Brevet FR3143857A1 — publié le 20240621

Procédé de conversion lumineuse et dispositif émetteur de lumière 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 dispersés dans une matrice, ces derniers produisant en réponse à cette illumination une lumière rouge de longueur d’onde comprise entre 625nm et 740nm Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Procédé de conversion lumineuse et dispositif émetteur de lumière La présente invention concerne un procédé de conversion lumineuse et un dispositif émetteur de lumière. 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 Garnets) 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. 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. 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. Il 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 10nm. 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 N1s comprise entre 10 et 15%. Les points de carbone peuvent présenter une teneur non nulle en oxygène, notamment une teneur en % atomique en O1s comprise entre 15 et 20%. Les points de carbone peuvent présenter une teneur en % atomique en C1s 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. 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 : illustre de manière schématique et partielle le procédé de conversion de lumière selon l’invention, représente de manière schématique et partielle un exemple de dispositif émetteur de lumière selon l’invention, 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), 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 représente de manière schématique et partielle un exemple de système imageur comportant le matériau luminophore selon l’invention, 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 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 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 λ1 dans le bleu ou le domaine UV, et réémet une lumière dans le rouge à une longueur d’onde λ2. Le matériau luminophore 2 est par exemple intégré à un dispositif d’éclairage tel qu’illustré à la , 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 : 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 1h, 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 1kDa 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 montre des images MET ainsi que le diffractogramme relatif aux points carbone ainsi préparés. La distribution de taille des points carbone est polydisperse, 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 l’on procède à l’évaporation de ce solvant organique, cette évaporation ayant par exemple lieu dans un moule à la forme désirée. La 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 permet d’identifier les divers groupements présents à la surface des points de carbone . La 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 . 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. 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 dispersés dans une matrice, ces derniers produisant en réponse à cette illumination une lumière rouge de longueur d’onde comprise entre 625nm et 740nm. Procédé selon la revendication 1, la source lumineuse (1) étant une source électroluminescente, notamment comprenant au moins une diode électroluminescente. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, la source lumineuse émettant dans la plage 300-350nm. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, la source lumineuse émettant dans la plage 450-575nm. 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. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le rendement quantique des points carbone étant compris entre 60 et 80%. 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 N1s comprise entre 10 et 15%. 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 O1s comprise entre 15 et 20%. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les points de carbone présentant une teneur en % atomique en C1s comprise entre 65 et 75 %. 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). Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les points de carbone résultant d’une décomposition du trinitropyrène. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les points de carbone étant hydrophobes. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la matrice comportant ou étant constituée de PVT, PS ou PMMA ou silicone. 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 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. Dispositif selon la revendication 14, la source lumineuse (1) étant une source électroluminescente, notamment comprenant au moins une diode électroluminescente. Dispositif selon l’une des revendications 14 et 15, la source lumineuse émettant dans la plage 300-350nm. Dispositif selon l’une des revendications 14 et 15, la source lumineuse émettant dans la plage 450-575nm. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 14 à 17, les points de carbone présentant une teneur non nulle en azote, notamment une teneur en % atomique en N1s comprise entre 10 et 15%. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 14 à 18, les points de carbone présentant une teneur non nulle en oxygène, notamment une teneur en % atomique en O1s comprise entre 15 et 20%. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 14 à 19, les points de carbone présentant une teneur en % atomique en C1s comprise entre 65 et 75 %. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 14 à 20, la teneur massique en points de carbone étant comprise entre 0,01 % et 0,5 % par rapport au poids du matériau. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 14 à 21, les points de carbone résultant d’une décomposition du trinitropyrène. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 14 à 22, les points de carbone étant hydrophobes. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 14 à 23, la matrice comportant ou étant constituée de PVT, PS, PMMA ou silicone. Utilisation d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 14 à 24 pour l’éclairage horticole. Procédé de fabrication du matériau luminophore d’un dispositif émetteur de lumière, notamment un dispositif selon l’une quelconque des revendications 14 à 24, 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).