Émission de lumière torsadée : améliorer l'efficacité de l'électronique future

Les ampoules ont été inventées pour fournir un éclairage constant et le rendre accessible au grand public. Des recherches et des expérimentations continues visant à les rendre plus économiques ont conduit au développement des diodes électroluminescentes (LED).

La technologie LED a été inventée il y a plus de cinq ans par le scientifique Nick Holonyak Jr. alors qu'il travaillait chez General Electric, qui la qualifiait de « la technologie magique ».

À mesure que les LED s’améliorent au fil du temps, elles deviennent plus lumineuses, plus rentables et plus fiables, ce qui conduit à leur adoption généralisée dans les feux de circulation, remplaçant les ampoules à incandescence.

Aujourd’hui, les ampoules « jaunes » traditionnelles sont limitées à des applications spécifiques, tandis que les LED sont en tête des applications d’éclairage général grâce à leur efficacité énergétique supérieure, leur durée de vie plus longue et leur polyvalence.

Bien sûr, l'innovation ne s'arrête jamais. L'invention des LED a d'ailleurs ouvert la voie aux OLED (diodes électroluminescentes organiques), également appelées diodes électroluminescentes organiques.

C'est le résultat de recherches menées par des chercheurs sur la possibilité d'utiliser des composés organiques au lieu de matériaux inorganiques pour obtenir le même effet que les LED, qui génèrent de la lumière en faisant passer l'électricité à travers un matériau semi-conducteur. 

Le premier appareil OLED a été construit en 1987 par les scientifiques Steven Van Slyke et Ching Tang de la société Eastman Kodak.

Alors que les LED et les OLED utilisent l'électricité pour produire de la lumière, les OLED émettent de la lumière grâce à des matériaux organiques. Ces LED organiques utilisent des matériaux à base de carbone, ce qui leur permet d'offrir des écrans plus fins, une meilleure reproduction des couleurs et des temps de réponse plus rapides que les LED traditionnelles.

La technologie OLED a ainsi trouvé sa place dans les smartphones, les téléviseurs et autres appareils électroniques haut de gamme. Cependant, malgré son développement rapide, elle n'a pas encore été largement adoptée.

Un aperçu de la technologie OLED

Maintenant, examinons de plus près les OLED. Contrairement aux LED, les diodes électroluminescentes organiques sont des sources lumineuses diffuses car elles sont constituées de feuilles. En revanche, les LED sont des sources lumineuses concentrées et ponctuelles.

La lumière diffuse des OLED permet de les utiliser très près de la surface de travail et de ne pas éblouir l'utilisateur. Cela permet d'obtenir l'éclairement souhaité avec moins de lumière, ce qui les rend très efficaces.

La flexibilité des OLED permet quant à elle de les fabriquer dans presque toutes les formes, élargissant ainsi les possibilités de conception et permettant une nouvelle expérience d'éclairage.

En ce qui concerne la structure de l'OLED, ce dispositif à semi-conducteurs contient une série de fines couches semi-conductrices à base de carbone entre deux électrodes conductrices, une anode et une cathode. 

L'appareil émet de la lumière lorsque des électrodes adjacentes appliquent un courant électrique. Pour que la lumière s'échappe de l'appareil, au moins une des électrodes doit être transparente.

En contrôlant la quantité de courant électrique appliquée, l’intensité de la lumière émise peut être ajustée. 

Quant à la couleur de la lumière, elle est déterminée par le type de matériau émissif utilisé. Par exemple, la lumière blanche est créée à l'aide d'émetteurs rouges, verts et bleus, qui peuvent être disposés selon différentes configurations.

D'autres types d'OLED comprennent les OLED blancs, transparents, à matrice active, à matrice passive, pliables et à émission par le haut.

Aujourd'hui, les écrans OLED dominent la technologie d'affichage des smartphones. En effet, les écrans OLED sont non seulement fins et performants, mais aussi transparents, flexibles et pliables, tout en offrant une qualité d'image optimale. De larges angles de vision et un contraste élevé constituent d'autres avantages de la technologie OLED par rapport aux écrans traditionnels.

Cliquez ici pour découvrir comment les OLED révolutionnent les caméras de vision nocturne.

L'adoption croissante de la technologie OLED

Le marché mondial des OLED a connu une croissance significative au cours des dernières années et continuera de croître dans les années à venir.

Le marché est en fait devrait croître à un TCAC de 13.20% entre 2022 et 2029, atteignant une taille de 104.4 milliards de dollars.

Le principal moteur de cette croissance est la demande croissante du secteur de l'électronique grand public. De plus, le marché croissant des objets connectés et l'intégration des écrans OLED dans les dispositifs de réalité augmentée et de réalité virtuelle offrent de nouvelles opportunités de croissance.

Ensuite, il y a l’émergence de écrans OLED flexibles et pliables, une nouvelle tendance prometteuse, promettant la commodité d'un écran plus grand dans un format compact. Ces écrans permettent des conceptions et des applications innovantes pour des expériences uniques.

Les écrans OLED trouvent également de plus en plus d'applications dans les systèmes d'infodivertissement, les tableaux de bord et les systèmes de divertissement arrière. La demande croissante de véhicules électriques et l'intégration de systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS) devraient contribuer à leur croissance dans le secteur automobile.

Outre les écrans, la technologie OLED présente également un potentiel dans le secteur de l'éclairage, offrant un excellent rendu des couleurs, un éclairage uniforme et la possibilité de créer des designs d'éclairage uniques. L'intérêt croissant pour les solutions d'éclairage écoénergétiques, combiné au développement de panneaux OLED plus grands, offre des opportunités de croissance pour l'éclairage commercial, architectural et décoratif.

Un autre facteur qui stimule la croissance du marché OLED est l’avancée technologique continue, qui comprend des matériaux plus efficaces, des méthodes d’encapsulation et des processus de fabrication qui offrent des performances améliorées, une réduction des coûts et une durée de vie plus longue.

Cependant, malgré des progrès significatifs en matière de performances et une utilisation généralisée dans les écrans de smartphones, les OLED sont encore confrontés à de nombreux défis. 

Le coût est l'un des principaux défis du marché OLED. Ce coût de production élevé s'explique par le fait que les écrans OLED nécessitent des matériaux organiques coûteux et des procédés de fabrication complexes, ce qui les rend plus onéreux que les technologies traditionnelles comme l'écran LCD. 

Un autre problème qui se pose lors du processus de production est celui du rendement : un simple défaut peut entraîner la non-fonctionnement d'un grand nombre d'écrans OLED. De plus, la dépendance à des matériaux organiques spécifiques crée un problème de chaîne d'approvisionnement.

Il y a ensuite la question de la durée de vie limitée des écrans OLED, en plus de l'efficacité énergétique, qui est cruciale pour minimiser la consommation d'énergie et améliorer la durée de vie de la batterie des appareils portables.

Un autre facteur limitant est l'incapacité à stabiliser des émetteurs bleus efficaces. La technologie OLED est également concurrencée par d'autres technologies d'affichage, comme l'écran LCD (écran à cristaux liquides), qui domine encore le marché, et la micro-LED, qui, bien qu'en phase de commercialisation précoce, offre une durée de vie potentiellement plus longue. 

De plus, les limitations techniques, telles que le risque de brûlure d’image et l’uniformité sur les grands écrans, doivent également être surmontées grâce à l’amélioration des matériaux d’affichage, des architectures et des processus de fabrication.

Les chercheurs s’attaquent activement à ces limitations, avec une avancée récente particulièrement révélatrice de l’énorme potentiel d’amélioration de l’efficacité des écrans OLED sur les téléviseurs et les smartphones.

Améliorer l'efficacité des OLED grâce aux semi-conducteurs chiraux

Des chercheurs de l'Université de Cambridge et de l'Université de technologie d'Eindhoven ont développé un semi-conducteur organique qui émet une lumière polarisée circulairement en induisant les électrons à se déplacer selon un motif en spirale. 

Cet objectif a été atteint en relevant un défi vieux de plusieurs décennies dans le domaine des semi-conducteurs organiques, qui pourrait non seulement améliorer l'efficacité de l'écran OLED, mais également ouvrir la voie à des technologies de nouvelle génération telles que la spintronique et l'informatique quantique.

La recherche publié dans la revue Science¹ a noté l'intérêt significatif que suscite l'introduction de la chiralité dans les matériaux semi-conducteurs afin d'obtenir une forte luminescence polarisée circulairement (CPL), qui est faible dans les OLED existantes.

Les systèmes OLED efficaces actuels utilisent des molécules électroluminescentes isolées spatialement dans un hôte, ce qui produit un CPL faible. 

Bien que des tentatives aient été faites pour obtenir un CPL élevé, elles n'étaient pas compatibles avec les architectures optimisées des dispositifs OLED. Cependant, des chercheurs récents ont réussi à créer un semi-conducteur organique qui induit le déplacement des électrons selon un motif en spirale.

Cela est dû à une nouvelle méthode de création de films minces et uniformes à partir de nanostructures supramoléculaires chirales à base de molécules de triazatruxène. Cette méthode est parfaitement adaptée à la fabrication d'OLED et présente un CPL vert élevé. 

« Il s'agit d'une véritable avancée dans la fabrication d'un semi-conducteur chiral. En concevant soigneusement la structure moléculaire, nous avons couplé la chiralité de la structure au mouvement des électrons, une innovation jamais réalisée à ce niveau. »

– Professeur Bert Meijer de l’Université de technologie d’Eindhoven. 

Le semi-conducteur chiral développé émet une lumière polarisée circulairement, ce qui signifie que la lumière transporte des informations sur la « directionnelité » des électrons. 

Le problème est que la structure interne de la plupart des semi-conducteurs inorganiques est symétrique, de sorte que les électrons ne se déplacent dans aucune direction préférée. 

Dans la nature, les molécules présentent généralement une structure chirale, soit gauchère, soit droite. Les molécules chirales (comme l'ADN) sont des images miroir les unes des autres, et la chiralité joue un rôle essentiel dans les processus biologiques. Cependant, il est difficile d'exploiter et de contrôler l'électronique.

Pour créer un semi-conducteur chiral, les chercheurs se sont inspirés de la nature. Ils ont déplacé des empilements de molécules semi-conductrices pour former des colonnes spirales ordonnées, droites ou gauches. 

Ces semi-conducteurs chiraux sont prometteurs dans le domaine des technologies d'affichage, où les produits actuels ont tendance à gaspiller beaucoup d'énergie en raison de la façon dont la lumière est filtrée par les écrans. Le nouveau semi-conducteur chiral me, quant à lui, émet naturellement de la lumière de manière à réduire ces pertes, rendant ainsi les écrans plus lumineux et plus économes en énergie.

Selon le professeur Sir Richard Friend du laboratoire Cavendish de Cambridge, qui a codirigé la recherche :

« Quand j'ai commencé à travailler sur les semi-conducteurs organiques, beaucoup doutaient de leur potentiel, mais aujourd'hui, ils dominent la technologie d'affichage. Contrairement aux semi-conducteurs inorganiques rigides, les matériaux moléculaires offrent une flexibilité incroyable, nous permettant de concevoir des structures entièrement nouvelles, comme les LED chirales. C'est comme travailler avec un jeu de Lego de toutes les formes imaginables, plutôt qu'avec de simples briques rectangulaires. »

Le matériau utilisé comme base du semi-conducteur est le triazatruxène (TAT), qui s'assemble en une pile hélicoïdale (spirale) de six molécules. Cela permet aux électrons de s'enrouler le long de sa structure, contribuant ainsi à l'obtention du CPL observé. 

Lorsqu'il est exposé à la lumière UV, le TAT auto-assemblé « émet une lumière verte brillante avec une forte polarisation circulaire ». Le co-auteur Marco Preuss de l'Université de technologie d'Eindhoven a noté que cet effet était assez difficile à obtenir dans les semi-conducteurs, du moins jusqu'à présent. 

« La structure du TAT permet aux électrons de se déplacer efficacement tout en affectant la façon dont la lumière est émise. »

– Preuss

L’évolution des méthodes de fabrication des OLED a permis aux chercheurs d’utiliser avec succès le TAT dans les OLED à polarisation circulaire (CP-OLED), qui ont démontré des niveaux de luminosité, d’efficacité et de polarisation remarquables.

L'étude a montré que les OLED présentaient des rendements quantiques externes atteignant 16 % et des dissymétries d'électroluminescence inférieures ou équivalentes à 10 %. Selon Rituparno Chowdhury, co-auteur principal du laboratoire Cavendish de Cambridge :

« Nous avons essentiellement repensé la recette standard de fabrication des OLED, comme celles de nos smartphones, en intégrant une structure chirale dans une matrice stable et non cristallisante. Cela offre un moyen pratique de créer des LED à polarisation circulaire, une technologie longtemps restée inexploitée. »

Outre les écrans, le dernier développement a également des implications pour l'informatique quantique ainsi que pour la spintronique, où le moment angulaire inhérent (ou spin) des électrons est utilisé pour stocker et traiter des informations pour des systèmes informatiques plus rapides et plus sûrs.

En ce qui concerne l’adoption dans le monde réel, cette avancée pourrait commencer à voir ses applications commerciales dans la technologie d’affichage dans les 3 à 5 prochaines années, tandis que les applications en spintronique et en informatique quantique pourraient se développer au cours de la prochaine décennie.

Entreprise innovante

Universal Display Corporation (OLED )

Universal Display Corporation (UDC) est un leader dans le développement et la commercialisation de technologies OLED destinées aux écrans plats, à l'éclairage et à l'électronique organique. C'est également un fournisseur clé de matériaux et technologies organiques pour les écrans et l'éclairage OLED. 

Fondée il y a une trentaine d'années, UDC a pour objectif de créer la prochaine génération d'écrans. Sa technologie et ses matériaux exclusifs sont utilisés dans des produits OLED commerciaux du monde entier, notamment des smartphones, des montres connectées, des tablettes, des téléviseurs, etc. Les téléviseurs OLED de LG et la série Galaxy de Samsung en sont les exemples les plus marquants. UDC détient plus de 6,000 XNUMX brevets délivrés et en instance dans le monde entier.

L'entreprise est spécialisée dans la recherche, le développement et la commercialisation de matériaux OLED phosphorescents (PHOLED), qui offrent une efficacité supérieure et des performances améliorées. 

Avec une capitalisation boursière de 7.425 milliards de dollars, l'action USD s'échange à 156.41 dollars au moment de la rédaction de cet article, en hausse de 6.98 % depuis le début de l'année. Son BPA (sur 4.65 mois) est de 33.64, son ratio cours/bénéfice (sur 1.15 mois) de XNUMX et son rendement en dividendes est de XNUMX %.

Il y a un mois, Universal Display Corporation annoncé ses résultats financiers, qui ont révélé un chiffre d'affaires de 162.3 millions de dollars au quatrième trimestre 4, contre 2024 millions de dollars au même trimestre de 158.3.

Le chiffre d'affaires des ventes de matériaux a progressé à 93.3 millions de dollars au cours de cette période, grâce à une demande accrue pour les matériaux émetteurs de la société. Les redevances et droits de licence ont contribué à hauteur de 64.4 millions de dollars au chiffre d'affaires, qui a diminué en raison d'une réduction des ajustements de rattrapage cumulés.

Au quatrième trimestre, le coût des ventes de matières premières s'est élevé à 4 millions de dollars, grâce à la hausse du volume unitaire de matières premières, et la marge brute totale s'est établie à 34.2 %. Le résultat d'exploitation s'est élevé à 77 millions de dollars et le résultat net à 52.5 millions de dollars, soit 46.0 dollar par action diluée.

Pour l'ensemble de l'exercice, la société a enregistré un chiffre d'affaires total de 647.7 millions de dollars, en hausse de 12.36 % par rapport à l'année précédente. Ce chiffre comprend 365.4 millions de dollars provenant des ventes de matériaux, pour un coût de 137 millions de dollars, et 266.8 millions de dollars provenant des redevances et des droits de licence.

Le résultat d'exploitation s'est élevé à 238.8 millions de dollars, tandis que le résultat net s'est élevé à 222.1 millions de dollars, soit 4.65 dollars par action diluée en 2024, contre 203 millions de dollars, soit 4.24 dollars par action diluée en 2023.

UDC a également signalé 8.9 millions de dollars de coûts de restructuration liés à la fermeture prévue de son site OVJP en Californie.

Parlant de « l'année record de performances financières solides », Brian Millard, vice-président et directeur financier d'UDC, a souligné la croissance et les progrès observés dans l'ensemble du secteur OLED. 

Les entreprises élargissent leurs feuilles de route de produits et les principaux fabricants de panneaux investissent dans de nouvelles usines pour répondre à la demande croissante, en particulier sur les marchés émergents de l'informatique et de l'automobile, a déclaré Millard, ajoutant :

« Nous pensons que ce nouveau cycle d’investissement ouvrira la voie à de nouvelles capacités OLED significatives, à de nouveaux produits OLED et à de nouveaux utilisateurs OLED. »

Pour cette année, UDC prévoit que son chiffre d'affaires se situera entre 640 et 700 millions de dollars, notant que « l'industrie OLED reste à un stade où de nombreuses variables peuvent avoir un impact important sur les résultats ».

La société a également annoncé un dividende en espèces de 0.45 $ par action pour le premier trimestre 2025, payable le 31 mars 2025 à tous les actionnaires.

« En tant que pionnier et leader de l'écosystème, nous sommes bien placés pour continuer à soutenir nos clients et à permettre à l'industrie de se développer grâce à notre portefeuille croissant de matériaux phosphorescents à haute efficacité énergétique et de technologies OLED. »

– Directeur financier Millard

Dernières nouvelles sur Universal Display Corporation

Conclusion

L'évolution des diodes électroluminescentes (DEL) a considérablement amélioré les technologies d'affichage et d'éclairage. Grâce à cette avancée, la technologie OLED offre une meilleure qualité d'image, un design plus fin et plus léger, ainsi que de la flexibilité et de l'innovation. 

Bien que la technologie OLED ait considérablement progressé depuis ses débuts, elle est confrontée à des défis en termes d'efficacité et de coût. De ce fait, les avancées récentes dans le domaine des semi-conducteurs chiraux marquent un tournant dans son développement.

La capacité à contrôler le mouvement des électrons et à émettre une lumière polarisée circulairement avec une grande efficacité pourrait transformer considérablement la technologie d'affichage. Elle ouvrirait également la voie à de nouvelles possibilités en informatique quantique et en spintronique. 

Avec les applications commerciales de cette innovation à l’horizon, cette recherche pourrait redéfinir le fonctionnement de l’électronique et conduire à des appareils électroniques plus économes en énergie et plus performants dans un avenir proche.