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1 - LEDS MODERNES POUR L’ÉCLAIRAGE

2 - PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES LEDS

3 - FABRICATION DES LEDS

4 - CARACTÉRISTIQUES DES LEDS

5 - QUELQUES INNOVATIONS

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

8 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : E6501 v1

Conclusion
Éclairage à base de LEDs - Composants LED

Auteur(s) : Georges ZISSIS, Laurent CANALE

Relu et validé le 12 avr. 2021

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RÉSUMÉ

L’éclairage à LEDs ne fait pas que remplacer une technologie antérieure, il traîne dans son cortège non seulement de nouveaux paradigmes, mais aussi un éventail quasi infini vers l’interconnectivité, le contrôle local (applications mobiles) ou global (smart-lighting), la communication (via le LiFi), et toutes applications polymorphes possibles. Cet article dresse un panorama non exhaustif de la LED depuis son origine jusqu’à son impact économique mondial. Il rappelle également les principes fondamentaux, les techniques de fabrication des puces et de génération de lumière blanche, en soulevant la problématique des ressources premières et en projetant un regard vers les technologies futures.

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Auteur(s)

  • Georges ZISSIS : Professeur des universités, Université de Toulouse, UPS, LAPLACE (Laboratoire plasma et conversion d’énergie), France

  • Laurent CANALE : Ingénieur de recherche, CNRS, Université de Toulouse, LAPLACE (Laboratoire plasma et conversion d’énergie), France

INTRODUCTION

Bien qu’elles aient envahies notre quotidien en moins d’une décennie, les Diodes Électroluminescentes (DEL ou plus communément appelée « LED » pour « light emitting diode ») sont le fruit d’une évolution lente et chaotique issue autant du hasard, de la curiosité intellectuelle que de la recherche scientifique et technologique. De la première observation en 1907 jusqu’à l’avènement de l’éclairage à LED efficace à la fin des années 2010, leur développement est issu d’une série d’innovations principalement dans le domaine de la science des matériaux et de la physique des semi-conducteurs. Par essence monochromatiques, les LEDs ont également pu intégrer le domaine de l’éclairage et produire de la lumière blanche par différentes solutions technologiques, la principale étant constituée d’une association « LED bleue + phosphore ».

Chaque étape de la fabrication d’une LED relève d’un véritable défi technologique. Qu’il s’agisse de la production des substrats, des dopants, de l’intégration, de la réalisation, de la résistance aux contraintes thermiques, électriques ou mécaniques au niveau de la puce, au niveau du composant ou de son intégration dans un système, des connexions électriques (bonding) ou de son encapsulant, chaque interface, chaque matériau et chaque fonction (émission de lumière bleue par la puce, excitation du phosphore et émission de lumière blanche, diffusion et protection par l’encapsulant…) constituent des étapes à part entière dans l’élaboration d’une LED.

La recherche et la mise en œuvre de la gestion énergétique des LEDs constituent sans doute le point critique le plus fondamental de l’étude des LEDs, puisqu’une augmentation de la chaleur induit à la fois une baisse de l’efficacité énergétique, mais aussi une chute considérable de sa durée de vie.

L’ensemble des efforts portés dans ce domaine contribue depuis les années 1990 à une augmentation accrue de la robustesse, de la fiabilité, de la durée de vie et de l’efficacité lumineuse des LEDs, tout en mettant en œuvre des processus rendant possible la production en série avec des niveaux de reproductibilité considérables.

Par ailleurs, l’industrie des semi-conducteurs, et donc également celle des LEDs, avance inexorablement vers l’impasse d’une équation impossible à résoudre, où la production de matière première (notamment le gallium et l’indium) reste considérablement inférieure aux besoins présents. Les projections à court terme ne font que confirmer cette prochaine pénurie où la Chine se présente avec un quasi-monopole autant en termes de ressources que de fabrication.

Après une présentation des principes fondamentaux des LEDs précédée d’un bref historique, cet article aborde la LED du point de vue du composant, des matériaux et de l’encapsulation avant d’introduire les notions d’efficacité et les techniques de production de lumière blanche à partir de ce composant intrinsèquement monochromatique.

Le concept, les normes et les définitions concernant la durée de vie des LEDs sont également abordés.

Enfin, parallèlement au développement et à l’amélioration de la technologie en place, notamment avec les Cristaux Photoniques (CP), d’autres technologies émergent, telles que les LEDs à nanofils ou les Quantum Dots LEDs (QDLEDs ou QLEDs), et constitueront probablement les issues technologiques des LEDs de demain avec des efficacités et des durées de vie bien plus élevées.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e6501


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6. Conclusion

L’ère de l’éclairage à incandescence s’est éteint et, si celui de la fluorescence perdure, les innovations dans ce domaine sont rares. De toute évidence, l’éclairage du XXI e siècle sera moins énergivore, plus durable et efficace, moins impactant sur le plan écologique, polyvalent, modulable et intégrable.

Sur le plan technologique, il reste une marge théorique considérable pour les LEDs au niveau de la puce, puisque son efficacité peut dépasser les 100 % (par pompage thermique dans l’atmosphère). L’extraction de la lumière produite au cœur de la jonction trouve également des réponses avec l’intégration des cristaux photoniques ou des solutions innovantes avec les LEDs à nanofils ; la gestion thermique est également une préoccupation et les technologies flip-chip sont un exemple de réponse à ce genre de problématique, les quantums dots LEDs (QDLEDs) sont un autre exemple de développement de cette technologie. Au niveau de l’intégration, les COB (chip on board, puce sur un substrat métallique), avec des puces implantées directement sur un support mécanique bon conducteur thermique ont également été une innovation en relation avec la gestion thermique comme les COG (chip on glass, puce sur un substrat en verre) le sont depuis peu avec des LEDs dites LEDS filaments en permettant une plus grande extraction de la lumière…

Présager de l’avenir de l’éclairage à LEDs n’est pas qu’une simple adéquation liée aux innovations technologiques. Il est le résultat d’une équation complexe mettant en jeu des facteurs économiques (retour sur investissement de l’industrie des LEDs), sociétaux, politiques ou diplomatiques (la Chine ayant un quasi-monopole sur la fabrication), des enjeux internationaux sur les matières premières, etc.

Pour n’aborder que les sujets concernant l’indium ou le gallium, nécessaires à la fabrication des LEDs, le déséquilibre entre les besoins et la production annuelle conduisent nécessairement à un verrou qui ne saurait être résolu que par une baisse de la production, une augmentation des coûts ou de la production, sinon par le développement d’une technologie alternative sans ses matières premières. Là aussi, les enjeux politico-diplomatiques n’y sont pas étrangers puisque la Chine détient à elle seule plus de 75 % des ressources en gallium.

Le prochain défi de l’éclairage...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ROUND (H.J.) -   A note on carborundum electrical world.  -  49, p. 309 (1907).

  • (2) - LOSEV (O.V.) -   Optical relay.  -  Patent n° 12191, février 1927.

  • (3) - WRIGHT (M.) -   Cree royal blue LED delivers 81 % wall plug efficiency.  -  LEDs Magazine published, avril 2017.

  • (4) - WRIGHT (M.) -   SIL keynotes chart course of LED technology and supply, explore expanding applications.  -  LED Magazine, avril 2015.

  • (5) - SMALLWOOD (Ph.) -   Lighting, LEDs and smart lighting market overview  -  (2016).

  • (6) -   LED professional magazine, technologies, GaN nanowires make light mixing efficient and smart,  -  juillet 2016.

NORMES

  • Éclairage général – Produits à diode électroluminescente (LED) et équipements associés – Termes et définitions – Modifiée par NF EN 62504/A1 (mai 2018) - NF EN 62504 - 12-14

  • Lumière et éclairage – Mesure et présentation des données photométriques des lampes et des luminaires – Partie 4 : Lampes, modules et luminaires LED - NF EN 13032-4+A1 - 06-15

  • Appareillages de lampes – Partie 1 : Exigences générales et exigences de sécurité - NF EN 61347-1 - 09-15

  • Appareillages de lampes – Partie 2-13 : Exigences particulières pour les appareillages électroniques alimentés en courant continu ou alternatif pour les modules de LED. Modifiée par NF EN 61347-2-13/A1 (juin 2017) - NF EN 61347-2-13 - 12-14

  • Modules de del pour éclairage général – Spécifications de sécurité – Modifiée par : NF EN 62031/A1 (juin 2013) et NF EN 62031/A2 (juin 2015) - NF EN 62031 - 12-08

  • Sécurité photobiologique des lampes et des appareils utilisant...

1 Réglementation

Principaux textes réglementaires relatifs aux performances environnementales et à l’écoconception

Règlement (UE) n° 1194/2012 du 12 décembre 2012 portant application de la directive 2009/125/CE du Parlement européen et du Conseil en ce qui concerne les exigences relatives à l’écoconception des lampes dirigées, des lampes à diodes électroluminescentes et des équipements correspondants, modifié

Règlement n°1428/2015 du 25 août 2015 modifiant le règlement (CE) n° 244/2009 de la Commission en ce qui concerne les exigences relatives à l’écoconception des lampes à usage domestique non dirigées et le règlement (CE) n° 245/2009 de la Commission en ce qui concerne les exigences en matière d’écoconception applicables aux lampes fluorescentes sans ballast intégré, aux lampes à décharge à haute intensité, ainsi qu’aux ballasts et aux luminaires qui peuvent faire fonctionner ces lampes, et abrogeant la directive 2000/55/CE du Parlement européen et du Conseil et le règlement (UE) n° 1194/2012 de la Commission en ce qui concerne les exigences relatives à l’écoconception des lampes dirigées, des lampes à diodes électroluminescentes...

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