Bilan

Le boom des matériaux qui remplaceront les terres rares

Les prix de ces métaux sont au plus haut. Les fabricants cherchent des solutions alternatives.

Yttrium, erbium, terbium, scandium, europium… Derrière ces désignations cryptiques perdues au sein de la table de Mendeleïev se cache le problème majeur de nombreuses industries depuis près d’une année. Ecrans plats, disques durs, catalyseurs pour automobiles, batteries pour véhicules électriques et hybrides, panneaux solaires: tous utilisent un ou plusieurs des 17 éléments catalogués parmi les terres rares, un groupe de métaux particulièrement peu abondants dont les gisements constituent à ce jour un quasi-monopole chinois. Bien mauvaise nouvelle donc que l’envolée du prix de ces métaux sur le marché des matières premières, même si celle-ci semble marquer une pause: en moins d’une année, certains de ces composants ont vu leur coût grimper de plus de 300%. Cette forte hausse, galvanisée par l’annonce par les autorités chinoises de l’instauration de taxes supplémentaires à l’exportation et par des réserves minières désormais insuffisantes à répondre à la demande mondiale, impacte tout particulièrement un secteur qui, bien que centenaire, se trouve déjà en pleine mutation technologique. Les géants de l’éclairage ne sont pas à la fête. Osram et Philips étaient déjà sous pression suite à la décision politique, en Europe comme aux Etats-Unis, de bannir progressivement des étals les bonnes vieilles ampoules à incandescence, sacrifiées sur l’autel de l’efficacité énergétique, avec une interdiction totale fixée au 1er janvier 2012. La hausse du prix des terres rares intervient donc au plus mauvais moment. «Les coûts de fabrication nous obligent à répercuter la hausse sur les prix de vente de tous nos produits fluocompacts», explique Philips dans un message à ses investisseurs. Le groupe a beau tenter de rassurer en annonçant le lancement d’un programme pour sécuriser ses sources d’approvisionnement, le mal est là. Avec quelque 97% de la production mondiale de terres rares en mains chinoises, la marge de manœuvre est des plus restreintes.

La course à la performance

Ce que les fabricants ne disent pas, c’est que le prix des terres rares pourrait contrecarrer le joli plan d’imposer les LED blanches comme le nouveau standard de l’éclairage domestique. Les diodes électroluminescentes actuelles sont, elles aussi, dépendantes de ces précieux métaux, le terbium en particulier, lequel entre dans le phosphore nécessaire à l’émission d’une lumière blanche chaude et unie. Philips, comme ses concurrents, a fait le pari que, d’ici à 2020, les LED pourraient représenter près des trois quarts du marché de l’éclairage domestique. Car du côté des fabricants, le problème des terres rares embarrasse. Si Osram et Philips communiquent volontiers en ce qui concerne leur gamme d’ampoules fluorescentes, ce n’est plus le cas pour le produit qu’ils ont déjà propulsé au rang de «lumière du futur». Osram se contente ainsi de mentionner que la demande annuelle en terres rares se monte à quelque 130 000 tonnes par an et que les prix d’approvisionnement seront sous pression d’ici à ce que de nouvelles sources minières soient découvertes. Le renchérissement des terres rares est-il susceptible d’entraver le succès des LED? Au niveau de la recherche, les dispositifs semi-conducteurs ont déjà montré leur potentiel à supplanter les autres sources lumineuses, si l’on tient compte du seul critère de leur efficacité. «En laboratoire, dans des conditions optimales, les LED affichent déjà un rendement de 250 lumens par watt, ce qui est très proche du rendement théorique maximum que l’on peut obtenir avec une source de lumière blanche», avance Nicolas Grandjean, directeur du Laboratoire en semi-conducteurs avancés pour la photonique et l’électronique de l’EPFL. Comparé à l’efficacité lumineuse d’une lampe à incandescence, de quelque 15 lumens par watt, le saut est énorme. En conditions réelles, les LED qui sont commercialisées aujourd’hui affichent une performance de 80 à 100 lumens par watt. Les fabricants ont pour objectif de passer à 150 lumens par watt d’ici à cinq ans et d’atteindre le pic de 200 lumens par watt dans dix ans.

Pour le scientifique, les diodes elles-mêmes n’ont plus guère de secret à livrer. La course à la performance se passe davantage au niveau des procédés de fabrication qui viennent entourer le dispositif et qui permettent, selon le principe physique qui se trouve à la base de cette technologie, aux électrons d’émettre des photons à une longueur d’onde optimale. «Une bonne partie des recherches menées sur les LED se jouent au niveau des couches semi-conductrices – comme le nitrure de gallium – et des substrats sur lesquels elles reposent afin qu’elles émettent le maximum de lumière dans le spectre visible et qu’elles soient facilement manipulables par les fabricants, selon les procédés dont ils ont l’habitude. Le fait de travailler sur des matériaux semi-conducteurs est un élément essentiel pour que le produit puisse être fabriqué à un prix concurrentiel», soutient Nicolas Grandjean. A cela s’ajoute que le cœur de ces LED, nécessaire pour que l’électron se métamorphose en photon, contient lui aussi un matériau relativement rare et onéreux: l’indium. Une voie s’ouvre aux fabricants: l’éventualité d’utiliser, comme substrat, un matériau avec lequel toute l’industrie des semi-conducteurs a l’habitude de travailler depuis plus de cinquante ans: le silicium. «C’est là que se concentre l’attention des chercheurs», ajoute Nicolas Grandjean. Peu cher, abondant, résistant, il apporterait un avantage certain pour la production d’une source lumineuse promise à équiper en une dizaine d’exemplaires chaque foyer occidental. Mais là encore, des efforts en termes de recherche et développement sont à consentir. «Le silicium a le gros défaut de se rétracter moins rapidement que la couche semi-conductrice qu’il soutient, ce qui provoque des tensions et l’apparition de microfissures dans le dispositif. Cette solution pose donc d’autres problèmes.» Pour l’heure, les grands fabricants de LED ne peuvent s’affranchir de l’utilisation de substrats en saphir, relativement chers.

Nicolas Grandjean  Pour le scientifique, «l’attention des chercheurs se porte sur le silicium».

Un grand intérêt commercial

Preuve de l’intérêt commercial que suppose la résolution de ces problèmes fondamentaux, une foule de start-up et de sociétés innovantes ont débarqué sur ce nouveau territoire encore en friche. En Suisse, une spin-off d’Oerlikon, Evatec, commercialise des systèmes dédiés au dépôt des couches nécessaires à la fabrication des dispositifs semi-conducteurs et optiques. Elle compte parmi ses clients Samsung et Osram. Plus près de l’arc lémanique, la start-up Novagan, sise au Parc scientifique d’Ecublens, s’est lancée elle aussi dans les procédés de fabrication par épitaxie pour différents dispositifs électroniques et photoniques, comme les transistors et les lasers. C’est peut-être la suédoise Glo qui suscite les espoirs les plus marqués, avec son projet de nanofils qui changerait radicalement la manière dont on fabrique les LED, chaque filament nanoscopique étant capable d’émettre de la lumière. Toutefois, les premiers tests affichent des rendements encore relativement faibles. Devant l’impossibilité de disposer d’une réponse immédiate de la science, les fabricants de systèmes d’éclairage sont bien obligés de subir de plein fouet le résultat de leur dépendance aux terres rares. Ils n’ont peut-être pas d’autre choix que celui adopté par Rhodia, un leader de la chimie de spécialité. Le groupe français a annoncé, pour ce semestre, la mise en œuvre d’un vaste programme de recyclage du terbium contenu dans les LED usagées. De quoi faire patienter Osram, Philips et l’ensemble des producteurs de diodes électroluminescentes avant l’ouverture, fortement attendue, de nouvelles mines susceptibles de répondre aux besoins des industriels. Signe des temps, la mine de Mountain Pass, dans le désert californien de Mojave, qui avait été fermée au début des années 2000, est exploitée à nouveau et pourrait rouvrir en 2012 avec une production initiale de quelque 20 000 tonnes de terres rares par an. De nouvelles ressources minières sont également en train d’être découvertes. La compagnie Lynas a ainsi annoncé l’exploitation d’une mine, dans l’Ouest australien, qui devrait débuter au quatrième trimestre 2011.

Crédits photos: Olivier Evard

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