Intégration de couches hybrides de base sol-gel dans les architectures de passivation de dispositifs OLED

Solgel hybrid layers integration in the passivation structure of OLED devices

• Auteur / Autrice : Marion Provost
• Direction : Tony Maindron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 01/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bellet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Lenoble
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Chadeyron, Fayna Mammeri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux hybrides

Nanoindentation

Diodes électroluminescentes

Sol-gel, Procédé

Mots clés libres

Diode Electroluminescente Organique (OLED)

Matériau Composite Organique-Inorganique

Procédé Sol-Gel

Propriétés barrières au gaz

Atomic Layer Deposition (ALD)

Nanoindentation

Organic Light-Emitting Diode (OLED)

Organic-Inorganic Composite Material

Sol-Gel Process

Gas Barrier Properties

Atomic Layer Deposition (ALD)

Nanoindentation

Résumé

L’application de la technologie OLED (diode électroluminescente organique) pour l’affichage est actuellement principalement portée par le marché des écrans de télévision et des smartphones. Les matériaux et les substrats utilisés permettent de produire des dispositifs légers, compacts, voire flexibles, possédant un excellent contraste image et une fréquence de rafraîchissement élevée. Les contraintes technologiques limitant l’industrialisation concernent la durée de vie des dispositifs. D’une part, les matériaux utilisés dans les structures OLEDs sont dégradés en présence d’eau et d’oxygène, il est donc essentiel de passiver le dispositif avec une structure de haute qualité barrière à l’atmosphère. D’autre part, il est nécessaire d’ajouter une protection mécanique en surface, sous forme de capot ou de protection monolithique, modulable en fonction de l’application visée. Ces travaux de thèse visent à développer une nouvelle conception de packaging, intégrant des nanocomposites organiques-inorganiques au sein de l’architecture d’encapsulation multicouche développée au CEA-LETI, et appliquée aux écrans de petite taille (microdisplays) OLED réalisés sur substrat silicium. Ces matériaux permettent de cumuler des propriétés d’ordinaire antagonistes ; celles de la phase organiques (flexible, déposable par voie liquide) et celles de la phase inorganique (barrière au gaz, résistance mécanique et chimique). Les résultats reposent sur le contrôle fin de la morphologie ; le procédé sol-gel a donc été choisi pour sa versatilité. Nous avons montré qu’il était possible de définir plusieurs formulations composites. L’une en particulier, basée sur des nanoparticules de silice intégrées dans une matrice polymère, s’est révélée compatible avec l’encapsulation monolithique des substrats OLED, permettant notamment la reprise de contact électrique. L’ajout de ce matériau au sein de l’architecture de passivation augmente la résistance barrière au gaz et, par extension, la durabilité des dispositifs en conditions climatiques sévères. Utilisé en tant que protection mécanique de surface, cette solution en couche mince n’atteint pas la résistance mécanique des capots de verre, mais permet malgré tout de protéger les substrats pendant toutes les phases de fabrication et de manipulation. L’avantage principal de cette solution packaging réside dans la diminution de l’épaisseur totale, augmentant le contraste en limitant fortement les pertes lumineuses, et ouvrant la porte aux substrats et dispositifs flexibles.

Due of the ongoing growth of smartphones and TVs displays markets, the application of OLED (Organic Light Emitting Diode) technology for displays has become a major center of interest. The materials and substrates used in such architectures allow to develop lightweight, compact and even foldable displays, demonstrating an excellent image quality and fast refresh rates. Currently, the technological drawbacks restricting the exploitation on industrial scale mainly concern the lifespan of the devices. First, materials used in OLED architecture are highly sensitive to moisture and oxygen ingress and require a high barrier encapsulation. In addition, a specific protection needs to be included to secure the device from mechanical failures. As so various options from glass lids to flexible barriers are likely to be considered depending on the intended use. This work deals with the production of OLED microdisplays deposited on silicon substrates, and aims to develop an alternative packaging solution, based on organic-inorganic nanocomposite layers, both on top and embedded into the multi-barrier passivation architecture previously developed at the CEA-LETI. Synergistic properties can be obtained from composite materials, enhancing the advantages of both the organic (flexibility, processability) and inorganic phase (barrier properties, mechanical and chemical resistance). As a high control on the morphology in required, the sol-gel process was therefore selected for its versatility. Several composite materials were designed. One selected formulation, based on silica nanoparticles dispersed in a polymer matrix, proved to be fully compatible with the monolithic encapsulation of OLED circuits, including, among other properties, the recovery of the electrical bonding. Passivation architectures using the composite as interface layer showed improved barrier properties as well as an enhanced durability of devices stored in warm and damp environment. Obviously, a thin hard-coat layer does not equal a glass lid in terms of mechanical resistance, yet our formulation provided a sufficient protection during the overall process and handling of the displays. The main advantages of this alternative packaging rely on the reduced thickness, increasing the contrast by minimizing the loss of luminous efficacy through guided mode and offering the prospect of flexible substrate manufacturing.