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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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Auteur(s)
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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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Généralités4. Structure standard des diodes électroluminescentes
La meilleure compréhension des mécanismes mis en jeu dans l’électroluminescence organique a conduit aux structures schématisées (figure 26) pour les diodes électroluminescentes à base de molécules évaporées et de polymères.
On remarque que la structure des diodes EL est différente selon qu’elles sont obtenues à partir de molécules évaporées ou de polymères. Dans le premier cas, on a affaire à un système multicouche permettant une très bonne maîtrise de l’équilibre des courants de trous et d’électrons. Généralement, on superpose plusieurs matériaux légèrement différents afin de réaliser la fonction transport de trous, ce qui a pour effet de diminuer la tension de fonctionnement du dispositif. Les diodes à base de polymère sont généralement des systèmes bicouches. Le polymère EL assure également le transport des porteurs. La deuxième couche facilite l’injection des trous.
L’introduction d’un film organique conducteur, de quelques nanomètres d’épaisseur, entre l’anode et les matériaux organiques s’est révélée extrêmement bénéfique. Ce film, qui injecte les trous, agit également comme une barrière au passage de l’oxygène et de l’indium en provenance de l’ITO sans dégrader les conditions d’injection des trous. De plus, il planarise l’anode évitant ainsi la création de courts-circuits. C’est classiquement la phtalocyanine de cuivre (CuPc) qui est utilisée comme matériau conducteur dans les diodes fabriquées à partir de molécules évaporées (figure 27a). Dans le cas des diodes à base de polymères EL, on utilise un polymère conducteur le PEDOT/PSS commercialisé par H.C. STARCK sous le nom de Baytron P (figure 27b).
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