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OLED (organic light emitting diode) ou DIODE ÉLECTROLUMINESCENTE ORGANIQUE

Les diodes électroluminescentes organiques, plus connues sous le sigle OLED (organic light-emitting diode), sont des composants électroniques qui émettent de la lumière sous l’effet d’un courant électrique (phénomène appelé électroluminescence). Contrairement aux LED (light-emitting diode), qui reposent sur ce même principe physique, elles utilisent non pas des semi-conducteurs cristallins inorganiques (silicium, germanium…) mais des matériaux carbonés, en particulier des polymères.

Parce qu’elles sont élaborées par des méthodes de dépôt relativement simples, leur faible coût potentiel intéresse les industriels qui étudient principalement leurs applications dans le domaine de la visualisation (écrans, afficheurs) et de l’éclairage.

1.  Bref historique

L’électroluminescence organique (ce dernier terme faisant référence à l'utilisation de matériaux carbonés) a été découverte dès les années 1950. L'appellation de diode électroluminescente organique est apparue en 1970 pour désigner un composant électronique émetteur de lumière, constitué d'un cristal d'anthracène de 100 micromètres d’épaisseur pris en sandwich entre deux électrodes solides (dont une transparente pour observer la lumière émise). Cependant, ce système demandait une tension de fonctionnement supérieure à 100 volts (V), contrainte qui, cumulée à la faiblesse des rendements obtenus, empêchait d’entrevoir des applications.

En 1987, C. W. Tang et ses collaborateurs, des laboratoires Kodak, présentèrent une structure constituée d'un empilement de couches minces organiques déposées par évaporation sous vide, d'épaisseur totale inférieure au micromètre et qui, par voie de conséquence, ne nécessitait qu’une tension de fonctionnement de l'ordre de 10 V. Les matériaux utilisés, appelés matériaux moléculaires ou petites molécules, de structure amorphe (non ordonnée), étaient développés pour une application à la xérographie. En 1990, l’équipe de J. H. Burroughes, de l'université de Cambridge (Royaume-Uni), démontra la faisabilité de diodes électroluminescentes à partir, cette fois, de polymères semi-conducteurs. Ces matériaux se distinguaient des précédents par la taille des molécules synthétisées, appelées macromolécules ou matériaux macromoléculaires.

Les semi-conducteurs organiques ont connu un très fort développement à partir des années 1990. En 2000, le prix Nobel de chimie a d’ailleurs été attribué au Japonais Hideki Shirakawa, à l’Américain Alan Heeger et au Néo-Zélandais Alan MacDiarmid pour leurs travaux sur le développement de polymères conducteurs et semi-conducteurs.

2.  La technologie organique

La synthèse chimique permet de produire une grande variété de matériaux luminescents, émettant dans différentes régions du spectre visible sous l’action d’une excitation lumineuse (photoluminescence) ou électrique (électroluminescence). Une diode électroluminescente organique est constituée d’une (ou de plusieurs) couche(s) luminescente(s), dont l’épaisseur totale est de l’ordre de 100 nanomètres, prise(s) en sandwich entre deux électrodesDiode électroluminescente organique.

Diode électroluminescente organiqueDessin

Diode électroluminescente organiqueCe schéma de principe montre les éléments constitutifs d’une diode électroluminescente organique. Des couches luminescentes sont déposées sur une lame de verre recouverte d’un matériau conducteur transparent, jouant le rôle de l’anode. Elles sont surmontées d’une électrode (cathode). La zone de… 

Crédits: Encyclopædia Universalis France Consulter

L’attrait pour la technologie organique réside dans la relative simplicité de mise en œuvre des composants. Bien qu’il existe différentes techniques de fabrication, l’objectif ultime au niveau industriel est d’élaborer les composants de l’électronique organique avec des techniques d’impression à bas coût (sérigraphie, jet d’encre…). Dans ce contexte, la technologie fondée sur les polymères semble la plus appropriée car ces matériaux, mis en solution, ont une viscosité suffisante pour être déposés par des techniques d’étalement. Mais ces dernières ne permettent pas d’obtenir des motifs à haute résolution, nécessaires à la réalisation de pixels pour des écrans plats. Pour cette application, le dépôt de matériaux moléculaires par évaporation sous vide, avec l’utilisation de caches successifs, permettant de déposer sélectivement différents matériaux, est plus approprié.

3.  Vers une production industrielle

De nombreux prototypes d’afficheurs et d’écrans de visualisation reposant sur la technologie organique ont été réalisés. Le premier objet commercialisé fut un afficheur pour autoradio de la marque Pioneer en 1997. Au-delà de l’intérêt commercial, celui-ci a démontré la viabilité de cette technologie, en particulier concernant la durée de vie des composants. Ce n’est qu’en 2008 que Sony commercialise un premier écran organique (11 pouces), intégré dans un lecteur de DVD. Puis, en 2012, LG présente le premier écran de télévision organique (55 pouces) disponible sur le marché européen.

Le marché étant très concurrentiel, la technologie OLED doit se positionner, en particulier, par rapport à la technologie à cristaux liquides ou LCD (liquid crystal display)Écrans de télévision OLED. Un écran LCD est constitué de cristaux liquides, pris en sandwich entre un filtre tricolore (pixels rouges, verts et bleus) et la circuiterie électronique. Un système de rétroéclairage complète cet assemblage ; il a longtemps été constitué de tubes fluorescents, avant leur remplacement par des LED. Contrairement aux cristaux liquides (dont le rôle n’est pas d’émettre la lumière mais de faire passer ou non celle-ci en fonction de leur orientation), les composants OLED émettent eux-mêmes de la lumière et ne conduisent pas à une limitation d’angle de vue. De plus, l’élaboration de composants sur support flexible et transparent, typiquement en polymère, est possible, ce qui suppose de développer une électronique adaptée et mise en œuvre à basse température pour ne pas détériorer le support. La mise au point d'un procédé de dépôt de films barrières vis-à-vis de l'oxygène et de la vapeur d'eau ambiants est indispensable pour limiter la dégradation des composants au cours du temps. Dans ces conditions, de nouvelles applications sont envisageables, pour lesquelles finesse, flexibilité, légèreté et qualité d'image proposées par la technologie OLED constitueront des avantagesÉcran souple.

Écrans de télévision OLEDPhotographie

Écrans de télévision OLEDUne des premières applications grand public des diodes électroluminescentes organiques (OLED pour organic light-emitting diode) est leur utilisation pour les écrans de télévision. Ici, lors du salon international de l'électronique grand public IFA (Internationale Funkausstellung) 2016, à… 

Crédits: LG Electronics Consulter

Écran souplePhotographie

Écran soupleDéveloppé par Sony, ce prototype d'écran organique (technologie OLED pour organic light-emitting diode) flexible est élaboré sur un substrat plastique. … 

Crédits: Sony Corporation Consulter

4.  Nouvelles applications

En dehors des afficheurs (téléphones portables, baladeurs…) et des écrans de visualisation (appareils photo, caméras, téléviseurs…), domaines où l’électroluminescence organique est déjà présente, l'éclairage pourrait aussi bénéficier des avancées de cette technologie. Grâce au développement de nouveaux matériaux et de techniques d'encapsulation efficaces, des prototypes d’OLED émettant de la lumière blanche ont été obtenus. Ils fournissent, du point de vue de leur rendement lumineux, un éclairage comparable à celui des sources d’éclairage usuelles. De tels composants pourraient intégrer des vitrages dits intelligents. Cette appellation recouvre différentes fonctionnalités de panneaux de verre permettant une diminution de la consommation d’énergie dans les bâtiments : il s’agit en particulier de vitrages à réflexion variable en fonction de la température et de la luminosité extérieures. La possibilité de réaliser des diodes électroluminescentes organiques transparentes (lorsqu’elles sont éteintes) a été démontrée dès 1996 par V. Bulovic et son équipe : il s’agit là de mettre en œuvre deux électrodes transparentes. Lorsque des pixels sont activés, la zone non activée reste transparente. T. Uchida et ses collaborateurs ont montré qu’il était possible d’associer un panneau OLED à un panneau électrochimique, ce dernier présentant un aspect transparent, noir ou réfléchissant (miroir) en fonction de son alimentation électrique. Il en résulte six apparences possibles (OLED allumée ou transparente, à l’avant d’un panneau transparent, noir ou réfléchissant) pour ce système. Cela pourrait susciter de nouvelles applications telles que des afficheurs tête haute utilisés dans l’aviation ou l’automobile pour visualiser des informations dans le champ de vision du pilote ou du conducteurÉcran transparent.

Écran transparentPhotographie

Écran transparentParmi les avantages de la technologie OLED (organic light-emitting diode) se trouve la possibilité de réaliser des écrans transparents, comme le montre ce prototype d'une taille de 6 pouces et de résolution 84 pixels par pouce. 

Crédits: SID 2012 Digest/ John Wiley & Sons Ltd Consulter

5.  Diodes laser organiques

Les diodes laser possèdent de nombreuses applications dans les télécommunications, l'électronique grand public, les instruments de mesure… La possibilité d’élaborer ces composants à partir de matériaux organiques est attractive.

Une diode laser est généralement constituée d’un matériau actif, jouant le rôle d’amplificateur optique, et d'une structure réfléchissante, dite résonante. L'amplification optique peut se produire sous l'action d'une excitation (encore appelée « pompage ») de nature optique ou électrique. En régime de fonctionnement laser, au-delà d'un seuil d'excitation, le faisceau lumineux émis est très directionnel et la largeur du spectre d'émission est fortement réduite par rapport au régime d'émission dite « spontanée » d'une diode électroluminescente.

De telles observations ont été obtenues pour la première fois par Daniel Moses en 1992, avec un polymère électroluminescent en solution et soumis à une excitation optique. En 2000, J. H. Schön et ses collaborateurs ont rapporté avoir obtenu un effet laser cette fois par pompage électrique à partir de l’anthracène. Toutefois, devant le scepticisme de la communauté scientifique (estimant que certaines observations peuvent être attribuées à tort à une émission laser), cette équipe a retiré sa publication deux ans plus tard.

L'instabilité des semi-conducteurs organiques sous un fort niveau d'excitation électrique ou optique constitue un obstacle majeur à la mise en œuvre de diodes laser organiques. Leur faisabilité n’a pas encore été démontrée.

Pascale JOLINAT

 

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Pour citer cet article

Pascale JOLINAT, « OLED (organic light emitting diode) ou DIODE ÉLECTROLUMINESCENTE ORGANIQUE  », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le  . URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/oled-diode-electroluminescente-organique/

Classification thématique de cet article :

 

« OLED (organic light emitting diode) ou DIODE ÉLECTROLUMINESCENTE ORGANIQUE » est également traité dans :

LUMINESCENCE

Écrit par :  Séverine MARTRENCHARD-BARRA

Dans le chapitre "Cathodoluminescence et électroluminescence"  : …  à partir de matériaux semiconducteurs (comme le nitrure de gallium) sont apparues les OLED, diodes organiques. Elles sont à base de films minces de molécules organiques et permettent des applications comme les écrans souples (utilisés dans les téléphones mobiles par exemple). Leur durée de vie est encore limitée (un peu… Lire la suite

 

Voir aussi

 

Bibliographie

Z. Bao, B. Batlogg, S. Berg et al., « Retractation », in Science, vol. 298, no 5595, 2002

V. Bulovic, G. Gu, P. E. Burrows et al., « Transparent light-emitting devices », in Nature, vol. 380, no 6569, 1996

J. H. Burroughes, D. D. C. Bradley, A. R. Brown et al., « Light-emitting diodes based on conjugated polymers », in Nature, vol. 347, pp. 539-541, 1990

S. Cros & T. Maindron, « Technologies d’encapsulation avancées pour l’électronique organique », in Techniques de l’ingénieur, no IN208, pp. 1-19, 2014

S. R. Forrest, « The path to ubiquitous and low-cost organic electronic appliances on plastic », in Nature, vol. 428, no 6986, pp. 911-918, 2004

I. D. W. Samuel, E. B. Namdas & G. A. Turnbull, « How to recognize lasing », in Nature Photonics, vol. 3, pp. 546-549, 2009.

 

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