Ambassade de France au Japon

Service pour la Science et la Technologie

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URL : http://www.ambafrance-jp.org

Domaine : Energie

Document : Rapport de mission

Titre : L’Eclairage à l’Etat Solide au Japon

Auteurs : Jean-Yves Duboz (CNRS) - Hervé Ribot, Guy Feuillet (CEA-LETI)

Date : Janvier 2009

Mots-clés : diode électroluminescente, LED, DEL, éclairage, économies d’énergie,

packaging, puce, module.

Résumé : A l’échelle mondiale, l’éclairage représente environ 25 % de la

consommation totale d'énergie électrique. Dans le contexte actuel

d’économie d’énergie et de lutte contre le réchauffement climatique,

l’éclairage par diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais)

apparaît comme une voie très prometteuse et sans doute à terme

incontournable. En effet, les LED à émission de lumière blanche ont une

efficacité énergétique théorique 10 fois supérieure à celle des lampes à

incandescence et 2 fois supérieure à celle des tubes fluorescents.

Le Japon est un précurseur dans ce domaine, avec la mise au point de la

première diode bleue en 1995, suivi du développement de la diode

blanche. Entreprises privées et laboratoires travaillent dorénavant en

commun pour la mise au point d’un éclairage à l'état solide abordable et

pouvant remplacer les modes d’éclairage actuels.

Ce document présente l'effort de R&D et la stratégie industrielle adoptés

par le Japon. Sont analysés plus particulièrement les verrous techniques,

sociétaux et économiques actuels de l'éclairage par LED qui limitent une

pénétration plus rapide sur le marché de l’éclairage par diodes. Des

solutions que les industriels prévoient de mettre en place pour les

contourner sont décrites dans ce rapport.

NB : Toutes nos publications sont disponibles auprès de l’Agence pour la Diffusion de

l'Information Technologique (ADIT), 2, rue Brûlée, 67000 Strasbourg (http://www.adit.fr).

Mission au Japon sur l’Eclairage à l’Etat Solide 12-16 Mai 2008

Jean-Yves Duboz : Responsable du laboratoire CHREA du CNRS à Sophia Antipolis Hervé Ribot : Responsable du laboratoire Packaging au LETI – Dpt Optronique Guy Feuillet : Responsable études matériaux au LETI- Dpt Optronique

Plan du document

1 - OBJECTIF DE LA MISSION 2

2 - LE PANORAMA FRANÇAIS DANS LE DOMAINE , EN BREF 2

3 - QUELQUES CHIFFRES CLE ET RAPPELS TECHNIQUES UTILES SUR L’ECLAIRAGE 3

4 - PLANNING DES VISITES 4

5 - ORGANISMES DE FINANCEMENT ET DE PROMOTION DE L’ECLA IRAGE A LED 6

6 - NOUVEAUX DEVELOPPEMENTS ACADEMIQUES 14

7 - DEVELOPPEMENTS INDUSTRIELS 16

8 - START –UPS 30

9 - SYNTHESE DE LA MISSION 32

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1 - Objectif de la mission Cette mission au Japon avait pour but de mieux appréhender l'effort de R&D et la stratégie industrielle dans le domaine de l'éclairage à l'état solide dans un pays qui est très nettement à la pointe de la technologie dans ce domaine. La diode bleue a été mise au point par les chercheurs d’instituts tels que l’université de Nagoya et des entreprises comme Nichia dans les années 1995, et a mené à la mise au point et au développement des diodes blanches. Des entreprises telles que Nichia et Toyoda Gosei ont alors très rapidement mis sur le marché des diodes blanches qui ont maintenant investi des marchés de volume comme ceux du rétro éclairage pour les téléphones portables. Bien sûr, tous ces groupes, de même que leurs compétiteurs en Occident comme dans le reste de l’Asie, regardent avec convoitise un marché gigantesque, celui de l’éclairage général. Dans le contexte actuel d’économie d’énergie et de lutte contre le réchauffement climatique, l’éclairage général par diodes apparaît comme une voie très prometteuse et sans doute à terme incontournable, dans la mesure où les diodes blanches sont des systèmes très efficaces énergétiquement pour convertir du courant électrique en lumière. Nous nous posons donc la question de savoir quels sont les verrous techniques, sociétaux, économiques actuels qui limitent une pénétration plus rapide sur le marché et quelle stratégie les industriels pensent mettre en place – et à quelle échéance - pour pouvoir les lever.

2 - Le panorama français dans le domaine , en bref Si l’on décompose la filière de l’éclairage en ses diverses composantes, matériau, substrat, épitaxie et process, puce, packaging, luminaires et enfin usages (bâtiment, éclairage public…), on réalise rapidement que le panorama industriel français couvre principalement les secteurs des luminaires et des usages (Philips, Lenoir, EcceLectro, Petzl, Flux lighting, Gaggione,…). En particulier aucun industriel français ne s’est investi au niveau du packaging ou du process de la puce LED. En revanche on trouve un certain nombre de laboratoires qui se consacrent aux études et développement des matériaux substrats et des hétérostructures pour l’émission de lumière. On trouve également des industriels dont le métier est celui de la croissance de substrats, substrats dont certains peuvent servir les objectifs de développement de diodes électroluminescentes (St Gobain, RSA, Lumilog, Soitec, Cristal Tec, Nanovation,…). On trouve enfin des industriels bien placés dans la fabrication d’équipements pour la croissance de ces matériaux (RIBER). Il existe donc en France, dans la chaîne de la valeur de ce domaine, un fossé important entre d’un côté les industriels du matériau et la R&D sur la mise en forme des matériaux et de l’autre côté le secteur applicatif de l’éclairage. Ceci n’est cependant pas le cas au niveau Européen ou OSRAM comme PHILIPS sont, pour ce secteur, des entreprises verticalement intégrées de la puce au luminaire. Au Japon, comme nous le verrons, une association comme JLEDs regroupe une grande majorité des industriels impliqués à un niveau de la chaîne de valeur pour mieux tracer la roadmap du domaine et identifier les verrous existants pour une percée définitive des LEDs sur le marché de l’éclairage . Nous sommes encore loin de ce schéma en France puisqu’ici, tous les secteurs ne sont pas représentés. On trouve cependant en France un certain désir de structurer le domaine : à noter par exemple l’existence du « cluster » lumière qui regroupe des industriels de l’éclairage en région Rhône-Alpes. Au niveau R&D, des réseaux ont été mis en place notamment dans le cadre de l’ANR, mais sont surtout basés sur le regroupement d’efforts dans le domaine des matériaux et des hétérostructures : ainsi des financements Carnot du ministère de l’industrie ont permis de lancer une activité sur les diodes UV pour l’éclairage, à base de ZnO et de nanofils de semiconducteurs grands gaps, regroupant les efforts de plusieurs laboratoires publics. Quelques projets ANR ont été lancés récemment (par exemple DEMONI en 2006).

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3 - Quelques chiffres clé et rappels techniques uti les sur l’éclairage

L’éclairage consomme à peu près 25 % de l’énergie électrique produite de par le monde ;

L’efficacité attendue (mais non encore atteinte !) des diodes devrait être de l’ordre de 10 fois supérieure à celle des lampes à incandescence et 2 fois supérieure à celle des tubes fluorescents. En supposant que l’utilisation de diodes électroluminescente ne crée pas de besoins nouveaux – ce qui reste sans doute à prouver - et si tous les systèmes d’éclairage étaient équipés de diodes blanches, les économies d’énergie qui en résulteraient seraient de l’ordre de 1.5×1015 Wh (PetaW), permettant, au niveau mondial, de fermer 133 centrales électriques. En terme de CO2, l’ « économie » serait alors de 952×106tonnes rejetées. On ne trouve pas d’estimations en termes de richesse et d’emplois créés, mais on peut sans doute estimer que le bilan sera positif.

Les moyens modernes d’éclairage comportent, jusqu’à ce jour, principalement deux dispositifs. Le premier est l’ampoule incandescente et le second est le tube à fluorescence dit tube « néon ». Dans l’ampoule à incandescence, un filament tungstène est porté à haute température dans une enceinte sous vide ou sous gaz inerte (Kr, Ar) qui empêche sa combustion. Le rayonnement du corps noir donne une portion de son énergie dans le visible, mais cette proportion est faible et le rendement aussi. L’efficacité n’est que de 16 lm/W. Dans une variante, un halogène (Br, I) remplace le gaz inerte et ralentit la sublimation du tungstène. Le filament peut être porté à plus haute température et l’efficacité dans le visible est meilleure (25 lm/W). L’ampoule à incandescence a beaucoup progressé depuis son invention en 1879, mais depuis quelques années voire décennies les performances stagnent. Elément historique de l’éclairage, l’ampoule est la référence pour définir le rendu des couleurs et possède un indice IRC de 100. Elle donne un blanc « chaud », avec une température de corps noir de 2700K. La durée de vie est limitée à 1000h par la sublimation du tungstène. Le tube fluorescent fut inventé au début du vingtième siècle et a énormément progressé. De nos jours, il est en général composé d’un tube en verre recouvert de poudres fluorescentes (silicates et d'aluminates) émettant dans 2 bandes ou 3 bandes qui par mélange donnent du blanc. Ces poudres sont excités par la lumière ultra-violette (185 et 254nm) émise par les vapeurs de mercure contenues dans le tube. La quantité de mercure est assez faible (quelques mg à quelques dizaines de mg) et est mélangé avec un gaz inerte (ce gaz est en général de l’argon et non du néon comme le nom semble l’indiquer). Le mercure est quant à lui excité par un courant électronique qui parcourt le tube entre deux électrodes en tungstène recouvert d’oxydes de baryum-strontium-calcium (qui abaissent le travail de sortie des électrons). Les évolutions successives sur les poudres, les électrodes…ont permis d’atteindre des performances remarquables avec une efficacité de 80 à 100lm/W. En fonction des poudres fluorescentes, la température de corps noir peut varier de 2700K à 8000K et l’IRC (indice de rendu de couleur, CRI en anglais) peut varier de 55 à 95%. Les tubes à fort IRC sont rares et moins efficaces que les autres. La durée de vie est 10000 à 50000h. C’est donc une solution performante à beaucoup de points de vue. Les problèmes mis en avant sont le mercure (notamment les vapeurs en cas de bris de tube), le rayonnement électromagnétique (harmoniques importantes, et en outre certains tubes fonctionnent à haute fréquence), un effet de scintillement, le rendu de couleur, ou encore l’esthétique limitée. Depuis quelques années, on observe l’émergence de lampes blanches à base de DELs (diode électroluminescente). Le principe est celui du tube fluorescent : les poudres fluorescentes, appelées encore phosphores, sont excitées par une lumière ultraviolette ou bleue. Mais là, cette lumière est émise par un matériau semiconducteur, en l’occurrence le nitrure de gallium GaN. En pratique, il s’agit plutôt de couches très fines (puits quantiques) de InGaN insérées dans une matrice GaN. L’indium permet d’ajuster la longueur d’onde d’émission dans le bleu ou le proche UV. Ce matériau est placé dans une jonction pn : les électrons émis par le côté n et les trous émis par le côté p se recombinent dans le puits. L’injection électrique est obtenue en appliquant une tension comparable à la bande d’énergie interdite, soit environ 3.5V. C’est donc par construction une source basse tension, mais rien n’empêche d’en mettre plusieurs en série pour les alimenter sous tension plus forte. Les dimensions typiques sont 350µmx350µm mais des puces de taille supérieure (jusqu’à 1mm) existent. Le composant élémentaire reste donc une source de puissance faible, mais rien n’empêche d’en mettre plusieurs en parallèle pour augmenter la puissance. Les progrès des 10 dernières années ont permis d’atteindre des efficacités très grandes : 170 lm/W a été mesuré dans un prototype Nichia. Cependant, cette efficacité tend à chuter quand le courant ou la température augmentent. De nos

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jours, pour des courants raisonnablement grands (100mA par DEL de 350µm de côté) et pour des produits commerciaux, l’efficacité reste inférieure à 100 lm/W. L’IRC et la température de corps noir peuvent être ajustés par la longueur d’onde émise par la DEL et par les phosphores. Comme pour les tubes, un grand IRC s’obtient au détriment de l’efficacité.

Type Efficacité en lm/W en

fonctionnement Lampe à incandescence 10 à 16

Tube fluo 80 LED 50-100

Type et efficacité actuelle en lm/W des différentes voies

4 - Planning des visites Le choix des visites s’est fait en fonction de critères basés sur la complémentarité des approches industrielles : fondeurs, assembleurs et équipementiers. Les laboratoires visités sont ceux d’équipes qui développent les études matériaux et ont été sélectionnés en fonction de leur rapport avec les industriels visités. Ces rapports entre universités et industriels sont souvent historiques et les technologies mises en place par ces industriels reposent souvent sur des moyens ou des recherches développées dans un premier temps par des chercheurs universitaires : on notera par exemple les rapports qu’entretiennent Toyoda Gosei et l’université de Kyoto (Professeur Kawakami), Nichia et l’université Meijo (Professeurs Amano et Akasaki), Nitride Semiconductors et l’université de Tokushima (Professeur Sakai). Les visites ont été planifiées sur une semaine, période un peu courte pour dresser un tableau exhaustif du domaine. Toutefois, cela a suffi pour se faire une idée assez exacte de l’organisation industrielle dans ce domaine, au Japon, pour dégager les principales voies de R&D et pour mieux appréhender la roadmap « éclairage » envisagée par nos interlocuteurs.

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Lundi 12 mai 2005 Mardi 13 mai Mercredi 14 mai Jeudi 15 mai Vendredi 16 mai

10H00-11H00 NEDO

10H00-12H00 Université MEIJO

à Nagoya Prof. AMANO

Transfert : Kyoto - Tokushima

9H00-11H00 Nitride

Semiconductor à Tokushima

Transfert : Tokushima- Kyoto

10H00-12H00 Citizen

Electronics (banlieue de

Tokyo)

13H00-14H30 Koito Kogyo

16H00 Japan LED Association

13H30-14H30

Toyoda Gosei à Nagoya

Transfert : Nagoya – Kyoto

16H30 Université de

Kyoto Prof. KAWAKAMI

13H30-14H30

Nichia à Tokushima

16H00 Université de Tokushima Prof. SAKAI

15H00-17H00 Kyocera

Transfert : Kyoto – Tokyo

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5 - Organismes de financement et de promotion de l’ éclairage à LED

5-1 Japan LED association : JLEDS Personnes rencontrées

Nom Fonction Masaki KOMURASAKI Secretary General

Fumio ITO Chairman Promotion committee (Toshiba Lighting and Technology

Corporation) Sumio SHIMODE Chairman, Planning and General

Committee (Matsushita Electric Works)

Osamu YAMANAKA Vice Chairman, Planning and General Committee

(Toyoda Gosei) Objectif de la discussion

Se faire une idée de la façon dont l’industrie japonaise s’organise sur le thème de l’éclairage à l’état solide et discuter de la roadmap japonaise sur le sujet Contenu de la discussion

JLEDS a été fondée en 2004 par le METI. Depuis Septembre 2007, JLEDS possède un statut d’association à but non lucratif. Le but premier fixé par le METI à l’association est de promouvoir le produit LED, dans le cadre des réductions générales de consommation d’énergie. Le protocole de Kyoto assigne en effet au Japon une réduction de 3,4 Mt de CO2, rien que sur le poste éclairage. Même si notre entretien a été centré sur l’éclairage par LEDS, l’ensemble des applications des LEDs est couvert au travers des entreprises présentes (retro-éclairage pour téléphones portables, écrans plats, phares automobiles, signalisation routière et chemin de fer…). L’autre mission de JLEDs est clairement d’assurer une cohérence entre les divers acteurs de ce secteur industriel à très fort potentiel économique. JLEDs regroupe à l’heure actuelle 91 entreprises du secteur, dans tous les domaines de la chaîne de valeur : fondeurs, assembleurs (packaging), systémiers de l’éclairage, fabricants d’instruments de mesures pour LEDs, et fournisseurs de machines de croissance. On notera que l’association ne comprend pas de laboratoires publics. Les cinq membres dits « fondateurs » sont : Toyoda Gosei, SanyuRekku, Sharp, Toshiba Lighting, Matsushita Denko. On trouvera en page 10 la liste des différents membres de JLEDs.

On notera que NICHIA ne fait pas partie des membres et, d’après les représentants présents, NICHIA a cependant été approché, et n’est pas encore convaincu de l’utilité de son intégration dans l’association. Des tractations sont en cours, sans qu’on nous dise de quoi elles retournent. On comprendra cependant, lors de la visite de cette entreprise, que NICHIA n’était pas, a priori, une entreprise du domaine (bien que fournisseur de phosphores) et s’est imposé à partir de 1995, comme un acteur incontournable et rapidement comme le leader de ce domaine, par rapport à des géants comme Matsushita, Sony, Panasonic et autres. Les missions de JLED sont multiples :

- assurer une diffusion des connaissances sur les LEDs (livres, publications, malheureusement tous en Japonais…)

- assurer la promotion du produit LED auprès du marché en insistant sur l’aspect « environmentally friendly ».

- travailler dans le sens d’une standardisation (en partenariat avec des associations équivalentes à l’étranger)

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- organiser une fois par an un symposium national ou international sous forme d’exposition : en 2005 et en 2008

- organiser trois fois par an une formation des membres de l’association pour augmenter le niveau technologique

JELDS, dont les activités actuelles sont principalement centrées sur l’éclairage à LED blanches, a entrepris une étude sur ce thème en collaboration avec l’association NEON qui regroupe les industriels – concurrents - de l’éclairage fluorescent. Il s’agit là d’une démarche très cohérente qui regroupe des industriels dont on pourrait penser qu’ils doivent défendre leurs marchés respectifs. Le tableau suivant résume la situation actuelle en termes de durée de vie et d’efficacité pour les différents types de système d’éclairage.

Type Efficacité en lm/W Durée de vie en h Lampe à incandescence 10 à 16 1500

Tube fluo 80 10000 LED 50 40000

L’association a également un rôle de formation de ses différents membres et a édité

récemment un ouvrage sur la fiabilité des LEDs. On notera que même si les LEDS actuellement sur le marché sont données pour 100lm/W, JLED ne retient que 50lm/W en raison d’une baisse de rendement en fonctionnement réel, due notamment à la forte température de jonction de la diode et à une gestion thermique perfectible.

Les différences actuelles de coût d’achat des lampes, tubes fluo, et LEDs, et les coûts actuels du kW.h, font que, pour une utilisation de 10h par jour, JLED estime qu’il faudra 4 ans pour amortir l’achat d’une lampe à LED par rapport à une ampoule à incandescence et 10 ans par rapport à un tube fluo. On notera le parti pris de JLEDS de considérer des durées d’utilisation importantes, plus longues en tout cas que l’utilisation qu’on peut envisager pour l’habitat individuel : il s’agit ici de valider l’utilisation des LEDs pour les bâtiments publics, les hôtels et les espaces de travail. Pour une utilisation individuelle, on considérera des temps d’utilisation plutôt autour de 3h. On se reportera à la synthèse en fin de document pour nos évaluations des coûts d’usage des différentes voies et pour les différentes durées d’utilisation.

Pour pallier ce problème de retour tardif sur investissement, et agir de façon incitative, le ministère de l’environnement a inscrit les LEDs sur une liste de produits économes en énergie. Ceci devrait agir comme une incitation à s’équiper de ces produits, mais ceci ne concerne encore que les investissements des administrations, et pas encore le grand public. Contrairement aux équipements photovoltaïques, il n’y a pas cependant de mesures incitatives au niveau financier. L’action de JLEDs est ici de convaincre que l’on peut payer plus cher à l’achat, en gagnant par contre sur les aspects design, sur la facture énergétique et les émissions de carbone. Pour JLEDS, l’autre facteur déclenchant pourrait être la mise sur le marché, à des prix compétitifs de LEDs avec des CRI de l’ordre de 90, au lieu de 70 (ou 80) à l’heure actuelle (« warm white » au lieu de « cool white »). Mais le problème ici est lié au fait que des CRI plus élevés (obtenus à partir d’une diode bleue et de phosphores vert et rouge) ne sont obtenus qu’au dépends de l’efficacité en lumen/W.

De façon générale, le prix du lumen par W est à l’heure actuelle de 5 à 8 fois plus cher pour

une LED blanche que pour un tube fluo compact. Pour JLED, si ce ratio pouvait tomber à 2, la pénétration des LEDs sur les marchés de l’éclairage pourrait se faire ; Il faut donc gagner un facteur de l’ordre de 3. Les différents facteurs qui pourraient amener à cette réduction sont :

- une production en masse - une utilisation massive - une amélioration des circuits pour l’intégration électrique - une amélioration importante de la thermique, pour augmenter les puissances lumineuses

Les verrous technologiques à dépasser sont : - la conversion AC/DC qui produit de 15 à 20% de pertes en rendement, sur les produits reliés

au secteur - la réduction d’efficacité pour les forts courants d’injection (15 % de pertes)

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- la réduction d’efficacité avec l’augmentation du CRI (15% de pertes).

Ceci permettra de gagner 50 % sur l’efficacité et donc sur le prix du lumen /watt, à condition bien sûr que les avancées technologiques associées n’ajoutent pas au prix de revient de la LED.

La mise sur le marché récente de lampes du type FCL « Fluorescent Compact Lamps » avec

des efficacités de l’ordre de 60lumen / watt, et qui utilisent des culots à vis classiques de lampes à incandescence, ne facilite pas la tâche aux LEDs. Ces lampes sont des lampes à vapeur de Hg, mais JLEDs nous affirme que le mercure ne pose pas vraiment de problème du fait des quantités de Hg présentes dans ces lampes. Ces lampes seront donc des produits grand public, d’ores et déjà disponibles (Toshiba les commercialise déjà), et seront donc bien implantées sur le marché lorsque les lampes à incandescence seront retirées de la vente en 2012 au Japon. On notera aussi que l’on trouve également sur le marché désormais des lampes à LEDs, avec transformateur intégré dans un culot du type lampe halogène. Si l’on passe en revue les différentes voies développées à l’heure actuelle :

- diode bleue + phosphore jaune : CRI 70 – la plus usuelle - 3 diodes R+G+B OK pour panneaux grande dimension, autrement circuit d’adressage trop

complexe - Diode UV + RGB ; CRI 98, mais moins efficace - GaN monolithique : mauvais rendement dans le rouge - Diodes Rouge + Bleue + vert : bon positionnement sur le diagramme de couleur

Le schéma ci-dessous représente la road map de JLED pour l’efficacité de luminance pour les

différentes filières de LED. On y trouve deux catégories selon la température de couleur : blanc chaud (CRI : 90, diode bleue associée à des phosphores vert et rouge) et blanc froid, dans laquelle catégorie on distingue deux CRI de 80 et 70 . Le CRI de 70 correspond à la filière actuelle à base de diodes bleues associée à un phosphore jaune et le CRI de 80 à la filière diodes bleues et multiphosphores. Le CRI n’est amélioré qu’au détriment de l’efficacité de la diode.

Si la roadmap de JLED montré ci-dessous laisse présager des augmentations continues d’efficacité en lm/W pour les diodes « froides ou chaudes », les systèmes d’éclairage à LED ne seront déployés, d’abord, que dans les bâtiments commerciaux, lorsque l’efficacité (en fonctionnement) aura dépassé les 100 lm/. Pour l’éclairage général, JLEDS estime que la véritable percée n’aura pas lieu avant 10 à 15ans. Cette estimation sera recoupée par les industriels que nous rencontrerons au cours de la mission. Il faut ajouter aussi que l’éclairage chez les particuliers au Japon semble reposer davantage sur les lampes fluo qu’en Europe, notamment en France, où la lampe à incandescence est bien implantée, et donc la concurrence en terme d’efficacité est plus grande pour les LEDs au Japon qu’en France.

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L’estimation du chiffre d’affaire LEDs au Japon est de ¥400 billion (2,8 milliards €) en 2010, ¥800 billion (5.6 G€) en 2015.

Même si le coût de la diode est encore rédhibitoire pour son utilisation à très grande échelle pour l’éclairage public, les différentes voies de réduction de coût ne sont pas des thèmes abordés au sein de JLED, dans la mesure où chacune des entreprises possède sa propre stratégie de coûts qu’elle ne compte pas dévoiler à ses concurrents.

Il faut ajouter que ce qui caractérise l’industrie japonaise de l’éclairage – et d’ailleurs qui justifie pleinement l’existence de cette association JLED- c’est la très faible intégration dans ce domaine industriel. Les fondeurs, comme nous le verrons dans l’ensemble de nos visites, sous-traitent la plupart du temps le packaging à d’autres industriels et les systémiers se fournissent également en dispositifs auprès d’autres partenaires. JLEDS : Entreprises membres

Board chairmans / Vice – board chairmans (5 entreprises) � Sanyu Rec Co Lt � Sharp� Toshiba Lighting & Technology corporation

� Toyoda Gosei� National (Matsushita Electric Works)

Board of directors (16 entreprises � Iwasaki Electric� Ushio Lighting� NEC Lighting� Mitsubishi Electric Osram� Kyocera

� Koizumi Lighting� Koito Industries� Citizen� Showa Denko� Stanley Electric

� Seiwa� Daiko Electric� Panasonic Semiconductor Opto Devices� Matsushita Electric

Industrial � Mitsubishi Chemical� Mitsubishi Electric Lighting

Autres membres (70 entreprises)

� IDEC opto devices� Aoi Neon� Apic Yamada� Inaba Electric Work� Harada Denki

� Fuji Industries� E&M (Electronics and MaterialsCorporation ltd)� Endo Lighting

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� Otsuka Electronics� Odelic� Okaya Electric Industries� Oki Digital Imaging

� Opto System Co. Ltd� Omron� Kyoshin� Cooler Master� GREX� Koha

� Kokubu Denki� Contents� Sanesu Optech� Sanken� Sankosha� Sansho shoji

� Sanyo Photonics� GS Yuasa Lighting� CCS Inc� Shibasaki� Shingo Denzai

� Star Electronics� Sumitomo Chemical (travail sur les OLEDs…)� Sumitomo Metal

Electronic Devices

� Sumitomo Metal Mining� Sumitomo Electric� Daikan� Takatsuki Electric Industry

� Tecdia� Dupont (Japan)� Teknologue� Denka� Tokai Optical� Toshiba

� Toshiba Materials� Tokuyama� Nitride Semiconductors� Nagata Seiki

� Namiki Precision Jewel� Nihon Garter� Nemoto� Pulstec� PDD� Hitachi Cable

� Philips Electronics Japan� Fuji Electric FA components & Systems� Prince Electric

� Furukawa Electric� Maxray� Maruzen Denki� Maruwa Shomei� Mitsui Chemicals

� Minami� Moriyama� Yamada� Yokohama Electron� Yoshikawa Kasei� Rohm

� Royal Lighting� Wako Electric Equipment 5-2 NEDO - New Energy and Industrial Technology Dev elopment Organisation Personnes rencontrées

Nom Fonction Kazunori NAGAI Director General

Mayumi YOSHIZAKI Deputy director, Strategic planning Hiroyuki YAMADA Technology manager

Koichi SATO Project Coordinator

NEDO, organisme créé en 1980 et qui dépend directement du METI, Ministry of Economy, Trade and Industry, a pour mission de soutenir la recherche et le développement des activités reliées aux technologies pour l’énergie et les économies d’énergie. L’autre mission assignée au NEDO est celle de la dissémination de ces technologies reliées aux économies d’énergie. NEDO subventionne à la fois les universités, les organismes de recherche publics mais aussi le monde industriel, en favorisant autant que possible l’établissement de consortiums pour renforcer la fertilisation croisée et rendre plus rapide l’industrialisation des innovations liées aux économies d’énergie.

NEDO affiche clairement que sa mission est de contribuer à ce que les objectifs du protocole de Kyoto soient atteints en 2010. En terme de gaz à effet de serre (Green House Gaz, GHG) les objectifs fixés au Japon étaient de réduire les émissions de 6% par rapport à 1990. Les émissions en 2005 ayant été supérieures de 7.8% à celles de 1990, les réductions entre 2005 et 2010 doivent donc être de 13.8%. Le graphe ci-dessous retrace les différents domaines, dont le programme « Next Generation High Efficiency Lighting, que NEDO soutient à l’heure actuelle pour contribuer à atteindre ces objectifs. Le budget annuel du NEDO sur ces activités en 2007 était de 216 Milliards de yens (soit 1.4 B€)

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En ce qui concerne le domaine de l’éclairage, le NEDO ne finance plus de programme important de recherche et développement sur les diodes électroluminescentes à base de semiconducteurs inorganiques; ce thème a été couvert de 1998 à 2003, au travers du programme « The light for the 21st Century » qui fut doté de 6.2 Milliards de Yens (soit 40 M€) ; ceci tient bien sûr au fait que cette filière a atteint sa maturité industrielle depuis quelques années désormais.

Mais si l’éclairage par LEDs inorganiques n’est plus aidé par NEDO, des financements sont par contre attribués à la filière OLED (Diodes Electro Luminescentes Organiques). La roadmap dessinée par NEDO (Cf. ci-dessous) illustre le décalage entre les deux technologies en termes d’efficacité énergétique exprimée en lumen/Watt : ce décalage entre les deux technologies est d’environ 10 ans pour une même valeur d’efficacité.

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L’écart entre ces deux voies et la très faible maturité industrielle de cette filière expliquent l’implication de NEDO dans ce domaine des diodes organiques. Les financements du NEDO sur le sujet ont été de 800Myens / an pour la période 2003-2008. L’activité sur les OLEDs au Japon s’articule principalement autour du RIOE : Research Institute for Organic Electronics (http://www.organic-electronics.jp/en/) qui centralise une bonne part de la recherche et du développement sur le sujet de l’éclairage par OLED. Il s’inscrit aussi dans le cadre d’une initiative locale de la préfecture de Yamagata pour créer la « vallée de l’électronique organique » « Organic Electronics Valley », initiative qui remonte désormais à 2003. Le but premier était de créer un centre d’excellence sur les OLED, le but final étant d’attirer les entreprises impliquées et de lancer des start-up sur le sujet des displays et de l’éclairage par OLED.

Pour les sources de lumière blanche, les efficacités atteintes sont de 20 lm/W au niveau recherche avec des panneaux délivrant 5000cd/m². On notera la démonstration de panneaux luminescents de 300mmx300mm avec une luminance de 5000cd/m², Pour cette application les objectifs fixés par la roadmap sont en 2012 de 100lm/W et, en 2020 de 200lm/W. Le coût objectif est de 10000yens /m², soit à peu près 65€/m². Les entreprises impliquées sur le sujet sont NEC Lighting, Matsushita et Mitsubishi. Les domaines d’application concernent surtout les sources de lumière diffuses de grande surface, en remplacement des tubes fluo, laissant aux LEDs inorganiques le domaine de l’éclairage directif.

Pour les displays, l’objectif atteint en 2006 était, en terme d’efficacité, de 50lm/W. Pour ce type d’application, on notera que des produits à base de LED organiques sont d’ores et déjà commercialisés tel que l’écran extra-plat Sony de 11 pouces (épaisseur : 3mm) en photo ci-dessous pour un prix de 200 000 yens soit 1300 Euros ; et Sony annonce déjà la commercialisation prochaine d’écrans de 27 pouces, qui viendraient empiéter sur le marché des écrans plasma et LCD. Sony annonce 30000 heures de durée de vie, mais des tests de vieillissement récents n’ont pas l’air de confirmer ses dires. Le contraste de l’écran est par contre excellent (106/1), la réponse très rapide, et la consommation annoncée très faible.

Les développements récents sur les polymères utilisés pour la fabrication des OLEDs (notamment à Yamagate university) devraient déboucher sur la réalisation de polymères moins onéreux, ce facteur étant à l’heure actuelle une limite à la réduction des coûts de production. Dans ce sens, on notera aussi les efforts sur la mise au point d’équipements de production de masse des OLEDs qui permettent un haut niveau de rendement d’utilisation des sources d’évaporation.

Les développements les plus récents pour les diodes blanches organiques portent sur la réalisation des empilements de couches émissives (diodes dites tandem pour un empilement de deux diodes) appellées « Multiphoton sources » ; le principe repose sur l’empilement de structures

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émissives polymères les unes sur les autres, adaptées pour assurer un spectre d’émission blanc, séparées par des contacts transparents à base également de bi-couches organiques assurant la collecte des trous et des électrons. La roadmap du NEDO prévoit des luminance de l’ordre de quelques centaines de Cd/m² et des durées de vie de l’ordre de 100000h pour l’affichage et 5000cd/m² , 50000h pour l’éclairage.

On trouvera ci-dessous la roadmap du NEDO sur les panneaux plats pour éclairage à OLED

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6 - Nouveaux développements académiques 6-1 Université de Meijo

Située à Shiogamaguchi, non loin de Nagoya, l’université de Meijo a partagé avec l’université de Nagoya l’épopée historique de l’invention des DELs à base de nitrure de gallium. Dans les années 1986-1990, les professeurs Isamu Akasaki et Hiroshi Amano ont apporté plusieurs idées majeures qui ont fait progresser le domaine. La première est l’introduction d’une couche buffer épitaxiée à basse température et qui permet de commencer la croissance sur le substrat saphir, et la seconde est l’activation du dopage p (Mg) par une irradiation par des électrons de basse énergie (Jpn. J. Appl. Phys. 28 (1989)). Ces découvertes ont été faites à l’université de Nagoya. C’est cette idée d’activation qui sera reprise par Suji Nakamura sous la forme d’un recuit thermique avec le succès, planétaire, que l’on sait. Depuis, les professeurs Akasaki et Amano sont passés à l’université de Meijo. C’est le prof. Amano qui nous reçoit et nous décrit l’activité de l’université de Meijo dans les nitrures. Cette activité peut se décomposer en trois parties :

- la recherche académique, portée par le Prof. Amano, consacrée à l’épitaxie MOCVD, les DELs UV et les transistors de puissance

- UV Craftory, compagnie privée, qui développe les DELs UV - EL-SEED, compagnie privée dirigée par le Prof. Kamiyama, qui développe les DELs

blanches. Cette start up est installée dans l’université de Nagoya et nous n’aurons pas la possibilité de la visiter. Leur approche est d’utiliser la lumière proche UV d’une DEL GaN épitaxiée sur SiC pour pomper optiquement des défauts du SiC qui ont une transition (donneur-accepteur) spectralement large et qui donne du blanc par mélange avec la lumière initiale de la DEL. Les dopages en B et N du SiC sont à des niveaux élevés pour que la transition ne sature pas à forte puissance de pompage. Une dizaine d’étudiants y travaillent, signe que le lien université-entreprise reste fort dans cette jeune entreprise dont le personnel permanent reste apparemment limité en nombre.

Le groupe du professeur Amano compte environ 40 étudiants pour quelques permanents. Il

travaille sur les DELS UV et vertes, c’est à dire les deux régions spectrales où les nitrures présentent des performances moindres, et où des progrès sont à réaliser. Le travail sur l’UV porte sur les DELs mais aussi les lasers et les phototransistors, et il est financé par un projet MEXT. La croissance sur substrat non planaires (tranchées de 5µm de large et 0.5µm de profondeur gravées dans le saphir) permet de réduire la densité de dislocations. Afin d’émettre dans l’UV, il est nécessaire d’épitaxier des couches épaisses non plus de GaN mais de AlGaN. Le problème de l’apparition de fissures liées aux contraintes mécaniques se pose mais a été résolu grâce à des couches intercalaires de AlN préparées avec des tranchées. Un point important est que AlGaN nécessite pour la croissance des températures plus élevées : tous les réacteurs du prof. Amano sont des réacteurs conçus pour monter jusqu’à 1400°C (Emcore modifié) voire 1800°C (réact eur horizontal fait maison). Au final, des couches de Al0.25Ga0.75N avec des densités de dislocations de 5×107cm-2 (sur des bandes de 5µm) sont obtenues et permettent de réaliser des DELs UV à 345nm ayant une efficacité quantique externe de 5% (15mW à 60 mA). Ces DELs UV sont idéales pour exciter les phosphores bleu/vert/rouge et produire une lumière blanche avec un excellent rendu de couleur. Citons au passage une collaboration avec Nagoya City University pour utiliser les DELs UV pour le traitement des maladies de peau.

La même approche de substrat non planaire est utilisée pour améliorer les DELs vertes. L’idée de remplacer les puits étroits par une hétérostructure plus large afin de réduire les densités de charge et l’effet Auger est mise en avant également. En effet, la densité volumique de charge dans un puits plus large sera moindre et les recombinaisons Auger (qui varient comme le cube de la densité) seront réduites. Enfin, la croissance de InGaN sur ZnO (plans a, c et m) est développée, misant sur l’accord de maille de In0.17Ga0.83N avec ZnO. 6-2 Université de Kyoto

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L’université de Kyoto est répartie sur 3 sites : Yoshida, Uji et Katsura (Techno-science Hill).

C’est sur ce dernier que résident les sciences physiques et en particulier le « Department of Electronic Science and Engineering », où le Prof. Yoichi Kawakami nous reçoit dans un bâtiment très moderne.

Son laboratoire a été choisi au sein de l’université de Kyoto, puis sélectionné au niveau national, pour être reconnu comme un centre d’excellence. Ce label procure un financement important sur 5 ans pour de l’équipement et des postes (postes de post doc par exemple, pour lesquels les étrangers sont invités à postuler). En cas de succès du projet (mesuré par le nombre de publications, brevets, start up…), un financement encore plus conséquent est octroyé pour les 5 années suivantes. Le programme labellisé porte sur l’optoélectronique GaN mais aussi l’électronique de puissance GaN et SiC. Le groupe du Prof. Kawakami a établi une solide collaboration avec la société Nichia sur les LEDs GaN, et bénéficie d’un soutien conséquent, dont le montant équivaut au moins au prix d’un réacteur de croissance. La visite du laboratoire confirme d’ailleurs cette aisance financière. Le groupe compte 2 professeurs, 3 post doc, 5 PhD et 10 autres étudiants. Le prof. Kawakami nous a montré, dés notre arrivée, un module de 1000 lumen (équivalent optique d’une ampoule 60W) réalisé à partir de 17 LEDs, placées sur une barrette allongée, et produite par une TPE de la région. Le module est basé sur l’utilisation d’optique secondaire en plastique moulé, et qui a fait l’objet d’une conception spécifique, pour produire une tâche circulaire homogène. La barrette allongée est surmontée d’une série de calottes d’apparence sphérique, mais imbriquées les unes dans les autres. Le prof. Kawakami, tout en nous montrant ce démonstrateur, qui semble surtout un amusement pour lui, nous a malgré tout expliqué que le coût des DELs ne permettaient pas d’envisager d’éclairer les bureaux. Il nous a expliqué ensuite quelques approches poursuivies dans son groupe. Sur une couche non plane, présentant des facettes inclinées et des surfaces planes de largeurs différentes, les puits quantiques InGaN émettent à des longueurs d’onde variant de 460 à presque 600nm selon les endroits. Le mélange de ces couleurs donne du blanc avec un bon CRI. Dans cette approche, l’équilibre entre les couleurs dépend de la tension car l’injection dans les différentes parties des puits n’est pas uniforme et dépend de la tension. En courant continu, on ne peut donc pas régler séparément la puissance émise et la composition spectrale. Une solution est alors de contacter séparément les trois DELs émettant les trois couleurs de base. Mais en utilisant des courants pulsés, on peut régler indépendamment ces deux paramètres en jouant sur les largeurs et hauteurs de pulse. Une autre approche, portée par Koichi Okamoto, vise à améliorer l’extraction de photon par l’utilisation de cristaux photoniques et de plasmons de surface. L’extraction est sélective en longueur d’onde, et donc le blanc sera obtenu par mélange de trois DELs. Ces approches offrent une bonne qualité de CRI. Le Prof. Kawakami nous a dit que, pour lui, l’avenir de l’éclairage ne passait pas par les phosphores mais par des approches offrant un meilleur (CRI supérieur) blanc. On peut le croire en ce qui concerne les applications où la qualité du CRI est primordiale. Cependant, étant donné le surcoût et la complexité d’alimentation des DELs proposées par son groupe, on peut craindre que le marché correspondant soit très limité. En ce qui concerne les études optiques, l’effort porte beaucoup, en relation avec Nichia, sur l’efficacité radiative des puits InGaN et ses corrélations avec les défauts, à une échelle globale comme à une échelle locale.

A noter une activité de ce laboratoire, en photonique silicium, où le sujet principal concerne le développement d’une source laser sur Si, à partir de cristaux photoniques. 6-3 Université de Tokushima : groupe du professeur SAKAI

Nous avons été reçus par le professeur Sakai dans des locaux assez anciens contenant des équipements peu modernes. La discussion a porté principalement sur des papiers publiés il y a déjà longtemps par cette équipe, portant sur l’amélioration de l’extraction par structuration des surfaces de substrats, et ne présentant plus beaucoup d’intérêt. Probablement en raison de ses liens avec des industriels (Nitride Semiconductors), le Prof. Sakai ne nous a donné aucune information intéressante.

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7 - Développements industriels

7-1 Kyocera Lieu : Kyoto Principales personnes rencontrées :

Nom Fonction Nobuyuki Fukabori Senior Manager

Daiji Haruna R&D packaging engineer

Le siège social de l’entreprise Kyocera est situé à Kyoto, dans un bâtiment moderne avec un hall d’entrée aux allures de musée. Nous sommes reçus par une forte délégation de managers de la société.

Fondée il y a 49 ans par Kazuo Inamori, Kyocera compte aujourd’hui 63000 personnes dans le monde et travaille dans des secteurs variés allant de la céramique (du boîtier électronique aux couteaux de cuisine), les substrats (saphir), la joaillerie, les panneaux solaires, aux hôtels en passant par les imprimantes et les téléphones portables.

Avant d’entrer dans des détails techniques, Nobuyuki Fukabori nous livre quelques réflexions sur l’éclairage par DELs. Les ampoules à incandescence, qui semblent moins utilisées au Japon qu’en France, sont condamnées au moins au Japon. Toshiba par exemple a annoncé l’arrêt de leur production en 2010. Ce marché semble à la portée des DELs. D’ailleurs, Toshiba annonce qu’il produira à partir d’août 2008 une lampe à base de DELs équivalente en terme de puissance optique à une ampoule à incandescence de 100W. Cependant il reste un écart important entre le développement des DELs et le design des luminaires qui retarde l’introduction des DELs dans les luminaires modernes. Ce problème est particulièrement vrai au Japon où les deux grands fabricants de DELs (Nichia et Toyoda Gosei) ne sont ni des fabricants de lampes, comme Citizen, ni des fabricants de luminaires comme Matsushita, Toshiba et Mitsubishi. Cette organisation de l’industrie de l’éclairage au Japon est donc à l’inverse de l’industrie européenne ou américaine, où règnent des fournisseurs comme Osram ou Lumileds-Philips, verticalement intégrés. S’ajoutent à cette difficulté les différences de cultures : les habitudes et les styles de luminaires différents selon les pays, et les entreprises de luminaires locales, mieux imprégnées des cultures nationales, sont avantagées. Ceci explique pourquoi les fabricants de DELS japonais concluent des alliances avec des fabricants de luminaires européens. Cette particularité des fabricants japonais est elle réellement un handicap pour percer dans l’éclairage ? Ce n’est pas si évident, selon nos hôtes, car l’industrie des DELs nécessitent des investissements lourds alors que l’industrie de l’éclairage repose surtout sur de l’assemblage. Ce sont donc deux activités ayant des caractéristiques différentes, et pas forcément faciles à intégrer au sein d’une même société. Pour terminer, le cas des lampes à fluorescence a été abordé. Nos hôtes estiment que c’est un marché très difficile à attaquer pour des raisons de prix. Pour eux, la prochaine cible pour les DELs sera essentiellement le rétro éclairage des écrans (TV, PC…).

Nous passons ensuite à une partie plus technique sur le packaging des DELs avec Daiji Haruna. L’enjeu principal est d’évacuer la chaleur dissipée par les DELs en fonctionnement sous forte densité de courant. Pour des puissances inférieures à 1W, un boîtier (packaging) plastique convient. Pour des puissances supérieures à 5W, les céramiques ou les métaux (cf. Citizen) sont obligatoires. Entre toutes ces solutions, le choix dépend largement des coûts. Encore une fois, le prix est une contrainte forte pour l’éclairage et les boîtiers et embases n’échappent pas à cette loi. Les céramiques sont-elles assez bon marché pour ce marché ? Cette question reste aujourd’hui ouverte. Les points forts de la technologie céramique sont la planéité, qui favorise de hauts rendements d’assemblage et la fiabilité, largement démontrée dans le domaine des embases, pour les applications « telecom ». Par ailleurs, la céramique donne accès à des topologies d’interconnexion électriques complexes puisque des céramiques sérigraphiées et même multicouches peuvent être fabriquées pour des applications « haut de gamme ». Kyocera propose des embases céramiques standard accessibles à tous les clients, mais développe aussi à la demande des embases spéciales réservées à un seul client. L’optimisation de l’embase doit alors se faire en étroite collaboration avec l’optimisation de la DEL. A propos de géométrie de contact n, il a souvent été dit qu’un contact face arrière (SiC par exemple) permettait de réduire les coûts de montage et de réalisation des embases. Nos hôtes nous infirment cette idée reçue.

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Afin de réduire les coûts des embases sans dégrader la conductivité thermique, Kyocera a mis au point une embase à base d’alumine Al2O3 plutôt que d’AlN. La conductivité plus faible de l’alumine (8 fois plus faible) est compensée par un design nouveau avec une partie métallisée comme le montre le schéma ci dessous (source Kyocera) et permet d’atteindre une résistance thermique de 25°/W. Le métal est également utilisé comme réflect eur, pour améliorer l’extraction de lumière. Deux métaux ont été adoptés par Kyocera, l’aluminium et l’argent. L’argent présente une réflectivité supérieure a 85% de 240 a 750nm. La réflectivité de l’argent est également excellente, mais chute plus vite, dans l’UV

Kyocera estime que cette embase métallisée sera massivement introduite dès 2010 pour les

applications automobiles (l’automobile est considérée comme un bon marché pour les céramiques) et l’éclairage public (rue), et à partir de 2015 pour l’éclairage domestique (général mais surtout pour des applications spécifiques). Ces prévisions sont à rapprocher des prévisions des fabricants de DELs. La tendance actuelle des montures suit la problématiques des DELs : l’efficacité des DELS tend à diminuer quand la taille augmente (problèmes thermiques, d’uniformité d’injection, d’extraction de photons). Les embases privilégient donc plusieurs puces par montures plutôt qu’une puce de grande taille. Il faut noter que Kyocera ne nous a pas montré de boitier intégrant de lentilles et ne semble donc pas travailler sur la mise en forme du faisceau optique des LEDs. Pour terminer, les aspects substrats méritent eux aussi une certaine attention. Kyocera est un des leaders mondiaux sur le marché des substrats saphir. Aujourd’hui, Kyocera produit des substrats de diamètre 2 et 3 pouces. L’augmentation de la taille des substrats est bien sûr un pré-requis à l’augmentation de la taille des couches épitaxiées, qui doit elle même permettre une réduction des coûts. En terme de substrat, le passage de 2 à 3 pouces s’accompagne d’une augmentation de coût d’un facteur 1.5, ce qui correspond à une réduction de coût par unité de surface de 1.5. Enfin, Kyocera produit aussi des substrats plan M et R pour l’épitaxie de GaN non polaire, peut être un élément clé des DELS de demain. ZnO est un autre substrat évoqué pour l’épitaxie de GaN, mais Kyocera nous dit ne pas vouloir le développer. 7-2 Koito Lieu : Yokohama Personnes rencontrées : 9 personnes, dont :

Nom Fonction

Yoshihiko Maruoka General manager, System Engineering Dept Kazuto Tainoson General Manager, Lighting and Display Engineering Dept

Contenu des discussions : Koito est un systémier de l’éclairage à base de LEDs, avec une vaste gamme de produits :

- Panneaux et signaux routiers (feux tricolores…) - Systèmes d’éclairage architecturaux - Lampadaires d’éclairage public - Ecrans de grande surface - Eclairage voitures et trains

Une grande partie de leur activité consiste à soumettre les systèmes aux tests de qualification et d’environnement, particulièrement exigeants pour les applications en extérieur (outdoor). Faits marquants :

- Il n’a pas été possible de visiter les laboratoires ou lignes de fabrication de Koito, mais Koito nous a exposé un grand nombre de prototypes et produits à base de LEDs :

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- lampadaire public :

Le lampadaire à base de LED reste trop cher, par rapport à son homologue à lampe à décharge. Une réduction du coût d’un facteur 2 est nécessaire pour cette application.

- lampe de dentiste :

Pour cette application, un design de l’optique secondaire est nécessaire pour que l’ombre de la main du dentiste ne se porte pas sur le patient.

- Feu tricolore et passage piéton, à LEDs

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- Dans cette application, les produits sont généralement peu accessibles et sont en général des

produits qui assurent la sécurité des citoyens et qui doivent donc fonctionner en permanence. De ce fait, la fiabilité des LEDs devient un argument prédominant, ce qui permet à cette technologie de se déployer, dés maintenant (12% des feux de signalisation en moyenne au Japon, 25% à Tokyo)

Balise d’aéroport :

Les produits actuels ne sont pas encore assez performants pour le balisage de piste, mais suffisants pour le balisage des « taxi-way ». Autres remarques : Koito a des volumes suffisants pour approvisionner des diodes spécifiques, quand une application le demande. Par contre, il n’est pas clairement apparu s’il s’agissait de composants réellement différents ou simplement, de variantes, comme par exemple des composants triés sur un paramètre donné. Koito s’intéresse, pour ses systèmes, aux capteurs d’image, photodétecteurs et circuits de traitement d’image. 7-3 Nichia Lieu : Tokushima Personnes rencontrées :

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Nom Fonction

Katsuaki Mizohata Manager, LED Business Planning Dept Toshio Komaki Engineer ( francophone)

Contenu des discussions : Présentation de l’historique de Nichia : L’activité de Nichia s’est enrichie, à partir d’une activité de chimie de base. En voici les principaux jalons : - Années 1956 à 1965 : Fabrication de CaCl2 pour soigner la tuberculose - Années 66 à 72 : Fabrication de phosphores pour les lampes fluorescentes - Années 73 à 92 : Fabrication de phosphores pour les écrans CRT et les écrans pour rayons X - Nichia est devenu très rentable dans les années 80 et en a profité pour se diversifier. Ils ont

essayé de monter une vingtaine de « business » différents, avant de se lancer dans l’activité LED IR, abandonnée à l’époque, par Panasonic…

- Dans le début des années 90, Dr. Suji Nakamura développe la LED bleue à base de GaN, notamment par l’obtention d’un dopage p de qualité par recuit thermique. Dès 1993, les performances sont suffisantes pour décider de l’industrialisation massive En 1994, apparaît à Tokyo le premier écran géant à base de LEDs bleues (produites par Nichia en GaN), vertes et rouges. Rapidement, Nichia produit aussi des LEDs vertes, puis des blanches en associant leurs phosphores et leurs LEDs bleues.

- En 1996, Nichia démontre le premier laser à base de GaN. Situation actuelle de Nichia : - Nichia compte 4400 personnes, à fin 2007, avec un objectif de 4900 personnes, fin 2008. - Son CA est de 1.3 milliard d’euros ( ?), avec des ventes stables entre 2004 et 2007. Son

activité a deux autres composantes très importantes, avec la production de phosphores, puisque Nichia représente 36% du marché mondial et la production de matériau pour les accumulateurs Li-ion, avec un client principal, Sanyo. L’activité LEDs occupe toutefois environ 3300 ? personnes sur les 4400 employés.

- 70 % des ventes de LEDs de Nichia, concerne l’application « backlighting », portée par le « business » du téléphone portable.

- Nichia peine toutefois à s’imposer au niveau sous modules de « backlighting » et reste donc, majoritairement un fournisseur de composants.

- Nichia a sa R&D Packaging au Japon, mais sa fabrication en Malaisie. Elle possède également une usine en Chine, appelée Shanghai Factory Opto Product et une usine d’écrans à LED, à Taiwan.

- La diode laser bleue, malgré son impact sur la communauté scientifique, peine à trouver son marché et ne représente toujours pas pour Nichia un grand succès commercial.

Discussion sur les défis qui se posent maintenant aux fabricants de LEDs : - Les problèmes thermiques limitent les performances des diodes haute puissance. - Du fait de leur coût, les LEDs s’imposant pour l’instant seulement dans des endroits difficiles

d’accès comme les éclairages d’hôtels, en hauteur ou les signaux routiers. - Nichia espère que l’état légifèrera en interdisant l’utilisation du mercure dans les dispositifs

d’éclairage. Cela donnerait un coup fatal aux lampes fluorescentes, qui peuvent rivaliser avec les LEDs en terme d’efficacité, ont une fiabilité décente, mais utilisent de faibles quantités de mercure.

Faits marquants : - Nichia travaille encore en substrat 2’’, mais doit « basculer » progressivement en 3’’ - Ecran géant à base de LEDs dans le hall d’entrée de Nichia - De fortes tensions entre Toyoda Gosei et Nichia, avec chacun se présentant comme

l’inventeur de la première LED bleue… - Une activité de plus de 20 ans dans les LEDs, enclenchée à une époque de relative

prospérité, où Nichia a souhaité se diversifier - Un CA qui stagne depuis 4 ans car même si les quantités de LEDs pour les téléphones

portables augmentent encore, l’érosion sur les prix compense cette augmentation - Le problème « thermique » est encore signalé pour les LEDs de puissance

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Points non vus ou non traités Laboratoire ou ligne de fabrication non visitées. Nichia prévoit une croissance de plus de 10% de son CA en 2008, après 4 ans de stabilité, mais ne nous a pas donné d’indications sur ce qui va générer cette croissance. Toutefois, nos discussions avec Toyoda Gosei nous laissent penser que c’est le rétro-éclairage des écrans de PC et de TV, qui devrait prendre le relai du rétro-éclairage pour le téléphone portable. 7-4 Citizen Lieu : Tokyo Personnes rencontrées :

Nom Fonction Koichi Fukasawa Manager, Tokyo R&D Center

Norikazu Kadotani R&D engineer Contenu des discussions :

Citizen, fabricant de montres bien connu, a été fondé en 1970. L’activité sur les LEDs a

démarré, il y a 20 ans et appartient à la filiale Citizen Electronics. Les clients de Citizen sont les systémiers de l’éclairage, principalement Matsushita, Toshiba et Endo Lighting.

Citizen a une alliance avec Nichia, qui englobe la fourniture de LEDs par Nichia et le Packaging par Citizen, à partir des brevets « LED blanche » de Nichia. La croissance forte du CA de Citizen dans cette activité LEDs a correspondu au fort développement des téléphones portables jusqu’en 2005, avec la vente de LEDs blanches pour l’éclairage des claviers/écrans (Backlighting) et les flashs de téléphone.

LED pour Flash de « camera phone » Citizen est le premier fournisseur de LEDs de Nokya et Motorola, et s’est octroyé les parts de marché suivantes (chiffres 2006) :

Fonction Part de marché Japonais Part de marché mon dial Eclairage touches claviers 34% 25%

Flash leds 45% 34% Eclairage écrans (Backlighting) 15% 2%

A partir de 2005, l’érosion des prix et une moindre croissance en volume se sont traduites par une stabilisation de leur CA.

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Citizen prévoit un rebond du CA dans les années qui viennent, du fait de l’adoption des LEDs blanches pour l’éclairage général. Citizen s’est donc orienté vers une gamme de modules de puissance, présentée ci-dessous, de la simple LED de 60 lm, jusqu’au Module Multi-LEDs (MCM) de 1150 lm.

Citizen nous a également présenté un module en développement, destiné à remplacer un tube fluorescent de haute puissance. Ce tube contenant 1000puces de 300µmx300µm, émet une puissance de 3000lm, pour une puissance électrique de 30W (comparable à une ampoule incandescente de 180W).

Le remplaçant du « néon » MCM contenant 1000 LEDs Cette gamme de modules de lumière blanche repose sur une plateforme de Packaging, à faible résistance thermique (de l’ordre de 2.4°C/W), dont voici les caractéristiques principales : - Report des puces Nichia à substrat en saphir, directement sur plaque d’aluminium (après

amincissement à 80µm des puces)

CL - L102 - C3N

1W 3W 20W 5W

1000 lm

100 lm

200 lm

500 lm

245 lm (67lm/W)

10W

700 lm (66lm/W)

CL - L190 - C5N - A

408 lm (72lm/W) 408 lm

(72lm/W)

CL - L220 - C16N - A

1150 lm (68lm/W)

Introduction of Citizen ’ s LED ~ Package Concept ~Y axis : lm/PKG 5000K

CL - 822 - U1N

6.0 lm (94lm/W)

1500 lm

CL - L102 - C7N

96 lm (80m/W)

CL CL - - 654 654 - - C1N C1N

540 lm (77lm/W)

CL - L230 - C10N - A

Citizen is now focusing on high wattage

packages

X axis : Input Power (W)

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- Approche MCM (Multi-Chip Module) pour obtenir les niveaux de puissance requis, avec une

seule optique quand cela est possible pour éviter le phénomène d’ombrage. - Assemblage de « phosphores » pour obtenir la colorimétrie souhaitée Les principaux développements en cours chez Citizen, sont les suivants : - Augmentation de l’efficacité de 30% en lm/W, entre Q1 2008 et Q1 2009, à la fois en

bénéficiant de l’amélioration de la puce Nichia et en améliorant le « Packaging » - Augmentation de 20% de la puissance en lumen, dans la même période - Une augmentation x2 de l’efficacité, à « terme » ne semble pas illusoire, à Citizen. - Augmentation du CRI, pour les applications d’éclairage général. Il est à noter qu’un CRI qui

passe de 70 à 90%, se traduit aujourd’hui par une perte d’efficacité de l’ordre de 30%. - Contrôle de la colorimétrie et amélioration de l’uniformité spectrale des modules, par un

mélange adéquat de puces de différentes longueurs d’onde ou une mesure in-situ de la colorimétrie pendant le dépôt des phosphores.

En plus de l’éclairage général, Citizen vise le marché de l’éclairage pour l’automobile, mais n’a pas de partenaire, pour l’instant, dans ce domaine. Faits marquants : - Une organisation qui confirme la structure « stratifiée » de l’industrie des LEDs au Japon,

avec des périmètres biens définis entre fournisseurs de puces, fournisseurs de composants& modules et fournisseurs de systèmes.

- La LED s’impose, là où sa compacité et/ou sa fiabilité constituent un avantage décisif. - Une perte importante d’efficacité (lm/W), pour les produits à fort CRI (> 0.85) : il faut

s’attendre à une perte d’efficacité de l’ordre de 30%, lorsque l’on passe d’un CRI de 70 à 90%.

- Une plate-forme de Packaging bien identifiée, chez Citizen, avec les caractéristiques suivantes :

o Un report direct de la puce sur aluminium o Une approche MCM (multi Chip module): l’approche MCM, permet le contrôle de la

colorimétrie, et une bonne uniformité spectrale, par un choix judicieux des LEDs. Une autre approche en cours d’évaluation, consisterait à faire une mesure in-situ de colorimétrie, au moment du dépôt des phosphores.

- Les luminaires à base de LEDs sont encore de 5 à 10 fois plus chers que leurs homologues à

fluorescence. Pour ce type d’application, des coûts équivalents ne sont envisageables qu’à long terme (10 à 15ans), selon Citizen.

Points non vus ou non traités : - Pas de visite de laboratoire ou de ligne d’assemblage Autres remarques :

/ PKG MCM avec des LEDs de « couleurs « différentes

FrontFront

Aluminum

LED dieBack

Aluminum

Back

Aluminum

Cross-section diagram

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- L’approche soudure LED sur métal ne semble pas adaptée à l’application « flash », pour laquelle un boîtier céramique est préféré. La raison de ce choix n’a pas été expliquée. Documents fournis : - Présentation générale de l’entreprise - Présentation des développements en cours en Packaging et modules d’éclairage Autres informations méritant d’être soulignées : - Présentation d’un projecteur cylindrique à LEDS, de haute puissance : Le radiateur à ailettes,

très massif, autour du boîtier de la LED, traduit bien la difficulté de refroidir les LEDS au niveau système, lorsque seule la convection naturelle peut être utilisée.

- A partir des caractéristiques des alimentations utilisées par les fabricants de luminaires, Citizen adapte le « layout » électrique, en mettant les LEDS en série ou/et en parallèle (voir ci-dessous)

7-5 Toyoda Gosei Lieu : Nagoya Personnes rencontrées

Nom Fonction Koichi OTA Managing Director

Osamu YAMANAKA Manager, Dpt Optoélectroniques

Le métier de base de Toyoda Gosei est celui des pièces pour l’automobile, principalement les pièces en matière plastique. Il s’agit par exemple des tableaux de bord, des joints d’étanchéité, des air-bags, flexibles de freins, etc… La deuxième activité majeure de Toyoda Gosei concerne désormais les LEDs, même si, en terme de CA, ceci ne représente que 5.6% de ses revenus. Le chiffre d’affaires pour les LEDs de TG s’est établi à 23 BYens (soit 150M€) en 2007 et devrait avoisiner les 38Byens en 2008 (soit 230M€) . Les LEDs concernent 700 personnes chez TD, dont 200 en R&D. (dont la R&D sur les process industriels) Les LEDs développées et commercialisées par TG couvrent les longueurs d’onde du proche UV (380nm) au vert (550nm). Les technologies sont à base de GaInN et de Multi puits quantiques.

1.225W

Voltage: 3.5V X 8chips = 28V

Current: 43.75mA

Voltage: 3.5V X 8chips = 14V

Current: 87.5mA

Current: 350mA 8chips8chips

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Blue LED lamps Green LED lamps

Bluish-green LED lamps

White LED lamps High-power white LEDs

Blue surface-mounting LEDs

Green surface-mounting LEDs

Bluish-green surface- mountingLEDs

White surface-mounting LEDs

True white LEDs

Purple LED lamps 3-in-1 LEDs

Green surface-mounting LEDs

top

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Combination of a purple LED and special RGB phospho rs produces natural light. TG is trying to put a white LED into a practical use to replace a bulb. A traditional white LED emitted light by combining a blue LED and its complementary color, yellow phosphors. But there were problems that its color range was small and that some colors were unnatural. TG has developed a new white LED, TG True White Hi, which consists of three primary colors of light, blue, green, and red special s plus a purple LED, TG Purple, has an excellent color rendering property very similar to natural light. Color rendering property is a criterion to measure similar colors under natural light and artificial light. TG True White Hi achieves 90 level of average color rendering index, which is high enough to observe art and to do clinical tests. TG True White Hi shows upgraded color rendering property and brings top-level brightness in this industry.

Many possible uses in addition to lighting, includi ng backlight TG True White Hi can be applied to many places due to its similarity to natural light. Possible uses include art museums and museums, or shops to illuminate products. It is good for meat and fish as it is difficult to see how fresh they are when they are under ordinary lighting systems. It is also effective for clothes because lighting affects their color impression. Furthermore TG True White Hi can be used for backlight, car navigators, liquid-crystal TV sets, and personal computers as transmitted light passing through a filter. TG will develop much brighter TG True White Hi to meet a broad range of demand.

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Toyoda Gosei ne produit que les puces et sous-traite le packaging / back-end chez Panasonic. Les diodes proches UV sont associées à des phosphores tri-couleurs pour émettre du blanc ou, en tant qu’émetteurs UV, sont intégrées dans des systèmes de purification d’air notamment pour l’automobile mais aussi pour les fabricants de climatiseurs (UV LED + poudre TiO2) ou à des systèmes de purification d’eau pour la fabrication de glaçons dans les réfrigérateurs.

M. Koichi nous a retracé l’historique de cette activité chez Toyoda Gosei. En 1986, TG a commencé à s’intéresser au travail du professeur Akasaki de l’université de Nagoya et dépose un premier brevet sur l’obtention de GaN monocristallin

En 1987, TG reçoit des subventions de la Japan Science and Technology Agency pour lancer une activité sur les nitrures.

En 1991, TG fait la première démonstration de LEDs en nitrures à partir de structures MIS autour de 360nm.

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En 1995, TG commercialise les premières LEDs bleues haute brillance (2 Cd), puis, vers 1997, les blanches a partir de phosphores BOS (alors que Nichia utilise les phosphores YAG).

M Koichi nous fait savoir que TG est détenteur de 3000 brevets sur le thème des LEDs, déposés entre 1985 et 2008. Nichia a poursuivi TG en justice mais TG a pu prouver l’antériorité de ses brevets ; Les choses se sont réglées à l’ « amiable »…

Nichia possède 90% du marché des LEDs pour le Back Light des téléphones portables, et est à l’heure actuelle, dans l’attente du marché de l’éclairage, le marché principal des LEDs blanches. Le marché de l’automobile ne concerne que 10% du marché total des LEDs (hors headlights, pas encore vraiment répandu ni commercialisé). Pour l’application headlights, Nichia s’est associé à Koito, mais TG s’y met, étant donné que l’automobile est son marché privilégié.

On trouvera ci-dessous la road map qui nous a été présentée par TG et qui montre la montée en puissance des diverses applications envisagées ou courantes des LEDs (voitures, téléphones portables rétro-éclairage, TV, PC, éclairage général. Même si cette road map est très évasive en terme de dates et de marchés, elle permet de voir que pour TG, le CA correspondant aux applications pour les téléphones portables (backlighting+flash) se stabilise, relayé par les applications TV et PC, puis finalement par les applications d’éclairage général. Pour l’éclairage général, nous n’avons pas eu de détail quant à la répartition qui pourrait être envisagée entre les différents secteurs (public, industriel, circulation…). Une remarque de TG : le Back- Lighting (BL) des téléphones portables devrait se faire par LED dans le futur.

De façon générale, l’avis de TG est que les LEDs sont au prix plancher, rendant, à l’heure actuelle toute pénétration sur le marché impossible. Si une législation sévère interdisant l’utilisation du Hg apparaissait, ceci pourrait ouvrir la voie à l’utilisation massive du SSL. Si ce n’est pas le cas, la seule voie qui leur paraît possible est d’intégrer les diodes dans le luminaire et donc de justifier l’introduction des LEDs par un design du luminaire totalement nouveau. L’impact du surcoût lié à la LED serait en partie masqué dans le prix total du luminaire, ce qui faciliterait la percée des LEDs. Il faut donc que s’associent des fondeurs / intégrateurs de LEDs et les fabricants de luminaires. C’est dans ce sens que TG s’est associé avec le Groupe Zumtobel en Allemagne, qui est un des grands industriels de l’éclairage en Europe. Zumtobel et TG ont créé une joint venture, appelée LEXEDIS Lighting GmbH pour développer, produire et vendre des diodes blanches de forte puissance et fort CRI. Cette « joint venture » donne également à TG accès au marché européen. A noter également que, ces dernières années, TG a noué des accords pour des échanges de licence avec OSRAM GmbH et LUMILED lighting.

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8 - Start –ups 8-1 UV- Craftory Lieu : Nagoya Personnes rencontrées

Nom Fonction Akira Hirano President and CEO

Immergée dans le site de l’université de Meijo, UV Craftory est une start up récente. Il s’agit

en fait d’une équipe qui travaillait auparavant sur les détecteurs UV au sein de la société Osakagas. Reconvertie dans les DELs UV (256-360nm), cette équipe conduite par Dr. s’appuie sur une forte collaboration avec le groupe du Prof. Amano et sur des investisseurs externes (20 M€). Les marchés visés sont variés (éclairage, médical, traitement de l’air, de l’eau…). Cette création est le symbole d’un nouveau mode de valorisation au Japon, qui privilégie le développement au sein des universités, à l’image du modèle américain. Ceci est nouveau au Japon. La société compte une dizaine de personnes et est encore dans une phase de développement de produits. 8-2 Nitride Semiconductors Lieu : Tokushima Personnes rencontrées :

Nom Fonction Yoshihiko Muramoto President and CEO Shunsuke Kawano Director, General Manager Hitomi Nakamura Ventes

Nitride SC a été créée en avril 2000 par Y. Muramoto et le professeur Sakai. La compétence clé de l’entreprise est la croissance par MOCVD de structures MQW InGaN ou GaN pour le bleu /UV à partir d’un design de réacteur mis au point par le professeur Sakai. En particulier, une couche de SiN est utilisée pour bloquer la propagation des dislocations dans la couche active. Par ailleurs, l’épitaxie est réalisé sur un substrat selon un procédé appelé LEPS, pour réduire la densité de dislocations dans les couches actives des dispositifs conformément au synoptique suivant :

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L’entreprise s’est spécialisée dans la commercialisation de diodes UV. Les principales applications sont : - L’éclairage blanc par l’ajout de phosphores RGB - La purification d’eau par UV (exemple : réfrigérateur) - La purification d’air par UV (marché automobile) - La détection de fausse monnaie par excitation de fluorescence, par rayons UV - A terme, les lampes UV haute puissance, pour le séchage des encres ou la polymérisation

La gamme de LEDS UV couvre la gamme de longueurs d’onde 355 à 375nm. Les premières diodes 370nm et 365nm sont sorties chez Nitride, en 2002 et la première diode 375nm, en 2003. Le coût des LEDs UV est encore supérieur à celui des diodes bleues, du fait d’un surcoût sur le Packaging. En effet, pour éviter le vieillissement prématuré des boîtiers, il faut utiliser des silicones, qui sont des polymères plus chers que les époxies.

Les performances actuelles des diodes 375nm : 13mW sous 20mA pour une puce de 280x280µm. Nitride affirme avoir un rendement de 80%, supérieur à celui de Nichia (60%). Pour l’application éclairage « général » des puissances de 20mW au moins seront nécessaires, avec des problèmes de packaging et de refroidissement qui restent à résoudre. Les essais de fiabilité sur les LEDs UV confirment une fiabilité comparable à celle des diodes bleues. Faits marquants : - Entreprise d’épitaxie, essentiellement, utilisant des substrats 2’’, d’origine Sumitomo - Pas de développement de Packaging (d’où d’éventuelles opportunités de collaboration dans

ce domaine) - L’approche MCM (Multi Chip Module) est envisagée par Nitride pour augmenter la puissance

de ses produits. - Le coût et la thermique sont les paramètres qui limitent le déploiement de cette technologie

pour l’éclairage « général »

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9 - Synthèse de la mission 9-1 Organisation industrielle et de la recherche Nos premières visites ont concerné les organismes en charge des aides gouvernementales et de la promotion des technologies à base de LEDs, pour l’éclairage, au Japon. Le soutien gouvernemental au développement des technologies, à bases de LED, s’effectue dans le cadre plus général du programme « Cool Earth 50 », qui vise à diviser par deux la quantité de gaz à effet de serre , produite par le Japon, d’ici 2050. Dans ce cadre, une thématique « éclairage de haute efficacité » s’est naturellement dégagée, sous la responsabilité du NEDO (New Energy and Industrial Technology Development Organization) [1], pour soutenir la R&D dans le domaine des LEDs jusqu’à ces dernières années. A l’heure actuelle, ce financement est marginal puisque la technologie est jugée mature et financée par l’industrie ; En revanche, les financements se sont reportés sur la technologie émergente des OLEDs (Organic Light Emitting Diode). La roadmap dessinée par NEDO illustre bien le décalage entre les deux technologies en terme d’efficacité énergétique exprimée en lumen/Watt : Il y a un décalage d’environ 10 ans pour une même valeur d’efficacité entre les deux technologies. Une autre forme d’incitation gouvernementale est liée à l’objectif exprimé par le ministère de l’industrie japonais (METI) de cesser toute utilisation des lampes incandescentes, au profit des lampes fluorescentes, d’ici 2012. Ces objectifs gouvernementaux sont maintenant relayés par la « Japanese LED Association » (JLED), regroupant tous les industriels du secteur de l’éclairage « solide », et qui s’efforce de positionner la technologie LED, en concurrente de la technologie « de tubes et lampes fluorescents », avec un avantage en fiabilité et en efficacité. Le tableau ci-dessous synthétise l’organisation des principaux acteurs de l’industrie de l’éclairage au Japon, rencontrés ou évoqués, durant la mission : nous avons clairement pu observer que, à la différence des USA (CREE, LUMILED) et de l’Europe (OSRAM), les grands acteurs de l’industrie de l’éclairage ne sont pas intégrés verticalement, et on observe une certaine spécialisation par métier. L’exemple de Toyoda Gosei, à ce titre, est clair puisque le packaging des diodes fabriquées est effectué chez Panasonic. L’avantage est l’amortissement des investissements sur de plus gros volumes, chez chaque fabricant, devenu spécialisé. L’inconvénient majeur est la dépendance vis-à-vis d’une autre entreprise et donc, la difficulté d’harmoniser les stratégies de deux entreprises, sur le long terme.

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Niveau de Packaging Industriels Produits clés Métier(s) de base Sous-traitances critiques Remarque

Systèmes /luminaires Matsushita Luminaires Non discuté Non rencontréToshiba Luminaires Non discuté Non rencontré

Mitsubishi Luminaires Non discuté Non rencontréEndo Lighting Luminaires Non discuté Non rencontré

Koito Feux des signalisation Electronique / systèmeSystèmes professionnels

Modules/sous-systèmes Citizen Modules pour luminaires Packaging composant: Leds approvisionnées chez NichiaApproche MCM

Assemblage phosphores

Panasonic Packaging composant Non rencontré

Toyoda GoseiSystèmes d'éclairage

pour l'automobile: tableau de bord…

Fournisseur de premier rang pour l'automobile

Leds en boîtier Nichia LEDs blanches HI

Toyoda Gosei LEDs blanches HI Assemblage phosphores Sous-traitance Packaging à Panasonic

Nitride Semiconductor LEDs UV[355,375nm] Sous-traitance Packaging?

UV Craftory LEDs UV[256,360nm]

El-SEED Non rencontré

Puces Nichia Epitaxie

Toyoda Gosei Epitaxie

Nitride Semiconductor Epitaxie MOCVD MQW InGaN/AlGaInP PackagingEpitaxie MOCVD

EL-SEED Epitaxie sur SiC? Non rencontré

Matériaux de base/composants

Nichia Chimie des Phosphores

Sumitomo Substrats

Kyocéra Substrats Saphir Non discutéCéramique

9-2 Une clé de lecture pour mieux appréhender les a ctions de R&D de la filière LED: les coûts d’usage des différentes voies d’éclairage : Avant de faire une synthèse de nos visites et de dégager des conclusions, il nous a semblé utile de présenter des graphes représentant les coûts d’usage pour les différentes voies d’éclairage (lampe à incandescence, tube fluo compact et LEds) Ceci nous permettra d’illustrer et de mieux comprendre les choix technologiques ou sociétaux à faire pour que les LEDs s’imposent par rapport aux autres filières possibles. Ces choix sont effectivement ceux que nous avons discutés au cours de nos visites industrielles et académiques lors de cette mission.

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0100200300400500600700800

0 40000 80000 120000

Durée d'utilisation

Coû

t d'u

sage

(eu

ros)

Lampe incandescente 17 lm/WLampe fluocompacte 60lm/WLampe à LEDs 50lm/W (CRI=0.9)

Fig. 1 : Coût d’usage correspondant à l’état de l’a rt

0100200300400500600700800

0 40000 80000 120000

Durée d'utilisation

Coû

t d'u

sage

(eu

ros)

Lampe incandescente 17 lm/WLampe fluocompacte 100 lm/WLampe à LEDs 150lm/W (CRI=0.9)

Fig. 2 : Impact de l’amélioration de l’efficacité s ur le coût d’usage (prévisions 2015)

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0 40000 80000 120000

Durée d'utilisation

Coû

t d'u

sage

(eu

ros)

Lampe incandescente 17 lm/WLampe fluocompacte 100 lm/WLampe à LEDs 150lm/W (CRI=0.9)

Fig. 3 : Impacts cumulés sur le coût d’usage, d’un e augmentation du prix du KWh (0.07 à 0.1

euro) et de la réduction du prix des LEDs de 30 à 2 0 euros.

0100200300400500600700800

0 40000 80000 120000

Durée d'utilisation

Coû

t d'u

sage

(eu

ros)

Lampe incandescente 17 lm/WLampe à LED peu fiableLampe à LEDs fiable

Fig. 4 : Impact sur le coût d’usage du manque de fi abilité (vie moyenne de la lampe à LEDs de

40kH ou 10kH)

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Dans les graphes des deux pages précédentes, sont calculés les coûts d’usage en euros (prix d’achat et consommation électrique) pour différentes lampes délivrant 1250 lm, soit l’équivalent de ce que produit une ampoule à incandescence de 75W, en fonction de leur durée d’utilisation :

- en bleu : lampe à incandescence d’efficacité = 16lm/W avec une durée de vie de 1000H, prix= 1 euro

- en rose : lampe fluorescente avec une durée de vie de 10kH, prix= 12 euros (ce n’est pas toujours le cas : graph haut à droite),

- en jaune : lampe à LEDs avec une durée de vie de 40kH, prix= 30 euros Sur ces courbes, l’ordonnée à l’origine correspond au prix d’achat de la lampe, la pente est inversement proportionnelle à l’efficacité de la lampe en lm/W et l’incrément correspond au remplacement de la lampe, avec une périodicité correspondant à la durée de vie moyenne de chaque technologie. De ces quelques courbes, nous pouvons déjà tirer un certain nombre de conclusions, qui permettent de comprendre les directions prises par la recherche au Japon :

- Sur ces courbes, le coût du produit est d’ores et déjà négligeable par rapport au coût d’usage. Toutefois, l’habitude des particuliers de choisir le produit le moins cher, est un frein « psychologique » fort pour les technologies « basse consommation », fluorescence ou LEDs.

- Pourtant, il est clair sur ces courbes que l’éclairage par lampe à incandescence est une aberration en terme de coût d’usage, après seulement quelques milliers d’heures. Cela peut sembler évident, mais pour un particulier qui n’utilise une lampe que, disons 3 h/jour en moyenne, 1000 heures correspondent déjà à 1 an d’utilisation du produit.

- Avec la technologie actuelle, il est impossible de prouver un gain économique en utilisant une LED, par rapport à une lampe fluocompacte, même en prenant en compte la meilleure fiabilité des LEDs. Cela est dû au coût supérieur de la lampe à LED et même en supposant à terme une LED plus efficace, le différentiel reste faible avec la lampe fluocompacte. Une réduction de coût de la lampe à LED est donc indispensable. Une autre voie consiste, pour certaines applications, à diluer le coût de la LED dans celui du luminaire, l’augmentation du prix étant en valeur relative moins sensible.

- En revanche, une LED qui ne serait pas aussi fiable que prévu et tomberait en panne tous les 10kH, au lieu de 40kH, résulterait en un coût d’utilisation prohibitif. C’est pourquoi les tests de fiabilité sont si critiques pour la technologie LED.

- Le coût initial des produits est négligeable par rapport au coût d’usage et cela est encore plus évident dans un contexte d’augmentation des prix de l’énergie.

- Les applications nécessitant un usage intensif seront les premières intéressées par les technologies basse consommation et par les LEDs, puisque le retour sur investissement se fait plus rapidement. Il en est ainsi des éclairages d’hôtels ou de bureaux, par exemple.

Ces considérations sur le coût d’usage des différentes voies techniques pour l’éclairage sont une clé de lecture pour mieux comprendre les facteurs qui sous-tendent la R&D dans ce domaine. 9-3 Facteurs technologiques et sociétaux décisifs p our le développement d’une filière LEDs pour l’éclairage

• Synthèse des actions de réduction des coûts, identi fiées pendant la mission Les actions de réduction de coût identifiées pendant cette mission ont été les suivantes :

- Passage de 2 à 3’’ des substrats saphir (Nichia, Kyocera), pour la croissance des dispositifs GaN

- Recherche sur des LEDs sans phosphore ou monolithiques, qui pourraient, en cas de succès permettre d’éliminer la délicate étape du dépôt et du contrôle de la couche phosphorescente (cf Kyoto university et start-up EL-SEED). Le principe utilisé par Kyoto University consiste à croître des structures quantiques sur des rubans gravés de largeur différentes. Par ce biais, ils peuvent régler la longueur d’onde d’émission de 460 à 600nm, et donc réaliser des diodes rouge, vertes, bleues distantes de quelques microns, et dont le mélange permet de réaliser des diodes blanches ; A noter un réglage fin de la qualité du blanc, en faisant varier la hauteur et la largeur des impulsions de courant, dans les 3 diodes (RGB). La technologie EL-SEED

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est totalement différentes puisqu’elle utilise le pompage optique UV par une diode GaN des défauts du substrat de SiC, fortement dopé, sur laquelle la diode est épitaxiée.

- Utilisation d’embases métalliques, moins chères que les embases céramiques et dont l’oxydation superficielle, pour le cas de l’aluminium, permet d’isoler le dispositif électriquement, là où c’est nécessaire (Citizen)

• Synthèse des actions d’amélioration de l’efficacité énergétique (lumen/W) Les diodes bleues + phosphore jaune sont aujourd’hui très efficaces (>100lm/W mais plutôt autour de 50lm/W en fonctionnement), mais souffrent d’un CRI faible, en général 0.7 ou moins. Un gros travail est donc accompli, dans toutes les sociétés, pour augmenter le CRI de 0.7 à >0.9, pour les applications de rétro-éclairage, éclairage grand public et médical. Aujourd’hui, des CRI > 0.9 se traduisent par une perte d’efficacité de l’ordre de 30%, ce qui place la LED au coude à coude avec la lampe fluocompacte. Toyoda Gosei (TG) et Nichia optimisent encore le mélange des phosphores pour réduire les pertes de conversion. Par ailleurs l’utilisation de LEDS à courte longueur d’onde, « purple LED » à TG ou proche UV à Nitride SC et UV Craftory permettent l’utilisation de phosphores RGB, plus favorables à de hauts CRI. A ce jour, les diodes proches UV sont encore assez peu efficaces par rapport à leurs homologues bleus. De ce fait, de gros efforts de recherche sont consentis dans ce domaine, en particulier à l’université Meijo. La croissance de couches épaisses de AlGaN et non plus de GaN, nécessite une couche tampon d’AlN, épitaxiée sur un substrat texturé (tranchées de 5 µm de large et 0,5µm de profondeur), afin de contrôler la densité de dislocations. Pour le blanc obtenu par mélange de LEDs RGB, les diodes vertes de type GaN sont encore peu efficaces et font l’objet d’une recherche universitaire spécifique (Meijo university). Enfin, les structures monolithiques RGB évoquées précédemment pourraient, à terme, éliminer les pertes par phosphorescence, mais souffrent pour l’instant d’une efficacité moindre dans le rouge (Kyoto et EL-SEED). Afin d’améliorer l’extraction de la lumière en dehors du dispositif différentes technologies sont encore à l’étude :

- Des substrats en saphir texturés (Tokushima university) - Une extraction des photons, par plasmons et cristaux photoniques (Kyoto university) - Une réduction des dislocations et des centres recombinants non radiatifs par croissance sur substrat texturés (Nitride et Meijo university).

Côté Packaging, différentes recettes sont appliquées pour améliorer l’efficacité des dispositifs :

- Comme les puces LEDs sont plus efficaces à basse densité de courant et basse température, une approche MCM (multi Chip module) est appliquée par des fournisseurs comme Citizen, qui remplacent une seule LED sous fort courant par plusieurs LEDS sous faible courant. Ainsi, avons nous pu voir une prototype Citizen, destiné à remplacer un « néon » de 3000 lumens, constitué de 1000LEDs !

- Comme l’efficacité décroit rapidement avec la température de jonction dans les LEDs, une course à la réduction des résistances thermiques a lieu entre les fabricants. Ainsi, Kyocéra commercialise des embases céramiques de Rth= 20°C/W , mais Citizen, pour les applications d’éclairage a mis au point une plate-forme de report sur aluminium, dont la Rth est de l’ordre de 2°C/W.

- Enfin, des embases à réflecteur Ag ou Al sont commercialisées par Kyocera pour améliorer l’extraction de lumière ;

• Synthèse des actions visant à garantir la fiabilité des dispositifs à LEDs

En plus des actions de formation des industriels du secteur et de standardisation des procédures de qualification des dispositifs à LEDS (Cf ouvrage édité par JLED), des actions techniques prioritaires ont pu être dégagées :

- L’action essentielle consiste, là encore, à réduire la résistance thermique du boîtier de la LED. Ainsi, passer d’une embase de 20°C/W (céramique Kyo céra) à 2°C/W (Citizen), résulte en

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une réduction de la température de jonction de 18°C , pour une puissance de 1watt, ce qui correspond à un doublement de la durée de vie de la LED !

- De la même façon, utiliser une approche MCM permet de réduire le courant dans chaque LED pour une même intensité lumineuse et permet également d’augmenter la fiabilité du système (Citizen). Ceci se fait bien sûr au détriment du prix par lumen à l’achat.

• Facteurs non purement techniques susceptibles de fa voriser le déploiement des technologies à LEDs

Impact sur l’environnement :

� Comme le coût d’usage ne permettra pas de départager la technologie fluocompacte de la technologie LED, dans les 5 à 10 ans qui viennent, les industriels du domaine mettent en exergue des arguments d’ordre écologique et de santé publique, bien relayés par un certain nombre d’associations : Les LEDs ne contiennent pas de mercure, n’émettent pas de radiations électro-magnétiques, et ne risquent pas de déclencher de problèmes oculaires par effet stroboscopique, à la différence des « néons » et lampes fluocompactes.

Par ailleurs, les LEDs présentent d’autres avantages en performance par rapport aux lampes fluocompactes : � Leur faible encombrement et leur caractéristique de source quasi ponctuelle donnent une grande liberté de design, aux fabricants de luminaires � Enfin, la possibilité d’avoir des luminaires réglables et intelligents, à base de LEDs permet d’utiliser l’énergie de manière encore plus efficace et d’améliorer encore l’ergonomie des systèmes d’éclairage. 9-4 Questions encore en suspens ou points non trait és pendant la mission : Comme nous n’avons pu visiter de lignes d’assemblage, certaines questions restent sans réponse pour nous. D’abord, le niveau d’automatisation des lignes d’assemblage reste une question, ainsi que l’existence ou non d’un déverminage des puces, pour garantir l’absence de défauts de jeunesse, sur les produits à base de LEDs. Plus généralement, la stratégie de test et de contrôle des LED, au niveau puce, puce en boitier et luminaire, reste une question ouverte. Enfin, les recherches des systémiers sur les fonctions « intelligentes », autonomes ou/et de communication des systèmes à LEDs n’ont pu être discutées en détail, même si Koito nous a signalé leur intérêt pour des technologies de capteurs d’image, de photodétecteurs et de traitement d’image. Ainsi, la perte par conversion de tension est d’environ 15% pour les lampes alimentées par le réseau électrique 220V, mais cette pénalité disparait sur les systèmes autonomes, alimentés par exemple par des cellules solaires et donc, sous basse tension. 9-5 Quelques éléments de Roadmap

• Applications à l’éclairage : Les LEDs sont déjà utilisées pour des applications d’éclairage où les systèmes sont difficiles d’accès et les utilisations intensives. Il en va ainsi des signaux routiers et l’éclairage hôtelier ; La prochaine vague d’utilisation des diodes blanches, après celle des téléphones portables, semble être le rétro-éclairage des écrans de PC et téléviseurs, car les LEDs permettent d’obtenir des contrastes supérieurs et une meilleure uniformité de l’éclairage par rapport aux tubes fluorescents. Toutefois, là encore, la fiabilité supérieure des LEDs reste encore à démontrer et des problèmes qualité sur les premiers produits commercialisés pourraient sérieusement compromettre le déploiement des systèmes à LEDs. Il n’est donc pas dans l’intérêt des industriels de mettre ces technologies sur le marché de façon trop rapide. En ce qui concerne une solution viable au remplacement des néons, même si le prix demeure un inconvénient clair de la technologie à LED, certains indices laissent penser que ce déploiement

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pourrait se faire, plus tôt que prévu et en tous cas dans les 5 à 10 ans ; un groupe de travail a déjà été constitué par l’association JLEdS avec cet objectif de commercialiser une alternative crédible au tube « néon » et nous avons pu voir chez Citizen un premier prototype en fonctionnement de 3000 lumen.

• Applications hors éclairage : En attendant l’adoption de la technologie LED par l’éclairage général, il faut signaler un grand nombre d’applications professionnelles, qui sans générer les même volumes de produits, constituent de bons vecteurs de R&D et d’amélioration des produits et permettent à un certain nombre de start-up de se développer, sans avoir à déclencher des investissements colossaux ; il en est ainsi des LEDs UV, qui trouvent déjà des applications dans les domaines suivants :

- Traitement de tumeurs par UV - Détection de fausses monnaies - Purification d’eau (congélateur et réfrigérateur) et d’air (automobile) - Séchage des encres et polymérisation des colles époxy Le problème thermique est maintenant « limitant » pour ces dispositifs et des entreprises telles Nitride SC, doivent désormais passer par une optimisation de leur « Packaging ».

9-6 Conclusions générales : Les roadmaps qui nous ont été présentées ne contiennent que rarement des dates, mais les premiers téléviseurs à rétro-éclairage LED sont en cours de commercialisation, donc sauf manque de fiabilité avéré, ce déploiement devrait se poursuivre dans les années qui viennent, pour les applications « PC » et « TV ». En ce qui concerne les applications d’éclairage général, les progrès en efficacité sont très rapides, mais c’est davantage la règlementation et la prise en compte de contraintes écologique qui devraient permettre à la technologie LED d’être massivement déployée, au détriment de la lampe à incandescence, d’abord, puis au détriment de la lampe à fluorescence. Cette question politique et sociologique n’est pas de nature technique et ne permet donc pas de dater précisément l’adoption massive des technologies à LED. Dans l’attente de cet avènement, une croissance régulière des volumes est inévitable, dans le cadre d’applications professionnelles (diode UV), d’utilisation intensive (signaux routiers), de systèmes intelligents et autonomes et/ou de systèmes, où la compacité des LEDs donne une plus grande liberté de conception aux designers de luminaires.