Soutenance mémoire
Couches organiques
La première OLED fonctionnelle conçue pour fins commerciales est montrée dans la figure 1.1 . Celle-ci a été faite et publiée en 1987. Dans cette figure, les électrodes sont respectivement faites d’un composé de MgAg pour l’anode et d’oxyde d’indium-étain «Indium tin oxide» (ITO) pour la cathode. Les matériaux situés entre les deux électrodes sont d’origine organique. Le composé «8-hydroxyquinoline aluminum» (Alq3) est la couche luminescente. L’autre est de la diamine. Celle-ci complète la jonction de la diode. La lumière est produite à la frontière entre la diamine et la Alq3. La structure est simple et présente bien la composition d’une OLED, mais surtout l’emplacement des couches organiques (Tang et VanSlyke, 1987, p. 913). L’explication du fonctionnement de la jonction «p-n» d’une diode est que la partie «p» de la diode est chargée en trous (a un potentiel positif) et que la partie «n» est chargée en électrons (a un potentiel négatif).
À la frontière entre la partie «p» et «n», il y a une zone où les charges se recombinent, elle est nommée zone de déplétion. Si les électrons circulent de la partie «n» à «p», il aura émission d’un photon lors de la recombinaison d’un électron et d’un trou à la zone de déplétion. Étant des matériaux organiques, la nomenclature veut la que partie «p» soit la «Hole-Transporting Layer» (HTL) et que la partie «n» soit la «Electron-Transporting Layer» (ETL) (Shinar, 2004, p. 55). Depuis 1987, beaucoup d’avancés ont été faites au niveau des couches organiques afin de produire d’autres couleurs, allonger leur durée de vie et pour améliorer leur performance. L’une de ces avancées consiste à ajouter des couches afin augmenter l’efficacité et la durabilité des OLEDs commercialisées. Par exemple, des entreprises comme Universal Display et Novaled ont intégré des couches comme le «Blocking Layer» (BL) et le «Hole Injection Layer» (HIL) (Blochwitz-Nimoth et al., 2010, p. 596). Ce BL permet une meilleure distinction entre la couche émettrice «Emissive Layer» (EL) et le ETL. La figure 1.2 montre une vue transversal de la structure proposée pour une OLED commerciale (Universal Display Corporation, 2015). Les matériaux employés pour les couches organiques sont de natures diverses, certains sont faits à base de polymères, d’autres à base de «small molecules». De plus, ces matériaux peuvent être fluorescents ou phosphorescents. Voici une liste non exhaustive de matériaux utilisés (Shinar 2004, 17,20). Pour simplifier la liste, le nom des familles de molécules ou l’expression réduite sont utilisés.
Types et applications
Comme mentionné précédemment, les OLEDs peuvent être construites par différents procédés et matériaux. De plus, cette technologie a pour principales applications l’éclairage et être la composante active dans des écrans. Puisque certaines méthodes de fabrications sont intrinsèquement liées entre elles, l’idéal pour résumer la situation est d’utiliser le tableau 1.1 montrant leurs particularités ainsi que leurs applications respectives. Ce tableau présente les acronymes des types d’OLED les plus utilisés. De plus, certains acronymes représentent aussi des méthodes de fabrications. Par exemple, un AMOLED peut aussi être un FOLED ou un TOLED (Noda et al., 2011, p. 316). La différence entre un écran de type « Passive Matrix OLED » (PMOLED) et AMOLED est que le premier a un contrôle des pixels beaucoup plus simple que le second. Les pixels du PMOLED sont allumés via une matrice de lignes et de colonnes sous les pixels. Lorsqu’un pixel est activé, toute la ligne est alimentée et la colonne sert de sélecteur (Mertens, 2014, p. 16 à 17). Cela a pour problématique de soumettre la ligne à un courant proportionnel au nombre de pixels. Or les OLEDs ont des limitations physiques vis-à-vis le courant. Si celui-ci est trop élevé, le pixel peut vieillir prématurément ou la jonction peut être littéralement détruite (JianPing Zhang et al., 2012, p. 714 à 715).
De plus, il faut que le temps de rafraîchissement de l’écran soit suffisamment court pour ne pas être perceptible par l’utilisateur. Puisque un écran PMOLED est contrôlé ligne par ligne, le taux de rafraîchissement est aussi proportionnel au nombre de lignes, s’il y a en trop, l’actualisation des images sera visible. Comme mentionné précédemment, l’AMOLED utilise une circuiterie électronique basée sur la technologie TFT. La figure 1.3 montre l’une des plus simples configurations de ce circuit TFT alimentant l’OLED. La configuration des transistors peut varier en fonction de la conception, mais le principe reste le même, chaque sous-pixel est contrôlé individuellement via les transistors et le condensateur maintient l’état précédent. Le « White OLED » (WOLED) est conçu afin qu’il y ait un mélange de couleurs pour produire de la lumière blanche à la sortie du composant. Ce type est surtout utilisé comme source d’éclairage puisqu’il peut être fabriqué en panneaux de grandes dimensions, mais en restant mince. Ils sont aussi utilisés comme rétro éclairage dans des écrans fabriqués par LG Display. La différence entre le « Small Molecules OLED » (SMOLED) et le « Polymer OLED » (POLED) ou « Polymer LED » (PLED) est la taille de la molécule organique qui émet de la lumière. Cela peut se résumer par une SMOLED étant un agglomérat de molécules versus le POLED étant des molécules attachées ensembles en chaîne, d’où la terminologie de polymère (Mertens, 2014, p. 15). Pour ce qui est de la « Phosphorescent OLED » (PHOLED), les OLEDs peuvent être phosphorescentes ou fluorescentes d’où l’acronyme PHOLED. Les premières OLEDs étaient fluorescentes (Tang et VanSlyke, 1987). Les émetteurs phosphorescents ont montré être plus durables que les émetteurs fluorescents, mais dans certains cas les émetteurs fluorescents sont encore utilisés. Il y a aussi des OLEDs construites avec les deux types d’émetteurs, phosphorescents et fluorescents (Levermore et al., 2011, p. 944).
Tests de durée vie Le « Accelerated Life Testing » (ALT) est une des méthodes de test utilisées pour quantifier la durée de vie d’un prototype dans une période de temps plus courte que la durée de vie normale en utilisant un facteur accélérant le vieillissement (Yang, 2007, p. 237). Si un ALT est court dans le temps et qu’il nécessite peu de ressources, il devient alors possible d’augmenter les itérations lors du développement de prototypes OLED. Les méthodes actuellement employées pour les ALTs sont d’accroître le courant circulant dans l’OLED. Le courant étant au-dessus du nominal, l’OLED éclaire plus, mais est aussi plus sollicitée ce qui va accélérer son vieillissement (Park et Bae, 2010, p. 81 à 87). Cela requiert néanmoins de prévoir les modifications supplémentaires afin d’augmenter le courant.
Si ces ajustements sont implémentés depuis la conception originale, le coût de production à grande échelle va ainsi augmenter. Dans le cas où les écrans sont échantillonnés depuis la ligne de production, ceux-ci doivent être quand même modifiés, et ce de façon identique afin d’éviter un biais dans l’analyse des résultats. Cela implique d’allouer des ressources et des personnes ayant les qualifications pour faire ces modifications. Autrement, le dispositif OLED doit être conçu de façon modulable et donc séparable de son alimentation électrique. Il ne resterait qu’à prendre les échantillons et à les mettre sur le banc de tests. Par contre, le fait que l’écran soit physiquement distinct de son alimentation électrique implique qu’il y ait un connecteur afin de le brancher. Cela peut paraître anodin, mais sur des grands volumes de production, ce sont des coûts supplémentaires. L’autre façon généralement utilisée pour les ALTs des OLEDs est de les cycler thermiquement (Pang et al., 2014, p. 2 à 12). Cela peut être fait par l’utilisation d’une ou plusieurs chambres environnementales. Il est important de mentionner que ces chambres requièrent des infrastructures dédiées et qu’elles sont massives en plus d’être dispendieuses. Il faut aussi qu’elles aient un plan de maintenance puisqu’elles contiennent un compresseur pour le refroidissement de l’environnement de test (ASAP, 2016). Hypothétiquement, le test de durée de vie idéale devrait permettre de prendre le dispositif OLED directement dans la chaîne de fabrication sans être préalablement modifié et qu’il ne nécessite aucune ressource majeure afin d’être mise en oeuvre. De plus, cette caractérisation doit être courte dans le temps.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 LA TECHNOLOGIE OLED ET SES PROBLÉMATIQUES
1.1 Qu’est-ce qu’une OLED?
1.1.1 Structure
1.1.2 Types et applications
1.2 Problématiques
1.2.1 Mitigations
1.2.2 Tests de durée vie
1.2.3 Alternative proposée
CHAPITRE 2 ÉTAT DE LA COMMERCIALISATION ET REVUE DE NORMES
2.1 Viabilité et pertinence de la technologie OLED
2.2 Intension sur des intégrations futures
2.3 Investissements et annonces d’expansions
2.4 Étude des normes et exigences industrielles
2.4.1 Identification des normes applicables
2.4.2 Points pertinents de la révision des normes
CHAPITRE 3 REVUE DE LA LITTÉRATURE
3.1 Caractéristique de la vie d’une OLED
3.2 Les notions de la photochimie
3.3 La lumière comme facteur d’accélération de vieillissement
3.4 Méthode de tests accélérés
CHAPITRE 4 MÉTHODE DE MESURE DE TEMPS DE VIE PROPOSÉE
4.1 Évaluation des dispositifs OLED comme échantillons potentiels
4.1.1 AMOLED petit format
4.1.2 AMOLED grand format
4.1.3 PMOLED
4.2 Condition de tests
4.3 Résultats de l’approche quasi expérimentale
4.4 Méthode proposée
CHAPITRE 5 MISE EN APPLICATION DE LA MÉTHODE
5.1 Préparation du matériel
5.1.1 La boîte noire
5.1.2 Écran PMOLED
5.1.3 Arduino UNO
5.1.4 Mesureur de puissance Thorlabs SV120c
5.1.5 DELs 405 nm et support
5.1.6 Contrôleur de courant pour les DELs 405 nm
5.2 Procédure de test
CHAPITRE 6 RÉSULTATS DES TESTS DE DÉGRADATION
6.1 Observations et présentations des résultats
6.1.1 Inspection visuelle
6.1.2 Dégradation l’irradiance des écrans lors du test
6.2 Analyse sommaire de la durée de vie
CHAPITRE 7 APPROCHES STATISTIQUES
7.1 Analyse statistique des durées de vie
7.1.1 MLE avec la distribution Lognormale
7.1.2 La loi des moindres carrés avec la distribution Weibull
7.2 Proposition d’une référence à 405 nm pour estimation de la durée de vie normale
7.3 Validation des résultats
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I CODE POUR CONTRÔLER L’ÉCRAN PMOLED AVEC UN ARDUINO UNO
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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