Maîtrise des caractéristiques des diodes électroluminescentes : un enjeu majeur en éclairage général - Les LEDs

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Paragraphes de l'article

Partie 0 : Résumé
Partie 1 : Introduction
Partie 2 : Les LEDs
Partie 3 : Caractérisation et tri des LEDs blanches
Partie 4 : Conclusion
Partie 5 : Références bibliographiques

2. Les LEDs

LED est l’acronyme Anglais de « light emitting diode», qui signifie en Français diode électroluminescente (DEL). L’appellation Anglaise est généralement préférée, cas courant dans le domaine de l’électronique.

La LED appartient à la famille du Solid State Lighting (SSL). Cette dernière s’oppose aux sources traditionnelles du fait que l’émission de lumière n’est pas réalisée par le biais d’un filament électrique ou d’un gaz mais d’une puce en phase solide.

2.1. Evolution et marchés des LEDs

2.1.1. Historique

Le phénomène de l’électroluminescence fut découvert par H. J Round en 1907 [ROUND 1907] puis fut étonnement oublié [ZISSIS 2007a]. Ce n’est qu’en 1962 que l’acte officiel de naissance de la LED rouge a été signé [HOLONYAK 1962].

2.1.2. Une technologie qui évolue vite à allure contrôlée

Les LEDs possèdent une loi d’évolution : la loi de Haitz [HAITZ 2000]. Elle énonce que, toutes les décennies,  le flux lumineux d’une LED est multiplié par 30 tandis que son coût est divisé par 10 (Cf. Fig. N°1). Ceci correspond à un doublement du flux lumineux tous les 24 mois et à une réduction du prix de plus de 25% par an.

Les flux lumineux considérés sont ceux des LEDs les plus performantes présentes sur le marché. Les prix sont à entendre pour les OEM (Original Equipement Manufacturer). La loi de Haitz peut être vue comme une analogie à la loi de Moore,  qui elle aussi décrit l’augmentation des performances en parallèle d’une baisse des prix [MOORE 1975].

L’évolution des performances est décrite par le biais de feuilles de route. Dans le domaine des LEDs de puissance, une des plus connues est celle de l’OIDA (Optoelectronics Industry Development Association).

Feuille de route de l’OIDA [OIDA 2002]

Les feuilles de route sont dans l’ensemble respectées. Par exemple, si on se réfère aux prévisions faites pour les LEDs blanches, les fabricants produisaient en 2007 des LEDs à 75lm/W, performance respectant les prévisions [LUMILEDS K2 2007].

Un rapport remis au sénat Américain en 2001 prévoyait, selon un scénario « évolutionnaire », des efficacités lumineuses de 50lm/W pour les LEDs blanches en 2010 [SENAT US 2001]. Force est de constater que les prévisions de ce scénario ont été largement dépassées.

Certaines applications nécessitent des performances qui ne seront atteintes que dans plusieurs mois voire plusieurs années. Les feuilles de route permettent d’optimiser la planification des développements de produits actuellement irréalisables à base de LEDs en les programmant en fonction des feuilles de route. Il est donc possible de proposer sur le marché des produits innovants, qui ne peuvent qu’intégrer des LEDs de dernière génération, dès la commercialisation de ces dernières. Cette politique d’anticipation donne un avantage concurrentiel conséquent vis-à-vis des sociétés qui lancent les développements seulement lorsque les LEDs adéquates arrivent sur le marché.

2.1.3. Les LEDs à la conquête de nouveaux marchés

Au fur et à mesure que les LEDs progressent, elles peuvent pénétrer des nouveaux marchés [ZISSIS 2007b]. Depuis peu, elles commencent à s’installer sur des applications à fort flux (Cf. Fig. N°2).

2.1.4. A la croisée de deux mondes

La LED est une technologie qui se situe aux confins de deux mondes : le monde de l’éclairage et le monde de l’électronique. Les premiers sont coutumiers des contraintes thermiques, des alimentations de toutes sortes. Les seconds maîtrisent la théorie de l’éclairage, les phosphores et le réseau de distribution.

L’entrée des LEDs sur le marché de l’éclairage met aux prises ces deux industries, dotées de leurs propres codes et de leurs  propres langages.

2.2. La technologie

Une LED est essentiellement composée d’une puce, qui émet des photons, et d’un boîtier, qui protège l’assemblage.

2.2.1. Fonctionnement

Une LED est composée, à l’instar d’une diode, de deux jonctions : P et N. L’une est en excès d’électrons (la couche N) tandis que l’autre (la couche P) est en déficit d’électrons. L’injection de courant entraine un déplacement des porteurs de charges. Ces derniers se recombinent dans la couche active, placée entre les couches P et N, et donnent naissance à des photons.

Du fait de leur mode de fonctionnement, les LEDs émettent un rayonnement monochromatique. Afin de générer du blanc , les fabricants utilisent généralement une LED bleue (InGaN) au sein de laquelle la puce est recouverte d’une couche de phosphore (YAG:Ce) [ZISSIS 2004]. Le phosphore absorbe une partie du rayonnement bleu et le convertit en radiations jaunes. Le mélange de ces deux couleurs produit du blanc.

2.2.2. Les LEDs classiques

Une LED 5mm, modèle très connu, possède un boitier en résine époxy. Ce dernier joue le rôle de contenant mais aussi de lentille. Typiquement utilisées en tant que voyant, elles ne sont pas assez puissantes pour être utilisées en éclairage. C’est pour cela que nous ne les aborderons pas dans cet article.

2.2.3. Les LEDs de puissance

Une LED est dite de puissance lorsqu’elle consomme plus d’1/4 de Watt [MASSOL 2007a]. Par rapport à une LED classique, elle possède, en sus, une pièce appelée « pad thermique » (Cf. Fig. N°3) qui a pour fonction l’évacuation de la chaleur générée au niveau de la puce. Ces LEDs sont utilisées pour les applications nécessitant une quantité de flux lumineux que ne peut pas fournir une LED 5mm.

Les monopuces ne sont pas l’unique type de LEDs de puissance. Il existe également des modèles multipuces [OSRAM OSTAR 2008].

2.3. Les LEDs face aux critères de choix classiques du monde de l'éclairage

Classiquement, afin de choisir une source lumineuse, on compare :

• Le couple (Flux lumineux, Puissance électrique)
• La durée de vie
• L’indice de rendu des couleurs
• La température de couleur

[OSRAM CAT 2008] et [PHILIPS CAT 2008]

Ces critères sont-ils pertinents pour les LEDs blanches ?

2.3.1 Le couple (flux lumineux, Puissance électrique)

Le flux lumineux d’une LED et sa tension inverse Vf, sont caractérisés au courant nominal In par les fabricants. Ces deux informations permettent de déterminer le couple (flux, puissance électrique). Ce dernier permet d’accéder à l’efficacité lumineuse de la LED, notée η, par la formule suivante : η=Flux/Puissance [lm/W].

Les luminaires à LEDs requièrent un équipement et des méthodes de mesures spécifiques [HANSELAER et KAHO 2007]. La CIE (Commission Internationale de l’éclairage), propose des méthodes de mesure adaptées [CIE 127:2007]. Il n’est pas possible de réaliser des mesures fiables à l’aide de matériel classique, conçu autour des sources lumineuses traditionnelles. Il convient donc de faire appel à des laboratoires dotés du matériel ad hoc si l’on souhaite réaliser des campagnes d’essais fiables.

2.3.2 La durée de vie

Une LED ne se comporte pas comme une source lumineuse traditionnelle : elle s’éteint au bout d’un temps extrêmement long. Ceci explique pourquoi, au début des années 2000, les constructeurs de LEDs annonçaient généralement des durées de vie de 100.000 heures [LUMILEDS B&L 2002 et 2004]. Néanmoins, la quantité de flux lumineux décroit dans le temps, de telle sorte qu’il existe un seuil à partir duquel on considère la LED comme inopérante. Ceci explique pourquoi, de nos jours, les valeurs annoncées sont plus faibles, de l’ordre de 60.000 heures [LUMILEDS B&L 2007].

La définition de la durée de vie généralement admise d’une LED est égale au temps qu’il faut pour que la moitié des lampes émettent moins de 70% du flux initial. Cette valeur est appelée la (B50, L70). Cette donnée est généralement fournie par les constructeurs [LUMILEDS RELIABILITY 2007] et [CREE RELIABILITY 2007].

2.3.3 L'indice de rendu des couleurs

L’indice de rendu des couleurs caractérise l’aptitude qu’à une source à bien rendre les couleurs qu’elle éclaire. La source de référence, dotée d’une IRC de 100, est le corps noir.

Initialement, la CIE a définie l’IRC comme une moyenne de notes jugeant la capacité qu’a une source à reproduire 14 couleurs. Les lampes fluorescentes ne reproduisant pas bien le rouge, la CIE a révisé la méthode pour réduire le nombre d’échantillons de 14 à 8 [CIE 177:2007].

Les IRC calculés ne correspondent pas à l’effet ressenti par les personnes éclairées par des LEDs blanches [CIE 177:2007]. Ceci entraine que la définition de l’IRC n’est pas valable pour ces dernières. Il est donc nécessaire d’en revoir la définition. Une nouvelle définition de l’IRC, adaptée aux LEDs, doit être mise au point et validée [CIE 177:2007]. Plusieurs méthodes sont en cours d’étude [CIE 178:2007].

La notion d’IRC n’étant pas pertinente pour une LED blanche, il faut pallier à cela par le biais de tests utilisateurs par exemple. Le recours à des avis d’utilisateurs a pour avantage de s’affranchir de la non pertinence du critère de l’IRC actuellement en vigueur. Néanmoins, il faut considérer les avis à la lumière de la subjectivité de la perception visuelle.

2.3.4 La température de couleur

La température de couleur d’une source lumineuse caractérise la teinte du blanc. Une teinte bleutée sera dite froide tandis qu’une teinte jaunâtre sera dite chaude (Cf. Fig. N°4).

Sur le diagramme CIE 1931 (Cf. Fig. N°5), les couleurs pures (radiations monochromatique) sont disposées sur la périphérie courbe de l’espace tandis que les couleurs issues de mélanges sont placées à l’intérieur du diagramme (le blanc s’y trouve au centre). La ligne droite qui relie les deux extrémités du spectre est la droite des pourpres. Le rayonnement émis par un corps noir, décrit par la loi de Planck, est situé sur le lieu du corps noir, dont l’appellation Anglaise est « blackbody radiation curve ».

La notion de température de couleur ne suffit pas à caractériser une LED blanche. En effet, une LED ne possède pas un spectre de corps noir [NICHIA NJS 2008]. Il en résulte que les coordonnées chromatiques d’une LED blanche peuvent se situer nettement en dessus ou en dessous du lieu du corps noir. Ceci explique pourquoi l’on parle de température de couleur corrélée (« Correlated Color Temperature » en Anglais) et non de température de couleur pour une LED.

Afin de caractériser la teinte d’une LED blanche, il est nécessaire de quadriller une zone proche du lieu du corps noir.

2.3.5 Corrélation des critères

Les LEDs possèdent des performances à la hauteur des  sources d’éclairage traditionnelles. A la différence que les LEDs ne possèdent pas de standards de puissance, ce qui rend la comparaison directe délicate.

Il n’est pas possible d’intégrer à ce tableau une ligne qui synthétise l’état de l’art actuel des LEDs. En effet, elles sont radicalement différentes selon leurs caractéristiques. Certaines LEDs de puissance émettent plus de 1000 lumen pour 15W [OSRAM OSTAR 2008] alors que d’autres émettent plus de 100 lumen pour 1W seulement [CREE XR-E 2007].

Les LEDs de teinte froide possèdent des IRC de l’ordre de 70 tandis que les LEDs de teinte chaude possèdent des IRC généralement supérieurs à 80. Parallèlement, les LEDs sont d’autant plus performantes que la teinte est froide  [CREE XR-E 2007].

Les LEDs produisant qualitativement la meilleure lumière sont celles qui sont les moins efficaces. Il en résulte qu’il faut trouver un compromis entre performances et qualité de lumière.

Parallèlement, pour une teinte donnée, une LED sera d’autant plus efficace qu’elle sera parcourue par un courant faible (Cf. Fig. N°6). Il en résulte que les systèmes à haute efficacité lumineuse tendent à multiplier le nombre de LEDs.

A noter que les LEDs sont très sensibles à la température et que cela influe sur le couple (Flux lumineux, Puissance électrique), la durée de vie, l’IRC et la teinte du blanc [NICHIA Θ 2003], [SEOUL Θ 2005] et [LUMILEDS Θ 2006]. Volontairement, nous n’aborderons pas cet aspect dans cet article.