QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Titre, nom, équipe, déjeuner de la technologie. Présenter l’équipe LUMEN et l’équipe CANDELA

OLED et nanostructures : applications à l’affichage et à l’éclairage  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. Titre, nom, équipe, déjeuner de la technologie. Présenter l’équipe LUMEN et l’équipe CANDELA BERNARD GEFFROY du Commissariat à l’Energie Atomique - CEA Saclay

Plan de l’intervention  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures 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 Introduction avec un message à faire passer : La filière électronique organique pourrait bien être plus simple à mettre en oeuvre que la filière silicium

Qu’est ce qu’un semi-conducteur organique ?  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Qu’est ce qu’un semi-conducteur organique ? 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 ? Point commun : Liaison covalente = double liaison : (électrons mis en commun par les atomes) permet une semi-conductivité. organique contre silicium -Définition des matériaux organiques -Propriétés des matériaux organiques en les comparant au silicium ou autres matériaux cristallin -Mise en œuvre des organiques en les comparant aux semi-conducteurs cristallins - 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) Un cristal semi-conducteur fait d’ATOMES de silicium assemblés

L’électroluminescence organique  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 Energie des électrons Niveau d’énergie des électrons libres (conduction) L U M O Bande de conduction Semi-conducteur cristallin ORGANIQUE Niveau d’énergie des électrons qui assurent la cohérence du cristal H O M O Bande de valence L’électroluminescence. Expliquer la différence entre absorbtion et émission. Homo lumo. Pour passer d’un niveau d’énergie à un autre plus haut il faut fournir de l’energie e- LUMO Émission de lumière Energie de Gap HOMO

Une bibliothèque de matériaux organique  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Une bibliothèque de matériaux organique La filière organique offre une bibliothèque de matériaux beaucoup plus large que les semi-conducteurs cristallin Green Emitter Al(Q 3) tris (8-hydroxyquinolinate d’aluminium) 6,6’-bis(2-cyano 2’-alkylcarboxylate)-N,N’-dialkyl-3,3’-bicarbazolyl max photolum. = 575 nm YELLOW EMITTERS 5,6,11,12Tetraphenylnaphtacene max photolum. = 550nm Para-dialkylamino (,’-cyano alkylcarboxylate)-styrene max photolum. = 583 nm Red Emitters PteOEP Nile REd DCM2 organique contre silicium -Définition des matériaux organiques -Propriétés des matériaux organiques en les comparant au silicium ou autres matériaux cristallin -Mise en œuvre des organiques en les comparant aux semi-conducteurs cristallins -

Produire de la lumière en injectant des électrons ?  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Produire de la lumière en injectant des électrons ? 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 Electrode Matériau Organique électroluminescent Electrode Injecter des électrons libre en espérant obtenir des recombinaisons et donc de l’émission de lumière électrons LUMO e- e- e- Emission de lumière Trous HOMO + +

Une barrière à électrons pour produire plus de lumière !  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Une barrière à électrons pour produire plus de lumière ! Une barrière à électrons : une DIODE des rendements de quelques % comparable au LED de la filière électronique semi-conducteurs cristallins Electrode Matériau Organique 1 Matériau Organique 2 Electroluminescent Electrode électrons LUMO La diode : une barrière qui force les recombinaisons à avoir lieu au milieu e- e- LUMO Emission de lumière Trous HOMO + HOMO

Des couches de transports avec des niveaux à adapter.  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Des couches de transports avec des niveaux à adapter. 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 La diode : une barrière qui force les recombinaisons à avoir lieu au milieu

QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Bernard Geffroy

Mélange des couleurs Bleu +Jaune = Blanc  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Mélange des couleurs Bleu +Jaune = Blanc Bernard Geffroy

Electronique organique : les matériaux  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Electronique organique : les matériaux Avantages Chimie : flexibilité => fonctionnalisation Bas coût, grande surface, souplesse… Faible investissement (usine) : permet marchés de niche Inconvénients Durée de vie, performances encapsulation Bernard Geffroy Fournisseurs matériaux MERCK (AVECIA et COVION), DUPONT,DOW CHEMICALS, XEROX, KODAK… DYES, ALDRICH

Toutes les couleurs du visible  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Toutes les couleurs du visible Bernard Geffroy

Les technologies associées : deux voies possibles  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Les technologies associées : deux voies possibles Voie sèche Évaporation sous vide Voie humide Impression, enduction Epson Bernard Geffroy

Objets commerciaux à afficheur OLED/PLED  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Objets commerciaux à afficheur OLED/PLED Bernard Geffroy MP3 : 40% des écrans sont des OLED

Prototypes écran OLED QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Prototypes écran OLED 2005 SAMSUNG 1 dalle de 40’’ Bernard Geffroy 2004 EPSON 4 dalles de 20’’

Possibilité de dispositifs flexibles  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Possibilité de dispositifs flexibles Bernard Geffroy Universal Display Corporation L=200 cd/m2, e= 175 µm Pixels : 400 µm x 500 µm PLED Dupont Plastic Substrate

Nouvelles sources d’éclairage  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Nouvelles sources d’éclairage SSL (Solid State Lighting) LED AlGaInN Source ponctuelle Bernard Geffroy OLED Petites molécules polymères Film mince Ep ~ < 1 mm Surface conformable Source étendue

Nouveaux concepts d’éclairage  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE 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 Bernard Geffroy

WOLED: état de l’art QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures WOLED: état de l’art Bernard Geffroy Performances à 1000 cd/m² 15 lm/W CCT: 4400 K CRI: 88 CIE: x= 0.36; y= 0.36 Equivalent ampoule 80W Source: General Electrics

OLED Eclairage 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 Bernard Geffroy PRESS RELEASE Dresden, February 16th 2005

OLED, électronique organique, une filière alternative  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures OLED, électronique organique, une filière alternative Bernard Geffroy Merci pour votre attention 

Résumé et comparaison des propriétés  QUATRIÈME DÉJEUNER DE LA TECHNOLOGIE Nanotechnologies : matériaux et structures Résumé et comparaison des propriétés Propriétés : Comparaisons 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. 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 organique contre silicium -Définition des matériaux organiques -Propriétés des matériaux organiques en les comparant au silicium ou autres matériaux cristallin -Mise en œuvre des organiques en les comparant aux semi-conducteurs cristallins -