Evolutions et perspectives de l’éclairage - Applications des OLEDs

10/05/2013
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2012-4:4228

Résumé

Evolutions et perspectives de l’éclairage - Applications des OLEDs

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42 ◗ REE N°4/2012 L'éclairage Marc Ternisien, David Buso et Georges Zissis Laboratoire plasma et conversion d’énergie (LaPLaCE ) - UMR 5213 Université Paul Sabatier Sounil Bhosle Société Olisicie Les OLEDs L’éclairage électrique a profondément bouleversé notre vie quotidienne. Il serait aujourd’hui inimagina- ble de s’en passer, du moins dans les pays dévelop- pés, et son utilisation ne fait que croître. L’éclairage consomme chaque année approximativement 19 % de la production globale d’électricité mondiale, ou presque 2 % de la consommation d’énergie primaire de notre planète [1]. L’émission de quelque 1 900 millions de tonnes de gaz à effet de serre accompa- gne cette consommation [2]. Ajoutons à cela qu’à l’aube du 21e siècle le monde de l’éclairage électrique est à nouveau en effervescen- ce, comme il le fut au début du 20e siècle avec l’avè- nement de la lampe à incandescence. Aujourd’hui, pendant que l’incandescence tire sa révérence, nous vivons une vraie révolution grâce à l’arrivée d’un « in- trus  » venant du monde du semi-conducteur : les Light-Emitting Diodes (LEDs) [3]. Que nous réserve le futur ? Imaginez une feuille plastique, légère, plia- ble qui pourrait émettre de la lumière colorée ou bien blanche… Les LEDs organiques c’est-à-dire les OLEDs, frappent à la porte ! Une OLED présente une structure relativement simple à savoir des matériaux organiques qui sont pris en « sandwich » entre une anode généralement trans- parente (ITO : Indium Tin Oxide) déposée sur du verre et une cathode métallique soumise à une différence de potentiel. Chaque matériau va avoir un rôle bien précis. Certains d’entre eux auront la charge d’amélio- rer l’interface entre la molécule et le métal dans le but d’optimiser l’injection de charges. Pour l’injection de trous depuis l’anode, une HIL (Hole Injection Layer) est généralement utilisée. Afin de faciliter le transport des porteurs de charges, il est également possible d’employer des couches de matériaux spécifiques qui auront pour mission de faciliter leur déplacement. C’est le cas de l’ETL (Electron Transport Layer) pour le transport des électrons. Enfin, généralement au cen- tre du composant se trouve une couche de matériau émissif qui va servir pour l’émission de lumière (Or- ganic Emitters). La figure 1 résume sous forme de schéma la structure de l’OLED. De manière générale, les matériaux utilisés sont déposés sur un substrat en verre de faible épaisseur (quelques mm). Selon le matériau à déposer, la tech- nique est différente. Ainsi pour l’anode, l’ITO est dépo- sé par pulvérisation d’étain et d’indium. Les molécules organiques sont déposées par évaporation sous vide pour les petites molécules (du fait de leur faible poids moléculaire). Le vide varie de 10-6 à 10-8 torr selon le matériau à évaporer. Il est bien sûr possible de réaliser des OLEDs à base de polymères qui seront déposés à la tournette (petit disque sur lequel on vient déposer les molécules en solution en donnant à l’échantillon une accélération et une vitesse pendant une durée donnée. On peut donc avoir à la surface de l’échan- tillon un dépôt de film homogène). Enfin, la cathode peut être déposée selon diverses méthodes comme par exemple le dépôt par canon à électrons. Evolutions et perspectives de l’éclairage Applications des OLEDs Les économies d’énergie sont devenues un impératif pour les gouvernements et pour les citoyens. Dans cette logique, la recherche de nouvelles sources d’éclairage pour remplacer les ampoules incandescentes ainsi que les tubes fluorescents contenant des éléments chimiques, est primordiale. Les OLEDs seront peut-être un bon choix pour certaines applications dans l’éclairage, en complément et non pas en concurrence des LEDs classiques. Nous nous proposons ici de faire un état de l’art sur la potentialité de l’intégration des OLEDs dans les techniques d’éclairage dans les années à venir. abstract REE N°4/2012 ◗ 43 Evolutions et perspectives de l’éclairage - Applications des OLEDs Mode de fonctionnement  Lorsqu’une différence de potentiels est appliquée entre l’anode et la cathode, un courant va circuler permettant ainsi à la cathode de fournir des charges négatives (électrons) et à l’anode des charges positives (trous). Un polaron négatif va ainsi être créé et va se déplacer vers l’anode sous l’action du champ électrique imposé par la différence de potentiel appliquée. Parallèlement, un électron est arraché d’une mo- lécule proche de l’anode, laissant derrière lui un trou dans la bande de valence donnant ainsi naissance à un polaron positif. Ces deux porteurs de charges vont se déplacer par hopping (saut) de molécule en molécule dans tout le maté- riau jusqu’à se rencontrer. Le travail consiste à « optimiser » le moment où les deux polarons de charges opposées se rencontrent au sein de la même molécule. Lorsque cette ren- contre a lieu, un « exciton » (ou une paire électron-trou) est formé. Le rayonnement est alors créé suite à la recombinai- son de la désexcitation de l’exciton (figure 2). Ce mécanisme de fluorescence est le mécanisme de base d’émission de lumière dans les OLEDs. En effet, le photon ainsi créé aura une énergie égale à la différence énergétique (appelé gap comme pour les semi-conducteurs classiques) entre les niveaux énergétiques du matériau utilisé. La plupart des rayonnements émis par les OLEDs se trouve dans le domaine du visible spécialement pour les applications d’affichage ou d’éclairage. Néanmoins, le rendement de la re- combinaison n’est pas optimal, il est de l’ordre de 25 %. Cette valeur est liée au fait que, généralement, dans les organi- ques, la mobilité d’un électron est beaucoup plus faible que celle d’un trou. Il est donc très utile d’utiliser l’ingénierie des matériaux pour optimiser cette zone de recombinaison d’ex- citons et donner naissance à des photons de longueur d’on- de d’émission ajustable. De plus, d’autres solutions existent comme l’utilisation des mécanismes de phosphorescence liés à la récupération des 75 % d’excitons non radiatifs. Par ailleurs, beaucoup d’études concernent également l’extrac- tion de la lumière qui n’est pas un problème trivial du fait des différentes interfaces existant au sein d’une OLED. Les avantages par rapport aux LEDs classiques sont multi- ples mais en font surtout une technologie complémentaire. La diminution du coût de fabrication d’une OLED peut être non négligeable du fait de l’utilisation de molécules de synthèse plutôt que des matériaux semi-conducteurs classiques. Le fait que ces sources de lumière soient étendues, permet de les utiliser pour des applications éclairagistes spécifiques qui peuvent être non réalisables avec des LEDs « classiques ». Du blanc  Concernant les longueurs d’ondes d’émission, il existe dif- férentes techniques pour obtenir un élargissement spectral permettant d’utiliser des OLEDs blanches (WOLEDs : White OLEDs) pour l’éclairage. La première est de générer plusieurs émissions de lumiè- re simultanément en un même composant en mélangeant les trois couleurs primaires RGB (rouge, vert et bleu). Cette technique a été proposée dès les années 2000 en superpo- sant dans un premier temps différentes couches émissives en pyramide (Stacked OLEDs). Dans un second temps, des études ont été menées en les déposant de manière planaire. Le résultat est que l’œil perçoit le mélange résultant de ces trois couleurs, c’est-à-dire le blanc. Cette technique présente l’avantage de pouvoir jouer sur chaque OLED primaire de telle sorte qu’on peut ainsi ajuster la teinte du blanc (en particulier sa température de couleur1 ). Par ailleurs, il est aussi possible d’atténuer l’émission en jouant sur chacune des trois polari- sations étant donné que chaque OLED possède sa propre alimentation. Le principal inconvénient de cette méthode est la dérive du point de couleur en fonction du type d’utilisation ou d’alimentation. La méthode alternative à celle des émetteurs RGB est la conversion de longueur d’onde. En effet, de nombreux travaux ont montré qu’il était possible de récupérer une émission issue 1 La température de couleur d’une source lumineuse est celle d’un corps noir théorique, chauffé entre 2 000 et 10 000 K, qui aurait dans le do- maine de la lumière visible un spectre d’émission similaire à la couleur considérée. Figure 1 : Structure d’une OLED multicouche avec polarisation [4]. Figure 2 : Principe de fonctionnement d’une OLED. 44 ◗ REE N°4/2012 L'éclairage d’une OLED bleue et de la convertir en jaune en utilisant des couches organiques supplémentaires à base de phosphore. Le changement de couleur est possible en modifiant par exem- ple les épaisseurs ou la concentration de ces molécules lors du dépôt. Le principal avantage de cette technique est que la dérive du point de couleur est fortement réduite du fait de la présence d’une unique source d’alimentation. L’éclairage OLED : Une alternative ? Selon les perspectives affichées par les plus grandes in- dustries de l’éclairage, les OLEDs sont désormais une techno- logie avec laquelle il faut compter pour l’avenir. La recherche aussi bien académique que privée a favo- risé la sortie des prototypes qui ont permis de « calibrer » la technologie. Désormais, « les feux semblent être passés au vert » pour la commercialisation à grande échelle et d’ici quel- ques années, il sera possible d’acheter son OLED comme on achète une ampoule classique. Pourquoi ce composant, si différent des LEDs classiques, a-t-il pu parcourir un tel chemin au point d’ouvrir les por- tes à une vision éclairagiste différente. Quels sont les enjeux économiques ? Quelles sont les performances actuelles ainsi que les verrous qui persistent pour les applications spécifi- ques ? Quelles sont les « perspectives éclairagistes » de ces composants ? Enjeux économiques Bien que les prévisions issues des grandes compagnies (Philips, Osram, Lumiotec…) donnent l’année 2012 comme une année charnière pour la production de masse des pan- neaux OLEDs (figure 3), à l’heure actuelle, leur utilisation en vue d’applications éclairagistes n’en est encore qu’à ses bal- butiements. En effet les prototypes ORBEOS pour Osram, LUMIBLADE pour Philips développés dès 2009 ont un rap- port coût/efficacité lumineuse qui n’est pas encore optimal, cela pourrait encore prendre un certain nombre d’années avant que le coût de production de panneaux lumineux ne devienne réellement compétitif. La possibilité d’utiliser des panneaux d’éclairages OLEDs est même encore débattue et, pour certains, cela ne se fera jamais. Pourtant, le volume d’investissements sur l’électronique organique est bien réel. Selon de grands organismes d’étu- des économiques, les prévisions de marché étaient en 2009 de l’ordre de 60 milliards de dollars (figure 4). Le marché de l’éclairage lui-même est estimé à 75 milliards de dollars ; en récupérant ne ce serait-ce que quelques pourcents de ce marché, ce serait une opportunité considérable pour les fa- bricants d’OLEDs. En l’occurrence, Nanomarkets estime que le revenu de cette « niche éclairagiste » sera en 2015 de plus de 6 milliards de dollars, répartis entre 4 milliards pour l’éclai- rage général, 750 millions pour l’éclairage de véhicules et 1,4 milliard pour le rétro-éclairage des écrans de télévision. Les performances actuelles Revenons aux lampes développées par Edison dés 1879. Le rendement était alors de 12 lm/W. Il était bien évident que ce qui paraissait être une révolution par rapport à la bougie n’est plus vraiment d’actualité, surtout d’un point de vue envi- ronnemental. L’évolution des techniques a permis d’obtenir de l’éclairage à partir de tubes fluorescents avec un rendement supérieur à 90 lm/W. Néanmoins, dans une perspective en- vironnementale, ces lampes contenant du mercure posent le problème du recyclage. La qualité du rendu peut également être mis en cause pour certaines applications spécifiques. Dés lors, les LEDs ont pu voir le jour et par la suite, avec les recherches développées par Kodak dès 1977, les OLEDs sont apparues comme une source alternative. Trente ans après la réalisation des premières OLEDs, elles font aujourd’hui l’objet Figure 3 : Prévisions de la production d’OLEDs par des grands groupes d’éclairage [5]. Figure 4 : Prévisions concernant le marché de l’électronique organique – En Md USD [6]. REE N°4/2012 ◗ 45 Evolutions et perspectives de l’éclairage - Applications des OLEDs de recherches poussées pour leur intégration dans des systè- mes d’éclairage. Ces recherches sont bien sûr portées par le monde académique mais également par les grands noms de l’éclairage industriel. Le premier est UDC (Universal Display Corporation) « une filiale » de la prestigieuse université de Princeton. Sa technologie est basée sur des OLEDs phospho- rescentes (PHOLEDs) (figure 5). L’utilisation d’OLEDs pour fabriquer de la lumière blanche se fait par une synthèse classique de type RVB (rouge, vert, bleu). UDC a atteint des performances par couleur à 1 000 cd/m² qui sont de l’ordre de 17 à 30 lm/W pour le rouge, 78 lm/W pour le vert et 47 lm/W pour le bleu. Il est également à noter que les durées de vie sont de l’ordre de la dizaine de milliers d’heures pour le rouge et le vert alors que le bleu a une durée plus réduite (les recherches sur les molécules pour le bleu sont toujours en cours pour améliorer leur durée de vie). Les OLEDs étant des composants à base de molécules, les dispositifs réalisés ont été obtenus via des collaborations avec de grandes industries chimiques telles LG Chemical et Nippon Steel Chemical Company. Un objectif à horizon 2015 est d’obtenir une OLED blanche ayant une efficacité de l’ordre de 150 lm/W. Les grands noms de l’éclairage européen sont également présents. Philips travaille sur des panneaux éclairants à base d’OLEDs sous la forme de prototypes appelés LUMIBLADE (figure 6). Les efficacités sont de l’ordre de 20 à 45 lm/W et ces composants sont proposés sous différentes formes (carrés, triangles, etc.). La gamme de prix s’étend de 77 € pour un carré de 32 x 32 mm jusqu’à 229 € pour un rectangle de 47 x 130 mm. L’objectif affiché de Philips est d’obtenir une efficacité de 140 lm/W avec une durée de vie supérieure à 10 000 heures. En parallèle, Osram a développé un système dénommé ORBEOS (figure 7). Se présentant sous une forme circulaire de 80 mm de diamètre avec une épaisseur comprise entre 1 et 2 mm, ce prototype atteint une efficacité de 25 lm/W à 1 000 cd/m². Avec une durée de vie estimée à 5 000 heures, son coût est estimé à 240 € l’unité. Il convient de mentionner également Novaled, spin off de l’Institute of Applied Photophysics (IAPP) de l’Université de Dresden et de la Société Fraunhofer IPMS. Cette société a développé une technologie de fabrication des dispositifs OLED à un rendement élevé et optimisé la mé- thode de production. Son approche technique permet d’obte- nir des tensions d’alimentation peu élevées, ce qui est plutôt positif d’un point de vue énergétique, ainsi qu’une certaine souplesse dans la conception des composants eux-mêmes. Les résultats sont probants : 136 lm/W à 1 000 cd/m² dans le vert ; une durée de vie de plus de 100 000 heures à 1 000 cd/m² pour des OLEDs émettant dans le rouge ; 17 lm/W pour des OLEDs blanches à 1 000 cd/m² (figure 8). Cette entreprise, avec 440 brevets déposés, mise égale- ment sur tous les procédés qui permettront de s’affranchir des verrous technologiques persistants à l’heure actuelle, tels que l’optimisation de l’extraction de la lumière (figure 9). On peut enfin citer Fraunhofer, Verbatim ou Kaneka qui travaillent sur la thématique mais depuis beaucoup moins longtemps que les « historiques de l’éclairage ». Quelques verrous technologiques persistants On pourrait penser que l’année 2012 est l’année de la «  révolution  » des OLEDs, que les acteurs économiques sont présents, que les fabrications ont été optimisées et par Figure 5 : WOLEDs fabriquées par Universal Display Corporation [7]. Figure 6 : Lumiblade de Philips [8]. Figure 7 : Orbeos de Osram [9]. 46 ◗ REE N°4/2012 L'éclairage conséquent que l’effort de développement de la filière a été accompli. La situation est en fait plus complexe. Considérons par exemple les matériaux qui constituent les cellules. Ce sont des molécules issues des travaux de chimistes. Ces mo- lécules sont sensibles à l’air et à l’humidité. En conséquence, les produits doivent être encapsulés, c’est-à-dire que les cou- ches actives qui servent à l’émission de la lumière doivent être entourées d’une barrière qui les protège des paramètres environnementaux. Mais pendant combien de temps ? Les durées de vie, même si elles s’améliorent, sont-elles essen- tiellement liées à la dégradation du matériau, comme pour la couleur bleue ? Au mode d’alimentation ? A l’environnement d’utilisation ? Si l’on rentre dans la problématique de l’afficha- ge - qui est une certaine forme d’éclairage, à l’extérieur des véhicules par exemple - comment réagira le composant sous des températures de 30 °C l’été et -10 °C l’hiver. Comment pourra-t-on afficher un message publicitaire sous des trom- bes d’eau ou sous le soleil à son zénith ? Comment pourra-t- on assurer le contraste requis ? Les réponses à ces questions constituent un nouvel enjeu pour l’utilisation des OLEDs. Figure 8 : Exemples de tensions d’alimentations pour une OLED en fonction de la luminance [10]. Figure 9 : Evolution de l’efficacité en fonction de l’optimisation de l’extraction de la lumière dans une OLED [10]. Figure 10 : Feuille de route concernant l’utilisation des OLEDs (Hors aspect éclairage) [11] REE N°4/2012 ◗ 47 Evolutions et perspectives de l’éclairage - Applications des OLEDs Et l’avenir ?  L’avenir de l’éclairage OLED reste cependant au beau fixe. Malgré les contraintes technologiques qui subsistent, les OLEDs sont synonymes de design et de rêve (figure 10). On peut se prendre à imaginer des papiers peints dont les motifs et les couleurs changeront selon notre humeur, des fenêtres transparentes qui permettront de « surfer sur le net » ou de regarder la télévision, etc. Bref, des opportunités quasi infinies pour peu qu’on s’affranchisse des verrous technologi- ques qui demeurent. Conclusion La transition est amorcée. Les énormes investissements dans la recherche et le développement des OLEDs montrent que leurs applications dans l’éclairage est imminent, mais des voies d’optimisation restent toujours ouvertes. Un des grands défis est d’améliorer la durée de vie des émetteurs bleus, et une fois ce problème résolu, de fabriquer des OLEDs avec des rendements conformes aux attentes des applications dans l’éclairage (entre 100 et 150 lm/W). Une grande ques- tion réside dans l’accueil que réservera le grand public à ce type d’éclairage. Les produits devront donc être innovants avec un design bien pensé. Les années à venir diront si cette technologie constitue une alternative pertinente aux lampes et un bon complément de l’éclairage LED. Références [1] P. Mills, “Why We’re Here: The $230-Billion Global Lighting Energy Bill”, Proc. 5th Right Light Conference, pp. 369-385, Nice (France), May 2002. [2] L. R. Brown, “Plan B 4.0: Mobilizing to Save Civilization”, W. W. Norton & Company, New York (2009). [3] R. Haitz, F. Kish, J. Tsao & J. Nelson, Compound Semicon- ductor Magazine, vol. 6, No . 2. March 2000. [4] www.pctechguide.com [5] OLED Lighting in 2009 and Beyond: The Bright Future. [6] www.idtechex.com [7] www.UniversalDisplay.com [8] www.lighting.philips.com [9] www.osram.fr [10] www.novaed.com [11] S. Forge, C. Blackman, “OLEDS: Opportunities for Euro- pean industry opened by their disruptive potential”, SCF Associates Ltd, June 2009. Marc Ternisien est né à Boulogne-sur-Mer, France en 1980. Il est titulaire d’un master recherche en lasers, métrologie et télé- communications de l’Université de Paris XIII et du Conservatoire national des arts et métiers. Il a obtenu son doctorat de 3e cycle en micro et nanotechnologies à l’Université de Lille I en 2008. En septembre 2009, il a rejoint l’Université Paul Sabatier de Toulouse comme maître de conférences et effectue ses recherches au La- boratoire LaPLaCE au sein de l’équipe Lumière et matière dirigée par le Pr Georges Zissis. Après sa thèse de doctorat portant sur l’étude de l’influence des monocouches auto-assemblées sur le diélectrique de grille dans les transistors organiques, il s’intéresse maintenant aux problèmes d’interface au sein des OLEDs et d’in- fluence des traitements de surface sur les performances de ces composants David Buso est né à Albi, France en 1977. Il a obtenu un DEA de génie électrique à l’Université Paul Sabatier de Toulouse en 2001 et un doctorat de génie électrique délivré par la même uni- versité en 2004. De 2004 à 2006, il a été ingénieur-conception en électronique de puissance chez Tridonic Atco Gmbh, Dornbirn, Autriche, où il a travaillé sur des ballasts électroniques gradables. Depuis 2006 il est maître de conférences à l’Université Paul Sa- batier, au laboratoire LaPLaCE dans l’équipe “lumière et matière”. Son domaine d’expertise couvre les lampes à décharges et les alimentations qui leur sont associées. Plus récemment, son in- térêt s’est porté sur l’électronique organique, notamment sur les dispositifs émetteurs de lumière et leurs systèmes. Georges Zissis est né à Athènes en 1964, il a obtenu son doc- torat en physique des plasmas auprès de l’Université Toulouse 3 en 1990. Il est professeur au département de génie électrique de l’Université de Toulouse 3 et Docteur Honoris Causa de l’Univer- sité de St Petersburg (Russie). Il travaille dans le domaine de la science et de la technologie des sources de lumière. Il est direc- teur du groupe de recherche « Lumière et matière » du laboratoire LaPLaCE. Le professeur Zissis a obtenu en décembre 2006 le 1er prix du challenge du centenaire de la Commission électrotechni- que internationale (IEC) pour son travail sur la normalisation des systèmes d’éclairage urbains. En 2009, il a obtenu la médaille de Fresnel de l’AFE et a gagné l’Energy Globe Award pour la France. Sounil Bhoslé est né le 14 juin 1972. Il est titulaire d’un doc- torat en physique et ingénierie des plasmas de décharge. Il dirige la société Oliscie, start-up née en juin 2011, dont la spécialité est l’optimisation des performances des OLEDs par le biais de traite- ments de surface spécifiques. les auteurs