Émission de Lumière Tordue : Améliorer l’Efficacité des Électroniques Futures

Les ampoules ont été inventées pour fournir un éclairage constant et le rendre accessible au grand public. La recherche continue et les expériences visant à les rendre plus économiques ont conduit au développement des diodes électroluminescentes, ou LED.

La technologie LED a été inventée il y a plus d’une demi-décennie par le scientifique Nick Holonyak Jr. alors qu’il travaillait chez General Electric (GE.TO ), qui l’a qualifiée de “la magique”.

À mesure que les LED s’améliorent avec le temps, elles deviennent plus lumineuses, plus économiques et plus fiables, ce qui conduit à leur adoption généralisée dans les feux de signalisation, remplaçant les ampoules à incandescence.

Aujourd’hui, les ampoules « jaunes » traditionnelles sont limitées à des applications spécifiques, tandis que les LED dominent les 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. En fait, l’invention des LED a ouvert la voie aux OLED — diodes électroluminescentes organiques, également appelées diodes électroluminescentes organiques.

Cela résulte des chercheurs qui ont exploré 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 le courant électrique à travers un matériau semi-conducteur.

Le premier dispositif OLED a été construit en 1987 par les scientifiques Steven Van Slyke et Ching Tang chez Eastman Kodak Company (KODK ).

Alors que les LED et les OLED utilisent tous deux l’électricité pour produire de la lumière, les OLED émettent de la lumière à l’aide de 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.

En conséquence, la technologie OLED s’est frayée un chemin dans les smartphones, les téléviseurs et d’autres appareils électroniques haut de gamme. Cependant, bien que la technologie OLED se développe rapidement, elle n’a pas encore atteint une adoption généralisée.

Un aperçu de la technologie OLED

Maintenant, examinons de plus près les OLED. Les diodes électroluminescentes organiques, contrairement aux LED, sont des sources de lumière à zone diffuse car elles sont fabriquées sous forme de feuilles. En revanche, les LED sont des sources de lumière concentrées, de petits points.

La lumière diffuse des OLED permet de les utiliser très près de la surface de travail sans créer d’éblouissement pour l’utilisateur. Cela signifie qu’on peut obtenir l’illuminance souhaitée avec moins de lumière, ce qui les rend très efficaces.

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

En ce qui concerne la structure des OLED, cet appareil à l’état solide contient une série de couches semi-conductrices fines à base de carbone entre deux électrodes conductrices, une anode et une cathode.

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

En contrôlant la quantité de courant appliqué, on peut ajuster l’intensité de la lumière émise.

Quant à la couleur de la lumière, elle est déterminée par le type de matériau émissif utilisé. Par exemple, la lumière blanche est créée en utilisant des émetteurs rouge, vert et bleu qui peuvent être disposés selon plusieurs configurations.

D’autres types d’OLED comprennent les OLED blancs, transparents, à matrice active, à matrice passive, pliables et à émission supérieure.

Aujourd’hui, les OLED sont la technologie d’affichage dominante pour les smartphones. Cela s’explique par le fait que les écrans OLED ne sont pas seulement fins et efficaces, mais aussi transparents, flexibles et pliables tout en offrant la meilleure qualité d’image. Les larges angles de vision et un contraste élevé sont d’autres avantages de la technologie OLED par rapport aux technologies d’affichage traditionnelles.

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 nombreuses dernières années et continuera de croître dans les années à venir.

Le marché est en fait prévu de 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 dans le secteur de l’électronique grand public. De plus, le marché en expansion des appareils portables 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 des écrans OLED flexibles et pliables, une tendance nouvelle et passionnante, promettant la commodité d’un écran plus grand dans un format compact. Ces écrans permettent des conceptions de produits innovantes et des applications pour des expériences uniques.

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

En plus des écrans, la technologie OLED possède également un potentiel dans le secteur de l’éclairage, offrant un excellent rendu des couleurs, une illumination uniforme et la capacité de créer des designs d’éclairage uniques. L’accent croissant sur les solutions d’éclairage à haute efficacité énergétique, combiné au développement de panneaux OLED plus grands, ouvre des opportunités de croissance dans l’éclairage commercial, l’éclairage architectural et les applications d’éclairage décoratif.

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

Cependant, malgré les avancées significatives en termes de performances et leur adoption généralisée dans les écrans de smartphones, les OLED font encore face à de nombreux défis.

Le coût est l’un des principaux défis du marché OLED. Le coût de production élevé est dû au fait que les écrans OLED nécessitent des matériaux organiques coûteux et des processus de fabrication complexes, ce qui les rend plus chers que les technologies traditionnelles comme le LCD.

Un autre problème qui apparaît pendant le processus de production est le rendement, car un petit défaut peut entraîner un nombre important d’écrans OLED non fonctionnels. De plus, la dépendance à des matériaux organiques spécifiques crée un problème de chaîne d’approvisionnement.

Ensuite, il y a 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 l’autonomie des appareils portables.

Un autre facteur limitant est l’incapacité à stabiliser des émetteurs bleus efficaces. La technologie OLED fait également face à la concurrence d’autres technologies d’affichage, comme le LCD (affichage à cristaux liquides), qui domine toujours le marché, et le micro-LED, qui, bien qu’encore à un stade précoce de commercialisation, offre potentiellement des durées de vie plus longues.

De plus, des limitations techniques, telles que le risque de marquage 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, une avancée récente particulière montrant le potentiel énorme d’améliorer l’efficacité des écrans OLED sur les téléviseurs et les smartphones.

Améliorer l’efficacité des OLED avec des semi-conducteurs chiraux

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

Cela a été réalisé en avançant un défi de plusieurs décennies dans le domaine des semi-conducteurs organiques, qui pourrait non seulement améliorer l’efficacité des écrans OLED mais aussi ouvrir la voie à des technologies de prochaine génération telles que le spintronique et l’informatique quantique.

La recherche publiée dans le Journal Science¹ a souligné l’intérêt considérable pour l’introduction de la chiralité dans les matériaux semi-conducteurs afin d’obtenir une forte luminescence circulairement polarisée (CPL), qui est faible dans les OLED existants.

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

Bien que des tentatives aient été faites pour obtenir une CPL élevée, elles n’étaient pas compatibles avec les architectures optimisées des dispositifs OLED. Cependant, les derniers chercheurs ont réussi à créer un semi-conducteur organique qui induit les électrons à se déplacer selon un motif en spirale.

Cela a été rendu possible grâce à une nouvelle méthode de création de films minces et uniformes avec des nanostructures supramoléculaires chirales basées sur des molécules de triazatruxène. Cette méthode est parfaitement adaptée à la fabrication d’OLED et présente une forte CPL verte.

« C’est une véritable percée dans la création d’un semi-conducteur chiral. En concevant soigneusement la structure moléculaire, nous avons couplé la chiralité de la structure au mouvement des électrons, ce qui n’avait jamais été réalisé à ce niveau auparavant. »

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

Le semi-conducteur chiral développé émet de la lumière circulairement polarisée, ce qui signifie que la lumière porte l’information sur la « main‑droite » des électrons.

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

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

Ainsi, pour créer un semi-conducteur chiral, les chercheurs se sont inspirés de la nature. Ils ont incité des empilements de molécules semi-conductrices à former des colonnes en spirale ordonnées, droitières ou gauchères.

Ces semi-conducteurs chiraux montrent un fort potentiel dans la technologie d’affichage, où les produits actuels gaspillent beaucoup d’énergie à cause du filtrage de la lumière par les écrans. Le nouveau semi-conducteur chiral, quant à lui, émet naturellement la lumière d’une manière qui peut réduire ces pertes, rendant les écrans plus lumineux et plus économes en énergie.

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

« Lorsque j’ai commencé à travailler avec des semi‑conducteurs organiques, beaucoup de gens 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 où chaque forme imaginable est possible, 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) avec un pas de six molécules. Cela permet aux électrons de s’enrouler le long de sa structure, aidant à obtenir la CPL observée.
Lorsqu’il est exposé à la lumière UV, le TAT auto‑assemblé « émet une lumière verte vive avec une forte polarisation circulaire ». Le co‑auteur Marco Preuss de l’Université d’Eindhoven a noté que cet effet était très difficile à obtenir dans les semi‑conducteurs — jusqu’à présent.

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

– Preuss

En modifiant les méthodes de fabrication des OLED, les chercheurs ont pu utiliser avec succès le TAT dans des OLED à polarisation circulaire (CP‑OLED), qui ont démontré une luminosité, une efficacité et des niveaux de polarisation remarquables.
L’étude a montré que les OLED affichaient des rendements quantiques externes allant jusqu’à 16 % et des dissymétries d’électroluminescence inférieures ou égales à 10 %. Selon la co‑première auteure Rituparno Chowdhury du laboratoire Cavendish de Cambridge :

« Nous avons essentiellement retravaillé la recette standard de fabrication des OLED comme nous le faisons dans nos smartphones, nous permettant d’emprisonner une structure chiral dans une matrice stable et non cristallisante. Cela offre une méthode pratique pour créer des LED à polarisation circulaire, ce qui a longtemps échappé au domaine. »

En plus des écrans, le dernier développement a également des implications pour l’informatique quantique ainsi que le spintronique, où le moment angulaire inhérent (ou spin) des électrons est utilisé pour stocker et traiter l’information afin d’obtenir des systèmes informatiques plus rapides et plus sécurisés.
Quant à l’adoption dans le monde réel, cette percée pourrait commencer à voir ses applications commerciales dans la technologie d’affichage d’ici les 3 à 5 prochaines années, tandis que les applications dans le spintronique et l’informatique quantique pourraient se développer au cours de la prochaine décennie.

Entreprise innovante

Universal Display Corporation

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

Fondée il y a environ trois décennies, UDC vise à créer la prochaine génération d’écrans. La technologie et les matériaux propriétaires de l’entreprise sont utilisés dans des produits OLED commerciaux à travers le monde, notamment les smartphones, les montres intelligentes, les tablettes, les téléviseurs, et plus encore. Les exemples les plus connus sont les téléviseurs OLED de LG et la série Galaxy de Samsung. UDC possède plus de 6 000 brevets délivrés et en instance dans le monde.

L’entreprise se spécialise 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, les actions en USD s’échangent à 156,41 $ à la date de rédaction, en hausse de 6,98 % depuis le début de l’année. Son BPA (TTM) est de 4,65, et le ratio P/E (TTM) est de 33,64, tandis que le rendement du dividende est de 1,15 %.

Il y a un mois, Universal Display Corporation a annoncé ses résultats financiers, qui ont révélé un chiffre d’affaires de 162,3 millions de dollars au quatrième trimestre 2024, en hausse par rapport à 158,3 millions de dollars au même trimestre de 2023.

Les revenus provenant des ventes de matériaux ont augmenté à 93,3 millions de dollars pendant cette période en raison d’une demande renforcée pour les matériaux émetteurs de l’entreprise. Les redevances et frais de licence ont contribué à hauteur de 64,4 millions de dollars aux revenus, qui ont diminué en raison d’une réduction des ajustements cumulatifs de rattrapage.

Au quatrième trimestre, le coût des ventes de matériaux de l’entreprise était de 34,2 millions de dollars en raison d’un volume unitaire de matériaux plus élevé, et la marge brute totale était de 77 %. Le résultat d’exploitation était de 52,5 millions de dollars, et le bénéfice net était de 46,0 millions de dollars ou 0,96 $ par action diluée.

Pour l’année complète, l’entreprise a déclaré un chiffre d’affaires total de 647,7 millions de dollars, soit une hausse de 12,36 % par rapport à l’année précédente. Cela comprenait 365,4 millions de dollars provenant des ventes de matériaux, dont le coût était de 137 millions de dollars, et 266,8 millions de dollars provenant des redevances et frais de licence.

Le résultat d’exploitation était de 238,8 millions de dollars, tandis que le bénéfice net était de 222,1 millions de dollars ou 4,65 $ par action diluée en 2024, contre 203 millions de dollars ou 4,24 $ par action diluée en 2023.

UDC a également déclaré 8,9 millions de dollars de coûts de restructuration liés à la fermeture prévue de son site OVJP en Californie.

En parlant de « l’année record de performance financière solide », Brian Millard, vice-président et directeur financier d’UDC, a souligné la croissance et les avancées observées dans l’ensemble de l’industrie OLED.

Les entreprises élargissent leurs feuilles de route produit, et les principaux fabricants de panneaux investissent dans de nouvelles usines pour répondre à la demande croissante, notamment sur les marchés émergents des technologies de l’information et de l’automobile, a déclaré Millard, ajoutant :

« Nous croyons que ce nouveau cycle d’investissements ouvrira la voie à une capacité OLED significative, à de nouveaux produits OLED et à de nouveaux adoptants d’OLED. »

Pour cette année, UDC prévoit que son chiffre d’affaires se situe entre 640 millions et 700 millions de dollars, notant que « l’industrie OLED reste à un stade où de nombreuses variables peuvent avoir un impact matériel sur les résultats. »
L’entreprise 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 bénéficier de notre portefeuille élargi de matériaux phosphorescents à haute performance et écoénergétiques ainsi que des technologies OLED. »

– CFO Millard

Dernières nouvelles de Universal Display Corporation

Conclusion

L’évolution des diodes électroluminescentes a considérablement amélioré la technologie des écrans et de l’éclairage. Dans cette avancée, la technologie OLED nous a apporté les avantages d’une meilleure qualité d’image, d’un design plus fin et plus léger, de la flexibilité et de l’innovation.

Bien que la technologie OLED ait considérablement progressé depuis ses débuts, elle fait face à des défis en termes d’efficacité et de coût. Ainsi, les récentes avancées dans les semi-conducteurs chiraux marquent un moment pivot dans son développement.

La capacité à contrôler le mouvement des électrons et à émettre de la lumière circulairement polarisée avec une haute efficacité pourrait transformer de manière significative la technologie d’affichage. Cela ouvrirait également la porte 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 des électroniques et conduire à des appareils électroniques à haute performance et plus économes en énergie dans un avenir proche.