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CHALLENGING BOUNDARIES 1 Luminophores à base de terres rares pour léclairage et laffichage Patrick MAESTRO Directeur Scientifique, RHODIA Collège de France.

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2 CHALLENGING BOUNDARIES 1 Luminophores à base de terres rares pour léclairage et laffichage Patrick MAESTRO Directeur Scientifique, RHODIA Collège de France 14 Mars 2005

3 CHALLENGING BOUNDARIES 2 Table des Matières Introduction Technologies de léclairage Lampes trichromatiques Lampes planes à décharge Xénon LED Technologies de l'affichage Plasma LCD Conclusions

4 CHALLENGING BOUNDARIES 3 TERRES RARES : ELEMENTS CLES POUR LUMINOPHORES

5 CHALLENGING BOUNDARIES 4 Applications électroniques Séparationpurification Elaboration et développement de spécialités Matériaux Catalyse et dépollution Minerai Du minerai aux spécialités… Concentrés bruts

6 CHALLENGING BOUNDARIES 5 LUMINOPHORES UV excitation ON OFF 5 ON OFF ON OFF

7 CHALLENGING BOUNDARIES 6 ApplicationExcitationBleuVertRouge CRT (Electronique)<10kVZnS:Ag + ZnS:Cu +,Al 3+ ZnS:Au +,Cu +,Al 3+ Y 2 O 2 S:Eu 3+ FED (Electronique) Basse TensionZnS:Cu +,Al 3+ SrGa 2 S 4 :Eu 2+ Y 2 O 3 :Eu 3+ PDP (Photonique)147/172nmBaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ Zn 2 SiO 4 :Mn 2+ (Y,Gd)BO 3 :Tb 3+ (Y,Gd)BO 3 :Eu 3+ Trichromatique Hg (Photonique) 254nm (LPVM) (Sr,Ca) 10 (PO 4 ) 6 (Cl,F) 2 :Sb 3+,Mn 2+ BaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ (Ba,Sr)MgAl 10 O 17 :Eu 2+,Mn 2+ LaPO 4 :Ce 3+,Tb 3+ (Ce,Tb)MgAl GdMgB 5 O 10 :Ce 3+,Tb 3 Y 2 O 3 :Eu nm (HPVM)/ Mg 28 Ge 7,5 O 38 F 10 :Mn 4+ Y(P,V)O 4 :Eu 3+ (Sr,Mg) 3 (PO 4 ) 2 :Sn 2+ Hg-Free (Photonique) 172 nmBaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ LaPO 4 :Tb 3+ (Y,Gd)BO 3 :Eu 3+ LED (Photonique)440/460nm (Y,Gd) 3 (Al,Ga) 5 O 12 :Ce 3+ / (Ba,Sr,Ca)Si 2 O 4 :Eu 2+ /SrGa 2 S 4 :Eu 2+ SrS:Eu 2+ Sr 2 Si 5 N 8 :Eu /420nmBaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ SrGa 2 S 4 :Eu 2+ BMS:Eu 2+,Mn 2+ ? Luminophores pour la visualisation et léclairage classique

8 CHALLENGING BOUNDARIES 7 ApplicationExcitationBleuVertRouge Lampe à bronzer ou pour photothérapie 254nm SrAl :Ce 3+,Mg 2+ (300nm) : érythème Ba 2 SiO 5 :Pb 2+ (350nm) : long durée SrB 4 O 7 :Eu 2+ (380nm) : pigmentation GdBO 3 :Pr 3+ (312nm) (La,Gd)B 3 O 6 :Pr 3+ (312nm) : psoriasis Sr 2 P 2 O 7 :Eu 2+ (420nm) : traitement du sang Ecran Intensificateur RX Imagerie Médicale RX CaWO 4 Gd 2 O 2 S:Tb 3+ LaOBr:Tm 3+ + YTaO 4 :Nb : Radiographie classique BaFCl:Eu 2+ : Photostimulable Storage screen CsI:Tl CdWO 4 (Y,Gd) 2 O 3 :Eu,Pr Gd 2 O 2 S:Pr,Ce Gd 3 Ga 5 O 12 :Cr,Ce : Tomography Scintillateur Comptage et Imagerie Haute énergieBi 4 Ge 3 O 12 NaI:Tl + (Lu/Gd) 2 SiO 5 :Ce 3+ YAlO 3 :Ce 3+ BaF 2 :Ce 3+ (Cd/Zn)WO 4 Ecran CRT projection> 20kVZnS:Ag + ZnS:Cu + Y 3 (Al,Ga) 5 O 12 :Tb 3+ Y 2 SiO 5 :Tb 3+ Gd 2 O 2 S:Tb 3+ LaOBr:Tb 3+ Y 2 O 3 :Eu 3+ PhosphorescenceUV-Visible ZnS:Cu + CaAl :Eu 2+,Nd 3+ SrAl :Eu 2+,Dy 3+ Y 2 O 2 S:Eu 3+,Mg,Ti Luminophores pour autres applications

9 CHALLENGING BOUNDARIES 8 Technologies de l'éclairage solid state LED

10 CHALLENGING BOUNDARIES 9 Critères de choix dun dispositif d éclairage Il existe des systèmes déclairage 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 léclairage Dispositif dalimentation électrique

11 CHALLENGING BOUNDARIES 10 PERFORMANCE DES TECHNOLOGIES D'ECLAIRAGE White LED High Pressure Sodium Metal Halide Mercury Vapor Tungsten Halogen Conventional Incandescent Shaped Reflectors Halophosphate Fluorescent RE Fluorescent Fluorescent Electrical Discharge Incandescent Coût énergétique $/M lm hr

12 CHALLENGING BOUNDARIES 11 LAMPE TRICHROMATIQUE Luminophores Rouge, Vert et Bleu Electrode Verre Revêtement Al2O3 Mercury line emission: 12%185 nm 85%254 nm 3%rest (UV+visible)

13 CHALLENGING BOUNDARIES 12 LUMINOPHORES POUR LAMPES TRICHROMATIQUES YearPhosphor 1960Ca 5 (PO 4 ) 3 Cl:Sb 3+,Mn 2+ (white) 1974BaMg 2 Al 16 O 27 :Eu 2+ CeMgAl 10 O 19 :Tb 3+ Y 2 O 3 :Eu BaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ (B) (Sr,Ca) 5 (PO 4 ) 3 Cl:Eu 2+ (La,Ce)PO 4 :Tb 3+ CeMgAl 10 O 19 :Tb 3+ (Gd,Ce)MgB 5 O 10 :Tb 3+ Y 2 O 3 :Eu BaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ (B)(La,Ce)PO 4 :Tb 3+ Y 2 O 3 :Eu 3+ 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

14 CHALLENGING BOUNDARIES 13 ÂMELIORATION DES LUMINOPHORES POUR LAMPES TRICHROMATIQUES 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

15 CHALLENGING BOUNDARIES 14 Pour la technologie des lampes trichromatiques à vapeur de mercure, les luminophores actuels sont optimisés et il ny a pas de besoin de « nouvelles molécules » Lévolution 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 TRICHROMATIQUES

16 CHALLENGING BOUNDARIES 15 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 Xe 2 * 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-e- Xe Xe * 2 Xe e-e- + Xe * 2

17 CHALLENGING BOUNDARIES 16 LUMINOPHORES Bleu : BaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ Vert : LaPO 4 :Tb 3+ / (Y,Gd)BO 3 :Tb 3+ Rouge : (Y,Gd)BO 3 :Eu 3+ 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

18 CHALLENGING BOUNDARIES 17 DIODES (LED): le futur de l'éclairage ? Lampe fluorescente Lampe à incandescence Diodes (LED) * Pertes thermiques 100W génèrent seulement 18W de lumière Elimination des pertes thermiques * 55% de l'énergie sont perdus lors 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

19 CHALLENGING BOUNDARIES 18 Structure d'une LED blanche

20 CHALLENGING BOUNDARIES 19

21 CHALLENGING BOUNDARIES 20 Performance des LEDS

22 CHALLENGING BOUNDARIES 21 WLEDs will enter the general lighting in Market lighting in water and edifice mansion special lighting General lighting street lighting and outdoor lighting General lighting Office lighting and indoor lighting 2006; 70 lm/W 40 yen/piece 2002; 20 lm/W 100 yen/piece lm/yen

23 CHALLENGING BOUNDARIES 22 Applications actuelles des LED

24 CHALLENGING BOUNDARIES 23 Applications émergentes des WLED

25 CHALLENGING BOUNDARIES 24 Future applications of WLED: Automotive headlights

26 CHALLENGING BOUNDARIES 25 Lumière blanche via LED: options possibles

27 CHALLENGING BOUNDARIES 26 Table des Matières Introduction Marché et technologie déclairage Lampes trichromatiques Lampes planes à décharge Xénon LED Marché et technologie des Displays Plasma LCD FED Conclusion

28 CHALLENGING BOUNDARIES 27 STRUCTURE D'UN ECRAN PLASMA

29 CHALLENGING BOUNDARIES 28 PLASMA DISPLAY PANEL GAS EXCITATION SPECTRUM (Ne/Xe) 147 nm 173 nm

30 CHALLENGING BOUNDARIES 29 SPECIFICATION DES LUMINOPHORES POUR PLASMA Couleur d'émission (x,y) Rouge(610 nm) Vert (520 nm) Bleu (450 nm) Efficacité la plus élevée possible ! Temps de déclin pour résolution élevée (TV) < 5 ms Stabilité sous excitation durée de vie en application > heures Taille et forme des particules à optimiser selon procédé de dépôt

31 CHALLENGING BOUNDARIES 30 LUMINOPHORES POUR PDP Rouge Rouge : Y 2 O 3 : Eu 3+ ; YGdBO 3 : Eu 3+ ; YPVO 4 : Eu 3+ Vert Vert : Zn 2 SiO 4 : Mn ; BaAl 12 O 19 : Mn ; YGdBO 3 : Tb Bleu Bleu : BaMgAl 10 O 17 : Eu 2+ ; BaMgAl 14 O 23 : Eu 2+ Mais des nouveaux composés ont récemment été proposés: Bleu Bleu : CaMgSi 2 O 6 : Eu 2+ ; Sr 3 Al 10 SiO 20 : Eu 2+ Rouge Rouge: Y,Gd(P,V)O4 : Eu 3+ Technologie dynamique, toujours à la recherche de nouveaux luminophores améliorés

32 CHALLENGING BOUNDARIES 31 Structure d'un écran LCD

33 CHALLENGING BOUNDARIES 32 Eclairage arrière pour LCD Différentes technologies sont en compétition pour cette fonction: Aujourdhui lampes trichromatiques LED blanches pour petits formats, à létude pour les tailles plus grandes Lampes planes en développement Les spécifications requises sont exigeantes: Brillance au centre > 10,000cd/m 2 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 déclairage performants sont possible grâce à la combinaison de dispositifs spéciaux et de luminophores particuliers

34 CHALLENGING BOUNDARIES 33 Comparaison des dispositifs de backlighting pour LCD

35 CHALLENGING BOUNDARIES 34 Conclusion Les deux marchés qui drivent les besoins en luminophores de grand volume sont léclairage et les dispositifs daffichage En éclairage, les LED peuvent constituer une solution davenir, utilisent des quantités très faibles de luminophores, et une nouvelle technologie déclairage peut émerger (lampe plate) Pour les displays, on peut assister à des ruptures: Les OLED, surtout et dabord en petite taille, Les dispositifs à projection en grande taille qui peuvent modifier les besoins du futur en luminophores


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