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1 CHALLENGING BOUNDARIES
Luminophores à base de terres rares pour l’éclairage et l’affichage
Patrick MAESTRODirecteur Scientifique, RHODIA
Collège de France14 Mars 2005
2 CHALLENGING BOUNDARIES
Table des Matières
• Introduction
• Technologies de l’éclairage
• Lampes trichromatiques• Lampes planes à décharge Xénon• LED
• Technologies de l'affichage
• Plasma• LCD
• Conclusions
3 CHALLENGING BOUNDARIES
TERRES RARES : ELEMENTS CLES POUR LUMINOPHORES
4 CHALLENGING BOUNDARIES
Applications électroniquesApplications électroniques
SéparationSéparationpurificationpurification
Elaboration etdéveloppementde spécialités
MatériauxMatériaux
Catalyse et dépollutionCatalyse et dépollution
Minerai
Du minerai aux spécialités…
Concentrésbruts
5 CHALLENGING BOUNDARIES
LUMINOPHORES
UV excitation
ON
OFF
5
ON
OFF
ON
OFF
6 CHALLENGING BOUNDARIES
Application Excitation Bleu Vert Rouge
CRT (Electronique) <10kV ZnS:Ag+ ZnS:Cu+,Al3+
ZnS:Au+,Cu+,Al3+Y2O2S:Eu3+
FED(Electronique)
Basse Tension ZnS:Cu+,Al3+ SrGa2S4:Eu2+ Y2O3:Eu3+
PDP (Photonique) 147/172nm BaMgAl10O17:Eu2+Zn2SiO4:Mn2+
(Y,Gd)BO3:Tb3+(Y,Gd)BO3:Eu3+
Trichromatique Hg
(Photonique)254nm (LPVM)
(Sr,Ca)10(PO4)6(Cl,F)2:Sb3+,Mn2+
BaMgAl10O17:Eu2+
(Ba,Sr)MgAl10O17:Eu2+,Mn2+
LaPO4:Ce3+,Tb3+
(Ce,Tb)MgAl11019
GdMgB5O10:Ce3+,Tb3
Y2O3:Eu3+
365nm (HPVM) /
Mg28Ge 7,5O38F10:Mn4+
Y(P,V)O4:Eu3+
(Sr,Mg)3(PO4)2:Sn2+
Hg-Free (Photonique) 172 nm BaMgAl10O17:Eu2+ LaPO4:Tb3+ (Y,Gd)BO3:Eu3+
LED(Photonique) 440/460nm
(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+ / (Ba,Sr,Ca)Si2O4:Eu2+
/ SrGa2S4:Eu2+ SrS:Eu2+
Sr2Si5N8:Eu2+
370/420nm BaMgAl10O17:Eu2+ SrGa2S4:Eu2+ BMS:Eu2+,Mn2+ ?
Luminophores pour la visualisation et l’éclairage classique
7 CHALLENGING BOUNDARIES
Application Excitation Bleu Vert Rouge
Lampe à bronzer ou pour photothérapie
254nm
SrAl12019:Ce3+,Mg2+ (300nm) : érythèmeBa2SiO5:Pb2+ (350nm) : long duréeSrB4O7:Eu2+ (380nm) : pigmentationGdBO3:Pr3+ (312nm) (La,Gd)B3O6:Pr3+ (312nm) : psoriasisSr2P2O7:Eu2+ (420nm) : traitement du sang
EcranIntensificateur RXImagerie Médicale
RXCaWO4 Gd2O2S:Tb3+ LaOBr:Tm3+ + YTaO4:Nb : Radiographie classiqueBaFCl:Eu2+ : Photostimulable Storage screenCsI:Tl CdWO4 (Y,Gd)2O3:Eu,Pr Gd2O2S:Pr,Ce Gd3Ga5O12:Cr,Ce : Tomography
Scintillateur Comptage et Imagerie
Haute énergie Bi4Ge3O12 NaI:Tl+ (Lu/Gd)2SiO5:Ce3+ YAlO3:Ce3+ BaF2:Ce3+ (Cd/Zn)WO4
Ecran CRT projection > 20kV ZnS:Ag+
ZnS:Cu+
Y3(Al,Ga)5O12:Tb3+
Y2SiO5:Tb3+
Gd2O2S:Tb3+
LaOBr:Tb3+
Y2O3:Eu3+
Phosphorescence UV-VisibleZnS:Cu+
CaAl204:Eu2+,Nd3+ SrAl204:Eu2+,Dy3+ Y2O2S:Eu3+,Mg,Ti
Luminophores pour autres applications
8 CHALLENGING BOUNDARIES
Technologies de l'éclairage
solid state LED
9 CHALLENGING BOUNDARIES
Critères de choix d’un dispositif d’ éclairage
• Il existe des systèmes d’éclairage variés en fonction des besoins et des applications; les principaux critères de sélection sont les suivants:
• Coût
• Efficacité en lm/W
• Longévité
• Rendu des couleurs
• Température de couleur
• Directionnalité de l’éclairage
• Dispositif d’alimentation électrique
10 CHALLENGING BOUNDARIES
PERFORMANCE DES TECHNOLOGIES D'ECLAIRAGE
0
20
40
60
80
100
120
140
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
YEAR
Luminous Efficiency (lm/W)
White LED
High Pressure Sodium
Metal Halide
Mercury Vapor
Tungsten Halogen
Conventional Incandescent
Shaped Reflectors
HalophosphateFluorescent
RE FluorescentFluorescent
Electrical Discharge
Incandescent
Coût énergétique$/M lm hr
1.7
1.1
1.5
5.7
8.0
11 CHALLENGING BOUNDARIES
LAMPE TRICHROMATIQUE
LuminophoresRouge, Vert et Bleu
Electrode
Verre
RevêtementAl2O3
Mercury line emission:
12% 185 nm
85% 254 nm
3% rest (UV+visible)
12 CHALLENGING BOUNDARIES
LUMINOPHORES POUR LAMPES TRICHROMATIQUES Year Phosphor
1960 Ca5(PO4)3Cl:Sb3+,Mn2+ (white)
1974 BaMg2Al16O27:Eu2+ CeMgAl10O19:Tb3+ Y2O3:Eu3+
1990 BaMgAl10O17:Eu2+ (B)
(Sr,Ca)5(PO4)3Cl:Eu2+
(La,Ce)PO4:Tb3+
CeMgAl10O19:Tb3+
(Gd,Ce)MgB5O10:Tb3+
Y2O3:Eu3+
2005 BaMgAl10O17:Eu2+ (B) (La,Ce)PO4:Tb3+ Y2O3:Eu3+
Revêtement réflecteur en Alumine
La couleur d'émission est fonction de la quantité de chaque luminophore et varie
selon les habitudes des pays
Luminophores aux terres rares
2700K : pas besoin de bleu
6500K : le bleu est nécessaire
13 CHALLENGING BOUNDARIES
ÂMELIORATION DES LUMINOPHORES POUR LAMPES ÂMELIORATION DES LUMINOPHORES POUR LAMPES TRICHROMATIQUESTRICHROMATIQUES
La recherche sur le marché des lampes trichromatiques est guidée par l'augmentation de la performance et la diminution du coût :
• Des luminophores avec une efficacité améliorée pour augmenter la brillance intrinsèque
• Un meilleur contrôle du revêtement via la morphologie et la distribution des tailles de particules
• Un plus petit diamètre des tubes, avec une puissance plus importante, induisant des problèmes potentiels de stabilité et d'interaction avec la vapeur de mercure
14 CHALLENGING BOUNDARIES
• Pour la technologie des lampes trichromatiques à vapeur de mercure, les luminophores actuels sont optimisés et il n’y a pas de besoin de « nouvelles molécules »
• L’évolution vers de nouvelles lampes est conditionné à un nouveau système de décharge, si possible dans la zone 350 nm- 400 nm, sans mercure, mais qui reste à mettre au point
• Dans ce cas, de nouveaux besoins en luminophores devraient apparaître
ÂMELIORATION DES LUMINOPHORES POUR LAMPES ÂMELIORATION DES LUMINOPHORES POUR LAMPES TRICHROMATIQUESTRICHROMATIQUES
15 CHALLENGING BOUNDARIES
Phosphor
Dielectric barrier
Reflector
Anode
Cathode
Bottom glass
Frame
Top glass
Spacer
PLANON : LAMPE PLANE SANS MERCURE
PLANON® generates light using pulsed dielectric barrier discharge.
A suitable voltage is applied to the electrode system of the lamp
from the outside. It excites xenon atoms in the gas chamber and
enables the formation of excited Xe2* molecules, mainly at 173 nm
UV-radiation is transformed into visible light by phosphors
UV Radiation
Top glass
+++ h·
Xenon gas
Glass
Light
+
Anode
Phosphor
Barrier layer
Cathode
e-
Xe XeXe*2
Xe e-Xe + Xe*2
16 CHALLENGING BOUNDARIES
LUMINOPHORES
Bleu : BaMgAl10O17:Eu2+
Vert : LaPO4:Tb3+ / (Y,Gd)BO3:Tb3+
Rouge : (Y,Gd)BO3:Eu3+
AVANTAGES
Respectueux de l'environnement (Sans mercure)
Système plat
Eclairage arrière pour applications industrielles (transports publics p. e. )
Longue durée de vie, jusqu'à 100,000 h
Puissance du circuit inférieure à 35 W pour une lampe de 15” de diagonale
PROBLEMES
Faible luminance (20 lm/W max)
Coût
Limitation en taille
PLANON : LAMPE PLANE SANS MERCURE
17 CHALLENGING BOUNDARIES
DIODES (LED): le futur de l'éclairage ?
19951970Hg
Lampe fluorescenteLampe à incandescence
Diodes (LED)
* Pertes thermiques•100W génèrent seulement 18W de lumière
•Elimination des pertes thermiques•* 55% de l'énergie sont perduslors de la conversion de l'UV en photons visibles
Energy saving
* 35% de l'énergie sont Perdus lors de la conversion de l'excitation UV en photons visibles
Adantages des LEDs : puissance électrique, brillance, pureté de couleur, taille, durée de vie, sans mercure
18 CHALLENGING BOUNDARIES
Structure d'une LED blanche
19 CHALLENGING BOUNDARIES
20 CHALLENGING BOUNDARIES
Performance des LEDS
21 CHALLENGING BOUNDARIES
WLEDs will enter the general lighting in 2006-2007 WLEDs will enter the general lighting in 2006-2007
Mark
etM
arket
lighting in water and edifice mansionlighting in water and edifice mansionspecial lightingspecial lighting
General lightingstreet lighting and outdoor lighting
General lightingstreet lighting and outdoor lighting
General lighting
Office lighting and indoor lighting
General lighting
Office lighting and indoor lighting2006; 70 lm/W
40 yen/piece2006; 70 lm/W
40 yen/piece
2002; 20 lm/W
100 yen/piece
2002; 20 lm/W
100 yen/piece
lm/yenlm/yen
22 CHALLENGING BOUNDARIES
Applications actuelles des LED
23 CHALLENGING BOUNDARIES
Applications émergentes des WLED
24 CHALLENGING BOUNDARIES
Future applications of WLED: Automotive headlights
25 CHALLENGING BOUNDARIES
Lumière blanche via LED: options possibles
26 CHALLENGING BOUNDARIES
Table des Matières
• Introduction
• Marché et technologie d’éclairage
• Lampes trichromatiques• Lampes planes à décharge Xénon• LED
• Marché et technologie des Displays
• Plasma• LCD• FED
• Conclusion
27 CHALLENGING BOUNDARIES
STRUCTURE D'UN ECRAN PLASMA
Back panel
Front panel
Electrods
Electrods
Black matrix
Rib
Diélectric layer
One Pixel
Window
Phosphors
x1 x2 x3 x4 x5
y1
y2
Dielectric layer
Electrod x Phosphors
Phosphor emission
Gaz (Ne-Xe)
1) Electric discharge
2) Plasma formation
3) Phosphor excitation
Back panel
Front panel
Electrod y
28 CHALLENGING BOUNDARIES
PLASMA DISPLAY PANEL GAS EXCITATION SPECTRUM PLASMA DISPLAY PANEL GAS EXCITATION SPECTRUM (Ne/Xe)(Ne/Xe)
147 nm173 nm
29 CHALLENGING BOUNDARIES
SPECIFICATION DES LUMINOPHORES POUR PLASMASPECIFICATION DES LUMINOPHORES POUR PLASMA
Couleur d'émission (x,y)Rouge(610 nm) Vert (520 nm) Bleu (450 nm)
Efficacitéla plus élevée possible !
Temps de déclinpour résolution élevée (TV) < 5 ms
Stabilité sous excitationdurée de vie en application > 30000 heures
Taille et forme des particulesà optimiser selon procédé de dépôt
30 CHALLENGING BOUNDARIES
LUMINOPHORES POUR PDPLUMINOPHORES POUR PDP
• RougeRouge : Y2O3 : Eu3+ ; YGdBO3 : Eu3+ ; YPVO4 : Eu3+
• VertVert : Zn2SiO4 : Mn ; BaAl12O19 : Mn ; YGdBO3 : Tb
• BleuBleu : BaMgAl10O17 : Eu2+ ; BaMgAl14O23 : Eu2+
Mais des nouveaux composés ont récemment été proposés:
• BleuBleu : CaMgSi2O6 : Eu2+ ; Sr3Al10SiO20 : Eu2+
• RougeRouge: Y,Gd(P,V)O4 : Eu3+
Technologie dynamique, toujours à la recherche de nouveaux luminophores améliorés
31 CHALLENGING BOUNDARIES
Back l i ght source
Gl ass Substrate
R G B Col or Fi l ter
I TO
Gl ass Substrate
Pi xel -TFT
Spacer
B. M.
Pol ar i zer
Pol ar i zer
A. F
A. F
LC
ONOFF OFF OFFOFFON
Ref l ect i ng Mi r r or
Fl uor esce TubeBack Li ght
Di f f us i on Layer
Structure d'un écran LCD
32 CHALLENGING BOUNDARIES
Eclairage arrière pour LCD
Différentes technologies sont en compétition pour cette fonction:• Aujourd’hui lampes trichromatiques
• LED blanches pour petits formats, à l’étude pour les tailles plus grandes
• Lampes planes en développement
Les spécifications requises sont exigeantes:• Brillance au centre > 10,000cd/m2 avec uniformité > 75%
• Température de couleur de 10,000°K
• Durée de vie > 50,000 heures
• Faible consommation
• Epaisseur réduite > 25 mm
Ces nouveaux modules d’éclairage performants sont possible grâce à la combinaison de dispositifs spéciaux et de luminophores particuliers
33 CHALLENGING BOUNDARIES
Comparaison des dispositifs de backlighting pour LCD
34 CHALLENGING BOUNDARIES
Conclusion
Les deux marchés qui drivent les besoins en luminophores de grand volume sont l’éclairage et les dispositifs d’affichage
• En éclairage, les LED peuvent constituer une solution d’avenir, utilisent des quantités très faibles de luminophores, et une nouvelle technologie d’éclairage peut émerger (lampe plate)
• Pour les displays, on peut assister à des ruptures:• Les OLED, surtout et d’abord en petite taille ,
• Les dispositifs à projection en grande taille
qui peuvent modifier les besoins du futur en luminophores