De la lumière verte pour des écrans plus beaux

Chih-Jen Shih est vraiment satisfait. Il a réussi une percée. "Personne d'autre ne peut actuellement produire une lumière verte aussi pure que la n?tre", déclare le professeur de chimie technique dans son laboratoire sur le campus du H?nggerberg. Il montre une diode électroluminescente (LED) ultrafine et flexible. En effet, celle-ci affiche les trois lettres "ETH" dans un ton vert fin et clair.

Le développement de Shih est particulièrement important dans la perspective de la prochaine génération d'écrans à très haute résolution, tels qu'ils sont utilisés notamment pour les téléviseurs et les smartphones : Pour que les écrans puissent afficher dans un avenir proche des images encore plus claires, plus nettes, plus détaillées et aux couleurs finement nuancées, les appareils électroniques correspondants doivent d'abord pouvoir produire du rouge, du bleu et du vert ultra purs. Pour le rouge et le bleu, c'est aujourd'hui largement possible. Pour le vert, en revanche, la technique se heurtait jusqu'à présent à des limites.

Cela est surtout lié à la perception humaine : L'?il distingue plus de niveaux intermédiaires pour le vert que pour le rouge et le bleu. "Cela rend la production technique de vert ultra-pur très exigeante et nous met au défi dans le développement de la technologie et des matériaux", explique Sudhir Kumar, premier auteur de la publication correspondante.

Un vert ultra-pur à 99 pour cent

Un coup d'?il à la norme internationale en vigueur "Rec.2020" révèle à quel point Shih et son équipe ont ouvert la porte à une nouvelle génération d'écrans avec leur vert ultra-pur : Celle-ci définit au niveau mondial les exigences techniques pour les écrans à très haute résolution (en abrégé : "Ultra HD") et constitue ainsi un cadre pour la recherche et le développement futurs. Parmi ces exigences figure une amélioration sensible et visible à l'?il nu de la qualité des couleurs. Pour ce faire, la norme prévoit d'élargir la gamme de couleurs qu'un écran peut reproduire, et donc le nombre de nuances de couleurs.

Le vert ultrapur joue un r?le clé dans l'extension de la gamme de couleurs, appelée gamut. Enfin, les nouvelles teintes sont obtenues en mélangeant techniquement les trois couleurs primaires rouge, bleu et vert. Plus les couleurs de base sont pures, plus l'éventail des nuances qu'un écran peut afficher est large. La nouvelle LED de Shih couvre 97 à 99 pour cent de la norme "Rec. 2020". ? titre de comparaison, les écrans de télévision les plus purs actuellement disponibles sur le marché atteignent la valeur du vert ultra-pur entre 73,11 et 77,72 pour cent. Personne ne dépasse les 80 %.

Une technologie LED productible à moindre co?t

Ce résultat, auquel ont également contribué Wendelin Stark, professeur d'ingénierie fonctionnelle des matériaux à l'ETH, ainsi que des chercheurs de Corée du Sud et de Ta?wan, a été publié dans le dernier numéro de septembre de la revue scientifique "Nano Letters". La percée de Shih ne concerne pas seulement le résultat, mais aussi le matériau et le procédé utilisés : En effet, Shih et ses collaborateurs ont mis au point une diode électroluminescente ultrafine et pliable qui peut être fabriquée à température ambiante par des procédés simples et qui émet une lumière verte pure.

C'est le deuxième aspect, au moins aussi important, de sa percée, explique Shih. En effet, jusqu'à présent, des processus à haute température étaient nécessaires si l'on voulait produire de la lumière pure avec la technologie LED. "En permettant la mise en ?uvre de l'ensemble du processus à température ambiante, nous ouvrons une voie pour que l'industrie puisse à l'avenir produire des diodes électroluminescentes ultra-vertes de manière simple et économique", explique Jakub Jagielski, également premier auteur de l'article paru dans les "Nano Letters".

Dans ce cas précis, Shih et son équipe ont utilisé des nanomatériaux pour faire évoluer la technologie des LED : Les diodes électroluminescentes contiennent généralement un cristal semi-conducteur qui, lorsqu'on y ajoute un courant électrique, transforme une partie de l'électricité en lumière et émet celle-ci. Le matériau de base utilisé à cet effet est généralement le nitrure d'indium et de gallium (InGaN). Ce matériau n'a toutefois pas les meilleures propriétés pour produire une lumière verte vraiment très pure.

C'est pourquoi l'équipe de Sih a misé sur la pérovskite. Ce minéral est également utilisé pour la fabrication de cellules solaires et peut convertir l'électricité en lumière de manière relativement efficace. En outre, il est peu co?teux et contribue à la simplicité et à la rapidité du processus de fabrication - après seulement une demi-heure, la pérovskite est chimiquement purifiée et prête à l'emploi, explique Shih.

Le matériau pérovskite de la diode électroluminescente de Shih est d'une épaisseur de 4,8 nanomètres. C'est un facteur important, car la qualité de la couleur est liée à l'épaisseur et à la forme des nanocristaux utilisés. Pour simplifier, cela signifie que les cristaux ne doivent être ni plus épais ni plus fins pour obtenir exactement le vert pur souhaité.

Ces diodes électroluminescentes flexibles et ultrafines peuvent être pliées comme une feuille de papier. C'est pourquoi elles peuvent être fabriquées rapidement et à peu de frais à l'aide de procédés existants de rouleau à rouleau ou par impression à jet d'encre, explique Shih, qui ajoute que cela constitue un avantage dans l'optique d'une future production industrielle.

Prochaine étape : améliorer l'efficacité

Malgré tout, il faudra encore attendre un certain temps avant de voir une première application industrielle de la diode électroluminescente ultra-verte. Dans une prochaine étape, Shih doit d'abord augmenter l'efficacité de sa diode électroluminescente. Aujourd'hui, sa LED atteint une efficacité de 3 pour cent lors de la conversion de l'électricité en lumière. ? titre de comparaison, les écrans de télévision déjà commercialisés aujourd'hui atteignent une efficacité de 5 à 10 pour cent. Dans la prochaine version de sa diode électroluminescente, Shih veut donc atteindre une efficacité de 6 à 7 pour cent. Shih voit également un potentiel d'amélioration dans la durée de vie de sa diode électroluminescente : Aujourd'hui, elle éclaire pendant plus de deux heures. Or, les écrans du marché devraient fonctionner pendant des années. L'invention a fait l'objet d'une inscription au brevet.