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OLED, Ecrans OLED
mardi 24 janvier 2017, par gerla
Du composé organique à l’écran OLED

Ecran plat, écran incurvé, super grand écran ou appareil nomade, Il n’y a jamais eu autant de supports permettant d’afficher les images numériques, qu’il s’agisse de télévision, de vidéo ou de photo, tout cela avec des qualités et des formats différents. Quelles réponses peuvent être apportées par la technologie, en particulier quand le regard se porte sur l’OLED en comparaison au LCD-LED  ? Cet article se propose de clarifier l’aspect technique des choses.

1- OLED, c’est quoi ? ,

Les toutes premières expériences réalisées à l’Université de Nancy (dans les années 1950) montrent qu’un rayonnement lumineux électroluminescent peut être obtenu quand une haute tension est appliquée à des matériaux organiques (molécules principalement composées de carbone, hydrogène, azote, oxygène, etc.). OLED est l’acronyme de Organic Light Emetting Diode. Plus généralement, les composés organiques (figure 1) sont organisés autour des atomes de carbone.

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Atome de carbonne et composés organiques

Les électrons gravitent autour du noyau et constituent le nuage électronique. La probabilité de trouver un électron dans une zone donnée constitue ce qu’on appelle l’orbitale atomique.

1-a/. Photon et couleur ,

Selon le modèle de Bohr, les électrons se répartissent autour du noyau avec différents niveaux d’énergie. Plus l’électron occupe une orbitale éloignée du noyau, plus le niveau d’énergie lui correspondant est élevé. Lorsqu’un électron excité (suite à un apport d’énergie provenant de l’extérieur) "redescend" sur un niveau inférieur plus stable, l’énergie est libérée sous la forme de photons (grains de lumière). Chaque photon émis est un quantum d’énergie (quantité élémentaire) fonction de la longueur d’onde (couleur) de la lumière émise.

Selon la règle de Klechkowski, les électrons sont répartis dans les orbitales d’énergies les plus faibles. En partant du noyau et par énergie croissante, les électrons occupent une première couche K (correspondant à l’orbitale 1s) saturée à 2 électrons, une seconde couche L (orbitales 2s et 2p) saturée à 8 électrons, une troisième couche M (orbitales 3s et 3p), etc.

1-b/. Molécule et réseau cristallin ,

Les atomes disponibles dans la nature ont une possibilité plus ou moins grande de se lier entre eux afin de former des molécules stables :

• Les liaisons chimiques unissent les atomes d’un même élément ou d’éléments différents pour former des molécules (chaque molécule est électriquement neutre) ;

• Il arrive que les atomes d’un corps pur soient unis entre eux par des liaisons à l’identique avec une géométrie particulière dans tout l’échantillon. C’est le cas de cristaux (diamant pour le carbone ou réseau cristallin de silicium, par exemple) ;

• Certaines molécules n’existent pas en tant que particule distincte. C’est le cas lorsque les liaisons inter atomiques donnent naissance à des ions qui sont des particules chargées électriquement (sel Na+ Cl- en solution dans l’eau, par exemple). Quand un atome capture un électron, il devient cation Cl- ; quand un atome perd un électron, il devient anion Na+.

Les gaz tels que le néon, l’argon, le krypton, le xénon (...) ont un caractère inerte . Cela traduit une grande stabilité. En cela, il est très difficile de former des molécules avec ces atomes :

• La couche externe des gaz inertes cités est constituée de 8 électrons (soit 4 pairs d’électrons de moments cinétiques opposés correspondant à un niveau d’énergie très bas) ;

• La liaison entre deux atomes à l’intérieur d’une molécule ou d’un réseau résulte de la mise en commun d’un doublet d’électrons, chacun des 2 électrons étant issu de l’un des 2 atomes liés ;

• Pour simplifier la représentation, on représente les liaisons entre atomes dans la molécule par des tirets (revoir la figure 1).

1-c/. Semi-conducteurs inorganique et organique ,

Le silicium est (sans surprise, avec plus de 90% des applications) le semi-conducteur le plus utilisé dans les puces électroniques et dans les systèmes d’affichage. Le silicium est utilisé sous sa forme cristalline (découpée en tranches). L’atome de silicium comporte 4 électrons sur sa couche externe (figure 2) . Dans le réseau cristallin, les doublets d’électrons constituent les liaisons entre les atomes. La couche externe de chaque atome du réseau comporte 8 électrons.

Dans le cas des semi-conducteurs organiques (revoir la structure partiellement représentée du polymère de la figure 1 ), les électrons des simples et doubles liaisons C-C se répartissent selon :

• des orbitales à bas niveau d’énergie (liaison forte correspondant à une bande de valence)  ;

• des orbitales à plus haut niveau d’énergie formant une bande de conduction et dans lesquelles les électrons peuvent "sauter" si de l’énergie est fournie ;

• à un électron manquant dans la bande de valence correspond un trou (charge positive). Si un électron (charge négative) de la bande de conduction descend dans un trou de la bande de valence, la recombinaison électron/trou (exciton) s’accompagne d’une émission d’énergie (photons et chaleur).

Au sens habituel, un semi-conducteur organique  :

• est isolant. Les porteurs de charge (électrons ou trous) ont une mobilité réduite  ;

• ne peut être dopé (par comparaison, le dopage par des impuretés convenablement choisies dans un réseau cristallin de silicium de façon à produire les structures P et N d’une jonction PN). Les charges ne viennent pas d’impuretés dopantes comme l’arsenic As ou le bore B ;

• est dit de type N si on peut y injecter plus facilement des électrons (charge négative) et de type P si on peut y injecter plus facilement des trous (charge positive).

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Semi-conducteur silicium, dopages N et P

Dans le semi-conducteur organique , la mobilité des charges électrique est faible (résistivité très élevée). Mais dans la mesure où l’épaisseur des matériaux utilisés est de plus en plus faible (quelques dizaines de nanomètres), il devient possible de s’accommoder de l’inconvénient de cette résistivité élevée du matériau organique.

1-d/. LED et OLED ,

L’OLED sous sa forme moderne (Kodak, fin des années 1970) est constitué d’un semi-conducteur organique pris entre 2 couches (figure 3) , la première (couche de transport ETL, Electron Transport Layer) étant chargée d’injecter les électrons dans la couche organique, la seconde (HTL, Hole Transport Layer) étant chargée d’injecter les trous. A l’injection correspond une barrière d’énergie.

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Structures LED et OLED

D’une injection équilibrée d’électrons et de trous et de la proximité des uns et des autres, il résulte de très nombreuses recombinaisons nommées excitons dans la couche d’émission (EML, Emission Layer). Chaque exciton (paire électron/trou) est susceptible de libérer de l’énergie  :

• pour 25% des excitons, l’énergie est libérée sous forme de lumière (photons) ;

• dans les autres cas, les excitons ne produisent pas d’électroluminescence.

Afin d’obtenir suffisamment de lumière pour rendre exploitable le procédé, il faut améliorer à la fois :

• le processus d’émission de lumière dans la structure OLED (qualité des couches de transport et ajout de couches dopées pour réduire les pertes ohmiques, dopage "optique" avec des matériaux phosphorescents pour récupérer sous forme lumineuse 100 % de l’énergie libérée par les excitons) ;

• la récupération et le g uidage du faisceau lumineux émis en direction de l’utilisateur (choix de l’indice de diffraction de la couche ITO et du verre, rugosité de la surface d’émission, microcavités , microlentilles , etc.).

2- Lumière produite avec l’OLED ,

Les panneaux OLED produisent de la lumière. La qualité globale de l’OLED et de la lumière produite dépend du choix des matériaux constituant les différentes couches. L’émission lumineuse d’une OLED peut s’étendre du rouge à l’ultraviolet (spectre très large) en fonction des matériaux utilisés. Il est également possible de fabriquer des sources OLED blanches pour l’éclairage.

• Le rendement évalue le nombre de photons émis vers l’extérieur par rapport au nombre d’électrons injectés (courant électrique). Pour les OLED phosphorescentes, il est de l’ordre de 20%. L’efficacité lumineuse est exprimée en lumen par watt ;

• Du point de vue colorimétrique , la qualité de la lumière émise est mesurée par l’indice de rendu des couleurs (CRI, utilisé pour caractériser les sources lumineuses en général) et la température de couleur (ou la température de couleur corrélée CCT).

Selon leur destination (grand écran de télévision ou petits écrans nomades), les panneaux de visualisation OLED sont réalisés selon deux techniques différentes (figure 4)  :

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Sous-pixels OLED RVB (RGB) et WRVB (WRGB)

• Sur les petits formats (smartphone, APN, ...), les composés organiques des sous-pixels RVB sont déposés sur le substrat par l’utilisation de masques perforés ou par d’autres procédés comme l’impression jet d’encre ou laser.

• Les dalles OLED qui sont majoritairement utilisées pour fabriquer les écrans de télévision sont de type WOLED (White OLED) . Sur ce type de dalle, chaque sous-pixel RVB ou RVBW est obtenu par des filtres couleur .

Des variantes sur la composition des pixels ont été développées dans le but d’obtenir un rééquilibrage des lumières produites et une meilleure perception de l’image. Il s’avère que la durée de vie des composés organiques à l’origine des couleurs RVB peut être très différentes en fonction :

• de la longueur d’onde de la lumière émise. Le choix des phosphores permet d’établir un compromis entre la durée de vie et la longueur d’onde recherchée proche de la valeur normalisée (CIE 1931) ;

• du flux lumineux recherché pour obtenir une luminance globale suffisante. Au flux lumineux correspond le courant dans l’OLED.

La figure 5 permet de comparer les performances d’un affichage LCD-LED et l’affichage sur un écran OLED ainsi que la structure des écrans pour téléviseurs et applications mobiles. A noter que certains moniteurs vidéo professionnels utilisent des dalles WOLED en "top emission" avec filtre de couleur.

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Qualités LCD/OLED et structures d’écran

3- Circuit de commande des panneaux OLED

Du point de vue de la consommation d’énergie , le panneau OLED n’utilise pas de rétroéclairage (contrairement au panneau LCD). La consommation d’énergie de chaque pixel du panneau OLED dépend du niveau de lumière et de la coloration du point affiché . Globalement, le panneau OLED consonne relativement peu d’énergie. En ce sens, les afficheurs OLED sont particulièrement bien adaptés aux produits nomades (smartphone, caméra, APN, ...) fonctionnant sur batterie.

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Driver OLED panel

Il est également possible de réduire la consommation d’énergie du panneau OLED au détriment d’une légère dégradation de l’image restituée, ce qui n’est pas de mise sur les écrans utilisés en contrôle (viseur de caméra ou d’APN, moniteur de contrôle).

Les panneaux habituellement utilisés sont de type AMOLED (Active-Matrix OLED). Le courant circulant dans chaque cellule (sous-pixel) détermine sa luminance . Afin de s’affranchir des résistances parasites (ROLED susceptibles de varier), chaque cellule OLED doit être commandée en courant. Le transistor driver fonctionne en source de courant quand la polarisation de grille (gate) est maintenue (figure 6) (capacité C).

En modulant l’amplitude de la commande, le courant dans la cellule est également modulé. Différentes solutions, avec des circuits driver plus complexes, peuvent être mises en oeuvre (PWM, rampe, ...). L’ensemble des circuits de commande d’affichage est géré par le T-CON (Timming Control).

Voir également le chapitre 2.4 du livre " Ecrans plats et vidéoprojecteurs " publié aux éditions Dunod.

4- Et pour terminer ..., les écrans de télévision

Les panneaux WOLED et émission “ bottom ” sont très généralement utilisés dans les récepteurs de télévision. Le schéma synoptique du téléviseur OLED (figure 7) est organisé autour d’un processeur graphique intégrant les fonctions de :

• démodulation COFDM (nécessaire à la réception TNT), décodage MPEG2/4/HEVC audio et vidéo ;

• régénération, reconfiguration des signaux HDMI, numérisation des contenus audio/vidéo analogiques ;

• sélection de la source et mise à disposition du signal audio de la source vers les éléments audio externes (SPDIF ou HDMI-ARC) ;

• les différents traitement de l’image et en particulier, le désentrelacement , le rééchantillonnage chrominance , la remise à l’échelle (scaler), l’amélioration de la fluidité des mouvements (motion) et la réduction de bruit , la conversion couleur (HDR), l’incrustation OSD (On Screen Display), les réglages de lumière, contraste, saturation, le gamma et des éléments d’adaptation à la transmission LVDS ;

• le traitement audio (correction de tonalité, équilibrage de voies, volume).

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Synoptique bloc diagram TV OLED

Un microcontrôleur prend encharge les interfaces utilisateur (clavier, récepteur infrarouge RIR de la télécommande, LED veille/marche et contrôle l’état des fonctions d’alimentation en énergie (non représentées sur la figure). Il contrôle également la sortie de veille (Power OK) et les circuits de sécurité (DC-prot).

Dans un but de simplification, on note que toutes les fonctions n’ont pas été représentées. En particulier et outre les circuits d’alimentation, il manque (par exemple) les éléments d’identification associés à la connexion HDMI ou à l’écran.

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