Actuellement, de nombreux smartphones haut de gamme sont équipés d'écrans AMOLED. Bien que le terme AMOLED soit fréquemment employé, comprenez-vous réellement son lien avec l'OLED ? Pourquoi les fabricants de smartphones se précipitent-ils pour s'assurer l'accès aux dalles OLED ? Les smartphones et les casques de réalité virtuelle peuvent-ils faire de l'OLED la technologie d'affichage dominante ?
En gardant ces questions à l'esprit, examinons en détail la technologie OLED.
Structure et principe d'émission de lumière des OLED
La diode électroluminescente organique (OLED) est une technologie d'affichage initialement développée et brevetée par Kodak. Cette technologie utilise des polymères organiques comme matériaux semi-conducteurs dans les diodes électroluminescentes. Ces polymères peuvent être naturels ou synthétiques, et de taille moléculaire variable. Les protéines et l'ADN sont des exemples de polymères organiques.
La structure de base d'une OLED ressemble à un sandwich, composée d'une couche d'ITO (oxyde d'indium-étain) reliée à l'électrode positive et associée à une cathode métallique. Cette structure multicouche comprend une couche de transport de trous, une couche émissive et une couche de transport d'électrons.
Sous l'influence d'un champ électrique, les trous générés par l'anode et les électrons générés par la cathode migrent respectivement vers la couche de transport de trous et la couche de transport d'électrons, puis sont injectés dans la couche émissive. Lorsque des électrons et des trous se rencontrent dans cette couche, des excitons se forment, lesquels excitent les molécules luminescentes et produisent ainsi de la lumière visible.
Lorsque la tension appliquée atteint un niveau approprié, les trous provenant de l'anode se combinent aux électrons provenant de la cathode dans la couche émissive, produisant ainsi de la lumière. Selon la composition du matériau, une lumière rouge, verte ou bleue est émise, formant ensuite des images en couleur grâce au principe de mélange des couleurs RVB.
OLED contre LCD
Les écrans OLED sont auto-émissifs : chaque pixel émet sa propre lumière. À l’inverse, les écrans LCD n’émettent pas de lumière et nécessitent un rétroéclairage sous la dalle.
Un module LCD (LCM) se compose d'une dalle LCD et d'un système de rétroéclairage. La dalle LCD comprend généralement des polariseurs, des substrats en verre, des filtres de couleur, des électrodes transparentes, des transistors TFT et des cristaux liquides. Le système de rétroéclairage comprend des sources lumineuses, des guides d'ondes, des films optiques et des composants structurels.
Classification et caractéristiques des OLED
Selon leur mode de pilotage, les écrans OLED peuvent être classés en :
- PMOLED (OLED à matrice passive)
- AMOLED (OLED à matrice active)
PMOLED
La technologie PMOLED utilise une matrice formée de cathodes et d'anodes, éclairant les pixels par balayage. Chaque pixel fonctionne en mode impulsionnel, émettant momentanément une forte luminosité.
Avantages : Processus de fabrication simple, coût réduit
Inconvénients :
Ne convient pas aux écrans de grande taille ou à haute résolution.
AMOLED
L'écran AMOLED utilise des transistors TFT indépendants pour contrôler chaque pixel. Chaque pixel peut émettre de la lumière de manière continue et indépendante.
Avantages : Faible tension de fonctionnement, durée de vie prolongée des composants électroluminescents
Inconvénients :
Processus de fabrication complexe, contrôle des coûts difficile
La technologie AMOLED domine largement le marché des écrans OLED et représente la tendance actuelle. Aujourd'hui, lorsqu'on parle d'« écrans OLED », on fait généralement référence à la technologie AMOLED.
Principaux avantages de la technologie OLED
- Structure ultra-mince, environ un tiers de l'épaisseur des écrans LCD
- Composants à semi-conducteurs à forte résistance aux chocs
- Angles de vision larges avec un décalage de couleur minimal
- Temps de réponse plus rapides que les écrans LCD (jusqu'à 1000 fois plus rapides sur les premiers téléviseurs OLED comme le XEL-1 de 11 pouces de Sony sorti en 2007).
- Excellentes performances à basse température (fonctionnel même en dessous de -75 °C si les circuits sont intacts)
- Efficacité énergétique supérieure à celle des écrans LCD
- Peut être fabriqué sur divers substrats, y compris des matériaux flexibles
Bien que les premiers écrans OLED aient souffert d'une durée de vie limitée, les progrès considérables réalisés ces dernières années ont permis leur adoption généralisée dans les téléphones mobiles. Cependant, les panneaux OLED restent plus chers que les écrans LCD, et de nouvelles avancées en matière de production de masse sont encore nécessaires.
Processus de fabrication des écrans AMOLED
Étant donné que la technologie AMOLED domine le marché des OLED, nous nous concentrons sur son processus de production :
Processus de fabrication du fond de panier → Processus de fabrication du fond de panier → Assemblage du module
Processus de fond de panier
La première étape de la production des écrans AMOLED et TFT-LCD consiste à fabriquer le substrat arrière TFT.
Les OLED sont des dispositifs à courant continu et nécessitent un courant très stable, lequel dépend de la mobilité des porteurs de charge. Par conséquent, le silicium polycristallin à basse température (LTPS) est le substrat semi-conducteur le plus adapté aux transistors TFT OLED. La plupart des écrans AMOLED utilisent des substrats LTPS, tandis que les écrans LCD utilisent généralement du silicium amorphe (a-Si) pour des raisons de coût et de fabrication.
Principales différences entre l'utilisation des TFT dans les écrans LCD et OLED :
- Les pixels LCD ne nécessitent qu'un seul TFT, tandis que les pixels OLED nécessitent au moins quatre TFT.
- Les transistors TFT OLED nécessitent une précision de fabrication beaucoup plus élevée, ce qui entraîne des rendements plus faibles.
Le procédé de fabrication du substrat comprend le dépôt de film, la photolithographie et la gravure pour former des structures LTPS, avec une précision au niveau du micron et des exigences d'uniformité extrêmement élevées.
L'équipement clé comprend :
- Systèmes de photolithographie
- Machines de gravure humide et sèche
- graveurs ICP
- systèmes PVD et CVD
- systèmes de cristallisation laser
- Machines d'implantation ionique
- équipement de recuit thermique rapide
Processus de plan frontal
Le processus de fabrication du plan frontal est l'étape la plus critique dans la production d'écrans AMOLED.
Après nettoyage et séchage, le substrat LTPS-TFT est placé sous atmosphère d'azote pour refroidissement, puis retourné de manière à ce que la face recouverte du film soit orientée vers le bas. Il est ensuite introduit dans une chambre à vide poussé (environ 5 × 10⁻⁵ MPa) pour l'évaporation des couches fonctionnelles et émissives.
Après le dépôt, le panneau subit une inspection fonctionnelle et visuelle, la fixation du polariseur, puis passe à l'assemblage du module.
L'équipement clé comprend :
- Systèmes de transfert de substrat
- Équipement de nettoyage
- Machines à évaporation
- Machines de tension
- Systèmes de vieillissement et de durcissement
Le cœur de la fabrication des écrans AMOLED réside dans l'évaporation sous vide , procédé au dépôt de matériaux organiques et d'électrodes métalliques sur le substrat LTPS. Ce procédé requiert un équipement extrêmement spécialisé.
Actuellement, Canon Tokki (une filiale de Canon) est largement reconnue comme le leader mondial des équipements d'évaporation OLED et détient un quasi-monopole sur les outils de production de masse à grande échelle.
Processus d'assemblage des modules
La dernière étape consiste à assembler le panneau AMOLED en un module utilisable.
Comparés aux modules LCD, les modules AMOLED sont plus simples car ils ne nécessitent ni unités de rétroéclairage ni filtres de couleur.
Les étapes de base comprennent :
- Découpe, nettoyage et séchage des panneaux
- Attachement ACF
- Liaison COG, FOG et TAB
- Essais électriques
- revêtement protecteur et durcissement
- Assemblage final et emballage
L'équipement clé comprend :
- Machines de nettoyage
- Machines à couper
- Machines de collage ACF
- équipement de liaison COG/FOG/OLB
- Systèmes de test de vieillissement
- Systèmes d'inspection AOI
Défis techniques et applicatifs des OLED
La technologie OLED est largement considérée comme l'avenir des écrans. Cependant, les panneaux OLED de grande taille, en particulier ceux utilisant la technologie TFT à oxyde, sont confrontés à des défis importants liés au rendement, au coût et à la mise à l'échelle.
Les principaux obstacles comprennent :
- Fabrication de panneaux de grande taille
- Uniformité du dépôt de matière organique
- fiabilité de l'encapsulation
Défis liés aux écrans OLED de grande taille
Les procédés LTPS rencontrent des difficultés au-delà des lignes de production de génération 5.5 en raison des limitations de l'évaporation horizontale RGB utilisant des masques métalliques fins (FMM). À mesure que la taille des panneaux augmente, la gravité provoque un affaissement des masques, ce qui entraîne un mélange des couleurs et une réduction de la résolution.
Considérations relatives à la technologie TFT à oxyde
Les structures TFT à oxyde courantes comprennent :
- Coplanaire
- Couche d'arrêt de gravure (ESL)
- Gravure par canal arrière (BCE)
Bien que les structures coplanaires soient plus simples, elles présentent des problèmes de fiabilité. Les structures BCE et ESL offrent de meilleures performances et un meilleur rendement, la structure ESL assurant la plus grande fiabilité au prix d'une complexité de fabrication accrue.
Les transistors TFT à oxyde sont sensibles à la lumière et à la chaleur, ce qui provoque des décalages de tension de seuil et complique la stabilité et l'uniformité du processus.
Défis liés à la couleur et au dépôt des OLED
Les écrans OLED utilisent des sous-pixels RVB déposés par évaporation sous vide. Maintenir une luminosité uniforme et un équilibre des couleurs optimal devient de plus en plus difficile à mesure que la taille de la dalle augmente. Les matériaux OLED bleus ont une durée de vie plus courte, ce qui nécessite une compensation susceptible d'altérer la précision des couleurs.
Écrans OLED incurvés et blancs
Les structures OLED en tandem ont permis la création d'OLED blanches à haut rendement, adaptées à l'éclairage et aux écrans. Cependant, les OLED blanches présentent un gamut de couleurs et une pureté inférieurs à ceux des OLED RGB et nécessitent plus de dix couches minces, ce qui impose une uniformité d'épaisseur extrêmement élevée.
Perspectives d'avenir et technologies d'affichage concurrentes
Les technologies OLED, MicroLED et QLED sont considérées comme des technologies d'affichage de nouvelle génération. Toutes trois utilisent des sous-pixels RVB auto-émissifs et peuvent théoriquement atteindre une efficacité lumineuse de 95 %.
Du point de vue de la fabrication, ces technologies partagent environ 70 % de leurs équipements et procédés, ce qui rend la concurrence moins « à sens unique » que les précédentes batailles entre écrans LCD et plasma.
Comparaison des technologies
- OLED : Écosystème mature, flexible, mais à durée de vie et stabilité limitées
- QLED : Matériaux inorganiques d'une excellente longévité, mais dont la fabrication à grande échelle est difficile.
- MicroLED : Potentiel d'efficacité et de luminosité maximal, mais processus de transfert de masse et d'assemblage extrêmement complexes
La technologie MicroLED offre une efficacité énergétique et une densité de luminosité supérieures, ne nécessitant qu'environ 10 % de la surface émissive par rapport à l'OLED pour une luminosité équivalente.
Au final, le futur vainqueur parmi les technologies OLED, MicroLED et QLED ne sera pas déterminé uniquement par les indicateurs de performance, mais aussi par la faisabilité technique, le rendement de fabrication, la rentabilité et la fiabilité à long terme dans le cadre d'une production à grande échelle.
Malgré ses limitations, la technologie OLED répond déjà aux exigences pratiques de l'électronique grand public et reste une force dominante dans l'industrie actuelle des écrans.
