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  • Voyage dans l'horlogerie
  • Super-LumiNova® : le pigment qui a mis fin au radium et fait briller les cadrans
  • Super-LumiNova® : le pigment qui a mis fin au radium et fait briller les cadrans

    Quand l'obscurité révèle le génie
    5 octobre 2026 par
    THOMAS LARDIERE
    | Aucun commentaire pour l'instant

    Zéro pile, zéro radioactivité, des heures de lueur : la science cachée du Super-LumiNova®

    Un cristal d'aluminate de strontium dopé à l'europium, des pièges électroniques de quelques dixièmes d'électronvolt, une décroissance en loi de puissance et un œil humain qui change de mode dans le noir : voici ce qui se passe réellement quand votre cadran « brille ».

    Placez votre montre dix secondes sous une lampe, puis éteignez la lumière : les index s'allument d'un vert ou d'un bleu doux, intense au début, puis de plus en plus discret. Aucune pile, aucun isotope, aucune chimie qui « brûle ». Le cadran restitue simplement une énergie qu'il a stockée.

    Ce phénomène relève de la luminescence persistante, et son optimisation est un problème de physique du solide, de photométrie et de physiologie de la vision. Cet article suit ce fil de bout en bout, de l'électron piégé à la lecture de l'heure à trois heures du matin.

    1. Quatre façons de produire de la lumière sans chaleur

    PhénomèneDurée de l'émission après excitationSource d'énergieExemple
    Fluorescencenanosecondes à microsecondeslumière incidentesurligneurs, marqueurs UV
    Phosphorescence classiquemillisecondes à secondeslumière incidentecertains pigments anciens
    Luminescence persistanteminutes à heureslumière stockée dans des pièges

    Super-LumiNova®

    Radioluminescencepermanente (tant que la source décroît)désintégration radioactiveradium, tritium

    Le terme « phosphorescent » est courant mais imprécis. Dans le Super-LumiNova®, l'émission lumineuse elle-même est rapide, de l'ordre de la microseconde. Ce qui dure des heures, c'est le temps de libération des charges piégées, ce qui change toute l'analyse.

    2. Avant le Super-LumiNova : radium, prométhium, tritium

    Le radium : un paradoxe

    Du début du XXe siècle aux années 1960, les cadrans lumineux sont peints avec du radium-226 mélangé à du sulfure de zinc dopé au cuivre (ZnS:Cu). Le principe est celui d'un scintillateur : les particules α du radium excitent le sulfure de zinc, qui émet de la lumière verte. Le sort des ouvrières américaines qui pointaient leurs pinceaux avec les lèvres, les « Radium Girls », a fait de ce procédé un cas d'école de santé au travail. Chez Panerai, le nom Radiomir (brevet de 1916) en garde la trace.

    Le radium a une demi-période de 1 600 ans. Un cadran de 1925 en contient encore :

    A / A₀ = 2^(−t / T½) = 2^(−100 / 1600) ≈ 0,96

    soit 96 % de la radioactivité d'origine. Pourtant, les cadrans de cette époque ne brillent presque plus. La raison : les particules α détruisent peu à peu la structure cristalline du ZnS. Ce n'est pas le radium qui s'est épuisé, c'est le phosphore qui est mort. Un cadran « mort » reste donc radioactif.

    Le prométhium et le tritium

    SourceRayonnementDemi-périodeRemarque
    Radium-226α, β, γ1 600 ansdangereux si le cadran se dégrade (poussières)
    Prométhium-147β2,6 ansbrève parenthèse dans les années 1960-1970
    Tritium (³H)β faible (énergie moyenne ≈ 5,7 keV)12,3 ansgaz scellé dans des tubes de verre ou peinture

    Le tritium émet des électrons de si faible énergie qu'ils ne traversent pas le verre d'un tube ni la peau. Il reste un compromis insatisfaisant, car son activité décroît :

    A / A₀ = 2^(−t / 12,32)

    Pour une montre de 1990 (36 ans en 2026) : 2^(−36/12,32) ≈ 0,13, soit 13 % de l'activité initiale, sans compter le vieillissement du phosphore. Les inscriptions « T SWISS T » ou « T<25 » au bas d'un cadran signalent justement du tritium.

    Le tritium en tubes scellés existe toujours (Luminox, Traser) pour sa lueur permanente, mais faible. Pour le reste de l'horlogerie, la solution est venue du Japon.

    3. Le cristal : SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺

    Composition

    Le LumiNova, mis au point par Nemoto & Co. en 1993 et diffusé pour l'horlogerie sous le nom de Super-LumiNova® (marque déposée, symbole ®), est un aluminate de strontium dopé :

    SrAl₂O₄ : Eu²⁺ , Dy³⁺

    La matrice SrAl₂O₄ est transparente. Les dopants, présents à des teneurs de l'ordre du pour cent, font tout le travail :

    • l'europium divalent (Eu²⁺) est le centre émetteur : une transition 5d → 4f, autorisée, donne une émission large centrée vers 520 nm (vert) ;
    • le dysprosium (Dy³⁺) crée des niveaux pièges dans la bande interdite, qui retiennent des charges.

    La synthèse se fait en phase solide, à environ 1 300-1 500 °C, sous atmosphère réductrice, pour obtenir l'europium sous sa forme Eu²⁺ et non Eu³⁺.

    Le modèle des pièges

    Selon le modèle le plus courant (le mécanisme exact reste discuté) :

    1. Excitation : un photon bleu ou UV (en dessous d'environ 450 nm) excite Eu²⁺, qui libère un électron.
    2. Piégeage : l'électron est capturé par un piège associé à Dy³⁺, où il reste « stocké ».
    3. Libération thermique : à température ambiante, l'agitation thermique libère peu à peu les électrons.
    4. Recombinaison : l'électron revient sur le centre Eu, qui émet un photon vert.

    Le temps de séjour dans un piège suit une loi d'Arrhenius :

    τ = (1/s) · exp(E / kT)       (k = 8,617 × 10⁻⁵ eV/K)

    où E est la profondeur du piège et s un facteur de fréquence. Avec s = 10¹⁰ s⁻¹ (valeur illustrative) et T = 300 K :

    Profondeur EDurée de piégeage τ
    0,6 eVenviron 1 seconde
    0,7 eVenviron 1 minute
    0,8 eVenviron 45 minutes
    0,9 eVenviron 1,5 jour

    Une différence de 0,3 eV fait passer de la seconde au jour. Comme le cristal contient une distribution de profondeurs, la lueur est une somme de nombreuses décroissances, ce qui explique sa forme (voir plus bas). La température joue aussi : pour E = 0,8 eV, +10 °C divisent τ par environ 2,7. Un cadran chaud brille plus fort au début, mais moins longtemps.

    Pourquoi l'aluminate a remplacé le sulfure

    CritèreZnS:Cu (ancienne génération)SrAl₂O₄:Eu,Dy
    Éclat initialréférenceenviron un ordre de grandeur de plus
    Durée de lueurde l'ordre de 30 min à 1 hplusieurs heures
    Photostabiliténoircit à l'UVstable
    Sensibilité à l'eaufaiblesensible à l'hydrolyse (grains souvent enrobés)
    Radioactivitéaucune seule, mais associé au radiumaucune

    Le point faible de l'aluminate est son hydrolyse : en présence d'eau, il perd sa luminescence. Les grains sont donc protégés par un enrobage ou noyés dans le liant.

    4. La décroissance : une loi de puissance, pas une exponentielle

    Un phénomène à une seule constante de temps donnerait une exponentielle. Ici, la distribution des pièges donne une décroissance beaucoup plus lente, bien décrite par :

    L(t) = L₀ / (1 + t / t₀)ⁿ        avec n ≈ 1 à 1,5

    Exemple illustratif (valeurs d'ordre de grandeur, variables selon le grade, l'épaisseur et la charge) : L₀ = 300 mcd/m², t₀ = 2 min, n = 1,2.

    Temps après la chargeLuminance
    1 min≈ 184 mcd/m²
    5 min≈ 67 mcd/m²
    10 min≈ 35 mcd/m²
    1 h≈ 4,9 mcd/m²
    2 h≈ 2,2 mcd/m²
    8 h≈ 0,4 mcd/m²

    La perte est brutale au début : 90 % de l'éclat disparaît dans les dix premières minutes. Ensuite la lueur s'étire très longtemps. C'est ce qui donne l'impression que la montre « brille toute la nuit » : elle ne brille plus fort, mais elle reste visible.

    Quel seuil de lisibilité ?

    Les normes de photoluminescence retiennent souvent 0,3 mcd/m² comme seuil de visibilité, environ cent fois la limite de détection de l'œil adapté à l'obscurité. Avec le modèle ci-dessus :

    (1 + t/t₀)ⁿ = L₀ / 0,3 = 1 000   →   t = 2 × (1 000^(1/1,2) − 1) ≈ 630 min ≈ 10,5 h

    C'est un ordre de grandeur cohérent avec les données de pigment brut. Sur une montre, la couche de pâte est mince et la quantité de matière faible : la durée réellement utile se compte plutôt en quelques heures.

    La charge : saturation et spectre

    La charge dépend de l'éclairement et du spectre :

    SourceÉclairement typiqueEfficacité de charge
    Soleil direct≈ 100 000 lxmaximale, saturation en quelques secondes
    Ciel couvert≈ 1 000 à 10 000 lxtrès bonne
    Bureau éclairé≈ 300 à 500 lxcorrecte en quelques minutes
    Éclairage domestique≈ 50 à 200 lxpartielle
    LED blanchevariablebonne (pic bleu vers 450 nm)
    Lampe à incandescencevariablemédiocre (peu de bleu)
    Lampe UV (365-405 nm)


    excellente

    Le pigment sature : au-delà d'un certain dosage, prolonger l'exposition n'améliore plus rien, puisque tous les pièges accessibles sont remplis.

    5. Le facteur oublié : l'œil

    Trois régimes de vision

    L'œil humain ne fonctionne pas de la même façon à toutes les luminances :

    RégimeLuminancePhotorécepteursSensibilité maximale
    Photopique> ≈ 3 cd/m²cônes555 nm (jaune-vert)
    Mésopique≈ 0,001 à 3 cd/m²cônes et bâtonnetstransition
    Scotopique< ≈ 0,001 cd/m²bâtonnets507 nm (bleu-vert)

    Or les luminances d'un cadran qui s'éteint (35 mcd/m² à 10 minutes, 0,4 mcd/m² à 8 heures) tombent dans les régimes mésopique puis scotopique. Le cadran est lu avec les bâtonnets, qui sont plus sensibles au bleu-vert. C'est l'effet Purkinje.

    Pourquoi le bleu paraît plus lumineux

    Comparons, à luminance photométrique égale, une émission verte à 520 nm et une émission bleu-vert vers 485 nm. Avec les efficacités lumineuses CIE (approximation monochromatique) :

    520 nm : V' = 0,935 ; V = 0,710 → V'/V ≈ 1,3
    485 nm : V' ≈ 0,66  ; V ≈ 0,17  → V'/V ≈ 3,9

    Pour l'œil adapté à l'obscurité, le bleu-vert paraît donc de l'ordre de deux à trois fois plus lumineux, alors qu'un luminancemètre classique, calibré sur la vision photopique, le mesurerait moins fort. C'est ce qui explique la lueur bleue des montres de plongée modernes, et le fait que la « durée perçue » d'un grade bleu dépasse sa durée mesurée.

    L'adaptation à l'obscurité

    Les cônes s'adaptent en quelques minutes, les bâtonnets demandent 20 à 40 minutes. Un regard sur un écran de smartphone ruine cette adaptation. À 3 h du matin, après une heure dans le noir, la même lueur paraît bien plus nette qu'en sortant d'une pièce éclairée.

    6. Les grades : C3, BGW9, Old Radium

    GradeAspect de jourLueurRemarques
    C3blanc-vert pâleverte (≈ 520 nm)grade courant, très bon éclat initial
    BGW9blancbleu-vert (≈ 485-490 nm)durée perçue plus longue (effet Purkinje)
    Old Radiumcrème, beigeverteteinte vintage, souvent un peu moins lumineuse

    La lueur bleu-vert est typiquement obtenue avec une autre phase d'aluminate de strontium (par exemple Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu,Dy). Les pigments des autres maisons (Chromalight chez Rolex, LumiBrite chez Seiko) relèvent de la même famille chimique, avec des formulations, des tailles de grains et des teintes propres.

    La taille des grains

    Des grains plus gros stockent plus d'énergie et émettent plus fort, mais donnent une surface plus rugueuse, une pâte plus épaisse et un rendu moins fin. Les grains utilisés en horlogerie sont de l'ordre de la dizaine à quelques dizaines de micromètres. C'est un compromis entre éclat et finesse d'application.

    7. Mise en œuvre sur le cadran

    Pâte, liant, épaisseur

    Le pigment est mélangé à un liant (laque ou résine) pour former une pâte. L'éclat dépend de la quantité de pigment actif, et non de l'épaisseur seule : au-delà d'une certaine profondeur, les couches inférieures ne reçoivent plus de lumière d'excitation, et leur émission est en partie réabsorbée.

    Éclat ∝ 1 − exp(−e / δ)      (modèle simplifié ; δ = profondeur utile)

    Au-delà de quelques δ, ajouter de la matière ne change presque plus rien. On cherche donc l'épaisseur utile maximale, puis la régularité.

    Techniques d'application

    TechniqueUsageParticularité
    Pinceauaiguilles, indexcouches successives, savoir-faire manuel
    Remplissage d'alvéolesindex appliqués, lunettesgrand volume de pâte, éclat élevé
    Tampographiechiffres impriméscouche fine, éclat plus faible
    Sérigraphiemarquages de cadranépaisseur contrôlée

    Surface et contraste

    Ce que l'œil perçoit n'est pas seulement la luminance mais le flux : luminance × surface. À luminance égale, un grand index paraît plus lumineux qu'un petit. Un cadran noir mat, qui ne réfléchit pas la lumière parasite, maximise le contraste.

    Coordonner aiguilles et cadran

    La teinte de jour et la lueur de nuit doivent être identiques sur les aiguilles et sur le cadran, sinon la montre paraît « dépareillée ». Les écarts viennent de lots différents, d'épaisseurs différentes ou d'un liant qui n'a pas vieilli de la même façon.

    8. Normes de référence

    NormeObjet
    ISO 17514substances photoluminescentes pour l'horlogerie
    ISO 3157substances luminescentes radioactives (tritium notamment)
    ISO 6425montres de plongée : lisibilité dans l'obscurité à 25 cm
    DIN 67510pigments photoluminescents : mesure de la luminance après excitation (souvent à 10 et 60 minutes)

    Vérifiez toujours la version en vigueur avant de citer une norme dans une publication.

    9. Vieillissement, vintage et sécurité

    Ce qui vieillit, ce qui ne vieillit pas

    Le pigment d'aluminate ne s'use pas avec les cycles de charge. Ce qui vieillit, c'est le liant : il jaunit et se patine, ce qui donne aux cadrans anciens leur teinte crème ou brune. Sur un cadran vintage, cette patine est souvent recherchée, et les « tropicals » sont prisés.

    Reconnaître un cadran ancien

    • Radium : cadran ne s'allumant plus, éventuellement radioactif. Seul un horloger ou un laboratoire équipé d'un compteur Geiger peut l'affirmer.
    • Tritium : mention « T SWISS T » ou « T<25 », lueur très faible ou nulle aujourd'hui.
    • Super-LumiNova ou équivalent : montre postérieure aux années 1990, qui se recharge normalement.

    Précautions

    • Ne grattez jamais un cadran ancien et n'ouvrez pas un boîtier susceptible de contenir du radium : le risque vient des poussières.
    • Évitez le nettoyage aux ultrasons et les solvants sur une pâte lumineuse, qui peuvent la fragiliser.
    • Le relumage (remplacement de la pâte) est possible, mais il modifie l'aspect d'origine et peut réduire la valeur d'une pièce de collection.

    10. Optimiser et comparer

    Obtenir le meilleur éclat

    • Chargez à la lumière du jour ou sous une LED blanche froide, plutôt que sous une ampoule à incandescence.
    • Une lampe UV de 365 à 405 nm sature le pigment en quelques secondes ; ne la dirigez jamais vers les yeux.
    • Attendez 20 minutes dans le noir avant de juger la lueur.

    Un protocole de comparaison

    Pour comparer deux montres honnêtement :

    1. chargez-les côte à côte, à la même distance de la même source, pendant la même durée (une minute suffit) ;
    2. observez-les à 1, 10 et 60 minutes, dans une pièce entièrement noire ;
    3. si vous photographiez, fixez ISO, ouverture et temps de pose, en sachant qu'un capteur ne voit pas comme l'œil et sous-estime le bleu en vision scotopique.

    11. Comment choisir ?

    CritèreÀ vérifier
    GradeC3 (éclat vert), BGW9 (durée perçue bleue), Old Radium (esthétique vintage)
    Surface lumineuseindex larges et aiguilles généreusement garnies
    Contrastecadran noir mat, bonne séparation entre aiguilles et index
    Coordinationteinte de jour et lueur identiques sur aiguilles et cadran
    Usageplongée (ISO 6425), lecture nocturne, esthétique vintage
    Entretienéviter ultrasons et solvants, relumage éventuel

    12. À retenir

    • Le Super-LumiNova® est un aluminate de strontium dopé à l'europium et au dysprosium : l'europium émet, le dysprosium piège les charges.
    • La lueur persiste parce que les électrons sont libérés thermiquement et lentement (τ = (1/s)·exp(E/kT)), et non parce que l'émission serait lente.
    • La décroissance suit une loi de puissance : environ 90 % de l'éclat disparaît en dix minutes, puis la lueur s'étire pendant des heures.
    • +10 °C divisent la durée de piégeage par environ 2,7 : un cadran chaud brille plus fort, mais moins longtemps.
    • La lueur est lue en vision mésopique puis scotopique : un grade bleu-vert paraît deux à trois fois plus lumineux qu'un vert à luminance égale.
    • Les cadrans au radium ne brillent plus parce que leur phosphore est détruit, pas parce que le radium est épuisé : ils restent radioactifs.
    • Le pigment ne vieillit pas, mais le liant jaunit : c'est lui qui crée la patine.

    Le Super-LumiNova® n'a rien d'une poudre magique : c'est un stockage d'énergie à l'échelle atomique, dont la physique est assez fine pour qu'on puisse la prévoir, la mesurer et l'améliorer.


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