Des guirlandes de Noël embellies de LED
Un sapin de Noël sans guirlande lumineuse, c’est comme une journée sans soleil ou un jardin sans fleurs. Les guirlandes sont en général constituées de LED (Fig. 1), ces lampes miniatures présentes dans les décorations de toutes sortes. Mais ce n’est là qu’une infime partie de leurs applications : elles sont mises en œuvre dans les indicateurs lumineux, la signalisation routière, les panneaux d’information, les phares d’automobiles, etc. Dans le domaine de l’éclairage, les LED blanches constituent une véritable révolution. Les raisons du succès : la faible consommation d’énergie, la longévité, l’allumage quasi instantané et l’insensibilité aux chocs.1 Mais d’où viennent toutes ces couleurs ?
Fig. 1. Guirlande de Noël à base de LED de diverses couleurs. © Bernard Valeur
Comment obtient-on des LED de couleurs différentes ?
Le cœur d’une LED (acronyme de Light Emitting Diodes ou diodes électroluminescentes) est une puce semi-conductrice qui, soumise à une tension électrique, émet de la lumière (électroluminescence) dont la couleur dépend de la nature du semi-conducteur.2 Les premières LED, mises au point à la fin des années 1960, émettaient dans le rouge, le semi-conducteur étant un alliage d’arséniure de gallium (GaAs) et de phosphure de gallium (GaP). Puis ce fut le tour des LED jaunes et vertes. Quant aux LED bleues, elles ont donné du fil à retordre aux chercheurs qui n’ont trouvé le semi-conducteur adéquat qu’en 1992 : le nitrure de gallium et d’indium (InGaN). Sans elles, on ne pourrait pas produire de la lumière blanche à bon marché. Or un quart de la production mondiale d’électricité est dévolu à l’éclairage ! C’est pourquoi la mise au point de LED bleues a valu à leurs concepteurs le prix Nobel de physique en 2014.
Comment produire de la lumière blanche à l’aide d’une LED bleue ?
Rappelons qu’une source lumineuse telle que le Soleil ou une lampe à halogène donne une sensation de blanc du fait de la superposition sur la rétine des ondes lumineuses dont les longueurs d’onde couvrent tout le domaine visible (du violet au rouge).
Une autre façon de produire de la lumière blanche consiste à associer une LED bleue à des luminophores3. Voyons comment. La lumière bleue émise par le semi-conducteur est partiellement absorbée par une couche de luminophores qui le recouvre (Fig. 2). Ces derniers sont alors en partie portés dans un état dit « excité ». Le surplus d’énergie acquis est rétrocédé partiellement sous forme de lumière (photoluminescence) qui couvre un domaine de longueurs d’onde au-delà du bleu et jusqu’au rouge (Fig. 2). Cette lumière donne donc une sensation de jaune, mais puisqu’elle s’ajoute à la lumière bleue de la LED, l’ensemble procure une sensation de blanc. Il s’agit d’un blanc froid (c’est-à-dire tirant sur le bleu) si la composante bleue est importante, et d’un blanc chaud (c’est-à-dire tirant sur le jaune) si on favorise l’émission par le luminophore.4
Fig. 2. Principe d’une LED blanche. La lumière bleue émise par le semi-conducteur (nitrure de gallium et d’indium : InGaN) d’une LED bleue excite un luminophore (par exemple un composé à base d’yttrium, d’aluminium et de cérium : Y3Al5O12:Ce3+). Ce dernier émet dans un domaine complémentaire du bleu et donnerait, seul, une sensation de jaune. © Bernard Valeur
Qu’elles soient multicolores ou blanches, les LED s’invitent de multiples façons pour égayer les fêtes de fin d’année (Fig. 3). Nul doute qu’après avoir lu ce billet, vous porterez un autre regard sur ces guirlandes qui, mine de rien, sont issues d’une technologie de pointe tout en contribuant à la féerie de Noël.
Fig. 3. Des LED blanches éclairent de l’intérieur ce nounours en résine translucide. © Bernard Valeur
Références et notes
1B. Valeur, Lumière et luminescence. Ces phénomènes lumineux qui nous entourent, Belin (2005, 2e éd. 2017).
2Lorsqu’on applique une tension à une jonction p-n (juxtaposition d’un semi-conducteur dopé n et d’un semi-conducteur dopé p), des électrons sont injectés dans le semi-conducteur dopé p et des trous sont créés dans celui dopé n. Il s’ensuit un grand nombre de recombinaisons électron-trou qui sont accompagnées d’une émission de lumière dont la couleur dépend de la nature du semi-conducteur. La position du maximum du spectre d’émission (dont la largeur est de quelques dizaines de nanomètres) va de l’UV au proche infrarouge. Pour plus de détails, voir la référence 1.
3Un luminophore est un composé qui, après avoir absorbé de l’énergie (lumineuse, électrique, etc.), retourne à son état initial en rétrocédant partiellement cette énergie sous forme de lumière, dénommée luminescence. Contrairement à l’incandescence, la luminescence n’est pas d’origine thermique.
4La notion de blanc chaud et de blanc froid est décrite dans le billet du 19.10.2018 : « Couleur et température : une relation particulière… et paradoxale ».