Berges 2010 - Les OLEDS : Le futur de l éclairage

12/01/2010
Auteurs :
Publication Prix Bergès, REE
OAI : oai:www.see.asso.fr:1161:1164
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Résumé

Lauréat


Berges 2010 - Les OLEDS : Le futur de l éclairage

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REE N°10 Novembre 2009 55 Dossier Nouvelles technologies de l’éclairage : une révolution en ordre de marche ! Mots clés Cet article décrit l’évolution des OLEDs vers le marché de l’éclai- rage général. Pour économiser plus d’énergie, les gouvernements cherchent des nouvelles sources d’éclairage pour remplacer les ampoules incandescentes qui consomment beaucoup, ainsi que les tubes fluorescents contenant des éléments chimiques dange- reux pour l’environnement. Les OLEDs pourraient être un bon choix pour une application dans l’éclairage grâce à leur rendement élevé, leur longue durée de vie, ainsi que leur souplesse. Une étude de marché sur les OLEDs dans l’éclairage sera aussi traitée, ainsi que des futurs projets pour développer ce processus. This article describes the OLEDs evolution towards the general lighting market. In order to save more energy, the governments are searching new lighting sources to replace the inefficient incandescent bulbs, and also the fluorescent tubes which contain chemicals that could be dangerous for the environment. The OLEDs could be a good choice for the application in general lighting, taking in consideration their high efficiency, long life time, their flexibility and light structure. OLEDs market analysis for lighting application and future projects involved in the process development will also be presented. L ’ e s s e n t i e l S y n o p s i s ■ Patrizia MELPIGNANO, Cristina CIOAREC Université Paul Sabatier, Laboratoire LAPLACE Les OLEDs : le futur de l’éclairage OLEDs, éclairage, Sources d’énergie, Lumière blanche Histoire L’éclairage électrique est apparu environ en 1810 quand un chimiste anglais, Humphrey Davy, a découvert les ampoules à décharge. En 1820, Warren De la Rue a réalisé le premier prototype d’ampoule d’éclairage en plaçant une bobine en platine à l’intérieur d’un tube et en appliquant un courant électri- que. Ce prototype n’a pas été commercialisé dû au prix cher de la platine. Le physicien anglais Joseph Wilson Swan a étudié pendant des années l’éclairage élec- trique et a déposé un brevet sur les lampes incandescentes avec un filament de papier carbonisé sous vide, qui est d’ailleurs la première ampoule électrique au monde. L’ampoule à incandescence a été améliorée par les tra- vaux de Thomas Edison, et dans les années 1880 ces am- poules avaient une durée de vie entre 1 200/1 500 heures. Le filament en tungstène est utilisé à partir de 1906, quand General Electrics Company a déposé un brevet sur l’utilisation de ce métal pour la production des filaments. La technique de production des filaments en tungstène s’est beaucoup développée à partir de 1910 quand William David Coolidge a amélioré leur processus de fabrication. [1]. La lampe à halogène a été inventée en 1959 par Edward G. Zubler. Elle produit de la lumière comme une lampe à incandescence classique, en portant à incandes- cence un filament en tungstène dans une ampoule en quartz, où des gaz halogènes (iode et brome) à haute pres- sion ont été introduits. Les lampes à halogènes ne sont pas convenables du point de vue de l’effica- cité énergétique, mais une lampe de 100 W éclaire autant qu’une ampoule classique de 150 W, donc consomme moins pour le même service rendu. Les sources à décharges luminescentes sous basse pression ont été expérimentées en 1869 par Louis Becquerel et regroupent les lampes fluorescentes à vapeur de mer- cure, les lampes à vapeur de sodium basse pression et les tubes fluorescents « néons ». Les tubes fluorescents produisent de la lumière grâce à une décharge électrique dans un tube, et se caractérisent par une lumière blanche pour éclairage, ou coloré pour la fabrication d’enseignes. Selon les matériaux de fabrication, on distingue deux classes de lampes à usage général : • à base de silicate et aluminate : CRI (Color Rendering Index) 80 à 90, efficacité lumineuse 80 à 105 lm/W ; • à base de halophosphates : CRI 55 à 70, efficacité lumi- neuse 60 à 75 lm/W. Les tubes fluorescents sont très utilisés pour l’éclai- rage industriel, grandes surfaces, bureaux et ont une durée de vie 10 à 50 fois supérieure à une lampe à incandes- cence classique, le tube étant interchangeable. Il faut pourtant remarquer que ce genre de sources nécessite une électronique de pilotage (ballast) assez complexe et coûteuse, qui peut donner des problèmes de compatibilité électromagnétique en fonction de l’endroit où elles seront appliquées. Figure 1. L’ampoule incandescente d’Edison. Dossier REE N°10 Novembre 200956 Nouvelles technologies de l’éclairage : une révolution en ordre de marche ! Les lampes fluorescentes ont été produites après la crise du pétrole en 1970, lorsque les chercheurs ont eu l’idée de replier sur lui-même un tube fluorescent [3]. Les lampes fluorescentes ont une durée de vie 6 à 15 fois supérieure aux ampoules incandescentes, ainsi qu’un meilleur rendement : 60 à 70 lm/W en comparaison avec le rendement de 14 à 25 lm/W des ampoules. Le facteur li- mitant la durée de vie des lampes fluorescentes est l’usure des électrodes. Bien que le prix d’achat est supérieur à celui d’une lampe à incandescence, les performances des lampes fluorescentes attirent les particuliers [2]. Dans un monde confronté avec le réchauffement cli- matique et ses conséquences, se présente une nécessité de réduire le plus rapidement possible les émissions de carbone et stabiliser le climat. Afin de progresser le plus rapidement possible, le Comité Environnemental du Par- lement Européen a ratifié le 18 février 2009, la disparition par étapes des ampoules à incandescence. Le passage aux ampoules économiques représenterait une économie annuelle de l’ordre de 40 térawatts/heure, soit la consommation d’électricité de 11 millions de foyers et une réduction annuelle de 15 millions tonnes de CO2 . A partir de septembre 2009 vont disparaître, les am- poules à incandescence claires de 100 W et mates. En septembre 2010 les ampoules de 75W, puis celles de 60 W en 2011, vont être retirées du marché. Les ampoules à incandescence de plus de 7 W dispa- raîtront à partir du 1er septembre 2012, et dès 2016 les am- poules halogènes peu performantes devraient ainsi entrer dans l’histoire [4]. Les vieilles sources de lumière seront en conséquence remplacées par de nouvelles sources à état solide beau- coup plus performantes (Light Emitting Diodes et Orga- nic Light Emitting Diodes), récemment développées et qui présentent des meilleurs rendements énergétiques. Technologie Rendement (lm/W) Durée de vie moyenne (Heures) Lampe incandescente 12 - 20 lm/W 1 000 h 1 200 h Lampe halogène 18 - 25 lm/W 2 000 h 3 000 h Lampe fluorescente 60 - 100 lm/W 6 000 h 15 000 h Lampe à LED >= 100 lm/W 50 000 h 100 000 h Nouvelles sources à l’état solide LED est l’acronyme anglais de Light Emitting Diode ou en français Diode Electroluminescente (DEL). La LED est un dispositif électronique composé d’une hétérojonction de semi-conducteurs inorganiques, capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Les LEDs sont utilisées depuis une vingtaine d’années pour des applications de signalisation (voyant lumineux). Il y a encore quelques années, leur puissance ne dépas- sait pas quelques milliwatts (mW) et n’étaient disponibles qu’en rouge, vert ou jaune. Aujourd’hui leur puissance, ainsi que la gamme de couleur blanche se sont considéra- blement accrue et elles peuvent être utilisées en éclairage direct [5] (Voir tableau 1). Grâce à diverses avancées réalisées ces dernières an- nées, les LEDs ont progressivement trouvé leur place au sein du secteur de l’éclairage décoratif et domestique pour l’intérieur et l’extérieur. Depuis peu, il existe éga- lement des LEDs blanches et bleues avec une forte inten- sité lumineuse : les power-LEDs. Récemment encore, les LEDs blanches étaient uniquement disponibles avec une température de couleur relativement élevée. Elles émettaient donc une lumière plutôt froide. La situation a heureusement changé et on peut trouver aujourd’hui dans le commerce des LEDs à couleur blan- che chaude et agréable. Les sources LED ont l’inconvénient d’être encore re- lativement onéreuses, mais cet investissement supplémen- taire est rapidement amorti car elles consomment beau- coup moins que les ampoules et les lampes fluorescentes durent également beaucoup plus longtemps comme repré- senté dans le tableau 1 [4]. Les OLEDs (Organic LEDs) sont des dispositifs réa- lisés avec plusieurs couches minces des matériaux orga- niques qui peuvent être des petites molécules ou des po- lymères permettant d’obtenir des sources lumineuses sur des surfaces planes ou 3D. Les OLEDs produisent de la lumière quand on leur applique une faible tension (3 à 20 V) aux électrodes. Pour que le dispositif puisse émettre de la lumière, une des électrodes doit être constituée par un oxyde conducteur et transparent, le plus usuel étant l’oxyde d’étain et d’indium (Indium Tin Oxide ou ITO). Figure 2. Lampe à LED blanches réf. [2]. Tableau 1. Rendement et durée de vie moyenne de différentes sources lumineuses - Réf. [2]. Figure 3. OLED bleue réalisée au Laboratoire LAPLACE Toulouse France. REE N°10 Novembre 2009 57 ■ Les OLEDs : le futur de l’éclairage ■ Les OLEDs sont des sources de lumière à l’état solide qui sont complètement différentes des ampoules d’éclai- rage, et des recherches sont dirigées dans ce domaine afin de trouver une méthode de fabrication peu coûteuse de ces dispositifs. Leur avantage est la possibilité d’être déposées sur des substrats rigides (métal, verre, céramique) et sur des subs- trats flexibles (films plastiques, feuilles, rollers), donnant ainsi la potentialité d’obtenir un éclairage homogène sur des surfaces plates. Les OLEDs fonctionnent pour de faibles tensions et aujourd’hui leur rendement lumineux dépasse 136 lm/W dans la région spectrale du vert. Le grand angle de vue constitue un autre grand avanta- ge des OLEDs ; l’émission dans tout le domaine du visible est possible en changeant les matériaux de sa configuration et l’architecture moléculaire. Leur souplesse et flexibilité permettent différentes possibilités d’intégration dans le design, un point en plus par rapport aux ampoules conventionnelles. Historique des OLEDs Les petites molécules Les semi-conducteurs organiques ont été le sujet d’in- vestigation pendant les dernières cinquante années. Ces matériaux ont été étudiés à partir du moment où les chercheurs ont découvert qu’ils étaient conducteurs sous illumination. Utiliser les matériaux organiques pour la fabrication des diodes électroluminescentes présente un intérêt grâce à la possibilité de balayage dans le spectre du visible en changeant la morphologie des diodes. Les matériaux organiques les moins complexes sont « les petites molécules » constituées de 30 ou 40 atomes avec une liaison covalente et qui forment des unités indi- viduelles appelées « monomères ». Le phénomène d’électroluminescence a été découvert dans le cristal SiC par H.J. Round en 1907. En 1950, Bernanose observait pour la première fois le phénomène d’électroluminescence dans un matériau organique, en appliquant un courant alternatif à un film mince cristallin d’acridine orange et quinacrine [6]. Pope et ses collaborateurs ont montré en 1963, le phé- nomène d’électroluminescence dans une monocouche d’anthracène et une autre dopée avec 0,1 mole % de tetra- cene [7]. Entre 1970 et 1980, les cristaux ne montrent plus d’in- térêt, et les recherches se focalisent sur les films minces organiques. En 1982, C.W. Tang a déposé un brevet sur un dispo- sitif avec une zone luminescente monocouche entre deux électrodes qui était alimenté à 20 V, avec des densités de courant qui ne dépassaient pas 1A/cm2 . L’injection de trous a été optimisée en introduisant une couche de por- phyrine entre l’anode et la zone luminescente [8]. Les travaux de C.W. Tang ont progressé jusqu’à 1987 quand il a proposé un dispositif OLED double couche : ITO/Hole Transport Layer (HTL)/Electron Transport Layer (ETL)/MgAg. En utilisant une diamine aromatique comme HTL et le Tris (8-hydroxyquinolinato) aluminium (Alq3 ) comme ETL, on a obtenu un rendement de 1 %, lu- minance 1l m/W, et une durée de vie de 100 h (voir figure 4) [9]. Pour atteindre une meilleure performance du disposi- tif, il est souhaitable d’utiliser pour la cathode des métaux avec un faible travail de sortie, afin d’améliorer l’injection des électrons dans le matériau organique. En 1997, L.S.Hung et C.W.Tang ont utilisé une cathode bicouche LiF/Al. Ces dispositifs présentent une meilleure injection des électrons et rendement en comparaison avec la cathode classique Mg0.9 Ag0.1 [10]. Récemment, les OLEDs à base de petites molécules (SMOLED) réalisés par un processus d’évaporation ther- mique se sont retrouvés dans les applications des écrans d’affichage. Pioneer Corporation a commercialisé des écrans d’af- fichage à base de matériaux organiques électrolumines- cents pour le système audio des voitures : baladeurs CD/ MP3 depuis 1999 [6]. L’efficacité des OLEDs est encore améliorée en in- troduisant un colorant fluorescent. Le transfert d’énergie de la matrice vers le colorant permet une amélioration du rendement lumineux, mais seulement les états de singlets produisent l’émission de matériaux fluorescents. Les états des singlets représentent 25 % de la totalité des états excités, le reste de 75 % est représenté par les états des triplets. M.E.Thompson (University of Southern California) et S.R. Forrest (Princeton University) ont publié en Letters to Nature en 1998 la description de nouveaux dispositifs OLED avec un rendement supérieur à 90 % grâce au trans- fert d’énergie des états singlets et aussi triplets, dans un matériel organique dopé avec un colorant phosphorescent le 2, 3, 7, 8, 12, 13, 17, 18-octaethyl-21H, 23H-porphine platinum(II) (PtOEP) [11]. En 2005, SAMSUNG ELECTRONICS présente un Figure 4. Configuration du dispositif électroluminescent et sa structure moléculaire réf. [9]. Dossier REE N°10 Novembre 200958 Nouvelles technologies de l’éclairage : une révolution en ordre de marche ! display OLED de 21’’pour application sur des télévisions, déclaré le plus large dans le monde. La compagnie a adop- té la technologie des matrices actives (AM OLEDs), pour leur faible consommation et également pour leur grande résolution. La nouvelle OLED de SAMSUNG peut être fabriquée en grande quantité, et se caractérise par une grande luminosité, temps courts de réponse, ce produit étant dédié aux vidéos HD. En avril 2009, Philips présente des prototypes de lampes, dans le cadre de l’exposition Milan Design Week 2009, où officiellement sont annoncés les panneaux Lumiblade OLED ; un catalogue pour la commercialisa- tion des premiers OLEDs qui émettent une lumière blan- che est maintenant disponible [12]. Les polymères Un autre type de semi-conducteur organique, le poly- mère conjugué, a été découvert en 1977 parAlan J. Heeger et Alan G. Mac Diarmid [6]. Contrairement aux petites molécules, les polymères se présentent en général sous forme liquide. Ils sont déposés sur des substrats par plusieurs méthodes : inkjet ou bien dépôt à la tournette. Les polymères ont la tendance d’être mécaniquement robustes et souples, même si comme pour les petites mo- lécules, leurs propriétés électroniques peuvent se dégra- der lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène ou l’eau. En 1990, la publication de Bradley et Friend, décrivait la première OLED réalisée avec le poly p-phenylène vini- lène (PPV), dans une structure monocouche [13]. Le PPV n’est pas soluble dans les solvants usuels et un processus spécial est nécessaire pour produire un film mince conjugué pour les applications dans des dispositifs électroluminescents. Cambridge Display Technology (CDT) est fondée en 1992 pour exploiter un brevet de Cambridge University sur la lumière émise par les polymères conjugués [14]. Grâce à l’activité entreprise par CDT, d’autres compa- gnies ont commencé à explorer le polymère PPV. En 1991, Heeger (University of California – Santa Barbara) a annoncé l’application d’un polymère dérivé du PPV, il s’agit de poly [2-methoxy-5-(2’-ethyl- hexyloxy)-1,4-phenylène vinylène] (MEH-PPV) [15]. Ce polymère a une émission spectrale déplacée plus vers le rouge (orange) en comparaison avec le PPV, et il est solu- ble dans les solvants organiques. Comme MEH-PPV, il a tendance à se photo-oxyder, ce matériel n’est pas un très bon candidat pour être com- mercialisé. En 1996, Bayer a innové en créant le Poly 3,4- ethylènedioxythiophène-Polystyrène Sulfonate (PEDOT- PSS), un polymère transparent et conducteur qui peut être utilisé soit comme électrode (anode), soit comme couche d’injection de trous [16]. Seiko-Epson et Cambridge Display Technology (CDT) ont élaboré en 2000 un écran couleur de 2,5 pou- ces utilisant des matériaux polymériques développés par CDT. Cette étape met en place une nouvelle techni- que qui ouvre la voie à la création des écrans ultra fins. Un prototype d’écran a été réalisé en utilisant des poly- mères qui émettent dans le spectre du rouge, vert et bleu, avec la technique d’impression à jet d’encre développée spécifiquement pour cette application [17]. C’est toujours Seiko-Epson qui a montré en 2004 un écran couleur OLED de 40 pouces qui a été obtenu avec la même technologie [12]. Aujourd’hui, les OLEDs pourraient être le bon choix pour le futur éclairage, grâce à leur souplesse, efficacité, flexibilité et transparence. Plusieurs compagnies, entre autres Philips, GE, Universal Display et Novaled dont on va détailler la suite de cet article, se sont investis dans la recherche des OLEDs blanches. Les OLEDs et leur état de l’art Depuis le développement des ampoules incandescen- tes en 1879 par Edison, leur rendement n’a pas dépassé 12 lm/W. En conséquence, les ampoules incandescentes perdent du terrain pas seulement aux États-Unis, mais aussi au niveau mondial. Les tubes fluorescents peuvent obtenir un rendement jusqu’à 90 lm/W, mais la qualité de leur couleur n’est pas adéquate pour toutes les applica- tions et à présent posent problème pour l’environnement parce qu’ils contiennent du mercure. UniversalDisplayCorporation,unspin-offdel’Univer- sité de Princeton, a introduit et développé la technologie des OLEDs phosphorescentes (PHOLEDs), qui pourra entraîner une révolution industrielle dans le domaine de l’éclairage. La performance des OLEDs blanches (WOLEDs) s’est améliorée considérablement pendant les cinq derniè- res années. Les premiers dispositifs OLEDs fluorescentes offraient moins 1 lm/W. Avec la technologie Universal PHOLEDTM , les OLEDs avec un haut rendement ont été développées (figure 5). Pour plusieurs années, les plus efficaces des OLEDs phosphorescentes avaient le rendement de 60 lm/W. Main- tenant avec le progrès d’Universal Display Corporation, les WOLEDs ont dépassé les 100 lm/W à 1 000 cd/m2 . Les OLEDs développées avec cette technologie ont atteint un CRI de 70 et un CCT (Correlated Color Tempe- rature) de 3 900 K. Les dispositifs ont été conçus avec des matériaux réa- lisés par Universal Display Corporation en collaboration avec les partenaires LG Chem et Nippon Steel Chemical Company. Le prochain objectif du Département de l’énergie Figure 5. OLEDs blanches UDC réf. [18]. REE N°10 Novembre 2009 59 ■ Les OLEDs : le futur de l’éclairage ■ (DOE) aux États-Unis est de réaliser des OLEDs avec un rendement de 150 lm/W d’ici 2015. L’équipe d’Universal Display Corporation a annoncé récemment des dispositifs OLEDs à base de matériaux phosphorescents avec une durée de vie de 200 000 h, pour une luminance initiale de1 000 cd/m2 et un rendement de 30lm/W. A ce niveau, les WOLEDs sont adaptés à une variété d’applications d’éclairage, se rapprochant aux exigences pour les applications d’éclairage général. UDC a récemment présenté une OLED blanche qui est transparente quand elle est éteinte (voir figure 6). Cette technologie pourra offrir une gamme large des nouveaux produits [18]. General Electrics GE Global Research est l’un des laboratoires de re- cherche industrielle les plus polyvalents au monde, qui propose des technologies innovantes pour toutes les bran- ches d’activités du Groupe. Pierre angulaire de la tech- nologie de GE depuis plus d’un siècle, Global Research développe des innovations révolutionnaires dans des do- maines tels que l’imagerie médicale, la production d’éner- gie, les moteurs à réaction et l’éclairage. Le siège de GE Global Research se trouve à Niskayuna dans l’état de New York et d’autres centres ont été ouverts à Bangalore (Inde), Shanghai (Chine) et Munich (Allemagne). Dans le cadre de son initiative « Ecomagination », GE a réalisé des investissements substantiels dans des recher- ches OLED, qui ont abouti à des records mondiaux en ter- mes de taille et d’efficacité des composants d’éclairage. En 2004, les chercheurs sont parvenus à faire la démons- tration d’un système OLED entièrement fonctionnel, sur une dalle de 24 x 24 pouces (61 x 61 cm), produisant une luminosité de 1 200 lumens avec une efficacité équiva- lente à celle des ampoules à incandescence actuelles. Il s’agissait de la première démonstration de la possibi- lité d’utiliser la technologie OLED dans des applications d’éclairage. Depuis lors, GE a plus que doublé le degré d’efficacité des composants OLED, en employant des ar- chitectures pouvant être reproduites à moindre coût sur de grandes surfaces. La démonstration de la fabrication sur rotatives de composants d’éclairage OLED à faibles coûts représente l’aboutissement de quatre années de collaboration sur des travaux de recherche correspondant à un budget de 13 millions de dollars, entre GE Global Research, Energy Conversion Devices, Inc. (NASDAQ : ENER) et l’Ins- titut national des standards et technologies (NIST) du Ministère américain du Commerce. Cette coopération avait pour but de faire la démonstration d’un système qui soit économique, pour la production en masse de produits électroniques organiques, tels que des écrans en papier électronique souple, des écrans TV portables de la taille d’une affiche, des photopiles et des composants d’éclai- rage à haute efficacité. Les efforts visant à accroître l’efficacité et les perfor- mances de l’éclairage OLED ont coïncidé avec le dévelop- pement d’un procédé économique, faisant appel à des rotati- ves pour la fabrication de ces composants. L’objectif ultime du programme de recherche de GE consiste à commerciali- ser des produits d’éclairage OLED d’ici à 2010 [19]. Philips Royal Philips Electronics est l’un des plus grandes so- ciétés du secteur électronique et le plus grand d’Europe. Il est impliqué dans de nombreux domaines, et l’un des leaders mondiaux de l’éclairage. Philips travaille sur l’éclairage OLED (y compris les panneaux transparents), visant à avoir des produits prêts d’ici à 2009 dans le cadre de la marque LUMIBLADE et sont également impliqués dans plusieurs projets européens d’éclairage [12]. L’objectif à long terme des produits LUMIBLADE est obtenir un système complet d’éclairage avec une durée de vie de plus de 10 000 h et un bon rendement jusqu’à 140 lm/W. Pour ces raisons, on peut considérer LUMIBLADE Figure 6. OLEDs transparentes UDC réf. [18]. Figure 7. La première démonstration des OLEDs réalisées avec la technique Roll to Roll. Figure 8. Lampe de plafond Philips. Dossier REE N°10 Novembre 200960 Nouvelles technologies de l’éclairage : une révolution en ordre de marche ! comme une source efficiente d’éclairage pour le marché actuel et, à long terme, ce produit pourra représenter une bonne alternative à l’éclairage fluorescent. Toutefois, aujourd’hui la performance est encore limi- tée et peut être appliquée seulement dans la décoration. Les dispositifs OLED LUMIBLADE se caractérisent en 2009 par les propriétés suivantes : • jusqu’à 20 lm / W dans différentes nuances de blanc et RGB, • 1 000 cd / m² de luminosité, • 10 000 heures de vie (à 50 % de la luminosité initiale), • 1,8 mm d’épaisseur, • moins de 50 cm de surface. En règle générale, le rendement est supposé doubler tous les 2 ou 3 ans [20]. Novaled Novaled est un spin-off fondée en 2001 par l’Instute of Applied Photophysics (IAPP) à l’Université de Dresden et de la Société Fraunhofer IPMS. Novaled fournit la technologie pour la fabrication des dispositifs OLED avec un grand rendement et avec une méthode simplifié de fabrication. L’approche unique de la technologie de dopage dé- veloppée par Novaled, conduit à une faible tension d’ali- mentation et une grande souplesse dans la conception des OLEDs [12]. Aujourd’hui, Novaled est une entreprise qui joue un rôle important dans la conception des OLEDs efficaces. Novaled a annoncé au long des années plusieurs re- cords des OLEDs : • le rendement de 136 lm/W à 1 000 cd/m2 pour les OLEDs avec émission dans le vert, • la durée de vie de plus de 100 0000 h à 1000 cd/m2 pour les OLEDs avec émission dans le rouge, • l’équipe Novaled a déposé plus de 440 brevets dans le monde entier, • en mai 2009, l’Université technique de Dresden et Novaled AG ont réalisé un dispositif émettant une lu- mière blanche avec un rendement de 90 lm/W à une lu- minosité de 1000 cd/m2 . Ce succès est basé sur deux éléments : • la technologie PIN OLED de Novaled avec laquelle le transport des électrons et des trous et aussi l’injection des transporteurs de charge se sont considérablement améliorés, • les matériaux transporteurs de charge et les matériaux de dopage sont créés pour valoriser et soutenir les avanta- ges déjà existants des OLEDs. L’expérience de l’entreprise dans la technologie PIN OLED et dans les matériaux de dopage offre d’excellents avantages pour les clients. Vu leurs caractéristiques particulières, les PIN OLEDs de Novaled sont convenables surtout pour la nouvelle gé- nération des portables, mais aussi pour d’autres applica- tions dans l’éclairage [21]. En moins de deux décennies après la découverte fondamentale de l’organique électroluminescente, les OLEDs, sont en train de devenir une réalité commerciale de la technologie de l’affichage. La prochaine étape est d’ouvrir la voie des OLEDs, des laboratoires de recherche vers l’application industrielle, en particulier pour l’utili- sation comme des sources de lumière pour l’éclairage et la signalisation. Le record de 136 lm/W pour les OLEDs avec l’émission spectrale dans le vert, la longue durée de vie de plus de 1 000 000 h pour les composants avec émis- sion dans le rouge indiquent le potentiel des OLEDs à être utilisées comme une source d’éclairage pour une grande variété de possibilités d’applications, y compris l’éclai- rage d’ambiance, ainsi que des applications pour la signa- lisation, comme des panneaux de sortie ou de logos. Pour obtenir des composants d’éclairage à base des OLEDs fiables, les chercheurs se confrontent aujourd’hui avec un grand défi qui est le développement des OLEDs avec l’émission dans le bleu, qui ont actuellement un faible ren- dement en comparaison avec les dispositifs qui émettent dans le spectre du vert et du rouge, et qui sont nécessaires pour la réalisation des OLEDs blanches [22]. Pour accélérer le développement des OLEDs pour l’éclairage, les gouvernements du monde entier soutien- nent la recherche dans ce domaine, par des programmes de subvention. Projets de recherche et de développement Aux États-Unis, le Department of Energy (DOE) inves- tit chaque année environ 30 millions de dollars dans les pro- grammes pour l’éclairage à semi-conducteurs organiques. Le projet de recherche « WOLEDs Containing Two Broad Emitters » fera appel aux nouveaux OLEDs avec hauts rendements pour remplacer les sources d’éclairage incandescentes avec une courte durée de vie et un rende- ment de 12 lm/W. Le projet cherche à réduire la consom- mation globale d’énergie aux États-Unis, et la recherche soutiendra les travaux futurs pour obtenir des OLEDs avec un rendement de 150 lm/W. General Electrics, Stanford et MIT feront équipe en- semble dans le cadre du projet « High Quantum Efficiency Figure 9. OLED blanche Novaled pour applications dans l’éclairage. REE N°10 Novembre 2009 61 ■ Les OLEDs : le futur de l’éclairage ■ OLED Lighting Systems » pour surmonter les limitations de la technologie actuelle en fournissant au DOE un dispositif d’éclairage à base de lumière blanche avec un rendement su- périeur à 75 lm/W (CRI > 85, heures de vie > 7 000) qui a un rendement lumineux comparable à une lampe à incandes- cence de 60 W (900 lumens). Les OLEDs vont être alimen- tés par un système simple qui pourra être exploité à partir des lignes de tension standard, afin de réduire les pertes de lumière et d’alimentation des sources d’éclairage [23]. Parmi les projets européens, on mentionne le Projet Olla (2004-2008) qui a eu comme objectif de développer des OLEDs blanches avec une haute efficacité et brillance afin de prouver son utilisation dans les applications gé- nérales d’éclairage. Le consortium d’Olla était composé de 24 partenaires de 8 pays européens, et était dirigé par Philips Lighting. A la fin du projet (juin 2008), le consortium d’Olla aprésentésadernièreétape:leprocessusdebasepourobtenir unesourceOLEDavecunelumièreblancheutilisantlatech- nologiePINOLEDdeNovaled.CesOLEDssecaractérisent par une efficacité de 50,7 lm/W pour une luminosité initiale de 1 000 cd/m². OLED100.eu est un projet d’une durée de 3 ans (2008- 2011), qui continue les travaux du projet Olla. Les entrepri- ses Philips, Osram, Siemens, Novaled et la Franhofer IPMS ont accepté de financer un autre projet d’éclairage OLED avec un budget total de 30 M$ dont 20 M $ proviennent de l’UE. Les principaux objectifs de OLED100.eu sont : • 100 lm/W de rendement • la durée de vie supérieure à 100 000 h • grande surface de 1m x 1m • coût de 100 euros pour 1m2 . TOPLESS (Thin Organic Polymeric Light Emitting Semiconductor Surfaces) est un projet qui a commencé en 2008 pour une durée de 3 ans et est soutenu à 50 % par le Gouvernement britannique. L’objectif du projet est de réduire le coût de production, en réalisant des dispositifs monocouche de polymères en structure mono-pixel, et qui pourraient émettre une lumière blanche de haute qualité. Les objectifs du Projet TOPLESS : • 20 lm/W comme rendement • la température de couleur entre 2 700 K et 17 000 K • grand dispositif mono-pixel • réduire le nombre des couches organiques. CombOLED (2008-2010) est un projet européen qui a comme objectif d’obtenir des solutions efficaces d’éclai- rage à base des OLEDs en utilisant des dispositifs avec une nouvelle structure, des méthodes de fabrication avan- tageuses ainsi que des matériaux moins complexes. Le prix réduit et aussi la structure transparente des OLEDs, leur permettront d’entrer dans la technologie de l’éclairage. Ce projet est dirigé par OSRAM Opto-Semi- conductors [12]. Aussi de nouvelles compagnies en Asie cherchent à rentrer dans la technologie des OLEDs pour l’éclairage. Les gouvernements chinois et japonais supportent leur développement par des subventions afin d’obtenir une po- sition importante dans cette compétition. Dans un monde confronté avec une demande énergé- tique en croissance, en tenant compte du développement économique de l’Asie, l’Afrique et l’Amérique Latine, les nouvelles entreprises cherchent à remplacer les lampes in- candescentes avec de nouvelles sources d’éclairage plus modernes et efficaces. Comme la technologie des OLEDs a beaucoup avancé surtout sur le plan de la durée de vie, des recherches de Nanomarkets prévoient le marché des lampes incandes- centes et des tubes en baisse d’environ 10 milliards d’uni- tés d’ici quelques années. Cela représente une hausse des ventes des OLEDs pour l’éclairage général, de 1,1millions $ en 2008, jusqu’à 2,3 milliards $ en 2015. Nanomarkets prévoit également une croissance des ventes des OLEDs dans le marché du retro-éclairage, à 1,1milliard $ en 2015 tandis que les applications d’éclai- rage industriel spécialisé, augmenteront d’environ 1 mil- lion $ cette année à 1,9 milliards $ en 2015 [24]. Conclusion Avec les énormes investissements dans la recherche pour le développement des OLEDs, on peut affirmer que leur application dans l’éclairage est assez proche, mais avec beaucoup d’améliorations à venir. Un grand défi des chercheurs c’est optimiser la durée de vie des émetteurs bleu phosphorescents, et une fois ce problème résolu, fabriquer des OLEDs avec des rende- ments qui dépassent 100 lm/W pour des applications dans l’éclairage. La partie la plus difficile pour l’éclairage à base des OLEDs est à venir : l’acceptation sur le marché par les consommateurs. Cela requiert de bons produits, la stan- dardisation rapide et une bonne communication. Les premiers produits basés sur la technologie OLED peuvent être attendus sur le marché avec des applications dans la signalisation et dans l’éclairage ambiant ou com- me des sources d’éclairage fonctionnelles. Dans le même temps, le développement et la capacité des OLEDs sur de grandes surfaces vont augmenter et se- ront attendus sur le marché à partir de 2010.  Figure 10. OLED blanche OLLA 10x10cm2 . Dossier REE N°10 Novembre 200962 Nouvelles technologies de l’éclairage : une révolution en ordre de marche ! Références [1] http://www.thehistoryof.net/the-history-of-the-light-bulb.html [2] http://fr.wikipedia.org/wiki/Lampe_%C3%A0_ diode_%C3%A9lectroluminescente [3] http://electrotechnique-fr.xdir.fr/pdf/cat1_HABITAT/Methode_ de_cablage-Schemas_basique/ANNONCE-4_les_appareils_d- eclairage/2-Lampe_fluocompacte.pdf [4] Eltra Connect, « C’est la fin de l’ampoule à incandescence », numéro 6, mars 2009. [5] http://www.homelights.fr/ [6] G. YU, J. WANG, Chap.1, “Organic Light Emitting Materials and Devices”, Ed. ZHIGANG LI, HONG MENG, 2007. [7] M. POPE, H.P. KALLMANN, P. MAGNANTE, “Electrolumi- nescence in Organic Crystals”, Journal of Chemical Physics, Vol. 38, p.2042-2043, April 1963. 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Melpignano a travaillé à Zeltron-Instituto Zanussi per la Ricerca, et de 1989 à 1995 elle a été responsable du design et développement du monochromateur X-Ray pour mi- croscopie ESCA au Sincrotrone Trieste (Italie). A partir de 1995 elle a travaillé pour Seima Italiana S.p.A. comme responsable du Centre de Recherche dans le développement des technologies d’optique et de 2002 à juin 2008, a été chef du Centro Ricerche Plast-optica Optical division et responsable de la recherche des OLEDs. Pendant sa carrière, P. Melpignano a dirigé de nombreux projets italiens et européens sur le sujet de l’optique diffractive et des OLEDs. Elle a été l’auteur de plus de 25 articles scientifiques pu- bliés dans des journaux référencés, a déposé plusieurs brevets internationaux, et a été invitée aux conférences internationales sur le sujet de la photonique. Cristina Cioarec est actuellement doctorante au Laboratoire LAPLACE-Université Paul Sabatier, Toulouse (France). Ses princi- paux centres d’intérêt concernent le développement des OLEDs avec émission dans le bleu, leur caractérisation électrique, ainsi que leur encapsulation. En 2006 elle a obtenu son diplôme d’in- génieur génie électrique à l’Université  Dunarea de Jos, Galati (Roumanie). Elle a effectué, en 2006-2007, son mastère de recher- che « Matériaux pour l’électronique et ingénierie de plasmas » à l’Université Paul Sabatier, Toulouse (France).