La technologie OLED. Construction et fonctionnement

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1 La technologie OLED Une diode luminescente organique (en anglais organic light emitting diode, OLED) est un composant luminescent à couches minces composé de matériaux organiques semiconducteurs, qui se distingue des diodes luminescentes anorganiques (LED) en ce que la densité de courant et la luminance sont plus faibles et qu il n y a pas besoin de matériaux monocristallins. En comparaison des diodes luminescentes conventionnelles (anorganiques), les diodes luminescentes organiques peuvent être fabriquées de manière plus économique en technique à couches minces, leur durée de vie est cependant moindre qu avec les diodes luminescentes conventionnelles. Une OLED sur une feuille de plastique souple La technique OLED convient aux écrans (tout d abord de Smartphones et de tablettes, plus tard dans les téléviseurs à grande surface, PC, moniteurs) et affichages. Un autre domaine d application est l éclairage à grande surface de locaux. Etant donné les propriétés du matériau, une éventuelle utilisation des OLED comme écran souple et comme papier électronique est intéressante. Construction et fonctionnement Schéma d une OLED. 1. Cathode, 2. Couche émettrice, représentée en vert, 3. Recombinaison des porteurs de charge avec émission d un photon, 4. Couche conductrice à trous, 5. Anode Généralement, une couche conductrice à trous (en anglais hole transport layer, HTL) est déposée sur l anode, composée d oxyde indium-étain (ITO) qui se trouve sur une plaque de verre. Suivant la méthode de fabrication, une couche che de PEDOT/PSS est déposée entre ITO et HTL afin de réduire la barrière d injection pour les trous et d empêcher la diffusion de l indium dans la jonction. Il est déposé sur la HTL une couche qui contient soit le colorant (environ 5-10%) ou plus rarement se compose intégralement du colorant, par exemple aluminium-tris(8-hydroxychinoline), Alq3. Cette couche est appelée couche émettrice (en anglais emitter layer,, EL). On peut également déposer sur celle-ci ci une couche conductrice d électrons (en anglais electron transport

2 layer, ETL). Pour terminer, une cathode, composée d un métal ou d un alliage à faible travail de sortie d électrons, par exemple calcium, aluminium, baryum, ruthénium, alliage magnésium-argent, argent, est déposée sous vide poussé. A titre de couche de protection et pour réduire la barrière d injection pour les électrons, il est généralement vaporisé entre la cathode et l E(T)L une très mince couche de fluorure de lithium, de fluorure de césium ou d argent. Construction d une OLED en comparaison Les électrons (= charge négative) sont injectés par la cathode tandis que l anode fournit les trous (= charge positive). Les trous et les électrons dérivent les uns vers les autres et se rencontrent dans le cas idéal dans l EL, c est pourquoi cette couche est également appelée couche de recombinaison. Les électrons et les trous constituent un état lié que l on appelle exciton. Suivant le mécanisme, l exciton représente déjà l état excité de la molécule de colorant, ou bien la désagrégation de l exciton, fournit l énergie d excitation de la molécule de colorant. Ce colorant a différents états d excitation. L état excité peut passer à l état de base et émettre un photon (particule de lumière). La couleur de la lumière émise dépend de l écart d énergie entre l état excité et l état de base et peut être modifiée de manière ciblée en variant les molécules de colorant. Les états triplets non rayonnants posent un problème qui peut être résolu par adjonction de ce qu on appelle des «exciteurs». Utilisation et sélection de matériaux organiques Pour les LED organiques fabriquées en polymères, l abréviation PLED (en anglais polymer light emitting diode) s est imposée. Plus rarement, les OLED fabriquées à partir de «small molecules» (petites molécules) sont appelées SOLED ou SMOLED. Les colorants utilisés dans les PLED sont souvent des dérivés de poly(para-phénylène- vinylène) (PPV). Récemment, on utilise des molécules de colorant qui permettent de s attendre à une efficacité quadruple de celle des molécules fluorescentes décrites ci-

3 dessus. Ces OLED plus efficaces utilisent des complexes métallo-organiques pour lesquels l émission de lumière se fait depuis des états de triplet (phosphorescence). Ces molécules sont également appelées des émetteurs triplets; le colorant peut également être excité par la lumière environnante, ce qui peut aboutir à la luminescence. L objectif est cependant de fabriquer des surfaces autoluminescentes exploitant l électroluminescence organique. Avantages La fabrication industrielle des OLED n est pas uniquement possible dans des conditions coûteuses de vide ou de salle blanche. Un autre avantage est basé sur l alternative permettant de fabriquer des OLED en masse et sur de grandes surfaces, de manière plus économique également par technique d impression, ce qui n est pas le cas pour les LED classiques et rarement seulement pour les composants des systèmes électroniques. L avantage de coût découle du fait que les couches colorantes conductrices peuvent être déposées par un procédé à jet d encre modifié, ou plus récemment recouvertes également sans vaporisation sous vide. DuPont et Merck sont à la pointe de la technologie dans ce domaine des systèmes de matériaux solubles OLED. Les premières OLED ont été imprimées en laboratoire dès Le principal salon avec congrès pour l électronique imprimé est la LOPEC qui a lieu chaque année à Munich. A la Drupa 2012, principal salon de l industrie de l imprimerie, les OLED ont été identifiées comme un marché de plusieurs milliards. Inconvénients Le plus grand problème technique est la durée de vie relativement plus courte de beaucoup de composants fabriqués en matières organiques. Pour les (O)LED, on appelle durée de vie la durée de service moyenne après laquelle la luminance a baissé de moitié. Pour d autres sources lumineuses et moniteurs, c est la durée de la composante bleue qui est déterminante pour la durée de vie utile globale. En 2011, on a indiqué pour les sources lumineuses blanches 5000 heures (pour 1000 cd/m²) et heures (pour 100 cd/m²). Cependant, il faut tenir compte, dans les indications officielles sur la durée de vie des matériaux OLED, de plusieurs aspects importants: la clarté (maximale possible ou réduite par rapport à celle-ci) à laquelle commence la mesure de durée de vie, le temps jusqu à la baisse de l intensité lumineuse à 50% de cette valeur initiale, ainsi que les diverses températures auxquelles les OLED sont exploitées ou peuvent l être. Une OLED bien refroidie (quelle que soit sa couleur) à intensité lumineuse initiale faible a donc toujours une durée de vie beaucoup plus élevée qu une OLED utilisée dès le départ sans refroidissement à l'intensité lumineuse maximale. En outre, la durée de vie est généralement extrapolée théoriquement à partir de la valeur la plus courte: étant donné qu il n est guère pratique de tester un matériau OLED pendant des dizaines ou même des centaines d heures à une intensité lumineuse moyenne ou faible, on utilise la durée de vie pour l intensité lumineuse maximale et on extrapole sur les intensités plus faibles. Le fait que les OLED n aient jusqu à présent pas remporté un grand succès est dû surtout à ces différences de durée de vie et de qualité des couleurs et matériaux OLED.

4 Tout comme l eau, l oxygène peut détruire le matériau organique. C est pourquoi il importe d encapsuler le composant et de le protéger des influences extérieures. L encapsulation rigide anorganique nécessaire entrave la flexibilité. Désormais cependant, les matériaux organiques sont nettement plus résistants à l eau et à l oxygène que les versions antérieures. La corrosion menace surtout la couche d injection hautement réactive de calcium et de baryum. Les signes typiques de défaillance sont des zones circulaires non luminescentes et croissantes, appelées «Dark Spots». La cause est souvent une charge des particules lors de la vaporisation des couches métalliques. La corrosion sape également les bords microscopiques de la structure multicouche, ce qui provoque une réduction de la surface de Pixel effectivement luminescente dans les applications d écran. Les OLED commerciales sur substrat flexible n en sont qu à la phase d introduction étant donné que tous les substrats plastiques souples sont très perméables à l oxygène et à l humidité de l air. Le verre ultramince (d une épaisseur d environ 0,2 mm au maximum) est difficile à travailler et en outre, le matériau d anode, oxyde d indium et d étain, est un matériau dure et donc friable. Lorsqu on l enroule et le déroule plusieurs fois à un faible rayon, cela provoque la rupture et la défaillance rapide (augmentation de résistance) de l anode. Etat de la technique Prototype d une OLED flexible alimentée par batterie. A droite, un luminaire OLED blanc. Les principaux fournisseurs de technique OLED sont les sociétés Osram, Philips, Sony, LG, Samsung SDI, RiTdisplay, Univision, Pioneer et TDK. Philips et Osram ont abandonné en 2004 et 2007 respectivement les affaires d affichage et ne produisent plus que des sources lumineuses OLED. Application Les OLED ne vont pas, comme on le pense généralement, supplanter les LED mais s établir comme technologie complémentaire. Il faut faire une nette distinction quant à savoir s il s agit d une application comme affichage pour représentation d images animées et d applications interactives, ou si une application d éclairage est au premier plan.

5 Roadmap Applications en éclairage, état 2014 Roadmap Efficacité en éclairage, état 2014