Des chercheurs de l’Université de Tohoku au Japon ont développé une nouvelle source de lumière à panneau plat et à faible coût qui pourrait être la première d’une nouvelle génération de dispositifs d’éclairage brillants, moins chers et plus écologiques, capables de rivaliser avec les LEDs. Le dispositif utilise des tableaux de nanotubes de carbone hautement conducteurs pour fournir un éclairage bien réparti avec une grande efficacité et une très faible consommation de l’ordre de 0,1 Watt de puissance – ce qui est environ 100 fois plus faible que celle des diodes électroluminescentes.
Les LEDs sont réputées pour leurs rendements élevés, mais le fait que seule une fraction des photons qu’elles produisent, sert effectivement à éclairer l’environnement suggère qu’il reste encore beaucoup de place pour une amélioration. Une approche alternative explorée par le professeur Norihiro Shimoi et ses collègues a été de construire une structure à base de nanotubes de carbone, des couches de carbone épaisses d’un atome pliées dans une forme cylindrique.
Ce dispositif à l’état de l’art a une structure de type diode comme les LED mais, assez curieusement, la manière dont il produit de la lumière est en fait plus proche des tubes cathodiques utilisés dans les téléviseurs et les moniteurs du siècle passé.
Sous l’influence d’un champ électrique fort, chaque nanotube de carbone agit comme un petit tube à rayons cathodiques qui libère un faisceau à grande vitesse d’électrons à partir de son extrémité. Ces électrons frappent alors un écran de phosphore maintenu sous vide et, dans le processus, libèrent une petite quantité d’énergie qui fait que le phosphore se met à briller.
Construire le dispositif a été un processus assez simple et à faible coût. Les chercheurs ont commencé par mélanger de nanotubes de carbone à paroi unique hautement cristallins avec un solvant organique et un composé tensio-actif. Ils ont ensuite peint le mélange sur la cathode et gratté la surface avec du papier de verre, ce qui permet aux électrons de se séparer plus facilement de la pointe des nanotubes.
Leur dispositif d’essai a besoin d’une haute tension de 5 kV à produire le champ électrique intense qui fait fonctionner le mécanisme d’émission d’électrons, mais les chercheurs disent que la consommation énergétique du dispositif est en réalité très faible – de l’ordre de 0,1 W, ce qui est de deux ordres de grandeur inférieure à ce que les LED nécessitent.
C’est en partie en raison de la très faible résistance posée sur les nanotubes de carbone, et en partie parce que le mécanisme d’émission d’électrons génère des faisceaux qui sont environ 1000 fois plus dense que ceux d’une lampe à incandescence, tout en étant beaucoup plus directionnel et facile à contrôler.
Les scientifiques disent que leur dispositif simple, non optimisée a déjà atteint une bonne homogénéité de la luminosité et une efficacité assez élevé d’éclairage de 60 lumens par watt, ce qui correspond environ à 100 lm W pour les LED et 40 lm/W pour les LED organiques ou OLED.
En poursuivant le développement, les résultats semblent prometteurs pour réaliser des dispositifs lumineux moins chers et plus écologiques qui finalement, pourraient rivaliser, voire surpasser les performances des LED.
