L'une des technologies les plus révolutionnaires du 21e siècle, les-diodes électroluminescentes (DEL) changent la façon dont nous communiquons, éclairons nos maisons et interagissons avec le monde extérieur. C'est une histoire de persévérance, de créativité et de découvertes révolutionnaires qui les ont conduits de phénomènes scientifiques obscurs à des solutions d'éclairage largement utilisées. Cet article retrace l’évolution deLEDau fil du temps, en mettant l’accent sur les innovations qui ont rendu possibles leurs utilisations actuelles.
1. Premières découvertes : les origines de l'électroluminescence (1907-1960)
Le phénomène d’électroluminescence, ou la libération de lumière par une substance lorsqu’un courant électrique la traverse, est à la base de la technologie LED. Henry Joseph Round, un chercheur britannique, a fait la première observation de ce concept en 1907 lorsqu'il a découvert qu'un cristal de carbure de silicium (SiC) émettait une faible lueur lorsqu'une tension était appliquée. Bien qu'involontaire et mal comprise, la découverte de Round a été la première électroluminescence à être documentée.
Oleg Losev, un inventeur russe, s'est appuyé sur le travail de Round dans les années 1920. Losev a écrit-des articles approfondis sur les "relais de lumière" tout en recherchant des cristaux de carbure de silicium et d'oxyde de zinc. Il a également suggéré que l’électroluminescence pourrait servir de base à des sources de lumière utiles. Mais en raison des contraintes techniques de l’époque, son étude a été largement ignorée et ses contributions n’ont été rappelées que des décennies plus tard.
Les années 1950 et 1960 ont vu l’aube de l’ère contemporaine des LED, alors que de nouvelles possibilités étaient rendues possibles par les progrès de la science des semi-conducteurs. Des matériaux tels que l'arséniure de gallium (GaAs) et le phosphure de gallium (GaP) ont été étudiés par des chercheurs de RCA, General Electric et IBM. Une LED infrarouge a été inventée en 1961 par Robert Biard et Gary Pittman, mais la découverte cruciale a été faite par le scientifique de General Electric Nick Holonyak Jr. Holonyak a développé la première LED à spectre visible en 1962, en utilisant un cristal de phosphure d'arséniure de gallium (GaAsP) pour générer de la lumière rouge. Connu comme le « père de la LED », Holonyak a fait la prédiction futuriste de l'époque selon laquelle les LED remplaceraient à terme les lampes à incandescence.
2. La révolution des couleurs (années 1970-1980) : élargir le spectre
La lumière rouge de faible-intensité produite par les premières LED n'était appropriée que pour les voyants lumineux utilisés dans les horloges, les calculatrices et autres gadgets. Dans les années 1970, la recherche était motivée par le désir de nouvelles couleurs et d’efficacité accrue.
LED vertes et jaunes : Au début des années 1970, les inventeurs ont créé des LED vertes et jaunes en dopant du phosphure de gallium avec de l'azote. Ceux-ci se sont développés pour inclure des indicateurs de tableau de bord pour les voitures et les feux de circulation.
LED bleues : le Saint Graal En raison du défi que représente la création de cristaux de nitrure de gallium (GaN) de haute qualité, la lumière bleue est restée insaisissable. La croissance a été difficile en raison de la température de fusion élevée du GaN et de l'inadéquation du réseau avec les substrats. Grâce au dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD), des chercheurs tels qu'Isamu Akasaki et Hiroshi Amano au Japon ont persisté et ont réalisé des progrès significatifs dans le développement de GaN sur des substrats saphir à la fin des années 1980.
La première LED bleue à haute luminosité-a été créée en 1993 par Shuji Nakamura de Nichia Corporation, marquant la dernière avancée significative. Le domaine a été transformé par l'invention de Nakamura, qui utilisait du nitrure d'indium et de gallium (InGaN) pour la couche active. En plus de compléter la triade de couleurs RVB, les LED bleues ont rendu possibles les LED blanches en appliquant un revêtement au phosphore (nous en parlerons plus tard). La réputation de la LED bleue en tant qu'invention révolutionnaire-a été consolidée lorsqu'Akasaki, Amano et Nakamura ont reçu le prix Nobel de physique 2014 pour leurs efforts.
3. Éclairer le monde : la percée des LED blanches (années 1990-2000)
L'éclairage général nécessite une lumière blanche. Avant les LED, mélanger des LED rouges, vertes et bleues pour créer une lumière blanche était une procédure difficile et inefficace. L'introduction des LED bleues a offert une solution plus simple : appliquer un phosphore jaune (tel que le grenat d'aluminium et d'yttrium dopé au cérium-, ou YAG:Ce) sur une LED bleue. Lorsque le phosphore est excité par la lumière bleue, il libère un large spectre de lumière qui se combine avec toute lumière bleue restante pour créer du blanc.
À la fin des années 1990, cette technique-connue sous le nom de LED blanche convertie au phosphore-, ou PC-LED-est devenue économiquement réalisable. Dans les années 2000, des LED blanches ayant une efficacité supérieure à celle des ampoules à incandescence et fluorescentes étaient produites en masse- par des entreprises comme Cree, Philips et Osram.
Points tournants importants inclus :
Efficacité lumineuse : dans les années 2010, l'efficacité est passée de 5 lm/W (rougeLEDdes années 1960) à plus de 150 lm/W.
Réduction des coûts : entre 2000 et 2015, l'amélioration des méthodes de fabrication (telles que la production à l'échelle des plaquettes) a réduit les prix de 90 %.
Adoption dans l'éclairage : Pour économiser l'énergie, les gouvernements du monde entier ont encouragé l'utilisation des LED. Par exemple, le L Prize 2008 du Département américain de l'Énergie a accéléré l'adoption des lampes à LED comme substitut aux lampes à incandescence de 60 W.
4. Au-delà de l'éclairage : technologie intelligente et diversification (années 2010 à aujourd'hui)
De nos jours, les LED ne servent pas seulement à l’éclairage. De nombreuses utilisations ont été rendues possibles grâce aux progrès de la science des matériaux et de la miniaturisation.
un. Technologie visuelle et affichages
Les LED organiques, ou OLED, sont des écrans flexibles et très fins que l'on retrouve dans les smartphones (comme les panneaux AMOLED de Samsung).
Micro-LED : pixels auto-émettant-pour les casques AR/VR et les téléviseurs haute-définition.
Li-Fi : modulation de la lumière utilisant des LED pour transmettre des données sans fil.
b. Un éclairage axé sur l’humain
De nos jours, les LED réglables modifient la température de couleur pour reproduire les cycles de la lumière naturelle du soleil, améliorant ainsi la qualité du sommeil et la productivité. « L'éclairage circadien » est utilisé dans les écoles et les hôpitaux pour contrôler les niveaux de mélatonine.
c. Agriculture et jardinage
Les lampes de culture à LED utilisent des longueurs d'onde particulières (rouge et bleu pour la photosynthèse, par exemple) pour maximiser le développement des plantes. Les LED sont essentielles à la production agricole-toute l'année des fermes verticales.
d. Transports et automobiles
En raison de leur robustesse et de leur adaptabilité dans leur conception, les LED constituent la norme industrielle pour l’éclairage des véhicules. Les LED sont utilisées dans les véhicules électriques actuels pour tout, des phares aux indications d'état de la batterie, et les feux de jour à LED d'Audi de 2004 ont lancé une tendance.
5. Innovations et difficultés
Les LED continuent de se heurter à des obstacles malgré leur succès :
un. Efficacité en baisse
L'efficacité des LED diminue à des courants élevés en raison des fuites de chaleur et d'électrons. Les substrats GaN-sur-GaN et les conceptions de puits quantiques sont deux moyens de réduire les défauts.
b. Problèmes environnementaux
Les métaux lourds et les éléments de terres rares-, tels que l'europium présent dans les phosphores, se trouvent dans les LED. Les inquiétudes concernant les déchets électroniques sont soulevées par le manque d'installations de recyclage.
c. Qualité de la couleur
Le rendu des couleurs du blanc primitifLED was subpar (CRI). Modern violet-pumped phosphors and quantum dot LEDs (QLEDs) may now match natural light in CRI (>90).
6. L'avenir des LED
Les nouvelles technologies ont le potentiel de faire progresser les LED :
LED en pérovskite : matériaux-faibles et très colorés-purs.
LED UV-C : pour purifier et stériliser l'eau.
Intégration LiDAR : cartographie 3D à l'aide de LED dans les -voitures autonomes.
Le développement des LED, du cristal d'éclairage de Henry Round à la LED bleue de Shuji Nakamura, est la preuve de l'ingéniosité humaine et de la coopération interdisciplinaire-. Plus de la moitié de l'éclairage dans le monde est désormais alimenté par des LED-, ce qui réduit les émissions de carbone et permet d'économiser des milliards de dollars en dépenses énergétiques.LEDcontinuera à mener la révolution technologique alors que la recherche sur un éclairage plus intelligent, plus écologique et plus adaptable se poursuit, démontrant que même la plus petite diode peut éclairer la planète.
