Dossier d'optique. Affichage OLED. Date : le 27/01/09 Classe : MI 3. Affichage OLED (dossier d'optique) Manier Max, le

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1 Dossier d'optique Affichage OLED Date : le 27/01/09 Classe : MI 3 Groupe : Manier Max - 1 -

2 Table des matières : Page 1. Introduction Composition des OLEDs Fabrication des OLEDs Fonctionnement des OLEDs Différents types d OLEDS OLED à matrice passive (PMOLEDs) OLED à matrice active (AMOLEDs) OLED transparente OLED haute émissivité OLED pliable OLED blanche Avantages et inconvénients Courantes et futures applications des OLEDs Conclusion Table des figures

3 1. Introduction Imaginez un écran de télévision haute définition, mesurant 80 pouces de larges avec une épaisseur de seulement un quart de pouce, consommant moins que la plupart des télévisions sur le marché et pouvant être enroulé sur lui-même quand on ne l utilise pas. Et si vous pouviez avoir un tel affichage sur le par brise de votre voiture? Ou encore l intégrer directement à vos vêtements? Ce dispositif sera peut être possible dans un avenir proche grâce à l aide d une technologie appelée diode électroluminescente organique (OLEDs). Les OLEDs sont des dispositifs à semi-conducteurs composé de films couches de molécules organiques qui créés de la lumière lors de l application d un courant électrique. Cette technologie est plus lumineuse, fournit un meilleur contraste et consomme moins que les technologies actuelles telles que les diodes électroluminescentes (LEDs) ou les écrans à cristaux liquides (LCDs). Ce dossier a pour but d apporter les connaissances de base sur cette nouvelle technologie. Il recouvre la globalité de l information, allant de la fabrication des OLEDs, des différents types existants jusqu aux avantages et inconvénients de celles-ci. Les informations ainsi que les images de ce dossier sont issues du site internet anglais suivant : 2. Composition des OLEDs Comme les LEDs, les OLEDs sont composées d un dispositif à semi-conducteur d une épaisseur de 100 à 500 nanomètres, soit environ 200 fois plus petites qu un cheveu humain. Les OLEDs peuvent avoir deux ou trois couches de matière organique, la troisième étant une couche de transport facilitant le déplacement des électrons de la cathode à la couche émissive. Dans ce dossier, nous allons nous concentrer sur les systèmes à deux couches. Les OLEDs se composent des éléments suivants : - 3 -

4 Substrat (plastique, verre, aluminium) : le substrat fait office de base pour une l OLED, c est lui qui soutient les autres composants. Anode (transparente) : l anode supprime les électrons (ajoute des «trous») quand un courant circule à travers le dispositif. Couches organique : ces couches sont composées de molécule organique ou de polymère. Couche conductrice : cette couche est constituée de molécules organiques de plastique qui transportent les «trous» venant de l anode. Un des polymères conducteur utilisé dans les OLEDs est le polyaniline. Couche émissive : cette couche est également constituée de molécules organiques de plastique (différent de ceux de la couche conductrice) qui transportent les électrons de la cathode, c est là que la lumière est créé. Un des polymères conducteur utilisé dans les OLEDs est le polyfluorene. Cathode (peut ou non être transparente selon le type d OLED) : la cathode injecte des électrons lorsqu un courant circule dans le dispositif. Figure 1 Schéma de la structure d une OLED - 4 -

5 3. Fabrication des OLEDs La plus grande partie de la fabrication des OLEDs est l application de des fines couches organiques au substrat. Elle peut se réaliser de trois manières différentes : Le dépôt sous vide ou évaporation thermique sous vide (VTE) : dans une chambre à vide, les molécules organiques sont légèrement chauffées (évaporation) et autorisé à se condenser en couches minces sur le substrat refroidit. Ce processus est couteux et inefficace. Le dépôt en phase de vapeur organique (OCPD) : à basse pression, chauffé par les parois de la chambre d un réacteur, un gaz transporte des vapeurs de molécule qui vont se condenser en couches minces sur le substrat refroidi. L utilisation d un gaz transporteur augmente l efficacité et réduit le coût de production des OLEDs. L impression jet d encre : grâce à la technologie jet d encre, les OLEDs sont pulvérisées sur des substrats, tout comme l encre est pulvérisée sur le papier pendant l impression traditionnelle. Cette méthode réduit grandement le coût de fabrication et permet d imprimer des OLEDs sur des films de grandes surfaces tel que les grands écrans de télévision 80 pouces ou des panneaux d affichages électroniques. Figure 2 Photo de la fabrication d OLED - 5 -

6 4. Fonctionnement des OLEDs Les OLEDs émettent de la lumière d une manière similaire aux LEDs, grâce à un processus appelé électrophosphorescence. Le processus est le suivant : Figure 3 Schéma de fonctionnement d une OLED La batterie ou l alimentation de l appareil contenant l écran OLED applique une tension sur l ensemble du dispositif. Un courant électrique circule donc de la cathode à l anode en traversant les couches organiques (un courant électrique n est autre qu un flux d électrons). La cathode donne des électrons à la couche émissive, tandis que l anode supprime des électrons de la couche conductrice (ce qui équivaut à donner des «trous» à la couche conductrice). A la frontière des deux couches organiques, les électrons rencontrent des «trous». A chaque fois que c est le cas, l électron va combler le «trou» (il descend d un niveau d énergie dans l atome). Lorsque cela ce produit, l électron restitue l énergie perdue sous forme d un photon lumineux. L OLED émet alors de la lumière dont la couleur dépend du type de molécule organique dans la couche émissive. Les fabricants place plusieurs types de films organiques sur la même OLED pour réaliser des affichages couleur. L intensité ou le contraste de la lumière dépend de la quantité de courant électrique appliqué au dispositif : plus il y a de courant, plus la luminosité et le contraste sont importants

7 5. Différents types d OLEDS 5.1 OLED à matrice passive (PMOLEDs) Les PMOLEDs sont composées de bandes de cathode, de couches organiques et de bandes d anode. Celles-ci sont disposées perpendiculairement aux bandes de cathode. Les intersections des deux types de bandes forment les pixels où la lumière est émise. Un circuit électrique externe permet de commander quels pixels seront allumés et lesquels seront éteints. Encore une fois, la luminosité de chaque pixel est proportionnelle à la quantité de courant. Figure 4 Schéma de la structure d une PMOLED Les PMOLEDs sont facile à réaliser, cependant, elles consomment plus de puissance que d autres types d OLEDs. Principalement en raison de la puissance nécessaire pour le circuit de commande externe. Ce type d écran d affichage est le plus efficace pour le texte et les icônes. Il est particulièrement bien adapté pour les petits écrans (2 à 3 pouces de diagonale) comme on trouve sur les téléphones cellulaires et lecteurs MP3. Même en tenant compte de la consommation du circuit externe, ce type d OLED consomme toujours moins que les traditionnels écrans LCD

8 5.2 OLED à matrice active (AMOLEDs) Les AMOLEDs sont composées d une couche de cathode pleine, de couches organiques et de l anode, mais celle-ci est superposée par un fin film de transistor (TFT) formant un tableau matriciel. Le tableau TFT est directement le circuit de commande qui détermine quels pixels doivent être activés pour obtenir la forme d une image. Figure 5 Schéma de la structure d une AMOLED Les AMOLEDs consomment moins d énergie que les PMOLEDs parce que la matrice TFT requiert moins d énergie que les circuits de commande externe. Ce type d OLED est donc plus efficace pour la création de plus grands écrans. Ce type d affichage est également adapté pour des fréquences de rafraichissement plus élevées, nécessaire à la vidéo. Les meilleures applications pour de tels dispositifs sont donc les moniteurs d ordinateur, les téléviseurs grands écrans ou les panneaux d affichages électroniques

9 5.3 OLED transparente Les OLEDs transparentes sont uniquement composées de matériaux transparents (substrat, cathode et anode). Et donc, lorsqu on éteint l écran, celui-ci devient à 85% aussi transparent que le substrat. En revanche, lorsqu il est allumé, il permet à la lumière de passer dans les deux directions. Un écran d OLED transparent peut être réalisé en matrice active ou passive. Cette technologie peut être utilisée pour les visières et autres par brise de voiture, on peut ainsi afficher quelque chose dessus et toujours voir au travers. Figure 6 Schéma de la structure d une OLED transparente 5.4 OLED haute émissivité Les OLEDs à haute émissivité possèdent simplement un substrat qui est soit opaque ou réfléchissant. Cela permet de réfléchir la lumière qui descendait dans le cas des OLEDs transparentes et de la redirigée dans la direction souhaitée. Ils sont le mieux adaptés pour des dispositifs à matrice active. Les fabricants projettent d utilisé un telle type d OLED dans les cartes à puces

10 5.5 OLED pliable Les OLEDs pliable possèdent un substrat réalisé en feuilles métalliques ou plastiques très souple, elles sont très légère et possède une bonne autonomie. Leur utilisation dans les téléphones cellulaires ou les GPS permet de réduire la casse, l une des principales causes de retour ou de réparation. Potentiellement, de tels écrans pliables peuvent être attachés à des tissus afin de créer des vêtements «intelligents». Tels que des vêtements de survie en pleine air avec une puce d ordinateur, un téléphone portable, un GPS et un écran OLED cousu dessus. Figure 7 Photo d une OLED pliable 5.6 OLED blanche Les OLEDs blanche émettent une lumière blanche, comme son nom l indique, qui est plus lumineuse, plus uniforme et économe en énergie que celle émise par les lampes fluorescentes. Elles possèdent également la véritable couleur de l éclairage à incandescence. Parce que ce type d OLED peut être réalisé sur de grandes feuilles, elles peuvent remplacer les lampes fluorescentes qui sont actuellement utilisées dans les maisons et les bâtiments. On pourrait ainsi réduire les coûts de l énergie pour l éclairage

11 6. Avantages et inconvénients L écran LCD est actuellement l écran de choix en matière de petits appareils et également populaire dans les téléviseurs grand écran. En général, les LEDs quant à elle utilisées pour les chiffres des horloges numériques et autres appareils électronique. Les OLEDs possèdent de nombreux avantages par rapport à ces deux types d affichages : Le plastique des couches organiques d une OLED est plus mince, plus léger et plus souples que les couches cristallines dans une LED ou un LCD. Parce que la couche émissive de lumière d une OLED est plus légère, le substrat de cette dernière peut être flexible au lieu de rigide. On peut donc le réaliser en plastique plutôt qu en verre comme dans le cas d une LED ou d un LCD. Les OLEDs sont plus lumineuses que ses deux rivales. En effet, les couches organiques de celles-ci sont beaucoup plus minces que les cristaux inorganiques des deux autres. Les couches conductrices et émissives de l OLED peuvent donc être multicouches. De plus, le verre contenu dans les LEDs et les LCDs absorbe une partie de la lumière. Les affichages à OLED ne nécessitent pas de rétro-éclairage, car ils produisent euxmêmes leur lumière, comparé aux écrans LCDs. Cela à donc un impact très important sur la consommation, qui est particulièrement important pour les piles et accumulateurs d un appareil tel que les téléphones cellulaire. Les OLEDs sont plus faciles à produire et peuvent être faite à plus grande échelle. Parce qu elles sont essentiellement composées de matière plastique, elles peuvent être réalisée en fines feuilles de grandes tailles. Il est beaucoup plus difficile de cultiver et prévoir autant de cristaux liquides. Les écrans OLEDs possèdent un grand champ de vue sur 170. Parce que les écrans LCDs travaillent par rétro-éclairage, ils possèdent un obstacle de vision pour certain angle

12 Les OLEDs semblent être la technologie idéale pour tous les types d écrans, mais elles ont aussi quelques inconvénients : Durée de vie : alors que le rouge et le vert ont une plus longue durée de vie (46'000 à 230'000 heures), le bleu organique est actuellement nettement inférieur (jusqu'à près de 14'000 heures). Fabrication : les procédés de fabrication sont actuellement chers. Eau : l eau peut facilement endommager les OLEDs. 7. Courantes et futures applications des OLEDs Actuellement, les OLEDs sont utilisées dans les petits écrans des appareils tels que les téléphones cellulaires, les GPS et les appareils photo numérique. En septembre 2004, Sony Corporation à annoncé qu elle avait commencé la production de masse des écrans OLED pour ses CLIE PEG-VZ90 (modèle de poche de divertissement personnel). Figure 8 Photo d un CLIE PEG-VZ90 de Sony Corporation Plusieurs entreprises ont déjà construit des prototypes d écran d ordinateur et de téléviseur grand écran utilisant la technologie OLED. La recherche et le développement dans le domaine des OLEDs en rapide progression

13 Si on continue dans cette direction, on pourra bientôt espérer pouvoir produire des écrans souples que nous pourrons retrouver partout! Figure 9 Photo montage d une potentielle application des OLEDs 8. Conclusion Je pense que les OLEDs sont une technologie innovante et avantageuse dans de nombreuses situations. Cependant, comme toute nouvelle technologie, il lui faut du temps et de nombreuses expériences pour se développer. Il faudra peut être encore approfondir les recherches dans la manufacture, car pour le moment, elle est encore trop coûteuse et peu rentable. J ai particulièrement apprécié travailler sur ce dossier, cela m a permis d en apprendre beaucoup sur cette fascinante technologie. De plus, j ai dû traduire beaucoup d informations venant d un site anglophone, cela m a beaucoup apportés pour mes connaissances de vocabulaire technique. Max Manier Yverdon-les-Bains, le

14 9. Table des figures Page Figure 1 Schéma de la structure d une OLED... 4 Figure 2 Photo de la fabrication d OLED... 5 Figure 3 Schéma de fonctionnement d une OLED... 6 Figure 4 Schéma de la structure d une PMOLED... 7 Figure 5 Schéma de la structure d une AMOLED... 8 Figure 6 Schéma de la structure d une OLED transparente... 9 Figure 7 Photo d une OLED pliable Figure 8 Photo d un CLIE PEG-VZ90 de Sony Corporation Figure 9 Photo montage d une potentielle application des OLEDs