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1 CHALLENGING BOUNDARIES

Luminophores à base de terres rares pour l’éclairage et l’affichage

Patrick MAESTRODirecteur Scientifique, RHODIA

Collège de France14 Mars 2005


Table des Matières

• Introduction

• Technologies de l’éclairage

• Lampes trichromatiques• Lampes planes à décharge Xénon• LED

• Technologies de l'affichage

• Plasma• LCD

• Conclusions


TERRES RARES : ELEMENTS CLES POUR LUMINOPHORES


Applications électroniquesApplications électroniques

SéparationSéparationpurificationpurification

Elaboration etdéveloppementde spécialités

MatériauxMatériaux

Catalyse et dépollutionCatalyse et dépollution

Minerai

Du minerai aux spécialités…

Concentrésbruts


LUMINOPHORES

UV excitation

ON

OFF

5

ON

OFF

ON

OFF


Application Excitation Bleu Vert Rouge

CRT (Electronique) <10kV ZnS:Ag+ ZnS:Cu+,Al3+

ZnS:Au+,Cu+,Al3+Y2O2S:Eu3+

FED(Electronique)

Basse Tension ZnS:Cu+,Al3+ SrGa2S4:Eu2+ Y2O3:Eu3+

PDP (Photonique) 147/172nm BaMgAl10O17:Eu2+Zn2SiO4:Mn2+

(Y,Gd)BO3:Tb3+(Y,Gd)BO3:Eu3+

Trichromatique Hg

(Photonique)254nm (LPVM)

(Sr,Ca)10(PO4)6(Cl,F)2:Sb3+,Mn2+

BaMgAl10O17:Eu2+

(Ba,Sr)MgAl10O17:Eu2+,Mn2+

LaPO4:Ce3+,Tb3+

(Ce,Tb)MgAl11019

GdMgB5O10:Ce3+,Tb3

Y2O3:Eu3+

365nm (HPVM) /

Mg28Ge 7,5O38F10:Mn4+

Y(P,V)O4:Eu3+

(Sr,Mg)3(PO4)2:Sn2+

Hg-Free (Photonique) 172 nm BaMgAl10O17:Eu2+ LaPO4:Tb3+ (Y,Gd)BO3:Eu3+

LED(Photonique) 440/460nm

(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce3+ / (Ba,Sr,Ca)Si2O4:Eu2+

/ SrGa2S4:Eu2+ SrS:Eu2+

Sr2Si5N8:Eu2+

370/420nm BaMgAl10O17:Eu2+ SrGa2S4:Eu2+ BMS:Eu2+,Mn2+ ?

Luminophores pour la visualisation et l’éclairage classique


Application Excitation Bleu Vert Rouge

Lampe à bronzer ou pour photothérapie

254nm

SrAl12019:Ce3+,Mg2+ (300nm) : érythèmeBa2SiO5:Pb2+ (350nm) : long duréeSrB4O7:Eu2+ (380nm) : pigmentationGdBO3:Pr3+ (312nm) (La,Gd)B3O6:Pr3+ (312nm) : psoriasisSr2P2O7:Eu2+ (420nm) : traitement du sang

EcranIntensificateur RXImagerie Médicale

RXCaWO4 Gd2O2S:Tb3+ LaOBr:Tm3+ + YTaO4:Nb : Radiographie classiqueBaFCl:Eu2+ : Photostimulable Storage screenCsI:Tl CdWO4 (Y,Gd)2O3:Eu,Pr Gd2O2S:Pr,Ce Gd3Ga5O12:Cr,Ce : Tomography

Scintillateur Comptage et Imagerie

Haute énergie Bi4Ge3O12 NaI:Tl+ (Lu/Gd)2SiO5:Ce3+ YAlO3:Ce3+ BaF2:Ce3+ (Cd/Zn)WO4

Ecran CRT projection > 20kV ZnS:Ag+

ZnS:Cu+

Y3(Al,Ga)5O12:Tb3+

Y2SiO5:Tb3+

Gd2O2S:Tb3+

LaOBr:Tb3+

Y2O3:Eu3+

Phosphorescence UV-VisibleZnS:Cu+

CaAl204:Eu2+,Nd3+ SrAl204:Eu2+,Dy3+ Y2O2S:Eu3+,Mg,Ti

Luminophores pour autres applications


Technologies de l'éclairage

solid state LED


Critères de choix d’un dispositif d’ éclairage

• Il existe des systèmes d’éclairage variés en fonction des besoins et des applications; les principaux critères de sélection sont les suivants:

• Coût

• Efficacité en lm/W

• Longévité

• Rendu des couleurs

• Température de couleur

• Directionnalité de l’éclairage

• Dispositif d’alimentation électrique


PERFORMANCE DES TECHNOLOGIES D'ECLAIRAGE

0

20

40

60

80

100

120

140

1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

YEAR

Luminous Efficiency (lm/W)

White LED

High Pressure Sodium

Metal Halide

Mercury Vapor

Tungsten Halogen

Conventional Incandescent

Shaped Reflectors

HalophosphateFluorescent

RE FluorescentFluorescent

Electrical Discharge

Incandescent

Coût énergétique$/M lm hr

1.7

1.1

1.5

5.7

8.0


LAMPE TRICHROMATIQUE

LuminophoresRouge, Vert et Bleu

Electrode

Verre

RevêtementAl2O3

Mercury line emission:

12% 185 nm

85% 254 nm

3% rest (UV+visible)


LUMINOPHORES POUR LAMPES TRICHROMATIQUES Year Phosphor

1960 Ca5(PO4)3Cl:Sb3+,Mn2+ (white)

1974 BaMg2Al16O27:Eu2+ CeMgAl10O19:Tb3+ Y2O3:Eu3+

1990 BaMgAl10O17:Eu2+ (B)

(Sr,Ca)5(PO4)3Cl:Eu2+

(La,Ce)PO4:Tb3+

CeMgAl10O19:Tb3+

(Gd,Ce)MgB5O10:Tb3+

Y2O3:Eu3+

2005 BaMgAl10O17:Eu2+ (B) (La,Ce)PO4:Tb3+ Y2O3:Eu3+

Revêtement réflecteur en Alumine

La couleur d'émission est fonction de la quantité de chaque luminophore et varie

selon les habitudes des pays

Luminophores aux terres rares

2700K : pas besoin de bleu

6500K : le bleu est nécessaire


ÂMELIORATION DES LUMINOPHORES POUR LAMPES ÂMELIORATION DES LUMINOPHORES POUR LAMPES TRICHROMATIQUESTRICHROMATIQUES

La recherche sur le marché des lampes trichromatiques est guidée par l'augmentation de la performance et la diminution du coût :

• Des luminophores avec une efficacité améliorée pour augmenter la brillance intrinsèque

• Un meilleur contrôle du revêtement via la morphologie et la distribution des tailles de particules

• Un plus petit diamètre des tubes, avec une puissance plus importante, induisant des problèmes potentiels de stabilité et d'interaction avec la vapeur de mercure


• Pour la technologie des lampes trichromatiques à vapeur de mercure, les luminophores actuels sont optimisés et il n’y a pas de besoin de « nouvelles molécules »

• L’évolution vers de nouvelles lampes est conditionné à un nouveau système de décharge, si possible dans la zone 350 nm- 400 nm, sans mercure, mais qui reste à mettre au point

• Dans ce cas, de nouveaux besoins en luminophores devraient apparaître

ÂMELIORATION DES LUMINOPHORES POUR LAMPES ÂMELIORATION DES LUMINOPHORES POUR LAMPES TRICHROMATIQUESTRICHROMATIQUES


Phosphor

Dielectric barrier

Reflector

Anode

Cathode

Bottom glass

Frame

Top glass

Spacer

PLANON : LAMPE PLANE SANS MERCURE

PLANON® generates light using pulsed dielectric barrier discharge.

A suitable voltage is applied to the electrode system of the lamp

from the outside. It excites xenon atoms in the gas chamber and

enables the formation of excited Xe2* molecules, mainly at 173 nm

UV-radiation is transformed into visible light by phosphors

UV Radiation

Top glass

+++ h·

Xenon gas

Glass

Light

+

Anode

Phosphor

Barrier layer

Cathode

e-

Xe XeXe*2

Xe e-Xe + Xe*2


LUMINOPHORES

Bleu : BaMgAl10O17:Eu2+

Vert : LaPO4:Tb3+ / (Y,Gd)BO3:Tb3+

Rouge : (Y,Gd)BO3:Eu3+

AVANTAGES

Respectueux de l'environnement (Sans mercure)

Système plat

Eclairage arrière pour applications industrielles (transports publics p. e. )

Longue durée de vie, jusqu'à 100,000 h

Puissance du circuit inférieure à 35 W pour une lampe de 15” de diagonale

PROBLEMES

Faible luminance (20 lm/W max)

Coût

Limitation en taille

PLANON : LAMPE PLANE SANS MERCURE


DIODES (LED): le futur de l'éclairage ?

19951970Hg

Lampe fluorescenteLampe à incandescence

Diodes (LED)

* Pertes thermiques•100W génèrent seulement 18W de lumière

•Elimination des pertes thermiques•* 55% de l'énergie sont perduslors de la conversion de l'UV en photons visibles

Energy saving

* 35% de l'énergie sont Perdus lors de la conversion de l'excitation UV en photons visibles

Adantages des LEDs : puissance électrique, brillance, pureté de couleur, taille, durée de vie, sans mercure


Structure d'une LED blanche


Performance des LEDS


WLEDs will enter the general lighting in 2006-2007 WLEDs will enter the general lighting in 2006-2007

Mark

etM

arket

lighting in water and edifice mansionlighting in water and edifice mansionspecial lightingspecial lighting

General lightingstreet lighting and outdoor lighting

General lightingstreet lighting and outdoor lighting

General lighting

Office lighting and indoor lighting

General lighting

Office lighting and indoor lighting2006; 70 lm/W

40 yen/piece2006; 70 lm/W

40 yen/piece

2002; 20 lm/W

100 yen/piece

2002; 20 lm/W

100 yen/piece

lm/yenlm/yen


Applications actuelles des LED


Applications émergentes des WLED


Future applications of WLED: Automotive headlights


Lumière blanche via LED: options possibles


Table des Matières

• Introduction

• Marché et technologie d’éclairage

• Lampes trichromatiques• Lampes planes à décharge Xénon• LED

• Marché et technologie des Displays

• Plasma• LCD• FED

• Conclusion


STRUCTURE D'UN ECRAN PLASMA

Back panel

Front panel

Electrods

Electrods

Black matrix

Rib

Diélectric layer

One Pixel

Window

Phosphors

x1 x2 x3 x4 x5

y1

y2

Dielectric layer

Electrod x Phosphors

Phosphor emission

Gaz (Ne-Xe)

1) Electric discharge

2) Plasma formation

3) Phosphor excitation

Back panel

Front panel

Electrod y


PLASMA DISPLAY PANEL GAS EXCITATION SPECTRUM PLASMA DISPLAY PANEL GAS EXCITATION SPECTRUM (Ne/Xe)(Ne/Xe)

147 nm173 nm


SPECIFICATION DES LUMINOPHORES POUR PLASMASPECIFICATION DES LUMINOPHORES POUR PLASMA

Couleur d'émission (x,y)Rouge(610 nm) Vert (520 nm) Bleu (450 nm)

Efficacitéla plus élevée possible !

Temps de déclinpour résolution élevée (TV) < 5 ms

Stabilité sous excitationdurée de vie en application > 30000 heures

Taille et forme des particulesà optimiser selon procédé de dépôt


LUMINOPHORES POUR PDPLUMINOPHORES POUR PDP

• RougeRouge : Y2O3 : Eu3+ ; YGdBO3 : Eu3+ ; YPVO4 : Eu3+

• VertVert : Zn2SiO4 : Mn ; BaAl12O19 : Mn ; YGdBO3 : Tb

• BleuBleu : BaMgAl10O17 : Eu2+ ; BaMgAl14O23 : Eu2+

Mais des nouveaux composés ont récemment été proposés:

• BleuBleu : CaMgSi2O6 : Eu2+ ; Sr3Al10SiO20 : Eu2+

• RougeRouge: Y,Gd(P,V)O4 : Eu3+

Technologie dynamique, toujours à la recherche de nouveaux luminophores améliorés


Back l i ght source

Gl ass Substrate

R G B Col or Fi l ter

I TO

Gl ass Substrate

Pi xel -TFT

Spacer

B. M.

Pol ar i zer

Pol ar i zer

A. F

A. F

LC

ONOFF OFF OFFOFFON

Ref l ect i ng Mi r r or

Fl uor esce TubeBack Li ght

Di f f us i on Layer

Structure d'un écran LCD


Eclairage arrière pour LCD

Différentes technologies sont en compétition pour cette fonction:• Aujourd’hui lampes trichromatiques

• LED blanches pour petits formats, à l’étude pour les tailles plus grandes

• Lampes planes en développement

Les spécifications requises sont exigeantes:• Brillance au centre > 10,000cd/m2 avec uniformité > 75%

• Température de couleur de 10,000°K

• Durée de vie > 50,000 heures

• Faible consommation

• Epaisseur réduite > 25 mm

Ces nouveaux modules d’éclairage performants sont possible grâce à la combinaison de dispositifs spéciaux et de luminophores particuliers


Comparaison des dispositifs de backlighting pour LCD


Conclusion

Les deux marchés qui drivent les besoins en luminophores de grand volume sont l’éclairage et les dispositifs d’affichage

• En éclairage, les LED peuvent constituer une solution d’avenir, utilisent des quantités très faibles de luminophores, et une nouvelle technologie d’éclairage peut émerger (lampe plate)

• Pour les displays, on peut assister à des ruptures:• Les OLED, surtout et d’abord en petite taille ,

• Les dispositifs à projection en grande taille

qui peuvent modifier les besoins du futur en luminophores

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