Les LED éclairent le futur

Une émeute de lumière agresse un visiteur entrant dans le hall de Color Kinetics au 17e étage d'un immeuble de bureaux du centre-ville de Boston. Les motifs tourbillonnants sur les affiches passent de l'orange au vert, les formes en plastique transparent brillent rapidement en bleu, violet et rouge. Et une question se pose bientôt : De quelle couleur est ce canapé ? Il brille d'un rouge cerise, passe au cramoisi, devient bleu ciel, puis recommence le cycle.

En fait, le canapé est rouge. Il est toujours rouge et seule la lumière qui l'éclaire à partir de dizaines de minuscules projecteurs change, car Color Kinetics démontre les effets possibles avec ses lumières numériques. Chaque petite lampe contient des diodes électroluminescentes (DEL) rouges, vertes et bleues, qui s'allument selon différentes combinaisons sous contrôle informatique. Nous révolutionnons l'industrie de l'éclairage avec ce que nous considérons comme une technologie de rupture, s'enthousiasme le président de l'entreprise George Mueller, grand et coiffé de la barbiche standard Gen-X. C'est une nouvelle façon de créer de la lumière.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de septembre 2000

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Mueller et son co-fondateur, Ihor Lys, ont marié le logiciel informatique à une décennie d'avancées dans la technologie LED. Les LED sont devenues omniprésentes dans la vie quotidienne, rayonnant sur les faces des magnétoscopes, des radio-réveils et des fours à micro-ondes. Mais ces LED ont été de modestes voyants lumineux sur toutes sortes d'appareils électroniques. Autrefois limitées en luminosité et bloquées à l'extrémité rouge du spectre, les LED sont devenues plus puissantes au cours des douze dernières années. Et une percée au début des années 1990 a créé les LED bleues, rendant soudainement disponible tout l'arc-en-ciel et tenant la promesse des LED à lumière blanche, soit en mélangeant la sortie des LED colorées, soit par des techniques plus exotiques. Color Kinetics achète des LED auprès de fabricants d'appareils tels qu'Agilent et Cree et les incorpore dans des lampes qui émettent pratiquement n'importe quel mur blanc ou présentoir de magasin, du vert pâle au rose vif, à volonté.

Leurs appareils, destinés principalement aux marchés de la vente au détail et du divertissement, tirent parti de certaines des caractéristiques particulières des LED : petite taille, poids léger, faible consommation d'énergie, choix presque infini de couleurs. Mais les experts en éclairage disent que ce n'est que le début. Devant se trouvent des bâtiments entiers qui s'illuminent, des feux de circulation qui durent une décennie, des phares qui n'épuiseront pas la batterie de votre voiture si vous les laissez allumés et peut-être même des lampes bon marché et durables qui entraîneront l'extinction des ampoules à incandescence et fluorescentes.

Faire fonctionner la lumière

Thomas Edison est surtout reconnu pour avoir inventé l'ampoule électrique. Alors que ses autres inventions, telles que le phonographe, le polycopié et la machine à magnétophone, ont été remplacées au cours des dernières décennies par les technologies numériques, l'ampoule continue de briller. Aujourd'hui, après 12 décennies, les avancées technologiques menacent enfin de le détrôner. Anticipant la transition, les principaux fabricants d'éclairage nouent des alliances avec des fabricants de LED. L'année dernière, General Electric Lighting s'est associé au fabricant de puces Emcore pour former une division d'éclairage appelée GELCore, basée à Independence, Ohio. Philips Lighting et Agilent Technologies, une entreprise dérivée de Hewlett-Packard, ont créé LumiLeds à San Jose. Et Osram Sylvania s'est associé à l'activité semi-conducteurs de sa société mère, Siemens. Vous constatez une forte poussée des fabricants d'ampoules, qui, dans un certain sens, s'ingèrent dans leur propre entreprise, mais conscients que s'ils ne le font pas, quelqu'un d'autre le fera, déclare Makarand Chipalkatti, directeur marketing et technique pour LED. services d'éclairage chez Osram Sylvania à Danvers, Mass.

Cependant, tous les acteurs dans ce domaine ne sont pas de grandes entreprises. Les startups entrent également dans l'acte. Mueller et Lys de Color Kinetics se sont rencontrés à l'Université Carnegie Mellon, où Lys a obtenu un doctorat en génie électrique et Mueller s'est spécialisé en informatique et en génie électrique, avec une mineure en beaux-arts. Leur première entreprise dans le domaine de l'éclairage, en 1992, consistait à construire une enseigne de nouveauté comme celle que Mueller avait vue au Detroit Science Center. Une seule rangée verticale de LED affichait des tranches d'une image, une colonne à la fois. Le cerveau humain, répondant comme si l'œil du spectateur balayait une image ininterrompue, réassemblait l'image. Le premier signe que Mueller a fait dit AMOUR; il l'a donné à sa mère. Ensuite, pour les colocataires qui l'ont parié qu'il ne pourrait pas le faire, il a construit une pancarte indiquant BEER.

Nous avons rédigé un plan d'affaires autour de cela parce que je suivais des cours dans une école de commerce, se souvient Mueller. Il avait trois objectifs pour la société résultante, Stone Age Technologies. Les deux premiers étaient des désirs typiques des étudiants : gagner de l'argent pour la bière et obtenir quelques cadeaux (dans ce cas, des panneaux gratuits). Le troisième objectif était de faire la couverture du magazine In Pittsburgh, dit-il, en fouillant dans un panier de chips de créateurs pour trouver les oranges. Mon nouvel objectif est Rolling Stone.

Je vais me contenter du Wall Street Journal, met Lys, la moitié aux cheveux plus courts et moins cinétique de la paire. Le gourou technique, Lys est un ingénieur qui, comme ses homologues des startups informatiques, vient travailler vers midi et reste tard.

Bien que Lys et Mueller aient eu l'idée de l'éclairage numérique en 1993, ils l'ont mise de côté lorsque Mueller et son frère Gary sont partis fonder une société de recherche en économie, Internet Securities, Inc. Les frères ont vendu 80 % de la société basée à Boston. l'an dernier pour 43 millions de dollars. Mueller méprise l'industrie traditionnelle de l'éclairage en laiton, en verre et au gaz. C'est ennuyeux, déclare-t-il. Il n'y a aucune technologie impliquée.

Peut-être pas, mais il y a certainement de l'argent en jeu. Les États-Unis achètent pour 3,5 milliards de dollars d'ampoules à incandescence, de tubes fluorescents et de lampes halogènes chaque année ; à l'échelle mondiale, le marché est de 11,5 milliards de dollars. Jusqu'à présent, le marché des LED lumineuses à lumière visible est relativement modeste - environ 680 millions de dollars, selon la société de recherche Strategies Unlimited. Mais les progrès de la technologie LED déplacent ces appareils vers un nombre croissant d'applications, et le marché devrait atteindre 1,8 milliard de dollars en cinq ans.

La réponse blanche

Les premières LED ont été construites au début des années 1960. Les minuscules puces de matériau semi-conducteur, enfermées dans un époxy transparent, émettent une seule couleur de lumière lorsque l'électricité les traverse. Les électrons chargés négativement se déplacent pour remplir des régions chargées positivement dans le matériau, appelées trous, où les électrons manquent. La combinaison d'un électron et d'un trou produit un photon de lumière. Plus la différence d'énergie entre l'électron et le trou est grande - ce qu'on appelle la bande interdite - plus l'énergie du photon qui émerge est élevée. L'énergie du photon correspond à son tour à la couleur de la lumière ; dans le spectre visible, les photons bleus et violets transportent le plus d'énergie, les photons oranges et rouges le moins. Différents matériaux ont naturellement des bandes interdites différentes, donc pour changer le niveau d'énergie et donc la couleur des photons, les ingénieurs font pousser les semi-conducteurs cristallins à partir de différents alliages (voir l'article compagnon : They Come in Colors).

Les LED monochromatiques à haute luminosité font déjà des progrès sur le marché. Environ 10 pour cent des feux rouges aux États-Unis ont été remplacés par des LED. Elles sont plus chères que les ampoules classiques mais présentent d'autres avantages qui l'emportent sur le coût. L'un est l'efficacité : un feu de circulation à LED rouge utilise seulement 15 watts d'électricité au lieu des 150 watts consommés par les feux de stop traditionnels. Un autre est la longévité - les LED devraient arrêter le trafic sans s'éteindre pendant une décennie complète. La compacité, la faible consommation, les couleurs intenses et la faible chaleur des LED monochromes les font également apparaître comme feux arrière de voiture, feux d'avertissement d'avion sur les tours radio et feux de piste dans les aéroports. Mais l'esprit des chercheurs et les yeux de l'industrie de l'éclairage sont concentrés sur le blanc.

Et cela crée un défi : comment faire sortir la lumière blanche d'appareils qui sont, par nature, monochromatiques ? Une méthode consiste à mélanger des LED de différentes couleurs pour qu'elles apparaissent blanches. Tout comme un téléviseur produit toutes les couleurs qu'il affiche, y compris le blanc des phosphores rouges, verts et bleus brillants, la bonne combinaison de LED peut donner l'apparence du blanc. La méthode standard de mélange consiste à utiliser trois diodes rouges, vertes et bleues distinctes, mais la bonne combinaison de deux, par exemple, bleu et orange peut également produire du blanc.

La compression photonique

Quelles que soient les méthodes choisies pour produire de la lumière blanche, les LED impliquées doivent émettre plus de lumière et devenir plus économes en énergie si elles doivent remplacer les ampoules Edison. Les LED blanches produisent environ 10 lumens d'éclairage par watt d'électricité consommé, ce qui est comparable aux performances des ampoules à incandescence (un lumen est une mesure de la luminosité avec laquelle l'œil perçoit la lumière). Environ 10 % de l'électricité qu'ils consomment est transformée en lumière, ce qui est légèrement supérieur aux 7 à 8 % des ampoules à incandescence. Mais les LED sont encore trop chères pour défier votre GE Soft White moyen. En vente dans le magasin discount local, les ampoules à incandescence de 100 watts coûtent environ un dollar pour un paquet de quatre et fournissent 1 500 lumens d'éclairage chacune. Je ne peux pas fabriquer une LED qui vous donne 1 500 lumens pour 25 centimes, déclare Roland Haitz, responsable de la recherche et du développement du groupe de produits semi-conducteurs chez Agilent. Il prédit que dans quelques années, son groupe sera en mesure de fabriquer une LED de 1 500 lumens qui pourrait se vendre 150 $. Il doute que le propriétaire moyen se précipite pour acheter un tel produit.

Les LED fabriquées à partir d'AlInGaP sont assez efficaces pour transformer l'électricité en lumière. Environ 90 % des électrons qui pénètrent dans la diode génèrent des photons. Malheureusement, cet alliage semi-conducteur a également un indice de réfraction élevé (une mesure de combien un matériau courbe les rayons lumineux). Au lieu de briller à la vue de tous, la plupart des photons rebondissent donc à l'intérieur de la diode et se transforment en chaleur perdue ; seulement 30 pour cent d'entre eux émergent sous forme de lumière visible. GaN a un indice de réfraction plus faible, donc plus de lumière s'échappe des LED fabriquées à partir de ce matériau. Cependant, seulement 30 % de l'électricité injectée dans un appareil GaN est convertie en lumière, de sorte que le rendement final n'est toujours que d'environ 10 %. C'est très lumineux pour quelque chose comme un feu de circulation, mais pas pour un éclairage général.

Ce n'est pas un problème insurmontable, déclare George Crawford, directeur technique de LumiLeds. Les chercheurs ont expérimenté de nouvelles structures de diodes pour laisser s'échapper davantage de photons. Les LED conventionnelles sont constituées de cristaux en forme de cube. Mais en organisant différemment les couches du semi-conducteur et en coupant les plaquettes pour créer des côtés inclinés, LumiLeds a créé une pyramide inversée qui se traduit par un chemin optique plus court pour les photons à traverser. En laboratoire, LumiLeds a réussi à extraire la moitié des photons d'une LED pyramidale inversée en AlInGaP, et ils espèrent avoir de telles LED en production commerciale cette année. Cinquante pour cent est plausible, mais difficile, dit Crawford, mais ajoute : il est difficile pour moi d'envisager de faire beaucoup mieux que cela.

Obtenir la moitié des photons d'AlInGaP peut suffire à rivaliser avec les lumières fluorescentes, mais pas à lui seul. Les appareils faits de ce matériau ne fournissent que la lumière rouge et jaune. Les photons bleus complémentaires nécessaires à la production de lumière blanche doivent provenir du nitrure de gallium, et là la technologie est encore embryonnaire. Nous ne comprenons vraiment pas les principes fondamentaux de la construction d'un meilleur cristal en nitrure de gallium, déclare Steve Johnson, chef du groupe de recherche sur l'éclairage au Lawrence Berkeley National Laboratory.

Les chercheurs sont à la recherche d'un financement gouvernemental pour les aider dans leur quête. Arpad Bergh, président de l'Optoelectronics Industry Development Association, souhaite un effort majeur de R&D pour amener les LED au point où elles peuvent rivaliser avec les sources lumineuses traditionnelles. Son groupe travaille avec Johnson à Lawrence Berkeley pour développer un plan de recherche pour des LED à lumière blanche plus efficaces et a l'intention de demander au Congrès un programme de financement de 50 millions de dollars par an sur cinq ans qui commencerait dès 2002. Pendant ce temps, Haitz a a écrit un livre blanc avec Sandia National Laboratories appelant le gouvernement à investir 500 millions de dollars dans la recherche sur 10 ans. Une telle dépense est nécessaire, soutient Haitz, pour lever l'éclairage LED sur les obstacles qui entravent maintenant le progrès. Laissée à elle-même, affirme-t-il, l'industrie de l'éclairage ne fera progresser les LED que suffisamment pour prendre environ un dixième du marché de l'éclairage d'ici 2025. Mais avec l'aide du gouvernement, dit-il, les appareils pourraient d'ici là représenter la moitié du marché. Étant donné que l'éclairage représente environ 20 % de l'électricité consommée aux États-Unis, un passage à la technologie LED plus efficace pourrait permettre de réaliser d'importantes économies d'énergie.

Une lueur étrange

Mais si les LED doivent capturer une grande part du marché de l'éclairage, elles devront produire une lumière avec le bon ton. Comme le savent tous ceux qui ont déjà pris une photo d'intérieur avec un film d'extérieur, la lumière incandescente a une forte dominante jaune, et les concepteurs disent qu'elle a une sensation de chaleur. Les LED au phosphore blanc, en revanche, émettent une lueur bleuâtre distincte. Si vous essayez d'éclairer un objet rouge avec une LED blanche qui n'a que du bleu et du jaune dans le spectre, vous n'obtiendrez pas un très beau rouge, prévient Kathryn Conway du Lighting Research Center du Rensselaer Polytechnic Institute. . Cela peut être un problème avec la peau humaine, par exemple, qui ne semble pas naturelle sous une lumière qui ne se rapproche pas de la lumière du jour. Le célèbre concepteur d'éclairage new-yorkais Howard Brandston fait remarquer : Vous ne voulez pas que quelqu'un se réveille le matin et se regarde dans le miroir et dise : « Egads ! Je pourrais auditionner pour la famille Addams sans maquillage.

Mais la technologie continuera certainement à s'améliorer, car le gain est en grande partie parce qu'avec les LED, vous pourrez tourner un cadran pour obtenir un éclairage avec la bonne sensation pour la situation actuelle. Brett Andersen, designer senior chez Focus Lighting, une société de conception d'éclairage basée à New York, envisage un jour où les gens pourront régler la couleur et la luminosité de la lumière dans leur maison en fonction de leur humeur. Ce type de contrôle fera du gradateur à l'ancienne un outil primitif pour créer une ambiance. Au-delà de cela, les LED offrent de nouvelles possibilités qui soulèvent des questions plus fondamentales sur la façon dont les gens pensent à l'éclairage, explique Chipalkatti d'Osram Sylvania. À quoi ressembleraient les choses si le bâtiment lui-même était un luminaire ? il demande. Vous pouvez éclairer votre sol ou votre plafond.

Dans les bureaux de Color Kinetics, l'auteur de logiciels Mike Blackwell est assis sur le canapé caméléon et présente le programme qu'il a développé pour les concepteurs d'éclairage afin de créer des effets avec les lumières de l'entreprise. Il définit une rangée de lampes pour parcourir le spectre, en répétant le cycle toutes les 10 secondes. Puis il ajoute une impulsion blanche qui descend la rangée une fois par seconde. L'effet est saisissant, rappelant les spectacles de lumière psychédéliques des années 1960. Il suggère également des artefacts d'une autre époque : ces bulletins d'information publiés par ordinateur du milieu des années 80, regorgeant de polices contradictoires. Mais si les concepteurs d'éclairage ont raison, les utilisateurs plus avertis pourront créer des effets plus subtils ou repeindre leurs murs avec de la lumière. Et peut-être que l'ampoule à incandescence rejoindra une norme d'éclairage antérieure, la bougie, comme accent pittoresque pour les occasions spéciales, tandis que nos jours et nos nuits sont éclairés à la lueur de minuscules puces.

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