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RÉSUMÉ
Malgré les progrès remarquables réalisés ces dernières années, les écrans LCD « Liquid Crystal Display » présentent quelques désavantages liés à la physique même des effets électrooptiques mis en jeu, notamment un angle de vue restreint et une boîte à lumière qui n’autorise pas des systèmes ultraminces. Les matériaux organiques électroluminescents écartent la plupart de ces problèmes techniques. Citons entre autres des tensions d’adressage faibles, des temps de réponse très courts, un grand angle de vue dû à une émission lambertienne, jusqu’à la possibilité de produire des écrans souples. Aujourd’hui, ces systèmes de visualisation basés sur l’utilisation de composés organiques électroluminescents sont produits en masse.
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Pierre LE BARNY : Groupe composants optiques et solutions sécuritaires Thales Reasearch and Technology – France - Mise à jour de l’article E 1 830 rédigé par Pierre LE BARNY, Cécile-Maria BOUCHÉ-WIETZKE et Gilles VÉRIOT paru en août 2000 dans le présent traité Électronique
INTRODUCTION
La formation d’une image sur un écran est le stade ultime de tout processus de visualisation d’une information. La place, sans cesse grandissante que tient aujourd’hui la communication dans notre monde, crée de nouveaux besoins et fait apparaître de nouvelles exigences en terme de visualisation qui ne sont que partiellement comblés par les technologies existantes. En particulier, il y a un réel intérêt dans les afficheurs de faible encombrement, produisant des images lumineuses couleurs haute définition et de grande dimension visibles sous un grand angle de vue. Actuellement, le marché des dispositifs d’affichage de faible épaisseur est dominé par les écrans à cristaux liquides nématiques (écrans LCD « Liquid Crystal Display »). Toutefois, malgré les progrès remarquables réalisés ces dernières années dans le domaine des écrans LCD, ceux-ci présentent quelques désavantages liés à la physique même des effets électrooptiques mis en jeu. L’angle de vue restreint nécessite l’emploi de films de compensation coûteux. La boîte à lumière, incontournable pour assurer le rétroéclairage, ne permet pas d’accéder à des systèmes ultraminces et donc de faible poids. Par ailleurs, la dépendance en température des propriétés physiques des cristaux liquides limite le domaine de température de fonctionnement des écrans LCD.
Dans ce contexte, les matériaux organiques électroluminescents apparaissent particulièrement prometteurs, puisqu’ils allient :
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des tensions d’adressage faibles (inférieures à 5 V) ;
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des temps de réponse très courts (de l’ordre de la nanoseconde) ;
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une émission possible dans tout le domaine visible par « simple » modification de la structure chimique du matériau émetteur ;
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un grand angle de vue dû à une émission lambertienne ;
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la possibilité d’obtenir des luminances aussi élevées que plusieurs milliers de candelas par mètre carré (à titre de comparaison, la luminance moyenne d’un écran de télévision est de 200-300 cd/m2) ;
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la potentialité de réaliser des pixels de quelques micromètres qui ouvre la voie aux petits afficheurs, de haute définition ;
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enfin, la capacité nouvelle de produire des écrans souples.
Pour toutes ces raisons, de nombreuses équipes de recherche tant académiques qu’industrielles sont aujourd’hui actives dans ce domaine et les avancées technologiques accomplies depuis 1995 ont permis de lever de nombreux verrous technologiques. On peut dire que depuis 2003, la production de « masse » des systèmes de visualisation basés sur l’utilisation de composés organiques électroluminescents est une réalité.
Dans ce qui suit, après un bref historique, nous rappelons les principes physiques mis en jeu dans l’électroluminescence (EL), nous introduisons les différents rendements et les structures standards des diodes EL. Dans un second dossier Électroluminescence des matériaux organiques. Technologies, nous présentons les principaux matériaux organiques EL étudiés à ce jour. Nous discutons ensuite des problèmes liés au vieillissement des structures, à l’adressage et à l’obtention des couleurs. Enfin, les caractéristiques et les performances des démonstrateurs déjà réalisés et des afficheurs commercialisés sont décrites.
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Mécanismes mis en jeu1. Généralités
1.1 Définition
Un matériau est dit électroluminescent lorsque traversé par un courant électrique, il émet de la lumière et ce, de manière non thermique.
Les phénomènes mis en jeu dans l’électroluminescence organique sont complexes et encore incomplètement compris. Néanmoins, il est maintenant admis que les quatre étapes suivantes interviennent successivement (figure 4) :
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injection d’électrons et de trous respectivement par la cathode et par l’anode ;
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transport des charges dans le matériau sous forme d’espèces chargées appelées polarons (p+ et p–) ;
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recombinaison des porteurs de charge opposée en un état excité neutre l’exciton ;
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désactivation de l’exciton.
Les spins de l’électron et du trou injectés n’étant pas corrélés, la mécanique quantique nous apprend que 25 % des excitons formés sont dans un état singulet S, les 75 % restant étant dans un état triplet T. Seuls les excitons dans l’état singulet vont générer de la fluorescence en se désactivant de façon radiative. En l’absence de molécules phosphorescentes, les états triplets quant à eux reviennent à l’état fondamental en libérant de la chaleur. Le rendement d’électroluminescence η EL est donc limité à 0,25 ηPL (ηPL étant le rendement de photoluminescence à l’état solide du matériau).
HAUT DE PAGE1.2 Structure simplifiée d’une diode électroluminescente
Typiquement, une diode électroluminescente organique est constituée d’un film de matériau d’environ 200 nm d’épaisseur (petite molécule ou polymère) inséré entre deux électrodes de nature chimique différente (figure 5).
L’une des électrodes est transparente afin de permettre l’observation de la lumière émise.
L’anode la plus couramment utilisée aujourd’hui...
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