Diode électroluminescente organique - Définition

Un écran OLED.

La diode électroluminescente organique (en anglais : Organic light-emitting diode, qui a formé l'acronyme OLED) est une technologie d'affichage lumineux dont le premier brevet est sorti en 1987 (société Kodak) et la première application commerciale est apparue vers 1997.

Cette technologie a vocation à remplacer peu à peu les affichages à cristaux liquides (LCD), d'abord dans les applications de petites dimensions tels que téléphones mobiles, écran d'appareils numériques. Quand le développement sera mieux maîtrisé, les OLED devraient se substituer aux LCD et autres technologies plasma pour les écrans de grande taille.

Principe de fonctionnement

Chaque diode, dont l'épaisseur ne dépasse pas le millimètre, est composée de trois couches d'un semi-conducteur organique (des atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote) entourées par une cathode métallique (une source de charges électriques négatives) et une anode transparente (une source de charges positives). Chaque pixel d'un écran OLED est constitué de trois diodes électroluminescentes juxtaposées (une rouge, une verte et une bleue), produisant leur propre lumière lorsqu'elles sont soumises à une tension électrique. L'ensemble repose sur un " substrat " transparent, en verre ou en matière plastique.

Historique

Bernanose et Coworkers 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 haut voltage. 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 du 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.

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.

Technologies dérivées

Petites molécules

La technologie 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 technologie (parfois sous le terme de SM-OLED, pour Small Molecules).

Les molécules principalement utilisées pour les OLEDs incluent des chélates organométalliques (ex : Alq3, utilisé dans le premier dispositif électroluminescent organique) et des dendrimers 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

À déplacer vers PLED

Le principe des diodes électroluminescentes à polymère (PLED) est d'utiliser un polymère comme conducteur électroluminescent. Développées par le département "technologie d'affichage" de Cambridge (Cambridge display technology), elles sont également connues sous le nom de "polymères électroluminescents" (LEP). 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.

Fonctionnement

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 équivalent au nombre d'électrons. Cet équilibre est cependant difficile à atteindre dans un matériau organique. En effet, la mobilité d'un électron est beaucoup plus faible que celle d'un trou.

L'exciton a deux états (singleton ou triplet). Seul un exciton sur quatre est de type "singleton". 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 singleton, 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 singleton 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 technologie 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 l'OLED.

Utilisation

Les OLED sont actuellement de plus en plus utilisées sur des produit à durée de vie courte ou moyenne (téléphones mobiles, appareils photo numériques, baladeurs mp3 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.

Avantages

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

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

• faible consommation électrique ;
• meilleur rendu des couleurs (100 % du diagramme NTSC) ;
• meilleur contraste (jusqu'à 1:1 000 000) ;
• lumière plus diffuse (moins directive) : angle de confort de vision plus étendu ;
• minceur et souplesse du support.
• processus de fabrication plus abordable

Le processus de fabrication des écrans OLED est radicalement différent des actuels écrans plats. Le fait d'utiliser des technologies 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 émettant directement la lumière, on observe non seulement une diffusion proche de 90° par rapport à la normale de l'écran, mais aussi une meilleure restitution des couleurs. De plus, le noir des OLED est "vrai", c’est-à-dire qu'il correspond à aucune émission de lumière, contrairement aux LCDs qui utilisent un rétroéclairage qui a tendance à filtrer à travers la dalle dans les noirs. Les LCDs 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 : au final, on perd 5/6 da la puissance lumineuse. En comparaison, la technologie OLED est beaucoup plus économe.

Inconvénients

Les OLEDs ont 3 inconvénients majeurs :

• Le principal défaut des OLEDs est leur durée de vie (environ 10 000h), notamment pour les OLEDs bleues. On estime qu'il faudrait une durée de vie d'environ 50 000h pour qu'une dalle OLED puisse jouer le rôle de téléviseur. Cette durée de vie limitée comparée aux LCDs et aux écrans plasma contribue à freiner le développement commercial de cette technologie. Cependant, de nouvelles techniques émergent, tout comme les PHOLED, qui utilisent un matériau phosphorescent comme source de lumière. Les subtiles différences d'énergies ainsi crées permettent d'atteindre une durée de vie proche de 20 000h pour les PHOLEDs bleues.

• De plus, Les matériaux organiques des OLEDs 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 technologie propriétaire, détenue par plusieurs sociétés dont Eastman Kodak. Comme dans d'autres domaines, les droits d'utilisations vont sûrement freiner le développement de la technologie 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 photo, balladeurs, porte photo...)
• écrans plats de plus grande dimension (home-cinéma)
• HUD (Afficheurs Tête Haute)
• Eclairage d'ambiance
• gadgets en tout genre (vêtements lumineux, stylos lumineux, ruban dépliable, etc...)

Démonstrations

Au 40ème CES (Consumer electronic show) à Las Vegas, Salon du matériel informatique, Sony présentait un écran OLED de 27 pouces (68cm), doté d'un contraste de 1:1 000 000.