Preuve des régions commutées en détectant les changements de luminance dans les OLED :la ligne du bas de la figure présente les croquis en vue de dessus sur un pixel OLED à trois étapes exemplaires différentes du courant total appliqué. La ligne du haut estime les profils de luminance sur la section transversale indiquée. Alors que de faibles courants d'entraînement entraînent une distribution de luminance homogène (colonne de gauche), les courants élevés donnent lieu à un profil de luminance progressivement décroissant (colonne du milieu). Après avoir dépassé un certain courant de seuil, la luminance va même diminuer ("switch back") dans certaines zones de l'appareil (colonne de droite). Crédit :Anton Kirch, Axel Fischer, Matthias Liero, Jürgen Fuhrmann, Annegret Glitzky, Sébastien Reineke
Il est bien connu que les LED et les transistors ne doivent pas être connectés en parallèle car de légères différences de résistance peuvent entraîner un flux de courant déséquilibré. Cet effet devient encore plus fort si les appareils chauffent car leur résistance change avec la température. Pour les LED organiques (OLED), c'est un gros problème :chaque panneau d'éclairage OLED de grande surface peut être compris comme une connexion parallèle de nombreux minuscules OLED individuels. En conséquence, ces appareils présentent une émission lumineuse inhomogène s'ils chauffent. Un phénomène observé par les chercheurs comme par les entreprises industrielles ces dernières années, est une saturation de la luminosité qui se produit même si le courant total appliqué est continuellement augmenté.
Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de la TU Dresden et du Weierstrass Institute Berlin prouve expérimentalement que les OLED ne se contentent pas de saturer, ils montrent même des régions dont la luminosité est réduite : s Cet effet dit "de retour" est directement lié à la présence d'une forte rétroaction électrothermique non linéaire dans les OLED qui se produit lors du chauffage et qui à son tour induit une résistance différentielle négative qui rend l'appareil sujet à un fonctionnement instable.
Les résultats ont un fort impact sur la compréhension de la stabilité à long terme dans les applications à haute luminosité, par ex. comme on les trouve dans le secteur automobile. Ici, Les OLED sont désormais à l'étude pour remplacer la technologie LED pour les feux arrière, feux de signalisation, et les feux de freinage en raison de leurs nouvelles possibilités de conception. Un problème auquel les OLED sont toujours confrontés est le phénomène de mort subite. Ils sont rarement décrits dans la littérature en raison de leur apparition imprévisible et apparemment aléatoire. Cependant, il est probable que les régions inversées maintenant prouvées soient fortement liées à de tels phénomènes de mort subite. Une meilleure compréhension de l'OLED en tant que système électrothermique complexe permettra, donc, être essentiel pour prévoir les pannes de l'appareil et développer de nouvelles stratégies pour une meilleure uniformité de la luminosité et une meilleure stabilité de l'appareil. À l'avenir, de nouvelles applications à ultra-haute intensité lumineuse telles que les lasers organiques bénéficieront également d'une connaissance précise des effets d'auto-échauffement.
La coopération entre les deux groupes remonte à 2011. Depuis, plusieurs publications conjointes sur la rétroaction électrothermique dans les dispositifs à semi-conducteurs organiques ont été publiées. "La prédiction des régions inversées remonte en fait à 2014, lorsque nous avons obtenu quelques indices initiaux par une simulation plutôt rudimentaire, " a déclaré le Dr Axel Fischer qui est l'auteur correspondant de cet ouvrage, et qui continue, "nous nous sommes ensuite concentrés sur la création d'une configuration améliorée qui nous permettrait de mesurer l'effet de nos échantillons à l'échelle du laboratoire."
Le terme "switched-back" est en fait lié à la densité de courant qui diminue localement dans l'OLED contrairement au courant total qui augmente encore. Comme il est difficile de mesurer la densité de courant local, une caméra a été utilisée pour détecter l'émission qui correspond au flux de courant local. S'il y avait une diminution de la luminosité avant que l'OLED ne se dégrade, ce serait la preuve de régions reculées. En effet, les expérimentateurs ont soudainement observé une diminution de la luminance dans la région attendue de la zone active juste après l'apparition de la première résistance différentielle négative.
Ces expériences ont été réalisées et évaluées par Anton Kirch, qui est actuellement titulaire d'un doctorat. étudiant à la TU Dresde. "D'abord, une région de résistance différentielle négative apparaît et se propage à travers le dispositif pour augmenter le courant d'alimentation. À un certain point, ils inversent des régions éloignées des électrodes et qui n'ont pas une dissipation de puissance suffisamment élevée. On peut imaginer que ces régions commutées ne "voient" que la tension décroissante des pièces OLED fonctionnant dans le régime de résistance différentielle négative et ne savent pas que la tension appliquée de l'extérieur augmente encore."
Pour confirmer les résultats expérimentaux, l'interaction complexe entre courant et flux de chaleur a été étudiée numériquement dans un système hautement non linéaire, prenant en compte les différentes couches de l'OLED. Par conséquent, les mathématiciens du Weierstrass Institute Berlin ont créé un outil de simulation pour résoudre le système dérivé d'équations aux dérivées partielles. "Nous avons dû introduire un algorithme avancé de suivi de chemin, " explique le Dr Matthias Liero, "pour capter le comportement de l'appareil en régime bistable, c'est-à-dire lorsque des parties de l'OLED fonctionnent dans le régime de résistance différentielle négative."
Après sa mise en œuvre, la simulation numérique a pu reproduire le résultat expérimental sur la base d'hypothèses et de paramètres raisonnables. Liero précise :« Franchement, nous avons été étonnés de l'accord qualitatif et quantitatif entre la simulation et l'expérience. La forme et l'occurrence de la région inversée ont été calculées telles qu'elles ont été trouvées dans l'expérience. » Le groupe recherche maintenant d'autres partenaires scientifiques et industriels pour transférer les résultats des OLED à l'échelle du laboratoire vers des panneaux d'éclairage à couche mince plus grands. et des géométries plus compliquées.
Les deux groupes souhaitent poursuivre leurs travaux communs sur le retour électrothermique. Les prochains défis sont de créer de nouvelles stratégies pour éviter les régions inversées afin d'homogénéiser la luminance même lors d'un auto-échauffement. Il s'agira de créer des solutions non triviales qui prennent explicitement en compte la nature non linéaire du problème. Par ailleurs, des études approfondies explorant l'interdépendance entre l'apparition de régions reculées et des scénarios de mort subite ont été lancées.
