Les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs): vers de nouvelles sources d éd

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1 Les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs): vers de nouvelles sources d éd éclairage Bernard Geffroy Laboratoire Composants hybrides CEA-LITEN CEA/Saclay Gif sur Yvette, France bernard.geffroy@cea.fr Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 1 Introduction Qu est ce qu une OLED Principe de fonctionnement Structure des diodes Les matériaux Petites molécules Polymères Performances Techniques de dépôt des films minces Diodes à émission blanche Comment obtenir de la lumière blanche Performance- état de l art Conclusion Plan Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 2

2 Diodes électroluminescentes organiques 25 ans de recherche & développement Technologie mature pour l industrialisation Installation de chaines de production Des produits commerciaux existent (PM-OLEDs, afficheurs simples, low content information) Marchés visés: Visualisation: affichage simple écran couleur Eclairage L éclairage est encore au stade de la R&D Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 3 Produits commerciaux MP3 : ~50% des écrans sont des OLED Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 4

3 Vers la télévision Nombreux démonstrateurs Vers la grande taille (Démonstrateur 40 ) EPSON (2004) SAMSUNG (2005) Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 5 Vers l éclairage NOVALED : record du monde Développement d une OLED verte avec une efficacité de 110 lm/w à 1000 Cd/m 2 ( PRESS RELEASE, Dresde, February 16th 2005) < 20 lm/w <100 lm/w Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 6

4 Basic device structure Electroluminescence : Generation of light with electric field Cathode (i.e. metal) The basic device structure consists of: 1. A transparent electrode (ITO) ~ 0-10 V DC 2. An emissive layer 3. A reflective electrode (metal) Substrate (glass) Thin layer devices from organic dyes or conjugated polymers Organic layer thickness : ~ 150 nm Emitting layer Anode (i.e. Indium Tin Oxide) Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 7 Caractéristiques électrooptiques Brightness is proportional to the current Diode behavior OLEDs conduct in forward bias and do not conduct under reverse bias. The impedance drops exponentially with V for V>Vth. Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 8

5 Organic Light Emitting Diode : Principle LUMO + Anode hν Exciton Cathode - - HOMO j h + e hν T 1 Charge carrier injection 2 Charge carrier transport 3 Charge recombination (exciton formation) 4 Exciton diffusion 5 Exciton recombination and photon emission Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 9 Efficiency & stability Diode structures PIN Heterostructures Cathode Thick crystals Pope (1963) Helfrich (1965) ~ Monolayer Cathode EML Anode 1965 ~ EK US patent # Cathode EML HTL Anode 2-layers EK US patent # Cathode EML Doped-EML HTL Anode Multilayers Cathode ETL HBL EML/doped HTL HIL Anode HBL Hole Blocking layer: N-doped ETL EML/doped HTL P-doped Anode Doped transport layers K. Leo, U. Dresden 1985 Exciton confinement 2002 Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 10

6 Matériaux organiques Avantages Large gamme de matériaux La chimie permet une grande flexibilité Bas coût, grande surface, souplesse Inconvénients Durée de vie (sensibilité H 2 O, O 2 ) BAG, Encapsulation Fournisseurs matériaux Merck (Covion & Avecia), Dupont, Dow Chemicals, Xerox, Kodak Dyes, Aldrich, nombreuses compagnies japonaises Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 11 Semi-conducteurs organiques Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 12

7 Les matériaux : petites molécules Matériaux transport electrons ou matrice Dopants Matériaux transport de trous Alq 3 N O Al O O N N Dérivé oxadiazole N N N RUBRENE R DPVBi Un point clé : la pureté des matériaux Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 13 Les matériaux : polymères Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 14

8 All colours are avaliable Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 15 Matériaux/performances Petites molécules fluorescentes (Tang et al. 1987) Rt quantique externe* de 2 à 5% Durée de vie quelques à h Polymers (Burroughes et al. 1990) Rt quantique externe* de quelques % Durée de vie quelques h Molécules phosphorescentes (Baldo et al. 1998) Rt quantique externe* de 10 à 20 % Durée de vie de l ordre de h (vert) & h (rouge) bleu profond (CIE < 0.15) pas encore disponible Dendrimères * Hyphothèse : extraction de lumière de 20% Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 16

9 Points fort des OLEDs Faible épaisseur Faible poids Forte brillance possible Grand angle de vue Temps de réponse rapide (vidéo) Faible consommation Toutes les couleurs accessibles (RVB, blanc) Faible tension de commande Flexibilité Plus large gamme de température (par rapport aux LCDs) Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 17 Substrats flexibles Possibilité d utiliser des substrats souples Plastique, acier, papier, textile Problème majeur : encapsulation PLED Dupont Plastic Substrate Universal Display Corporation L=200 cd/m 2, e= 175 µm Pixels : 400 µm x 500 µm Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 18

10 Points faibles des OLEDs Durée de vie» Principalement à température élevée (T > 100 C) Vieillissement différentiel des couleurs» Bleu vieillit plus vite Sensibilité H 2 O, O 2 Commande en courant» Encapsulation avec bon effet barrière (pb du souple)» Résistance trop élevée de l ITO, effet joule ---> grande surface Variation des couleurs avec la tension» Matériaux, épaisseurs, barrière aux interfaces Faible contraste à la lumière ambiante (cathode= miroir)» Solutions existent mais en général la brillance diminue Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 19 Les techniques de dépôt des films organiques Dépôt par évaporation (petites molécules) évaporation à partir de sources ponctuelles évaporation à partir de sources linéaires dépôt en phase vapeur sources à vanne... Dépôt en solution (polymères) spin-coating impression jet d encre photolithographie offset flexographie héliographie... Autres Laser Induced Thermal Imaging... Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 20

11 Electronique plastique Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 21 White OLEDs fabrication Various methods have been used to fabricate white OLEDs Solution-processed WOLEDs (polymer with several chromophores in monolayer) + lower manufacturing costs - lower efficiency (< 15 lm/w) Multiple emissive layers (stacked layers) + each layer optimized to perform a particular function - higher operating voltage and color shift with voltage Multiply doped-emissive layer + more stable color with driving voltage - lower choice of adequat materials WOLEDs based on excimer or exciplex emission + reduced number of different materials and broad emission - lower efficiency Down conversion by phosphores + more robust to colour shifting - lower efficiency Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 22

12 WOLEDs: State of the art Ref: D Andrade et al., Adv. Mater., 2004, 16, No 18, 1585 Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 23 Device engineering η ext ~19% η p ~ 38 lm/w CRI = 85 Sun et al., Nature, vol. 440 (2006), 908 Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 24

13 Lighting panel from GE Size : 2 ft x ft Equivalent to a 80W bulb Source: General Electrics Performances at 1000 cd/m² 15 lm/w CCT: 4400 K CRI: 88 CIE: x= 0.36; y= 0.36 Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 25 Projets éclairage à base d OLEDs USA 19 projets en cours (source DOE) Europe projet OLLA (PF6) coordonné par Philips En 2006 Philips & Novaled: η p = 32 lm/w, CRI = 88, hrs Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 26

14 Conclusion Technologie OLED mature pour l industrie du display Pour l éclairage au stade R&D efficacité obtenue en laboratoire ( ~40 lm/w) > ampoule emission blanche de bonne qualité (CRI > 70) possibilité de moduler le blanc Intérêt pour l éclairage source lumineuse étendue aspect souple nouveau design de luminaire Nécessité de réduire les coup de fabrication (/ techno. display) Gestion électrique effet joule, chute ohmique (ITO) Durée de vie (vieillissement différentiel des couleurs) Eclairage & 27 juin 2007 UTT de Troyes Bernard GEFFROY 27