Feu de signalisationinnovateur: une lentillespéciale distribue et émet l’effetlumineux des DEL

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De nouveaux feux de signalisation au design innovateur,

plus légers, plus compacts et qui possèdent comme

source lumineuse des diodes émettrices de lumière –

lesdites DEL, ou LED en anglais – à la place des tradi-

tionnelles ampoules incandescentes, ont été conçus par

des chercheurs du Centre de Recherche en Optique et

Photonique de São Carlos (CePOF) de l’Université de

São Paulo (USP). Le nouvel équipement est plat, d’une

épaisseur inférieure à 2 centimètres et facile à installer.

Parmi ses autres avantages, la faible consommation

d’énergie, soit 15 % de moins que les appareils tradi-

tionnels. D’autre part, il continue à fonctionner en cas

de coupure d’électricité dans la région où il se trouve,

grâce au jeu de batteries compactes qui lui confère une

autonomie d’une heure et demie.

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La révolutiondes DELDes chercheurs de São Carlosdéveloppent des équipementsdotés de diodes émettrices de lumière

OPTIQUE

>TECHNOLOGIE

YURI VASCONCELOS | PHOTOS EDUARDO CESAR

Publié en septembre 2007

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Pour Vanderlei Salvador Bagnato,coordinateur du CePOF et professeurde l’Institut de Physique de l’USP à SãoCarlos, “c’est une technologie moinschère que la technologie conventionnel-le, économique en termes de consom-mation énergétique et d’entretien peucoûteux. [...] Nous avons déjà enregis-tré un brevet de l’équipement completet, d’après ce que nous savons, aucunautre groupe au Brésil ou à l’étrangerne fabrique des feux comme le nôtre”.Le feu utilise quatre émettrices DEL etsa configuration tire profit de toute laréfraction de la lumière.

Baptisé blackout en raison de sa ca-pacité à fonctionner lors de pannes decourant, l’appareil utilise quatre diodesélectroluminescentes de haute lumino-sité dans chaque réflecteur (vert, oran-ge, rouge). Une lentille en plastique audesign optique spécial distribue la lu-mière et émet l’effet lumineux souhai-té. D’après Bagnato, l’un des plusgrands avantages de cette nouvelle tech-nologie est la sécurité qu’elle apporte-ra au système de circulation des villes:“Elle réduira de beaucoup la probabili-té d’accidents et les problèmes de circu-lation provoqués par les petites pannesde courant, en particulier dans les gran-des villes comme São Paulo où le tra-fic est intense”. Le produit est en voied’être achevé et le groupe de l’USP adéjà établi des contacts avec des entre-prises qui opèrent dans le secteur de la

signalisation routière pour négocier letransfert de la technologie.

Le feu blackout ne représente qu’unedes applications de l’équipe dirigée parBagnato qui travaille sur la technologiedes DEL. Composé de 70 chercheurs fi-xes et de 50 collaborateurs ou associés,le groupe étudie et développe depuisquelques années une série d’autreséquipements qui emploient cette sour-ce lumineuse découverte dans les anné-es 1960 (Voir encadré page 65). Bagna-to souligne que “le processus de pro-duction de lumière des DEL est beau-coup plus efficace que celui des ampou-les communes, et jusqu’à 80 % del’énergie électrique employée est con-vertie en énergie lumineuse. Cela repré-

sente une inversion dans l’efficacité deproduction de lumière, parce que letaux de conversion des ampoules incan-descentes n’est que de 20 %. [...] LesDEL ont cessé depuis longtemps d’êtrede simples petits voyants lumineux surles chaînes Hi-Fi, normalement rougesou verts, et sur d’autres équipementsélectroniques pour devenir une sour-ce effective d’illumination”.

Substitution avantageuse – Le CePOFde São Carlos – l’un des 11 Centres deRecherche, Innovation et Diffusion (Ce-pid) financés par la FAPESP – a déve-loppé une autre application dans le sec-teur de la signalisation routière: le systè-me retrofit, qui utilise six ou sept DELet a été créé pour ne remplacer que lesampoules incandescentes utilisées dansles feux de signalisation traditionnels.À la différence du feu blackout, sur le-quel les DEL sont intégrées aux lentil-les de réflexion, le retrofit ressemble àune ampoule ordinaire et est composéd’une douille à vis, qui permet de rem-placer facilement les ampoules tradi-tionnelles. La technologie a été transfé-rée à l’entreprise Meng Engenharia deSão Paulo où le produit est en vente de-puis novembre 2005.“Nous avons déjàcommercialisé près de 15 000 ampou-les, qui ont été installées sur les feuxde signalisation de São Paulo et de Gua-rulhos”, déclare Alberto Monteiro, pa-tron de Meng. L’entreprise est spécia-lisée dans la fabrication de dispositifspour le secteur de la signalisation rou-tière, urbaine et industrielle.

De l’avis de Monteiro,“l’utilisationde l’ampoule à base de DEL apporteune série d’avantages, parce qu’elle estplus économique, plus sûre et plus effi-cace, tout en offrant une meilleure illu-mination. Sans compter que la durée devie du retrofit est grande, ce qui réduitles coûts d’entretien des feux de près de80 % et la fréquence de remplacementdes ampoules. Sur les appareils conven-tionnels, les changements ont lieu enmoyenne quatre fois par an pour per-mettre au vert et au rouge d’être pluslumineux, et deux fois pour l’orange.Leur coût varie entre 4 et 8 réaux, soitprès de 60 réaux par an en plus des dé-penses d’entretien et de remplacement.Avec le retrofit, une inspection annu-elle est suffisante, parce qu’il dure entretrois à cinq ans”. Chaque retrofit coûte

Programme d’InnovationTechnologique du Centre de Recherche en Optique etPhotonique de São Carlos (CePOF)

MODALITÉ

Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepid)

COORDONNATEUR

VANDERLEI SALVADOR BAGNATO – USP

INVESTISSEMENT

200 000 réaux/an (FAPESP)

LE PROJET

Le retrofit remplace les ampoules des feuxtricolores traditionnels etréduit les coûts d’entretien

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Réflecteurodontologiquedéveloppé enpartenariat avecl’entrepriseGnatus

pour les DEL. En partenariat avec le Ce-POF, l’entreprise Direct Light de SãoCarlos a développé deux modèles de lu-mières auxiliaires d’urgence avec latechnologie DEL. Direct Light a été fon-dée il y a tout juste un an par d’ancienschercheurs du centre. Pour l’ingénieurélectrique Alexandre Oliveira, l’un dessept associés,“le premier lot, de 25 uni-tés, a été acheté par le CePOF lui-mêmepour être installé dans ses laboratoires.Le deuxième, de cent ampoules, seramis en vente en septembre”.

L’ampoule n’utilise qu’une DEL de3 watts de puissance et son autonomieest d’une heure avec 70 % d’intensitélumineuse. “En plus d’être plus com-pactes, nos ampoules utilisent une bat-terie rechargeable nickel-métal hydru-re, qui dure au moins deux fois plus queles batteries plomb-acide employéesdans les éclairages d’urgence rencon-trés sur le marché”, ajoute Oliveira. Leproduit coûte environ 90 réaux, un prixéquivalent à celui d’une lumière d’ur-gence de qualité des concurrents. Leprix est encore élevé mais la tendanceest à la baisse, du fait d’une plus gran-de production.

Cabinet du dentiste – La technologieDEL a aussi été utilisée pour le dévelop-pement de plusieurs produits du do-maine médico-odontologique, à l’ex-emple des lampes buccales pour les ca-

environ 500 réaux, ce qui donnerait untotal de 1 500 réaux qui, divisés par qua-tre ans (comme moyenne), donnerait375 réaux par an.“Avec la réduction descontrôles du feu et du coût d’entretien,l’installation des DEL devient renta-ble au bout d’un an et demi environ”,ajoute Monteiro.

L’efficacité lumineuse et la longuedurabilité – plus de 50 000 heures, soit50 fois plus que les ampoules tradition-nelles – sont deux éléments importantsqui différencient les DEL des autres.Mais elles présentent aussi un autreavantage comparatif: le faible impact deleur processus productif sur l’environ-nement. Les ampoules fluorescentes,que l’on présente toujours comme unealternative plus économique que lesampoules incandescentes, utilisent enfait du mercure dans leur compositi-on – une substance hautement toxique.“Ces facteurs ont conduit à une aug-mentation énorme des recherches aucours des cinq dernières années, et plu-sieurs entreprises proposent de plus enplus de DEL de haute luminosité et desproduits qui se basent sur ces dernièreset aux combinaisons les plus variées”,observe le physicien Henrique de Car-valho, membre de l’équipe du CePOF.

L’éclairage résidentiel et urbain estl’un des domaines qui bénéficie forte-ment du développement de la techno-logie DEL. Des lampadaires fonction-nant avec des diodes émettrices de lu-mières et projetés par le CePOF sontdéjà testés dans des rues de São Paulo.Sur la place centrale de la ville de NewYork, Times Square, le gigantesque

écran du Nasdaq Marketsite Tower enest un exemple; il utilise 18,6 millionsde DEL pour décorer la façade du bâ-timent et indiquer la cotation des ac-tions négociées à la bourse de techno-logie nord-américaine. En ce qui con-cerne les habitations, les chercheurs del’USP de São Carlos pensent qu’il estpossible de remplacer tout l’éclairagepar des DEL, aussi bien à l’intérieur qu’àl’extérieur. Tout cela sans perte d’inten-sité, en améliorant la qualité et en rédu-isant la consommation énergétique.Les lumières d’urgence – qui s’activenten cas de manque d’énergie – sont éga-lement une application prometteuse

DEL auxiliaires pourl’éclairage de blocsopératoires

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binets dentaires – un secteur d’activitéégalement visé par le CePOF. Selon Bag-nato, le dispositif – créé par son équi-pe en collaboration avec l’entrepriseGnatus de São Carlos, qui fabrique deséquipements médico-odontologiques –permet aux dentistes de distinguer lescouleurs des dents et des gencives avecplus de clarté et de définition. De fait, leslampes halogènes normalement utilisé-es sur les réflecteurs odontologiques ontune tonalité plus jaunâtre, ce qui rend lavisualisation moins précise.

Responsable du secteur ingénieriede Gnatus, l’ingénieur mécanique Car-los Banhos met en avant d’autres par-ticularités de cet appareil qui sera envente au Brésil à partir de septembre:“Comme la lumière émise par la DELest froide, elle n’émet pas de chaleur etévite au patient un inconfort. De plus,le nouveau réflecteur permettra de ré-duire de 90 % la consommation d’éner-gie par rapport aux dispositifs traditi-onnels”. Gnatus mise beaucoup surl’équipement, qui sera présenté au coursdu deuxième semestre de cette annéedans divers congrès odontologiques in-ternationaux, notamment au Mexique,aux États-Unis, en Italie et en Russie.“Nous espérons vendre le produit, bap-tisé Refletor Gnatus LED, à des clients

étrangers”, poursuit Banhos. L’appareilest environ 10 à 20 % plus cher que lesdispositifs conventionnels qui utilisentdes lampes halogènes.

Le PDT LED est un autre équipe-ment né dans les laboratoires du Ce-POF et qui a déjà intégré le marché. Ils’agit d’un appareil qui utilise la tech-nologie des diodes émettrices de lumi-ère pour la technique de thérapie pho-todynamique – ou PDT, en anglais –chez les patients atteints de cancers dela peau, de récurrence du cancer du seinet d’autres lésions superficielles (VoirPesquisa FAPESP nº 74).

Fabriqué par MM Optics, une autreentreprise (spin-off) créée à partir duCePOF, le PDT LED constitue une alter-native face aux dispositifs qui utilisentle laser pour le même type de traite-ment. D’après l’ingénieur mécaniqueFernando Ribeiro, l’un des associés del’entreprise, “il est quatre fois moinscher. Alors qu’un appareil à laser coûteprès de 40 000 dollars, le nôtre revient à20 000 réaux”. Depuis sa mise en venteau cours du premier semestre de l’andernier, MM Optics en a déjà vendu 20pour la thérapie photodynamique.

L’équipement comporte 21 DELd’une puissance totale de 3 watts de lon-gueur d’onde de 630 nanomètres. La lu-

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Des DEL quichangent decouleur illuminentla table qui sert à étudier desmicroorganismes

mière émise réagit aux médicamentssensibilisateurs appliqués au patientet qui sont concentrés sur les cellules tu-morales. Ribeiro explique que “de parsa solidité, l’appareil nécessite peu d’en-tretien, ce qui le différencie d’autresproduits. Sans compter que la DEL, enémettant une lumière moins concen-trée, réussit à traiter une plus grandesurface de peau du patient, alors quela portée du laser est plus ponctuelle.[...] Au Brésil, c’est le premier et le seuldispositif avec une technologie DELdestiné à la thérapie photodynamique”.

Le succès de l’équipement a ame-né Ribeiro et son équipe à en dévelop-per une nouvelle version. Il s’agit d’unkit constitué de trois dispositifs poursoigner la peau des patients atteints decancer de la peau, de psoriasis – unemaladie qui provoque une desquama-tion de la peau –, de virus du papillo-me humain (VPH) génital ou anal –des verrues visibles ou microscopiques– et de cancer de la bouche. Ce projetest mené en collaboration avec la Fa-culté de Médecine de l’USP de Ribei-rão Preto, l'Institut du Cœur (InCor)de São Paulo, l’Hôpital Amaral Carva-lho de Jaú et le laboratoire pharmaceu-tique ESM-Sigma-Pharma d’Hortolân-dia, entre autres.

“La nouveauté du projet est d’offrirun kit qui traite plusieurs infirmités enmême temps. Nous sommes à deux pasdu design final et commercialisable desdispositifs”, affirme Bagnato. Les cher-cheurs du CePOF sont tellement en-thousiastes par rapport au kit qu’ils ontdéjà fait la demande d’un financementauprès de la Banque Nationale de Déve-loppement Économique et Social (BN-DES) pour conclure le projet de créati-on de cent centres de traitement sur l’en-semble du territoire brésilien. D’aprèsBagnato, trois entreprises – dont MMOptics et Direct Light – étudient déjà lapossibilité de produire le kit.

Microscope en couleur – Les cher-cheurs du CePOF ont créé deux nouve-aux appareils à base de DEL pour le do-maine scientifique. L’un d’eux est unetable éclairée pour les études de photo-biologie, appelée biotable. Son foncti-onnement est simple: le scientifiquepose des microorganismes sur uneplaque de plastique transparente sur la table et vérifie leur réaction par rapport

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Une histoire lumineuseLa première diodeélectroluminescente, ou DEL,a été créée par le scientifique nord-américain Nick Holonyak Jr.en 1962 au sein du laboratoire de la General Electric deSyracuse, dans l’État de New York. Toutefois, l’intérêt pourl’utilisation de ces nouveauxdispositifs dans les éclairagesn’est apparu que dans les années 1990, avec ledéveloppement de la premièreDEL de haute luminosité par ungroupe de chercheurs de Hewlett Packard, également auxÉtats-Unis. Henrique de Carvalho,physicien du CePOF de SãoCarlos signale que “peu de tempsaprès, des chercheurs del’entreprise japonaise Nichiaobtinrent la première DEL bleuede haute luminosité qui ouvrit lavoie aux DEL blanches. [...]Aujourd’hui, les DEL balaient toutle spectre électromagnétique, del’ultraviolet à l’infrarouge”.

La DEL est une émettrice delumière dont le principe diffère decelui des ampoulesincandescentes ou fluorescentes.D’après Carvalho, “il s’agit d’undispositif semi-conducteur qui,avec le passage

de courant électrique, émet de la lumière visible aumoyen d’un processus connucomme électroluminescence, avec près de 80 % de lapuissance appliquée,conformément à la longueurd’onde de l’émetteur”. L’une des particularités de la DEL est, contrairement auxampoules ordinaires, qu’elle peut produire de la lumière quichange de couleur, d’intensité et de distribution. En plus desDEL, des chercheurs d’instituts de recherche etd’entreprises sont en traind’améliorer les diodes émettricesde lumière à base de substancesorganiques, en remplaçantnotamment les semi-conducteursinorganiques en silicium etgallium par des polymèrescomposés de molécules decarbone. Baptisées diodesélectroluminescentes organiques(OLED), elles peuvent êtreproduites avec des matériauxmalléables et transparents. Elles sont déjà utilisées dans les téléphones portables et lesappareils MP3, et les premiersprototypes d’écrans de télévisionsont en phase de tests.

Appareil quiremplace le laserdans la thérapiephotodynamiquepour le traitementdu cancer de la peau

à l’application de lumières de différentescouleurs installées dans la table. En-core au stade de prototype, l’appareilest testé par plusieurs institutions d’en-seignement, à savoir les facultés d’odon-tologie de l’Université d’État de SãoPaulo (Unesp), les campus d’Araraqua-ra, de l’USP de Ribeirão Preto et de Bau-ru, le département de biochimie del’USP de São Carlos.

L’autre appareil est un microscopeoptique éclairé par des DEL. Le coordi-nateur du CePOF souligne que “c’estune technologie particulière, qui utili-se trois DEL: bleue, rouge et verte.Quand il combine l’intensité de la lu-mière, le chercheur réussit à mettre enévidence certaines structures morpho-logiques du microorganisme étudié.Cela serait impossible à faire avec unmicroscope optique traditionnel”. Con-nue sous le nom de microscopie parcontraste chromatique, cette technolo-gie est encore en phase d’expérimen-tation et un brevet a déjà été déposé.

Selon Bagnato,“tous les développe-ments faits par notre groupe révèlentl’énorme potentiel d'application des di-odes émettrices de lumière. Sur la qua-rantaine de brevets déposés par le Ce-POF, une quinzaine ont été transformésen produits finals et la moitié concernedes dispositifs à base de DEL. [...] Aprèsl’invention de la lampe électrique et dulaser, nous pensons que la DEL repré-sente la troisième révolution dans le do-maine de l’optique”. ■

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