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L'ascension sans fin des ampoules à LED

Dossier - L'ampoule, l'invention lumineuse qui a changé la face du monde
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Il n'y a aucun doute, l'ampoule est une des inventions qui ont bouleversé l'humanité. Retour sur une histoire technologique formidable qui, depuis une vingtaine d'années, connaît une irrésistible accélération.

  
DossiersL'ampoule, l'invention lumineuse qui a changé la face du monde
 

Avec l'arrivée des ampoules fluocompactes, la course à l'efficience était lancée. Face à des gouvernements et des consommateurs désireux de faire des économies d'énergie, les fabricants ont décidé de travailler sur des ampoules toujours plus efficientes. La dernière évolution dans le domaine et aussi l'une des plus significatives : les LED.

Costume en LED réalisé par Beo Beyond. © Beo Beyond, CC by 3.0

La LED (Light Emitting Diode ou diode électroluminescente) est l'une des technologies d'éclairage ayant connu le développement le plus rapide de l'histoire. À tel point que les modèles se succèdent à toute vitesse sur le marché. C'est le cas par exemple des ampoules à LED de 7,5 watts qui, quelques mois après leur lancement, ont été remplacées par une nouvelle version de 7 watts plus économique. Modèle qui sera bientôt lui aussi remplacé par des LED de 6,8 watts. Ces avancées sont assurément bénéfiques mais constituent un vrai casse-tête pour les consommateurs et revendeurs. C'est comme si Apple sortait un nouvel iPhone tous les deux mois !

Les diodes électroluminescentes ou LED. © Piccolo Namek, CC by-nc 3.0

Considérée comme une technologie d'éclairage très efficiente, la LED utilise des semi-conducteurs qui convertissent l'électricité en lumière. Elles sont souvent très petites (moins d'un millimètre carré) et émettent de la lumière dans une direction spécifique, réduisant le besoin de réflecteurs et diffuseurs généralement utilisés pour diriger la lumière artificielle.

L'explosion de leur popularité (au moins au sein des gouvernements, des « early adopters » et des fabricants si ce n'est auprès du grand public) est due à l'importante économie d'énergie offerte. À une époque où les États sont tenus par des quotas régissant la consommation d'énergie, les ampoules à LED représentent une excellente solution. Du côté du consommateur, les prix de la consommation d'énergie continuent à augmenter au détriment de son pouvoir d'achat.

Costume en LED réalisé par Beo Beyond. © Beo Beyond, CC by-nc 3.0

Pour juger de l'efficience d'une ampoule, il suffit de comparer la quantité d'énergie qu'elle consomme avec la quantité de lumière qu'elle produit. Il faut pour cela diviser la quantité de lumière émise par une ampoule (on parle de lumens) par la puissance qu'elle nécessite pour produire cette lumière (on parle de watts). On obtient alors un chiffre en lumens (lm) par watt (W) ou lm/W. Dans le cas d'une ampoule dite 100 % efficiente dans la conversion de l'énergie qu'elle consomme en lumière, on obtiendrait un niveau d'efficience de 683 lm/W. Faisons à présent le tour des principales technologies existantes en nous focalisant sur leur niveau d'efficience. Pour la plus vieille technologie d'éclairage existante, à savoir l'ampoule incandescente, si nous prenons un modèle de 60 W on obtient une efficience de 15 lm/W, en prenant son équivalente en ampoule fluocompacte nous obtenons une efficience de 73 lm/W. Les ampoules à LED, quant à elles, excellent puisqu'elles ont un niveau d'efficience situé entre 70 et 120 lm/W. Les modèles les plus courants ont une efficicence moyenne de 85 lm/W.

La diode électroluminescente de couleur

En 1962, pendant qu'il travaillait pour General Electric en tant que consultant scientifique, Nick Holonyak inventa la première diode électroluminescente à spectre visible et ce, sous la forme d'une diode rouge. Des diodes vertes et jaunes ont ensuite été inventées. Les fabricants apportèrent de nombreuses améliorations aux diodes de couleur tout en optimisant leur processus de fabrication. Dans les années 1970, ces diodes commencèrent ensuite à être utilisées en tant qu'indicateur de lumière ou encore comme écran d'affichage de calculatrice. Malgré cela, les diodes électroluminescentes de couleur n'avaient que peu de domaines d'application.

La diode bleue inventée par les professeurs Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura. © Jeff Wilcox, CC by-nc 2.0

La plus grande percée dans le domaine des LED a eu lieu dans les années 1990 lorsqu'un trio de chercheurs japonais inventa la diode bleue. Les professeurs Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura ont réussi à inventer ce que plusieurs grandes entreprises ont cherché à développer pendant de nombreuses années en y investissant d'importants moyens humains et financiers. Ce trio de chercheurs a d'ailleurs été primé pour sa découverte en recevant le prix Nobel de physique le 7 octobre 2014.

La découverte s'est faite en deux étapes : la première consistait en l'expérimentation de différents matériaux pour la fabrication des semi-conducteurs utilisés dans les diodes électroluminescentes. Les professeurs Isamu Akasaki et Hiroshi Amano ont découvert que des cristaux de nitrure de gallium permettaient de produire de la lumière bleue, le tout était placé dans une structure à base de saphir. Le professeur Shuji Nakamura a, quant à lui, fourni la partie manquante du travail quatre années plus tard avec la méthode permettant de ramener les cristaux à une taille convenable pour une utilisation commerciale. Il fit cette découverte grâce à une astucieuse manipulation de la température.

De gauche à droite, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura, les lauréats du prix Nobel de physique 2014. © Nagoya University, University of California Santa Barbara

L'apport de leur travail au domaine de l'éclairage est inestimable. Sans les LED bleues, les trois couleurs primaires ne pourraient pas se mélanger pour produire la lumière blanche que nous voyons à présent sur les écrans d'ordinateur ou de téléviseur. De plus, la très puissante lumière bleue pourrait être utilisée en combinaison avec du phosphore afin de produire une lumière blanche plus proche de la lumière naturelle, il s'agit là des bases de recherche de la prochaine génération d'ampoules.

La LED dans le métro

Depuis 2008, le prix des ampoules à LED a baissé de 85 %. En outre, aujourd'hui les ampoules à LED sont six à sept fois plus efficientes que les ampoules incandescentes conventionnelles. En comparaison avec ces dernières, les ampoules à diodes électroluminescentes permettent de réduire la consommation d'énergie de plus de 80 % avec une durée de vie 25 fois plus longue. Ces avancées ont permis une rapide expansion des ampoules à LED au cours des dernières années à la fois dans des domaines d'application commerciale et domestique. En France, par exemple, la RATP est en train de revoir l'éclairage du métro parisien en remplaçant l'ensemble de ses ampoules par des LED. La ville de Paris aura bientôt le premier métro au monde entièrement éclairé par LED.