EP4639640A1 - Procédé de conversion lumineuse et dispositif émetteur de lumière - Google Patents

Procédé de conversion lumineuse et dispositif émetteur de lumière

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Publication number
EP4639640A1
EP4639640A1 EP23828175.2A EP23828175A EP4639640A1 EP 4639640 A1 EP4639640 A1 EP 4639640A1 EP 23828175 A EP23828175 A EP 23828175A EP 4639640 A1 EP4639640 A1 EP 4639640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
carbon
light source
content
matrix
Prior art date
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Pending
Application number
EP23828175.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jérémy CAUSSE
Chandra Mohan SINGARAVELU
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Nationale Superieure de Chimie de Montpellier ENSCM
Universite de Montpellier
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Ecole Nationale Superieure de Chimie de Montpellier ENSCM
Universite de Montpellier
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Ecole Nationale Superieure de Chimie de Montpellier ENSCM, Universite de Montpellier, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP4639640A1 publication Critical patent/EP4639640A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/851—Wavelength conversion means
    • H10H20/8511—Wavelength conversion means characterised by their material, e.g. binder
    • H10H20/8512—Wavelength conversion materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/01—Manufacture or treatment
    • H10H20/036—Manufacture or treatment of packages
    • H10H20/0361—Manufacture or treatment of packages of wavelength conversion means

Definitions

  • Luminophoric materials capable of converting blue light have been widely used since the advent of LEDs for lighting applications or imaging systems (screens). These materials generally use crystalline inorganic compounds, such as Yttrium Aluminum Garnets (YAGs) or Lutetium Aluminum Garnets (LuAGs). These phosphors can be doped with Neodymium, Chromium, Ytterbium, Erbium, Cerium, Praseodymium or Gadolinium to modify their emission spectra and thus cover the entire range of visible light.
  • YAGs Yttrium Aluminum Garnets
  • LuAGs Lutetium Aluminum Garnets
  • US 2022/231202 discloses a light conversion process in which a phosphor material comprising quantum carbon dots with a graphitic core which are insoluble in water and in poorly polar solvents is subjected to wave light produced by LEDs.
  • the invention responds to this need by proposing a light conversion method in which a phosphor material comprising points is subjected to light of a wavelength between 300nm and 580nm, produced by a light source converting electrical energy into light.
  • quantum carbons with a graphitic core dispersed in a matrix the latter producing in response to this illumination a red light of wavelength between 625nm and 740nm.
  • the invention makes it possible to emit red light under the effect of incident blue and/or green radiation and/or in the ultraviolet light range.
  • the quantum efficiency is preferably between 60% and 80%, depending on the wavelength.
  • the invention also relates, according to another of its aspects, to a light emitting device, comprising
  • a light source converting electrical energy into light, emitting light of wavelength between 300nm and 580nm, a material comprising quantum carbon dots with a graphitic core dispersed in a matrix, the latter producing in response to illumination by the light source a light, in particular red, with a wavelength between 625nm and 740nm.
  • Such a device can be used in the production of a lighting device or an imaging system.
  • H can be associated with light emitting devices emitting in green or blue, for example in order to generate white light.
  • Carbon dots are still known by the Anglo-Saxon designation “Carbon Dots” or “CD”.
  • the carbon dots are in the form of luminescent nanoparticles with a graphitic core, the size of which is less than or equal to 50nm, and preferably less than or equal to 1Onm.
  • the carbon dots are preferably hydrophobic, which may facilitate their dispersion in a matrix polymerization precursor.
  • the carbon points have traces of nitrogen, which come from the synthesis process used. These traces of nitrogen can help improve the emission efficiency of carbon points. Indeed, the nitrogen groups act as exciton traps, which leads to an increase in the quantum yield of the carbon dots.
  • the carbon points can thus have a non-zero nitrogen content, in particular an atomic % content of NI s of between 10 and 15%.
  • the carbon points can have a non-zero oxygen content, in particular an atomic % content of Ois of between 15 and 20%.
  • the carbon points can have an atomic % Cl s content of between 65 and 75%.
  • the mass content of carbon points can be between 0.01% and 0.5% relative to the total weight of the phosphor material (carbon points plus matrix).
  • the matrix can be thermoplastic or thermosetting. It can in particular be cast or injected in a fluid state into a mold, then unmolded after cooling. It can also be sprayed or deposited in the form of one or more layers by a printing process.
  • the matrix can still be mineral, for example glass.
  • the matrix can have any shape, in particular polyhedral, for example cubic or parallelepiped, full or hollow cylindrical, conical, toric, among other possibilities. It can be machined, if necessary, to the desired shape.
  • the matrix can also be in the form of a layer serving as a binder for the carbon dots, the matrix or a precursor of the matrix being for example deposited in the fluid state in the form of an ink by a printing technique.
  • the matrix is preferably transparent, but may be translucent.
  • the matrix may be colorless and the phosphor material may have a color due to the presence of carbon dots.
  • the matrix may further include one or more dyes. It can integrate a light collecting element, if necessary, or form a light guide.
  • the matrix occupies any volume appropriate to the conditions of use. Its thickness ranges for example from 1mm to 100mm.
  • the matrix may be polymeric.
  • the polymer may be a homopolymer or a copolymer.
  • the polymer can be chosen from PolyVinylToluene (PVT), PolyStyrene (PS), PolyMethyl Acrylic Methacrylate (PMMA), among other materials.
  • PVT PolyVinylToluene
  • PS PolyStyrene
  • PMMA PolyMethyl Acrylic Methacrylate
  • the matrix may include a silicone, or be made of silicone.
  • the matrix is preferably in contact with the aforementioned light source, in particular can encapsulate it at least partially. There can also be an interface between the two of a gas, notably air, or a vacuum.
  • the matrix can be formed with a flat or convex or concave surface, allowing the light to be concentrated or diffused, depending on the applications.
  • the matrix can be arranged relative to the light source so as to intercept all the light produced by the light source or at least more than 50% thereof.
  • the source emitting blue and/or green and/or UV light which is converted by the phosphor material according to the invention operates by converting electrical energy into light.
  • It may be a light-emitting diode, a discharge lamp, a flash lamp or a laser, in particular a laser diode.
  • the light source is an electroluminescent source, in particular comprises at least one light emitting diode.
  • the light source can emit in the range 300-350nm.
  • the light source can emit in the range 440-575nm.
  • the phosphor material can emit red light whether it is illuminated by light with a wavelength of 300-350nm or by light with a wavelength of 450-575nm.
  • Carbon dots can be produced from the degradation (e.g. hydrothermal or microwave) of molecules used as precursors.
  • These Precursor molecules are preferably extracted from biomass, which constitutes an advantage given the inexhaustible nature of the resources allowing them to be produced.
  • the carbon points advantageously result from a synthesis process involving the decomposition of trinitropyrene, previously solubilized in an organic solvent, which can be toluene, dimethylformamide (DMF), or better a toluene/DMF mixture.
  • organic solvent which can be toluene, dimethylformamide (DMF), or better a toluene/DMF mixture.
  • the invention also relates to a process for manufacturing the phosphor material according to the invention.
  • This process can consist of two stages.
  • the carbon points are synthesized. At the end of this step, the carbon points are advantageously in the form of a powder.
  • this powder can be dispersed, either in a lithographic resin or in a monomer.
  • this powder can be dispersed, either in a lithographic resin or in a monomer.
  • the carbon points find themselves frozen in a plastic medium constituting said matrix.
  • the carbon points can be synthesized by implementing the above synthesis process, in particular a synthesis process in which the decomposition of trinitropyrene, previously dissolved in an organic solvent, is carried out, this organic solvent comprising a mixture of toluene. and dimethylformamide (DMF).
  • this organic solvent comprising a mixture of toluene. and dimethylformamide (DMF).
  • the matrix can be polymerized in the presence of the carbon dots.
  • the matrix can be dissolved in a solution containing the carbon points suspended in an organic solvent, then the evaporation of this organic solvent is carried out, this evaporation taking place for example in a mold with the desired shape. .
  • the invention also relates to a method of manufacturing the phosphor material of a light emitting device comprising: a light source converting electrical energy into light, emitting light of wavelength between 300nm and 580nm, a luminophorous material comprising quantum carbon dots with a graphitic core dispersed in a matrix, the latter producing light in response to illumination by the light source, in which to produce the carbon dots the trinitropyrene is decomposed, preferably previously dissolved in an organic solvent, this organic solvent preferably comprising a mixture of toluene and dimethylformamide (DMF).
  • a light source converting electrical energy into light, emitting light of wavelength between 300nm and 580nm
  • a luminophorous material comprising quantum carbon dots with a graphitic core dispersed in a matrix, the latter producing light in response to illumination by the light source, in which to produce the carbon dots the trinitropyrene is decomposed, preferably previously dissolved in an organic solvent, this organic solvent preferably comprising a mixture
  • the invention finds applications in many fields.
  • FIG 1 illustrates schematically and partially the light conversion process according to the invention
  • FIG 2 schematically and partially represents an example of a light emitting device according to the invention
  • FIG 3 represents transmission electron microscopy (TEM) images of carbon dots (images A and B) and a diffractogram of the carbon dots (image C),
  • FIG 4 is a 2D diagram representing the emission properties of an example of phosphor material according to the invention, indicating the emission intensity and the emission wavelength as a function of the wavelength. excitement wave
  • FIG 5 schematically and partially represents an example of an imaging system comprising the phosphor material according to the invention
  • FIG 6 illustrates the XPS spectrum of the carbon dots used for light conversion (left) and the associated Carbon (C), Nitrogen (N) and Oxygen (O) content
  • FIG 7 illustrates the deconvolution of the XPS spectra associated with the carbon dots used for light conversion and the identification of the functions present in the carbon dots using fitting curves (“Fits”).
  • Figure 1 illustrates the conversion of light using a phosphor material 2 according to the invention, comprising a transparent or translucent matrix and carbon dots.
  • This phosphor material 2 is illuminated by a light source 1 at a wavelength ⁇ l in the blue or UV range, and re-emits light in the red at a wavelength X2.
  • the phosphor material 2 is for example integrated into a lighting device as illustrated in Figure 2, which comprises a light source in the form for example of an electroluminescent chip 1, in particular of an electroluminescent diode, the matrix of the phosphor material being for example cast or injected into contact with the chip.
  • the manufacture of the phosphor material 2 can be done in two stages.
  • the carbon points are synthesized in the form of a powder.
  • this powder is dispersed in a liquid monomer in the presence of a polymerization initiator.
  • the carbon points find themselves frozen in the transparent plastic matrix.
  • Carbon points can be synthesized from trinitropyrene of the following formula: [Chem 1]
  • the synthesis is preferably carried out in DMF because it is preferable to obtain hydrophobic carbon points, which are easier to then disperse in the medium of the matrix or its precursor, for example in the monomer which serves as precursor to the transparent plastic matrix.
  • a solution of trinitropyrene is prepared, for example, at a concentration of 10 mg/mL in dimethylformamide (DMF).
  • DMF dimethylformamide
  • This solution can then be placed either in a microwave oven at 200°C for 1 hour, or in an autoclave at 200°C for 8 hours. At the end of the reaction, a blackish purple solution is obtained. This solution is evaporated slowly, for example at 70°C for 72 hours. Following the evaporation stage, a black powder is collected. This black powder can be redispersed in 5mL of ethanol. These 5mL are then dialyzed for example for 24 hours in a tube specific to IkDa to eliminate the species which have not reacted. The ethanol solution containing the purified carbon points is then evaporated, for example at 70°C overnight.
  • DMF dimethylformamide
  • Figure 3 shows TEM images as well as the diffractogram relating to the carbon points thus prepared.
  • the size distribution of the carbon dots is polydisperse, between a few nm and 50nm (images A and B).
  • image C gives a classic diffractogram of what is generally obtained with carbon points, with a broad peak around 25° relative to the (002) plane of the graphitic core of the carbon points.
  • a mass of for example between 5mg and 15mg of carbon points is taken and then dispersed in for example 20mL of styrene with stirring. Then, a mass of a polymerization initiator such as benzoyl peroxide, for example between 0 and 20 mg, is added. Then the viscous liquid is placed in a mold intended to give its shape to the phosphor material, and left to mature at a temperature of for example between 70°C and 110°C for a time of for example between 5 and 25 days.
  • the matrix can also be dissolved in a solution containing the carbon points suspended in an organic solvent, then the evaporation of this organic solvent is carried out, this evaporation taking place for example in a mold with the desired shape.
  • Figure 6 presents the XPS spectrum of the carbon points and their calculated content of Carbon (69.5%), Nitrogen (12.4%) and Oxygen (18.1%). Deconvolution of XPS spectrum peaks presented in Figure 7 makes it possible to identify the various groups present on the surface of the carbon points.
  • Figure 4 shows that the phosphor material can emit red light, both when excited by blue light and when excited by UV light.
  • This figure shows that the phosphor material in this example emits visible photons at 650nm with intensity maxima for excitation ranges at 300-350nm and 450-575nm.
  • the mechanism responsible for the luminescence of this phosphor material therefore responds to a double excitation phenomenon, which allows it to be luminescent under the effect of a UV lamp or a blue LED.
  • the phosphor material can be used to create an imaging system, as illustrated in Figure 5.
  • a support carrying an array of light pixels each comprising a light source constituted for example by an electroluminescent chip 1. At least part of these sources can be covered by a layer of the phosphor material 2 according to the invention .
  • Source 1 can emit in blue or UV, and the presence of the phosphor material makes it possible to convert this light into red light.
  • the other pixels can emit in other colors, for example green and blue.

Landscapes

  • Luminescent Compositions (AREA)

Abstract

Procédé de conversion lumineuse dans lequel on soumet à une lumière de longueur d'onde comprise entre 300nm et 580nm, produite par une source lumineuse (1) convertissant une énergie électrique en lumière, un matériau luminophore (2) comportant des points de carbone quantiques à coeur graphitique dispersés dans une matrice, ces derniers produisant en réponse à cette illumination une lumière rouge de longueur d'onde comprise entre 625nm et 740nm.

Description

Description
Titre : Procédé de conversion lumineuse et dispositif émetteur de lumière
Domaine technique
La présente invention concerne un procédé de conversion lumineuse et un dispositif émetteur de lumière.
Technique antérieure
Les matériaux luminophores capables de convertir la lumière bleue sont très utilisés depuis l’avènement des LEDs pour des applications d’éclairage ou de systèmes imageurs (écrans). Ces matériaux utilisent généralement des composés inorganiques cristallins, tels que les grenats d’aluminium et d’yttrium (YAGs pour Yttrium Aluminium Gamets) ou les grenats d’ Aluminium et de Lutetium (LuAGs pour Lutetium Aluminium Garnets). Ces luminophores peuvent être dopés en Néodyme, Chrome, Ytterbium, Erbium, Cérium, Praséodyme ou Gadolinium pour modifier leurs spectres d’émission et ainsi couvrir toute la gamme de la lumière visible.
Ces luminophores dits conventionnels présentent de bonnes propriétés optiques. Toutefois, ils sont issus de minerais et d’éléments dont certains risquent d’être moins disponibles à l’avenir.
US 2022/231202 divulgue un procédé de conversion lumineuse dans lequel on soumet à une lumière d’onde produite par des LED un matériau luminophore comportant des points de carbone quantiques à cœur graphitique non solubles dans l’eau et dans les solvants peu polaires.
L’article de Zhan et al. intitulé « A solvent-engineered molecule fusion strategy for rational synthesis of carbon quantum dots with multicolor bandgap fluorescence » publié dans Carbon, volume 130, 2018, divulgue un procédé de préparation de points de carbone quantiques.
Enfin, l’article de Zhu Zhijun et al. intitulé « Red carbon dots : Optical property regulations and applications » publié dans Materials Today, volume 30, 2019, répertorie de nombreux dispositifs comportant une source lumineuse et un matériau luminophore comportant des points de carbone quantiques à cœur graphitique.
Exposé de l’invention Il existe par conséquent un intérêt pour disposer d’un matériau luminophore capable de convertir la lumière bleue notamment, sans recours aux composés inorganiques précités ou dans des quantités moindres.
Résumé de l’invention
L’invention répond à ce besoin en proposant un procédé de conversion lumineuse dans lequel on soumet à une lumière de longueur d’onde comprise entre 300nm et 580nm, produite par une source lumineuse convertissant une énergie électrique en lumière, un matériau luminophore comportant des points de carbone quantiques à cœur graphitique dispersés dans une matrice, ces derniers produisant en réponse à cette illumination une lumière rouge de longueur d’onde comprise entre 625nm et 740nm.
L’invention permet d’émettre une lumière rouge sous l’effet d’un rayonnement incident bleu et/ou vert et/ou dans le domaine de lumière ultra- violet.
Le rendement quantique est de préférence compris entre 60% et 80%, en fonction de la longueur d’onde.
L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un dispositif émetteur de lumière, comportant
Une source lumineuse convertissant une énergie électrique en lumière, émettant une lumière de longueur d’onde comprise entre 300nm et 580nm, un matériau comportant des points de carbone quantiques à cœur graphitique dispersés dans une matrice, ces derniers produisant en réponse à une illumination par la source lumineuse une lumière, notamment rouge de longueur d’onde comprise entre 625nm et 740nm.
Un tel dispositif peut être utilisé dans la réalisation d’un dispositif d’éclairage ou d’un système imageur.
H peut être associé à des dispositifs émetteurs de lumière émettant dans le vert ou le bleu, par exemple afin de générer une lumière blanche.
Points de carbone
Les points de carbone sont encore connus sous la désignation anglo-saxonne « Carbon Dots » ou « CD ».
Ils se présentent sous la forme de nanoparticules luminescentes à cœur graphitique, dont la taille est inférieure ou égale à 50nm, et de préférence inférieure ou égale à lOnm. Les points de carbone sont de préférence hydrophobes, ce qui peut faciliter leur dispersion dans un précurseur de polymérisation de la matrice.
Dans des exemples de réalisation, les points de carbone présentent des traces d’azote, qui proviennent du procédé de synthèse utilisé. Ces traces d’azote peuvent contribuer à améliorer le rendement d’émission des points carbone. En effet, les groupements azotés agissent comme de pièges à excitons, ce qui aboutit à l’augmentation du rendement quantique des points de carbone.
Les points de carbone peuvent ainsi présenter une teneur non nulle en azote, notamment une teneur en % atomique en NI s comprise entre 10 et 15%.
Les points de carbone peuvent présenter une teneur non nulle en oxygène, notamment une teneur en % atomique en Ois comprise entre 15 et 20%.
Les points de carbone peuvent présenter une teneur en % atomique en Cl s comprise entre 65 et 75%.
La teneur massique en points de carbone peut être comprise entre 0,01 % et 0,5 % par rapport au poids total du matériau luminophore (points de carbone plus matrice).
Matrice
La matrice peut être thermoplastique ou thermodurcissable. Elle peut notamment être coulée ou injectée à l’état fluide dans un moule, puis démoulée après refroidissement. Elle peut encore être pulvérisée ou déposée sous la forme d’une ou plusieurs couches par un procédé d’impression.
La matrice peut encore être minérale, par exemple en verre.
La matrice peut présenter une forme quelconque, notamment polyédrique, par exemple cubique ou parallélépipédique, cylindrique pleine ou évidée, conique, torique, entre autres possibilités. Elle peut être usinée, le cas échéant, à la forme souhaitée.
La matrice peut encore se présenter sous forme d’une couche servant de liant aux points de carbone, la matrice ou un précurseur de la matrice étant par exemple déposé à l’état fluide sous forme d’une encre par une technique d’impression.
La matrice est de préférence transparente, mais peut être translucide.
La matrice peut être incolore et le matériau luminophore présenter une couleur due à la présence des points carbone.
La matrice peut encore inclure un ou plusieurs colorants. Elle peut intégrer un élément collecteur de lumière, le cas échéant, ou former un guide de lumière.
La matrice occupe tout volume approprié aux conditions d’utilisation. Son épaisseur va par exemple de 1mm à 100mm.
La matrice peut être polymérique. Le polymère peut être un homopolymère ou un copolymère.
Le polymère peut être choisi parmi le PolyVinylToluene (PVT), le PolyStyrène (PS), le PolyMethacrylate de Methyle Acrylique (PMMA), entre autres matériaux.
La matrice peut comporter un silicone, ou être en silicone.
La matrice est de préférence au contact de la source lumineuse précitée, notamment peut l’encapsuler au moins partiellement. Il peut également y avoir entre les deux une interface d’un gaz, notamment d’air, ou du vide.
La matrice peut être formée avec une surface plane ou convexe ou concave, permettant de concentrer ou de diffuser la lumière, selon les applications.
La matrice peut être disposée relativement à la source lumineuse de manière à intercepter toute la lumière produite par la source lumineuse ou au moins plus de 50% de celle-ci.
Source lumineuse
La source émettant la lumière bleue et/ou verte et/ou UV qui est convertie par le matériau luminophore selon l’invention opère par conversion d’énergie électrique en lumière.
Il peut s’agir d’une diode électroluminescente, d’une lampe à décharge, d’une lampe flash ou d’un laser, notamment d’une diode laser.
De préférence, la source lumineuse est une source électroluminescente, notamment comprend au moins une diode électroluminescente.
La source lumineuse peut émettre dans la plage 300-350nm.
La source lumineuse peut émettre dans la plage 440-575nm.
Le matériau luminophore peut émettre la lumière rouge, qu’il soit illuminé par une lumière de longueur d’onde 300-350nm ou par une lumière de longueur d’onde 450-575nm.
Procédé de synthèse des points de carbone
Les points de carbone peuvent être produits à partir de la dégradation (par exemple hydrothermale ou par micro-ondes) de molécules utilisées comme précurseurs. Ces molécules précurseurs sont de préférence extraites à partir de biomasse, ce qui constitue un avantage au regard du caractère inépuisable des ressources permettant de les produire.
Les points de carbone résultent avantageusement d’un procédé de synthèse mettant en œuvre la décomposition du trinitropyrène, préalablement solubilisé dans un solvant organique, qui peut être du toluène, du dimethylformamide (DMF), ou mieux un mélange toluène/DMF.
La présence de DMF au sein d’un mélange DMF/toluène permet d’obtenir un meilleur rendement massique de points de carbone.
Procédé de fabrication
L’invention a encore pour objet un procédé de fabrication du matériau luminophore selon l’invention.
Ce procédé peut comporter deux étapes.
Dans un premier temps, les points de carbone sont synthétisés. A l’issue de cette étape, les points de carbone se présentent avantageusement sous la forme d’une poudre.
Dans une seconde étape, cette poudre peut être dispersée, soit dans une résine lithographique, soit dans un monomère. Au terme d’un temps de réticulation de la résine lithographique sous lumière UV, ou d’une réaction de polymérisation du monomère, les points de carbone se retrouvent figés dans un milieu en matière plastique constituant ladite matrice.
On peut synthétiser les points de carbone par la mise en œuvre du procédé de synthèse ci- dessus, notamment un procédé de synthèse dans lequel on procède à la décomposition du trinitropyrène, préalablement solubilisé dans un solvant organique, ce solvant organique comportant un mélange de toluène et de dimethylformamide (DMF).
Comme mentionné ci-dessus, la matrice peut être polymérisée en présence des points de carbone. En variante, la matrice peut être dissoute dans une solution contenant les points de carbone en suspension dans un solvant organique, puis l’on procède à l’évaporation de ce solvant organique, cette évaporation ayant par exemple lieu dans un moule à la forme désirée.
L’invention a encore pour objet un procédé de fabrication du matériau luminophore d’un dispositif émetteur de lumière comportant : une source lumineuse convertissant une énergie électrique en lumière, émettant une lumière de longueur d’onde comprise entre 300nm et 580nm, un matériau luminophore comportant des points de carbone quantiques à cœur graphitique dispersés dans une matrice, ces derniers produisant en réponse à une illumination par la source lumineuse une lumière, dans lequel pour fabriquer les points de carbone on procède à la décomposition du trinitropyrène, de préférence préalablement solubilisé dans un solvant organique, ce solvant organique comportant de préférence un mélange de toluène et de dimethylformamide (DMF).
Applications
L’invention trouve des applications dans de nombreux domaines.
L’invention a ainsi encore pour objet l’utilisation d’un dispositif selon l’invention pour l’éclairage horticole.
Brève description des dessins
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
[Fig 1] illustre de manière schématique et partielle le procédé de conversion de lumière selon l’invention,
[Fig 2] représente de manière schématique et partielle un exemple de dispositif émetteur de lumière selon l’invention,
[Fig 3] représente des images de microscopie électronique à transmission (MET) de points de carbone (images A et B) et un diffractogramme des points de carbone (image C),
[Fig 4] est un diagramme 2D représentant les propriétés d’émission d’un exemple de matériau luminophore selon l’invention, en indiquant l’intensité d’émission et la longueur d’onde d’émission en fonction de la longueur d’onde d’excitation
[Fig 5] représente de manière schématique et partielle un exemple de système imageur comportant le matériau luminophore selon l’invention,
[Fig 6] illustre le spectre XPS des points de carbone utilisés pour la conversion lumineuse (à gauche) et la teneur associée en Carbone (C), Azote (N) et Oxygène (O), et [Fig 7] illustre la déconvolution des spectres XPS associés aux points de carbone utilisés pour la conversion lumineuse et l’identification des fonctions présentes dans les points de carbone à l’aide de courbes d’ajustement (« Fits »).
Description détaillée
On a illustré à la figure 1 la conversion de lumière à l’aide d’un matériau luminophore 2 selon l’invention, comportant une matrice transparente ou translucide et des points de carbone.
Ce matériau luminophore 2 est illuminé par une source lumineuse 1 à une longueur d’onde À l dans le bleu ou le domaine UV, et réémet une lumière dans le rouge à une longueur d’onde X2.
Le matériau luminophore 2 est par exemple intégré à un dispositif d’éclairage tel qu’illustré à la figure 2, qui comprend une source lumineuse sous la forme par exemple d’une puce électroluminescente 1, notamment d’une diode électroluminescente, la matrice du matériau luminophore étant par exemple coulée ou injectée au contact de la puce.
La fabrication du matériau luminophore 2 peut se faire en deux étapes.
Dans un premier temps, les points carbone sont synthétisés sous forme d’une poudre. Dans une seconde étape, cette poudre est dispersée dans un monomère liquide en présence d’un initiateur de polymérisation. Au terme d’un temps d’attente nécessaire à la polymérisation du monomère, les points carbone se retrouvent figés dans la matrice plastique transparente. Les points de carbone peuvent être synthétisés à partir de trinitropyrène de formule suivante : [Chem 1]
La synthèse se fait de préférence dans le DMF car il est préférable d’obtenir des points carbone hydrophobes, plus faciles à disperser ensuite dans le milieu de la matrice ou son précurseur, par exemple dans le monomère qui sert de précurseur à la matrice plastique transparente.
Une solution de trinitropyrène est préparée par exemple à une concentration de 10 mg/mL dans le dimethylformamide (DMF). Cette solution peut ensuite être placée soit dans un four micro-ondes à 200°C pendant Ih, soit dans un autoclave à 200°C pendant 8h. En fin de réaction, une solution pourpre noirâtre est obtenue. Cette solution est évaporée lentement par exemple à 70°C pendant 72 heures. A la suite de l’étape d’évaporation, une poudre noire est récoltée. Cette poudre noire peut redispersée dans 5mL d’éthanol. Ces 5mL sont ensuite dialysés par exemple pendant 24h dans un tube spécifique à IkDa pour éliminer les espèces qui n’ont pas réagi. La solution d’éthanol contenant les points carbone purifiés est ensuite évaporée, par exemple à 70°C pendant une nuit.
Après cette dernière étape d’évaporation, une poudre noire de points carbone purifiés est obtenue. C’est cette poudre noire qui peut ensuite être utilisée pour la préparation du matériau luminophore.
La figure 3 montre des images MET ainsi que le diffractogramme relatif aux points carbone ainsi préparés. La distribution de taille des points carbone est poly disperse, comprise entre quelques nm et 50nm (images A et B). L’analyse DRX (image C) donne un diffractogramme classique de ce qui est généralement obtenu avec les points carbone, avec un pic large autour de 25° relatif au plan (002) du cœur graphitique des points carbone.
Pour réaliser un bloc de matériau luminophore 2, une masse comprise par exemple entre 5mg et 15mg de points carbone est prélevée puis dispersée dans par exemple 20mL de styrène sous agitation. Ensuite, une masse d’un initiateur de polymérisation tel que du peroxyde de benzoyle, comprise par exemple entre 0 et 20mg, est ajoutée. Puis le liquide visqueux est placé dans un moule destiné à donner sa forme au matériau luminophore, et laissé pour maturation à une température comprise par exemple entre 70°C et 110°C pendant un temps compris par exemple entre 5 et 25 jours. La matrice peut également être dissoute dans une solution contenant les points de carbone en suspension dans un solvant organique, puis Ton procède à l’évaporation de ce solvant organique, cette évaporation ayant par exemple lieu dans un moule à la forme désirée.
La figure 6 présente le spectre XPS des points de carbone et leur teneur calculée en Carbone (69.5%), Azote (12.4%) et Oxygène (18.1%). La déconvolution des pics du spectre XPS présentée en figure 7 permet d’identifier les divers groupements présents à la surface des points de carbone.
La Figure 4 montre que le matériau luminophore peut émettre de la lumière rouge, à la fois lorsqu’il est excité par de la lumière bleue et lorsqu’il est excité par de la lumière UV. Cette figure montre que le matériau luminophore émet dans cet exemple des photons visibles à 650nm avec des maxima d’intensité pour des gammes d’excitation à 300-350nm et à 450- 575nm. Le mécanisme responsable de la luminescence de ce matériau luminophore répond donc à un phénomène de double excitation, qui lui permet d’être luminescent sous l’effet d’une lampe UV ou d’une LED bleue.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits.
Par exemple, le matériau luminophore peut être utilisé pour la réalisation d’un système imageur, comme illustré sur la figure 5.
Sur cette figure, on voit un support portant un réseau de pixels lumineux, comportant chacun une source lumineuse constituée par exemple par une puce électroluminescente 1. Au moins une partie de ces sources peut être recouverte par une couche du matériau luminophore 2 selon l’invention. La source 1 peut émettre dans le bleu ou l’UV, et la présence du matériau luminophore permet de convertir cette lumière en lumière rouge.
Les autres pixels peuvent émettre dans d’autres couleurs, par exemple dans le vert et dans le bleu.

Claims

Revendications
1. Procédé de conversion lumineuse dans lequel on soumet à une lumière de longueur d’onde comprise entre 300nm et 580nm, produite par une source lumineuse (1) convertissant une énergie électrique en lumière, un matériau luminophore (2) comportant des points de carbone quantiques à cœur graphitique, résultant d’une décomposition du trinitropyrène, dispersés dans une matrice, ces derniers produisant en réponse à cette illumination une lumière rouge de longueur d’onde comprise entre 625nm et 740nm.
2. Procédé selon la revendication 1, la source lumineuse (1) étant une source électroluminescente, notamment comprenant au moins une diode électroluminescente.
3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, la source lumineuse émettant dans la plage 300-350nm.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, la source lumineuse émettant dans la plage 450-575nm.
5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, le matériau luminophore (2) émettant la lumière rouge qu’il soit illuminé par une lumière de longueur d’onde 300-350nm ou par une lumière de longueur d’onde 450-575nm.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le rendement quantique des points carbone étant compris entre 60 et 80%.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les points de carbone présentant une teneur non nulle en azote, notamment une teneur en % atomique en NI s comprise entre 10 et 15%.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les points de carbone présentant une teneur non nulle en oxygène, notamment une teneur en % atomique en Ois comprise entre 15 et 20%.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les points de carbone présentant une teneur en % atomique en Cls comprise entre 65 et 75 %.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la teneur massique en points de carbone étant comprise entre 0,01 % et 0,5 % par rapport au poids du matériau luminophore (2).
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les points de carbone étant hydrophobes.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la matrice comportant ou étant constituée de PVT, PS ou PMMA ou silicone.
13. Dispositif émetteur de lumière, comportant
Une source lumineuse (1) convertissant une énergie électrique en lumière, émettant une lumière de longueur d’onde comprise entre 300nm et 580nm, un matériau luminophore (2) comportant des points de carbone quantiques à cœur graphitique, résultant d’une décomposition du trinitropyrène, dispersés dans une matrice, ces derniers produisant en réponse à une illumination par la source lumineuse une lumière rouge de longueur d’onde comprise entre 625nm et 740nm.
14. Dispositif selon la revendication 13, la source lumineuse (1) étant une source électroluminescente, notamment comprenant au moins une diode électroluminescente.
15. Dispositif selon l’une des revendications 13 et 14, la source lumineuse émettant dans la plage 300-350nm.
16. Dispositif selon l’une des revendications 13 et 14, la source lumineuse émettant dans la plage 450-575nm.
17. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 16, les points de carbone présentant une teneur non nulle en azote, notamment une teneur en % atomique en NI s comprise entre 10 et 15%.
18. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 17, les points de carbone présentant une teneur non nulle en oxygène, notamment une teneur en % atomique en Ois comprise entre 15 et 20%.
19. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 18, les points de carbone présentant une teneur en % atomique en Cls comprise entre 65 et 75 %.
20. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 19, la teneur massique en points de carbone étant comprise entre 0,01 % et 0,5 % par rapport au poids du matériau.
21. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 20, les points de carbone étant hydrophobes.
22. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 21, la matrice comportant ou étant constituée de PVT, PS, PMMA ou silicone.
23. Utilisation d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 22 pour l’éclairage horticole.
24. Procédé de fabrication du matériau luminophore d’un dispositif émetteur de lumière, notamment un dispositif selon l’une quelconque des revendications 13 à 22, comportant : une source lumineuse (1) convertissant une énergie électrique en lumière, émettant une lumière de longueur d’onde comprise entre 300nm et 580nm, un matériau luminophore (2) comportant des points de carbone quantiques à cœur graphitique dispersés dans une matrice, ces derniers produisant en réponse à une illumination par la source lumineuse une lumière, dans lequel pour fabriquer les points de carbone on procède à la décomposition du trinitropyrène, de préférence préalablement solubilisé dans un solvant organique, ce solvant organique comportant de préférence un mélange de toluène et de dimethylformamide (DMF).
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