L’électroluminescence sous les feux de la rampe

Avec les LED blanches, les concepteurs d’Osram atteindront bientôt leurs objectifs de réduction de la consommation d’énergie, d’élimination des matériaux nocifs et d’optimisation de la durée de vie.

La LED blanche Ostar, d’une luminosité supérieure à celle d’une ampoule halogène de 50 watts

Elles sont minuscules. Et pourtant, les diodes électroluminescentes (LED) contribuent considérablement à la protection de l’environnement. Une LED blanche consomme en effet cinq fois moins d’énergie qu’une ampoule à incandescence classique et dure 50 fois plus longtemps. Et, contrairement à une ampoule à économie d’énergie standard, elle ne contient pas de mercure.

D’une luminosité de 1000 lumens – supérieure à celle d’une ampoule halogène de 50 watts – Ostar Lighting, constituée de 6 puces LED d’un millimètre carré chacune, est la vedette de sa catégorie. Son rendement lumineux de 70 lumens par watt relègue dans l’ombre l’ampoule à incandescence, qui n’affiche que 15 lm/W. « Avec Ostar, nous avons réussi à générer une surface d’éclairage exceptionnelle », se réjouit Steffen Köhler, responsable du projet chez Osram Opto Semiconductors à Rattisbonne, en Allemagne. Les LED destinées à l’éclairage général se doivent d’être suffisamment imposantes pour fournir une grande quantité de lumière.

Plus facile à dire qu’à faire ! Les LED sont une combinaison de cristaux semi-conducteurs, dopés par des atomes introduits dans le réseau cristallin pur et présentant une structure atomique régulière. Or, plus les cristaux sont grands, plus le risque d’irrégularités et d’impuretés augmente. Et plus ces impuretés sont nombreuses, moins la conversion d’électricité en lumière est efficace. Steffen Köhler est persuadé qu’il est possible d’augmenter la dimension et le rendement des puces. « L’objectif des 2000 lumens reste parfaitement réaliste », soutient-il.

Les performances des LED sont également conditionnées par les couches de matières colorantes jaune et rouge-orange appliquées sur la source lumineuse afin de transformer la lumière bleue en lumière blanche. L’équipe de Martin Zachau, chercheur chez Osram et spécialisé dans ce domaine, utilise des granulés de phosphore pour contrôler les propriétés de dispersion des particules, afin de modifier la lumière émise. Le rendement est optimisé grâce à la composition chimique. Un revêtement protecteur renforce, en outre, la stabilité du phosphore.

Mais les LED ne reproduisent pas encore les couleurs naturelles, car, contrairement au soleil ou aux ampoules à incandescence, elles n’émettent que des rayonnements bleus et jaunes. L’équipe étudie donc un système capable de transformer une partie de la lumière bleue en jaune, mais aussi en vert et en rouge. « Le spectre de la LED serait ainsi complet, et le rendu colorimétrique parfait », explique Martin Zachau.

Pour accélérer les développements, Ute Liepold, de Siemens Corporate Technology, à Munich, prône la chimie combinatoire. Elle utilise une plaque de métal perforée pouvant accueillir 96 creusets miniatures remplis de mélanges de poudres, qui produisent de nouveaux phosphores après leur passage au four. Un manipulateur commandé par PC est ensuite utilisé pour les peser et les placer sur un porte-échantillon. Cette méthode permet d’obtenir des centaines d’échantillons par jour, afin de tester rapidement un maximum de compositions. « Mais organiser et analyser toutes les données reste un casse-tête », précise Ute Liepold.

Des ampoules sans mercure

Les phares au xénon contiennent peu de mercure qui se transforme en gaz sous l’effet de la chaleur. De taille importante, les atomes de mercure sont facilement percutés par les électrons dans le plasma de ces lampes à décharge. La lumière émise étant assez proche du spectre visible, la transformation en lumière blanche réduit les pertes. Le mercure fait également office de tampon chimique et thermique : il prévient l’oxydation et favorise la dissipation de la chaleur. Néanmoins, c’est une substance toxique et polluante. Son utilisation étant restreinte par un règlement de l’UE dans le secteur automobile, les chercheurs étudient des alternatives.

Il y a un an, Osram lançait la lampe à décharge Xenarc sans mercure, utilisant de l’iodure de zinc – un gaz inoffensif. « Le développement de ce produit n’a pas été aisé », confie Christian Wittig, directeur marketing des systèmes Xenarc. « Il nous a fallu adapter l’ensemble de l’environnement électronique et optique à cette technologie. » Les fortes intensités des lampes au xénon multiplient les contraintes des composants. Ainsi, Osram a utilisé des électrodes et du verre quartz plus épais. « La production est plus complexe, mais il s’agit d’une avancée importante pour l’environnement », affirme Christian Wittig. Ces lampes sont déjà utilisées par les constructeurs automobiles, dont Audi, Ford et Toyota.

Lampes fluocompactes

Les lampes fluocompactes d’Osram contiennent du mercure, mais en quantités inférieures à trois milligrammes. « Il est pratiquement impossible de s’en passer totalement », explique Ralf Criens, expert environnement chez Osram. « Le mercure est fixé à l’aide de poudre de fer, ce qui permet un dosage très précis. » Plus la durée de vie d’une lampe est longue, moins les remplacements seront fréquents et plus la quantité de mercure utilisée sera faible. Osram a ainsi développé la lampe fluocompacte Dulux EL LongLife, viable 15 000 heures.

« Cette caractéristique est un facteur essentiel dans le développement de nouveaux produits, mais nous devons également penser en termes de systèmes », précise Ralf Criens. Il prédit un avenir prometteur aux LED blanches, pouvant éclairer 90 000 heures – une innovation qui devrait bientôt s’adapter aux éclairages de sol, lampes à poser et autres applications aussi performantes qu’écologiques, à des prix compétitifs.

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Auteur : Andrea Hoferichter