Ecran plat : Tout savoir sur l’OLED

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L’OLED est enfin là. Après des années de promesses, de prototypes jamais mis sur le marché et d’écrans minuscules vendus au compte goûte au prix d’une petite voiture, on trouve désormais en rayon des écrans de grande taille. Retour sur une technologie prometteuse, qui remplacera à terme le plasma chez les amateurs de belles images.

Avec la décision de Panasonic d’arrêter le plasma, le paysage technologique de l’écran plat se réduit comme peau de chagrin. Aurons-nous tous bientôt des LCD ? Et bien c’est déjà quasiment le cas. Avec 95% de part de marché, le LCD représente actuellement la masse dominante des écrans plats dans le monde. C’est dommage pour plusieurs raisons : d’abord parce que le plasma était une bonne technologique quand il s’agissait d’afficher des images HD de grande qualité, avec un rendu très cinéma, ensuite parce que les constructeurs ont déjà tendance à se relâcher sur le LCD à rétro-éclairage LED quand il s’agit de la qualité d’image. Il y a des signes qui ne trompent pas. Quoiqu’en disent les constructeurs, la qualité d’image n’est vraiment plus leur priorité. C’est leur argument marketing. Et ça fait une différence fondamentale. Les spécifications technologiques disparaissent des fiches produits, on met l’accent sur d’autres points qui ne servent à rien (voire par exemple, la multiplication délirante d’écrans LED 600/1000/2000 Hz).

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Et de l’autre côté, certaines spécifications battent carrément de l’aile. Le prix en baisse constante des dalles IPS fait le contraste moyen est effectivement en régression en 2013 face aux années précédentes ! Idem pour l’uniformité des dalles, ou le rétro-éclairage vraiment localisé des LED, qui a quasiment disparu du paysage malgré un intérêt véritable. Se dirige-t-on vers une ère de la médiocrité visuelle dans un design toujours plus élégant ? C’est à craindre, à moins que l’OLED ne vienne justement mettre un coup de pied dans cette fourmilière assoupie.

Un principe simple

Le principe de fonctionnement des OLED est relativement proche de celui des LED, classiquement trouvées dans les ampoules d’éclairage modernes… et au dos des écrans matrices LCD des écrans LCD/LED, forcément. Mais à l’inverse des LED, basées sur des matériaux minéraux à semi-conducteurs, comme le silicium ou le germanium, les OLED sont réalisées en empilant des couches de matériaux organiques se comportant en semi-conducteur, entre une anode et une cathode. On applique une tension aux bordes de la diode ainsi formée, et au passage du courant dans la couche émettrice, des photons sont libérés. On peut également augmenter l’efficacité des OLED en ne se contentant pas d’une seule couche. Différents matériaux organiques produisent différentes couleurs. On obtient typiquement des OLED blanches en ajoutant des composés organiques phosphorescents à une OLED bleue : le bleu et le jaune étant une des combinaisons classiques pour obtenir une OLED blanche. Sur les télés, l’anode de surface est réalisée en ITO (Indium Tin Oxyde), un matériau métallique qui a le bon goût d’être transparent et conducteur, ce qui permet d’amener le courant sur un écran sans perte de luminosité.

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L’OLED, côté transistor

Mais comment s’accommode-t-on d’une matrice de pixel OLED ? Et bien on reprend simplement le schéma d’adressage d’un écran LCD ! On utilise une matrice TFT, au dos de la couche d’émission organique. Cette couche TFT permet de changer individuellement l’intensité de chaque pixel. Là aussi plusieurs méthodes existes, mais nous avons repris dans notre illustration le schéma d’un circuit de pixel TFT/OLED tel que ceux que l’on trouve dans les écrans AMOLED(voir notre illustration), tels que ceux que l’on trouve sur les téléphones portables et autres appareils photos numériques : l’intensité lumineuse est représentée par une tension Vdata qui est copiée ligne par ligne et stockée dans la petite capacité mémoire Cs grâce à l’interrupteur de sélection TFT1. En fonction de la tension stockée, le transistor TFT2 génère un courant dans l’OLED qui correspond à l’intensité voulue pour ce pixel.

OLED-Pixel.jpgA l’heure actuelle, vous pouvez trouver en rayon deux TV OLED de 55 pouces de diagonales : une LG et une Samsung. Elles sont toute deux incurvées, mais la ressemblance s’arrête là. Les deux constructeurs ont une approche radicalement différente dans la construction de leur téléviseur, une différence qui tient essentiellement au dessin des pixels en vue de solutionner le problème de vieillissement des OLED. Chez Samsung, on a opté pour un pixel composé assez classiquement de trois sous-pixels : rouge, vert et bleu. Le sous-pixel bleu est beaucoup plus gros, de façon à diminuer la tension de polarisation, ce qui allonge la durée de vie du pixel pour une même intensité lumineuse. Chez LG, on a préféré un pixel quatre couleurs : rouge, vert, bleu et blanc, une solution connue pour « booster » la luminosité des dalles. Les OLED ne sont pas colorées naturellement. Elles sont toute blanches mais sont recouvertes d’un filtre de couleur comme sur les écrans TFT classiques. Ainsi, LG compte sur un vieillissement plus homogène de son écran, ou du moins sans dérive chromatique. Là où l’écran Samsung rougira à terme, l’écran LG restera blanc, mais perdra de sa luminosité.

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OLED : remplaçant du plasma

2004_PEG-VZ90.jpgAvec la fermeture en fin d’année de la dernière et troisième usine Panasonic, les partisans de la technologie plasma se retrouvent orphelins. Il faut bien se l’avouer : le plasma était et restera une technologie de premier plan quand il s’agit de se créer une installation home-cinéma. Les qualités de du plasma sont telles que c’est l’une des rares technologies à être passé au rang de collection. Si vous traînez par exemple sur Ebay, vous trouverez encore des écrans plasmas Pioneer Kuro de 2007… à 1200 euros le 50 pouces et sachant que Pioneer a arrêté la production courant 2008. C’est donc l’une des rares technologies à avoir atteint le statut de « collection », un peu comme on achète encore à prix d’or aujourd’hui un vieille appareil photo argentique complètement dépassé. Mais il ne faut pas se montrer passéiste. En effet, l’OLED a de bonnes chances de devenir la prochaine technologie de référence en matière de home-cinéma. En effet, l’OLED reprend en grande partie les qualités intrinsèques du plasma : une émission de surface dans le pixel et non pas derrière, un contraste absolu et une richesse chromatique hors de portée du LCD à rétro-éclairage LED. Inutile donc d’en passer par un contrôle toujours douteux du rétro-éclairage pour enfoncer les zones sombres. L’écran le fait naturellement. A noter aussi que les constructeurs ont eu le bon goût, comme sur le plasma, de jouer la carte de la puissance lumineuse globale. Qu’est-ce que c’est ? Sur un OLED, la puissance lumineuse est répartie sur la dalle. Imaginons que l’écran affiche une moitié noire et une moitié blanche. Sur un écran normal, lorsque l’on passe de cette image blanche à 50% à à une image complètement blanche, normalement, la puissance lumineuse reçue par l’œil est double, ce qui crée un stress oculaire sans rien apporter à l’image. A l’inverse, sur un OLED ou sur un plasma, les images très/trop blanches voient leur puissance diminuée. On dit que la puissance lumineuse est répartie sur la surface de l’écran, ce qui évite de stresser l’utilisateur. Techniquement, sur un écran OLED, on pourrait faire autrement. C’est un choix ici des constructeurs qui fait pleinement sens. Les afficionados du plasma risquent donc de trouver dans l’OLED leur future solution d’affichage home-cinéma. Enfin presque. En effet, le fait que l’écran soit incurvé reste un point qui est loin de faire l’unanimité chez les amateurs averti. Hors les deux écrans OLED du marché le sont. On reproche à ce rayon de courbure un fait inattaquable : le contenu vendu en magasin n’est pas conçu pour un écran courbé. En effet, le fait que l’écran le soit n’est pas gênant en soi. Après tout, les écrans Imax le sont et ces salles comptent parmi les plus abouties techniquement. Mais voilà, on y diffuse un contenu adapté à ce format. Ce n’est pas le cas dans votre salon, avec à la clé, une déformation, certes mineure mais bien réelle, de l’image vers les bords de l’écran.
Même si les produits les plus courants exploitant l’OLED aujourd’hui nous viennent de Corée et du Japon, il n’en reste pas moins vrai que le principe d’électroluminescence dans les matériaux organiques… est une découverte française, réalisée par l’équipe d’Andrée Bernanose à l’université de Nancy dans les années 50. Mais le Cocorico s’arrête là. En effet, les premiers principes électrochimiques qui ont autorisés le développement de technologies industrialisables nous viennent des États-Unis et de l’université de New York dans les années 60. Et dès 1965, Dow Chemical dépose aux états unis, toujours, le premier brevet d’éclairage organique électroluminescent. Evidemment, c’est encore loin d’être pratique, avec des tensions de l’ordre de 1500V en courant alternatif. Il faut attendre 1975 et les travaux de Partrigde en Angleterre pour voir miniaturisé le principe de l’OLED, sur des épaisseurs de quelques micromètres seulement, ouvrant la voie à la création d’appareil portatifs. On le voit ici, l’OLED n’est pas franchement une technologie ultra récente. Pourtant, il faut attendre 2004 pour voir enfin un produit doté d’un écran OLED. Pourquoi ? Tout simplement parce que les matériaux organiques utilisés dans les écrans OLED se dégradent beaucoup trop vite pour être facilement intégrés dans des applications commerciales. En 2004, Sony semble avoir trouvé une solution au problème, en mettant sur le marché le Clié VZ90, un PDA doté d’un écran OLED. Sans grande surprise, l’appareil fut un flop complet, avec un prix de vente de près de 900 euros à l’époque.

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Mais Sony ne renonce pas, avec dès 2007 l’introduction du XEL-1, que nous avions eu la chance de tester à l’époque. Il s’agissait d’un téléviseur OLED d’une diagonale de 11 pouces, même pas HD (940×540) et vendu à 1 500 euros. Même si l’écran reste le plus fin du monde à ce jour, avec 3 mm d’épaisseur. L’appareil restera trois ans sur le marché.

L’OLED français, un essai encore à transformer

Chez nous, il reste malgré tout un héritage français de cette découverte dans les années 50 de la luminescence des matériaux organiques. Ainsi, la société Microoled, basée à Grenoble, réalise des écrans OLED de moins d’un pouce de diagonale, équipant certains viseurs électroniques d’appareil photo numérique. En janvier 2012, la société française présentait un écran 0,6 pouces de 5,4 Mpixels. Une prouesse.

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Malgré tout, on ne peut s’empêcher de trouve dommage qu’en France, on n’ait pas été de bâtir sur la découverte originale dans les années 50 une industrie d’une toute autre ampleur. On se rappellera d’ailleurs amèrement le prix Nobel de Pierre-Gilles de Gennes, en 1991, pour ses travaux précurseurs… sur les cristaux liquides. Où sont les fabricants français d’écrans plats aujourd’hui ? Mystère… LG_55EA980V-02.jpg

L’OLED est un produit écologique.
Faux. Nos mesures ont montré qu’à diagonale égale et à puissance lumineuse comparable, l’OLED consomme 30% de plus qu’un écran LCD à rétro-éclairage LED moyen.

L’OLED vieillit mal.
Vrai, mais… : les constructeurs affirment avoir trouvé la parade. Le vrai souci reste le vieillissement du bleu, qui se dégrade plus vite que les autres couleurs. Chez Samsung, on a trouvé la parade en augmentant la taille du sous pixel bleu pour autoriser un courant de fonctionnement plus faible et donc un vieillissement moindre. Chez LG, on utilise des OLED blanches, ce qui ne résout pas le vieillissement mais assure un vieillissement plus uniforme de l’image.

Seul l’OLED permet d’avoir des écrans courbés.
Faux. A l’IFA 2013, des constructeurs comme Sony présentaient des écrans LCD/LED courbés. Mais ils ne comptent pas les introduire sur le marché européen, jugeant le produit pas assez « design ». C’est vrai qu’ils sont plus épais qu’un écran LCD/LED normal.

L’OLED offre un contraste supérieur au LCD/LED.
Vrai. Comme sur le plasma, la technologie OLED est basée sur l’émission directe : lorsque le pixel est éteint, il n’émet pas du tout de lumière, contrairement au LCD, qui laisse toujours filtrer un peu de lumière du rétro-éclairage LED.

L’OLED offre des couleurs plus riches que le plasma.
Vrai mais… techniquement, il est possible d’atteindre une richesse supérieure en OLED, quitte à couvrir le spectre Adobe RGB. Mais voilà, les contenus (Blu-ray, DVD et jeux) ne sont pas conçus pour cela, aussi les constructeurs limitent le spectre des couleurs émises par le téléviseur pour éviter des teintes qui ne seraient pas naturelles. On espère que la nouvelle norme Blu-ray 4k change un peu la donne. Déjà, les Blu-Rays Sony « remasterisés 4k » offrent des couleurs légèrement plus riches que la moyenne.

L’OLED est moins polluant à produire que le LCD/LED.
Faux. Les méthodes de fabrications des OLED suivent le même principe que les autres industries du semi-conducteur et d’énormes quantités d’eaux sont toujours nécessaires à la production.Nous sommes allés à la rencontre avec Alexis Fischer, Université Paris 13, Sorbonne Cité, Centrale de Proximité en nanotechnologies de Paris Nord, IUT de Villetaneuse, et Laboratoire de Physique des Lasers UMR CNRS et spécialiste des OLED.

Vous travaillez sur les OLED au sein du laboratoire de l’université Paris XIII, pouvez-vous nous décrire le procédé de fabrication des OLED ?

Alexis_Fischer.jpgLe O de OLED signifie organique en référence à des matériaux semi-conducteurs organiques c’est à dire des composés chimiques fait principalement de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote. Il s’agit d’une nouvelle filière électronique qui a été rendu possible grâce aux travaux sur les polymères conducteurs qui ont été couronnés par un prix Nobel de chimie décerné à messieurs M. Heeger et M. Chirakawa en 2000. Pour faire des OLEDs, on choisit différentes petites molécules organiques, placées chacune dans des creusets placés dans une enceinte sous vide, puis sont chauffées entre 100 et 400°C de façon à les faire s’évaporer. Un substrat de verre sur lequel est déposée une couche transparente et conductrice (généralement un alliage d’oxyde d’étain et d’indium ou ITO) est placée en regard de la zone d’évaporation de façon à ce que de très minces couches (quelques dizaines de nanomètres) de ces matériaux organiques viennent s’y déposer. On alterne les matériaux de façon à produire un empilement L’épaisseur totale de la structure est d’environ 200nm. Lorsqu’on applique une tension aux bornes de cet empilement, un courant la traverse, et le matériau émet de la lumière.

Et on peut en faire sur substrat souple ?

Oui, le verre peut être remplacé par des substrats plastiques transparents qu’ils soient souples ou non. Dans le cas des substrats souples, l’adhérence de l’anode d’ITO sur le support plastique est un enjeu technique qui a un impact sur la durée de vie et le vieillissement.

Quelle est la plus grosse difficulté dans la fabrication des OLED ?

Le problème le plus délicat est l’adressage des pixels. On distingue la technologie à matrice passive de celle à matrice active. La technologie à matrice passive OLED (PMOLED) consiste à réaliser des électrodes en rubans horizontaux et des anodes verticales entre lesquelles sont placés les pixels organiques. Pour adresser un pixel OLED on sélectionne un ruban cathode et un ruban anode. Chaque pixel est une source lumineuse dont la luminosité dépend du courant injecté. La technologie à Matrice active est dite AMOLED : La première consiste à déposer des électrodes puis le reste du pixel organique sur des transistors qui sont fait de silicium amorphe ou polycristallin (Technologie AU Optronics Taïwan et Samsung). Chaque pixel dispose d’une anode commandé par des transistors et d’une cathode. Plusieurs laboratoire dans le monde travaillent sur des transistors également organiques associés à la commande des OLEDs (Organic Thin Film Transistor OTFT) pour piloter les pixels. Ceci permettrait encore plus facilement d’envisager des écrans souples.

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Les OLED sont connues dans l’éclairage mais les OLED sont généralement colorées, comment fait-on des OLED blanches ?

Notre laboratoire a travaillé il y a quelques années à la réalisation d’OLEDs blanches pour l’éclairage en mettant l’accent sur le contrôle de la couleur. Le principe est de mettre à profit le principe d’additivité des couleurs : c’est à dire de combiner du bleu et du jaune pour faire du blanc. Nous sommes partis d’OLEDs bleues dans lesquelles nous avons ajoutés des matériaux organiques émettant dans le jaune (des dopants).

Ça crée une lumière plutôt froide non ?

En fait l’avantage de cette technique est que justement il est possible de contrôler précisément la quantité de jaune et de bleu dans le spectre finale en dosant le dopant. Ainsi il est possible de paramétrer les coordonnées chromatique et d’obtenir ainsi un spectre dont les coordonnées chromatiques dans le diagramme CIE est exactement conforme au standard.

Le vieillissement des OLED reste un souci. A-t-on progressé dans ce domaine ?

Actuellement les meilleures OLEDs dépasse largement les 100 000 heures voir le million d’heures.

Vous travaillez à l’IUT de Villetaneuse et à Paris XIII sur des Lasers OLED ? Quels sont les challenges ? Et pour quelle application ?

Nos travaux actuels visent à réaliser des Diodes Lasers Organiques : C’est le seul composant optoélectronique organique qui n’a pas encore été démontré. De nombreux groupes universitaires travaillent sur le sujet depuis des années. Le sujet est ardu car il faudrait multiplier par 100 le courant qui peut traverser un OLED. Outre la simplicité et la vitesse de fabrication des diodes organiques l’intérêt de la filière organique pour Diodes lasers est que l’ensemble du spectre visible est possible alors que les longueurs d’ondes sont limitées pour les diodes laser minérales. Il peut y avoir des applications immenses dans le domaine de l’affichage, de la biologie, de la médecine et éventuellement dans le domaine des télécoms faibles distances comme le FFTH. (de l’anglais fiber to the home qui signifie littéralement en français : fibre optique jusqu’au domicile, NDLR).

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Les Plus

  • Design
  • Qualité d'image jusqu'à 3200ISO
  • Mode Vidéo

Les Moins

  • Peu d'évolution par rapport au prédécesseur
  • Gamme optique restreinte
  • Avenir des Nex ?

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