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Vous êtes ici : Accueil > Technique > Mémoires > Impression jet d'encre des diodes électroluminescentes organiques (OLED) Révision : 12 mars 2014  
Impression jet d'encre
des diodes électroluminescentes organiques (OLED)
 
             Antoine BAUDE et Inès DAUDÉ

Élèves ingénieurs 2e année
Avril 2013
Mise en ligne - Mars 2014

Avertissement
Ce mémoire d'étudiants est une première approche du sujet traité dans un temps limité.
À ce titre, il ne peut être considéré comme une étude exhaustive comportant toutes les informations
et tous les acteurs concernés.

       
  Plan  
I - Introduction
II - Diodes électroluminescentes organiques (OLED)
III - Analyse économique
IV - Perspectives
V - Conclusion
VI - Bibliographie - Webographie
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I - Introduction

Plan

   
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  Figure 1 - Électroluminescence
[Elumin]
 

Tandis que les ampoules à incandescence disparaissent, le marché est constamment à la recherche de lampes moins énergivores. Depuis une vingtaine d’années, la recherche dans le domaine de l’électronique organique s’est considérablement développée en raison de ses applications innovantes et variées. Parmi celles-ci, les diodes électroluminescentes organiques (OLED) occupent l'un des premiers rangs.

L’électroluminescence est la génération de lumière visible par composé soumis à un champ ou un courant électrique de manière non thermique. C’est une variante d’un phénomène physique plus général appelé luminescence [Figure 1]. Les OLED (Organic Light-Emitting Diode) sont des dispositifs multicouches utilisant ce phénomène afin de produire de la lumière. Les matières organiques sont introduites entre deux électrodes. Pour un bon fonctionnement, l'épaisseur des couches doit être homogène afin d'avoir une bonne conductivité du matériau sur toute sa surface. Les techniques d'évaporation sous vide et de spin coating sont habituellement utilisées mais elles ont un faible rendement et ne conviennent pas pour une production continue.

Permettant de déposer plusieurs couches et d'obtenir une épaisseur homogène, les technologies d'impression semblent très prometteuses pour produire des OLED. Le jet d'encre apparaît comme le procédé maître pour fabriquer des couches électroluminescentes. Sans impact et sans contact, il permet d'imprimer tous types de supports. Toutefois, ce procédé peut présenter quelques difficultés techniques.

Quelles sont les capacités du procédé jet d'encre pour l'impression d’OLED ? À quel avenir technologique et économique peut-on s’attendre ? Dans cette étude, les exigences techniques de l’électroluminescence et de l'impression jet d'encre des OLED sont présentées. Une analyse économique permet de mieux cerner le secteur de l’électronique imprimée en ébullition et, plus particulièrement, la place des OLED et du jet d’encre sur ce marché.

II - Diodes électroluminescentes organiques (OLED)

Plan

II-1 - Généralités

L'électroluminescence est un phénomène optique et électrique durant lequel un matériau émet de la lumière en réponse à un courant électrique qui le traverse, ou à un fort champ électrique. C’est le résultat de la recombinaison radiative des électrons et des trous électroniques dans un matériau, généralement un semi-conducteur. Les électrons excités libèrent leur énergie sous forme de photons c'est-à-dire de lumière. Avant recombinaison, les électrons et les trous sont séparés les uns des autres en raison de l'induction dans le matériau pour former une jonction, ou en raison de l'excitation par impacts d'électrons de haute énergie accélérés par un fort champ électrique.

Les encres électroluminescentes rentrent principalement dans la technologie relativement récente des diodes électroluminescentes organiques. Les premières recherches faites par le Français André Bernanose sur la production de lumière à partir de matière organique traversée par un courant électrique datent des années 50. Toutefois, ce n’est qu’en 1980 que la première diode est créée et le premier brevet est déposé en 1987 par Kodak. La commercialisation des OLED date de 1997 et reste à une échelle relativement petite. Les procédés de fabrication des OLED ne sont pas encore maîtrisés et les recherches se poursuivent dans divers secteurs.

II-1-1 - Matériaux utilisés dans une OLED

Deux matériaux principaux sont utilisés : des petites molécules permettent de réaliser des films électroluminescents par évaporation sous vide et des polymères sont mis en œuvre à partir de solution. Ces matériaux se comportent comme des semi-conducteurs avec un gap (entre 1.5 et 3 eV). Le procédé utilisant les petites molécules est compliqué mais plus performant car il permet le dépôt de couches successives avec une précision nanométrique.

II-1-2 - Fonctionnement d'une OLED

Quatre mécanismes principaux sont mis en jeu dans l’électroluminescence [Figure 2].

L’électroluminescence est donc le résultat de la recombinaison des électrons et des trous électroniques dans un matériau. Les électrons excités libèrent leur énergie sous forme de photons, c'est-à-dire de lumière. En équilibrant les densités de courants d’électrons et de trous, il est possible d’obtenir une émission intense de lumière sous une faible tension.

                     
  Figure 2 - Schéma des mécanismes de l'électroluminescence
[Techniques de l'Ingénieur]
 
     

II-1-3 - Structure simplifiée de l'OLED

Les diodes électroluminescentes organiques sont constituées de plusieurs couches : un film de matériau (petites molécules ou polymères) est inséré entre deux électrodes de nature chimique différente.

L'une des électrodes est transparente afin de permettre l'observation de la lumière émise. Ces électrodes sont choisies en fonction de la facilité d’injection des charges dans les matériaux. Ces derniers sont déposés sur l'électrode puis la cathode est déposée sous vide sur le matériau organique. La Figure 3 ci-dessous montre les différentes couches d'une OLED.

                     
  Figure 3 - Schéma d'une diode électroluminescente
[Thèse Choukri H.]
 
     

En appliquant une tension électrique appropriée, les électrons et les trous sont injectés dans la couche émettrice à partir de la cathode et de l'anode. Les électrons et les trous s'attirant, ils migrent au travers du matériau luminescent et se combinent dans la couche émettrice pour former des excitons. Pour cela, il faut arracher des électrons d’un côté et en rajouter de l’autre. C’est pourquoi la couche lumineuse est prise en sandwich entre deux électrodes.

Extraction de la lumière

Une fois les photons émis, il faut les extraire de la diode. Le schéma ci-dessous distingue différents cas selon la destination finale des rayons lumineux [Figure 4].

                     
  Figure 4 - Rayons lumineux dans une OLED
[Thèse Choukri H.]
 
     

Une partie des photons générés dans la zone de recombinaison sont envoyés vers la cathode métallique qui joue alors aussi le rôle du miroir. Ces derniers sont alors réfléchis (1). Toujours depuis la zone de recombinaison, des rayons envoyés vers le substrat sont soit totalement réfléchis (2) sur la première face du substrat en verre, soit réfractés dans le milieu substrat (3) et (4). Parmi ces rayons, un faible nombre seulement (environ 20%) de rayons sont collectés en sortie (4).

II-2 - Spécificités techniques

II-2-1 - Spectres d'absorption, de photoluminescence et d'électroluminescence

On attribue aux composés organiques une bande de valence et une bande de conduction. Le niveau haut de la bande de valence noté HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) représente l’orbitale moléculaire la plus haute occupée et l’énergie d’oxydation de la molécule. Le niveau bas de la bande de conduction noté LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital) représente l’orbitale moléculaire la plus basse vacante et l’énergie nécessaire pour que la molécule accepte un électron [Figure 5].

                Schéma des bandes HOMO et LUMO      
  Figure 5 - Schéma des bandes HOMO et LUMO
[Geffroy B.]
 
     

L’écart entre ces deux niveaux définit le gap qui se situe entre 2 et 3 eV typiquement dans les semi-conducteurs organiques électroluminescents. La valeur du gap correspond à l’énergie nécessaire pour faire passer la molécule de son état fondamental à son premier état excité.

                Courbes d'énergie potentielle types d'une molécule organique      
  Figure 6 - Courbes d'énergie potentielle types d'une molécule organique
dans son état fondamental et son premier état excité
[Geffroy B.]
 
     

Par absorption d’un photon, la molécule passe à un niveau d’énergie supérieur (flèche 1) ce qui donne naissance à un spectre d’absorption dans le visible et donc à de la lumière. Plus la taille du gap est importante, plus celle du nuage électronique délocalisé est grande et plus les longueurs d’ondes d’absorption et d’émission sont grandes. Puis la molécule redescend jusqu'au niveau 0 de l'état excité (flèche 2). La durée de vie de l'état excité est de l'ordre de la nanoseconde. Enfin, la molécule se désexcite (flèche 3).

II-2-2 - Caractéristiques JLV = densité de courant/luminance/tension

Comme l'illustre la Figure 6 ci-dessus, il est nécessaire d'avoir une tension seuil Vth aux bornes du dispositif pour avoir le passage d'un courant significatif. À partir de ce seuil, il y a une augmentation exponentielle de la densité de courant ainsi que de la luminance. Sachant que cette dernière est proportionnelle à la densité de courant, une faible variation de tension aux bornes de la diode entraîne une variation significative de la luminance. Ces résultats sont très intéressants : il est possible d'obtenir un très bon rendu lumineux à partir d’un faible courant.

II-2-3 - Mécanismes mis en jeu

Injection des charges

Pour aboutir à l’émission de lumière électroluminescente dans les OLED, la première étape est d'injecter des charges électriques depuis les électrodes. Elle consiste à attirer des charges depuis les électrodes vers le matériau organique sous l’effet d’un champ électrique extérieur. Les charges sont soit des électrons (plutôt des polarons négatifs) injectés depuis la cathode soit des trous (polarons positifs) injectés depuis l’anode. Dans chacun des cas, les charges doivent franchir une barrière d’énergie non négligeable formée par l’interface.

Transport des charges par le polaron

Le polaron transporte les charges de signe opposé. En effet, lorsqu’un électron est injecté (ou retiré) dans une molécule π-conjuguée, celle-ci se déforme localement ainsi que l’entourage de la molécule qui se polarise et se réarrange aussi au niveau vibrationnel. L’association d’une charge et de la déformation locale associée est une quasi-particule appelée polaron.

Transport des électrons (ETL)

Il est nécessaire d’introduire des matériaux pour transporter les électrons provenant de la cathode jusqu’à la zone de recombinaison. Les matériaux organiques ayant la capacité de conduire des électrons, sont nommés accepteurs ou transporteurs d’électrons. Un bon matériau transporteur d'électrons se caractérise par une importante mobilité des électrons et un LUMO proche du travail de sortie de la cathode.

Transport des trous (HTL)

La majorité des matériaux organiques conduisent les trous : ils sont dits donneurs (d’électrons) par abus de langage ou plutôt transporteurs de trous. Ainsi, dans une structure OLED, la couche HTL est proche de l’anode, source de charges positives. Un bon transporteur de trous est caractérisé par un HOMO relativement profond (autour de 5,4 eV) et une mobilité de trous importante. Une disposition adéquate de ces différentes molécules permet le confinement des électrons et des trous au niveau de la zone de recombinaison grâce à des barrières d’énergie, ce qui améliore la valeur du taux de recombinaison.

Recombinaison

Un exciton, assimilé à une quasi-particule neutre, est une paire électron-trou liée par l’interaction coulombienne. Il existe deux sortes d’excitons [Figure 7] : l’exciton de Wannier-Mott concerne les matériaux inorganiques et s’étend sur un rayon voisin de 10nm ; l’exciton de Frenkel, plus petit, s’étend sur un rayon de l’ordre du nanomètre. Ce dernier intervient dans les matériaux à faible constante diélectrique, comme le cas des matériaux organiques.

                     
  Figure 7 - Les différents excitons
[Thèse Choukri H.]
 
     

Les différents processus physico-chimiques simplifiés intervenant dans les molécules sont résumés dans le diagramme de Jablonski ci-dessous [Figure 8].

                     
  Figure 8 - Diagramme de Jablonski
[Thèse Choukri H.]
 
     

II-2-4 - Rendement de l'OLED

Ci-dessous la formule de l'efficacité quantique externe en % [B. Geffroy]

                     
     

Avec

Souvent le rendement de recombinaison est proche de 1 grâce à un bon équilibrage de l'injection des charges positives et négatives. Χ = ¼ car 25% des excitons sont singulets, ηext=1/2n² avec n l'indice de réfraction du matériau organique. Tandis que le rendement de photoluminescence sera optimisé en ayant recours au dopage qui minimise l'agrégation des molécules émettrices.

II-2-5 - Développement durable

Le principal avantage d’une OLED est sa consommation d’énergie réduite car elle peut être utilisée avec un faible courant. De plus, étant composée de matières organiques, sa fabrication n’a pas d’impact sur l’environnement.

Dernier aspect important quant à la durabilité du produit : sa durée de vie. La fin de vie d’une lampe électroluminescente survient quand elle décline jusqu’à un niveau non acceptable en fonction de son application. La luminosité des lampes électroluminescentes diminue avec le temps comme tous les luminophores. Cette diminution ne se produit que pendant les périodes de temps où la lampe est en cours d'utilisation. La durée de vie utile d'une lampe électroluminescente est fonction du produit, de la luminosité minimale requise de la puissance disponible et des conditions de stockage. Elle varie de quelques milliers à 50.000 heures. En comparaison, une ampoule lambda a une durée de vie utile moyenne de 2500 h. Pour conclure, une OLED est un objet durable qui sera amené à remplacer d’autres produits pour des besoins environnementaux.

II-3 - Techniques de dépôt

Les techniques habituellement utilisées sont le spin coating et l’évaporation sous vide. Toutefois, les procédés d’impression s'avèrent intéressants pour fabriquer des OLED. L’héliogravure, la sérigraphie, la flexographie et le jet d’encre ont chacun des avantages et des inconvénients. L’offset en revanche n’est pas utilisé, la viscosité de l’encre étant trop importante et les formulations d’encre trop complexes.

II-3-1 - Spin coating et évaporation sous vide

Ces techniques classiques dans l’électronique organique et la micro-électronique permettent le dépôt de couches minces. Ce ne sont cependant pas des procédés d’impression. Le spin coating, ou enduction centrifuge, utilise la force centrifuge. La technique d’évaporation sous vide, quant à elle, permet de déposer le matériau dans une enceinte hermétique, le vide permettant aux particules d'atteindre directement le support où elles se recondensent à l'état solide.

Ces techniques sont utilisées à l’échelle des laboratoires et destinées à de très faibles productions. De plus, elles ne permettent pas la production en ligne. Leur faible rendement – 75% de la solution de polymère est perdue – entraîne un coût élevé. C’est pourquoi les procédés d’impression leur sont préférés et les remplacent dans le monde de l’électronique imprimée.

II-3-2 - Héliogravure

Dans ce procédé d'impression, l'encre est transférée directement depuis un cylindre alvéolé gravé vers le support. D’ordinaire dédiée aux gros tirages, l'héliogravure avance des caractéristiques intéressantes pour l’impression de composants électroniques. En premier lieu, sa grande "répétabilité" : elle est due à l'adaptation de ce procédé à de fortes cadences et à la production de formes imprimantes moins fréquente qu’avec la flexographie et l'offset. Autre avantage : l’épaisseur du film déposé est plus importante qu’en offset et en flexographie, ce qui permettrait d’éviter les discontinuités des couches. Plus encore, ce procédé en creux permet d'envisager des anilox plus profonds afin d'obtenir un film d'encre encore plus épais. Attention toutefois à l’homogénéité de ce film d’encre.

II-3-3 - Sérigraphie

Utilisant un pochoir entre l’encre et le support, cette technique permet de déposer une épaisseur d’encre importante et d’imprimer sur des supports très variés. La société Add-Vision – dont les actifs sont achetés par Sumitomo Chemical en 2011 – emploie ce procédé pour imprimer des OLED afin de produire des affichages de taille réduite : cartes de crédit intelligentes, compteurs de vitesse...

II-3-4 - Flexographie

Dans ce procédé d’impression en relief, l’encre est transférée directement de l’anilox à un cliché souple puis au support. Il présente des inconvénients. Il ne peut imprimer que des supports rigides. En outre, l’apparition de halos pourraient gêner le fonctionnement des OLED.

II-3-5 - Jet d'encre

Procédé privilégié pour produire des composants électroniques, le jet d’encre permet d’imprimer toutes sortes de supports, sans contact avec ceux-ci, ce qui évite de les dégrader. Plébiscité par de nombreuses entreprises, le dépôt d’OLED par jet d’encre est de loin la technique la plus avancée. Par exemple, Cambridge Display Technology, l'un des leaders dans le développement des diodes électroluminescentes organiques, propose un écran OLED 14 pouces imprimé via 128 têtes d’impression jet d’encre [Figure 9].

                     
  Figure 9 - Dépôt des matériaux organiques par jet d'encre
[Geffroy B.]
 
     

Le dépôt par procédé d’impression présente un véritable enjeu d’avenir. Le jet d’encre permet une production à faible coût et une impression sur tous types de surfaces, du très petit au très grand format, et toutes sortes de supports.

C’est également le seul procédé à écriture directe : il est possible de déposer directement et uniquement la quantité d’encre nécessaire. La résolution du jet d’encre permet de reproduire des motifs identiques avec des couleurs différentes et de superposer des motifs de petite taille. C'est un avantage considérable pour imprimer des dispositifs multicouches comme les OLED.

Il y a différentes exigences liées au procédé jet d’encre. En effet, ce procédé sans contact implique un temps de vol non négligeable des gouttes d’encres. Par conséquent, il faut obligatoirement une synchronisation appropriée entre la tête d'impression et la position du substrat. Les têtes d’impression doivent être contrôlées par multiplexage ou alors chaque buse doit être contrôlée séparément les unes des autres. La formulation de l’encre quant à elle doit présenter des propriétés physico-chimiques strictes correspondant aux besoins du jet d’encre avec une faible viscosité comprise entre 2 et 10 mPa.s et une tension superficielle comprise entre 25 et 35 mN/m. La taille des particules doit également être inférieure au micron afin d’éviter le colmatage des buses d’impression. En respectant ces exigences, il est possible de développer diverses encres avec des propriétés variables et contrôlées.

II-4 - Problèmes techniques

II-4-1 - Problèmes liés à l'électroluminescence

Les matériaux de transfert de charges, la couche d'émission et le choix des électrodes sont des paramètres fondamentaux qui déterminent les performances et l'efficacité du composant OLED.

La source de lumière est due à la recombinaison d’un exciton (paire électron-trou) à l’intérieur de la couche émettrice, lors de laquelle un photon est émis. Pour optimiser cette recombinaison, la couche émettrice doit posséder un nombre de trous égal au nombre d’électrons. Cet équilibre est cependant difficile à atteindre dans un matériau organique. En effet, la mobilité d’un électron est environ trois fois plus grande que celle d’un trou.

L’exciton a deux états : singulet ou triplet. Seul un exciton sur quatre est de type singulet. Les matériaux utilisés dans la couche lumineuse contiennent souvent des fluorophores. Toutefois, ces derniers n’émettent de la lumière qu’en présence d’un exciton à l’état de singulet, d’où une perte notoire de rendement.

Des problèmes se posent également au niveau de l’injection électrique. Pour une injection thermo-ionique efficace des électrons au niveau de la cathode, le matériau organique doit avoir une affinité électronique Ae > 3 eV et un faible potentiel d’ionisation IP < 5 eV pour une injection de trous efficace.

Un autre problème est lié à la dégradation du matériel. Une diminution de la luminance peut être due au vieillissement des matériaux. Il peut aussi y avoir une augmentation de la tension de fonctionnement ou encore l'apparition de "points noirs".

II-4-2 - Problèmes liés au jet d'encre

Le jet d’encre est une technique d’impression sans contact. De ce fait, il y a un temps de vol des gouttes, entre leur éjection et l’impact sur le substrat, au cours duquel plusieurs difficultés peuvent survenir. Des décalages, l’apparition de gouttes satellites voire de filaments peuvent nuire aux propriétés de la couche imprimée et réduire son efficacité.

En outre, la résolution, la vitesse et la superficie n'étant pas encore optimales pour toutes les productions industrielles, la production de masse reste un verrou technologique.

Les encres utilisées doivent avoir une faible viscosité et des particules de l’ordre du micron. Si la formulation ne remplit pas les conditions liées au jet d’encre, les buses d’impression peuvent se colmater.

Enfin, pour des applications de l’électronique imprimée comme les OLED, il faut une épaisseur de couche moyenne suffisante : le jet d’encre peut imprimer des couches entre 1 et 2 microns, ce qui peut être juste pour certaines couches du dispositif.

III - Analyse économique

Plan

III-1 - Marché de l'électronique imprimée

Le dynamisme des investissements réalisés est très soutenu dans le secteur de l’électronique imprimée grande surface. Les nombreuses applications envisagées font de ce domaine un champ de recherche majeur. En effet, les phénomènes qui prennent place dans les matériaux organiques sont utilisés depuis une dizaine d'années pour mettre au point des écrans plats électroluminescents via la technologie OLED.

                     
  Figure 10 - Évolution du marché de l'électronique imprimée
[IDTechEx]
 
     

Une étude publiée par IDTechEx en 2011 souligne l'expansion de l’électronique imprimée organique : le marché mondial atteindra 44,25 milliards de dollars en 2021 [Figure 10].

Les diodes électroluminescentes organiques sont très présentes aujourd’hui mais seulement pour des applications d’affichage et non d’éclairage. D'ici 2021, les OLED pour éclairage se développeront pour représenter près de 5% du marché de l’électronique imprimée.

D’après cette étude, le marché de l’éclairage et des écrans se positionne après le photovoltaïque. L’Europe détient la plus grosse part du marché : les premières usines sont apparues en Allemagne et en Autriche. Ce résultat s’explique par les efforts menés par les universités et les centres de recherche européens.

Les marchés américain et asiatique sont toutefois très importants avec des entreprises comme DuPont, General Electric et Kodak aux États Unis et Samsung en Corée du Sud. D'après la Figure 11 ci-dessous, le nombre d’acteurs asiatiques qui investissent dans ce secteur est certes moins important qu’en Europe et aux États-Unis, néanmoins ce sont d’énormes conglomérats disposant de moyens très importants.

                       
  Figure 11 - Répartition des investissements dans le secteur
de l'électronique imprimée à l'horizon 2018
[AEPI]
 
     

En termes de dépenses, le marché asiatique arrive en tête en 2007 avec 56% des investissements mondiaux. C'est relativement logique puisque la majeure partie des écrans OLED sont fabriqués en Asie, même si de nombreux produits qui les intègrent sont ensuite vendus en Amérique du Nord et en Europe. La tendance devrait se vérifier dans les années à venir avec une estimation à 53% des investissements mondiaux en 2018.

III-2 - Marché des OLED

Les OLED ont déjà conquis le marché des écrans pour les petits appareils nomades – téléphones portables, agendas électroniques et appareils photos numériques. En revanche, la production d’écrans de taille plus grande soulève d’importants problèmes techniques. À terme, les OLED s’implanteront sur le marché des écrans de télévision, de l’affichage publicitaire et d’éléments lumineux flexibles. La question est de savoir quand.

Il n'est donc pas surprenant que ce marché connaisse des taux de croissance de plus de 50%. Au-delà du marché des écrans, les diodes électroluminescentes organiques devraient jouer un rôle majeur dans l’éclairage en profitant du fait que celles-ci peuvent être intégrées sur des supports flexibles et sont relativement peu gourmandes en énergie [Figures 12 & 13].

                       
  Cliquer sur les images pour les agrandir
Figures 12 & 13 - Évolution des produits électroluminescents
[Universal Display Corporation]
 
         

Il est possible de faire l’estimation suivante pour les applications des OLED [Figure 14].

                       
  Figure 14 - Évolution des applications des OLED  
     

Selon NanoMarkets, le marché de l’éclairage représentait 34,6 millions $ en 2008 et pourrait représenter 6,4 milliards $ en 2015. Actuellement, le marché des OLED est le seul segment de l’électronique organique ayant réellement décollé. De grands groupes chimiques sont déjà présents en tant que fournisseurs : Merck, Ciba Specialty Chemicals (en partenariat avec Novaled), DuPont, BASF, Mitsui Chemicals, Sumitomo.

La fabrication des OLED est un marché dominé par peu d’acteurs mais qui représentent de grands groupes [Tableau 1].

Rang Fabricant Revenu (M$)
Samsung SDI 37
RiTdisplay 28
Pioneer 20
Univision (WiseChip Semiconductor Inc.) 14
LG 7
  Others 19
  Total 125

Tableau 1 - Principaux fabricants d'OLED
[Bernard Geffroy]

Les OLED sont portées par le fort développement de l’électronique imprimée. Les avantages du procédé jet d’encre le mettent au premier plan et son utilisation pourrait se généraliser rapidement. DisplaySearch, bureau d’études spécialisé dans l’industrie des écrans d’affichage, prédit une très bonne croissance du marché des OLED pour atteindre un poids de 5,5 milliards de dollars en 2015.

III-3 - Analyse concurrentielle (Diagramme de Porter)

                       
  Cliquer sur l'image pour l'agrandir
Figure 15 - Analyse concurrentielle du marché
des écrans OLED imprimés par jet d'encre
 
     

IV - Perspectives

Plan

IV-1 - Variables essentielles et facteurs de développement

L’avenir de l'impression d’OLED grâce au jet d’encre dépend de différentes variables. En effet, il est important de prendre en compte la productivité, les coûts, la durée de vie et la consommation d'énergie des OLED. L’impression jet d’encre permettrait une fabrication à moindre coût même si des problèmes liés au procédé (taille des buses, vitesse d’impression, précision, répétabilité, format) doivent être surmontés pour lancer une production à grande échelle.

Plusieurs développements de têtes d’impression pour l’électronique imprimée sont en cours. Depuis 2006, Konica Minolta et Epson travaillent sur des projets permettant d'imprimer avec des gouttes très petites, de 1 picolitre. Ces têtes sont composées d’environ 128 buses espacées de 300 μm, donnant une surface d'impression de 38 mm. La couche déposée fait 100 nm d'épaisseur. Avec un tel procédé, il est possible d’imprimer des OLED. Certaines entreprises voudraient aller encore plus loin et créer des antennes.

Les OLED ont des durées de vie intéressantes par rapport aux autres systèmes d’éclairage et de visualisation (plasma, LED,...). Toutefois, des améliorations peuvent être apportées. La lumière et l’humidité peuvent détériorer les polymères présents dans les OLED. L’intensité lumineuse de ces dernières peut également être affectée par la poussière ou des court-circuits.

IV-2 - Diagnostic stratégique (matrice SWOT)

Forces Faiblesses
  • Procédé sans forme imprimante
  • Procédé durable (sans impact)
  • Produits ayant une longue durée de vie
  • Produits peu énergivores
  • Produits esthétiques
  • Impression sur toutes sortes de supports (flexibles)
  • Produits à plus grande échelle (panneaux, affiches)
  • Bons rendements lumineux
  • Bonne qualité d’impression
  • Mécanismes mis en jeu compliqués
  • Nombre de buses limité dans la tête d’impression
  • Faibles tirages
  • Difficultés pour imprimer des films d’encre épais
  • Problèmes techniques (équilibre trous/électrons, injection électrique)
  • Coûts de production importants
Opportunités Menaces
  • Croissance du marché de l'affichage publicitaire depuis les années 90
  • Développement du marché de l’électronique organique
  • Croissance du jet d’encre
  • Place primordiale de l'écologie depuis les années 2010
  • Recherche de produits peu énergivores par les consommateurs
  • Recherche de produits innovants par les consommateurs
  • Grande productivité des autres procédés (héliogravure, flexographie)
  • Fiabilité des autres procédés (offset, flexographie)
  • Concurrence avec les LCD
  • Coûts moindres des autres procédés

Tableau 2 - Analyse stratégique de l'impression jet d'encre d'OLED

IV-3 - Analyse des risques

L'un des premiers risques dans la production d’OLED est la difficulté d’impression, un obstacle qui peut fermer les marchés. Si la production est lente et coûteuse, les fabricants vendront leurs produits à un prix élevé et les OLED resteront des produits de luxe qui ne se développeront pas.

L'autre risque est la durée de vie du produit. Bien qu’elle soit bonne en prévision, le procédé n'est pas encore assez connu pour garantir que les produits ne se dégraderont pas rapidement.

IV-4 - Scénarios

IV-4-1 - Scénario 1 - Dans 10 ans : les OLED atteignent une part de 50% sur le marché de l’électronique imprimée

La qualité des OLED attire la plupart des fabricants d’appareils électroniques (ordinateurs, téléphones, écrans…) tels que Apple, Sony, Dell, en plus de ceux qui sont déjà sur ce marché depuis vingt ans (Samsung, Seiko Epson, Canon).

Les diodes électroluminescentes organiques représentent 50% du marché de l’électronique imprimée. Les écrans OLED monopolisent le marché : chaque nouvelle technologie en est dotée, comme par exemple, les trois derniers Iphone d’Apple (41, 42 et 43) ainsi que toutes les nouvelles tablettes.

Les OLED font également leur apparition dans l’éclairage, domestique et industriel, et dans la signalétique, notamment l’éclairage de panneaux de circulation. Dans ce secteur, le marché est partagé par de nombreux acteurs comme Lucid, Crelum’in ou Citelum.

Probabilité de réalisation : 80%

IV-4-2 - Scénario 2 - Dans 20 ans : les OLED sauvent l’environnement et représentent 100% de l’éclairage utilisé

La situation environnementale mondiale est catastrophique. Il est urgent de créer et de n’utiliser que des appareils et produits consommant le centième de l'énergie employée aujourd’hui et n’ayant aucun impact sur l’environnement. Les OLED sont les seuls à répondre à ces critères : peu énergivores, ils sont composés de matériaux organiques et ne polluent pas.

Concernant les panneaux lumineux et l'éclairage, de nombreux équipements sont interdits par les gouvernements et seuls les OLED sont autorisés. Leur production est minutieuse et contrôlée. Le jet d’encre, facteur d'une meilleure qualité, est utilisé pour obtenir les meilleurs rendements de lumière possibles. Par conséquent, les coûts de fabrication sont énormes et nombre d’entreprises doivent fermer leurs usines comme Pioneer, Canon ou Tokki. Seules les entreprises spécialisées, Samsung, Seiko Epson et des PME, continuent de produire et se partagent ce marché très fermé.

Probabilité de réalisation : 30%

IV-4-3 - Scénario 3 - Dans 40 ans : les OLED trouvent une nouvelle application et trois entreprises se disputent le marché

Une nouvelle mode est lancée : la "décoration paysagique" des extérieurs. Elle consiste à positionner au fond de son jardin un affichage gigantesque représentant le paysage de son choix : une plage garnie de cocotiers, des montagnes enneigées... Cette tendance fait fureur. Des villes tapissent des kilomètres carrés d’affiches pour cacher une vilaine déchetterie ou tout simplement décorer leurs alentours. Lumineuses et flexibles, ces affiches sont fabriquées avec des OLED.

L’industrie des diodes électroluminescentes organiques est donc florissante : le marché explose et atteint 8 572 milliards de dollars. On compte des centaines de fabriquants dans le monde mais trois grandes sociétés détiennent 90% du marché : Baude&Fils, Daudé-Ink et Oledior. Elles se sont développées durant les trente dernières années en concurrençant les autres entreprises, comme Samsung ou Canon, dont la production était trop lente et trop coûteuse par rapport à la demande croissante.

Le procédé jet d’encre, autrefois utilisé pour sa qualité, n'a plus la cote. Des chercheurs ont adapté une nouvelle technique d’impression, la "phatographie", aux OLED. Désormais, elle a les faveurs exclusives des fabricants car elle est beaucoup plus rapide que le jet d'encre tout en bénéficiant de ses qualités.

Probabilité de réalisation : 40%

IV-4-4 - Scénario 4 - Dans 50 ans : les OLED sont bannis, le marché s’écroule et seule demeure une production locale

Les panneaux publicitaires recouvrent les paysages partout dans le monde, s’étalant sur les plages, dans les forêts et les montagnes, à tel point que l’unique solution est d’interdire catégoriquement toutes formes d’affichage. Les gouvernements bannissent les publicités dans les zones urbaines et rurales. Seul un état résiste : le Taijikistan.

Ces affiches représentant 95% du marché des OLED, les fabricants font face à une grave crise et doivent trouver de nouvelles applications. Ils doivent revoir leur production et leur clientèle. Certains comme Baude&Fils et Oledior misent tout sur les 5% du marché qui leur reste, les lampes d’ambiance multicouleurs, et lancent une grande campagne publicitaire sur Internet pour développer ce marché.

D’autres acteurs du secteur, comme Daudé-Ink, continuent de produire pour leur dernier client : le Taijikistan. Certains y délocalisent leur entreprise pour être plus près de leurs clients. D'autres y envoient des chasseurs de têtes car c’est désormais une guerre stratégique : il faut conserver la plus grosse part du marché taijikistanais.

Probabilité de réalisation : 2%

V - Conclusion

Plan

L’électronique imprimée est une formidable opportunité pour les industries graphiques. L’impression d’OLED via le procédé jet d’encre peut être envisagée dans un futur proche pour des applications d’éclairage à grande échelle : panneaux routiers, affichage publicitaire grand format, éclairage d’ambiance, emballage...

Les diodes électroluminescentes organiques pourraient à l’avenir remplacer le plasma et le LCD pour les écrans de nos télévisions, de nos portables et autres objets numériques.

Des marchés émergents ayant une forte valeur ajoutée sont à conquérir. Les estimations concernant la commercialisation des composants électroniques imprimés varient à quelques années près mais une forte croissance est à prévoir dans les cinq années à venir.

Toutefois, il reste encore des verrous à surmonter et des progrès à accomplir pour garantir l’essor de cette nouvelle technologie. En particulier, améliorer la rhéologie et l’efficacité des encres utilisées permettrait d’atteindre des performances acceptables. En outre, des efforts concernant la production de masse et la réduction des coûts doivent être faits pour une meilleure compétitivité et une plus large diffusion auprès du grand public.

Ayant compris les opportunités des OLED imprimées par jet d'encre, certains acteurs industriels se sont déjà positionnés sur le secteur. L'accent est mis sur la recherche et ses avancées destinées à répondre aux attentes techniques et économiques vis-à-vis de cette technologie pleine de promesses.

VI - Bibliographie - Webographie

Plan

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JEWELL E. H., CLAYPOLE T.C., GETHIN D.T.   The development of printed electroluminescent lamps on paper.   Journal of Print and Media Technology Research, United Kingdom : WCPC, 2004, p.177-183.
GEFFROY B. De l’électroluminescence aux OLED pour la visualisation et l’éclairage du futur. Palaiseau, France : Ecole Polytechnique, 2011, 24p.
GEFFROY B.   Les diodes électroluminescentes organiques ou l’émergence de l’électronique organique.   Palaiseau : Ecole Polytechnique, 2006, 107 p.
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CHARTIER I.   Flexible Large Area Electronic, new solutions for electronics systems.   CEA LITEN, 2013, 73 p.
    L'électronique imprimée.   AFELIM
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    Processing guide for DuPont Luxprint® electroluminescent inks.   DuPont, mai 2012
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LE BARNY P.   Électroluminescence des matériaux organiques. Principes de base.   Techniques de l’Ingénieur, 10 mai 2006
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Electroluminescent pastes. Metalor
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GRIFF A.L.   Electroluminescent : are we there yet ?   Omnexus by SpecialChem, février 2010
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REVILLION J., TONDELIER A.   Diodes électroluminescentes organiques et impression : quel avenir ?   Cerig, 2010
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HARROP P.   Introduction to printed, organic and flexible electronics.   IDTechEx
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FERY L.   L'impression transforme les produits en sources lumineuses.   Industrie & Technologies, 27 novembre 2012
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     What we do.   NthDegree Technologies
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DAS R.   Printed electronics : what can we do better ?   IDTechEx, 31 août 2014
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DAS R., HARROP P.   Printed, organic & flexible electronics forecasts, players & opportunities 2011-2021.   IDTechEx, 2011
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HACK M.   OLED : the history and future trends.   Universal Display Corporation
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    UBS Global Technology Conference.   Universal Display Corporation, November 15, 2012
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    Électronique imprimée, électronique organique : vers une nouvelle filière électronique ?   AEPI, 2009
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    Le marché des OLED devrait atteindre 5,5 milliards de dollars en 2015.   ECI Electronique, 8 janvier 2011
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