Le projet SMARtLEDs associe trois laboratoires de la région Auvergne-Rhône-Alpes (ICCF, LabHC, LMGP) et adresse le domaine de l’éclairage à LEDs. En effet, SMARtLEDs permettra de proposer une lumière blanche offrant des paramètres photométriques stables dans le temps et les conditions d’usage, répondant au cahier des charges de l’éclairage intérieur (IRC>90 et une température de couleur ~ 4000K). Le projet ambitionne d’atteindre ces objectifs par une approche totalement inédite associant des nanofils (NFs) de ZnO et des Luminophores (Ls).

Nos travaux porteront sur la structuration de revêtements de YAG:Ce3+ (Ls) via leur association avec des NFs de ZnO organisés sous la forme de réseaux périodiques. Ces derniers permettront à la fois d’améliorer l’extraction de lumière et d’apporter la composante rouge afin d’atteindre des Indices de Rendu de Couleur (IRC) en phase avec le cahier des charges de l’éclairage. Il sera ainsi possible de s’affranchir de l’utilisation des luminophores rouges actuels, chers et peu stables dans le temps, formulés à partir de nitrures ou sulfures de Terres Rares (TR) ou encore de fluorures activés Mn4+. Les matrices YAG:Ce3+ et ZnO seront élaborées par des techniques de chimie en solution bas coût (voies sol-gel et solvothermale). Leur combinaison devrait conduire à une émission de lumière blanche répondant aux exigences de l’éclairage. Une exaltation de l’intensité d’émission d’au moins 20% par rapport aux dispositifs actuels est visée sur la base des premières modélisations.

Différents phénomènes résultant de ces structures favoriseront l’extraction lumineuse. De par leur diamètre nanométrique et leur facteur de forme élevé, les NFs joueront le rôle de nano-antennes guidant la lumière, émise par les LEDs et convertie par les Ls, vers l’extérieur. La structuration de surface créée par les NFs contribuera aussi à une augmentation du nombre de cônes de fuite des photons ou à leur élargissement angulaire, multipliant ainsi les chemins optiques par diffusion au sein des réseaux de NFs. La dimensionnalité et la périodicité des réseaux de NFs seront également optimisées via les simulations numériques afin de réduire les pertes par réflexion interne et de contrôler l’angle d’extraction de la lumière. De plus, les NFs de ZnO favoriseront l’émission d’une lumière à IRC optimisé grâce à leur contribution spectrale dans le domaine du rouge sous excitation LEDs bleues. Ce point est essentiel car comme nous l’avons mentionné précédemment, il existe peu de luminophores sans TR, efficaces et stables dans le temps, offrant une émission rouge après excitation par une LED bleue. Ainsi, l’utilisation des NFs de ZnO pour apporter cette composante constitue un point fort de ce projet.

Pour les architectures élaborées, 2 approches complémentaires seront étudiées de façon comparative : la réalisation d’un revêtement de YAG:Ce servant de support à la couche de germination des NFs ou l’utilisation de suspensions de nanoparticules de YAG:Ce pour imprégner les NFs. Tout le potentiel et l’originalité du projet reposent sur l’association proposée portant sur

1. une méthode lithographique (insolation/développement) à moindre coût sur des résines sol-gel de ZnO spécifiquement développées pour cet usage et compatibles avec des réseaux photogravés à faible dimensionnalité,
2. la croissance localisée de NFs de ZnO sur des réseaux de ZnO photogravés,
3. des luminophores YAG :Ce aux performances optiques optimisées et dont les procédés de synthèse choisis autorisent des mises en forme adaptées,
4. une architecture multi-matériaux multifonctionnelle multi-échelles conduisant à une extraction optimisée de la lumière émise par la LED et à des performances optiques et colorimétriques exaltées et adaptées à l’application visée.

Un nouveau concept de dispositifs à LEDs aux performances accrues sera proposé à l’issue de ce projet et s’accompagnera de la réalisation d’un démonstrateur

PORTEUR & PARTENAIRES

Porteur :

l’Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (ICCF)

Partenaires :

• le Laboratoire Hubert Curien (UJM/LabHC)
• le Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique (LMGP)