Nouvelle génération de lampes très basse consommation avec décharge fluorescente initiée à la cathode par plasma micro-onde inférieur au watt, sans mercure et sans impact négatif pour l’environnement – ADELINE

Les objectifs à atteindre peuvent être décomposés en plusieurs niveaux successifs où des gains d'efficacité sont recherchés afin d’aboutir à des maquettes-prototypes de lampe. Cette décomposition suit celle de l’efficacité globale d’une lampe qui, en effet, peut être exprimée par un produit de rendements énergétiques intermédiaires tels que : le couplage des micro-ondes aux électrons de la décharge, la production des photons UV et la conversion UV en lumière visible. Un couplage parfait entre le champ micro-onde (HF) et les électrons qui initient et entretiennent la décharge requiert l’égalité des impédances de surface de l’applicateur de champ HF et du plasma qu’il produit. Vu leur dépendance réciproque, ces 2 impédances peuvent être accordées par une approche itérative combinant simulation HF et expérimentation pour réaliser des cathodes pré-adaptées, et ce, pour plusieurs jeux de paramètres (puissance, pression et composition de gaz, géométrie) identifiés au préalable comme judicieux en termes d’émission optique. La puissance rayonnée par les émetteurs (S2 ou N2-O2) est nécessairement corrélée aux paramètres de la décharge, eux-mêmes raccordés à l’impédance de celle-ci. Toutefois, l’étude de la puissance rayonnée peut être, dans un premier temps, dissociée de l’efficacité de couplage du champ HF pour en déduire (par des caractérisations spectrales, radiométriques et photométriques réalisées en l’absence et en présence de luminophores) le rendement de conversion UV-Visible et l’efficacité lumineuse pour différents matériaux luminescents élaborés. Leur formulation en systèmes RGB (rouge-vert-bleu) est également décidée par rapport aux paramètres colorimétriques (indice de rendu des couleurs IRC > 80 et température de couleur proximale CCT = 4000 K) et à la réponse aux différentes contraintes. Pour l’étude exploratoire, les luminophores sont encapsulés dans une matrice flexible en silicone apposée sur la face extérieure du tube de décharge. Le programme comporte donc la réalisation d’une série de prémaquettes avec différents paramètres (e.g., émetteurs UV, luminophores ou formulations) aux stades successifs d’avancement du projet afin de mesurer l’ensemble des caractéristiques indispensables à la détermination des rendements partiels. Les meilleurs résultats sont exploités et valorisés pour la mise en œuvre et la qualification énergétique et photométrique des maquettes de lampe jusqu’à l’efficacité lumineuse nominale. La conduite de ce travail par étapes et approximations successives permet aussi de cerner et de solutionner en amont certaines problématiques décisives pour la technologie comme celle de l’étanchéité de la décharge, des gradients de température entre électrodes, et, enfin, de la mise en forme des luminophores /film d’encapsulation qui impactent, dans l’ordre, la stabilité de la décharge, l’uniformité optique et la transmission des photons UV à travers le film d’encapsulation.

La décharge hybride a été étudiée pour différentes géométries de cathode micro-onde et différentes concentrations d’additifs dans le gaz porteur. La corrélation des caractéristiques électriques, électromagnétiques et spectrales ont permis, d’une part, de converger rapidement vers une fenêtre restreinte en pression et composition de gaz et, d’autre part, de corroborer des résultats d’importance majeure pour la réalisation des prémaquettes de lampe tels que : 1) Preuve de la diminution de la tension continue (DC) nécessaire à l’entretien de la décharge hybride, révélée par la comparaison entre décharges, de même géométrie, à cathode traditionnelle (DC) et à cathode micro-onde (HF). La différence fondamentale est au niveau de la cathode où la chute de potentiel est réduite à 45-60 V contre plus de 250 V requis pour la décharge non-hybride. 2) Similitude en termes de comportement électrique (distribution spatiale du potentiel et du champ électrique) des deux types de décharges (hybride et non-hybride) avec l’existence d’un espace intermédiaire de jonction entre les deux plasmas de cathode HF et de colonne DC. 3) Validation par l’expérience de deux modèles (multi-physique et HF) permettant l’analyse paramétrique dimensionnelle de la décharge et de sa réponse électrique et électromagnétique. 4) Preuve quantitative de la causalité entre puissance déposée dans la décharge, températures et émissivité optique. Il s’agit, pour une décharge argon-soufre en particulier, des seuils de puissance minimal, qui garantit une température de sublimation du soufre (> 80°C dans nos conditions de pression), et maximal, qui permet de réduire le rayonnement IR (inutile à l’éclairage) tout en préservant l’état de surfaces et la stabilité thermique des luminophores. 5) Réalisation des luminophores adaptés au soufre avec une efficacité lumineuse proche de celle des tubes fluorescents et des paramètres colorimétriques conformes (CCT = 6000 K, IRC > 80). Les travaux en cours sont orientés vers la consolidation du modèle multi-physique qui permettra d’évaluer des grandeurs expérimentalement inaccessibles et d’agir en conséquence sur les paramètres de la décharge pour aboutir à un équilibrage de la répartition énergétique et de l’émission de photons au long du tube de lampe. Dans le même sens, des solutions technologiques d’intégration du soufre dans des structures scellées sont actuellement examinées en collaboration avec un grand producteur de lampes. Les connaissances nouvelles générées par l’étude menée dans ce projet portent à la fois sur la physique et la technologie de décharges hybrides HF-DC, pratiquement inexplorées jusqu’à présent, mais aussi sur les matériaux luminescents adaptés à des spectres UV de large bande, dont le développement est entièrement nouveau par rapport à l’état de l’art.

L’application des avancées scientifiques, en matière de production de photons à partir des décharges hybrides, à une nouvelle technologie d’éclairage représente la perspective définie et engagée dans le cadre de ce projet. Il s’agit, plus précisément, des lampes fluorescentes basse consommation, exemptes de mercure. Sur un plan chronologique, la réalisation de lampes à décharge fluorescente sans mercure capables de générer des efficacités lumineuses de l’ordre ou supérieures à 200 lm/W pourra être considérée comme l’aboutissement actuel de plus d’un siècle de recherches sur les lampes à décharge fluorescente. La réduction de consommation électrique des lampes à décharge fluorescente d’efficacité supérieure à 200 lm/W que l’on peut en attendre au niveau individuel et globalement au niveau mondial aura un impact très positif sur le coût de l’éclairage domestique (impact social) et sur la production mondiale d’électricité (constituant ainsi un élément de réponse à l’urgence d’une transition écologique), et un impact environnemental certain par la restriction du réchauffement climatique. Du point de vue de santé publique, la suppression du mercure et son remplacement par du soufre ou des mélanges N2-O2 permettra de réduire considérablement la pollution par le mercure au niveau mondial et les impacts sur la santé publique (impact sociétal), et, plus généralement, sur la biodiversité. Enfin, sur le plan économique, la technologie des lampes à décharge fluorescente et leur simplification (plus de cathode chaude et de ballast dans le circuit électrique) devrait permettre d’envisager une réduction significative des coûts de fabrication (impact socio-économique).

Q. Gutierrez, L. Simonot, A. Lacoste, 11th Energy Efficiency in Domestic Appliances and Lighting (EEDAL), 17th Symposium in Science and Technology of Lighting (LS), Hybrid discharge for low consumption, mercury-free fluorescent lamps June 1-3, 2022, Toulouse, France.
Cette publication de conférence présente des résultats préliminaires obtenus dans une décharge hybride à cathode micro-onde et la comparaison de ses caractéristiques électriques avec celles d’une décharge à cathode DC. L’étude démontre que la décharge hybride admet la présence de gaz réactif (soufre ou N2-O2) comme émetteur UV sans aucune réaction sur les surfaces des électrodes. L’article présente également une analyse critique pour souligner les verrous scientifique et technologique à lever : la suppression de la zone (de faible énergie) de jonction entre le plasma de cathode et le reste de la décharge (verrous scientifique) qui emmène à la condensation du soufre et à une diminution de l’émission optique ; la réalisation de structures parfaitement étanches (verrou technologique) pour stopper la perte du gaz émetteur. La résolution du problème technologique peut relâcher, voire annuler le verrou scientifique.

Le projet ADELINE vise une nouvelle génération de lampes très basse consommation où la décharge fluorescente entre cathode et anode n’est plus initiée et entretenue comme dans les lampes actuelles par une cathode chaude thermo-émissive très coûteuse en énergie (chauffage de la cathode, extraction et accélération des électrons pour produire le plasma de cathode), mais par 1 cm environ de plasma à onde de surface de forte densité généré à la cathode par champ électrique micro-onde, à une puissance inférieure au watt. Le gain global en puissance électrique est ainsi supérieur à un facteur 2. L’absence de cathode chaude permet aussi le remplacement très avantageux du mercure (additif émetteur d’UV) par le soufre, très réactif à haute température, mais dont le spectre UV (280 - 400 nm), proche du domaine visible (contrairement à la raie 253,7 nm du mercure), procure un gain supplémentaire de 1,4 sur la conversion des photons UV en photons visibles avec luminophores optimisés. Ainsi, par comparaison directe avec les tubes au mercure de 100 lm/W disponibles dans le commerce, on peut désormais escompter des efficacités lumineuses de l’ordre de 100×2×1,4 = 280 lm/W.
En outre, avec le contrôle direct de la densité du plasma de cathode (et donc du courant de décharge) par les micro-ondes, la présence de ballast devient inutile, d’où des gains significatifs en termes de réduction de puissance électrique (de l’ordre de 17% à puissances de décharge identiques) et de réduction des coûts. Enfin, l’initiation du plasma par micro-ondes permet un allumage instantané de la décharge ainsi que la modulation du courant de décharge, par variateur ou à distance pour les lampes connectées. Un second défi du projet ADELINE concerne l’étude des mélanges N2/O2 à faible teneur en oxygène (< 1%) comme alternative au soufre (peu volatil à basse température) pour la production de photons UV proches du domaine visible. Alors que, dans le cas du soufre, les photons UV proviennent du spectre moléculaire de S2, dans le cas des mélanges N2/O2, c’est la formation de molécules NO dans les états excités NO(A) et NO(B) qui est responsable de l’émission importante de photons UV, en particulier dans le domaine 200 - 275 nm pour le système NO_gama et dans le domaine 280 - 400 nm pour le système NO_beta. C’est donc ce dernier domaine spectral, contigu au domaine visible, qu’il faut favoriser (par ajustement des conditions opératoires de la décharge) afin d’obtenir un rendement maximum pour la conversion de photons UV en photons visibles avec luminophores optimisés. Le dernier défi du projet ADELINE porte sur le choix des luminophores. La conversion de photons UV en lumière blanche requiert l’association d’au moins 3 luminophores émettant dans le rouge (R), le vert (G), et le bleu (B), formant ainsi un système RGB dont la somme des spectres d’émission recouvre l’ensemble du domaine visible. Le choix de luminophores inorganiques présentant une bonne stabilité sous contraintes thermiques ou photoniques, et surtout chimiques (vis-à-vis du soufre ou de l’oxygène) s’impose. Le domaine d’excitation de ces luminophores doit être en outre compatible avec les spectres UV des émetteurs S2 ou N2/O2 et leur rendement quantique de conversion proche de l’unité. Le programme comporte la réalisation d’une série de maquettes et prototypes avec différents paramètres (e.g., luminophores ou formulations de systèmes RGB) aux stades successifs d’avancement du projet, depuis les pré-maquettes à décharge hybride jusqu’aux prototypes de lampes afin d’en déterminer leurs caractéristiques colorimétriques (indices de rendu des couleurs IRC et de température CCT) et d’en mesurer leurs valeurs nominales, puissance électrique en W et flux lumineux en lm (ou lm/W). La stratégie de valorisation vise essentiellement l’éclairage tertiaire et domestique avec les tubes fluorescents et les ampoules fluo-compactes pour lesquelles l’absence de ballast et de cathode chaude facilite grandement la miniaturisation.