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Elaboration d¡¯architectures complexes luminescentes destin¨¦es ¨¤ l¡¯¨¦clairage ¨¤ LEDs
Publi¨¦ le 28 octobre 2021 – Mis ¨¤ jour le 28 octobre 2021
Un texte de la Minute Recherche par Audrey Potdevin, Genevi¨¨ve Chadeyron et Fran?ois R¨¦veret (ICCF, unit¨¦ mixte de recherche CNRS / Universit¨¦ Clermont Auvergne).
Arriv¨¦s sur le march¨¦ depuis quelques ann¨¦es, les dispositifs d¡¯¨¦clairage ou de visualisation ¨¤ base de diodes ¨¦lectroluminescentes (LEDs), performants, tr¨¨s peu consommateurs d¡¯¨¦nergie et exempts de substances toxiques comme le mercure ou le plomb, repr¨¦sentent une solution "verte" qui offre de grandes potentialit¨¦s en termes de modularit¨¦ et de qualit¨¦ de couleur.
Concernant l¡¯¨¦clairage, la teinte du blanc (temp¨¦rature de couleur) ou encore l¡¯indice de rendu des couleurs (IRC), qui mesure la propension d¡¯une source lumineuse ¨¤ bien rendre les couleurs, sont des param¨¨tres fondamentaux ¨¤ optimiser et adapter en fonction du milieu ¨¦clair¨¦ (commerces, h?pitaux¡).
Les dispositifs d¡¯¨¦clairage blanc commerciaux associent des LEDs bleues ¨¤ deux luminophores : une matrice c¨¦ramique ¨¦mettant dans le jaune et un luminophore rouge contenant g¨¦n¨¦ralement des ions de terres-rares. Ces derniers pr¨¦sentent trois inconv¨¦nients : ils sont chers, en raison du monopole de la Chine sur cette mati¨¨re premi¨¨re, sensibles ¨¤ la temp¨¦rature ou encore ¨¤ l¡¯humidit¨¦, et leur utilisation dans les LEDs conduit ¨¤ une d¨¦rive de la colorim¨¦trie changeant la couleur du blanc chaud au blanc froid.
Afin de pallier ce probl¨¨me, nous avons cherch¨¦ une solution permettant de s¡¯affranchir de ce luminophore rouge. Ainsi, dans cette ¨¦tude, la matrice c¨¦ramique (YAG : Ce) a ¨¦t¨¦ associ¨¦e ¨¤ des nanofils de d¡¯oxyde de zinc (ZnO), mat¨¦riau stable et peu cher. Synth¨¦tis¨¦s dans des conditions respectueuses de l¡¯environnement, ces mat¨¦riaux ont ¨¦t¨¦ combin¨¦s dans des architectures luminescentes prenant la forme de rev¨ºtements. Cette strat¨¦gie avait deux objectifs : accro?tre l¡¯intensit¨¦ de la lumi¨¨re ¨¦mise en favorisant l¡¯augmentation de la proportion de photons extraits du rev¨ºtement gr?ce ¨¤ la structuration de surface amen¨¦e par les nanofils et apporter la composante rouge via le ZnO.
Les architectures luminescentes r¨¦alis¨¦es se sont r¨¦v¨¦l¨¦es tr¨¨s int¨¦ressantes puisqu¡¯en jouant sur la nature de la source d¡¯excitation (LEDs bleues ou LED ultraviolette), l¡¯intensit¨¦ et la couleur d¡¯¨¦mission de ces rev¨ºtements peuvent ¨ºtre modul¨¦es. Gr?ce ¨¤ des ¨¦tudes morphologiques et optiques, nous avons d¨¦termin¨¦ une quantit¨¦ optimale de matrice c¨¦ramique ¨¤ associer aux nanofils. Une ¨¦tude optique compl¨¨te a permis de proposer des hypoth¨¨ses quant aux m¨¦canismes mis en jeu dans l¡¯¨¦volution des propri¨¦t¨¦s optiques des architectures r¨¦alis¨¦es, selon la quantit¨¦ de luminophore et selon la source d¡¯excitation utilis¨¦es.
Ces ¨¦chantillons associant nanofils de ZnO et c¨¦ramique (YAG : Ce) ont permis de mettre en ¨¦vidence une am¨¦lioration de l¡¯intensit¨¦ de luminescence pouvant aller jusqu¡¯¨¤ 50% selon la configuration de l¡¯architecture.
Concernant l¡¯¨¦clairage, la teinte du blanc (temp¨¦rature de couleur) ou encore l¡¯indice de rendu des couleurs (IRC), qui mesure la propension d¡¯une source lumineuse ¨¤ bien rendre les couleurs, sont des param¨¨tres fondamentaux ¨¤ optimiser et adapter en fonction du milieu ¨¦clair¨¦ (commerces, h?pitaux¡).
Les dispositifs d¡¯¨¦clairage blanc commerciaux associent des LEDs bleues ¨¤ deux luminophores : une matrice c¨¦ramique ¨¦mettant dans le jaune et un luminophore rouge contenant g¨¦n¨¦ralement des ions de terres-rares. Ces derniers pr¨¦sentent trois inconv¨¦nients : ils sont chers, en raison du monopole de la Chine sur cette mati¨¨re premi¨¨re, sensibles ¨¤ la temp¨¦rature ou encore ¨¤ l¡¯humidit¨¦, et leur utilisation dans les LEDs conduit ¨¤ une d¨¦rive de la colorim¨¦trie changeant la couleur du blanc chaud au blanc froid.
Afin de pallier ce probl¨¨me, nous avons cherch¨¦ une solution permettant de s¡¯affranchir de ce luminophore rouge. Ainsi, dans cette ¨¦tude, la matrice c¨¦ramique (YAG : Ce) a ¨¦t¨¦ associ¨¦e ¨¤ des nanofils de d¡¯oxyde de zinc (ZnO), mat¨¦riau stable et peu cher. Synth¨¦tis¨¦s dans des conditions respectueuses de l¡¯environnement, ces mat¨¦riaux ont ¨¦t¨¦ combin¨¦s dans des architectures luminescentes prenant la forme de rev¨ºtements. Cette strat¨¦gie avait deux objectifs : accro?tre l¡¯intensit¨¦ de la lumi¨¨re ¨¦mise en favorisant l¡¯augmentation de la proportion de photons extraits du rev¨ºtement gr?ce ¨¤ la structuration de surface amen¨¦e par les nanofils et apporter la composante rouge via le ZnO.
Les architectures luminescentes r¨¦alis¨¦es se sont r¨¦v¨¦l¨¦es tr¨¨s int¨¦ressantes puisqu¡¯en jouant sur la nature de la source d¡¯excitation (LEDs bleues ou LED ultraviolette), l¡¯intensit¨¦ et la couleur d¡¯¨¦mission de ces rev¨ºtements peuvent ¨ºtre modul¨¦es. Gr?ce ¨¤ des ¨¦tudes morphologiques et optiques, nous avons d¨¦termin¨¦ une quantit¨¦ optimale de matrice c¨¦ramique ¨¤ associer aux nanofils. Une ¨¦tude optique compl¨¨te a permis de proposer des hypoth¨¨ses quant aux m¨¦canismes mis en jeu dans l¡¯¨¦volution des propri¨¦t¨¦s optiques des architectures r¨¦alis¨¦es, selon la quantit¨¦ de luminophore et selon la source d¡¯excitation utilis¨¦es.
Ces ¨¦chantillons associant nanofils de ZnO et c¨¦ramique (YAG : Ce) ont permis de mettre en ¨¦vidence une am¨¦lioration de l¡¯intensit¨¦ de luminescence pouvant aller jusqu¡¯¨¤ 50% selon la configuration de l¡¯architecture.
R¨¦f¨¦rence
N. Amara, A. Martin, A. Potdevin, D. Riassetto, M. Messaoud, F. R¨¦veret, G. Chadeyron, J. Bouaziz, M. Langlet, ZnO nanowires/YAG:Ce functional heterostructure coatings with tunable optical properties, J. Alloys Compd., 842 (2020) 155708.