important d’avoir pour un modèle de Led bien précis l’intervalle (plus réduit) correspondant.
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Courant admissible en fonction de la température de jonction dans la Led. On voit que ce courant diminue significativement quand la Led dépasse 80 °C au niveau de la jonction. © Led Engineering Development
Courant nominal de fonctionnement
Bien que le courant nominal de fonctionnement soit défini en mode continu la plupart du temps, les fabricants donnent également le maximum admissible en mode continu et pulsé. Ce courant nominal définit le mode « normal » d’alimentation, pour lequel les performances optiques et thermiques ont été validées. Si l’on s’écarte de cette valeur, des courbes dites de « derating » permettent de retrouver les informations à une température donnée (voir figure ci-dessus).Températures de stockage et de fonctionnement
Les températures maximales de stockage sont souvent importantes (au-delà de 100 °C) et sont accompagnées en général d’un taux d’humidité (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dossiers/d/maison-humidite-maison-lutter-remontees-capillaires-1635/page/3/) à ne pas dépasser (permettant aux composants d’être intégrés aux applications et de garder leurs propriétés lorsqu’ils seront en fonctionnement). Il s’agit souvent d’une température ambiante.En ce qui concerne la température de fonctionnement maximale des Led, il faut être attentif aux conditions que donne le fabricant, notamment s’il s’agit d’une température ambiante (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-premier-maser-fonctionnant-temperature-ambiante-40708/) (nous avons alors besoin de connaître le design d’intégration de la Led pour évaluer le bon fonctionnement). Si la documentation précise une température maximale de jonction, la valeur de la résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/) thermique sera nécessaire pour vérifier que la Led ne s’échauffe pas trop, ainsi que le courant maximal admissible.Une chose importante : la température de fonctionnement maximale ne signifie pas qu’en dessous de cette valeur, la Led fonctionne « normalement ». Cette valeur représente la limite de fonctionnement au-delà de laquelle le composant à de grandes chances de se détériorer rapidement.Forme de l’émission lumineuse
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Diagramme d’émission lumineuse d’une Led. Cette figure permet de se faire une idée de la forme du faisceau lumineux émis par la diode. © Nichia
Pour exploiter les performances d’une Led au maximum, la connaissance de la forme de son faisceau est importante (voir figure ci-dessus). De plus, cela permet d’évaluer parfois la qualité de fabrication d’une Led, notamment pour les Led blanches, dont la qualité du dépôt de luminophore (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/) noyé dans l’encapsulant constitue l’une des difficultés les plus importantes lors de la fabrication des composants.
Il existe beaucoup de fabricants et de très nombreux modèles deLed (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) ayant chacun leurs spécificités en matière de flux, de qualité spectrale, de forme d’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) lumineuse ou encore de performances thermiques. Nous allons discuter ici de ces performances, en précisant à chaque fois le type de Led évalué.
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Il existe des voyants Led de différentes tailles et couleurs, notamment pour la mise au point d’interfaces Homme-machine. © Nowakowska, Wikimedia Commons, cc by sa 3.0
Le flux lumineux
Les valeurs communément rencontrées courant 2013 pour des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) blanches monopuces (de tension d’alimentation comprise entre 2,9 VDC et 3,5 VDC, en mode continu) sont les suivantes, en fonction des différents courants (considérant des Led de type « top emitting » c’est-à-dire d’émission perpendiculaire au plan de soudure (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/matiere-soudure-3489/) des Led) :
pour 20 mA, 1 à 4 lumens (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumen-355/) ;
pour 60 mA, 5 à 30 lumens ;
pour 120 mA, 20 à 50 lumens ;
pour 200 mA, 40 à 70 lumens ;
pour 350 mA, 80 à 130 lumens ;
pour 500 mA, 100 à 160 lumens.
Bien entendu, ces valeurs sont des flux lumineux constatés sur des Led du commerce que Led engineering Development a testées, mais dépendent fortement de la colorimétrie (http://www.futura-sciences.com/magazines/sciences/infos/actu/d/recherche-nouveau-procede-colorimetrique-reconnaissance-virus-2927/) (et notamment du type de blanc émis, chaud, neutre ou froid) ainsi que du tri (en flux) réalisé par les fabricants eux-mêmes.Le rendement (lm/W)
Avant de donner quelques ordres de grandeur, il convient de faire quelques précisions sur ce que nous appelons rendement. En effet, il existe différents types de rendement dans une Led qui correspondent aux différentes étapes de conversion de l’énergie électrique en énergie lumineuse visible par l’œil. Nous allons nous focaliser sur le rendement lumineux (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-pled-ecrans-plats-plus-lumineux-11849/) global, c’est-à-dire le pourcentage d’énergie électrique injectée converti en lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/). Dans le cas des Led de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-couleur-4126/), nous parlerons en pour cent (mis à part le vert et le rouge pour lequel l’emploi de l’unité lm/W peut être fait) et pour les Led blanches, nous donnerons les deux informations (pour cent et lm/W).Depuis qu’il est envisageable d’intégrer des Led blanches dans des applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/)d’éclairage général, le rendement est, avant tous les autres, le paramètre qui intéresse les utilisateurs (tout en garantissant une qualité de la lumière émise).En ce qui concerne les Led blanches (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-bientot-oled-blanches-grace-platine-49099/), il a considérablement augmenté depuis 10 ans, passant de moins de 15 lm/W à plus de 120 lm/W à fin des années 2012, pour des composants produisant plusieurs dizaines de lumens en terme de flux, avec des types de blancs neutres (CCT comprises entre 3.500 et 4.000 K).En 2013, certaines Led blanches atteignent plus de 35 %, ou encore près de 130 lm/W (toujours pour des blancs dont les CCT se situent autour de 4.000 K), mais la grosse majorité est comprise entre 80 et 110 lm/W.Pour les Led de couleur, beaucoup de progrès ont également été effectués, notamment pour le rouge où certains modèles de Led atteignent plus de 100 lm/W. En ce qui concerne les Led vertes, même constat, avec des valeurs supérieures à 100 lm/W. Pour les Led bleues, la progression a été un peu plus lente et a connu une accélération à partir des années 2010, pour atteindre plus de 50 % de rendement.La résistance thermique
Elle est le résultat de l’intégration du semi-conducteur (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/) dans le boîtier de la Led. Si cette intégration est de qualité, avec des processus de fabrication maîtrisés, il est possible d’atteindre de faibles valeurs de résistance (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-10889/) thermique (voir figure ci-dessous), permettant aux composants d’être sollicités de façon importante même s’ils fonctionnement à des températures élevées.
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Résistances thermiques de Led de puissance du marché en 2013. Une faible résistance thermique permet de limiter la diminution des performances. © Led Engineering Development
Suivant les types de Led, ces résistances thermiques (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-resistance-thermique-10891/) peuvent être importantes (plus de 400 K/W), mais s’il l’on regarde l’accroissement de température entre la jonction et la carte électronique sur laquelle est soudée la Led, il peut rester raisonnable du fait du faible courant injecté dans la Led (et donc de la faible quantité de chaleur à dégager).Quelques ordres de grandeur de valeurs rencontrées suivant les modèles de Led :
Led traversantes 5 mm : de 150 à 400 K/W ;
Led CMS PLCC4 sans pad (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/high-tech-pad-1271/) de dissipation thermique (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/physique-nanotubes-nouvelle-theorie-dissipation-chaleur-8123/) : de 80 à 200 K/W ;
Led CMS de type 5630 avec pad de dissipation thermique : de 30 à 80 K/W ;
Led CMS de puissance avec pad de dissipation thermique : de 4 à 15 K/W.
Des valeurs inférieures à 4 K/W sont rares, mais existent sur des boîtiers de Led particuliers, qui requièrent une dissipation importante au regard (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-regard-10885/) des forts courants injectés et donc de la quantité de chaleur à dissiper.Autre point à noter, la valeur de la résistance thermique des Led est donnée de façon nominale le plus souvent. Mais cette caractéristique évolue avec la température et dans le mauvais sens, c’est-à-dire qu’elle augmente lorsque la température du composant augmente. En conséquence, connaître la valeur maximale que peut prendre cette donnée est important, notamment lors d’applications où la température de fonctionnement est élevée.La qualité colorimétrique des Led
Si nous mettons de côté les Led de couleur (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-led-vertes-lumiere-blanche-23371/), qui elles aussi se sont améliorées (nombre de couleurs disponibles plus important, largeur spectrale affinée, uniformité des couleurs entre différentes Led d’un lot), les Led blanches ont pu être intégrées dans des applications d’éclairage (voir figure ci-dessous) dès lors que leur spectre (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-spectre-1663/) s’est approché de celui des technologies employées jusqu’à présent (lampes à incandescence (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-incandescence-6978/), tubes fluorescents (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-tube-fluorescent-10959/), lampes à décharge).
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Spectre d’une Led de qualité colorimétrique dédiée à l’éclairage intérieur. Les Led blanches commencent à être utilisées pour les applications d’éclairage, car leur spectre lumineux est proche de celui que l’on peut obtenir à l’aide de lampes à incandescence. © Seoul Semiconductor
Ces améliorations spectrales ont pu être possibles à partir du moment où les puces semi-conductrices bleues ont atteint des rendements permettant aux luminophores (conversion du bleu en vert et en rouge, entre autres) de ne pas diminuer de façon trop importante le rendement global des Led. De plus, les luminophores (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-sony-technologie-fed-ecrans-demain-10676/) eux-mêmes se sont améliorés en rendement et en qualité de restitution de l’énergie absorbée, ce qui a complété la qualité colorimétrique.
Reléguées au rang de simples indicateurs lumineux jusque dans les années 1990 (présents dans les produits électroniques comme les radios, magnétoscopes et autres afficheurs de voiture), les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) sont en passe de conquérir tous les domaines de l’éclairage.Il n’existe que très peu d’endroits où les Led ne sont pas encore présentes aujourd’hui, que ce soit pour des applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/) industrielles, médicales, automobiles (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-automobile-11105/) ou domestiques. Bien sûr, des applications comme les éclairages intérieurs de bâtiments emploient encore majoritairement des technologies anciennes (lampes à incandescence (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-incandescence-6978/),tubes fluorescents (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-tube-fluorescent-10959/)), mais les Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/) s’y immiscent petit à petit. De là à penser que cette nouvelle technologie remplacera toutes les anciennes sources d’éclairage, il y a un grand pas, et les Led seront plutôt souvent une solution alternative, quelquefois de remplacement évident et souvent apportant des fonctionnalités différentes ou complémentaires.
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Rendement de certaines applications d’éclairage à Led. On retrouve des Led dans de nombreux domaines de l’éclairage, chez les particuliers comme chez les professionnels. © Led Engineering Development
Applications qui requièrent de hauts rendements
La forte augmentation du rendement des composants eux-mêmes (Led) s’est accompagnée « naturellement » d’une diminution de la quantité de chaleur à extraire de la Led. Ainsi, non seulement les applications d’éclairage ont gagné en rendement, mais les méthodes d’intégration ont pu certaines fois être simplifiées du fait d’avoir moins de calories à dissiper. Les applications comme les lampes à Led atteignent aujourd’hui des rendements supérieurs à 85 ou 90 lm/W à des prix « raisonnables » (moins de 10 dollars) du fait de cette fabrication simplifiée employant des matériaux peu chers (comme du plastique (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/chimie-plastique-13438/) par exemple).D’autres applications, comme l’éclairage extérieur (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/qr/d/electricite-installer-eclairage-exterieur-detecteur-mouvement-2135/) autonome (sur batteries avec panneaux solaires), demandent aux concepteurs d’utiliser des Led très performantes pour économiser l’énergie difficilement captée et stockée, et diminuer de ce fait la dimension et le poids des systèmes. Toujours pour ce type d’applications, l’impact de cette évolution se fait également sur le dimensionnement des poteaux (souvent au-delà de quatre mètres) qui peuvent être plus réduits en terme de diamètre (économie de prix).
Éclairage sportif à Led. Les Led s’adaptent particulièrement bien aux vastes salles de sport, car leur durée de vie très longue évite d’importants frais de remplacement. © Led Engineering Development
Des domaines d’éclairage comme les gymnases, les halls de gare ou les bâtiments présentant des plafonds très hauts, où les changements de luminaires (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-luminaire-10761/) sont difficiles à réaliser et nécessitent des moyens coûteux, mais qui peuvent constituer des lieux de prédilection pour les Led en matière de durée de vie. Une condition tout de même : un rendement du luminaire au-dessus de 80 lm/W.Applications nécessitant des Led de flux important
Certaines applications requièrent des composants capables de générer des flux très importants à partir de surfaces d’émission (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-emission-389/) les plus petites possible. C’est le cas notamment des feux diurnes (http://www.futura-sciences.com/magazines/environnement/infos/actu/d/developpement-durable-3008-hybrid4-peugeot-hybride-prochain-mondial-auto-24915/)avant de véhicule, où la mise en forme du faisceau doit être précise (source lumineuse de petite taille) avec une quantité de lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/) importante, et donc une sollicitation des composants de forts courants.
L’éclairage avant de voiture nécessite des Leds de flux important, car le faisceau désiré est très précis. © DR
Les Led employées atteignent parfois des flux lumineux supérieurs à 150 ou 200 lumens (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumen-355/), voir près de 400 à 500 lumens lorsqu’il s’agit de Led multipuces. Des optiques complémentaires sont utilisées pour mettre en forme le faisceau lumineux (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/actu/d/technologie-lampadaire-led-econome-supprime-pollution-lumineuse-46605/) et créer des surfaces de forte luminance (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-luminance-2510/). D’autres applications comme les éclairages d’appoints (liseuses dans les transports en commun, dans certains véhicules ou dans les avions (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-avion-11106/)) demandent aussi des Led ayant de forts flux issus de petite surface d’émission (toujours pour faciliter la mise en forme du faisceau).Signalisation et balisage : forte intensité, grande directivité
Ce type d’applications est l’un des premiers à avoir intégré les Led comme source lumineuse. Nous pouvons citer en exemple les feux de signalisation routière et les feux tricolores (ou la technologie Led est présente depuis plus de 20 ans) et plus récemment les feux arrière de véhicules.Une forte intensité lumineuse (http://www.futura-sciences.com/videos/d/tache-solaire-evolution-intensite-lumineuse-116/) (de plusieurs dizaines voire centaines de candelas (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-candela-345/)) est requise pour ces applications, qui sont la plupart du temps en extérieur et doivent présenter une excellente visibilité, y compris en plein jour. Parfois, des spécifications complémentaires comme des surfaces de source lumineuse à respecter ou encore des uniformités de cette même surface sont demandées.
Détail de l’éclairage de signalisation routière et de feux arrière de véhicule. Pour ces applications, une grande intensité lumineuse est requise, afin que les objets soient visibles de jour comme de nuit. © Led Engineering Development
Les Led utilisées pour ces applications sont aujourd’hui très souvent CMS, alors qu’au milieu des années 2000, elles étaient majoritairement traversantes. Pour les feux tricolores, elles restent en grande proportion de type traversant.Applications pour écrans
Au début des années 2010, les premiers écrans à Led (dont les pixels (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/informatique-pixel-591/) sont réalisés non plus par des cristaux liquides, mais par des puces semi-conductrices (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/actu/d/chimie-semi-conducteur-devient-supraconducteur-ruban-adhesif-41015/)) sont apparus, mais la grande majorité des écrans actuellement sur le marché (ordinateurs (http://www.futura-sciences.com/magazines/high-tech/infos/dico/d/informatique-ordinateur-586/), télévisions) sont constitués de dalle à cristaux liquides, rétroéclairées par des Led. Le marché des Led pour ce domaine est l’un des plus importants en matière de volume encore aujourd’hui.
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Le rétroéclairage d’écran à cristaux liquides est l’un des marchés les plus importants pour les Led de nos jours. © Led Engineering Development
Au départ, des Led de type « side emitting » étaient utilisées, remplacées petit à petit par des Led de type 5630 (ou de boîtier plus petit) plus performantes, diminuant de ce fait leur nombre et le prix des produits.
L’évolution des performances des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) n’est pas encore terminée. Des perspectives prometteuses sont énoncées ici et là, et même si certaines d’entre elles semblent inatteignables (rendement de 250 lm/W par exemple), beaucoup seront dépassées.Les Led vont apporter dans les années à venir d’autres possibilités d’intégration, de nouvelles manières d’appréhender la lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/), car bien que cette technologie ait plus de 100 ans, son exploitation industrielle en éclairage (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/actu/d/medecine-eclairage-led-attention-yeux-25795/) n’a réellement commencé qu’au début des années 2000.Depuis plus de dix ans, je sillonne le monde à la rencontre des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), d’intégrateurs de cette technologie d’éclairage, de chercheurs. De formation technique, je passe une grande partie de mon temps au laboratoire de Led Engineering Development à étudier et tester les systèmes, solliciter et décortiquer de nombreux modèles de Led et à rechercher de nouvelles méthodes d’intégration, de nouvelles propriétés de cette belle technologie à exploiter.
Des Led blanches et bleues utilisées pour l’éclairage d’une scène. Bien qu’ayant plus d’un siècle, la technologie Led n’a vraiment été exploitée industriellement que depuis le début du XXIesiècle. © Jeff Wilcox, cc by 2.0
J’ai eu la chance de participer à de nombreux programmes de recherche et de nombreux projets de développement avec les plus grands groupes industriels.Fin 2012, Les Led pour l’éclairage (http://www.dunod.com/sciences-techniques/sciences-techniques-industrielles/electronique/ouvrages-professionnels/les-led-pour-leclairage) (éditions Dunod (http://www.dunod.com/)), que j’ai écrit, est finalement un condensé de cette expérience passée, et ce dossier a permis au lecteur d’approcher la technologie des Led. Puis, s’il souhaite aller un peu plus loin, je pense que cet ouvrage lui fournira des éléments technicoéconomiques sur les Led et leurs applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/).
L’évolution des performances des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/maison/infos/dico/d/maison-led-6968/) n’est pas encore terminée. Des perspectives prometteuses sont énoncées ici et là, et même si certaines d’entre elles semblent inatteignables (rendement de 250 lm/W par exemple), beaucoup seront dépassées.Les Led vont apporter dans les années à venir d’autres possibilités d’intégration, de nouvelles manières d’appréhender la lumière (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dico/d/physique-lumiere-326/), car bien que cette technologie ait plus de 100 ans, son exploitation industrielle en éclairage (http://www.futura-sciences.com/magazines/sante/infos/actu/d/medecine-eclairage-led-attention-yeux-25795/) n’a réellement commencé qu’au début des années 2000.Depuis plus de dix ans, je sillonne le monde à la rencontre des Led (http://www.futura-sciences.com/magazines/matiere/infos/dossiers/d/physique-luminescence-tous-etats-1498/page/5/), d’intégrateurs de cette technologie d’éclairage, de chercheurs. De formation technique, je passe une grande partie de mon temps au laboratoire de Led Engineering Development à étudier et tester les systèmes, solliciter et décortiquer de nombreux modèles de Led et à rechercher de nouvelles méthodes d’intégration, de nouvelles propriétés de cette belle technologie à exploiter.
Des Led blanches et bleues utilisées pour l’éclairage d’une scène. Bien qu’ayant plus d’un siècle, la technologie Led n’a vraiment été exploitée industriellement que depuis le début du XXIesiècle. © Jeff Wilcox, cc by 2.0
J’ai eu la chance de participer à de nombreux programmes de recherche et de nombreux projets de développement avec les plus grands groupes industriels.Fin 2012, Les Led pour l’éclairage (http://www.dunod.com/sciences-techniques/sciences-techniques-industrielles/electronique/ouvrages-professionnels/les-led-pour-leclairage) (éditions Dunod (http://www.dunod.com/)), que j’ai écrit, est finalement un condensé de cette expérience passée, et ce dossier a permis au lecteur d’approcher la technologie des Led. Puis, s’il souhaite aller un peu plus loin, je pense que cet ouvrage lui fournira des éléments technicoéconomiques sur les Led et leurs applications (http://www.futura-sciences.com/magazines/mathematiques/infos/dico/d/mathematiques-application-13200/).