La perspicacité, la collaboration et la persévérance amènent le centre de recherche Imec sur le point de réaliser une percée dans la fabrication des futurs écrans OLED mobiles.
Les écrans de nos téléphones mobiles deviennent de plus en plus complexes. Ils couvrent autant de surface que possible, ne laissant aucun bord pour des éléments tels que l'objectif de l'appareil photo, la lumière et le capteur d'empreintes digitales. Ceux-ci devront de plus en plus être situés derrière l'écran. Pas facile, car cela signifie que l'écran doit laisser passer la lumière de l'extérieur vers la caméra et les capteurs, mais en même temps doit émettre une image claire avec un contraste élevé.
La résolution des écrans OLED reste également un défi important. Pas seulement pour les smartphones, mais surtout pour les applications émergentes telles que l'holographie et augmenté et la réalité virtuelle (RA/RV). Les chercheurs d'Imec Tung-Huei Ke et Pawel Malinowski expliquent :« Actuellement, des résolutions allant jusqu'à 3000 pixels par pouce (ppi) sont possibles en utilisant des OLED blanches et des filtres de couleur. Pour les prochaines générations d'écrans, l'industrie doit doubler à 6000ppi. Pour rendre cela possible, il faut des pixels avec des dimensions d'un micromètre, soit un ordre de grandeur inférieur à ce qui est courant actuellement."
Pour fabriquer des écrans OLED, l'industrie utilise des techniques telles que l'impression à jet d'encre ou le dépôt sélectif en phase vapeur de matériaux à l'aide de masques. Ces techniques existantes atteignent leurs limites pour diverses raisons. Mais sous un angle inattendu, une alternative prometteuse semble désormais presque prête à être transférée à l'industrie :la photolithographie.
Tung-Huei Ke :« La lithographie est une technique couramment utilisée dans la production de puces informatiques. Il permet de réaliser des structures électroniques à l'échelle du nanomètre. Mais personne ne pensait qu'il était possible de l'utiliser pour les OLED. Ceux-ci sont très sensibles à des paramètres tels que la température et l'humidité et, par conséquent, les OLED se briseraient pendant le processus de lithographie. Les tentatives pour l'essayer de toute façon ont échoué assez rapidement.”
Alors pourquoi l'imec a-t-il réussi ? En bref :la perspicacité et la persévérance d'un petit groupe de chercheurs ayant une expertise transversale, un gestionnaire et un contexte qui ont stimulé la culture expérimentale et le coup de pouce occasionnel des partenaires de collaboration nécessaires.
Tung-Huei Ke :« Il y a dix ans, nous travaillions sur la structuration de matériaux organiques pour de nouveaux types de cellules solaires. Dans notre recherche des bons matériaux sensibles à la lumière (photoresist), nous avons trouvé un partenaire engagé en Fujifilm. Ils nous ont envoyé des échantillons et l'un de leurs experts, Nakamura-san, avec qui nous avons eu une collaboration fantastique au fil des ans, est venu travailler avec nous sur le projet en tant que résident industriel. Nous avons commencé les premières expérimentations avec un budget R&D modeste et après une quinzaine d'échantillons nous sommes arrivés à des premiers résultats prometteurs.”
Pawel Malinowski :« C'est à ce moment que les idées interdisciplinaires sont entrées en jeu. Notre chef de groupe, Paul Heremans, a suggéré l'idée - si cela fonctionnait pour les cellules solaires organiques - d'essayer également la lithographie pour les LED organiques plus difficiles. Et à Tung Huei, notre équipe comptait l'un des rares chercheurs au monde à connaître la lithographie ainsi que les écrans OLED. Il faut savoir qu'à cette époque OLED était encore très exotique. Aujourd'hui, c'est un terme courant dans les produits de consommation et les téléviseurs sont fabriqués avec, mais même dans le monde de la recherche, on pouvait se demander s'il y aurait jamais un grand marché pour cela. »
En 2013, les premiers aperçus ont conduit au tout premier communiqué de presse sur les matériaux photosensibles pour l'application de la lithographie dans la production d'OLED. Ce qui suivit fut plusieurs années de travail intensif en laboratoire. Pawel Malinowski :« Ces premières années ont été une période formidable pendant laquelle nous avons pu nous adonner en tant que chercheurs. En tant que petite équipe, nous nous complétions et nous nous sentions parfaitement."
Tung-Huei Ke :« C'était vraiment étape par étape et nous avons célébré ensemble chaque succès. Vous êtes donc heureux au début de pouvoir même créer un pixel OLED qui donne de la lumière. Lorsque nous avons réussi pour la première fois en 2013, nous le regardions tous comme des bambins aux lumières du sapin de Noël. Et cela pendant les deux minutes complètes, car une durée de vie plus longue n'était pas disponible pour notre premier pixel OLED (rires) ."
Il est passé de ce pixel un an plus tard à deux couleurs et de nouveau un an plus tard à trois (RVB :rouge, vert, bleu). Tung-Huei Ke :"En le résumant ainsi, il semble qu'il s'agissait d'une simple mise à l'échelle de un à trois pixels, mais en arrière-plan, cela impliquait de nombreux ajustements des matériaux et des processus." Pawel Malinowski :« Il n'y avait pratiquement aucune littérature scientifique sur laquelle s'appuyer, nous avons donc dû essayer à peu près tout nous-mêmes. Heureusement, en chimie organique, vous avez toujours le choix entre de nombreux matériaux, donc si vous rencontrez un problème, vous pouvez toujours trouver une solution. Mais vous avez aussi beaucoup d'options à essayer, ce qui ne facilite pas les choses.
Lorsqu'il a été prouvé qu'imec pouvait créer une combinaison de pixels RVB avec la lithographie, la recherche s'est également concentrée sur d'autres aspects, tels que l'allongement de la durée de vie. C'était en 2015-2016, lorsque l'équipe a également commencé à parler aux producteurs d'écrans.
Pawel Malinowski :« Peu de temps après l'annonce de nos pixels RVB, nous avons organisé un voyage d'affaires à travers l'Asie pour chercher un terrain d'entente avec l'industrie de l'affichage. Nous avons visité tellement de pays et de villes en trois semaines que je ne savais même plus dans quelle ville j'étais. Mais cela a donné lieu à toute une série de conversations fascinantes et, à la fin, également à un certain nombre de projets de collaboration concrets. »
Les connaissances acquises et les collaborations avec l'industrie ont permis d'orienter la recherche en fonction des besoins des fabricants d'écrans. Par exemple, en 2017, l'équipe a publié des résultats de premier plan en termes de petites dimensions de pixels et d'espacement des pixels. Cela a également considérablement amélioré la durée de vie de nos écrans OLED par rapport aux deux minutes d'origine.
Pawel Malinowski :« Après une trentaine de tentatives, nous avions un échantillon d'affichage avec une durée de vie en laquelle nous avions confiance. Pourtant, je n'oublierai jamais notre première conférence où nous l'avons montré. Lors de Touch Taiwan, une conférence d'affichage de premier plan, notre partenaire industriel CPT avait proposé de montrer notre échantillon d'affichage sur son stand d'exposition. Ce fut un grand honneur car seuls les meilleurs résultats y sont affichés et la réputation de l'entreprise y est également attachée. Dans le hall d'exposition, il faisait environ cinquante degrés Celsius avec une humidité de près de cent pour cent :ce ne sont pas exactement les conditions qui font le bonheur des OLED. De plus, il s'est avéré que les personnes qui construisaient le stand d'exposition avaient emporté notre échantillon avec elles dans un sac de transport sale sous leur bras en sueur. C'était la veille de la grande ouverture VIP, donc vous pouvez imaginer que je n'ai pas beaucoup dormi cette nuit-là (rires) † Mais notre échantillon a parfaitement fonctionné et même à ce jour, nous l'avons conservé et il le fait toujours. Nous ne pouvions pas imaginer une meilleure preuve de longévité.”
Tung-Huei Ke :« La raison pour laquelle nous en sommes arrivés là est que nous avons rigoureusement étudié et traité tous les défauts et leurs causes possibles. Un écran OLED peut être composé d'une douzaine de couches. Un défaut peut se développer dans n'importe laquelle de ces couches, et à n'importe laquelle de leurs transitions. L'une des forces d'imec est de disposer d'une expertise et d'une infrastructure uniques au monde pour effectuer tous les tests courants sur la durée de vie, la fiabilité et les défauts des circuits électroniques. La capacité d'effectuer des analyses à tous les niveaux était nécessaire pour mener à bien ce processus. Et cela explique aussi pourquoi nous, à l'imec, avons été les premiers et les seuls au monde à réussir un objectif que personne ne pensait possible :fabriquer des pixels OLED par lithographie."
Pawel Malinowski :« Plus nous commencions à travailler avec l'industrie, plus notre travail devenait « sérieux ». Les missions et les délais des partenaires ont causé plus de stress que dans nos premières années insouciantes, mais aussi des objectifs concrets qui ont accéléré les progrès. En même temps, il était également important d'expérimenter. Nous tirons toujours beaucoup de satisfaction des projets parallèles que nous essayons de démarrer autant que possible."
Pawel Malinowski a suggéré vers 2018 de faire un capteur de lumière organique (OPD, photodiode organique) à côté d'un pixel OLED. Cela permettrait d'intégrer des capteurs d'empreintes digitales, par exemple, dans l'écran mobile. Mais pour cela, les couches du dessus doivent être transparentes afin de transmettre la lumière incidente au capteur. En pratique, cela signifie que des "trous" doivent être faits entre les pixels OLED déjà fonctionnels sans les endommager. Pour cela aussi, l'imec a utilisé avec succès des techniques de lithographie. Par exemple, l'équipe a remporté le prix du meilleur prototype avec un capteur d'empreintes digitales transparent lors de la SID Display Week en 2019.
Comme résultats les plus récents, fin 2020, l'imec a présenté deux avancées extrêmement importantes pour la production industrielle grâce à la lithographie :la création de pixels d'une taille de 10 micromètres et d'un espacement de 20 micromètres, et la création de « trous ' à l'écran , pour les capteurs intégrés. Les deux sans effet significatif sur les propriétés lumineuses des OLED.
Il reste encore quelques obstacles à surmonter pour le passage à la production industrielle d'écrans mobiles avancés. Le plus important est de réduire la consommation d'énergie. Le seul effet négatif après le processus de lithographie est que les chercheurs constatent que la consommation d'énergie des pixels OLED augmente. Cela conduirait à une consommation excessive de la batterie des appareils mobiles.
Tung-Huei Ke :« Pour le moment, nous constatons une consommation de 6,6 V, ce qui est supérieur aux 3,8 V auxquels nous devons aller au moins. On voit bien qu'une répétition de plusieurs étapes de lithographie n'a pas d'effet cumulatif. Cela nous donne une indication que le problème se pose dans les premières étapes de la production. Je suis convaincu qu'avec cette perspicacité, nous trouverons la cause exacte et la solution correspondante dans un avenir prévisible. »
Ce que signifie l'avenir prévisible est difficile à prévoir. Pawel Malinowski :« Nos expériences durent généralement quelques semaines et cela peut parfois entraîner des problèmes inattendus et de la frustration. Par exemple, s'il y a une panne de courant dans le laboratoire où nos expériences sont en cours, nous devrons peut-être recommencer cette expérience à partir de zéro. Mais nous pouvons également faire beaucoup de progrès si l'industrie augmente encore sa participation active à la recherche. »
Tung Huei Ke :« L'importance de cette recherche ne peut être sous-estimée. Si l'industrie veut continuer à innover dans les écrans OLED pour smartphones et également servir de nouveaux marchés tels que l'AR et la VR, elle doit rechercher de nouvelles méthodes de production. L'introduction de la lithographie pourrait s'avérer d'une grande importance à cet égard. La formation technique peut également apporter une contribution importante. En Asie, les ingénieurs sortent diplômés avec une certaine connaissance de l'électronique organique. Malheureusement, en Belgique, les cours sont encore limités aux aspects les plus élémentaires de l'électronique, de sorte que nous devons souvent beaucoup coacher et familiariser les jeunes diplômés européens avant qu'ils ne puissent contribuer activement à nos recherches. Chez imec, en collaboration avec des partenaires industriels, nous avons investi plus de dix ans pour prouver la faisabilité de la technologie. Je suis convaincu que nous sommes en pole position pour aider les entreprises à mettre efficacement cette technologie sur le marché."
