FR3053434B1 - Module d'emission de lumiere blanche a spectre enrichi - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne une source lumineuse à semi-conducteurs comprenant au moins un premier ensemble (4) de bâtonnets électroluminescents (8) de dimensions submillimétriques et un deuxième ensemble (6) de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques, les bâtonnets électroluminescents du premier ensemble étant aptes à émettre dans un premier domaine de longueurs d'onde et les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble étant aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueurs d'onde, ledit deuxième domaine étant différent du premier domaine, dans lequel le premier ensemble de bâtonnets et le deuxième ensemble de bâtonnets sont enchevêtrés.

Description

Module d’émission de lumière blanche à spectre enrichi L’invention a trait au domaine de l’éclairage et/ou de la signalisation, notamment pour véhicules automobiles.
Elle trouve notamment des applications dans les phares, la carrosserie ou l’habitacle d’un véhicule automobile.
Les sources de lumière utilisées pour l’éclairage et la signalisation dans les véhicules automobiles sont de plus en plus fréquemment constituées par des diodes électroluminescentes, notamment pour des avantages d’encombrement et d’autonomie par rapport à des sources de lumière classiques. L’utilisation de diodes électroluminescentes dans les modules d’éclairage et/ou de signalisation a permis en outre aux acteurs du marché, tels que les fabricants d’automobiles et concepteurs de dispositifs d’éclairage et/ou de signalisation, d’apporter une touche créative à la conception de ces dispositifs, notamment pour l’utilisation d’un nombre toujours plus grand de ces diodes électroluminescentes pour réaliser des effets optiques.
De telles diodes ont généralement un spectre restreint d’émission ayant la forme d’un pic centré autour d’une longueur d’onde donnée.
Toutefois, il peut être souhaitable, notamment dans des applications d’éclairage, par exemple d’éclairage de route ou de croisement, d’éclairer en lumière blanche, requérant ainsi un spectre plus riche qu’un simple pic centré autour d’une longueur d’onde donnée. A cet effet, une première solution connue consiste à utiliser une diode électroluminescente 2D à émission ultraviolette couplée à un luminophore phosphorescent ayant un spectre d’émission couvrant l’ensemble du domaine visible par l’œil humain. Une émission ultraviolette est certes très énergétique, mais elle a pour inconvénient de provoquer une dégradation du luminophore et/ou du matériel optique du dispositif d’éclairage ou de signalisation. La durée de vie du dispositif d’éclairage/signalisation est ainsi restreinte. De plus, l’utilisation d’un luminophore phosphorescent implique un faible rendement en termes de conversion.
Une deuxième solution consiste à utiliser une diode blanche composée d’une diode électroluminescente émettant un spectre présentant un pic dans le bleu violet, soit centré autour de 450nm, couplée à un luminophore de type fluorescent ayant un spectre d’émission plus étalé dans le jaune-vert, soit centré autour de 570nm. Le spectre d’une telle source lumineuse est illustré en référence à la figure 1, sur laquelle le pic dans le bleu est centré autour de la longueur d’onde λι et le spectre plus étalé dans le jaune-vert est centré autour de la longueur d’onde λ2.
Si un tel éclairage peut paraître blanc en vision directe, il est très mauvais sur des objets ayant une réflectance spectrale localisée dans les creux du spectre d’émission de la source lumineuse. Par exemple, les objets bleus tels que les panneaux de conseil selon la législation française, ou les objets rouges tels que les panneaux d’interdiction et de danger selon la législation française, apparaissent noirs. Ainsi, le rendu des couleurs est faible.
La présente invention vient améliorer la situation.
Un aspect de l’invention concerne une source lumineuse à semi-conducteurs comprenant au moins un premier ensemble de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques et un deuxième ensemble de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques, les bâtonnets électroluminescents du premier ensemble étant aptes à émettre dans un premier domaine de longueurs d’onde et les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble étant aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueurs d’onde, le deuxième domaine étant différent du premier domaine. Le premier ensemble de bâtonnets et le deuxième ensemble de bâtonnets sont enchevêtrés.
Comparativement au diagramme de la figure 1, le spectre du module d’émission lumineuse est beaucoup plus riche, ce qui permet un éclairage en lumière blanche avec un meilleur rendu des couleurs.
Par ailleurs, l’utilisation de bâtonnets électroluminescents de différentes natures permet d’atteindre un tel enrichissement du spectre de la lumière, tout en permettant un enchevêtrement fin.
Selon un mode de réalisation, la source lumineuse peut comprendre en outre une matrice comprenant au moins un premier matériau luminescent, au moins une partie des bâtonnets électroluminescents étant immergés dans la matrice et le premier matériau luminescent étant apte à absorber de la lumière dans un spectre d’absorption comprenant au moins une longueur d’onde du premier domaine ou du deuxième domaine et apte à émettre dans un troisième domaine de longueur d’onde, le troisième domaine étant différent du premier domaine et du deuxième domaine.
Ce mode de réalisation permet en outre d’enrichir le spectre d’émission de la source lumineuse.
En variante, le premier matériau luminescent peut être un matériau fluorescent.
Cette variante permet d’éviter de dégrader le matériau luminescent et/ou le matériel optique de la source lumineuse, et améliore ainsi sa durée de vie.
Selon un mode de réalisation, les bâtonnets du premier ensemble et les bâtonnets du deuxième ensemble peuvent être enchevêtrés par alternances de groupes de bâtonnets du premier ensemble et de groupes de bâtonnets du deuxième ensemble.
Ainsi, l’enchevêtrement de la source est fin et permet d’obtenir une source lumineuse cohérente.
En complément, les bâtonnets électroluminescents de chaque groupe peuvent être répartis selon un unique motif géométrique.
Un tel mode de réalisation facilite la production de la source lumineuse et de l’alimentation électrique des bâtonnets électroluminescents.
En variante, les bâtonnets électroluminescents du premier ensemble et les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble peuvent être enchevêtrés de manière aléatoire.
La cohérence de la source lumineuse est ainsi améliorée.
Dans un mode de réalisation de l’invention, deux bâtonnets consécutifs dans une direction donnée d’un même ensemble et séparés par au moins un bâtonnet électroluminescent de l’autre ensemble, sont séparés d’une distance inférieure à 100 micromètres.
Par exemple, les groupes de bâtonnets électroluminescents du premier ensemble et du deuxième ensemble sont alternés avec un pas inférieur à 100 micromètres.
Ainsi, l’œil humain ne peut distinguer l’alternance des groupes et la cohérence de la source lumineuse est améliorée.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le premier domaine de longueurs d’onde peut comprendre une longueur onde de 445 nanomètres, et le deuxième domaine de longueurs d’onde peut comprendre une longueur d’onde de 467 nm.
En variante, le premier domaine de longueurs d’onde peut comprendre une longueur d’onde de 445 nm, et le deuxième domaine de longueurs d’onde peut comprendre une longueur d’onde supérieure ou égale à 600 nm.
En complément, le premier matériau luminescent comprend un luminophore de type YAG cérium ayant un domaine d’émission comprenant au moins une longueur d’onde comprise entre 573 nm et 584 nm.
Ainsi, le spectre de la lumière émise par la source lumineuse est enrichi.
En complément ou en variante, la source lumineuse peut comprendre en outre un troisième ensemble de bâtonnets électroluminescents aptes à émettre dans un troisième domaine de longueurs d’onde, le troisième domaine de longueurs d’onde pouvant comprendre une longueur d’onde de 467 nm.
Ainsi, le spectre de la lumière émise par la source lumineuse est enrichi.
Selon une autre variante, le premier domaine de longueurs d’onde peut comprendre une longueur d’onde de 445 nanomètres, et le deuxième domaine de longueurs d’onde peut comprendre une longueur d’onde comprise entre 573 et 584 nm, la matrice comprenant un deuxième matériau luminescent étant apte à absorber de la lumière dans un spectre d’absorption comprenant au moins une longueur d’onde du premier domaine ou du deuxième domaine et apte à émettre de la lumière dans un quatrième domaine de longueur d’onde comprenant une longueur d’onde de 465nm.
Le spectre de la lumière émise par la source lumineuse est ainsi enrichi. Des exemples de matériaux luminescents sont décrits dans ce qui suit.
Un deuxième aspect de l’invention concerne un module d’émission lumineuse pour véhicule automobile comprenant une source lumineuse selon le premier aspect de l’invention.
Selon un mode de réalisation, le module comprend en outre un premier générateur de tension apte à alimenter le premier ensemble de bâtonnets électroluminescents et un deuxième générateur de tension apte à alimenter le deuxième ensemble de bâtonnets électroluminescents.
Ainsi, il est possible d’alimenter des ensembles de bâtonnets ayant des tensions nominales différentes.
En variante, le module peut comprendre en outre un générateur de tension, j groupes du premier ensemble peuvent être placés en série et alimentés en parallèle avec k groupes du deuxième ensemble, j et k étant défini de manière à ce que le produit de j par la tension nominale d’un groupe du premier ensemble soit sensiblement égal au produit de k par la tension nominale d’un groupe du deuxième ensemble.
Ainsi, il est possible d’alimenter des ensembles de bâtonnets ayant des tensions nominales différentes, tout en utilisant un unique générateur de tension. Le coût et l’encombrement du module d’émission lumineuse est ainsi réduit.
Selon un mode de réalisation, le module comprend en outre une optique de mise en forme apte à recevoir la lumière issue de la source lumineuse et à former un faisceau lumineux.
Une optique de mise en forme dévie au moins un rayon des lumineux de la lumière émise par la source lumineuse. On entend par dévié que la direction d'entrée du rayon lumineux dans l'optique de mise en forme est différente de la direction de sortie du rayon lumineux de l'optique de mise en forme. L'optique de mise en forme comprend au moins un élément optique tel qu'une ou plusieurs lentilles, un ou plusieurs réflecteurs, un ou plusieurs guides de lumière ou une combinaison de ces possibilités.
Un troisième aspect de l’invention concerne un dispositif d’émission lumineuse, notamment d’éclairage et/ou signalisation pour véhicule automobile, comprenant un module lumineux selon le deuxième aspect de l’invention de manière à former au moins une partie d’un faisceau lumineux.
Selon un mode de réalisation, le dispositif peut comprendre en outre un boîtier et une glace de fermeture coopérant l’un avec l’autre pour délimiter intérieurement une cavité comprenant le module d’émission lumineuse.
Un quatrième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un module d’émission lumineuse, notamment pour véhicule automobile, comprenant une source lumineuse à semi-conducteurs, le procédé comprenant les étapes suivantes : croissance, sur un substrat, d’un premier ensemble de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques aptes à émettre dans un premier domaine de longueurs d’onde ; croissance, sur ledit substrat, d’un deuxième ensemble de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueurs d’onde, le deuxième domaine étant différent du premier domaine.
Le premier ensemble de bâtonnets et le deuxième ensemble de bâtonnets sont enchevêtrés. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 illustre un diagramme d’émission d’un module d’émission lumineuse selon l’art antérieur; les figures 2 et 3 illustrent la structure d’une pluralité de bâtonnets électroluminescents d’un module d’émission lumineuse selon un mode de réalisation de l’invention ; les figures 4a à 4d illustrent des enchevêtrements de deux ensembles de bâtonnets électroluminescents selon des modes de réalisation de l’invention; la figure 5 présente un diagramme d’émission d’un module d’émission lumineuse selon un premier mode de réalisation de l’invention; la figure 6 présente un diagramme d’émission d’un module d’émission lumineuse selon un deuxième mode de réalisation de l’invention; la figure 7 présente un diagramme d’émission d’un module d’émission lumineuse selon troisième mode de réalisation de l’invention ; les figures 8a et 8b présentent des moyens d’alimentation d’une source lumineuse selon deux modes de réalisation de l’invention.
Les figures 2 et 3 illustrent la structure d'une pluralité de bâtonnets électroluminescents, de dimensions submillimétriques, d’une source lumineuse selon l’invention.
La source lumineuse selon l’invention peut être intégrée dans un module d’émission lumineuse, pouvant comporter en outre une optique de mise en forme recevant de la lumière issue de la source lumineuse de manière à former un faisceau lumineux en sortie. Un tel module d’émission lumineuse peut être intégré dans un dispositif d’émission lumineuse, notamment pour l’éclairage et/ou la signalisation dans un véhicule automobile. Un tel dispositif d’émission lumineuse peut comprendre en outre un boîtier et une glace de fermeture coopérant l’un avec l’autre pour délimiter intérieurement une cavité comprenant le module d’émission lumineuse.
Le dispositif est par exemple un dispositif d’éclairage et constitue alors un projecteur - ou phare avant - de véhicule. Il est alors configuré pour mettre en œuvre une ou plusieurs fonctions d’éclairage notamment parmi une fonction de feux de croisement dite « fonction code », une fonction de feux de route dite « fonction route », une fonction antibrouillard.
Alternativement, le dispositif est un dispositif de signalisation destiné à être agencé à l’avant ou à l’arrière du véhicule. Lorsqu’il est destiné à être agencé à l’avant, il est par exemple configuré pour mettre en œuvre une ou plusieurs de fonctions de signalisation parmi une fonction d’indication de changement de direction, une fonction d’éclairage diurne connue sous l’acronyme anglophone DRL, pour « Daytime Running Light », une fonction de signature lumineuse avant. Lorsqu’il est destiné à être agencé à l’arrière, il est par exemple configuré pour mettre en œuvre une ou plusieurs fonctions parmi une fonction d’indication de recul, une fonction brouillard, une fonction d’indication de freinage, une fonction d’indication de changement de direction, une fonction de signature lumineuse arrière.
Alternativement, le dispositif est prévu pour l’éclairage de l’habitacle d’un véhicule et est alors destiné à émettre de la lumière principalement dans l’habitacle du véhicule.
En référence aux figures 2 et 3, la source lumineuse comprend une pluralité de bâtonnets électroluminescents 8, qui prennent naissance sur au moins un substrat 10. Chaque bâtonnet électroluminescent 8 s’étend perpendiculairement, ou sensiblement perpendiculairement, en saillie du substrat 10, pouvant être réalisé à partir de silicium, de carbure de silicium, ou d’autres matériaux pouvant être utilisés sans sortir du contexte de l’invention.
Comme décrit ultérieurement, le module d’émission lumineuse comprend au moins un premier ensemble de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques et un deuxième ensemble de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques, les bâtonnets électroluminescents du premier ensemble étant aptes à émettre dans un premier domaine de longueur d’onde et les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble étant aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueur d’onde, le deuxième domaine étant différent du premier domaine. Les bâtonnets du premier ensemble et du second ensemble peuvent à cet effet être réalisés à partir de composés différents, comme par exemple, un composé à base de nitrure de gallium GaN, un composé à base de nitrure d’aluminium et de nitrure de gallium Al GaN, un composé à base d’aluminium, d’indium et de gallium AlInGaN.
Le substrat 10 présente une face inférieure 12, sur laquelle est rapportée une première électrode 14, et une face supérieure 16, en saillie de laquelle s’étendent les bâtonnets électroluminescents 8 et sur laquelle est rapportée une deuxième électrode 18. Différentes couches de matériaux sont superposées sur la face supérieure 16, notamment après la croissance des bâtonnets électroluminescents depuis le substrat 10 ici obtenue par une approche ascendante. Parmi ces différentes couches, on peut trouver au moins une couche de matériau conducteur électriquement, afin de permettre l’alimentation électrique des bâtonnets. Cette couche est gravée de manière à relier tels ou tels bâtonnets entre eux, l’allumage de ces bâtonnets électroluminescents pouvant alors être commandé simultanément par un module de commande ici non représenté. Comme discuté dans ce qui suit, les bâtonnets du premier ensemble et ceux du deuxième ensemble peuvent être alimentés séparément ou conjointement.
Les bâtonnets électroluminescents 8 s’étirent depuis le substrat et, tel que cela est visible sur la figure 2, ils comportent chacun un noyau 19, comprenant l’un des composants GaN, AlGaN, AlInGaN, ou autre, mentionnés ci-dessus, autour duquel sont disposés des puits quantiques formés par une superposition radiale de couches de matériaux différents, par exemple en nitrure de galium et en nitrure de galium-indium, et une coque 21 entourant les puits quantiques et pouvant être réalisé dans le même matériau que le noyau 19.
Chaque bâtonnet électroluminescent 8 s’étend selon un axe longitudinal 22 définissant sa hauteur, la base de chaque bâtonnet étant disposée dans un plan 24 de la face supérieure 16 du substrat 10.
Les bâtonnets électroluminescents 8 d’un même module d’émission lumineuse peuvent avantageusement présenter la même forme. Ils sont chacun délimité par une face terminale 26 et par une paroi circonférentielle 28 qui s’étend le long de l’axe longitudinal. Lorsque les bâtonnets électroluminescents 8 sont dopés et font l’objet d’une polarisation, la lumière résultante en sortie du module d’émission lumineuse est émise essentiellement à partir de la paroi circonférentielle 28, étant entendu que des rayons lumineux peuvent sortir également de la face terminale 26. Il en résulte que chaque bâtonnet électroluminescent 8 agit comme une unique diode électroluminescente et que le rendement lumineux de cette source est amélioré d’une part par la densité des bâtonnets électroluminescents 8 présents et d’autre part par la taille de la surface éclairante définie par la paroi circonférentielle et qui s’étend donc sur tout le pourtour, et toute la hauteur, du bâtonnet.
La paroi circonférentielle 28 d’un bâtonnet électroluminescent 8, correspondant à la coque 21, peut être recouverte par une couche d’oxyde conducteur transparent (TCO) 29 qui forme l’anode de chaque bâtonnet complémentaire à la cathode formée par le substrat 10. Cette paroi circonférentielle 28 s’étend le long de l’axe longitudinal 22 depuis le substrat 10 jusqu’à la face terminale 26, la distance de la face terminale 26 à la face supérieure 16 du substrat 10, depuis laquelle prennent naissance les bâtonnets électroluminescents 8, définissant la hauteur de chaque bâtonnet. A titre d’exemple, on peut prévoir que la hauteur d’un bâtonnet électroluminescent 8 est comprise entre 1 et 10 micromètres, tandis que l’on peut prévoir que la plus grande dimension transversale de la face terminale, perpendiculairement à l’axe longitudinal 22 du bâtonnet concerné, est inférieure à 2 micromètres. On peut également prévoir de définir la surface d’un bâtonnet, dans un plan de coupe perpendiculaire à cet axe longitudinal 22, dans une plage de valeurs déterminée, et notamment entre 1,96 et 4 micromètres carré.
On comprend que, lors de la formation des bâtonnets électroluminescents 8 du premier ensemble et du deuxième ensemble, la hauteur peut être modifiée d’un ensemble à l’autre, de manière à accroître la luminance de l’un ou l’autre des ensembles lorsque la hauteur moyenne des bâtonnets le constituant est augmentée.
La forme des bâtonnets électroluminescents 8 peut également varier d’un ensemble à l’autre, notamment sur la section des bâtonnets et sur la forme de la face terminale 26. Les bâtonnets électroluminescents 8 peuvent présenter une forme générale cylindrique, et ils peuvent notamment, tel qu’illustré sur la figure 2, présenter une forme de section polygonale, et plus particulièrement hexagonale. On comprend qu’il importe que la lumière puisse être émise à travers la paroi circonférentielle, que celle-ci présente une forme polygonale ou circulaire.
Par ailleurs, la face terminale 26 peut présenter une forme sensiblement plane et perpendiculaire à la paroi circonférentielle, de sorte qu’elle s’étende sensiblement parallèlement à la face supérieure 16 du substrat 10, tel que cela est illustré sur la figure 2, ou bien elle peut présenter une forme bombée ou en pointe en son centre, de manière à multiplier les directions d’émission de la lumière sortant de cette face terminale, tel que cela est illustré sur la figure 3.
Les bâtonnets électroluminescents 8 peuvent être agencés en matrice à deux dimensions. Cet agencement pourrait être tel que les bâtonnets soient agencés en quinconce. De manière générale, les bâtonnets sont disposés à intervalles réguliers sur le substrat 10 et la distance de séparation de deux bâtonnets électroluminescents immédiatement adjacents, dans chacune des dimensions de la matrice, est au minimum égale à 2 micromètres, afin que la lumière émise par la paroi circonférentielle 28 de chaque bâtonnet électroluminescent 8 puisse sortir de la matrice 30 de bâtonnets électroluminescents. Par ailleurs, on peut prévoir que ces distances de séparation, mesurées entre deux axes longitudinaux 22 de bâtonnets adjacents, ne soient pas supérieures à 100 micromètres.
Le module d’émission lumineuse peut comporter en outre, tel qu’illustré sur la figure 3, une couche ou matrice 30 d’un matériau polymère dans laquelle les bâtonnets électroluminescents 8 sont au moins partiellement noyés. La couche 30 peut ainsi s’étendre sur toute l’étendue du substrat ou seulement autour d’un groupe déterminé de bâtonnets électroluminescents 8. Le matériau polymère, qui peut notamment être à base de silicone, crée une couche protectrice qui permet de protéger les bâtonnets électroluminescents 8 sans gêner la diffusion des rayons lumineux. En outre, il est possible d’intégrer dans cette matrice 30 de matériau polymère des moyens de conversion de longueur d’onde, et par exemple un matériau luminescent, aussi appelé luminophore ci-après, apte à absorber au moins une partie des rayons émis par l’un au moins des bâtonnets électroluminescents 8 et à convertir au moins une partie de la lumière d’excitation absorbée en une lumière d’émission ayant une longueur d’onde différente de celle de la lumière d’excitation. De manière plus générale, un matériau luminescent absorbe de la lumière dans un premier domaine de longueurs d’onde et émet de la lumière dans un deuxième domaine de longueurs d’onde distinct du premier domaine, plus large et centré autour d’une longueur d’onde différente. On peut prévoir que le matériau luminescent est noyé dans la matrice 30, ou bien qu’il est disposé en surface de la couche de cette matrice 30.
Parmi les matériaux luminescents, on distingue notamment les matériaux phosphorescents des matériaux luminescents.
Les matériaux fluorescents absorbent de la lumière dans un domaine d’absorption restreint et réémette dans un domaine d’émission plus large et décalé par rapport au domaine d’absorption, tout en assurant un bon rendement de conversion.
Les matériaux phosphorescents quant à eux absorbent la lumière quelle que soit sa longueur d’onde, et réémettent dans un domaine d’émission plus large que celui des matériaux fluorescents. Leurs rendements sont toutefois nettement inférieurs à ceux des matériaux fluorescents.
La source lumineuse peut comporter en outre un revêtement 32 de matériau réfléchissant la lumière qui est disposé entre les bâtonnets électroluminescents 8 pour dévier les rayons initialement orientés vers le substrat, vers la face terminale 26 des bâtonnets électroluminescents 8. En d’autres termes, la face supérieure 16 du substrat 10 peut comporter un moyen réfléchissant qui renvoie les rayons lumineux initialement orientés vers la face supérieure 16, vers la face de sortie du module d’émission lumineuse. Il est ainsi possible de récupérer des rayons lumineux qui autrement seraient perdus. Ce revêtement 32 est disposé entre les bâtonnets électroluminescents 8 sur la couche d’oxyde conducteur transparent 29.
Selon l’invention, la source lumineuse présente un premier ensemble et un deuxième ensemble de bâtonnets électroluminescents émettant dans des domaines de longueur d’onde différents, les premier et deuxième ensembles étant enchevêtrées l’un par rapport à l’autre.
Par « ensembles enchevêtrés », on entend des ensembles mêlés les uns aux autres, qui selon les configurations du module d’émission lumineuse, peuvent être imbriqués ou entrelacés les uns dans les autres. Un enchevêtrement couvre tout agencement de bâtonnets, dans lequel pour au moins un premier segment reliant deux bâtonnets du premier ensemble le premier segment traverse au moins une partie du deuxième ensemble, et dans lequel pour au moins un deuxième segment reliant deux bâtonnets du deuxième ensemble, le deuxième segment traverse au moins une partie du premier ensemble.
Les figures 4a à 4d illustrent des modes de réalisation d’enchevêtrement des premier et deuxième ensembles de bâtonnets électroluminescents 8.
Sur la figure 2 et sur les modes de réalisation des figures 4a à 4d, le module d’émission lumineuse présente globalement une forme rectangulaire, mais on comprendra qu’il peut présenter, sans sortir du contexte de l’invention, d’autres formes générales, et notamment une forme de parallélogramme.
On va à présent décrire plusieurs exemples de réalisation d’enchevêtrement des premier et deuxième ensembles de bâtonnets électroluminescents 8.
Le premier ensemble, référencé 4 sur les figures 4a à 4d, et le deuxième ensemble, référencé 6 sur les figures 4a à 4d, comprennent chacun une pluralité de bâtonnets électroluminescents 8 de dimensions submillimétriques. Sur les exemples des figures 4a à 4c, chacun du premier et du deuxième ensemble comprend plusieurs groupements, appelés groupes ci-après, de bâtonnets électroluminescents 8. Par exemple, deux groupes de bâtonnets du premier ensemble sont séparés par un groupe de bâtonnets du deuxième ensemble, et inversement.
On peut prévoir que la distance de séparation entre un bâtonnet du premier ensemble 4 et un bâtonnet directement adjacent et appartenant au deuxième ensemble 6 soit sensiblement égale à la distance de séparation entre deux bâtonnets électroluminescents d’un même ensemble, cette distance de séparation, mesurée entre deux axes longitudinaux de bâtonnets électroluminescents, étant au minimum égale à 2 micromètres, afin que la lumière émise par la paroi circonférentielle 28 de chaque bâtonnet 8 puisse sortir de la matrice de bâtonnets électroluminescents.
Comme illustré sur les figures 4a à 4d, les ensembles 4 et 6 sont mêlés de façon intrusive, c'est-à-dire que chacun des ensembles est divisé en groupes de bâtonnets, pour les figures 4a à 4c, et que les groupes de bâtonnets du premier ensemble et les groupes de bâtonnets du deuxième ensemble sont alternés selon un motif géométrique. Alternativement, l’alternance entre groupes peut être aléatoire.
Les motifs des figures 4a à 4d peuvent être considérés comme des motifs élémentaires qui peuvent être répétés et/ou combinés.
Les figures 4a et 4b représentent des dispositions régulières, dans lesquelles les groupes de bâtonnets sont des bandes, larges d’un bâtonnet pour la figure 4a, et larges de deux bâtonnets pour la figure 4b. Sur la figure 4a, chaque groupe de bâtonnets du premier ensemble 4 ou du deuxième ensemble 6 comprend quatre bâtonnets électroluminescents, tandis que sur la figure 4b, chaque groupe comprend huit bâtonnets électroluminescents. On pourra prévoir que les groupes de bâtonnets électroluminescents du premier ensemble 4 et les groupes de bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble 6 comprennent des nombres différents de bâtonnets électroluminescents 8.
Sur la figure 4c, les groupes des ensembles 4 et 6 n’ont pas la même taille et présentent chacun un nombre de bâtonnets électroluminescents 8 différent. Les groupes sont disposés les uns autour des autres de sorte qu’un groupe du premier ensemble 4 est entouré de deux groupes du deuxième ensemble 6, et inversement. Dans le cas illustré sur la figure 4c, les strates successives présentent la forme de carrés disposés les uns autour des autres, mais on pourrait prévoir que les bâtonnets électroluminescents soient agencés en groupes sensiblement circulaires et concentriques.
Tel qu’illustré sur la figure 4d, l’enchevêtrement des ensembles 4 et 6 peut être réalisé par des formes intrusives de bâtonnets électroluminescents d’un ensemble à l’intérieur d’une zone propre à l’autre ensemble.
Comme illustré sur les figures 4a à 4d, on peut considérer la distance séparant deux bâtonnets consécutifs dans une direction donnée et appartenant au même ensemble. Une telle distance est maximale lorsque les deux bâtonnets en question sont séparés par des bâtonnets électroluminescents de l’autre ensemble. Cette distance maximale entre deux bâtonnets consécutifs du même ensemble est référencée 54 sur les figures 4a à 4d.
Comme expliqué ci-avant, les bâtonnets électroluminescents du premier ensemble 4 et les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble 6 sont aptes à émettre de la lumière dans des domaines de longueur d’onde différents. Afin d’assurer une bonne synthèse par l’œil, et d’assurer notamment que l’œil ne puisse distinguer les différents groupes, on peut avantageusement prévoir que l’enchevêtrement des premier et deuxième ensembles est tel que les distances 54 soient toujours inférieures à 100 micromètres, correspondant à la résolution optique de l’œil humain). L’invention vise également un procédé de fabrication de la source lumineuse présenté précédemment. A cet effet, le procédé comprend une étape de croissance sur un substrat d’un premier ensemble de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques aptes à émettre dans un premier domaine de longueur d’ondes, et une étape de croissance, sur le même substrat, d’un deuxième ensemble de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueur d’ondes, le premier ensemble et le deuxième ensemble étant enchevêtrés, tel qu’illustré sur les figures 4a à 4d par exemple. Les premier et deuxième domaines de longueurs d’onde sont différents.
Une telle croissance peut être opérée selon une technique connue d’épitaxie, non décrite ci-après. En outre, afin de réaliser l’enchevêtrement, l’étape de croissance du premier ensemble de bâtonnets électroluminescents peut être réalisée à l’aide d’un masque, le masque recouvrant une zone destinée à la croissance ultérieure des bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble.
Selon un premier mode de réalisation, les bâtonnets électroluminescents 8 du premier ensemble 4 sont formés à partir de nitrure de gallium et sont aptes à émettre dans un premier domaine de longueurs d’onde comprenant une longueur d’onde de 445 nanomètres, abrégé nm ci-après, (par exemple le domaine est centré autour de 445 nm) et les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble 6 sont formés à partir de nitrure de gallium dopé et aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueurs d’onde comprenant une longueur d’onde de 467 nm (par exemple, le domaine est centré autour de 467 nm).
De manière optionnelle, selon ce premier mode de réalisation, la matrice 30 peut en outre comprendre un luminophore de type YAG Cérium par exemple, qui absorbe la lumière dans l’ultraviolet et le bleu, et donc la lumière des deux ensembles de bâtonnets, et émet dans le jaune, c'est-à-dire que le domaine d’émission comprend au moins une longueur d’onde comprise entre 573 nm et 584 nm.
La figure 5 illustre un diagramme d’émission de l’énergie lumineuse d’une source lumineuse selon le premier mode de réalisation de l’invention, en fonction de la longueur d’onde.
Comme indiqué ci-dessus, le premier ensemble 4 de bâtonnets électroluminescents 8 est apte à émettre dans un domaine de longueurs d’onde comprenant au moins λιι= 445nm, le deuxième ensemble 6 de bâtonnets électroluminescents 8 est apte à émettre dans un domaine de longueurs d’onde comprenant au moins λι2= 467nm, et le matériau luminescent est apte à émettre dans un domaine de longueurs d’onde centré autour de λ33, λ33 étant compris entre 573 et 584 nm.
Comparativement au diagramme de la figure 1, le spectre du module d’émission lumineuse est beaucoup plus riche, notamment dans les bleus, ce qui permet un éclairage en lumière blanche avec un meilleur rendu des couleurs.
Par ailleurs, l’utilisation de bâtonnets électroluminescents de différentes natures permet d’atteindre un tel enrichissement du spectre de la lumière, tout en permettant un enchevêtrement fin non perceptible par l’œil.
Selon un deuxième mode de réalisation, les bâtonnets électroluminescents du premier ensemble 4 sont formés à partir de nitrure de gallium et sont aptes à émettre dans un premier domaine de longueurs d’onde comprenant une longueur d’onde de 445 nm. Par exemple, le premier domaine est centré autour de 445 nm. En outre, les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble 6 sont formés à partir d’aluminium indium gallium phosphide AlInGaP et aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueurs d’onde comprenant une longueur d’onde supérieure ou égale à 600 nm. Par exemple, le deuxième domaine est centré autour d’une longueur d’onde supérieure ou égale à 600 nm.
De manière optionnelle, selon ce premier mode de réalisation, la matrice 30 peut en outre comprendre un luminophore de type YAG Cérium par exemple, qui absorbe la lumière dans l’ultraviolet et le bleu, et donc la lumière du premier ensemble de bâtonnets électroluminescents, et émet dans le jaune, le domaine d’émission comprend au moins une longueur d’onde comprise entre 573 nm et 584 nm.
La figure 6 illustre un diagramme d’émission de l’énergie lumineuse d’une source lumineuse selon le deuxième mode de réalisation de l’invention, en fonction de la longueur d’onde.
Comme indiqué ci-dessus, le premier ensemble 4 de bâtonnets électroluminescents 8 est apte à émettre dans un domaine de longueurs d’onde comprenant au moins λ2ι= 445nm, le deuxième ensemble 6 de bâtonnets électroluminescents 8 est apte à émettre dans un domaine de longueurs d’onde comprenant au moins λ22>= 600nm, et le matériau luminescent est apte à émettre dans un domaine de longueurs d’onde centré autour de λ23, λ23 étant compris entre 573 et 584 nm.
Comparativement au diagramme de la figure 1, le spectre du module d’émission lumineuse est beaucoup plus riche, notamment dans les rouges, ce qui permet un éclairage en lumière blanche avec un meilleur rendu des couleurs.
Par ailleurs, l’utilisation de bâtonnets électroluminescents de différentes natures permet d’atteindre un tel enrichissement du spectre de la lumière, tout en permettant un enchevêtrement fin non perceptible par l’œil.
En complément, selon le deuxième mode de réalisation de l’invention, la source lumineuse peut en outre comprendre un troisième ensemble de bâtonnets électroluminescents, par exemple formés à partir de nitrure de gallium dopé et aptes à émettre dans un troisième domaine de longueurs d’onde comprenant une longueur d’onde de 467 nm. Par exemple, le troisième domaine est centré autour de 467 nm. Le spectre d’émission est ainsi encore plus enrichi. On peut à cet effet prévoir un enchevêtrement des trois ensembles de bâtonnets électroluminescents.
Selon un troisième mode de réalisation, les bâtonnets électroluminescents du premier ensemble 4 sont formés à partir de nitrure de gallium et aptes à émettre dans un premier domaine de longueurs d’onde comprenant une longueur d’onde de 445 nm. Par exemple, le premier domaine est centré autour de 445 nm. En outre, les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble 6 sont formés à partir d’aluminium indium gallium phosphide AlInGaP aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueurs d’onde comprenant une longueur d’onde comprise entre 573 et 584 nm. Par exemple, le deuxième domaine est centré autour d’une longueur d’onde égale à 580 nm.
Selon ce troisième mode de réalisation, de manière optionnelle, la matrice 30 peut en outre comprendre deux matériaux luminescents, par exemple du sulfure de Strontium dopé à l’Europium et des YAG dopés au Cérium, l’un émettant dans le rouge, soit domaine d’émission de longueurs d’onde comprenant une longueur d’onde égale à 630nm, et l’autre émettant dans le jaune-vert, soit un domaine d’émission de longueurs d’onde comprenant au moins une longueur d’onde égale à 570 nm.
La figure 7 illustre un diagramme d’émission de l’énergie lumineuse d’une source selon le troisième mode de réalisation de l’invention, en fonction de la longueur d’onde.
Comme indiqué ci-dessus, le premier ensemble 4 de bâtonnets électroluminescents 8 est apte à émettre dans un domaine de longueurs d’onde comprenant au moins λ33= 445nm, le deuxième ensemble 6 de bâtonnets électroluminescents 8 est apte à émettre dans un domaine de longueurs d’onde comprenant au moins λ32= 580nm, et les matériaux luminescents sont respectivement aptes à émettre dans un domaine de longueurs d’onde centrés autour de λ33 et λ34, λ33 étant égal à 465nm et λ34 étant égal à 630 nm.
Par exemple, un matériau luminescent apte à émettre dans un domaine de longueurs d’onde centrés autour de 465 nm est la Coumarine 314, qui peut être stabilisée par l’ajout d’un matériau tampon, tel que des hydroxydes de zinc lamellaires, simples ou doubles par exemple, pour être utilisé en solution dans un polymère, tel qu’un polysiloxane. Dans ce cas, l’extrême viscosité du polymère limite avantageusement les risques de fuites de la solution.
Des exemples de matériaux luminescents aptes à émettre dans un domaine de longueurs d’onde centrés autour de 630 nm sont les composés suivants :
SrS:Eu2+, Sr2Si5N8:Eu2+ A nouveau, ces matériaux luminescents peuvent être noyés dans un polysiloxane recouvrant les bâtonnets électroluminescents.
Comparativement au diagramme de la figure 1, le spectre de la source lumineuse est beaucoup plus riche, ce qui permet un éclairage en lumière blanche avec un meilleur rendu des couleurs.
Par ailleurs, l’utilisation de bâtonnets électroluminescents de différentes natures permet d’atteindre un tel enrichissement du spectre de la lumière, tout en permettant un enchevêtrement fin non perceptible par l’œil.
On comprendra des modes de réalisation donnés ci-dessus que d’autres combinaisons de bâtonnets électroluminescents (deux ensembles ou plus) et de matériaux luminescents peuvent être envisagés selon l’invention.
Par exemple, les bâtonnets électroluminescents du premier ensemble sont aptes à émettre nativement de la lumière blanche. Dans ce cas, le deuxième domaine de longueur d’ondes est inclus dans le premier domaine de longueurs d’onde et les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble permettent de renforcer l’éclairage dans le deuxième domaine de longueur d’onde.
Les figures 8a et 8b illustrent deux modules d’émission lumineuse comprenant une source lumineuse selon l’invention et des moyens d’alimentation alternatifs.
Il est à noter que des bâtonnets électroluminescents de natures différentes admettent généralement des tensions d’alimentation distinctes. Il n’est par conséquent pas possible d’alimenter l’ensemble des groupes en parallèle avec un unique générateur de tension.
Selon le schéma de la figure 8a, un premier générateur de tension 81 est dédié à l’alimentation en parallèle des groupes du premier ensemble 4 tandis qu’un deuxième générateur de tension 82 est dédié à l’alimentation en parallèle des groupes du deuxième ensemble 6 (par souci de simplification un seul groupe du deuxième ensemble 6 est représenté sur la figure 8a). Ainsi, les générateurs 81 et 82 peuvent délivrer des tensions différentes.
De manière alternative, il est possible de prévoir un unique générateur de tension 83 pour tous les bâtonnets électroluminescents du module d’émission lumineuse.
Par exemple, dans un exemple simplifié dans lequel la tension d’alimentation des bâtonnets électroluminescents du deuxième groupe 6 est deux fois supérieure à la tension d’alimentation des bâtonnets électroluminescents du premier groupe 4, il peut être prévu de relier deux groupes du premier ensemble en série, et de les alimenter en parallèle avec un groupe du deuxième ensemble 6, tel que cela est représenté sur la figure 8b.
Dans le cas plus général où la tension d’alimentation des bâtonnets électroluminescents du premier ensemble 4 est égal à M et que la tension d’alimentation des bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble 6 est égal à N, on relie ppcm(M,N)/M=j groupes du premier ensembles en série, qu’on alimente en parallèle avec ppcm(M,N)/N=k groupes du deuxième ensemble également connectés en série. Le terme ppcm(M,N) désigne le plus petit commun multiple des tensions M et N.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de réalisation décrits précédemment.

Claims (19)

  1. REVENDICATIONS
    1. Source lumineuse à semi-conducteurs comprenant au moins un premier ensemble (4) de bâtonnets électroluminescents (8) de dimensions submillimétriques et un deuxième ensemble (6) de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques, lesdits bâtonnets électroluminescents du premier ensemble étant aptes à émettre dans un premier domaine de longueurs d’onde et lesdits bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble étant aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueurs d’onde, ledit deuxième domaine étant différent du premier domaine, dans lequel le premier ensemble de bâtonnets et le deuxième ensemble de bâtonnets sont enchevêtrés, comprenant en outre une matrice (30) comprenant au moins un premier matériau luminescent, au moins une partie des bâtonnets électroluminescents (8) étant immergés dans ladite matrice et ledit premier matériau luminescent étant apte à absorber de la lumière dans un spectre d’absorption comprenant au moins une longueur d’onde du premier domaine ou du deuxième domaine et apte à émettre de la lumière dans un troisième domaine de longueur d’onde, le troisième domaine étant différent du premier domaine et du deuxième domaine.
  2. 2. Source lumineuse selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau luminescent est un matériau fluorescent.
  3. 3. Source lumineuse selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les bâtonnets électroluminescents (8) du premier ensemble (4) et les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble (6) sont enchevêtrés par alternances de groupes de bâtonnets du premier ensemble et de groupes de bâtonnets du deuxième ensemble,
  4. 4. Source lumineuse selon la revendication 3, dans lequel les bâtonnets électroluminescents de chaque groupe sont répartis selon un unique motif géométrique.
  5. 5. Source lumineuse selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les bâtonnets électroluminescents (8) du premier ensemble (4) et les bâtonnets électroluminescents du deuxième ensemble (6) sont enchevêtrés de manière aléatoire.
  6. 6. Source lumineuse selon l’une des revendications précédentes, dans lequel deux bâtonnets (8) consécutifs dans une direction donnée d’un même ensemble et séparés par au moins un bâtonnet électroluminescent de l’autre ensemble, sont séparés d’une distance inférieure à 100 micromètres.
  7. 7. Source lumineuse selon la revendication 6 et la revendication 3, dans lequel les groupes de bâtonnets électroluminescents (8) du premier ensemble (4) et du deuxième ensemble (6) sont alternés avec un pas inférieur à 100 micromètres.
  8. 8. Source lumineuse selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier domaine de longueurs d’onde comprend une longueur onde de 445 nanomètres, et dans lequel le deuxième domaine de longueurs d’onde comprend une longueur d’onde de 467 nm.
  9. 9. Source lumineuse selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le premier domaine de longueurs d’onde comprend une longueur d’onde de 445 nm, et dans lequel le deuxième domaine de longueurs d’onde comprend une longueur d’onde supérieure ou égale à 600 nm.
  10. 10. Source lumineuse selon la revendication 8 ou 9 et selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau luminescent comprend un luminophore de type YAG cérium ayant un domaine d’émission comprenant au moins une longueur d’onde comprise entre 573 nm et 584 nm.
  11. 11. Source lumineuse selon la revendication 10 et selon la revendication 9, comprenant en outre un troisième ensemble de bâtonnets électroluminescents (8) aptes à émettre dans un troisième domaine de longueurs d’onde, le troisième domaine de longueurs d’onde comprend une longueur d’onde de 467 nm.
  12. 12. Source lumineuse selon la revendication 2 ou selon l’une des revendications 2 à 7 en combinaison avec la revendication 1, dans lequel le premier domaine de longueurs d’onde comprend une longueur onde de 445 nanomètres, dans lequel le deuxième domaine de longueurs d’onde comprend une longueur d’onde comprise entre 573 et 584 ΏΙΏ ; dans lequel la matrice (30) comprend en outre un deuxième matériau luminescent étant apte à absorber de la lumière dans un spectre d’absorption comprenant au moins une longueur d’onde du premier domaine ou du deuxième domaine et apte à émettre de la lumière dans un quatrième domaine de longueur d’onde comprenant une longueur d’onde de 465nm.
  13. 13. Module d’émission lumineuse pour véhicule automobile comprenant une source lumineuse selon l’une des revendications 1 à 12.
  14. 14. Module d’émission lumineuse selon la revendication 13, comprenant en outre un premier générateur de tension (81) apte à alimenter le premier ensemble de bâtonnets électroluminescents et un deuxième générateur· de tension (82) apte à alimenter le deuxième ensemble de bâtonnets électroluminescents.
  15. 15. Module d’émission lumineuse selon la revendication 13, comprenant une source lumineuse selon l’une des revendications 4 ou 5 et comprenant en outre un générateur de tension (83), dans lequel j groupes du premier ensemble (4) sont placés en série et alimentés en parallèle avec k groupes du deuxième ensemble (6), j et k étant défini de manière à ce que le produit de j par la tension nominale d’un groupe du premier ensemble soit sensiblement égal au produit de k par- la tension nominale d’un groupe du deuxième ensemble.
  16. 16. Module d’émission lumineuse selon l’une des revendications 14 et 15, comprenant en outre une optique de mise en forme apte à recevoir la lumière issue de la source lumineuse et à former un faisceau lumineux.
  17. 17. Dispositif d’émission lumineuse, comprenant au moins un module lumineux selon l’une des revendications 13 à 16 de manière à former au moins une partie d’un faisceau lumineux.
  18. 18. Dispositif d’émission lumineuse selon la revendication 17, comprenant en outre un boîtier et une glace de fermeture coopérant l’un avec l’autre pour délimiter intérieurement une cavité comprenant le module d’émission lumineuse.
  19. 19. Procédé de fabrication d’une source lumineuse à semi-conducteurs, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : croissance, sur un substrat, d’un premier ensemble (4) de bâtonnets électroluminescents (8) de dimensions submillimétriques aptes à émettre dans un premier domaine de longueurs d’onde ; croissance, sur ledit substrat, d’un deuxième ensemble (6) de bâtonnets électroluminescents de dimensions submillimétriques aptes à émettre dans un deuxième domaine de longueurs d’onde, ledit deuxième domaine étant différent du premier domaine, dans lequel le premier ensemble de bâtonnets et le deuxième ensemble de bâtonnets sont enchevêtrés.
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