Le développement des diodes électroluminescentes ultra
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Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications Patrick Mottier Responsable des Programmes « Eclairage » au CEA [email protected] Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 1 Préambule On connaissait les LEDs « témoins lumineux »… Il existe désormais les LEDs de haute, voire très haute brillance (HB-LED) Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 2 Au départ, l’invention de la LED bleue… • 1974 : Découverte de l’électroluminescence de GaN dans le bleu • 1974-1984 : Recherche de dopants p de GaN • 1984-1993 : Recherche de Nakamura à la société Nichia du dopage p de GaN • 1993 : Découverte du dopage p de GaN par Mg !!! • 2006 : Marché de plusieurs milliards de $ 2006 MILLENNIUM TECHNOLOGY PRIZE Le monde quantique au quotidien - Emmanuel Rosencher : http://www.onera.fr/conferences/optoelectronique/UTS2005.pdf (page 32) Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 3 … ouvrait la porte à la lumière blanche ! 2 solutions pour produire de la lumière blanche • « La synthèse additive » • rouge + vert + bleu = blanc • Limitations • Rendu de couleurs médiocre • Besoins de contrôle électronique = coût élevé • Problèmes d’optique car source étendue • Intérêt • Rendement maximum des LEDs • La conversion de longueur d’onde • Une partie de la lumière émise par une diode bleue est convertie en jaune par un luminophore • Intérêt • Pas cher • Meilleur rendu de couleurs car spectre large des luminophores • Limitations • Chute du rendement liée aux luminophores Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 4 … ouvrait la porte à la lumière blanche ! Diode bleue + luminophores http://ledmuseum.candlepower.us/ninth/tf6led1.gif http://www.lighting.philips.com Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 5 … qui à son tour ouvrait le marché de l’éclairage 250 • Roadmap OIDA 200 150 100 50 2000 2005 2010 2015 2020 2025 • Publiée en 2000 • Introduit le « Ownership Cost » de l’éclairage suivant différentes technologies • Intérêt économique + image de développement durable => décollage des fonds incitatifs (DOE…) pour le développement des LEDs pour l’éclairage Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 6 Efficacité lumineuse : où en est-on ? Fabricant Cree Flux Puissance Efficacité 173 lm 1,07 W 161 lm/W PhilipS Lumileds 140 lm 1,01 W 138 lm/W Osram Semi 136 lm 0,88 W 155 lm/W Annonces récentes : puce 1mm² à 350mA (résultats de laboratoires) 22/01/2009 Edison Opto 7000 lm 100 W 70 lm/W 22/01/2009 Edison Opto 4000 lm 50 W 80 lm/W 16/02/2009 Avago 87 lm 1W 87 lm/W 27/01/2009 Bridgelux 2200 lm 30 W 76 lm/W 25/11/2008 Seoul Semi 105 lm 1,7 W 63 lm/W 07/08/2009 CREE 100 lm 1,1 W 89 lm/W Nouveaux produits : modules ou LEDs Blanc froid, à puissance nominale et température de jonction à 25°C Blanc chaud : ∼-20% Attention aux lumens : sans données sur le spectre ou le CRI, on peut bien annoncer n’importe quoi En comparaison : Lampe à incandescence : 13lm/W Lampe fluocompacte : 60lm/W Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 7 Evolution de l’efficacité lumineuse des meilleurs produits commerciaux Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 8 Efficacité lumineuse ≠ rendement énergétique Mesures réalisées au CEA - Ph. Grosse royal blue cyan green amber red royal blue cyan green amber red 400 450 500 550 600 650 700 Rendement énergétique Efficacité lumineuse Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 9 L’efficacité de l’œil à la lumière dépend de la longueur d’onde http://fr.wikipedia.org Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 10 L’efficacité lumineuse décroit avec le courant In LEDs Magazine – Sep./Oct. 2008 p.25 Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 11 L’efficacité décroit avec la température de jonction CREE Modèle CREE XREWHT Diode blanche courant nominal 350 mA Flux attendu: 114 à 122 Lumens Flux mesuré: 89 Lumens Ecart relatif: 22 à 29 % Température de jonction différente, car les spécifications du fabricant sont mesurées en impulsionnel Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 12 L’efficacité décroit avec la température de jonction • La puissance électrique non convertie en lumière est évacuée sous forme de chaleur par conduction • 1W typiquement à évacuer par mm² de LED : le dimensionnement thermique des systèmes à LED est essentiel à leur bon fonctionnement Optique de mise en forme du faisceau Epoxy et luminophores Embase Si Chip LED Cuivre Image Adrien Gasse (CEA) Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 13 Où sont les marges de progrès ? • Le rendement global des LEDs blanches dépend de 8 rendements intermédiaires Optique du luminaire LED Evacuation de la chaleur Electronique de commande η = ηdriver .ηinjection .ηint erne .ηextraction .ηconversion .ηdiffusion .ηthermique .ηlu min aire • Pas de « rendement à la traîne » ! • Chaque étape s’effectue avec un rendement d’environ 80% ! • Pour doubler le rendement global actuel, il faut progresser en moyenne de 7% sur chacun d’eux Pas de solution miracle ! Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 14 Où sont les marges de progrès ? Alimentation LED Tjonction : 25°C 4100K CRI : 80 Luminaire Rendements élémentaires 2005 2008 Objectif 2015 Driver 85% 85% 92% Injection électrique 80% 90% 95% Quantique Interne 60% 80% 90% Extraction 50% 80% 90% Conversion longueur d’onde 70% 65% 73% Diffusion 80% 80% 90% ? 85% 95% 70% 80% 92% 8% 17% 41% Thermique Optique Global Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 15 Le marché des LEDs de haute brillance est en croissance forte Autres : médical, indicateur, gadgets… Mobilité Eclairage Signalisation HB LED market Affichage, projection Automobile LeHigh développement desMarket diodesReview électroluminescentes ultra-brillantes leurs From Brightness LED and Forecast – Robert V. Steele –etStrategies applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » In Light 2009 16 A terme, les « lampes de remplacement » • Une vraie lampe de remplacement doit • Dans un volume identique • Délivrer un flux, une qualité et une répartition de lumière identique • Convertir le 220V pour une alimentation adéquate • Permettre de dissiper la chaleur issue des LEDs • De nombreuses contraintes non résolues actuellement • Des premiers produits de faible puissance sortent • Méfiance avec « les produits miracles » sur le net ou dans les grandes surfaces • Beaucoup d’annonces « erronées » Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 40W 17 Pourquoi les LEDs? • Un rendement énergétique de 20% (40% visé en 2015) • Une durée de vie de 50 000 heures (70% flux depreciation) • • • Pas de filament, pas de tube de verre Moins de déchets à recycler Moins, voire pas de maintenance • Pas de mercure comme dans les lampes fluorescentes • Eclairage électronique • • Temps de réponse extrêmement court Contrôle-commande • • « Gradabilité » totale, facile, efficace énergétiquement Contrôles indépendant de la couleur et de l’intensité • Dimensions réduites de la source • • Optique plus efficace, meilleure utilisation de la lumière Liberté de design • Fort potentiel en couleur • • Couleurs saturées Pas besoin de filtres • Pas d’infrarouge, pas d’U.V. • Pas de risque électrique • Bon fonctionnement à basse température « Green lighting » Bien utilisées, les LEDs cumulent de nombreux avantages qui les rendent désormais indispensables dans nombre d’applications Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 18 Les freins • Le coût • des LEDs ( qq € les 100 lm) • du système associé (électronique, thermique, optique) • La rupture technologique qu’elles impliquent requiert des compétences nouvelles • Le cycle de renouvellement rapide des produits ne facilitent pas leur déploiement • Beaucoup de nouveaux entrants • Electroniciens qui se lancent dans l’éclairage • Eclairagistes qui se lancent dans l’électronique • La qualité des luminaires à LEDs pas toujours au rendez-vous • Les LEDs doivent être bien utilisées pour donner tout leur potentiel • La fabrication des sources (LEDs) quitte le champ des acteurs traditionnels • La aussi beaucoup de nouveaux entrants • Segmentation industrielle assez complexe à appréhender Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 19 La situation en France • Au niveau industriel • Nombreux industriels • Petits et gros ! impliqués dans les « luminaires » (au sens large du terme) • Egalement dans les sous-ensembles (optique, électronique, packaging…) • Au plan de la recherche • Nombreux laboratoires actifs • Matériaux, technologies, process LEDs, luminophores… • Perception et ressenti, lumière et santé… • Le grand absent : l’industriel fabricant de chip LED Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 20 Exemples d’utilisation Maquet SA Lyracom Valeo Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 21 Bibliographie • Les diodes électroluminescentes pour l’éclairage – Ed. Lavoisier (http://www.lavoisier.fr/notice/fr27 46220970.html) Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 22 Merci de votre attention Le développement des diodes électroluminescentes ultra-brillantes et leurs applications - « Journées de la Photonique - CNRS - 4 juin 2009 - Le Croisic » 23
