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5 - QUELQUES INNOVATIONS

6 - CONCLUSION

7 - GLOSSAIRE

8 - SYMBOLES

Article de référence | Réf : E6501 v1

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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ABSTRACT

Lighting Systems based on LEDs LED components

LED lighting is not just a replacement for a previous technology, it is not only a paradigm shift but also an almost infinite range of interconnectivity, local control (mobile applications) or global control ("smart-lighting"), communication (via LiFi), and any possible polymorphic applications. This article provides a non-exhaustive overview of LED from its origin to its global economic impact. It also recalls the fundamental principles, the techniques of manufacturing chips and white light generation by raising the issue of raw resources and projecting a look towards future technologies.

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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KEYWORDS

photonics   |   lighting   |   light emitting diodes   |   white light

DOI (Digital Object Identifier)

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


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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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