Brevet FR3025022A1 — publié le 20160226

- 1 - PROCEDE DE CONVERSION DE LA TEMPERATURE DE COULEUR D'UN SYSTEME D'ECLAIRAGE LED A LUMIERE BLANCHE Domaine de l'invention La présente invention se rapporte au domaine des dispositifs optoélectroniques destinés notamment à l'éclairage en lumière blanche, notamment pour des applications domestiques ou d'éclairage public. Elle concerne plus précisément des diodes électroluminescentes et leur procédé de fabrication. Une diode électroluminescente (DEL), plus connue sous la dénomination anglaise light emitting diode (LED), est un composant électronique capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est parcouru par un courant électrique. Dans sa réalisation la plus simple, une LED comprend un semi-conducteur inclus dans une enveloppe externe (ou capot) éventuellement surmontée d'un élément optique, et des connexions pour l'alimentation électrique. Les LEDs les plus répandues émettent une lumière visible de couleur bleue, verte ou rouge, et les LEDs dites blanches sont généralement des LEDs à lumière bleue recouvertes d'une couche d'enrobage composée en partie de luminophores à base de phosphore jaune. Parfois, plusieurs LEDs sont réunies sur un circuit imprimé et sont associées à une lentille hémisphérique placée à l'avant des LEDs. L'invention se rapporte plus particulièrement à la conception d'un système d'éclairage fournissant une lumière blanche, dont la température de couleur est du type « blanc chaud », à partir d'une source d'éclairage fournissant une lumière blanche, dont la température de couleur est du type « blanc froid ». Par « température de couleur » d'une lumière, on 35 entend la température de couleur équivalente évaluée, comme 3025022 - 2 - cela est bien connu, tout comme les coordonnées chromatiques (x,y), à partir du spectre de la lumière dans un diagramme chromatique de référence de la Commission Internationale de l'Eclairage. La température de couleur d'une source de lumière 5 est définie à partir de la température absolue exprimée en Kelvin, du rayonnement d'un corps noir chauffé (de 2000 K à 10000 K), et possédant un spectre d'émission similaire à celui de la source de lumière. Les sources ayant une faible température, inférieure à 4000 K, présentent une couleur 10 tirant vers le jaune et le rouge, appelée « couleur chaude ». A l'inverse, les sources ayant une température élevée, supérieure à 4000 K, présentent une couleur tirant vers le bleu, appelée « couleur froide ». 15 Etat de la technique On connaît en particulier dans l'état de la technique la demande de brevet internationale WO 2013020415 décrivant une lentille appliquée à une lampe à diodes 20 électroluminescentes (LED) comprenant un corps de lentille dans lequel est agencé un logement de source lumineuse à LED. Le logement de la source lumineuse à LED comporte une face d'incidence latérale et une face d'incidence de fond, la face d'incidence latérale et la face d'incidence de fond permettant 25 à la lumière de pénétrer dans le corps de lentille. Un revêtement de poudre fluorescente à base de terres rares ou un revêtement de poudre fluorescente à points quantiques est appliqué à la fois sur la face d'incidence latérale et la face d'incidence de fond. Une LED à lumière 30 bleue est disposée dans le logement de source lumineuse à LED d'une lentille combinée unique ou d'une pluralité de lentilles combinées de manière à obtenir divers types de lumières blanches. En cas d'utilisation de la poudre fluorescente à points quantiques, une lumière blanche peut être convertie 3025022 - 3 - avec un rendement élevé en une lumière blanche chaude à fort rendement lumineux. On connaît aussi la demande internationale WO 5 2009146266 décrivant un dispositif optique capable de générer une lumière chaude à l'aide d'une matrice d'îlots de luminophore situés par-dessus une couche de luminophore. Le dispositif comprend un émetteur à l'état solide, une couche de luminophore et des îlots de luminophore. Dans un aspect de 10 l'invention, l'émetteur à l'état solide est une diode électroluminescente ("LED") capable de convertir une énergie électrique en lumière optique. La couche de luminophore est disposée par-dessus l'émetteur à l'état solide en vue de générer une lumière froide brillante en réponse à la lumière 15 optique. Des îlots multiples de luminophore sont disposés sur la couche de luminophore afin de convertir la lumière froide en lumière chaude, les îlots de luminophore étant répartis régulièrement sur l'étendue de la couche de luminophore. Le brevet européen EP1566848 décrit une autre 20 solution de l'art antérieur, constituée par un dispositif émetteur de lumière à semi-conducteur converti avec au moins deux matériaux de longueur d'onde convertissant la longueur d'onde de conversion de matériaux dans le dispositif sont agencés par rapport au dispositif d'émission de lumière et par 25 rapport à l'autre pour adapter l'interaction entre les différentes longueurs d'ondes de conversion de matériaux de manière à maximiser une ou plus de l'équivalent lumineux, l'indice de rendu des couleurs, et la gamme de couleurs de la lumière visible combinée émise par le dispositif. 30 Le brevet européenne EP2446488 décrit une diode électroluminescente (DEL) qui comprend un semi-conducteur contenu dans la cavité d'un support (package), éventuellement une matière incluant ledit semi-conducteur contenue dans ladite cavité, des moyens d'alimentation électrique et un élément optique plan qui ferme ladite cavité, dans laquelle 3025022 - 4 l'élément optique est en verre et comprend au moins un motif à modulation d'indice de réfraction contenant des ions argent, thallium, césium, plomb ou baryum intégré dans l'épaisseur du verre. L'invention concerne également le procédé de 5 fabrication collectif à l'échelle d'une galette (wafer en anglais) desdites diodes électroluminescentes. Inconvénients de l'art antérieur 10 Les solutions de l'art antérieur présentent plusieurs inconvénients. Généralement, les dispositifs à LEDs produisent une lumière froide dénaturant le rendu et la perception visuelle et occasionnant une fatigue de la vision, par exemple des 15 conducteurs pour un éclairage urbain. La lumière froide a aussi tendance à augmenter les reflets et la brillance de la chaussée. Les solutions visant à convertir la température de couleur proposées dans l'art antérieur utilisent des matériaux 20 polymères mélangés à une poudre de luminophores de type phosphore YAG :Ce ou autres matériaux polluants et toxiques, dont les caractéristiques dans le temps ne sont pas stables. Par ailleurs, les blocs de LED produisant une lumière chaude présentent un rendement lumineux plus faible 25 que les blocs de LED produisant une lumière froide. Solution apportée par l'invention Afin de remédier à ces inconvénients, la présente 30 invention concerne selon son acception la plus générale un module d'éclairage à diodes électroluminescentes, constitué par un circuit imprimé comprenant au moins une diode LED blanche de température de couleur supérieure à 4500 Kelvin, et une lentille optique caractérisée en ce que ladite lentille 3025022 - 5 - comporte sur au moins une de ses surfaces un revêtement dichroïque. Avantageusement, ledit revêtement dichroïque présente une courbe de transmission croissante sur une bande 5 spectrale du visible (400 à 800 nanomètres), avec un taux de transmission compris entre 20 et 60% sur une bande spectrale comprise entre 400 et 550 nm , et entre 60 et 100% avec une bande spectrale comprise entre 550 et 800 nm. 10 Selon un mode de réalisation préféré, ledit revêtement dichroïque est déposé sur la surface interne de ladite lentille. Avantageusement, la lentille est liée mécaniquement à un support mécanique par l'intermédiaire d'un joint 15 d'étanchéité. Selon un mode de réalisation préféré, ledit support mécanique présente au moins un évent pour l'écoulement du volume d'air lors de sa montée en température entre le support 20 mécanique et la lentille, vers l'arrière dudit support mécanique. De préférence, ledit évent débouche dans un volume fermé déformable élastiquement. Avantageusement, ledit support mécanique présente à 25 sa surface arrière un dissipateur thermique. De préférence, ledit dissipateur est formé par une mousse métallique alvéolaire. Selon un mode de réalisation particulier, ledit revêtement présente un pic de transmission supérieur à 80% 30 dans la bande comprise entre 530 et 590 nanomètres. L'invention concerne encore une lentille pour module d'éclairage caractérisé en ce qu'elle comporte un revêtement dichroïque présentant une courbe de transmission croissante de 400 à 800 nanomètres, avec un taux de 35 transmission compris entre 20 et 60% sur une bande spectrale 3025022 - 6 - comprise entre 400 et 550 nm , et entre 60 et 100% avec une bande spectrale comprise entre 550 et 800 nm. L'invention concerne aussi un lampadaire comprenant une tête d'éclairage à diodes électroluminescentes, constitué 5 par un circuit imprimé comprenant au moins une diode LED blanche de température de couleur supérieure à 4500 Kelvin, et une lentille optique caractérisé en ce que ladite lentille comporte sur au moins une de ses surfaces un revêtement dichroïque. 10 Description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation La présente invention sera mieux comprise à la 15 lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés relatifs à un exemple non limitatif de réalisation, où : - la figure 1 représente une vue schématique d'un module d'éclairage selon l'invention 20 - la figure 2 représente deux exemples de courbes de transmission de la couche dichroïque - la figure 3 représente un exemple de courbes de transmission de la couche dichroïque selon une variante de réalisation 25 La figure 1 représente une vue schématique d'un module d'éclairage selon l'invention. Il comprend un boîtier LED (2) de type « COB » ou, en anglais « Chip On Board » regroupant 121 diodes 30 électroluminescentes sur un circuit imprimé (1). Ces diodes électroluminescentes fournissent une lumière blanche froide, d'une température de l'ordre de 5000 K afin d'obtenir un rendement élevé, de l'ordre de 150 lumens par watt. Les diodes sont incluses dans une couche d'enrobage polymère chargé avec 35 un matériau de type luminophore. 3025022 - 7 - Le module comprend par ailleurs une lentille hémisphérique (4) en verre ou en polymère tel que le polycarbonate, le poly(méthacrylate de méthyle) (souvent abrégé en PMMA, de l'anglais Poly(methyl methacrylate)) ou 5 polydiméthylsiloxane, communément appelé PDMS. Cette lentille (4) présente une couche d'un revêtement dichroïque (5) formée par un traitement réalisé sous vide par une brumisation d'oxyde de métaux (titane, chrome, d'aluminium, de zirconium, de magnésium ou de 10 silicium). Le dépôt est réalisé pour former un filtre dont la courbe de transmission est illustrée par la figure 2. La courbe représentative de la courbe de transmission présente une forme générale en « S » comme représenté par les courbes (12) ou (13) de la figure 2, avec 15 un taux de transmission faible, de l'ordre de 20 à 60% pour les longueurs d'onde les plus courtes (400 à 550 nanomètres), jusqu'à un taux de transmission élevé (de 60% à 100%) pour les longueurs d'onde les plus importantes (550 à 800 nanomètres). La figure 3 représente un exemple de courbe de 20 transmission selon une variante de réalisation, présentant un taux de transmission élevé dans le vert, pour une longueur d'onde autour de 540 nanomètres. Cette courbe permet de réduire l'attirance de la lumière pour des insectes, notamment les moustiques. 25 Le module est constitué par assemblage de la lentille (4) portant sur sa face intérieure le revêtement dichroïque (5), et le support mécanique (3) de manière étanche. Un joint annulaire (6) est interposé entre une bordure périphérique (7) de la lentille (4) pour assurer 30 l'étanchéité et éviter la pénétration d'humidité dans le volume d'air (11) contenant les LEDs. Un bloc de mousse métallique alvéolaire (8) est fixé sur la face arrière du support mécanique (3) afin d'assurer une dissipation thermique (refroidissement) des LEDs 35 (2). 3025022 - 8 - Le support mécanique (3) est traversé par un évent (9) débouchant dans une cavité (10) formée dans le bloc (8). L'évent communique avec un ballonnet déformable élastiquement, par exemple en silicone, pour absorber la surpression se 5 produisant dans le volume d'air (11) compris entre la lentille (4) et le support mécanique (3) lors de l'échauffement provoqué par les LEDs (2). REVENDICATIONS1 Module d'éclairage à diodes électroluminescentes, constitué par un circuit imprimé (1) comprenant au moins une diode LED blanche (2) de température de couleur supérieure à 4500 Kelvin, et une lentille optique (4) caractérisé en ce que ladite lentille (4) comporte sur au moins une de ses surfaces un revêtement dichroïque (5). 2 - Module d'éclairage selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit revêtement dichroïque (5) présente une courbe de transmission croissante sur une bande spectrale du visible (400 à 800 nanomêtres), avec un taux de transmission compris entre 20 et 60% sur une bande spectrale comprise entre 400 et 550 nm , et entre 60 et 100% avec une bande spectrale comprise entre 550 et 800 nm. 3 - Module d'éclairage selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit revêtement dichroïque (5) est 20 déposé sur la surface interne de ladite lentille (4). 4 - Module d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la lentille (4) est liée mécaniquement à un support mécanique (3) par 25 l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité (6). 5 - Module d'éclairage selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit support mécanique (3) présente au moins un évent (9) pour l'écoulement du volume d'air (11) lors 30 de sa montée en température entre le support mécanique (3) et la lentille (4), vers l'arrière dudit support mécanique (3). 6 - Module d'éclairage selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit évent (9) débouche dans 35 un volume fermé déformable élastiquement. 3025022 - 10 - 7 - Module d'éclairage selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit support mécanique (3) présente à sa surface arrière un dissipateur thermique (8). 8 - Module d'éclairage selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit dissipateur (8) est formé par une mousse métallique alvéolaire. 10 9 - Module d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit revêtement (5) présente un pic de transmission supérieur à 80% dans la bande comprise entre 530 et 590 nanomètres. 15 10 - Lentille pour module d'éclairage selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'elle comporte un revêtement dichroïque (5) présentant une courbe de transmission croissante de 400 à 800 nanomètres, avec un taux de transmission compris entre 20 et 60% sur une bande spectrale comprise entre 400 et 550 nm , et entre 60 et 100% avec une bande spectrale comprise entre 550 et 800 nm. 11 - Lampadaire comprenant une tête d'éclairage à diodes électroluminescentes, constitué par un circuit imprimé (1) comprenant au moins une diode LED blanche (2) de température de couleur supérieure à 4500 Kelvin, et une lentille optique (4) caractérisé en ce que ladite lentille (4) comporte sur au moins une de ses surfaces un revêtement dichroïque (5).30