Matériaux hybrides luminescents pour l`éclairage à LEDs PhD

UMR7647
Dr Gaël ZUCCHI
Ecole polytechnique
Laboratory of Physics of Interfaces and Thin layers
UMR CNRS 7647
91128 Palaiseau
FRANCE
Projet de thèse : Matériaux hybrides luminescents pour l’éclairage à LEDs
PhD proposal : Luminescent hybrid materials for LED lighting
Présentation détaillée/Detailed description :
Ce sujet de thèse porte sur la synthèse de nouveaux matériaux luminescents destinés à être
utilisés comme phosphores pour l’éclairage à LEDs. Ce type d’éclairage est pressenti pour
devenir prépondérant d’ici 2020 car il représente une alternative écologique aux autres
systèmes utilisés aujourd’hui. Les LEDs présentent notamment des avantages déterminants
par rapport aux lampes fluocompactes (dites « basse consommation »), comme des durées de
vie environ dix fois supérieures, des tensions de fonctionnement très basses (quelques volts),
elles n’utilisent pas de mercure, n’émettent pas de radiations ultra-violettes importantes et
sont recyclables. Elles sont de plus résistantes aux chocs.
Contrairement aux phosphores utilisés aujourd’hui, les matériaux étudiés présenteront
l’avantage et la particularité de pouvoir être déposés par des techniques bon marché, réduisant
le coût de fabrication des dispositifs.
Grâce à leur structure et leur composition, les matériaux élaborés présenteront des couleurs
d’émission spécifiques et contrôlées qui permettront de couvrir toute la gamme du spectre
visible. Des systèmes d’éclairage émettant le panel des couleurs du visible pourront ainsi être
obtenus, en particulier, l’obtention de lumière blanche est un objectif majeur.
The project deals with the synthesis of new luminescent materials that will be used as
phophors for LED lighting which is expected to take over the market of lighting in a close
future. It represents a green alternative to other lighting systems used nowadays. In
particular, LEDs have some advantages over fluorescent lamps such as lifetimes ten times
higher, operating voltages of a few volts, they are mercury-free, they do not emit strong UV
radiations, and they are almost fully recyclable. In addition, they are shock resistant.
Unlike the phosphors actually used, the materials that will be investigated can be deposited
from cheap techniques, which lowers the manufacturing cost of the devices.
Thanks to their structure and chemical composition, the materials will emit a specific and
controlled light in order to design devices with colors that span the whole visible spectrum. In
particular, white light is a major goal of the project.
Thématique/Thematics : Matériaux luminescents/Luminescent materials
Domaine/Area of research : Chimie des Matériaux/Chemistry of Materials
Objectif/Goal :
Ce travail vise à élaborer des matériaux hybrides organiques-inorganiques dont la
photoluminescence est contrôlée. Un intérêt particulier sera porté dans un premier temps sur
l’émission dans le rouge. En effet, les LEDs blanches commercialisées actuellement sont
constituées d’un dispositif émettant dans le bleu recouvert par un phosphore jaune. La
combinaison des deux couleurs permet d’obtenir du blanc. Cependant, cette couleur blanche
n’est pas de bonne qualité par manque de composante rouge. Il en résulte une mauvaise
appréciation des couleurs des objets éclairés par ces sources lumineuses (on parle de faible
indice de rendu des couleurs). Des matériaux sol-gels comportant l’ion europium comme
émetteur rouge ont été récemment isolés au PICM et utilisés comme phosphores pour des
LEDs (Figure).
Figure. LED recouverte par un matériau hybride contenant de l’europium.
Dans le but d’obtenir des phosphores blancs, les émissions bleue et verte seront obtenues par
des polymères conjugués, aussi développées récemment au laboratoire.
Après avoir effectué la caractérisation chimique et physico-chimique des matériaux, des
études seront entreprises quant à leur utilisation comme luminophores pour des LEDs. En
particulier, les performances des dispositifs et leur stabilité dans le temps, deux points
cruciaux pour leur viabilité pour une telle utilisation, seront déterminées. Par souci
économique, ces matériaux pourront être déposés par des techniques industrialisables et bon
marché. En plus de la synthèse des matériaux, le travail réunira donc un ensemble d’études
portant sur la durabilité des dispositifs et les performances des matériaux qui permettront de
conduire à une meilleure compréhension de leur comportement sous éclairement. Elles auront
aussi pour but l’identification des facteurs limitants, ce qui devra permettre d’apporter les
modifications nécessaires pour l’élaboration de matériaux aux performances accrues.
This work aims at designing organic-inorganic hybrid materials with a controlled
luminescence. A particular attention will firstly be paid to red emission. Indeed, commercial
white LEDs are made up of a blue emitting device covered with a yellow phosphor.
Combining these two colors yields white light. However, this light is not of good quality as it
lacks some red component. This results in a bad rendering of the colors of objects illuminated
by these sources of light. Sol-gel materials comprising the europium ion as the red emitter
have recently been isolated at LPICM and investigated as phopshors for LED (Figure).
In order to get white phopshors, blue and green emissions will be obtained with conjugated
polymers which are also developped in the laboratory.
Once the chemical and physico-chemical characterizations have been performed, materials
will be investigated as luminophores. The performance and stability of the devices in the
operating mode, which is a crucial point for the viability of such application, will be
investigated. In order to reduce the overall manufacturing cost, the materials will be coated
with cheap deposition techniques. Not only the synthesis of the materials will be perfomed,
but investigations on the performance of the devices will be performed, which should lead to a
better understanding of materials behaviour under illumination. These studies will also lead
to identify the limiting factors that could hamper the use of the materials, and solutions will
be proposed to improve the materials performance.
Méthode :
De par sa nature, ce projet apportera une formation pluridisciplinaire au candidat en synthèse
et caractérisation des matériaux. Les aspects technologiques seront abordés avec la mise en
forme des matériaux et l’étude des performances des dispositifs. Le laboratoire possède deux
plateformes dédiées à la synthèse chimique et à l’élaboration/caractérisation des dispositifs
qui permettront de réaliser l’ensemble des études. Les différentes étapes seront ainsi abordées
pour le développement d’un projet de recherche couvrant des domaines d’études de la
molécule au dispositif.
Résultats attendus:
Ce travail débouchera sur le design de matériaux innovants qui seront utilisés comme
luminophores pour l’éclairage à LEDs. Il permettra d’une part d’obtenir des matériaux
émettant dans le visible, et, d’autre part, il conduira à l’amélioration de leurs propriétés
(émission, stabilité). Le fort caractère applicatif de ce projet permettra d’avoir une vision
réelle concernant la problématique de la mise sur le marché de matériaux nouvellement
conçus.
Contexte :
Toutes les études montrent que l'éclairage à LED va devenir prépondérant dans un futur très
proche. Le domaine est par conséquent très demandeur de nouveaux matériaux aux
performances nécessaires à une telle utilisation et permettant d'abaisser les coûts de
production. Dans ce contexte, la recherche de matériaux luminescents est une activité
récemment entreprise au laboratoire. Elle a débuté dans le cadre d'une thèse qui a été soutenue
en 2015. Ce travail a montré l'intérêt des matériaux proposés pour cette application. Le
laboratoire PICM possède toutes les infrastructures nécessaires à la bonne réalisation d'un tel
projet, avec notamment un laboratoire de synthèse nouvellement conçu et un laboratoire
permettant la construction et la caractérisation des dispositifs.
LED lighting is viewed as the next generation of lighting. Some devices are already on the
market. New materials with good performance and that can lead to a significant decrease of
the manufacturing cost are in high demand. In this context, research on luminescent materials
for LED lighting has recently begun in the laboratory as a new activity. A PhD has already
been defended in 2015. The work has shown that the materials we are investigating are worth
to be developped for such applications. The LPICM laboratory has all infrastructures needed
for developping the project, in particular a brand new chemistry lab and a lab dedicated to
building and characterizing devices.
Contact :
Dr Gaël ZUCCHI
[email protected]