Elaboration d’architectures complexes luminescentes destinées à l’éclairage à LEDs

Arrivés sur le marché depuis quelques années, les dispositifs d’éclairage ou de visualisation à base de diodes électroluminescentes (LEDs), performants, très peu consommateurs d’énergie et exempts de substances toxiques comme le mercure ou le plomb, représentent une solution "verte" qui offre de grandes potentialités en termes de modularité et de qualité de couleur.

Concernant l’éclairage, la teinte du blanc (température de couleur) ou encore l’indice de rendu des couleurs (IRC), qui mesure la propension d’une source lumineuse à bien rendre les couleurs, sont des paramètres fondamentaux à optimiser et adapter en fonction du milieu éclairé (commerces, hôpitaux…).

Les dispositifs d’éclairage blanc commerciaux associent des LEDs bleues à deux luminophores : une matrice céramique émettant dans le jaune et un luminophore rouge contenant généralement des ions de terres-rares. Ces derniers présentent trois inconvénients : ils sont chers, en raison du monopole de la Chine sur cette matière première, sensibles à la température ou encore à l’humidité, et leur utilisation dans les LEDs conduit à une dérive de la colorimétrie changeant la couleur du blanc chaud au blanc froid.

Afin de pallier ce problème, nous avons cherché une solution permettant de s’affranchir de ce luminophore rouge. Ainsi, dans cette étude, la matrice céramique (YAG : Ce) a été associée à des nanofils de d’oxyde de zinc (ZnO), matériau stable et peu cher. Synthétisés dans des conditions respectueuses de l’environnement, ces matériaux ont été combinés dans des architectures luminescentes prenant la forme de revêtements. Cette stratégie avait deux objectifs : accroître l’intensité de la lumière émise en favorisant l’augmentation de la proportion de photons extraits du revêtement grâce à la structuration de surface amenée par les nanofils et apporter la composante rouge via le ZnO.

Les architectures luminescentes réalisées se sont révélées très intéressantes puisqu’en jouant sur la nature de la source d’excitation (LEDs bleues ou LED ultraviolette), l’intensité et la couleur d’émission de ces revêtements peuvent être modulées. Grâce à des études morphologiques et optiques, nous avons déterminé une quantité optimale de matrice céramique à associer aux nanofils. Une étude optique complète a permis de proposer des hypothèses quant aux mécanismes mis en jeu dans l’évolution des propriétés optiques des architectures réalisées, selon la quantité de luminophore et selon la source d’excitation utilisées.

Ces échantillons associant nanofils de ZnO et céramique (YAG : Ce) ont permis de mettre en évidence une amélioration de l’intensité de luminescence pouvant aller jusqu’à 50% selon la configuration de l’architecture.