Des murs de lumière

Extrêmement légères et compactes, les LED organiques sont en passe de bouleverser notre conception de l’éclairage. Encore confinées dans les laboratoires, elles devraient bientôt envahir les rayons. En 2009, Osram est devenu le premier fabricant à proposer à la vente un panneau OLED.

Christoph Gärditz travaille dans le développement commercial des LED et LED organiques (OLED) chez Osram Opto Semiconductors, une entité du Groupe Siemens. Tenant dans sa main une galette en verre mat émettant une agréable lumière blanche, il nous présente « Orbeos », le premier panneau OLED disponible dans le commerce. « Ce produit révolutionnaire va bousculer notre façon de concevoir l’éclairage et va permettre de généraliser l’utilisation des OLED », nous explique-t-il. La plupart des lampes utilisées, que ce soit les ampoules à incandescence, les lampes halogènes ou les LED, sont des sources lumineuses ponctuelles. Les OLED sont quant à elles des panneaux ultralégers émettant une lumière blanche ou colorée uniforme sur toute leur surface.

Les OLED se composent de plusieurs couches d’un matériau spécial d’à peine 500 nanomètres d’épaisseur, soit le centième de l’épaisseur d’un cheveu. Ces couches superposées sont enfermées entre deux surfaces de contact conductrices d’électricité protégées par deux plaques en verre. Chaque couche de plastique se compose de chaînes de molécules organiques. Lorsqu’un courant électrique est appliqué, des paires électrons-trous se déplacent sur ces chaînes. À partir d’un niveau d’énergie supérieur, les électrons peuvent se diriger vers ces emplacements vides et délivrent alors leur surplus d’énergie sous forme de lumière. La couche s’éclaire et le type de molécule détermine la couleur de la lumière. Les OLED se déclinent en une gamme de couleurs beaucoup plus large que les LED classiques. Pour les OLED blanches, des couches luminescentes rouges, vertes et bleues sont empilées. Plus le spectre d’une lampe est continu, plus les couleurs émises sont naturelles.

De par leur épaisseur et leur poids extrêmement réduits, les OLED peuvent s’installer n’importe où et peuvent même transformer des murs entiers en véritables sources lumineuses. Grâce à leur lumière diffuse et leur excellent rendu de couleur, elles permettront de produire des éclairages de plafond offrant une incroyable impression de lumière naturelle. Les développeurs travaillent également sur des OLED transparentes qui pourraient être commercialisées d’ici deux à trois ans. Ce projet nécessite notamment de remplacer l’une des deux couches de contact métalliques par un autre matériau, les couches de plastique étant, quant à elles, déjà transparentes. Du verre intégrant des OLED transparentes pourrait ainsi être un jour utilisé pour les portes, vitrines ou cloisons et proposer une surface translucide ou lumineuse.

Les chercheurs essaient également d’optimiser la stabilité des OLED en termes d’ultraviolets, ce qui permettrait de réaliser des fenêtres laissant passer la lumière du soleil en journée et assurant l’éclairage de nuit. En principe, les OLED pourraient également offrir une surface souple, un avantage mis à mal par la présence de couches de contact en verre pouvant se casser. Les chercheurs expérimentent donc des techniques à base de film plastique fin et d’autres matériaux. D’ici quelques années, on pourrait les retrouver dans des plafonds de voitures ou des colonnes lumineuses.

Les OLED ont remporté un franc succès lors du salon Light & Building qui s’est tenu àFrancfort en avril 2010. À cette occasion, Osram a mis cette technologie en avant en dévoilant différentes installations d’éclairage et techniques d’illumination qui n’ont pas fini d’inspirer les architectes et les designers.

Les OLED sont fabriquées selon un procédé de vide poussé. Un substrat en verre de moins d’un millimètre d’épaisseur est doté d’une couche de contact conductrice transparente, puis les substances individuelles sont successivement déposées sur cette couche par évaporation sous vide avant la pose d’une autre couche métallique. Un matériau déshydratant et une plaque de verre sont ensuite ajoutés pour protéger les couches de plastique de l’oxygène et de l’humidité. Enfin, le substrat est divisé en panneaux lumineux individuels faisant l’objet d’un contrôle qualité. Les OLED émettent leur lumière à travers le substrat en verre, et le contact métallique au dos de la couche de plastique réfléchit la lumière à l’instar d’un miroir.


Chez Osram, Division de Siemens, les chercheurs travaillent sur des panneaux lumineux tels qu’Orbeos (photo en haut de cette page) et sur des OLED transparentes qui permettraient de fabriquer des fenêtres lumineuses (ci-dessus).

Des sources lumineuses durables

L’Orbeos délivre 25 lm/W et surclasse ainsi les lampes halogènes modernes. Les chercheurs ont déjà développé des OLED générant 60 lm/W. Et dans les années à venir, ce rendement pourrait atteindre 100 lm/W, soit le niveau des LED actuelles. Pour y parvenir, les développeurs d’Osram doivent utiliser des films spéciaux empêchant les pertes dues à la réflexion de la lumière des OLED qui se produit dans la zone de contact entre le verre et l’air. « La structure des couches est un aspect crucial pour accroître la luminosité des OLED », précise Karsten Heuser, qui dirige le département OLED d’Osram. « Sans une architecture de composants efficace, c’est-à- dire une combinaison de molécules intelligente et des épaisseurs de couches adaptées, on ne peut pas obtenir de bons résultats, même avecles meilleurs matériaux », insiste-t-il.

Le matériau est primordial. Lorsqu’ils se combinent à un trou, les électrons ne libèrent pas systématiquement leur énergie sous forme de lumière. Mais cette probabilité peut être accrue par l’intégration de métaux, tels que l’iridium, dans les couches. En outre, la durée de vie des OLED, c’est-à-dire leur temps d’utilisation avant que leur luminosité ne se réduise de 50 %, dépend de la stabilité des molécules. « En règle générale, la durée de vie des OLED diminue en présence d’une forte luminosité », souligne Karsten Heuser.

Les OLED actuelles affichent une durée de vie d’environ 5 000 heures, soit cinq fois plus qu’une ampoule à incandescence. Et cette longévité pourrait même atteindre 20 000 heures dans les années à venir. De nouvelles substances robustes permettront de prolonger la durée de vie des molécules émettant notamment la lumière bleue. Mais les OLED peuvent également se dégrader lors du stockage si l’oxygène ou l’humidité pénètre dans les couches de plastique. L’encapsulation est donc un aspect critique pour les développeurs. Les OLED peuvent actuellement supporter une période de stockage de huit années.

Fabriquées en faibles quantités et en laboratoire, les OLED sont aujourd’hui particulièrement chères. Dans sa forme actuelle, le panneau Orbeos coûte environ 250 euros. Mais les lignes de production de masse permettront bientôt de réduire sensiblement les coûts. Ceci s’applique également aux matériaux organiques qui continuent d’être fabriqués en petits volumes.

Les chercheurs souhaitent également remplacer la protection en verre par une encapsulation spéciale par film fin. Cette technique confère une protection tellement efficace que le matériau déshydratant n’a plus d’utilité. Par ailleurs, elle permettrait de réduire les coûts et d’améliorer la transparence. Il reste donc à développer un substitut à la couche de contact transparente actuellement composée d’oxyde d’indium cassant et à concevoir de nouvelles stratégies de production d’OLED souples.

D’après Karsten Heuser, il faudra patienter encore cinq ans pour voir apparaître le premier produit souple. « Nous n’en sommes pas encore à fabriquer du papier peint lumineux. Courber une surface OLED pour lui donner une forme définitive est une chose. La possibilité de la rouler et de la dérouler à volonté pose bien plus de problèmes, notamment en raison de l’encapsulation », conclut-il. Néanmoins, les panneaux lumineux légers feront bientôt partie de notre quotidien. D’ici trois ou quatre ans, selon Christoph Gärditz, les OLED en verre afficheront une telle durée de vie et seront si lumineuses et économiques qu’elles envahiront nos chambres et nos salons.

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Auteur : Christine Rüth