QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures.
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QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
OLED et nanostructures : applications à l’affichage et
à l’éclairage
QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
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
QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
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
QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
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.
QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
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
QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
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
max photolum. = 450 nm
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
max photolum. = 575 nm
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
max photolum. = 583 nm
Red Emitters
PteOEP
Nile REd
DCM2
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Nanotechnologies : matériaux et structures
• 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-
+
QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
• 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
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Nanotechnologies : matériaux et structures
•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.
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Nanotechnologies : matériaux et structures
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Nanotechnologies : matériaux et structures
Mélange des couleurs
= Blanc
+JauneBleu
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Nanotechnologies : matériaux et structures
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
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Nanotechnologies : matériaux et structures
Toutes les couleurs du visible
QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
Les technologies associées : deux voies possiblesVoie sèche
Évaporation sous vide Voie humide
Impression, enduction
Epson
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Nanotechnologies : matériaux et structures
Objets commerciaux à afficheur OLED/PLED
MP3 : 40% des écranssont des OLED
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Nanotechnologies : matériaux et structures
2005SAMSUNG 1 dalle de 40’’
Prototypes écran OLED
2004EPSON4 dalles de 20’’
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Nanotechnologies : matériaux et structures
Possibilité de dispositifs flexibles
Universal Display Corporation
L=200 cd/m2, e= 175 µm
Pixels : 400 µm x 500 µm
PLED Dupont Plastic Substrate
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Nanotechnologies : matériaux et structures
Nouvelles sources d’éclairageSSL (Solid State Lighting)
OLEDPetites moléculespolymères Film mince
Ep ~ < 1 mmSurface conformableSource étendue
LED
AlGaInN
Source ponctuelle
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Nanotechnologies : matériaux et structures
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
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Nanotechnologies : matériaux et structures
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
QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
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
QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE
Nanotechnologies : matériaux et structures
OLED, électronique organique, une filière
alternative
Merci pour votre attention
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Nanotechnologies : matériaux et structures
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.