Motivée par les économies d'énergie possibles dans les pays développés et par l'accès de tous à une lumière dite «verte» dans les pays émergents, la révolution de l'éclairage à LEDs (Diode ElectroLuminescente ou Light-Emitting Diode) est en marche!
Que de chemin parcouru entre la première LED rouge mise au point par Nick Holonyak en 1962 et la mise sur le marché des premières LEDs blanches pour le grand public il y a quelques années, sans oublier le prix Nobel de Physique accordé aux inventeurs de la LED bleue (I. Akasaki, H. Amano et S. Nakamura) en 2014!
Enjeux
Il faut dire que les enjeux liés à l'utilisation généralisée des LEDs comme sources d'éclairage sont immenses. D'une part, elles permettent une réduction significative de la consommation énergétique liée à l'éclairage. Selon certaines études (1), les ampoules à LEDs devraient occuper près de 70% du marché mondial en 2020, représentant un chiffre d'affaires de plus de 70 milliards de dollars, et ce, malgré la crise économique actuelle. Ces chiffres laissent entrevoir les enjeux liés aux avancées technologiques dans ce secteur d'activité hautement concurrentiel.
D'autre part, de par leur faible consommation énergétique, les dispositifs à LEDs peuvent être alimentés via des cellules photovoltaïques, ce qui permet à de nombreux pays émergents d'amener de la lumière dans des zones reculées ne disposant pas de l'électricité. Ces dispositifs d'éclairage «verts» viendraient alors remplacer des sources d'éclairage plus primitives et dangereuses telles que le kérosène, améliorant ainsi la qualité de vie de millions de personnes. En somme, un enjeu sociétal d'envergure.
Et si l'on regarde un peu plus loin encore, ce qui nous paraissait il y a quelques années être du domaine de la science-fiction se profile désormais à très court terme: la généralisation de l'éclairage dit «intelligent», voire de bâtiments intelligents, à l'image de celui réalisé à Amsterdam avec l'aide de Philips. Par éclairage intelligent, on entend un éclairage qui s'adapte à la présence et aux besoins des utilisateurs, en faisant notamment varier l'intensité et la couleur de la lumière.
Mais avant de se propulser dans cet avenir proche où l'éclairage intelligent règnera dans nos foyers, revenons aux propriétés actuelles des LEDs blanches.
Avantages et inconvénients des ampoules à LEDs
Les LEDs blanches commercialisées actuellement utilisent des LEDs bleues associées à un luminophore jaune.
Elles présentent de nombreux avantages, parmi lesquels une très faible consommation d'énergie, une durée de vie inégalée, la robustesse, une grande efficacité, l'absence de substances toxiques telles que le mercure (présent dans les lampes fluo-compactes) et la possibilité d'être recyclables à 98%. Les luminaires à LEDs se positionnent donc comme une alternative verte aux lampes fluorescentes.
Pour des applications en éclairage domestique, les performances de ces dispositifs doivent cependant être encore améliorées afin de répondre aux exigences de ce marché. Par exemple, les dispositifs actuels présentent une température de couleur jugée un peu trop «froide» avec une proportion de lumière bleue émise jugée dangereuse par l'Anses pour certaines populations à risque (enfants, personnes âgées). Malgré leurs nombreux avantages, il existe donc encore une marge de progression pour les luminaires à LEDs, en agissant notamment sur la nature et la mise en forme des luminophores qui y sont incorporés.
Des matériaux pour l'éclairage de demain
Le groupe Matériaux pour l'optique de l'équipe Matériaux inorganiques de l'Institut de chimie de Clermont-Ferrand, en France, travaille depuis plusieurs années sur la synthèse, la caractérisation et la mise en forme de luminophores pour des applications dans le domaine de l'optique.
En particulier, les chercheurs de ce groupe travaillent sur le développement de procédés de synthèse originaux ou de nouvelles formulations luminescentes excitables par des LEDs bleues ou des LEDs émettant dans le proche UV (350-400 nm). Grâce à des procédés de synthèse en solution, les luminophores obtenus peuvent être mis en forme de façon aisée afin de s'adapter au mieux au système d'éclairage qu'ils intégreront: poudre de granulométrie contrôlée, revêtements transparents ou opaques d'épaisseur variable (quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres) ou encore composite mêlant luminophore et polymère (silicone, par exemple).(2)
Ils ont notamment développé un système bi-couche inédit composé d'un revêtement composite YAG:Ce3+/silicone (émission jaune) associé à un revêtement composite CuInS2/ZnS/silicone (émission rouge). (3)
Le luminophore YAG:Ce3+ est élaboré par un procédé de synthèse original: la voie solvothermale. Ce procédé d'élaboration met en œuvre des solvants à une température supérieure à leur température d'ébullition, le plus souvent entre 100 et 350°C, dans un réacteur sous pression. Le luminophore rouge, quant à lui, entre dans la famille des Quantum Dots qui sont des cristaux semi-conducteurs de dimensions nanométriques (1 million de fois plus petits que le mm) et qui présentent des propriétés de fluorescence ajustables par le contrôle de leur diamètre. Le système bi-couche conduit sous excitation LED bleue (460 nm) à l'émission d'un blanc dit "chaud" offrant un IRC (indice de rendu des couleurs) de 84 et limitant la proportion de lumière bleue reçue par les utilisateurs.
De plus, ce dispositif présente une bonne stabilité thermique ce qui garantit la préservation des paramètres photométriques dans le temps et en fait un candidat potentiel intéressant pour les dispositifs d'éclairage à LEDs dédiés au grand public.
Notons qu'en cette année 2015, proclamée Année internationale de la lumière, les travaux du groupe MO sur les luminophores revêtent toute leur importance.
Pour aller plus loin: Soft-Chemistry Derived Advanced Phosphors for Smart Lighting Devices Based on Blue or UV LEDs (Publication scientifique).
Notes:
1. Etude Mc Kinsey, "Lighting the Way: perspectives on the global lighting market", 2nde édition, 2012.
2. G. Chadeyron, N. Pradal, A. Potdevin, D. Boyer, S. Therias, M. Consonni and R. Mahiou, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2013, 2, R3041-R3047.
3. A. Aboulaich, M. Michalska, R. Schneider, A. Potdevin, J. Deschamps, R. Deloncle, G. Chadeyron and R. Mahiou, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 252-258.
Ce billet est publié dans le cadre de l'opération Têtes Chercheuses, qui permet à des étudiants ou chercheurs de grandes écoles, d'universités ou de centres de recherche partenaires de promouvoir des projets innovants en les rendant accessibles, et ainsi participer au débat public.
VOIR AUSSI SUR LE HUFFPOST
Tarifs d'électricité des villes nord-américaines (2015)
