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Un itinéraire bon marché vers des LED robustes
Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) font régulièrement leur chemin dans les appareils commerciaux tels que les téléphones portables et les écrans plats. Ils sont fabriqués avec des couches de polymères organiques, ce qui les rend flexibles, et ils utilisent moins d'énergie et des matériaux moins chers que les écrans à cristaux liquides.
Lumière rouge: Des chercheurs du MIT ont trouvé un moyen potentiellement peu coûteux de fabriquer des LED hybrides plus robustes. L'image montre un petit échantillon de points quantiques rouges superposés avec un polymère électriquement conducteur sur un substrat de verre fabriqué à l'aide de la nouvelle technique de fabrication.
L'inconvénient est que, parce que les polymères réagissent facilement avec l'oxygène et l'eau, les OLED sont coûteuses à produire - elles doivent être créées dans des chambres à vide poussé - et elles ont besoin de couches d'emballage de protection supplémentaires pour s'assurer qu'une fois intégrées dans les dispositifs d'affichage , ils ne se dégradent pas lorsqu'ils sont exposés à l'air ou à l'humidité.
professeur de génie chimique au MIT Karen Gleason et le postdoctorant du MIT Sreeram Vaddiraju ont développé un processus qui vise à résoudre les problèmes de coûts de fabrication élevés et d'instabilité des OLED tout en conservant leur flexibilité. La solution de Gleason est une diode électroluminescente hybride, ou HLED. Le dispositif incorporerait à la fois des couches organiques et inorganiques, combinant la flexibilité d'un OLED avec la stabilité d'un matériau électroluminescent inorganique. L'idée est d'avoir un sac mixte et de capturer les qualités qui permettent une fabrication et une stabilité peu coûteuses, explique Gleason.
Gleason commence avec un substrat de polymère organique électriquement conducteur, qu'elle crée par un processus de dépôt chimique en phase vapeur dans une chambre à faible vide. C'est la seule étape du processus qui nécessite un vide, ce qui devrait rendre l'approche moins chère que les méthodes conventionnelles. Pour la couche électroluminescente, Gleason utilise des points quantiques, des nanocristaux de semi-conducteurs inorganiques ; chaque point quantique peut être réglé pour émettre certaines fréquences de lumière. Bien que les points quantiques soient eux-mêmes inflexibles, ils sont si petits – de deux à six nanomètres de diamètre – que même les disposer côte à côte dans un film continu permet toujours une flexion du matériau.
Bien que l'utilisation de points quantiques dans des dispositifs électroluminescents ne soit pas nouvelle, la technique de Gleason l'est. Le problème est de savoir comment faire coller les points sur un substrat en une couche uniforme et régulière, sans bouger. Vaddiraju dit qu'ils utilisent un câblage moléculaire. Au lieu de simplement déposer les points quantiques sur le substrat polymère, les scientifiques utilisent des molécules de liaison entre les couches pour lier chimiquement la couche de points quantiques et le polymère ensemble.
Cette molécule de réticulation entre les couches est une belle évolution des structures actuelles, dit Vladimir Boulovie , professeur agrégé de génie électrique au MIT et le premier à démontrer l'utilisation pratique des points quantiques dans les dispositifs optoélectroniques. Les recherches de Bulovic ont dépendu d'autres méthodes de dépôt de points quantiques : déposer les points sur un substrat à rotation rapide, appelé spin casting, et, plus récemment, les estamper sur une surface.
L'avantage de la technique de Gleason, dit Bulovic, est que vous vous retrouvez avec une structure très robuste mécaniquement, chimiquement et électriquement. Il valide l'idée de stabiliser les points quantiques à l'intérieur des structures organiques en fournissant des liaisons covalentes autour d'eux. Bulovic ajoute qu'il y a encore des obstacles à surmonter, mais il pense que la recherche représente une autre de ces avancées que nous espérions dans le domaine.
La liaison covalente résout le problème de dégradation, explique Vaddiraju, car les molécules de liaison s'accrochent aux liaisons libres dans la matière organique, ne laissant aucune réaction dans l'air. Cela scelle efficacement la couche de polymère organique des influences extérieures.
La réticulation doit également prendre en charge la mise à l'échelle. Plutôt que de traiter le problème mécanique du dépôt de millions de nanocristaux sur un substrat par moulage par centrifugation ou estampage, la réaction chimique elle-même relie les points au substrat en une couche lisse et uniforme. Et contrairement à un procédé comme le spin casting, la technique des chercheurs utilise tous les points et tout le polymère. Donc, du point de vue du coût du matériel, nous ne perdons pas de matériel, dit Vaddiraju.
Jusqu'à présent, l'équipe a réussi à créer un HLED rouge, qui a duré 2 200 heures à 100 °C. Les chercheurs pensent que c'est à peu près équivalent à leur objectif à température ambiante : 10 000 heures, soit environ trois ans à un peu moins de 10 heures par jour, ce qu'ils estiment être la durée de vie d'un téléphone portable.
L'étape suivante consiste à terminer le test avec des points verts et bleus ; les chercheurs auront besoin que les trois couleurs fonctionnent pour un prototype complet. Ensuite, ils verront comment l'appareil fonctionne avec des motifs rapides, en utilisant les points comme l'encre d'une imprimante à jet d'encre. À terme, l'objectif est de faire de l'impression en masse. Parce que les couches sont si fines et flexibles, le traitement rouleau à rouleau sera simple et rendra le processus encore plus économique. Roll-to-roll est le même processus utilisé pour mettre une couche barrière de métallisation sur les sacs de croustilles, explique Gleason. Et si c'est assez bon marché pour les chips, il devrait être assez bon marché pour les présentoirs.