Diode électroluminescente organique

OLED de test réalisée sur un support souple

Une diode électroluminescente organique (OLED) (Organic Light-Emitting Diode) est un composant qui permet de produire de la lumière. La structure de la diode est relativement simple puisqu'elle consiste à superposer plusieurs couches semi-conductrices organiques entre deux électrodes dont l'une (au moins) est transparente.

La technologie OLED est utilisée pour l'affichage dans le domaine des écrans plats et son utilisation comme panneau d'éclairage est une autre application potentielle. En raison des propriétés des matériaux utilisés pour concevoir ces diodes, la technologie OLED possède des avantages intéressants par rapport à la technologie dominante des afficheurs à cristaux liquides (LCD). En effet la propriété électroluminescente de l'OLED ne nécessite pas l'introduction d'un rétro-éclairage ce qui confère à l'écran des niveaux de gris plus profonds et une épaisseur moindre. La flexibilité de ces matériaux offre aussi la possibilité de réaliser un écran souple et ainsi de l'intégrer sur des supports très variés comme les plastiques.

Historique

Le premier brevet est déposé en 1987 par la société Kodak et la première application commerciale est apparue vers 1997.

André Bernanose et son équipe ont produit de la lumière à base de matériaux organiques, en soumettant des couches minces de cristal d’acridine orange et de quinacrine à un courant alternatif de tension élevée. En 1960, des chercheurs du laboratoire Dow Chemical ont développé des cellules électroluminescentes dopées à l’anthracène, alimentées par un courant alternatif.

La faible conductivité électrique de ces matériaux limitait la quantité de lumière émise, jusqu’à l’apparition de nouveaux matériaux comme le polyacétylène, le polypyrrole et la polyaniline « noircie ». En 1963, dans une série de publications, l’équipe dirigée par Weiss indique que le polypyrrole oxydé et dopé à l’iode possède une très bonne conductivité : 1 S/cm. Malheureusement, cette découverte a été oubliée, tout comme le rapport de 1974 sur les commutateurs bistables à base de mélanine, qui ont une grande conductivité lorsqu’ils sont à l’état « on ». Ces commutateurs avaient la particularité d’émettre de la lumière lorsqu’ils changeaient d’état.

Flexibilité d'un prototype d'écran oled de 4.1" (Sony).

Dans une publication de 1977, l’équipe de Shirakawa indique une haute conductivité dans un matériau similaire, le polyacétylène oxydé et dopé à l’iode. Ces recherches vaudront à ces chercheurs le prix Nobel de Chimie pour « La découverte et le développement de polymères organiques conducteurs ».

Des travaux plus récents ont été menés depuis, avec de grandes avancées, comme la parution de l’équipe de Burroughs qui, en 1990, rapporte la très grande efficacité des polymères émettant dans la longueur d’onde du vert.

Fonctionnement

Principe

La structure de base d'un composant OLED consiste à superposer plusieurs couches de matériaux organiques entre une cathode et une anode, laquelle est souvent transparente formée d'oxyde d'indium-étain (ITO). Les couches minces organiques comportent typiquement une couche de transport de trous (HTL), une couche d'émission (EML) et une couche de transport d'électrons (ETL). En appliquant une tension électrique appropriée, les électrons et les trous sont injectés dans la couche EML à partir de la cathode et de l'anode. Les électrons et les trous se combinent dans la couche EML pour former des excitons puis l'électroluminescence apparaît. Les matériaux de transfert de charges, la couche d'émission et le choix des électrodes sont des paramètres fondamentaux qui déterminent les performances et l'efficacité du composant OLED.

Détails

Le principe de fonctionnement des OLED est basé sur l’électroluminescence. La source de lumière est en fait due à la recombinaison d’un exciton (paire électron-trou), à l’intérieur de la couche émettrice. Lors de cette recombinaison, un photon est émis. Le but des chercheurs est d’optimiser cette recombinaison. Pour cela, il faut que la couche émettrice possède un nombre de trous égal au nombre d’électrons. Cet équilibre est cependant difficile à atteindre dans un matériau organique. En effet, la mobilité d’un électron est environ trois fois plus grande que celle d’un trou.

L’exciton a deux états (singulet ou triplet). Seul un exciton sur quatre est de type « singulet ». Les matériaux utilisés dans la couche lumineuse contiennent souvent des fluorophores. Cependant, ces fluorophores n’émettent de la lumière qu’en présence d’un exciton à l’état de singulet, d’où une perte notoire de rendement.

Heureusement, en incorporant des métaux de transition dans une OLED à petites molécules, il apparaît un phénomène quantique, le couplage de spin. Ce couplage permet une sorte de fusion entre les états de singulet et de triplet. Ainsi, même à l’état triplet, l’exciton peut être source de lumière. Cependant, ce phénomène implique un décalage du spectre d’émission vers le rouge, rendant ainsi les longueurs d’ondes courtes (bleu-violet) plus difficiles à atteindre à partir d’un exciton à l’état de triplet. Mais cette technique quadruple l’efficacité des OLED.

Afin de créer les excitons dans la couche émettrice, il faut arracher des électrons d’un côté et en rajouter de l’autre. C’est pourquoi la couche lumineuse est prise en sandwich par deux électrodes :

• une anode (+) qui crée des trous (arrache des électrons au matériau),
• une cathode (-) qui apporte les électrons.

Les trous (positifs) et les électrons (négatifs) s’attirant, ils vont migrer au travers du matériau luminescent et se rencontrer pour former un exciton.

Les luminophores (éléments de la couches lumineuse) utilisés dans une OLED sont principalement dérivés du PPV « poly[p-phénylène vinylène] » et du « poly[fluorène] ». L’anode reste classique, composée d’oxyde d’indium-étain (ITO), tout comme la cathode, en aluminium ou en calcium. À l’interface entre le matériau luminescent et les électrodes, des matériaux spécifiques sont intercalés, afin d’améliorer l’injection d’électrons ou de trous et donc d’améliorer l’efficacité de la OLED.

Technologies dérivées

Petites molécules

La technique OLED à petites molécules a été développée par Eastman-Kodak. La production utilise un système de dépôt sous vide, ce qui rend le procédé plus cher que d’autres techniques de fabrication. De plus, comme ce procédé utilise un substrat en verre, il rend l’écran rigide (bien que cette limitation ne soit pas due aux petites molécules). Le terme « OLED » se réfère par défaut à ce type de technique (parfois sous le terme de SM-OLED, pour Small Molecules).

Les molécules principalement utilisées pour les OLED incluent des chélates organométalliques (exemple : Alq3, utilisé dans le premier dispositif électroluminescent organique) et des dendrimères conjugués.

Il existe maintenant une couche électroluminescente hybride qui emploie des polymères non conducteurs, enduits de molécules électroluminescentes conductrices (petites molécules). Ce polymère est utilisé pour ses avantages mécaniques (résistance) et pour faciliter la production, sans se soucier de ses propriétés optiques. La longévité de la cellule reste inchangée.

PLED

Les diodes électroluminescentes à polymère (DELP ou son anglicisme PLED pour Polymer Light-Emitting Diodes, également connues sous le nom de PEL pour Polymères Électroluminescents ou, en anglais, LEP pour Light-Emitting Polymer) dérivent des écrans OLED mais ces derniers utilisent des polymères pris entre deux feuilles souples pour émettre de la lumière^[1]. Ces polymères peuvent être liquides, ce qui favoriserait une industrialisation rapide. En outre, le taux de rafraîchissement de ces écrans serait bien plus élevé que ceux des écrans LCD classiques^[2].

Les écrans PLED sont issus de recherches portant sur des polymères capables d’émettre de la lumière, initialement par le département « technique d’affichage » de l’université Cavendish Laboratory of Cambridge en 1989^[3].

Le principe de fabrication est le dépôt en couche mince, et permet de créer des écrans couleur recouvrant tout le spectre visible, tout en consommant peu d’électricité. Leur fabrication n’utilise pas le dépôt sous vide, et les molécules actives peuvent être déposées sur le substrat par un procédé similaire aux imprimantes à jet d’encre. De plus, le substrat peut être flexible (comme dans les PET), rendant la production moins coûteuse.

PHOLED

PHOLED est l’acronyme de Phosphorescent Organic Light-Emitting Diode. Cette technique est brevetée par l’entreprise américaine Universal Display Corporation^[4]. Peu d’informations sont actuellement accessibles (fonctionnement, caractéristiques) du fait de la jeunesse de cette technique. Cependant, on peut citer comme atout un meilleur rendement que les OLED classiques, et comme défaut une durée de vie limitée dans les bleus (comme souvent en technique LED).

Utilisation

Les OLED sont actuellement de plus en plus utilisées sur des produits à durée de vie courte ou moyenne (téléphones mobiles, appareils photo numériques, baladeurs mp3, et même un clavier d’ordinateur, etc.). L’utilisation pour des produits à durée de vie plus longue (moniteurs d’ordinateurs et téléviseurs notamment) devrait mettre un peu plus de temps. Ils sont aussi sous développement pour l’utilisation d’éclairage avec une performance similaire au fluo compactes CFL, et un IRC similaire à l’incandescent.

Avantages

La technique OLED possède de nombreux avantages par rapport aux LCD :

• Meilleur rendu des couleurs (100 % du diagramme NTSC)
• Meilleur contraste (jusqu’à 1 000 000:1)
• Lumière plus diffuse (moins directive) : angle de confort de vision plus étendu
• Minceur et souplesse du support
• Processus de fabrication plus abordable
• Temps de réponse < 0,1 ms

Le processus de fabrication des écrans OLED est radicalement différent des écrans plats actuels. Le fait d’utiliser des techniques proches des imprimantes à jet d’encre permet d’envisager un coût de production très avantageux, comparé aux LCD ou aux écrans plasma.

De plus, les OLED émettent directement la lumière, ce qui induit d’une part une diffusion proche de 90 ° par rapport à la normale de l’écran et d’autre part une meilleure restitution des couleurs.

Enfin, le noir des OLED est « vrai », c’est-à-dire qu’il ne correspond à aucune émission de lumière, contrairement aux LCD utilisant un rétro-éclairage qui a tendance à filtrer à travers la dalle dans les noirs. Les LCD perdent également la moitié de leur puissance lumineuse à la polarisation de la lumière plus encore ²⁄₃ de leur puissance au passage des filtres de couleur : finalement, on perd ⁸⁄₉ de la puissance lumineuse. En comparaison, la technique OLED est beaucoup plus économe.

Inconvénients

Les OLED ont trois inconvénients majeurs :

• Le principal défaut des OLED est leur durée de vie (environ 14 000 heures), notamment pour les OLED bleues. On estime qu’il faudrait une durée de vie d’environ 50 000 heures pour qu’une dalle OLED puisse jouer le rôle de téléviseur. Cette faible durée de vie comparée aux écrans LCD et aux écrans plasma freine le développement commercial de cette technologie. Cependant, de nouvelles techniques émergent, comme les PHOLED, qui utilisent un matériau phosphorescent. Les écarts d’énergie ainsi créées permettent d’atteindre une durée de vie proche de 20 000 heures pour les PHOLED bleues.

Toshiba et Displaylink auraient toutefois réussi à pallier ce problème en utilisant une technique fondée sur une membrane de métal afin d’optimiser la diffusion de la luminosité. Grâce à cette technique, les deux firmes affirment avoir réussi à concevoir un prototype OLED de 20,8 pouces d’une durée de vie supérieure à celle des écrans classiques LCD, soit plus de 50 000 heures^[5].

Il reste maintenant à résoudre les problèmes de conception et de production de larges dalles OLED ; en effet, les télévisions OLED pourraient remplacer les écrans LCD et plasma.

• De plus, les matériaux organiques des OLED sont sensibles à l’humidité, d’où l’importance des conditions de fabrication et de leur confinement dans l’écran (notamment pour les écrans flexibles).

• Enfin, les OLED sont une technique propriétaire, détenue par plusieurs sociétés dont Eastman Kodak, ce qui pourrait constituer un frein au développement de la technique jusqu’à ce que les brevets tombent dans le domaine public.

Applications

Voici quelques applications possibles des OLED (actuellement et à moyen terme) :

• Petits écrans souples divers (portables, appareils photos, baladeurs, porte photo…), la console portable Playstation Vita de Sony.
• Écrans plats de plus grande dimension (home-cinema)
• Affichage tête haute (head up display ou HUD) à destination des avions ou des automobiles,
• Éclairage d’ambiance. En 2009, la société Philips a été la première à commercialiser sur son site internet des pixels OLED de grande surface (60 cm²) pour l'éclairage d'ambiance (Pixels OLED Lumiblade dont la forme, la taille et la couleur peuvent être choisis).^{[réf. nécessaire]}
• Gadgets en tout genre (vêtements lumineux, stylos lumineux, ruban dépliable , etc.)

Démonstrations

Au 40^e Consumer Electronics Show (CES), en janvier 2007, Sony présentait un écran OLED de 27 pouces (68 cm), doté d’un contraste de 1 000 000:1.

Au CeBIT de Hanovre, en mars 2008, Samsung a présenté un écran OLED de 31 pouces (78 cm) ayant pour caractéristiques :

• Durée de vie : 70 000 heures = environ 20 ans, à raison de 20 heures de visionnage par jour.
• Contraste > 1 000 000:1.
• Temps de réponse < 0,1 ms. Cette technique serait effectivement à même de concurrencer la réactivité du tube.
• Le téléviseur embarque une dalle Full HD, 1 920 × 1 080 pixels. Il dispose pour l’heure de trois entrées HDMI.

Sony commercialise depuis décembre 2007 le XEL-1, un écran OLED de 11″, pour une résolution de 960×540, à un prix de 3 610,05 EUR. Début 2010, Sony a déclaré avoir abandonné cette technologie et continue par contre à développer davantage le LCD-LED (téléviseur à cristaux liquides rétro-éclairé aux lampes LED ou DEL).

Notes

Reste à traduire de en:Organic light-emitting diode (en)

Voir aussi

Articles connexes

• Diode électroluminescente (DEL/LED)
• Semi-conducteur organique
• Technologie AMOLED
• TFT (Thin-film transistor)
• Tube cathodique
• Écran à plasma
• Surface-conduction Electron-emitter Display (SED)
• Écran à cristaux liquides (LCD)

v · d · m Technologies des écrans
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