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Voir naître la technologie des écrans OLED de demain


​Le CEA, associé à l’ENS Paris-Saclay, et les universités de Rennes et de San José (USA), a développé de nouvelles molécules émettrices de lumière possédant des propriétés qui améliorent la consommation énergétique et la production lumineuse des diodes électroluminescentes organiques (OLEDs). Il s’agit de la première étude corrélant la structure et les propriétés de ce type de matériaux, à l’avenir prometteur dans les technologies d’affichage.

Publié le 22 octobre 2020

​Dans nos écrans OLED (Organic Light-Emitting Diode), la qualité de la lumière produite est fortement diminuée par les filtres antireflets qui les équipent (Schéma). En effet, ces filtres empêchent la réflexion de la lumière extérieure (soleil, éclairage public) sur la dalle de l’OLED, mais si le dispositif n’émet pas de lumière circulairement polarisée (voir paragraphe ci-dessous), 50 % de l’intensité lumineuse produite par la diode est perdue.  
En 2016, des travaux dirigés par des chercheurs du CEA-Joliot (Feuillastre et al., JACS, 2016) ont permis de développer des matériaux électroluminescents purement organiques (sans métaux rares) qui, par leur conception et leur structure, exploitent trois propriétés améliorant leur rendement « énergie consommée » versus « qualité de la lumière produite » :

  • l’émission de fluorescence retardée (ou Thermally Activated Delayed Fluorescence, TADF[1]), qui permet théoriquement de transformer toute l’énergie électrique en lumière (voir fait marquant) ;
  • l’augmentation de l’émission de lumière par agrégation - ou comment les luminophores conçus gagnent encore en rendement lorsqu’on augmente leur concentration et qu’on les agence en matériau solide, contrairement aux luminophores classiques qui voient leur rendement chuter à cette étape (Figure 1) ;
  • l’émission de lumière circulairement polarisée (LCP)[2], qui traverse les filtres antireflets placés sur les écrans sans atténuation de la lumière produite par la dalle OLED, phénomène très rare dans le monde organique.
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Schéma du phénomène diminuant le rendement des écrans OLED à cause de leurs filtres antireflet © L. Favereau (CNRS/ Université de Rennes)

Alors que les fluorophores émetteurs de LCP classiques sont intrinsèquement chiraux (coût de synthèse élevé), le concept de « perturbation chirale » permet de conférer des propriétés chiroptiques à un chromophore actif en lui accolant une unité chirale** disponible commercialement et qui possède déjà la géométrie spatiale recherchée (Figure 2). Dans la présente étude, les chercheurs associés au CEA-Iramis et au CEA-Leti, ont synthétisé une série de luminophores inédits afin de réaliser la première analyse systématique des relations structure/propriétés pour ce type de matériaux organiques et de comprendre les paramètres influant sur l’efficacité de la perturbation chirale et donc sur l’obtention des meilleures propriétés de ces matériaux. Certaines des molécules obtenues ont ensuite été intégrées dans les premières OLEDs émettrices de lumière circulairement polarisée, architecturées de telle sorte qu’elles puissent intégrer les dispositifs d’affichage portatifs haute-résolution.

Optimiser le phénomène de perturbation chirale était indispensable pour que les équipes puissent continuer à travailler à l’amélioration de la qualité de la lumière produite et obtenir un vrai matériau OLED révolutionnaire et exploitable pour l’industrie.

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Figure 1 : Illustration du gain de lumière des nouveaux luminophores lorsqu’ils s’agrègent (de gauche à droite : augmentation de la concentration) © L. Frédéric (SCBM/CEA)

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Figure 2 : Formulation chimique des nouveaux chromophores, intégrant les 3 propriétés permettant d’améliorer le rapport « quantité d’énergie consommée / qualité de la lumière produite » dans les systèmes d’affichage © G. Pieters (SCBM/CEA)

[1]L’électroluminescence repose sur l’excitation d’un luminophore par de l’énergie électrique, ce luminophore se « désexcitant » en émettant de la lumière. Les luminophores classiques « convertissent » 25 % de l’énergie électrique en lumière, alors que les luminophores à fluorescence retardée se désexcitent plus efficacement et ont des rendements théoriques pouvant atteindre 100 % (TADF : thermally activated delayed fluorescence).
[2]Lumière Circulairement Polarisée : La polarisation de la lumière s’assimile à l’ordonnancement des photons qui composent le flux lumineux : dans un flux « classique », les photons n’ont pas de mouvement ordonné, contrairement au  flux polarisé. « Circulairement polarisé » signifie que les photons suivent la même trajectoire circulaire le long du flux lumineux.

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