Poudres luminescentes d’aluminoborate métalliques sans terres rares pour l’éclairage à base de LED – LUMINOPHOR-LED

L’éclairage à base de diodes électroluminescentes (LEDs «blanches ») est devenu un enjeu majeur afin d’élaborer des dispositifs bas coût, produisant une lumière confortable pour l’œil en évitant de fortes composantes bleus nocives pour la vue et la santé. De plus, ces sources d’éclairage présentent des gains d'énergie potentiels de 50% par rapport aux dispositifs classiques avec de très longues durées de vie. Actuellement, la conversion en éclairage blanc des émissions bleu ou proche UV provenant de LEDs se fait par le biais de luminophores à base de terres rares. On cherche actuellement à réduire l’utilisation de ces terres rares suite à l’envolée de leur prix qui résulte du quasi-monopole que détient la Chine sur ces éléments stratégiques dans le domaine des matériaux pour l’énergie : aimants permanents, magnétocaloriques, photonique,... etc. A l’Institut Néel, nous développons un nouveau type de luminophores à base de poudres vitreuses d’aluminoborate métalliques. Le caractère innovant de ces poudres est de produire une large bande d’émission de luminescence dans tout le spectre visible, à partir de centres colorés (défauts structuraux) dans la matrice amorphe très stable. Il suffit donc d’un seul luminophore pour générer un éclairage blanc à partir de l’émission initiale d’une LED émettant dans le proche UV (370-390 nm). De plus, ces matériaux sont constitués d’éléments non toxiques et abondants, sans terre rare, et donc moins couteux.
L'objectif de ce projet sera d'optimiser les compositions chimiques et les procédures de synthèse et de traitements thermiques des poudres micrométriques afin d’optimiser leurs propriétés de photoluminescence (PL). Pour cela, il faudra augmenter l’absorption de la lumière excitatrice par dopages d’ions métalliques pour augmenter le rendement PL global. Ceci sera facilité par la très grande versatilité de la chimie douce mise en jeu : méthodes des précurseurs polymériques et sol-gel. De plus, la nature vitreuse des poudres permettra d’ajuster de manière continue leurs compositions chimiques. La chimie douce sera aussi combinée à plusieurs méthodes de mise en forme des poudres : broyage à boule, séchages supercritiques en autoclave et technique de spray-pyrolyse. Ceci permettra de réduire la taille des grains (1-3 µm) afin de faciliter leur dispersion dans des matrices silicones classiques et devrait éviter des problèmes de réabsorption de PL. Les poudres seront également mises sous forme de fines pastilles par frittage autour de leur température de transition vitreuse. Cette mise en forme totalement novatrice permettra de supprimer le liant de type silicone qui limite actuellement la durée de vie des dispositifs, surtout pour les applications à hautes puissances.
La complémentarité des études spectroscopiques (RPE, RMN, FTIR, PL) aux méthodes d’analyses structurales (Diffraction RX, Pair Distribution Functions (PDF), RMN, analyses thermiques, DSC, ATD-ATG-Spectrométrie de Masse) devra permettre la détermination de la nature chimique et de l’environnement structural des centres d'émission. Ceci permettra en retour de modifier les précurseurs de synthèses et traitements thermiques associés et d’optimiser ainsi la concentration des centres colorés (culture des centres d’émission), tout en évitant les impuretés inhibitrices de PL. L’optimisation de l’efficacité de ces nouveaux luminophores sera suivie par une caractérisation complète de leur performances (rendements PL, durées de vies, coordonnées colorimétriques, thermoluminescence, cathodoluminescence). Toutes ces études devront permettre de proposer les mécanismes de PL mis en jeu. Enfin, la conception et le développement d'un prototype d’éclairage tout solide sera entrepris afin de tester les potentialités réelles d'application de ces luminophores sans terres rares (efficacité globale en lm/W, photostabilité, coordonnées colorimétriques…).