Les nouvelles OLED phosphorescentes peuvent maintenir 90 % de l’intensité de la lumière bleue 10 à 14 fois plus longtemps que les autres modèles

Les lumières pourraient bientôt utiliser toute la gamme de diodes électroluminescentes organiques, ou OLED, parfaitement efficaces, qui durent des dizaines de milliers d’heures, grâce à une innovation des physiciens et des ingénieurs de l’Université du Michigan.

Les nouvelles OLED phosphorescentes de l'équipe UM, communément appelées PHOLED, peuvent maintenir 90 % de l'intensité de la lumière bleue 10 à 14 fois plus longtemps que d'autres modèles émettant des couleurs bleu profond similaires. Ce type de durée de vie pourrait enfin rendre les PHOLED bleus suffisamment robustes pour être commercialement viables dans des luminaires répondant à l'objectif de durée de vie de 50 000 heures du ministère de l'Énergie. Sans PHOLED bleu stable, les lumières OLED doivent utiliser une technologie moins efficace pour créer de la lumière blanche.

La durée de vie des nouveaux PHOLED bleus n'est actuellement que suffisante pour être utilisée comme éclairage, mais le même principe de conception pourrait être combiné avec d'autres matériaux électroluminescents pour créer des PHOLED bleus suffisamment robustes pour les téléviseurs, les écrans de téléphone et les écrans d'ordinateur. Les écrans d'affichage dotés de PHOLED bleues pourraient potentiellement augmenter la durée de vie de la batterie d'un appareil de 30 %.

« La réalisation de PHOLED bleus à longue durée de vie est une priorité des industries de l'affichage et de l'éclairage depuis plus de 20 ans. Il s'agit probablement du défi le plus important et le plus urgent auquel est confronté le domaine de l'électronique organique », a déclaré Stephen Forrest, de l'Université distinguée Peter A. Franken. Professeur de génie électrique et informatique à l'Université du Michigan. Il est également l'auteur correspondant de l'étude intitulée « LED organiques phosphorescentes bleues stables qui utilisent des effets Purcell améliorés par polariton », publiée dans Nature.

Les PHOLED ont une efficacité quantique interne de près de 100 %, ce qui signifie que toute l’électricité entrant dans l’appareil est utilisée pour créer de la lumière. En conséquence, les lumières et les écrans d'affichage équipés de PHOLED peuvent afficher des couleurs plus vives pendant de plus longues périodes avec moins d'énergie et d'émissions de carbone.

Avant les recherches de l'équipe UM, les meilleurs PHOLED bleus n'étaient pas assez durables pour être utilisés dans l'éclairage ou les écrans. Seuls les PHOLED rouges et verts sont suffisamment stables pour être utilisés dans les appareils d'aujourd'hui, mais le bleu est nécessaire pour compléter le trio de couleurs dans les écrans OLED « RVB » et les lumières OLED blanches. La lumière rouge, verte et bleue peut être combinée à différentes luminosités relatives pour produire n'importe quelle couleur souhaitée dans les pixels d'affichage et les panneaux lumineux.

Jusqu’à présent, la solution de contournement dans les écrans OLED consistait à utiliser des OLED fluorescentes plus anciennes pour produire les couleurs bleues, mais l’efficacité quantique interne de cette technologie est bien inférieure. Seul un quart du courant électrique entrant dans l’appareil bleu fluorescent produit de la lumière.

“De nombreuses solutions de l'industrie de l'affichage sont des mises à niveau vers les OLED fluorescentes, qui restent une solution alternative”, a déclaré Haonan Zhao, premier auteur de l'étude, doctorant en physique et en génie électrique et informatique. “Je pense que beaucoup d'entreprises préféreraient utiliser des PHOLED bleues, si elles avaient le choix.”

Pour produire de la lumière bleue, l’électricité excite des molécules organiques phosphorescentes contenant des métaux lourds. Parfois, les molécules excitées entrent en contact avant d’émettre la lumière, transférant ainsi toute l’énergie stockée dans la paire en une seule molécule. L’énergie de la lumière bleue étant très élevée, l’énergie transférée, qui est le double de celle de la molécule excitée, peut rompre les liaisons chimiques et dégrader la matière organique.

Une façon de contourner ce problème consiste à utiliser des matériaux émettant un spectre de couleurs plus large, ce qui réduit la quantité totale d’énergie dans les états excités. Mais ces matériaux apparaissent en cyan, voire en vert, plutôt qu'en bleu profond.

L'équipe UM a contourné ce problème en plaçant du matériau cyan entre deux miroirs. En réglant parfaitement l’espace entre les miroirs, seules les ondes lumineuses bleues les plus profondes peuvent persister et éventuellement émettre depuis la chambre des miroirs.

Un réglage plus poussé des propriétés optiques de la couche organique électroluminescente sur une électrode métallique adjacente a introduit un nouvel état de mécanique quantique appelé polariton-exciton-plasmon, ou PEP. Ce nouvel état permet au matériau organique d’émettre de la lumière très rapidement, réduisant ainsi encore davantage la possibilité que des états excités entrent en collision et détruisent le matériau émetteur de lumière.

“Dans notre dispositif, le PEP est introduit parce que les états excités dans le matériau transportant les électrons sont synchronisés avec les ondes lumineuses et les vibrations électroniques dans la cathode métallique”, a déclaré Claire Arneson, co-auteure de l'étude et doctorante en physique et électricité. ingénierie informatique.