Histoire des LED blanches

Par rapport aux ampoules à incandescence, les LED produisent beaucoup plus de lumens par watt de puissance d’entrée – elles sont plus efficaces pour produire de la lumière. Bien sûr, cela signifie que les ampoules à incandescence sont plus efficaces pour produire de la chaleur, et à mesure que les jours raccourcissent et que les nuits se refroidissent, quelque part, quelqu’un qui a fait le saut vers l’éclairage LED a une fournaise qui fait des heures supplémentaires. Et que quelqu’un pourrait aussi se demander comment nous en sommes arrivés là : un monde éclairé par des semi-conducteurs inorganiques ésotériques illuminant des phosphores.

Le fait que les diodes émettent de la lumière dans certaines conditions est connu depuis plus de 100 ans; la première diode électroluminescente a été découverte à Marconi Labs en 1907 dans un détecteur de moustaches de chat, le premier type de diode. Cette découverte était simplement une curiosité scientifique jusqu’à ce qu’une autre découverte chez Texas Instruments révèle des émissions de lumière infrarouge provenant d’une diode tunnel construite à partir d’un substrat d’arséniure de gallium. Cette LED infrarouge a ensuite été brevetée par TI, et un projet a commencé à fabriquer ces diodes électroluminescentes infrarouges.

Mais la lumière infrarouge est invisible à l’œil humain et n’est utile pour aucune indication ou éclairage. La première LED à spectre visible a été construite chez General Electric en 1962, avec les premières LED (rouges) disponibles dans le commerce produites par la société Monsanto en 1968. HP a commencé la production de LED cette année-là, en utilisant le même phosphate d’arséniure de gallium utilisé par Monsanto. Ces LED HP ont trouvé leur place dans de très petits écrans LED à sept segments utilisés dans les calculatrices HP des années 1970.

Des LED infrarouges du début des années 1960 aux LED rouges de la fin des années 1960, les années 1970 ont vu des LED rouge, orange, jaune et enfin vertes. Il y a une tendance à ces développements, et cela a à voir avec les lacunes électroniques. Pour qu’une diode génère de la lumière, vous devez d’abord mettre de l’énergie dans un électron. Cette énergie fait passer l’électron de son état naturel dans une bande de valence à une bande de conduction. Cette énergie n’est pas suffisante pour maintenir l’électron dans la bande de conduction, de sorte qu’il finira par retomber dans le trou qu’il a laissé dans la bande de valence. Ce faisant, il libère de l’énergie sous la forme d’un photon.

Plus il faut d’énergie pour déplacer l’électron dans une bande de conduction, plus il y a d’énergie libérée sous forme de photon, sous forme de lumière de fréquence plus élevée. La raison pour laquelle les LED infrarouges sont venues avant les LED rouges, et les LED vertes sont venues après cela est qu’il est tout simplement plus difficile de grimper ces bandes interdites et de trouver un substrat LED qui émettra des fréquences de lumière plus élevées.

Les LED infrarouges, rouges et même vertes étaient « faciles », mais les LED bleues nécessitent une bande interdite beaucoup plus grande et nécessitent donc des matériaux plus exotiques. Le casse-tête derrière la fabrication d’une LED bleue haute luminosité a été déchiffré pour la première fois en 1994 chez Nichia Corporation en utilisant du nitrure d’indium et de gallium. Dans le même temps, Isamu Akasaki et Hiroshi Amano de l’Université de Nagoya ont développé un substrat de nitrure de gallium pour les LED, pour lequel ils ont remporté le prix Nobel de physique 2014. Avec les LED rouges, vertes et bleues, la seule chose qui empêchait quiconque de construire une LED blanche était de mettre toutes ces couleurs dans le même paquet.

Les premières LED blanches n’étaient pas explicitement des LED blanches. Au lieu de cela, les LED rouges, vertes et bleues ont été emballées dans un seul boîtier LED. Cependant, si vous mélangez de la lumière rouge, verte et bleue, vous obtiendrez de la lumière blanche, il s’agit simplement d’obtenir les proportions correctes de photons de différentes couleurs.

Cela reste la norme pour les LED RVB, et certains ont même expérimenté l’amélioration de la gamme de couleurs que ces LED peuvent produire. L’œil humain est extrêmement sensible aux fréquences vertes de la lumière, et en ajoutant une quatrième LED à un ensemble – il est préférable de l’appeler « émeraude », ou une nuance de vert légèrement plus bleue que ce à quoi nous sommes habitués dans les LED vertes – vous pouvez créer une LED avec une gamme de couleurs plus large, ou si vous préférez, un blanc plus blanc.

C’était la première méthode de développement d’une LED blanche, et bien que les ampoules LED que vous achetez à la quincaillerie n’aient pas de LED rouges, vertes et bleues individuelles à l’intérieur, c’est toujours un moyen incroyablement populaire de créer plus de couleurs avec des LED. Ces néopixels, WS2812 ou APA101 ont tous des LED rouges, vertes et bleues nichées dans un boîtier. Certaines des LED RVB adressables individuellement les plus avancées ajoutent même une quatrième LED, pour le blanc. Mais comment ces LED blanches individuelles sont-elles fabriquées?

Les premières LED blanches, fabriquées sans trois LED individuelles, ont été fabriquées avec la magie des phosphores. Les phosphores sont une science bien comprise, que l’on trouve le plus souvent dans les applications d’éclairage des ampoules fluorescentes. Les ampoules fluorescentes ne produisent pas de lumière blanche par elles-mêmes, elles produisent de la lumière ultraviolette en excitant la vapeur de mercure. Cependant, en recouvrant l’intérieur d’une ampoule fluorescente d’une poudre, cette lumière ultraviolette peut être convertie en lumière rouge, verte et bleue. Le résultat est une ampoule fluorescente qui éclaire votre garage ou votre atelier.

Cela peut également être fait avec des LED. Avec une LED ultraviolette ou violette emballée dans un boîtier revêtu de phosphore, vous pouvez créer une LED blanche. C’est ce qu’on appelle une LED blanche à conversion complète.

En 1996, la société Nichia a annoncé la production de LED blanches, et le reste appartient à l’histoire. Au cours des vingt dernières années, la puissance, l’efficacité et la luminosité de ces LED ont augmenté. Maintenant, ou dans un avenir très proche, la valeur par défaut pour l’éclairage domestique ne sera pas les ampoules à incandescence, mais les LED puissantes consommant une fraction de l’énergie d’une vieille ampoule Edison, déplaçant une plus grande partie de la tâche de garder votre maison au chaud sur le chauffage.