QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures.

QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE

Nanotechnologies : matériaux et structures

OLED et nanostructures : applications à l’affichage et

à l’éclairage



ALEXIS FISCHER, Marie Claude CASTEX, Sébastien CHENAIS, Hakim CHOUKRI, Sébastien FORGET,

Equipe LUMEN, LABORATOIRE DE PHYSIQUE DES LASERS UMR7538 CNRS

Alain SIOVE, Dominique ADES, Equipe Candela, LABORATOIRE DE BIOCHIMIE ET DE POLYMERES

SPECIALISES

UNIVERSITÉ PARIS 13 IUT DE VILLETANEUSE.

BERNARD GEFFROY du Commissariat à l’Energie Atomique - CEA Saclay

Plan de l’intervention



1: Présentation et définition

La présentation essayera de mettre en lumière la « filière » organique en la comparant aux filières électroniques ‘traditionnelles’ (silicium, GaAs, NiGa…)

• Qu’est ce qu’un semi-conducteur organique ?

• Qu’est ce que l’électroluminescence ?

• Quelles structures à base de matériaux organiques permettent d’émettre de la lumière ? Qu’est ce qu’une OLED?

2: Les applications des OLEDS:

• Les procédés de fabrication

• L’affichage

• L’éclairage



Définition donnée en chimie :

Organique :Les molécules sont des assemblages d’atomes de carbone, d'hydrogène, d'oxygène et d'azote. On dit organique par opposition aux semi-conducteurs inorganiques tel le silicium (chimie minérale).

Quelles différences entre les semi-conducteurs organiques et les semi-conducteurs inorganiques ?

Qu’est ce qu’un semi-conducteur organique ?

• MOLECULES : petites molécules (monomères, dimères), grandes molécules (polymères). Les électrons sont ‘’limités’’ à la molécule.

• LIAISON pi CONJUGUEE : alternance de simples et double liaisons : (moins bonne conductivité)

C2H5

C2H5

N

N

Un cristal semi-conducteur fait d’ATOMES de silicium assemblés

Point commun : Liaison covalente = double liaison : (électrons mis en commun par les atomes) permet une semi-conductivité.



L’électroluminescence organique • Les niveaux d’énergie:

LUMO : Lowest Unoccupied Molecular Orbital.

HOMO : Highest Occupied Molecular Orbital.

• L’émission de lumière– Le Gap définit la couleur LUMO

HOMO

Energie de Gap

e-

Émission de lumière

Energie des électrons

Niveau d’énergie des électrons qui assurent la

cohérence du cristal

Niveau d’énergie des électrons libres (conduction) Bande de conduction

Bande de valence

Semi-conducteur cristallin

L U M O

H O M O

ORGANIQUE



La filière organique offre une bibliothèque de matériaux beaucoup plus large que les semi-conducteurs cristallin

Une bibliothèque de matériaux organique

BLUE EMITTERS

N

N

R

R

N

CH3

CH

CHCH3

CH3

1

2

36

7

8

4a4b

8a 9a

5 4

n=1-4

N

CH3

CH

CHCH3

CH3

1

2

36

7

8

4a4b

8a 9a

5 4

n=1-4

N,N’-dialkyl-3,3’-bicarbazolyl

max photolum. = 425 nm

1,4,5,8,9-pentamethylcarbazole(and 2-4 mers)

max photolum. = 415 nm (420)

4,4’-bis(2,2’-diphenylvinyl)-1,1’-biphenyl


Green Emitter

Al(Q 3) tris (8-hydroxyquinolinate d’aluminium)

N

O

AlO

N

O

N

6,6’-bis(2-cyano 2’-alkylcarboxylate)-N,N’-dialkyl-3,3’-bicarbazolyl


YELLOW EMITTERS N

N

C=CH

CN

COOR

=CC

HNC

ROOC

R'

R'

COOR

R'

N C=C

H

CNR"

5,6,11,12Tetraphenylnaphtacene

max photolum. = 550nm

Para-dialkylamino (,’-cyano alkylcarboxylate)-styrene


Red Emitters

PteOEP

Nile REd

DCM2



• Quelle structure pour produire de la lumière ?

• Injecter des électrons dans un matériau organique entre 2 électrodes

• Problème : Peu de lumière produite : rendement quantique faible

Produire de la lumière en injectant des électrons ?

Matériau Organique électroluminescent

ElectrodeElectrode

électrons

TrousHOMO

LUMO e-e-

+

Emission de lumière

e-

+



• Une barrière à électrons : une DIODE

•des rendements de quelques % comparable au LED de la filière électronique semi-conducteurs cristallins

Une barrière à électrons pour produire plus de lumière !

Matériau Organique 1

Electrode Matériau Organique 2Electroluminescent

Electrode

HOMO

LUMO

LUMO

HOMO

électrons

Trous

e-

+

e-

Emission de lumière



•Optimiser les niveaux d’énergie : couche de transport et couche d’injection, choisir les matériaux adaptés.

• des rendements quantique de quelques % comparables au LED de la filière électronique semi-conducteurs cristallins

Des couches de transports avec des niveaux à adapter.



Mélange des couleurs

= Blanc

+JauneBleu



AvantagesChimie : flexibilité => fonctionnalisationBas coût, grande surface, souplesse…

Faible investissement (usine) : permet marchés de niche

Inconvénients Durée de vie, performances

encapsulation

Electronique organique : les matériaux

Fournisseurs matériauxMERCK (AVECIA et COVION), DUPONT,DOW CHEMICALS, XEROX,

KODAK… DYES, ALDRICH



Toutes les couleurs du visible



Les technologies associées : deux voies possiblesVoie sèche

Évaporation sous vide Voie humide

Impression, enduction

Epson



Objets commerciaux à afficheur OLED/PLED

MP3 : 40% des écranssont des OLED



2005SAMSUNG 1 dalle de 40’’

Prototypes écran OLED

2004EPSON4 dalles de 20’’



Possibilité de dispositifs flexibles

Universal Display Corporation

L=200 cd/m2, e= 175 µm

Pixels : 400 µm x 500 µm

PLED Dupont Plastic Substrate



Nouvelles sources d’éclairageSSL (Solid State Lighting)

OLEDPetites moléculespolymères Film mince

Ep ~ < 1 mmSurface conformableSource étendue

LED

AlGaInN

Source ponctuelle



Nouveaux concepts d’éclairage

Monochrome OLEDs have already surpassed the efficiency of the light bulb (Source: Novaled)

Example of a functional light source: make-up mirror with integrated OLED light source (Source: Merck).

< 20 lm/W <100 lm/W



WOLED: état de l’art

Source: General Electrics

Performances à 1000 cd/m²

15 lm/W

CCT: 4400 K

CRI: 88

CIE: x= 0.36; y= 0.36

Equivalent ampoule 80W



OLED Eclairage

NOVALED : record du monde Développement d’une OLED verte pour l’éclairage avec une efficacité de 110 lm/W at 1000 Cd/m2 : c’est 50% de mieux que les LEDs inorganiques

Objectif de NOVALED : dépasser les tubes fluorescents dans le blanc

PRESS RELEASEDresden, February 16th 2005



OLED, électronique organique, une filière

alternative

Merci pour votre attention



Propriétés : Comparaisons

Résumé et comparaison des propriétés

Semi-conducteur Organique• Amorphe : (Molécules en vrac) facilité

de mise en forme. Contact réduit entre molécules.

• Mise en œuvre : évaporation, enduction, moulage, impression, support souple.

• Thermique : Les grandes molécules (polymères) se détruisent à la chaleur plus vite que les petites molécules. (qq 100°)

• Electronique : Plutôt isolant (légèrement semi-conducteur). Nécessité de travailler en couches très minces (quelques dizaines de nanomètres)

• Bibliothèque de matériaux pour la couleur. ‘mélanges’ possibles

Semi-conducteur cristallin• Structure : Cristal (ordonné)

Nécessite de savoir faire croître des cristaux.

• Mise en œuvre : Géométrie essentiellement planaire

• Thermique : Résiste à la chaleur.

• Electronique : Semi-conducteur. Le dopage permet de modifier la conductivité. Tous les intermédiaires entre isolants et conducteurs existent

• Toutes les couleurs n’existent pas.

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