Diode électroluminescente

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Diodes de différentes couleurs
Symbole de la diode électroluminescente

Une diode électroluminescente (DEL en français, ou LED, de anglais : Light-Emitting Diode), est un dispositif opto-électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens (le sens passant, comme une diode classique, l'inverse étant le sens bloquant) et produit un rayonnement monochromatique ou polychromatique non cohérent à partir de la conversion d’énergie électrique lorsqu'un courant la traverse.

Elle compte plusieurs dérivées, principalement, l'OLED, l'AMOLED ou le FOLED (pour flexible oled). Les LED sont considérées, par beaucoup, comme une technologie d'avenir dans le domaine de l'éclairage général. Elles pourraient représenter 75 % du marché de l'éclairage avant 2020[1]. Elles sont aussi utilisées dans la construction des écrans plats de télévision : pour le rétroéclairage des écrans à cristaux liquides ou comme source d'illumination principale dans les télévisions à OLED.

Les premières LED à être commercialisées ont produit de la lumière infrarouge, rouge, verte puis jaune[2],[3]. L'arrivée de la LED bleue, associée aux progrès techniques et d'assemblage permet de couvrir « la bande des longueurs d'ondes d'émission s’étendant de l'ultraviolet (350 nm) à l’infrarouge (2 000 nm), ce qui répond à de nombreux besoins. »[4]

Histoire[modifier | modifier le code]

La première émission de lumière par un semi-conducteur date de 1907 et fut découverte par H. J. Round. En 1927, O. V. Losev dépose le premier brevet de ce qui sera appelé, bien plus tard, une diode électroluminescente.

Ce n’est qu’en 1962 que la première LED rouge est créée par Nick Holonyak Jr et S. Bevacqua. Durant quelques années, les chercheurs se sont limités à quelques couleurs telles que le rouge (1962), le jaune et le bleu (1972)[3],[5] ou le vert.

Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano[modifier | modifier le code]

Dans les années 1990, les recherches, entre autres, de Shuji Nakamura et Takashi Mukai de Nichia, dans la technologie des semi-conducteurs InGaN permirent la création de LED bleues, ensuite adaptées en LED blanches, par adjonction d'un luminophore jaune[6]. Cette avancée permit de nouvelles applications majeures telles qu'éclairage, écrans de téléviseurs et d’ordinateurs. Le 7 octobre 2014, Shuji Nakamura, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano ont reçu le prix Nobel de physique pour leurs travaux sur les LED bleues[7].

Économie[modifier | modifier le code]

Loi de Haitz 
le développement de la technologie des LED suit une loi analogue à la loi de Moore, appelée loi de Haitz, du nom de Roland Haitz d’Agilent Technologies, et qui prévoit que les performances des LED doublent tous les 3 ans, pour des prix divisés par 10 tous les dix ans[8]. Il semble que depuis quelques années les progrès soient plus rapides, avec un doublement tous les 2 ans.[réf. nécessaire]

L'intérêt des lampes à LED en termes de consommation électrique, de durée de vie et de sécurité électrique s'est rapidement confirmé pour l’automobile (dans l'habitacle et pour les phares et clignotants où les LED se montrent parfois plus performantes que les sources xénon ou halogène), l'éclairage urbain, l'éclairage d'infrastructures, les usages dans la marine et l’aéronautique. Cet intérêt a au début des années 2000 dopé le marché, qui a dépassé en 2010 le seuil des 10 milliards de dollars américains (USD), soutenu par une croissance annuelle globale de 13,6 % de 2001 à 2012, et devrait atteindre 14,8 milliards USD avant la fin 2015[9]. Dans ce marché la part de l’éclairage augmente régulièrement de 2008 à 2014 et devrait se stabiliser en 2018, alors que la part du rétro-éclairage devrait décroître dès 2014 en raison d'évolutions techniques[9].

La part destinée à l'automobile semble dans les années 2010-2015 stable (environ 10% du marché global et pourrait le rester jusqu'à 2020[9]. Les LED ont d'abord équipé des véhicules de luxe (Audi, Mercedes) puis de moyenne gamme (Seat Léon, Volkswagen Polo en 2014).

En 2015, les cinq principaux fabricants, leaders sur ce marché sont Nichia et Toyota Gosei au Japon (notamment pour les LED GaN de « forte » puissance (plus de 1 watt), Philips Lumileds en Europe, Cree aux États-Unis et Osram en Europe. Samsung et Seoul Semiconductor produisent des LED pour l'automobile.

Mécanisme d'émission[modifier | modifier le code]

C’est par recombinaison d’un électron et d’un trou dans un semiconducteur qu'un photon est émis. En effet, la transition d’un électron entre la bande de conduction et la bande de valence peut se faire avec la conservation du vecteur d’onde . Elle est alors radiative (émissive) c'est-à-dire accompagnée de l’émission d’un photon. Dans une transition émissive, l’énergie du photon créé est donnée par la différence des niveaux d’énergie avant (Ei) et après (Ef) la transition :

(eV)

Une diode électroluminescente est une jonction P-N qui doit être polarisée en sens direct lorsqu’on veut émettre de la lumière. La plupart des recombinaisons sont radiatives. La face émettrice de la LED est la zone P car c’est la plus radiative[10].

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Techniques de fabrication[modifier | modifier le code]

La longueur d’onde du rayonnement émis dépend de la largeur de la « bande interdite » et donc du matériau utilisé. Toutes les valeurs du spectre lumineux peuvent être atteintes avec les matériaux actuels. L’infrarouge est obtenu grâce à l’arséniure de gallium (GaAs) dopé au silicium (Si) ou au zinc (Zn). Les fabricants proposent de nombreux types de diodes aux spécificités différentes. Les diodes à l’arséniure de gallium sont les plus économiques et les plus utilisées. Les diodes à l’arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs) offrent une plus grande puissance de sortie mais nécessitent une tension directe plus élevée et ont une longueur d’onde plus courte (< 950 nm, ce qui correspond au maximum de sensibilité des détecteurs au silicium) ; elles présentent une bonne linéarité jusqu’à 1,5 A. Enfin, les diodes à double hétérojonction (DH) AlGaAs offrent les avantages des deux techniques précédentes (faible tension directe) en ayant des temps de commutation très courts (durée nécessaire pour qu’un courant croisse de 10 % à 90 % de sa valeur finale ou pour décroître de 90 % à 10 %), permettant des débits de données très élevés dans les transmissions de données numériques par fibres optiques. Les temps de commutation dépendent de la capacité de la jonction dans la diode.

Efficacité lumineuse[modifier | modifier le code]

L'efficacité lumineuse varie selon le type de diodes, de 20 à 100 lm/W, et atteignant en laboratoire les 200 lm/W[11]. Une grande disparité de performances existe selon la couleur (température de couleur pour le blanc), la puissance ou encore la marque.
Les bleues n’excèdent pas 30 lm/W alors que les vertes ont une efficacité lumineuse atteignant 100 lm/W[12]. D'importants efforts de R&D ont permis aux LED blanches d’être aussi efficaces, voire plus, que les LED de couleurs[réf. nécessaire].

La limite théorique d’une source qui transformerait intégralement toute l’énergie électrique en lumière visible est de 683 lm/W[13], mais il faudrait qu’elle possède un spectre monochromatique de longueur d’onde 555 nm.L'efficacité lumineuse théorique d’une LED blanche est de l’ordre de 250 lm/W[14]. Ce chiffre est inférieur à 683 lm/W du fait que le maximum de sensibilité de l’œil se situe vers 555 nm.

L'efficacité lumineuse des LED blanches de dernière génération est supérieure à celle des lampes à incandescence mais aussi à celui des lampes fluocompactes ou encore de certains modèles de lampes à décharge. Le spectre de la lumière émise est presque intégralement contenu dans le domaine du visible (les longueurs d’onde sont comprises entre 400 nm et 700 nm). Contrairement aux lampes à incandescence et aux lampes à décharge, les diodes électroluminescentes n’émettent quasiment pas d’infrarouge, sauf celles fabriquées spécifiquement dans ce but.

L'efficacité lumineuse dépend de la conception de la LED. Pour sortir du dispositif (semi-conducteur puis enveloppe externe en époxy), les photons doivent traverser (sans être absorbés) le semi-conducteur, de la jonction jusqu’à la surface, puis traverser la surface du semi-conducteur sans subir de réflexion et, notamment, ne pas subir la réflexion totale interne qui représente la grosse majorité des cas. Une fois arrivé dans l’enveloppe externe en résine époxy (quelquefois teintée pour des raisons pratiques et non pour des raisons optiques), la lumière traverse les interfaces vers l’air à incidence proche de la normale ainsi que le permet la forme de dôme avec un diamètre bien plus grand que la puce (3 à 5 mm au lieu de 300 µm). Dans les diodes électroluminescentes de dernière génération, notamment pour l’éclairage, ce dôme plastique fait l’objet d’une attention particulière car les puces sont plutôt millimétriques dans ce cas et le diagramme d’émission doit être de bonne qualité. À l’inverse, pour des gadgets, on trouve des LED quasiment sans dômes.

Effet Auger[modifier | modifier le code]

Aux fortes intensités L'efficacité lumineuse des LED chute. Il a été suspecté en 2007-2008[15],[16], mieux compris en 2010-2011[17],[18] puis confirmé début 2013 que cette diminution est attribuable à un « Effet Auger » qui dissipe une partie de l'énergie sous forme de chaleur[19],[20]. Des projets de recherche visent à limiter ou contrôler cet effet[21].

Bilan environnemental[modifier | modifier le code]

Spectres de lampes 1) sodium haute pression et 2) LED testées pour leur caractère plus ou moins attractif sur les insectes[22] (l'étude a montré que le spectre lumineux de la LED était beaucoup plus attractif pour les insectes[22])

Il reste à faire, car le développement massif de l'éclairage par LED pourrait augmenter les tensions existant sur le marché de certaines ressources non renouvelables (terres rares ou métaux précieux) mais avec d'autre part un fort potentiel d'économie d'énergie (si ces lampes ou l'éclairage qu'elles permettent ne sont pas respectivement gaspillées et gaspilleur).

Des préoccupations sérieuses existent concernant les impacts sanitaires de lampes qui seraient mal utilisées, et surtout concernant leurs effets sur la pollution lumineuse.
Par exemple, selon une étude[22] publiée en 2014 dans la revue Ecological Applications, alors que l’éclairage nocturne municipal et industriel a déjà changé la répartition des différentes espèces d'invertébrés autour des sources lumineuses[23] et semble contribuer à la régression ou la disparition de nombreuses espèces de papillons[24], l'éclairage public tend à utiliser à grande échelle les diodes électroluminescentes (LED) ; la question de l’impact des spectres lumineux des lampes prend donc de l’importance[25]. Ces spectres lumineux ont récemment beaucoup changé, et ils changeront encore avec le développement des LED[26]. Or, il apparaît que le spectre lumineux émis par les LED mises sur le marché dans les années 2000-2014 attire les papillons de nuit et certains autres insectes plus que la lumière jaune des ampoules à vapeur de sodium, en raison d’une sensibilité élevée de ces invertébrés nocturnes aux parts vert-bleue et UV du spectre. Des pièges lumineux à insectes volants équipés de LED capturent 48 % plus d'insectes que les mêmes pièges utilisant des lampes à vapeur de sodium, avec un effet également lié à la température de l’air (les invertébrés sont des animaux à sang froid, naturellement plus actif quand la température s’élève). Lors de cette étude plus de 20 000 insectes ont été capturés et identifiés : les espèces les plus fréquemment piégées étaient des papillons et des mouches[22].

Ces lampes sont froides et ne brûleront pas les insectes comme pouvaient le faire des lampes halogènes, mais le caractère très attractif des LED pour de nombreux invertébrés peut leur être fatal ; leur vol est perturbé et dans la zone d'attraction ils sont mis en situation de « piège écologique », car largement surexposés à des prédateurs de type araignées et chauve-souris, avec de possibles effets écologiques plus globaux si ces lampes étaient utilisées à grande échelle (perturbation des réseaux trophiques et possible renforcement des infestations de certaines cultures ou sylvicultures par des « ravageurs phytosanitaires » attirés par ces lampes, tels que le Bombyx disparate qui est source de dégâts importants depuis qu’il a été introduit aux États-Unis et qui se montre très attiré par la lumière[27] (les auteurs pointent un risque spécifique près des ports où un éclairage LED pourrait directement attirer des ravageurs ou des espèces exotiques envahissantes accidentellement apportées par des bateaux[22]). Ces espèces anormalement favorisées pouvant à leur tour mettre en péril des espèces natives rares ou menacées[28].

L’étude de 2014 n’a trouvé aucune preuve démontrant que manipuler la température de la couleur de ces LED diminuaient leur impact ; cependant les auteurs estiment qu'utiliser des filtres ou une combinaison de LED rouges, vertes, et bleues pourraient peut-être diminuer cette fatale attraction, mais alors avec des coûts en termes de consommation électrique et d’énergie[22] ou de terres rares. Les auteurs concluent qu’il existe un besoin urgent de recherche collaborative entre écologues et ingénieurs de la lumière pour minimiser les conséquences potentiellement négatives des développements futurs de la technologie LED[22]. Ces effets négatifs pourraient être plus ou moins atténués, en amont par des processus d'écoconception facilitant le recyclage des LED usagées et en aval par le ré-usage de LED présente dans des objets devenus désuets ou en fin de vie, de même que par le développement de systèmes intelligents d'asservissement de l'éclairage aux besoins réels (lampes équipées de filtres limitant les émissions dans le bleu-vert et le proche-UV, mieux bafflées c'est-à-dire produisant moins de halo et moins éblouissantes, ne s'allumant qu'à l'intensité nécessaire et uniquement quand on en a besoin, via un processus d'éclairage intelligent incluant la détection de présence et de luminosité ambiante, si possible intégré dans un smartgrid ou un système écodomotique plus global. En 2014, 4 villes dont Bordeaux, Riga en Lettonie, Piaseczno en Pologne et Aveiro au Portugal testent ce type de solution dans le cadre du programme européen « LITES »[29] (à l'installation ces systèmes sont 60 % plus cher, mais ce surcoût doit être rapidement récupéré par les économies d'électricité et l'amélioration de la qualité de l'environnement nocturne.

Article détaillé : Pollution lumineuse.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Forme[modifier | modifier le code]

DEL 1 W

Ce composant peut être encapsulé dans divers boitiers destinés à canaliser le flux de lumière émis de façon précise : cylindrique à bout arrondi en 3, 5, 8 et 10 mm de diamètre, cylindrique à bout plat, ou de forme plate (LED SMD[30]), rectangulaire, sur support coudé, en technologie traversante ou à monter en surface (CMS).

Les LED de puissance ont des formes plus homogènes : la luxeon 1 W ci-contre est assez représentative. Ces types de LED sont également disponibles en version "multicœur", "multipuces" ou "multichips" en anglais, dont la partie émissive est composée de plusieurs puces semi-conductrices.

L'enveloppe transparente, ou capot, est généralement en résine époxy, parfois colorée ou recouverte de colorant.

Luminosité[modifier | modifier le code]

L’intensité lumineuse générale des diodes électroluminescentes est assez faible, mais suffisante pour la signalisation sur tableau, ou bien les feux de circulation (feux tricolores, passages piétons). Les bleues sont également suffisamment puissantes pour signaliser les bords de route, la nuit, aux abords des villes. Le bâtiment du NASDAQ, à New York possède une façade lumineuse animée entièrement réalisée en LED (quelques millions).

Les LED de puissance sont aussi utilisées dans la signalisation maritime comme sur les bouées permanentes. Deux de ces diodes sont situées l’une par dessus l’autre et suffisent à un éclairement important et visible par les bateaux de nuit.

Lampes à diode électroluminescente

Des LED de fortes puissances ont vu le jour au début des années 2000. Dans la première décennie du XXIe siècle, des rendements lumineux d'environ 130 lumens/watt sont atteints avec ces LED[réf. nécessaire]. Par comparaison, les ampoules à filament de tungstène de 60 W atteignent un rendement lumineux d'environ 15 lumens/watt[réf. nécessaire].

Les LED sont aujourd'hui (2014) suffisamment puissantes pour servir d'éclairage dans le secteur de l'automobile. Employées d'abord pour les feux de stop, clignotants ou de recul, celles-ci remplaceront probablement, à terme, toutes les ampoules classiques.

Couleurs[modifier | modifier le code]

La couleur d’une diode électroluminescente peut être générée de différentes manières[31],[32]:

  • coloration due à la longueur d’onde du semi-conducteur (capot transparent) ;
  • coloration modifiée par le capot de la diode (émission bleue ou UV + revêtement à base de luminophores) ;
  • coloration par plusieurs émissions de longueur d’onde différentes (diodes électroluminescentes polychromatiques). Elles permettent notamment de proposer une vaste gamme de couleurs[33].

Voici quelques colorations en fonction du semi-conducteur utilisé :

Couleur Longueur d’onde (nm) Tension de seuil (V) Semi-conducteur utilisé
InfraRouge λ > 760 ΔV < 1,63 arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs)
Rouge 610 < λ < 760 1,63 < ΔV < 2,03 arséniure de gallium-aluminium (AlGaAs)
phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Orange 590 < λ < 610 2,03 < ΔV < 2,10 phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Jaune 570 < λ < 590 2,10 < ΔV < 2,18 phospho-arséniure de gallium (GaAsP)
Vert 500 < λ < 570 2,18 < ΔV < 2,48 nitrure de gallium (GaN)
phosphure de gallium (GaP)
Bleu 450 < λ < 500 2,48 < ΔV < 2,76 séléniure de zinc (ZnSe)
nitrure de gallium-indium (InGaN)
carbure de silicium (SiC)
Violet 400 < λ < 450 2,76 < ΔV < 3,1
Ultraviolet λ < 400 ΔV > 3,1 diamant (C)
nitrure d'aluminium (AlN)
nitrure d'aluminium-gallium (AlGaN)
Blanc Chaude à froide ΔV = 3,5

Pour le blanc, on ne parle pas de longueur d’onde mais de température de couleur proximale. Celle des diodes électroluminescentes est assez variable en fonction du modèle.

Câblage et alimentation électrique[modifier | modifier le code]

Les diodes électroluminescentes sont polarisées : on raccordera le pôle « - » à la cathode « - » et donc le pôle « + » à l'anode « + ». Les diodes ont généralement trois détrompeurs : la cathode est plus courte, l'électrode à l'intérieur du dôme est plus grosse et le bord extérieur du dôme est plat. Inversement, l'anode est plus longue, l'électrode à l'intérieur du dôme est plus petite et le bord extérieur du dôme est arrondi (dessins en haut de page).

Il est indispensable de ne pas dépasser l’intensité admissible (typiquement : 10 à 30 mA pour une LED de faible puissance et de l'ordre de 350 à 1 000 mA pour une LED de forte puissance) et donc d’intercaler une résistance en série ou d'utiliser une limitation en courant. Utiliser les données du fabricant pour calculer la résistance en fonction de cette intensité désirée I, de la tension d’alimentation, de la tension directe de la LED et du nombre n de LED en série (loi d'Ohm : R = (Valim - n × VLED) / I). Une méthode peu dispendieuse en énergie consiste à utiliser un circuit de régulation de courant basé sur des principes analogues à ceux mis en œuvre dans les alimentation électriques à découpage. Pour les applications d’éclairage, on pourra regrouper plusieurs diodes dans un schéma série-parallèle : il faudra dans ce cas tenir compte de la chute de tension provoquée par les diodes en série pour calculer la résistance en série : plus il y aura de diodes en série, plus forte sera la chute de tension ; ce qui permettra de diminuer la résistance en série et donc d’augmenter le rendement du dispositif. Le courant maximal admissible sera, quant à lui, multiplié par le nombre de groupes de diodes en parallèle.

Il est également primordial d'apporter un soin particulier à l'alimentation électrique des LED pour conserver leurs caractéristiques colorimétriques (température de couleur proximale, IRC…) [34].

Points forts et faiblesses[modifier | modifier le code]

Avantages[modifier | modifier le code]

  • Facilité de montage sur un circuit imprimé, traditionnel ou CMS (Composant Monté en Surface).
  • Consommation inférieure aux lampes à incandescence et du même ordre de grandeur que les tubes fluorescents
  • Excellente résistance mécanique (chocs, écrasement, vibrations).
  • Taille beaucoup plus réduite que les lampes classiques ce qui offre la possibilité de réaliser des sources de lumière très ponctuelles, de faible à très faible consommation électrique (quelques dizaines de milliwatts) et avec un bon rendement. En assemblant plusieurs LED, on peut réaliser des éclairages avec des formes novatrices.
  • Durée de vie (20 000 à 50 000 heures environ) beaucoup plus longue qu’une lampe à incandescence classique (1 000 heures) ou qu'une lampe halogène (2 000 heures), mais du même ordre de grandeur que les lampes fluorescentes (5 000 à 70 000 heures). Les lampes puissantes voient leur durée de vie limitée, mais pouvant néanmoins atteindre 10 000, voire 15 000 heures selon le type d'utilisation qui en est fait[35],[36].
  • Fonctionnement en très basse tension (TBT), gage de sécurité et de facilité de transport. Il existe pour les campeurs des lampes de poche à LED actionnées par une simple dynamo à main (« lampe à manivelle ») de mouvement lent.
  • Atout non négligeable en matière de sécurité, par rapport aux systèmes lumineux classiques, leur inertie lumineuse est quasiment nulle. Elles s’allument et s’éteignent en un temps très court, ce qui permet l’utilisation en transmission de signaux à courte distance (optocoupleurs) ou longue (fibres optiques). Les LED atteignent immédiatement leur intensité lumineuse nominale.
  • Vu leur puissance, les LED classiques 5 mm ne chauffent presque pas et ne brûlent pas les doigts. Pour les montages de puissance supérieure à 1 W, il faut prévoir une dissipation de la chaleur, sans quoi la diode sera fortement endommagée, voire détruite du fait de l’échauffement. En effet, une diode électroluminescente convertit environ 20 % de l’énergie électrique en lumière, le reste étant dégagé sous forme de chaleur.
  • Les LED RVB (rouge-vert-bleu) permettent des mises en valeur colorées avec des possibilités de variations sans limite.

Inconvénients[modifier | modifier le code]

Spectre du rayonnement émis par une lampe à LED blanche
  • En 2016, le prix à l’achat des lampes à LED reste plus élevé que celui d'une lampe à incandescence halogène (les lampes à incandescences classiques n'étant presque plus distribuées en Europe), à flux lumineux égal, mais sont un bon investissement, vu leur durée de vie[37] et leur bon rendement lumineux.
  • L'Indice de rendu de couleur (IRC) s'est amélioré depuis 2010. Les LED dites blanches sont généralement des LED bleues ou émettant dans l'UV dont une partie de la lumière produite est transformée par fluorescence en lumière jaune au moyen d'un luminophore qui est souvent un grenat d'aluminium et d'yttrium dopé par des ions de terres rares tels que le cérium trivalent Ce3+ (d'autres matériaux luminescents pouvant être utilisés pour produire un blanc plus chaud)[38],[39] : le spectre est moins régulier que celui d'une lampe halogène. Plus rarement, le blanc est obtenu au moyen de trois diodes de couleurs différentes.
  • les LED, comme tout composant électronique, ont des limites maximales de température de fonctionnement, de même que certains composants passifs constitutifs de leur circuit d'alimentation (comme les condensateurs chimiques qui s'échauffent en fonction du courant efficace), ce qui conditionne en partie la durée de vie des lampes à LED. La dissipation thermique des composant des ampoules à LED est un facteur limitant leur montée en puissance notamment en assemblages multipuces[40]. Les recherches portent sur des moyens de limiter la température et de mieux dissiper la chaleur des LED de puissance (par exemple pour des lampadaires ou phares automobiles)[40],[41]
  • les LED bleues[42] ainsi que les LED blanches contiennent un spectre bleu de forte intensité potentiellement dangereux[43] pour la rétine si elles entrent dans le champ de vision, même périphérique. Ceci est bien sûr proportionnel à leur puissance. Cela devient de plus en plus préoccupant[réf. nécessaire] puisque des LED toujours plus puissantes sont mises sur le marché[44]. Toutefois sont récemment apparues des LED à tons chauds, au spectre appauvri en lumière bleue. Sébastien Point[45] considère, dans un ouvrage paru en 2016[46], que les travaux pour une meilleure compréhension des effets sanitaires des LED doivent continuer mais qu'en l'état actuel des connaissances, le risque est essentiellement lié à une insuffisance de la norme en vigueur à prendre en compte les situations où les paramètres d'exposition (puissance, durée, distance) ne sont pas maitrisés et les cas particuliers comme par exemple l’œil de l'enfant (plus transparent que l’œil adulte). Il appelle notamment à une éducation du consommateur qui selon lui « dans une société technologique […] doit être instruit des spécificités des technologies qu'il utilise ».
  • Selon le constructeur Philips, l'efficacité lumineuse de certaines LED baisse rapidement (comme pour la plupart des technologies lumineuses) pour ne plus produire en fin de vie que 20 % de la quantité de lumière initiale, mais pour les LED les plus performantes du marché, la quantité de lumière produite en fin de vie serait encore d'au moins 70 %[47]. La température accélère la baisse de l'efficacité lumineuse. Philips précise également que la couleur peut varier sur certaines LED blanches et tirer sur le vert en vieillissant[48].

Utilisations[modifier | modifier le code]

Différents types de DEL/LED
Costume DEL (design Beo Beyond)

Familles[modifier | modifier le code]

Il existe plusieurs manières de classer les diodes semi-électroluminescentes :

Classement selon la puissance[modifier | modifier le code]

La première est un classement par puissance :

  • les diodes électroluminescentes de faible puissance < W. Ce sont les plus connues du grand public car elles sont présentes dans notre quotidien depuis des années. Ce sont elles qui jouent le rôle de voyant lumineux sur les appareils électroménagers par exemple ;
  • les LED de forte puissance > W. Elles sont en plein essor et leurs applications sont de plus en plus connues du grand public : flash de téléphones portables, éclairage domestique, éclairage de spectacle, lampe de poche ou frontales… Le principe de fonctionnement est identique. Certaines différences significatives existent entre les deux familles, consacrées chacune à un champ d’application spécifique.

Classement selon le spectre d'émission[modifier | modifier le code]

Une autre manière de les classer est de considérer la répartition de l'énergie dans la gamme de longueur d'onde couvrant le visible (longueurs d'ondes de l'ordre de 380 à 780 nm) ou l'invisible (principalement l'infrarouge). La raison de la distinction réside dans le fait que certaines diodes peuvent servir à éclairer, ce qui est l’une des applications phares du futur (proche) :

  • les chromatiques : l'énergie est concentrée sur une plage étroite de longueur d'onde (20 à 40 nm). Ces sources ont un spectre quasiment monochromatique ;
  • les blanches : l'énergie est répartie dans le visible sur toute la gamme de longueurs d'onde (380 à 780 nm environ) ;
  • les infrarouges : l'énergie est émise hors du spectre de la lumière visible (au-delà de 700 nm de longueur d'onde). Elles sont utilisées pour transmettre des signaux de télécommandes ou pour de la télémesure exploités par exemple dans la détection de position des consoles de jeux telles que la Wii, ou servir d'éclairage pour les caméras infrarouge, etc.

Autres classements[modifier | modifier le code]

D'autres classements sont possibles, par exemple selon le caractère monopuce ou multipuce, la durée de vie, la consommation d'énergie ou encore la robustesse en cas de sollicitations sous contraintes (comme pour certains matériels industriels, militaires, spatiaux…)

Diodes électroluminescentes ordinaires[modifier | modifier le code]

Éclairage[modifier | modifier le code]

Feux arrières LED de voiture
Ampoule LED allumée
Ampoule LED
  • Signalisation routière, feux arrière de voitures ou de bicyclettes.
  • Signalisation ferroviaire.
  • Éclairage invisible pour caméras de surveillance (dans l’infrarouge).
  • Luminaires et éclairage urbain (plus récemment), avec par exemple Los Angeles, première métropole qui remplace ses 140 000 ampoules d'éclairage urbain par des diodes électroluminescentes depuis 2009 (programme qui s'achèvera en 2014), ce qui devrait réduire de l'équivalent de 40 500 tonnes de carbone les émissions annuelles de cette ville (soit l'équivalent des émissions de 6 700 voitures). La ville pense aussi diminuer ses charges de maintenance avec au total une économie espérée de 48 millions de dollars en 7 ans sur la facture d'électricité de la ville.

Affichage[modifier | modifier le code]

  • Signalisation d’état d’appareils divers (lampes témoins en face avant ou sur le circuit, tableaux de bord de voitures, équipements de sécurité).
  • Affichage alphabétique ou numérique d’appareils de mesure, de calculatrices, d’horloges.
  • Affichages de niveaux de mesures (niveaux de cuves, VU-mètres).
  • Affichage statique ou dynamique de messages (journaux lumineux).

Source de lumière quasi monochromatique[modifier | modifier le code]

  • Photocoupleur.
  • Transmission de signaux par fibre optiques.
  • Télécommandes (LED infrarouges).
  • Cellules photoélectriques (LED infrarouges).
  • Faisceau laser pour les appareils de mesure.
  • Faisceau laser pour la lecture et la gravure des CD et DVD.
  • Luminothérapie contre l'acné.

Diodes électroluminescentes blanches[modifier | modifier le code]

L’amélioration du rendement des LED permet de les employer en remplacement de lampes à incandescence ou fluorescence, à condition de les monter en nombre suffisant :

En 2006, le groupe américain Graffiti Research Lab a lancé un mouvement nommé Led throwies (lancer de LED) qui consiste à égayer les lieux publics en ajoutant de la couleur sur des surfaces magnétiques. Pour ceci, on combine une LED, une pile au lithium et un aimant, et on lance l’ensemble sur une surface magnétique[49].

En 2007, Audi et Lexus bénéficient de dérogations de la Commission européenne pour commercialiser des modèles munis de feux avant à base de LED. En 2009, la Ferrari 458 Italia innove elle aussi avec des phares à LED.

Plusieurs villes remplacent leur éclairage public par des LED dans le but de diminuer leur facture d’électricité et la pollution lumineuse du ciel (éclairage dirigé vers le bas). Le recours aux LED est aussi courant dans les feux tricolores. L’exemple de Grenoble est le plus souvent cité : la ville a réalisé son retour sur investissement en trois ans seulement. En effet, les LED permettent des économies d’énergie, mais ce sont surtout les coûts de maintenance qui baissent, du fait de leur robustesse.

En 2010, La RATP expérimente l'éclairage des espaces du métro parisien, notamment à la station Censier-Daubenton première station de métro entièrement éclairée par cette technologie. En 2012 estimant le produit mature la RATP (réseau de transport en commun de Paris) décide de modifier la totalité de son éclairage vers la technologie LED. C'est plus de 250 000 luminaires qui seront modifiés, faisant ainsi du métro parisien le premier réseau de transport en commun d'envergure à adopter le « tout LED »[50].

Les LED sont utilisées pour réaliser des écrans vidéo de très grande taille (plateaux TV salon dans des grands halls, stade…).

Le rétroéclairage de l’écran par des diodes électroluminescentes permet de fabriquer des écrans plus fins, plus lumineux, ayant une étendue colorimétrique plus importante et plus économes que son prédécesseur ACL à rétroéclairage par tube fluorescent (technologie CCFL). À noter que les constructeurs restent assez flous sur le fait que les LED dégagent plus de chaleur.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Elsa Bembaron, « Les lampes passent aux LED », sur lefigaro.fr,‎ (consulté le 25 mars 2010)
  2. Jonathan Parienté, « La belle histoire des LED », sur lemonde.fr,‎ (consulté le 21 octobre 2015).
  3. a et b C. Noé, Photobiomodulation en dermatologie : Comprendre et utiliser les LED, John Libbey Eurotext - Doin, coll. « Lasers et technologies apparentées », , 182 p. (ISBN 9782704014361, lire en ligne).
  4. Voir Chapitre I : État de l’art des LED blanches de puissance pour l’éclairage automobile, p. 16/253, dans thèse de B. Champion, déjà citée.
  5. « Nobel Shocker: RCA Had the First Blue LED in 1972 », sur spectrum.ieee.org (consulté le 21 octobre 2015)
  6. Nicolas Pousset, « Caractérisation du rendu des couleurs des LED (thèse) », sur tel.archives-ouvertes.fr,‎ , p. 44, 45
  7. (en) « Liste des lauréats du prix nobel de physique », sur Site officiel du prix nobel,‎ (consulté le 7 octobre 2014)
  8. (en) « Haitz's law », Nature Photonics, vol. 1, no 1,‎ , p. 23 (DOI 10.1038/nphoton.2006.78, Bibcode 2007NaPho...1...23.)
  9. a, b et c voir Chapitre I : État de l’art des LED blanches de puissance pour l’éclairage automobile ; p 19/253 in thèse de B Champion, déjà citée
  10. « Caractérisation du rendu des couleurs des LED (thèse) », sur nicolas_pousset.perso.neuf.fr,‎ , p. 48, 49, 52
  11. (en) Delivering up to 200 Lumens per Watt, sur le site cree.com, consulté le 28 janvier 2013
  12. (en) « LUXEON Rebel direct color specification » [PDF], sur philipslumileds.com
  13. Cette valeur dérive directement de la définition de la candela et par extension du lumen.
  14. Un fabricant (Cree) a annoncé réaliser 254 lm/W en laboratoire : (en) « Cree Sets New R&D Performance Record with 254 Lumen-Per-Watt Power LED », sur cree.com
  15. Bulashevich, K. A., & Karpov, S. Y. (2008). Is Auger recombination responsible for the efficiency rollover in III‐nitride light‐emitting diodes?. physica status solidi (c), 5(6), 2066-2069.
  16. Gardner, N. F., Müller, G. O., Shen, Y. C., Chen, G., Watanabe, S., Götz, W., & Krames, M. R. (2007). Blue-emitting InGaN–GaN double-heterostructure light-emitting diodes reaching maximum quantum efficiency above 200A∕ cm2. Applied physics letters, 91(24), 243506 (résumé).
  17. Li, X., Liu, H., Ni, X., Özgür, Ü., & Morkoç, H. (2010). Effect of carrier spillover and Auger recombination on the efficiency droop in InGaN-based blue LED. Superlattices and Microstructures, 47(1), 118-122 (résumé).
  18. Kioupakis, E., Rinke, P., Delaney, K. T., & Van de Walle, C. G. (2011). Indirect Auger recombination as a cause of efficiency droop in nitride light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 98(16), 161107.
  19. On sait enfin pourquoi les LED sont peu efficaces, Le Monde - 6 mai 2013
  20. (en) [http://arxiv.org/pdf/1304.5469 Direct Measurement of Auger Electrons Emitted from a Semiconductor Light-Emitting Diode under Electrical Injection, Physical Review Letters - 25 avril 2013
  21. Bae, W. K., Park, Y. S., Lim, J., Lee, D., Padilha, L. A., McDaniel, H., ... & Klimov, V. I. (2013). Controlling the influence of Auger recombination on the performance of quantum-dot light-emitting diodes. Nature communications, 4.
  22. a, b, c, d, e, f et g (en) S.M Pawson, M. K.-F. Bader (2014) LED lighting increases the ecological impact of light pollution irrespective of color temperature, sur le site esajournals.org d'octobre 2014
  23. Davies, T. W., J. Bennie, and K. J. Gaston (2012) Street lighting changes the composition of invertebrate communities. Biology Letters 8:764–767
  24. Fox, R. (2013) The decline of moths in Great Britain: a review of possible causes. Insect Conservation and Diversity 6:5–19
  25. Davies, T. W., J. Bennie, R. Inger, N. H. de Ibarra, and K. J. Gaston. 2013. Artificial light pollution: are shifting spectral signatures changing the balance of species interactions? Global Change Biology 19:1417–1423.
  26. (en) Schubert, E. F., and J. K. Kim. 2005. Solid-state light sources getting smart. Science 308:1274–1278
  27. Walliner, W. E., L. M. Humble, R. E. Levin, Y. N. Baranchikov, and R. T. Carde (1995) Response of adult lymantriid moths to illumination devices in the Russian far east. Journal of Economic Entomology 88:337–342.
  28. Wagner D.L & R.G Van Driesche (2010) Threats posed to rare or endangered insects by invasions of nonnative species. Annual Review of Entomology 55:547–568
  29. Commission européenne (sur archives du Web), LITES: Led-based intelligent street lighting for energy saving, consulté 2014-10-11, et courte présentation (Commission européenne) et notice Cordis sur CORDIS
  30. LED SMD espaceampouleled.fr, consulté en avril 2014
  31. Massol, Laurent LED blanches : les différentes technologies, Led Engineering Development [PDF], consulté 2015-11-14
  32. « Caractérisation du rendu des couleurs des LED (thèse) », sur tel.archives-ouvertes.fr,‎ , p. 50 à 52
  33. « Nous savons aujourd’hui produire des LED de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel et, même d’un très grand nombre de couleurs qui ne sont « pas » présentes dans l’arc-en-ciel » (déclaration faite lors l’assemblée des actionnaires de la compagnie AIXtron). Des couleurs comme le marron ne sont en effet pas présentes dans l’arc-en-ciel, et produites par panachages de longueurs d’onde (LED polychromatiques).
  34. [PDF] N. Pousset, B. Rougié, S. Aubert, A. Razet, « LED de puissance blanches : sources de lumière de demain », sur nicolas_pousset.perso.neuf.fr,‎
  35. F. Bedu et al. Support de formation sur l'éclairage automobile, Renault, 2012.
  36. OSRAM, Reliability of the OSLON Product Family, 2012.
  37. « Ampoules basse consommation, LED : Des économies d'électricité à long terme », sur le site quechoisir.org, consulté le 29 février 2016.
  38. Nicolas Grandjean, « Les LED blanches », Pour la Science, no 421,‎ , p. 32-38.
  39. N. Pradal, Synthèses, mise en forme et caractérisations de luminophores nanostructurés pour une nouvelle génération de dispositifs d'éclairage sans mercure, doctoral dissertation, université Blaise Pascal-Clermont-Ferrand II, 2012.
  40. a et b R. Ait Lhadj, A. Khamlichi et F. Mata Cabrera, Optimisation de la conception d'un dissipateur thermique pour luminaire à diode électroluminescente, Besançon, 20e Congrès français de mécanique, 28 août-2 septembre 2011.
  41. (en) P. Panaccione, T. Wang, X. Chen, L. SUSAN et G. Q. Lu, « Improved heat dissipation and optical performance of high-power LED packaging with sintered nanosilver die-attach material », Journal of Microelectronics and Electronic packaging, no 7(3), 2010, p. 164-168.
  42. [PDF](en) Ocular input for human melatonin regulation, sur le site uni-koeln.de
  43. (en) Blue Light Induces Mitochondrial DNA Damage and Free Radical Production in Epithelial Cells, sur le site jbc.org, consulté le 3 novembre 2015
  44. . En particulier, ce problème se pose pour les LED utilisées dans les flashs ou dans les projecteurs de véhicules.
  45. Ingénieur-chercheur en éclairage, rapporteur scientifique pour la lumière bleue et vice-président de la section rayonnement non ionisant de la Société française de radioprotection, membre du comité de rédaction de la revue Science et pseudo-sciences.
  46. Sébastien Point, Lampes toxiques : des croyances à la réalité scientifique, Sophia Antipolis, Book-e-book, coll. « Une chandelle dans les ténèbres », , 62 p. (ISBN 978-2-37246-020-0, présentation en ligne).
  47. la législation impose aux fabricants d'indiquer la puissance lumineuse de leurs ampoules LED au bout de 6000 heures d'utilisation
  48. Les lampes à LED : tout savoir avant d'acheter, sur le site ddmagazine.com du 30 septembre 2009
  49. LED-Throwies
  50. La RATP lance un appel d’offres pour remplacer l’ensemble des points lumineux par un éclairage à LED.

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Frank Wohlrabe, Guide pratique de l’infrarouge : télécommande, télémétrie, tachymétrie, Publitronic, 29 mai 2002, (ISBN 2866611284).
  • Libero Zuppiroli et Daniel Schlaepfer, Lumières du futur, Presses polytechniques et universitaires romandes, 2011, (ISBN 9782880749422).

Annexes[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]