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Articles techniques

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Les conséquences importantes de la protection des futures applications d’éclairage à LED, notamment pour améliorer la croissance des animaux, des plantes et des algues.

GB IT DE Étiquettes: La conduction thermique, Solutions de dissipation thermique, Résines d’encapsulation, LEDs

Jade Bridges décrit certaines applications intéressantes des LED et observe comment les produits de protection et matériaux de gestion thermique modernes améliorent les performances et prolongent la vie des luminaires à LED exposés à des environnements difficiles en intérieur comme en extérieur, avec des résultats positifs et spectaculaires.

Il est difficile d’ignorer la croissance phénoménale du marché des LED, impulsée par les nouvelles applications, les publicités d’économie d’énergie et les stratégies d’entreprises visant à choisir des systèmes d’éclairage plus efficaces. En plus de la liberté de conception et des possibilités d’application qu’offre désormais la technologie, on prévoit que les LED prendront une part du marché de l’éclairage proche de 70 % pour devenir la technologie la plus viable commercialisée sur le marché en 2020(1).

Le marché de l’éclairage extérieur est un secteur représentatif où les LED ont ouvert la voie vers de nouvelles opportunités de conception architecturale dans une multitude d’applications, notamment l’éclairage encastré dans les zones de trafic intense. Il s’agit d’un environnement particulièrement exigeant pour les éclairages à LED, mais toujours très apprécié grâce à la longévité et à la compacité des matrices de LED, qui en font la solution idéale pour les espaces difficiles d’accès.

L’éclairage de protection installé sous une passerelle implique d’utiliser des résines d’encapsulation qui incluent totalement la matrice de LED. La résine doit résister à l’abrasion du passage des piétons, rester stable aux UV et ne pas altérer la température de couleur de la lumière émise. Avec un tel niveau d’exigence, on envisage souvent des produits à base d’époxy, mais les résines époxy standard ne sont pas stables aux UV et jaunissent au fil du temps. De plus, des essais ont montré que les résines époxy étaient sujettes à l’abrasion ; du fait de leur dureté, elles ont tendance à se rayer et, dans le cas des résines transparentes, laissent des traces blanches sur la surface.

Les systèmes polyuréthanes transparents, tels que UR5634 d’Electrolube, offrent une bonne stabilité aux UV et une certaine souplesse, qui permettent à la surface lorsqu’elle est rayée ou frottée de ne pas marquer comme une résine époxy. Ils préservent et prolongent ainsi l’aspect esthétique d’un luminaire sur lequel cette résine est appliquée. En ce qui concerne le changement de température de couleur, nos essais chez Electrolube ont conclu que ce phénomène est directement lié à la quantité de matériau appliqué et aux contraintes physiques potentielles (température, retrait) exercées sur la LED pendant le processus de polymérisation.

Le graphique de la Figure 1 montre comment la profondeur d’inclusion de UR5634 influence le changement de température de couleur. Puisque le changement n’intervient qu’après interaction avec les LED, une fois la première couche incluse, il est possible de refaire une inclusion avec davantage de résine pour assurer une protection adéquate sans altérer la température de couleur de la lumière émise.

Figure 1. Comparaison de la luminance et de la CCT à différentes profondeurs d’inclusion

Le compromis entre la profondeur d’inclusion (et donc le degré de protection atteint) et le changement de température de couleur est un élément déterminant. Dans le premier cas, le niveau de protection peut être contrôlé par le type de matériau ou le procédé chimique utilisé ; un vernis de protection standard offre, par exemple, un niveau de protection de base contre l’humidité, le brouillard salin, etc. Ensuite, un vernis à deux composants plus épais peut être appliqué pour assurer une meilleure protection contre la condensation et (le cas échéant) les gaz corrosifs. Enfin, il est possible d’appliquer une résine d’encapsulation d’épaisseur variable pour atteindre le niveau de protection souhaité. La Figure 2 fournit un exemple de la protection qu’offrent ces trois couches de matériau dans un environnement de gaz corrosifs. Intéressons-nous maintenant à d’autres applications innovantes et passionnantes de l’éclairage à LED et aux défis de protection posés par celles-ci au concepteur.

Figure 2. % de réduction du flux lumineux après une exposition au H2S

Culture d’algues

Les algues produisent des molécules organiques consommables à partir de dioxyde de carbone et d’eau, par le processus de photosynthèse. Un sous-produit important est l’oxygène, représentant environ 30 à 50 % de l’oxygène net mondial disponible pour la respiration. Parallèlement à la formation de molécules consommables et à la production d’oxygène, les algues sont également cultivées pour être utilisées dans l’industrie alimentaire, avec des applications allant de la réduction de la formation de cristaux de glace dans les crèmes glacées à la clarification de la bière et du vin(2).

Figure 3. Zoom sur une culture type d’algues dans un photobioréacteur.

Il est possible de surveiller et de contrôler les conditions d’environnement de croissance des algues en faisant varier la longueur d’onde de la lumière utilisée, pour simuler des conditions particulières pour certaines souches. Traditionnellement, on utilise un éclairage à halogénures métalliques-sodium/fluorescent à cet effet, mais les matériaux toxiques contenus dans ces appareils présentent un risque de contamination, s’ils venaient à être endommagés pendant la récolte. De plus, la longueur d’onde de la lumière émise n’est pas optimisée pour la photosynthèse, ce qui nuit à l’efficacité du procédé. Une autre approche consiste à utiliser des LED, plus sûres pour un usage dans un environnement de production alimentaire. Il convient de noter qu’il est possible de contrôler la longueur d’onde de la lumière émise par les LED, pour obtenir une meilleure vitesse de croissance et réduire les coûts des processus.

Comme dans le cas de l’application d’éclairage extérieur en architecture, les LED utilisées dans la culture d’algues doivent être protégées. Les algues poussent le plus souvent dans des photobioréacteurs pour éviter la contamination ou la prolifération d’espèces indésirables, et pour que l’éclairage à LED fonctionne dans ces systèmes, elles doivent être protégées – principalement contre le contact permanent avec l’eau. Bien que la méthode générale consiste à étancher les appareils avec des résines d’encapsulation optiquement transparentes, il faut transiger sur la profondeur d’inclusion, qui a des conséquences à la fois sur le niveau de protection obtenu et sur la longueur d’onde de la lumière émise.

Il convient de noter que les LED produisent de la chaleur ; toute bulle d’air dans la résine à proximité de la surface des matrices de LED est source de points chauds, augmentant la température ambiante à proximité immédiate de la LED et donc réduisant sa durée de vie utile. Le choix de la résine appropriée est important dans ce cas, car certaines propriétés telles que la viscosité ont une influence sur la formation de bulles.

Jusqu’à présent, nous avons insisté sur la nécessité de protéger les matrices de LED d’éclairage contre des environnements potentiellement nocifs, mais qu’en est-il des équipements accessoires tels que les alimentations et commandes ? Les commandes peuvent être installées sur place ou à distance, et peuvent également nécessiter une protection contre l’environnement. Ces appareils peuvent aussi permettre la communication sans fil, auquel cas la constante diélectrique ou la permittivité relative de la résine doit être considérée. Typiquement, des valeurs de permittivité relative d’environ 3 à 4 sont idéales, mais puisque les applications et les fréquences de signal sont variables, il est important de tester le produit de protection in situ pour s’assurer qu’il est conforme à la spécification.

Les commandes sont souvent dotées de capteurs de température internes, tels que des thermistances CTP (coefficient de température positif), qui peuvent nécessiter l’utilisation de produits conducteurs thermiques pour veiller à minimiser toutes les poches d’air et à améliorer le transfert thermique vers les surfaces du capteur. Les pâtes de gestion thermique, les produits silicone à vulcanisation à température ambiante (RTV) et les produits de remplissage d’intervalles sont souvent utilisés dans ces applications, le choix définitif dépendant de la forme du capteur et de la taille des poches d’air éventuellement présentes. Le matériau de gestion thermique sélectionné doit également rester stable selon l’épaisseur appliquée pour un transfert thermique optimal vers le capteur.

Certains produits, tels que le HTSX récemment proposé par Electrolube, offrent une faible résistance thermique et une excellente stabilité sur une large plage de température d’utilisation, mais en tant que matériaux d’interface thermique, il sont conçus pour être appliqués sous forme de films minces. Si la poche d’air présente est supérieure à 200 microns, il est possible d’obtenir un meilleur résultat grâce à un matériau de remplissage d’intervalles ou un matériau polymérisant à température ambiante, tel que les produits HTCPX ou TCOR d’Electrolube.

Pour les alimentations, une résine d’encapsulation peut jouer deux rôles : protection contre l’environnement et dissipation thermique. Par exemple, le UR5633 d’Electrolube allie une conductivité thermique très élevée et d’excellentes propriétés de résistance à l’eau et de tolérance aux basses températures. Néanmoins, la viscosité de cette résine polyuréthane à deux composants est très élevée et peut donc ne pas convenir pour les applications en espace confiné où des poches d’air sont susceptibles de se former. N’oubliez pas que les poches d’air dans un appareil encapsulé peuvent créer des points chauds, se traduisant par des performances et une durée de vie moindres. Les résines à faible viscosité, telles que la résine époxy ER2221 d’Electrolube peuvent être plus appropriées dans ce cas, mais des résines à hautes performances telles que l’ER2225 d’Electrolube offrent des propriétés supplémentaires utiles, notamment résistance chimique et tolérance aux hautes températures.

Éclairons la voie vers un meilleur bien-être animal

La technologie LED contribue également à améliorer la santé, le bien-être et le rendement des élevages agricoles. Beaucoup d’études ont montré que l’amélioration de la qualité de la lumière dans les enclos et étables pour animaux réduit le stress, alors que l’utilisation de LED d’une longueur d’onde spécifique peut poser d’autres problèmes, par exemple l’attraction de mouches vers la source lumineuse. Ces études ont également montré que la température de couleur de la lumière affecte la croissance et le comportement des poulets. Il n’est donc pas surprenant que l’industrie volaillère s’oriente vers le rééquipement de 600 000 bâtiments avec des éclairages à LED dans les années à venir(3).

L’éclairage dans ces environnements doit répondre à l’indice IP66 d’étanchéité à la poussière et de résistance à la pénétration contre les jets d’eau à haute pression. Il doit aussi être résistant à la corrosion (il peut y avoir des gaz particulièrement corrosifs dans les poulaillers), à une forte humidité et à d’éventuels dommages dus aux impacts. Les produits de protection, tels que les vernis et résines d’encapsulation, assurent la protection nécessaire à long terme pour répondre aux conditions extrêmes de ces environnements exigeants.

Les applications étudiées dans cet article mettent en évidence l’importance des produits électrochimiques et leur capacité à protéger les LED et produits associés contre des conditions d’environnement hostiles, tout en améliorant la dissipation thermique efficace de ces composants. Tout comme pour les applications électroniques, le choix et la mise en œuvre corrects des vernis de protection, résines d’encapsulation et matériaux de gestion thermique sont déterminants pour les performances et la durée de vie attendue d’un éclairage à LED. Ces questions doivent être envisagées dès les prémices du processus de conception.

 Electrolube est devenu un fournisseur mondial respecté sur ce marché à croissance rapide, proposant assistance technique et conseils sur le choix des matériaux aux concepteurs et fabricants de systèmes d’éclairage à LED et couvrant une très large gamme d’applications et d’environnements, de l’éclairage urbain résistant aux intempéries à l’éclairage intérieur élégant et moderne.

Jade Bridges est responsable de l’assistance technique mondiale chez Electrolube

Références :

(1) McKinsey & Company: Lighting the way: Perspectives on the global lighting market, Second Edition, 2012

(2) https://www.britannica.com/science/algae/Ecological-and-commercial-importance [dernier accès juillet 2018]

(3) https://greengage.global/nfu-poultry-article-on-greengages-led-lighting-for-livestock-farming/  [dernier accès juillet 2018]