Nexus One AMOLED. Matthew Rollings/Wikimedia, CC BY

La technologie OLED pour les écrans de demain

Dans notre société, les écrans sont omniprésents : le smartphone dans la poche, la télévision dans le salon, l’ordinateur au bureau, les panneaux d’affichage dans la rue, etc. Naturellement, les industriels cherchent sans cesse à les rendre plus performants. Et c’est dans ce contexte qu’une nouvelle technologie d’affichage est aujourd’hui en plein développement : elle porte le nom d’OLED, abréviation de l’anglais organic light-emitting diodes.

Dans les faits, cette technologie n’est pas vraiment une nouveauté. Les travaux pionniers ont été menés durant les années 80, avec un premier brevet déposé en 1987, et une première application commerciale en 1997. Mais depuis lors, le nombre de brevets et de publications scientifiques ne cesse de croître. Pourquoi un tel engouement ?

Des atouts environnementaux et commerciaux

La technologie OLED a pour elle des atouts environnementaux et commerciaux. Jusqu’à présent, la plupart des signaux lumineux étaient en effet produits à l’aide de composés contenant des métaux rares. Or bien que leur qualification ne corresponde pas tout à fait à la réalité – ces éléments étant en réalité aussi abondants que d’autres sur Terre, mais plus difficiles à extraire de leurs gisements – ils posent de sérieux problèmes d’approvisionnement.

Tout d’abord, les méthodes d’extractions utilisées aujourd’hui font appel à des procédés très polluants, avec des rejets d’acides, de solvants, de métaux lourds ou encore de déchets radioactifs. Ensuite, au vu des normes environnementales à respecter et des coûts de production, les pays occidentaux concernés ont fermé leurs mines et abandonné cette filière. In fine, des États comme la Chine ont aujourd’hui le quasi-monopole de la production, et peuvent donc faire la pluie et le beau temps sur les marchés. Il y a donc urgence à développer des alternatives à l’usage des métaux rares. Et c’est précisément l’ambition de la technologie OLED, qui vise à s’appuyer sur des matériaux organiques pour émettre de la lumière.

Une diode multi-couches

Dans ses grands principes, l’architecture d’une diode OLED est relativement simple et s’apparente à une sorte de mille-feuilles. Différentes couches de matériau organique à base de carbone, d’oxygène, d’hydrogène et d’azote y sont empilées, prises en sandwich entre une cathode métallique (charge positive) et une anode transparente (charge négative). Avec une couche pour le transport des trous d’électrons, une autre pour l’émission de photons, et une dernière pour le transport des électrons : c’est la recombinaison d’une paire électron-trou d’électron qui va apporter l’énergie nécessaire à la couche émettrice pour émettre des photons, c’est-à-dire de lumière. Mais cela ne peut se faire sans la présence de molécules très particulières dans la couche émettrice.

OLED. Alaric Desmarchelier, Author provided (No reuse)

De fait, la lumière doit présenter plusieurs spécificités. En plus d’être émise sous un courant donné, il lui faut par exemple être polarisée de manière circulaire : le champ électromagnétique qui la compose tourne alors autour de son axe de propagation, ce qui permet aux photons de traverser les filtres anti-reflets positionnés sur l’écran. Or aujourd’hui, on ne connaît peu de molécules émettant une telle lumière et pouvant être utilisées de manière optimale dans des écrans OLED. C’est pourquoi à l’Université Paris-Saclay, des chercheurs du CEA travaillent aujourd’hui au développement de telles molécules.

Une construction en quatre étapes

Le travail se déroule en plusieurs étapes. Dans la première, il s’agit d’imaginer ces molécules en recourant à des modèles de simulation numérique. Ces modélisations conduisent à une approximation des propriétés des molécules, et permettent ainsi de savoir si elles peuvent s’intégrer dans des OLED. Une étape qui, nonobstant son apparente simplicité, peut prendre beaucoup de temps, suivant la complexité de ladite molécule. On use donc de compromis pour simplifier les calculs tout en conservant un bon niveau de fiabilité dans la modélisation.

Une fois la molécule candidate identifiée, la seconde étape peut démarrer : il s’agit d’en faire la synthèse en laboratoire. C’est l’étape la plus compliquée et la plus chronophage. On doit en effet envisager plusieurs voies de synthèses différentes, la plus simple n’étant pas toujours réalisable en laboratoire. De nombreuses conditions réactionnelles sont donc testées avant de trouver celle qui permettra d’obtenir le produit espéré.

Souvent, des structures moléculaires prometteuses, au vu des modélisations, doivent être abandonnées car il est impossible d’en faire la synthèse. Mais heureusement, dans environ 20 % des cas, les synthèses se déroulent normalement, et l’on peut amorcer la troisième étape : la caractérisation de la molécule d’intérêt. La vitesse à laquelle la molécule transmet son énergie sous forme de lumière, mais aussi la couleur et la quantité de lumière émise sont alors testées. Et les propriétés réelles sont évidemment confrontées à celles théorisées durant la modélisation.

Un tri enrichissant

Si l’une et l’autre ne coïncident pas, autrement dit si les spécificités requises sont absentes, la molécule est mise de côté. Mais les efforts n’auront pas été vains. C’est en effet le processus itératif d’essais, d’erreurs et de modifications qui permet de clarifier la relation entre la structure microscopique des molécules et leurs propriétés, et donc d’améliorer la capacité à imaginer puis identifier des molécules-candidates.

Ecran OLED lors d’une démonstration faite par Sony. CC BY

La quatrième et dernière étape est celle de l’intégration de la nouvelle molécule synthétisée dans la couche émettrice d’un prototype de dispositif OLED. Une étape à laquelle n’accèdent qu’environ 5 % des molécules candidates. Reste que depuis la modélisation des molécules et leurs propriétés jusqu’à la réalisation et caractérisation de prototypes d’OLED, le chemin est riche d’apprentissages pour les scientifiques. Sans compter que tout en répondant aux exigences d’un développement durable, ces recherches devraient rendre les futures OLED toujours plus performantes, avec par exemple la possibilité d’écrans souples et flexibles : le constructeur chinois Huawei a ainsi commercialisé un modèle de smartphone pliable avec écran OLED. Certains points devront toutefois être améliorés : la durée de vie des OLED, pour l’heure trop courte ; la grande sensibilité à l’humidité ; et surtout, le quasi-monopole des brevets par quelques grandes marques…