les diodes électroluminescentes organiques (oleds) · – merck (covion & avecia), dupont, dow...

Eclairage 2007 26 & 27 juin 2007 UTT de Troyes 1Bernard GEFFROY

Les diodes Les diodes éélectroluminescentes lectroluminescentes organiques (OLEDs):organiques (OLEDs):

vers de nouvelles sources dvers de nouvelles sources d’é’éclairageclairage

Bernard GeffroyLaboratoire Composants hybrides

CEA-LITENCEA/Saclay Gif sur Yvette, France

[email protected]


Plan

� Introduction

� Qu’est ce qu’une OLED

� Principe de fonctionnement

� Structure des diodes

� Les matériaux

� Petites molécules

� Polymères

� Performances

� Techniques de dépôt des films minces

� Diodes à émission blanche

� Comment obtenir de la lumière blanche

� Performance- état de l’art

� Conclusion


Diodes électroluminescentes organiques

• 25 ans de recherche & développement

• Technologie mature pour l’industrialisation– Installation de chaines de production

– Des produits commerciaux existent (PM-OLEDs, afficheurs ‘simples’, low content information)

• Marchés visés:– Visualisation: affichage simple

écran couleur

– Eclairage

• L’éclairage est encore au stade de la R&D


Produits commerciaux

MP3 : ~50% des écranssont des OLED


Vers la télévision

• Nombreux démonstrateurs

• Vers la grande taille (Démonstrateur 40”)SAMSUNG (2005)EPSON (2004)


Vers l’éclairage

< 20 lm/W <100 lm/W

NOVALED : record du mondeDéveloppement d’une OLEDverte avec une efficacité de110 lm/W à 1000 Cd/m2

( PRESS RELEASE, Dresde,February 16th 2005)


Basic device structure

Organic layer thickness : ~ 150 nm

Thin layer devices from organic dyes or conjugated polymers

Electroluminescence : Generation of light with electric field

The basic device structure

consists of:

1. A transparent electrode (ITO)

2. An emissive layer

3. A reflective electrode (metal)

Cathode (i.e. metal)

Emitting layer

Anode(i.e. Indium Tin Oxide)

~ 0-10 V DC

Substrate (glass)


Caractéristiques électrooptiques

OLEDs conduct in forward bias and do not conduct under reverse bias.The impedance drops exponentially with V for V>Vth.

Brightness is proportionalto the current

Diode behavior


Organic Light Emitting Diode : Principle

hν

HOMO

LUMO

+

-- -

Anode

Cathode-

- - - -+

-

Exciton

1 �� Charge carrier injection2 �� Charge carrier transport3 �� Charge recombination (exciton formation)4 �� Exciton diffusion5 �� Exciton recombination and photon emission

νh

+ -∆

123

5

12

+ -j

T

h+e-

4


Diode structures

Pope (1963)Helfrich (1965)

Thick crystals

Efficiency & stability

2-layers

EK US patent#4539507

Cathode

Anode

EML

HTL

Cathode

AnodeHTL

EMLDoped-EML

EK US patent#4769292

Heterostructures Cathode

Anode

EML/dopedHTL

ETL

P-doped

N-doped

PIN

1985 20021965

Cathode

Anode

EML/dopedHTL

ETL

HIL

HBL

Multilayers

HBLHole Blocking layer:Exciton confinement

Cathode

Anode

EML

Monolayer

~~~~Doped transportlayersK. Leo, U. Dresden


Matériaux organiques

• Avantages– Large gamme de matériaux– La chimie permet une grande flexibilité– Bas coût, grande surface, souplesse…

• Inconvénients – Durée de vie (sensibilité H2O, O2)– BAG, Encapsulation

• Fournisseurs matériaux– Merck (Covion & Avecia), Dupont, Dow Chemicals,

Xerox, Kodak– Dyes, Aldrich, nombreuses compagnies japonaises


Semi-conducteurs organiques


Les matériaux : petites molécules

Matériaux transportde trous

Dopants

RUBRENE

N

OAl

NO

O

N

Alq3

N

N

N

R

Dérivé oxadiazole

DPVBi

Matériaux transportelectrons ou matrice

Un point clé : la pureté des matériaux


Les matériaux : polymères


All colours are avaliable


Matériaux/performances• Petites molécules fluorescentes (Tang et al. 1987)

– Rt quantique externe* de 2 à 5%– Durée de vie quelques 10 000 à 100 000 h

• Polymers (Burroughes et al. 1990)– Rt quantique externe* de quelques %– Durée de vie quelques 10 000 h

• Molécules phosphorescentes (Baldo et al. 1998)– Rt quantique externe* de 10 à 20 %– Durée de vie de l’ordre de 20 000 h (vert) & 100

000 h (rouge) – bleu ‘profond’ (CIE < 0.15) pas encore disponible

• Dendrimères * Hyphothèse : extraction de lumière de 20%


Points fort des OLEDs

• Faible épaisseur

• Faible poids

• Forte brillance possible

• Grand angle de vue

• Temps de réponse rapide (vidéo)

• Faible consommation

• Toutes les couleurs accessibles (RVB, blanc)

• Faible tension de commande

• Flexibilité

• Plus large gamme de température (par rapport aux LCDs)


Substrats flexibles

• Possibilité d’utiliser des substrats souples

– Plastique, acier, papier, textile

• Problème majeur : encapsulation

Universal Display Corporation

L=200 cd/m2, e= 175 µm

Pixels : 400 µm x 500 µm

PLED Dupont Plastic Substrate


Points faibles des OLEDs

• Durée de vie» Principalement à température élevée (T > 100 °C)

• Vieillissement différentiel des couleurs» Bleu vieillit plus vite

• Sensibilité H2O, O2» Encapsulation avec bon effet barrière (pb du souple)

• Commande en courant» Résistance trop élevée de l’ITO, effet joule ---> grande surface

• Variation des couleurs avec la tension» Matériaux, épaisseurs, barrière aux interfaces

• Faible contraste à la lumière ambiante (cathode= miroir)

» Solutions existent mais en général la brillance diminue


Les techniques de dépôt des films organiques

� Dépôt par évaporation (petites molécules)• évaporation à partir de sources ponctuelles• évaporation à partir de sources linéaires• dépôt en phase vapeur• sources à vanne• ...

� Dépôt en solution (polymères)• spin-coating• impression jet d’encre• photolithographie• offset• flexographie• héliographie• ...

� Autres• Laser Induced Thermal Imaging• ...


Electronique plastique


White OLEDs fabrication Various methods have been used to fabricate white OLEDs

� Solution-processed WOLEDs (polymer with several chromophores in monolayer)

� Multiple emissive layers (stacked layers)

� Multiply doped-emissive layer

� WOLEDs based on excimer or exciplex emission

� Down conversion by phosphores

+ lower manufacturing costs- lower efficiency (< 15 lm/W)

+ each layer optimized to perform a particular function- higher operating voltage and color shift with voltage

+ more stable color with driving voltage- lower choice of adequat materials

+ reduced number of different materials and broad emission- lower efficiency

+ more robust to colour shifting- lower efficiency


WOLEDs: State of the art

Ref: D’Andrade et al., Adv. Mater., 2004, 16, No 18, 1585


Device engineering

Sun et al., Nature, vol. 440 (2006), 908

ηext ~19%

ηp ~ 38 lm/W

CRI = 85


Lighting panel from GE

Source: General Electrics

Performances at 1000 cd/m²

15 lm/W

CCT: 4400 K

CRI: 88

CIE: x= 0.36; y= 0.36

Size : 2 ft x ft

Equivalent to a 80W bulb


Projets éclairage à base d’OLEDs

� USA

� 19 projets en cours (source DOE)

� Europe

� projet OLLA (PF6)

coordonné par Philips

En 2006 Philips & Novaled: ηp = 32 lm/W, CRI = 88, 20 000hrs


Conclusion

� Technologie OLED mature pour l’industrie du display

� Pour l’éclairage au stade R&D

� efficacité obtenue en laboratoire ( ~40 lm/W) > ampoule

� emission blanche de bonne qualité (CRI > 70)

� possibilité de moduler le blanc

� Intérêt pour l’éclairage

� source lumineuse ‘étendue’

� aspect souple � nouveau design de luminaire

� Nécessité de réduire les coup de fabrication (/ techno. display)

� Gestion électrique �� effet joule, chute ohmique (ITO)

� Durée de vie (vieillissement différentiel des couleurs)

les diodes électroluminescentes organiques (oleds) · – merck (covion & avecia), dupont, dow...

Documents