Auteur : Dr Laurent Canale,

Centre Nationale de la Recherche Scientifique, (CNRS),

Laboratoire LAPLACE, UMR 5213, Toulouse, France

I. Et la LED fut ! (Une révolution)

L’éclairage a connu une révolution totale, profonde et mondiale depuis l’apparition de l’éclairage LED. Dans l’histoire de l’humanité, aucune technologie ne s’est jamais répandue aussi rapidement, aussi complètement, et profondément sur l’ensemble du globe.
L’éclairage à LED a transformé nos habitudes tant pour les usages domestiques que professionnels, il a révolutionné les pratiques et les métiers de l’éclairage ainsi que les usages quotidiens. Nous avons dû modifier nos habitudes et remplacer les « Watts » par des « lumens », apprendre de nouveaux paradigmes. L’éventail des choix s’est étendu et nous a conduit à introduire les notions de « température de couleur », de « blancs chauds », de « blancs froids », d’ « indice de rendu de couleur », etc… Sa consommation énergétique si frugale et son coût réduit permettent de rendre la lumière accessible à tous, quel que soit le continent, en ramenant sa consommation d’énergie au registre d’informations annexes et sans importance tant elle est négligeable en comparaison des références historiques et notamment celle de la lampe à incandescence. La LED s’affranchit des frontières et des secteurs d’activités. Elle est partout, omniprésente et polymorphe. Elle est dans l’éclairage, domestique, urbain, aéroportuaire, commercial, tertiaire, dans la décoration, l’embellissement, la mise en valeur, les musées, pour les monuments, l’affichage, la signalisation… elle devient un objet connecté et communicant, aussi ludique qu’utile et agréable. La LED n’a pas de limite, elle est partout et multiple, à la fois moelle épinière de la Smart-City et trait d’union entre la ville et le citoyen (Figure 2).

Aujourd’hui, l’éclairage artificiel, c’est plus de 30 milliards de lampes électriques fonctionnant chaque jour dans le monde. Le chiffre d’affaires de l’industrie de l’éclairage est en croissance constante depuis des décennies et représente aujourd’hui près de 133 Milliards d’euros. A elle-seule, la LED représente près de 70% du chiffre d’affaires de l’éclairage dans le monde et devrait dépasser les 90% à l’horizon 2035 (Figure 3).

Si la technologie LED est mature aujourd’hui dans tous les secteurs, elle est apparue dans notre quotidien dès les années 60 à travers l’affichage d’une calculatrice et intégré le secteur de l’éclairage dans les années 2000 après avoir poussé son premier cri en 1990 avec l’apparition de la LED bleue efficac

Mais son acte de naissance est bien plus ancien car la LED a émis ses premiers photons dans un laboratoire il y a plus de cent ans avec un « père », Joseph Round, qui a reconnu le bébé par hasard et une « mère », Oleg Losev, qui l’a fabriquée intentionnellement quelques années plus tard…

II. Les fondateurs : Round et Losev

D’où vient-elle ? Qui l’a découverte ? Qu’elle est son histoire ?

Cette question est récurrente et toutes les (nombreuses) publications s’accordent sur un point et attribuent la découverte à Joseph Round en 1907 quand il publie son article « A note on Carborundum » (une note sur le carborundon)… (Figure 4 et 5).

Aucune publication (à de rares exceptions près [4-6]) ne remonte au-delà de cette date et pourtant…

Cette découverte trouve ses racines dans la recherche sur la détection des ondes électromagnétiques pour le développement des radiotélécommunications. N’oublions pas que la Société Marconi est avant tout une pionnière de la radio et que son fondateur, Guglielmo Marconi, l’inventeur de la transmission sans fil, a reçu le prix Nobel de physique en 1909 pour cette invention ! Joseph Round n’a donc pas travaillé sur l’éclairage mais pour la transmission sans fil et c’est ainsi que l’histoire de l’éclairage LED nait dans le berceau des télécommunications hertziennes [7].

En 1902, Joseph Round rejoint la jeune société Marconi fondée à Londres en 1897 et cherche à développer et améliorer ses détecteurs radio. Différents cristaux et alliages existent et, dans le même temps, Jagadish Chandra Bose explore ce domaine en même temps que Nikola Tesla. En 1894, Jagadish Chandra Bose a développé le principe de la détection des ondes EM à partir d’un cristal de galène (ou sulfure de plomb, PbS) pour servir de détecteur d’ondes radio (Figure 6) [9].

Figure 6. Jagadish Chandra Bose (1858-1937) et Abala Bose (1864-1951), un couple peu ordinaire

Si Jagadish Chandra Bose a été un éminent chercheur, son épouse n’était pas moins exceptionnelle et mérite une parenthèse à cette « Odyssée de l’éclairage ». Abala Bose était une travailleuse sociale indienne et féministe dès la fin du XIXème siècle bien avant les suffragettes au Royaume-Uni (figure 6). Elle était connue pour ses efforts en faveur de l’éducation des femmes et sa contribution à l’aide aux veuves. Elle a milité pour que les femmes puissent avoir accès à l’éducation de la même façon que les hommes : “Non pas parce que nous pourrions faire de meilleurs matchs pour nos filles… non même que les services de la belle-fille puissent être plus précieux dans le foyer de son adoption, mais parce qu’une femme, comme un homme, est d’abord un esprit, et seulement en second lieu un physique et un corps. » [10]

Retour à notre aventure…

Le cristal de galène (sulfure de plomb, PbS) était un bon candidat pour la détection des ondes électromagnétiques, mais de l’autre côté de l’Atlantique, Henry Chase Dunwoody et Greenleaf Whittier Pickard publient et brevetent des détecteurs à base de cristal de Carborundum (carbure de silicium, SiC) simultanément durant l’année 1906 [11, 12] (Figure 7).

Henry Joseph Round se procure donc le précieux minerai. Heureusement pour lui, son cristal est de mauvaise qualité et contient beaucoup d’impuretés et c’est exactement ce qu’il faut pour en faire un semi-conducteur ! Dans son laboratoire, il applique des tensions de 10 à 110V et il observe pour la première fois cet étrange phénomène de luminescence qu’il attribue à tort à un effet thermoélectrique.

Si la paternité de la découverte est indiscutablement attribuée à Henry Joseph Round parce qu’il a reconnu «le bébé»… Oleg Vladimirovich Losev pourrait en être, sans contestation possible, la « mère » car il a volontairement fabriqué et conçu la première LED qu’il a brevetée en 1927 [13-14] (Figure 8).

Né dans une famille noble en Russie, Oleg Losev a 14 ans lorsque la révolution bolchevique éclate en 1917. Il obtient son diplôme d’étude secondaire en 1920 et il a vingt ans lorsqu’il intègre le Laboratoire national des radiocommunications (LNR) où il travaille sur l’oxyde de zinc (ZnO). Dans le même temps, il a redécouvert les propriétés électroluminescentes du Carborundum (SiC) sans connaître les travaux de Round. En 1921, Albert Einstein est lauréat du prix Nobel pour ses travaux sur l’effet photoélectrique et Losev fait le lien entre les travaux d’Einstein et ses observations. Il le contactera par courrier. Sans réponse. Il prophétisera l’utilisation de ses découvertes comme « relais optiques » pour les télécommunications, premier pas vers la fibre et nos télécommunications optiques d’aujourd’hui [16]. Il meurt de faim pendant le siège de Stalingrad par les nazis en janvier 1942 à l’âge de 38 ans et sera enterré dans une fosse commune.

En France, Georges Destriau devient ingénieur de l’École Centrale des Arts et Manufactures de Paris en 1926. Il obtient un poste de chargé de recherche en 1932 et intègre le CNRS dès 1939. A partir de 1935, il se fait connaitre pour ses travaux sur l’électroluminescence dans le laboratoire de Marie Curie et découvre les propriétés lumineuses du Sulfure de Zinc [17, 18]. Il invente le mot « électroluminescence » et poursuit ses recherches sur l’électroluminescence jusqu’à la fin des années 1950. Il nomme cette lumière « lumière de Losev » en hommage au jeune physicien russe.

Figure 9. A gauche, Georges Destriau, à droite, le laboratoire de chimie de l’École Saint-Gènes de Bordeaux où il a été professeur de physique de 1937 à 1942 avant d’être nommé à la Sorbonne à Paris.

Né en 1918 à Ledvice dans le nord de la Bohème dans l’Empire Austro-Hongrois (aujourd’hui République Tchèque), Kurt Lehovec émigre aux Etats-Unis dans le cadre d’un programme destiné aux chercheurs et ingénieurs en 1947. Il sera le premier à expliquer clairement le principe physique de l’émission de lumière par une LED et en 1951, il observe une émission de lumière rouge en testant différents types d’impuretés dans des diodes SiC (Carborundum ou Carbure de silicium) et dépose une demande de brevet pour des diodes en carbure de silicium électroluminescentes. Dans les années 1950, il fait également le lien avec les découvertes de Losev et cite ses travaux sous le nom de « O. Lossew » [19]. Kurt Lehovec sera également un des pionniers sur le développent des batteries lithium, des panneaux photovoltaïques et des circuits intégrés.

III. Les pionniers du vert, rouge, jaune et bleu !

Premier sur la ligne d’arrivée : la LED verte !! Contrairement à la croyance populaire, le premier brevet n’était pas pour la lumière rouge mais pour la LED verte en 1958 [20]. Basé sur un alliage plomb-antimoine/germanium, Rubin Braunstein et Egon Loebner, qui travaillent pour RCA (Radio Communication of America… Télécommunications encore !), ont été les premiers à déposer un brevet le 15 décembre 1958 mais ils n’ont pas vu l’utilité de leur découverte et celle-ci est restée dans les tiroirs (Figure 11).

Un ancien doctorant de John Bardeen (deux fois prix Nobel de physique en 1956 et 1972 respectivement pour le transistor et la supraconductivité) dépose un brevet en 1959 pour l’invention de la LED rouge. Ce chercheur s’appelle Nick Holonyak et, grâce à la société Texas Instruments, il va faire entrer la LED dans les foyers chez Monsieur « Tout le monde » [21] (Figure 12).

La première LED coûtait 260 $/pièce en 1962, quelques années plus tard, son coût était de quelques centimes grâce à la calculatrice TI-30 !

La révolution est en marche. John Bardeen, Nick Holonyak… et c’est Georges Craford qui prend la relève à son tour, lui-même élève de Nick Holonyak ! En 1972, il invente la LED jaune et améliore la LED rouge d’un facteur 10

La même année, Jacques Isaac Pankove invente la LED bleue et Herbert Paul Maruska inventé la même année une LED bleu-violet (mais pas suffisamment efficace pour être utilisable dans l’éclairage) [23-25] (Figure 13).

IV. Un petit pas pour la recherche, un grand pas pour l’humanité : la LED bleue à haut rendement !

Les années 70 marquent le pas et il n’y aura pas d’autres avancées majeures dans le domaine des diodes électroluminescentes. Les recherches portent sur les microprocesseurs, l’avènement des ordinateurs personnels, des cassettes VHS, du lecteur de musique portable, des télécommunications, des téléphones portables et des jeux vidéo…

Au Japon, Shuji Nakamura travaille pour Nichia. Il sait qu’il n’est pas le seul à chercher l’impossible (presque) : la LED bleue efficace. Avec peu de moyens, il a dû utiliser le matériel disponible. Néanmoins, il a été le premier avec Isamu Akasaki et Hiroshi Amano à développer ce chaînon manquant qui constitue aujourd’hui la pierre angulaire de l’éclairage LED. Ils partageront le prix Nobel de physique 2014 pour l’invention de la LED bleue efficace (Figure 15).

Entre 1993 et 1995, Shuji Nakamura a développé les premières LED bleues/vertes à base de nitrure [26-29]. Il a également développé les premières diodes laser violettes en 1995. Depuis 2000, il est professeur au Département des matériaux de l’Université de Californie à Santa Barbara aux États-Unis, détient plus de 300 brevets et a publié plus de 400 articles.

Désormais, l’éclairage ne sera plus jamais le même, il sera électronique, efficace, respectueux de l’environnement et connecté !

V. L’éclairage d’aujourd’hui

L’histoire des technologies d’éclairage poursuit son cours, parfois visible, parfois discrète, mais elle avance. Les technologies « bat-wings », « flip-chip », « chip-on-board »…, etc… évoluent et se succèdent, plus robuste, plus efficace avec le dernier né « chip-on-glass » (Figure 16)…

Hier à quelques lm/W, puis 50 lm/W dans les années 2010, puis 200 lm/W à la fin des années 2020 pour les « blue chips », les ampoules LED ont aujourd’hui des rendements système de plus de 160 lm/W (Figure 17).

La lumière LED est capable de s’adapter aux besoins du moment présent, elle est centrée sur l’homme, elle habille les monuments et les fêtes sans brûler le porte-monnaie et sans consommer autant d’énergie et limiter son impact environnemental. Tout cela est possible mais il y a un manque de formation car la technologie est allée beaucoup plus vite que les esprits, l’éducation et la formation se mettent en place… doucement.

VI. Retour vers le futur

Et comment voyons-nous le paysage de l’avenir de l’éclairage ? Encore plus performant grâce à l’utilisation de LED laser, plus connecté aussi, plus proche des besoins et encore moins énergivore…

L’éclairage urbain a l’avantage d’être partout où l’homme est présent : c’est un réseau tentaculaire, un maillage fin à travers la ville. L’éclairage urbain de demain sera l’œil de la ville, capable de faciliter et de fluidifier les transports, capable d’alerter les services d’urgence et de s’allumer là où et quand cela est nécessaire (Figure 18).

L’éclairage de demain est « intelligent », respectueux de l’environnement, centré sur l’humain et connecté à la ville [33].

Références

• U.S. Department of Energy & International Energy Agency, “2019 Lighting and R&D Opportunities” report, January 2020
• International Energy Agency (IEA), https://www.iea.org/reports/lighting (accessed 29 December 2024)
• Zissis, G., Bertoldi, P., & Serrenho, T. (2021). Update on the Status of LED-Lighting world market since 2018. Publications Office of the European Union: Luxembourg.
• L. Canale, “Discovery of LED Lighting: A History of Science between Research, Work and Serendipity,” 2023 4th International Conference on High Voltage Engineering and Power Systems (ICHVEPS), Denpasar Bali, Indonesia, 2023, pp. 856-861, doi: 10.1109/ICHVEPS58902.2023.10257422.
• L. Canale and M. Hamady, “History of Artificial Lighting, From Fire to LED [History],” in IEEE Industry Applications Magazine, vol. 31, no. 2, pp. 10-25, March-April 2025, doi: 10.1109/MIAS.2024.3516339
• Brusso, Barry C. From crystallography to visible light. IEEE Ind. Appl. Mag., 2008, vol. 14, no 4, p. 8-10.
• Canale, Laurent. la LED, chemins croisés entre éclairage et radio télécommunications. La Revue de l’électricité et de l’électronique, 2020, vol. 2020, no 1, p. 40-46.
• Round, Henry J. (9 February 1907). “A note on carborundum”. Electrical World. 49 (6): 309.
• P.K. Bondyopadhyay, “Sir J.C. Bose diode detector received Marconi’s first transatlantic wireless signal of December 1901 (the ‘Italian Navy Coherer’ Scandal Revisited)”, Proceedings of the IEEE, vol.86, no.1, pp.259-285, 1998.
• Chaudhuri, Sukanta. Calcutta, the Living City: The Living City. Oxford University Press, 1990.
• Greenleaf Whittier Pickard, Patent on “Means for receiving intelligence communicated by electric waves”, https://patents.google.com/patent/US836531, August, 30th, 1906. (accessed 31 December 2024)
• Henry H. Chase Dunwoody, Patent on Wireless-telegraph system; https://patents.google.com/patent/US837616A/en; March, 23rd, 1906. (accessed 31 December 2024)
• M. A. Novikov (January 2004) “Oleg Vladimirovich Losev: Pioneer of Semiconductor Electronics,” Physics of the Solid State, vol. 46, no. 1, page 1-4
• Losev, O. V. Behavior of contact detectors; the effect of temperature on the generating current. Telegrafia i telefonia bez provodov (TiTbp), January 1923, vol. 18, p. 45-62.
• Lossev, O. V. CII. Luminous carborundum detector and detection effect and oscillations with crystals. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1928, vol. 6, no 39, p. 1024-1044.
• Losev OV. Optical Relay. Patent No. 12 191, February 2, 1927
• Destriau, G. (1939). Researches upon electro-photo-luminescence. Transactions of the Faraday Society, 35, 227-233.
• Destriau, G., & Ivey, H. F. (1955). Electroluminescence and related topics. Proceedings of the IRE, 43(12), 1911-1940.
• Lehovec, K., Accardo, C. A., & Jamgochian, E. (1951). Injected light emission of silicon carbide crystals. Physical Review, 83(3), 603.
• Braunstein R., Loebner EE. Semiconductor device for generating modulated radiation. RC Corp, assignee, U.S. Patent 3102201, filled Dec. 15th, 1958, Issued August, 27th, 1963
• Holonyak Jr, N., & Bevacqua, S. F. (1962). Coherent (visible) light emission from Ga (As1− x P x) junctions. Applied Physics Letters, 1(4), 82-83.
• US patent 3,102,201 signed by Egon Loebner and Rubin Braunstein, https://www.freepatentsonline.com/3102201.pdf (accessed 29 Dec. 2024)
• Pankove Jacques. Electroluminescent semiconductor device of GaN. U.S. Patent 3,683,240 [filed 22.07.1971 and granted 08.08.1972].
• J.I. Pankove, E.A. Miller, J.E. Berkeyheiser, « GaN blue light-emitting diodes”, Journal of Luminescence, Volume 5, Issue 1, 1972, Pages 84-86, ISSN 0022-2313, https://doi.org/10.1016/0022-2313(72)90038-5.
• Maruska, H. P., Rhines, W. C., & Stevenson, D. A. (1972). Preparation of Mg-doped GaN diodes exhibiting violet electroluminescence. Materials Research Bulletin, 7(8), 777-781.
• Light emitting semiconductor device using nitrogen-Group III compound; Patent number: 5905276, assigned: Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Toyoda Gosei Co., Ltd.; Inventors: Katsuhide Manabe, Masahiro Kotaki, Hisaki Kato, Michinari Sassa, Isamu Akasaki, Hiroshi Amano; Filed: November 6, 1997; Date of Patent: May 18, 1999.
• Nakamura S., Senoh M., and Mukai T. « P-GaN/n-GaN double-heterostructure blue-lightemitting diodes » Jpn. J. Appl. Phys. 32, L8 (1993a)
• The Logics of Materials Innovation: The Case of Gallium Nitride and Blue Light Emitting Diodes, Christophe Lécuyer and Takahiro Ueyama, Historical Studies in the Natural Sciences, Vol. 43, No. 3 (Jun., 2013), pp. 243-280, Published by: University of California Press, DOI: 10.1525/hsns.2013.43.3.243
• Bob Johnstone, Brilliant! Shuji Nakamura and the Revolution of Solid-State Lighting (Amherst, MA: Prometheus Books, 2007).
• Hakata (K.) Et Matsuoka (T.). – Light-emitting device and lighting apparatus incorporating same. US patent n° 2009184618 as signed to Ushio Denki KK, July. 2009.
• Bhattarai, T.; Ebong, A.; Raja, M.Y.A. A Review of Light-Emitting Diodes and Ultraviolet Light-Emitting Diodes and Their Applications. Photonics 2024, 11, 491. https://doi.org/10.3390/photonics11060491
• « Hait ‘s law », Nature Photonics, vol. 1, no 1, 2007, p. 23 DOI: 10.1038/nphoton.2006.78
• Zissis, G., Dupuis, P., Canale, L., & Pigenet, N. (2021). Smart lighting systems for smart cities. Holistic Approach for Decision Making Towards Designing Smart Cities, 75-92.