Brevet FR2482344A1 — publié le 19811113

La présente invention a pour objet un afficheur bidimensionnel à couche fluide commandée électriquement et son procédé de fabrication. On appelle "afficheur" tout dispositif destiné à engendrer à partir de signaux électriques des images fixes ou mobiles constituées de caractères typographiques et/ou de graphiques linéaires, et éven- tuellement de teintes ou de valeurs de gris. Quoiqu'un récepteur de-télévision constitue un tel afficheur,_. il n'est pas concerné par la présente invention car sa couche "optique- ment active" c'est-à-dire celle qui engendre l'image, n'est pas constituée par un fluide. Les afficheurs à plasma et les afficheurs à cristaux liquides constituent par contre des types connus d'afficheurs comportant une couche optiquement active fluide. Une telle couche est disposée entre deuxl lames dont l'une au moins, la lame avant, est transparente et ses caractéristiques optiques sont commandées par des signaux électriques. Dans le cas des afficheurs à cristaux liquides, auxquels l'inven- tion s'applique avantageusement, les lames avant et arrière portent des électrodes de ligne et de colonne constituées par des bandes conductrices transparentes. La couche active de cristal liquide doit avoir une épaisseur "micrométrique" c'est-à-dire comprise entre 2 microns et 100 microns, par exemple de l'ordre de 10 microns. Cette épaisseur doit être bien constante sur toute l'étendue de la partie utile de la couche, la tolérance étant de l'ordre de 7, dans le cas d'un cristal liquide nematique à birefringence contrôlée électriquement avec lequel on veut obtenir 16 niveaux de gris. Il est difficile de tenir une telle tolérance lorsque la surface utile de l'afficheur n'est pas petite, par exemple lorsque cette surface a une largeur de 15cm et une hauteur de 9cm. Pour cela il est connu de réaliser les deux lames sous la forme de deux plaques de verre bien planes et très rigides fixées par leurs bords au bâti de l'afficheur. La rigidité nécessaire est obtenue en choisissant des lames très épaisses, de 12mi par exemple, et leur planeité résulte -2- d'un polissage. Des cales isolantes sont disposées entre des deux lames, au voisinage des bords, pour maintenir l'intervalle désiré entre les lames. Un cordon de scellement périphérique permet de consti- tuer une enceinte étanche entre ces lames. Le prix de revient de ces lames des afficheurs connus est très élevé et restreint le domaine d'application de ces afficheurs. La présente invention a pour but la réalisation d'un afficheur bidimensionnel à couche fluide commandée électriquement présentant une grande constance de l'épaisseur de la couche optiquement active, aussi grande que soit l'aire de celle-ci, sans nécessiter l'emploi de lames de verre rigides et coûteuses, et sans altérer la qualité optique de l'affichage. Elle a notamment pour objet un afficheur bidimensionel à couche fluide commandée électriquement comportant - une lame avant transparente, - une lame arrière disposée face à face à la lame avant en laissant entre elles un intervalle micrométrique prédéterminé, - un cordon de scellement joignant ces deux lames le long du bord d'une "zone intérieure" pour former une enceinte étanche entre ces plaques sur l'étendue de cette zone, - un fluide présentant une caractéristique optique commandable électri- quement et disposé dans cette enceinte de manière à y former une couche active mince, - des électrodes disposées sur ces deux lames pour appliquer divers signaux électriques "d'affichage" à divers points de cette couche active de manière à commander en chacun de ces points la valeur de ladite caractéristique optique, - des connexions pour transmettre ces signaux d'affichage à ces électrodes, - et des circuits de commande pour créer ces signaux d'affichage de manière à former une image utile dans cette couche active, -cet afficheur étant caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de plots espaceurs de même épaisseur disposés entre les lames avant et arrière et répartis sur cette zone intérieure, - l'une au moins de ces lames étant suffisamment souple pour que l'intervalle entre ces lames puisse être imposé, au voisinage de -3 - chacun de ces plots, par l'épaisseur de ce plot, et pour que cet intervalle puisse être ainsi maintenu constant sur toute la surface de la zone intérieure. La présence des plots espaceurs rend évidemment possible de maintenir l'intervalle par simple application d'une pression extérieure tendant à rapprocher les deux lames. Il semble cependant préférable que chacun des plots espaceurs soit fixé aux deux lames de manière à maintenir l'intervalle constant sans l'intervention d'une telle pression extérieure. De préférence encore chacun des plots espaceurs est constitué par deux demi plots métalliques adhérant chacun sur l'une des deux lames, et par une couche de liaison assurant la liaison entre ces deux demi plots. Une telle disposition facilite l'assemblage des deux lames. On voit que, selon l'invention la constance de l'intervalle entre les deux lames est obtenue, non pas, comme connu, grâce à la rigidité de ces lames, mais, au contraire, grâce à la souplesse d'au moins l'une d'entre elles, constituée d'un verre mince et à l'aide de liaisons mécaniques régulièrement espacées constituées par les plots espaceurs. Cette solution abaisse très fortement le prix des lames, ceci sans altérer la qualité optique de l'affichage car les plots peuvent être logées dans les espaces inter électrodes. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un afficheur bidimensionnel à couche fluide commandée électriquement, ce procédé comportant les étapes suivantes t - dép8t d'électrodes sur une lame avant transparente et sur une lame arrière, - fixation de ces deux lames face à face de manière à laisser entre leurs faces "internes" en regard un intervalle micrométrique constant, - dépôt d'un cordon de scellement joignant ces deux lames le long du bord d'une "zone intérieure" pour former une enceinte étanche entre les lames, cette zone intérieure comportant lesdites électrodes, - remplissage de cette enceinte par un fluide présentant une caractéris- tique optique commandable électriquement, - et connexion desdites électrodes à des circuits de commande propre à fournir des signaux d'affichage pour commander ladite caractéristique optique, -4- caractérisé par le fait que ladite étape de fixation des deux lames face à face comporte elle même les étapes suivantes: - dépôt sur chacune desdites faces internes de demi plots métalliques adhérents répartis dans ladite zone intérieure de manière que chaque demi plot déposé sur une lame vienne en face d'un demi plot déposé sur l'autre lame, - dépôt d'une couche de liaison sur les sommets des demi plots d'au moins une desdites lames, mise en place des deux lames avec contact entre les sommets des demi plots se faisant face, - et réalisation de la liaison entre les demi plots en contact, par l'intermédiaire de ladite couche de liaison, de manière à former des plots joignant les deux lames. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après, à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue de face de la cellule d'un afficheur selon l'invention. La figure 2 représente un détail A de la figure 1. La figure 3 représente un détail B de la figure 1. La figure 4 représente une vue en coupe selon une ligne IV- IV de la figure 3. * La figure 5 représente une vue en coupe selon une ligne V-V de la figure 2. La figure 6 représente une vue en coupe de l'afficheur de la figure 1, le plan de coupe étant perpendiculaire aux lames. L'afficheur décrit est disposé dans un bâti 90 ouvert à l'avant (voir fig. 6). Il comporte un générateur de lumière 91 disposé au fond de ce bâti pour fournir un faisceau de lumière parallèle de 15cm de large sur 9cm de haut qui traverse en série les éléments ci-après - un polariseur 92. - une "cellule" transparente 93 qui sera décrite ci-après et qui contient une couche de cristal liquide à birefringence commandée électriquement. Cette cellule modifie la polarisation de la lumière qui la traverse. Elle crée ainsi une image, grâce à une commande indépendante de 106 496 points répartis en 416 colonnes verticales et 256 lignes. - Un analyseur de polarisation 94 pour rendre visible l'image ainsi créée, - et un diffuseur optique 95 assurant en même temps la protection mécanique de la cellule. On va maintenant décrire la cellule 93, constituée à partir de deux lames rectangulaires de verre mince. Selon la figure 1 une lame avant 2 est disposée en face d'une lame arrière 4 qui déborde de la lame avant. La partie débordante de la lame arriâre porte, sur sa face "interne" c'est-à-dire en regard de la lame avant, onze circuits "de commande" intégrés 18, à 64 sorties chacun, connectés par fils à des pistes de connexion en cuivre étamé 12 menant les unes à des électrodes décrites ci-après les autres à des plages de connexion métallisées 16 permettant une connexion à des circuits extérieurs par une liaison souple. Cette-lame arrière constitue une lame "porteuse,. Sept circuits 18 alimentent 416 électrodes "de colonnes" 22 déposées sous forme de bandes verticales transparentes sur la lame arrière. Ces électrodes sont larges de 200 microns et réparties avec un pas de 350 microns. Elles sont connectées aux circuits intégrés 18 - par des pistes 12 en cuivre étamé, disposées verticalement. Quatre circuit 18 alimentent 256 électrodes de ligne 24 disposées comme les électrodes de colonne 22, sauf qu'elles sont horizontales et déposées sur la face interne de la lame avant 2. La connexion de ces électrodes de ligne aux circuits de commande se fait par l'inter- médiaire de plots métalliques "connecteurs" 10 reliant les faces internes des deux lames, de bandes conductrices transparentes horizontales 12a, et de pistes de cuivre étamé 12 déposées horizontalement sur la lame arrière 4 en continuité avec les bandes 12a. -6- Au centre de chacun des espaces libres carrés de 150 microns de c8té s'étendant à la fois entre deux électrodes de ligne, et deux électrodes de colonne, est disposé un plot métallique "espaceur" carré de 50 microns environ de côté réunissant les deux lames de manière à maintenir l'intervalle 26 entre les deux lames à une épaisseur constante de 10 microns. Une enceinte étanche est formée entre les deux lames, sur une "zone intérieure" coextensive à la lame avant 2, par un cordon de scellement qui s'étend tout le long du bord de celle- ci. Ce cordon est constitué sur deux c8tés du rectangle par une colle isolante 28 qui recouvre localement les bandes 12a, et qui est appliquée contre la tranche de la lame avant, le cordon étant constitué, sur les deux autres c8tés du rectangle, par un mur métal- lique 14 disposé entre les deux lames. Cette enceinte est remplie d'un cristal liquide dont la birefringence est commandée par application de signaux électriques "d'affichage" entre les électrodes de lignes 24 et les électrodes de colonne 22. La mise en oeuvre de ce cristal et les caractéristiques des signaux d'affichage sont décrits, par exemple, dans les brevets français suivants: - 2.198.167 (Procédé de commande d'une caractéristique optique d'un cristal liquide et dispositif de mise en oeuvre de ce procédé). 2.238.167 (Procédé de commande d'imageur). 2.279.123 (Procédé de commande d'une caractéristique optique d'un matériau et imageur analogique mettant en oeuvre ce procédé). On va maintenant indiquer, à titre d'exemple, le procédé de fabrication de la cellule 93 qui vient d'être décrite. On prépare deux lames de verre d'environ 0,3mm d'épaisseur à savoir la lame avant (2) de 150 x 90mm et la lame arrière (4) de 170 x 110mm. On les nettoie par les procédés classiques dans l'industrie avant métallisation. Sur la face avant de la lame arrière et sur la face arrière de la lame avant on effectue ensuite des opérations classiques de dépôt et de gravure sélective, à l'aide de laques photo- sensibles et d'insolation à travers des masques. On dépose d'abord une couche "de base" continue d'oxyde d'indium dopé à l'étain 19, de composition connue (I.T.O.) pour les dépôts -7conducteurs transparents. Cette couche est épaisse d'environ 0,1 micron. On effectue ensuite un dép8t de cuivre chimique ( en anglais électroless copper deposition) pour former une couche d'accrochage continue épaisse de 0,2 micron environ. Sur cette couche d'accrochage, on fait croître selectivement par électrolyse (grâce à un photomasquage) une couche de cuivre d'envi- ron 3,7 microns pour constituer avec cette couche d'accrochage, une couche métallique principale 20. Cette croissance est effectuée seule- ment sur les zones correspondant aux plots espaceurs (8), aux plots connecteurs (10), et au mur d'étanchéité (14), cela sur les deux lames, et aux emplacements des pistes de connexion (12) sur la lame arrière. On effectue alors un étamage chimique ou électrolytique de manière à réaliser un dép8t d'étain 21 d'épaisseur environ 1 micron constituant ladite couche de liaison 13 sur les demi plots et facilitant la prise de contact sur les pistes 12. On élimine ensuite sur chaque lame la couche de résine photosen- sible déposée lors de l'opération de photomasquage. On procède ensuite à l'élimination du cuivre chimique et, après une autre opération de photomasquage, à la gravure (attaque chimique classique) de la couche d'oxyde d'indium. Cette dernière attaque détermine la position des électrodes de chaque lame de telle sorte que celles-ci soient horizontales sur la lame avant et verticales sur la lame arrière. On réalise ainsi 416 électrodes verticales larges de 200 microns avec des intervalles de 150 microns sur la lame arrière et 256 élec- trodes avec la même largeur et le même intervalle sur la lame avant. On procède ensuite au nettoyage des lames pour éliminer les résines de photomasquage. On superpose ensuite les deux lames en mettant les demi-plots de la lame avant au contact des demi-plots de la lame arrière, et on les maintient dans cette position relative à l'aide de moyens d'assemblage temporaire. On porte ensuite l'assemblage des deux lames à une température d'environ 2400C en exerçant une pression uniformément répartie sur l -8 - toute la zone "intérieure" occupée par les plots, ce qui réalise la soudure de liaison des deux lames. On dépose ensuite le long du bord de la lame avant un cordon isolant de scellement en colle époxy par exemple. Dans un mode de réalisation non représenté ce cordon fait tout le tour de la zone intérieure. On prend alors soin de laisser deux ouvertures dans des coins opposés. Ces deux ouvertures servent d'accès de remplissage en cristaux liquides et sont ensuite obturées par une goutte de colle. Dans la mode de réalisation représenté on a percé deux trous de 2mm de diamètre dans la lame avant, chacun en regard d'une réserve 30 dans le mur d'étanchéité (14) et cela avant les opérations de dépôt et gravure de la lame. Cela évite de laisser deux ouvertures dans le cordon de colle et permet le remplissage en cristal liquide par la même technique classique de remplissage sous vide. Après ce remplis- sage la fermeture se fait dans cette version par apport d'une goutte de soudure à l'étain dans ces deux trous, la soudure adhérant sur le mur d'étanchéité. Les réserves 30 faite dans ce mur débouchent bien entendu dans l'intérieur de la cellule et n'atteignent pas la face extérieure du mur. Le cristal liquide utilisé dans la réalisation de l'invention est un mélange eutectique classique de corps connus sous les noms de MBBA (méthoxybenzylidène-butyle) et EBBA (éthoxybenzylidène-butyle), dont l'effet nématique est celui de la birefringence contrôlée. On a ainsi constitué une cellule capable contenant une couche d'épaisseur constante de cristal liquide, et qui présente des électrodes croisées sur ses faces internes et des liaisons de raccordement élec- trique de ces électrodes vers l'extérieur. Ces raccordements présentent l'avantage d'être tous ramenés sur une seule face, celle-ci étant dans l'exemple décrit la face avant de la lame arrière, qui constitue ainsi une lame "porteuse". On équipe ensuite la cellule de son électronique de commande en fixant les circuits intégrés de commande sur la face avant de la lame arrière qui joue alors le rôle de substrat. Les circuits intégrés (18) de commande sont avantageusement utilisés sous leur forme nue (chip ou puce) et interconnectés au -9- pistes de raccordement selon les techniques bien connue de l'industrie de la mieroélectronique. Des plages de soudure (16) en extrémité de certaine piste de raccordement permettent la liaison de la cellule à l'extérieur. Bien entendu la liaison entre les deux demi-plots 9 et 11 des plots espaceurs 8 pourrait éventuellement être réalisée par une colle conductrice au lieu d'une soudure métallique. Par ailleurs, si les plots sont entièrement métalliques, ils peuvent être constitués non seulement de cuivre mais aussi d'autre métaux tels que l'or, le nickel et le palladium, la soudure pouvant être constituée non seulement par de l'étain mais aussi par d'autres métaux tels que l'indium ou un alliage. Quoi que cela ne soit pas représenté il peut être avantageux de donner à la lame porteuse (4) une épaisseur supérieure à celle de l'autre lame, de façon à constituer un support mécanique plus rigide. Il est par ailleurs bien évident que les demi plots peuvent être d'épaisseurs différentes sur les deux lames pourvu que l'épaisseur totale des plots obtenus finalement entre dans les tolérances prévues. - 10 - REVENDICATIONS 1/ Afficheur bidimensionnel à couche fluide commandée électriquement comportant - une lame avant transparente (2), - une lame arrière (4) disposée face à face à la lame avant en laissant entre elles un intervalle micrométrique prédéterminé (26), - un cordon de scellement (28, 14) joignant ces deux lames le long du bord d'une "zone intérieure" pour former une enceinte étanche entre ces plaques sur l'étendue de cette zone, - un fluide présentant une caractéristique optique commandable élec- triquement et disposé dans cette enceinte de manière à y former une couche active mince, - des électrodes (22, 24) disposées sur ces deux lames pour appliquer divers signaux électriques "d'affichage" à divers points de cette couche active de manière à commander en chacun de ces points la valeur de ladite caractéristique optique, - des connexions (12) pour transmettre ces signaux d'affichage à ces électrodes, - et des circuits de commande (18) pour créer ces signaux d'affichage de manière à former une image utile dans cette couche active, -cet afficheur étant caractérisé par le fait qu'il comporte une pluralité de plots espaceurs. (8) de même épaisseur disposés entre les lames avant (2) et arrière (4) et répartis sur cette zone intérieure, - l'une au moins de ces lames (2) étant suffisamment souple pour que l'intervalle entre ces lames puisse être imposé, au voisinage de chacun de ces plots (8), par l'épaisseur de ce plot, et pour que cet intervalle puisse être ainsi maintenu constant sur toute la surface de la zone intérieure. 2/ Afficheur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacun desdits plots espaceurs (8) est fixé aux deux dites lames de manière à maintenir ledit intervalle constant sans l'intervention d'une pression extérieure. 3/ Afficheur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chacun desdits plots espaceurs est constitué par deux demi plots métalliques (9, 11) adhérant chacun sur l'une des deux dites lames (2, 4), et par une couche de liaison (13) assurant la liaison entre ces deux demi plots. - il - 4/ Afficheur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les deux demi plots (9, 11) sont constitués par un métal, et la couche de liaison par une couche de soudure métallique (13). / Afficheur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit métal est le cuivre, l'or le nickel ou le palladium et la couche de liaison est constituée par un métal contenant de luétain ou de l'indium. 6/ Afficheur selon la revendication 4, dans lequel - les deux dites lames (2, 4) sont isolantes, - lesdites électrodes sont des électrodes de lignes (2, 4) formant une succession de lignes sur la face arrière de la plaque avant (2), - et des électrodes de colonnes (2, 2) formant une succession de colonnes sur la face avant de la plaque arrière (4), - lesdits signaux de commande étant des signaux de ligne appliqués à ces électrodes de ligne et des signaux de colonnes appliqués à ces électrodes de colonnes, caractérisé par le fait que l'une de ces deux lames est une lame porteuse (4) sur laquelle apparaissent ces signaux de ligne et de colonne, l'autre lame (2) étant une lame portée, - l'afficheur comportant en outre des plots connecteurs (10) reliant les deux dites lames et transmettant, à partir de la lame porteuse (4), les signaux de commande qui doivent être appliqués aux électrodes (24) de la lame portée (2), - les plots espaceurs (8) étant disposés à la fois entre les électrodes de ligne (24) et entre les électrodes de colonnes (22). 7/ Afficheur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que chacun desdits plots connecteurs (10)est constitué par deux demi plots (9, 11) formés d'un métal et adhérant chacun sur l'une des deux dites lames (2, 4) et par une couche métallique de soudure (13) liant ces deux demi plots. 8/ Afficheur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdits circuits de commande (18) sont au moins partiellement portés par ladite lame porteuse (4) en dehors de la dite zone intérieure. 9/ Afficheur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que au moins lesdites électrodes de ligne (211) sont constituées par des bandes conductrices transparentes. - 12 - / Afficheur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ladite couche active est constituée par un cristal liquide à caracté- ristique optique commandée électriquement. 11/ Afficheur selon la revendication 5, dans lequel ledit métal soudable est le cuivre, le nickel ou le palladium, caractérisé par le fait que ledit cordon de scellement est au moins partiellement constitué par deux demi murs (14a, 14b) fait de ce même métal et adhérant chacun sur l'une des deux dites lames, et par une couche de soudure métallique (14c) liant ces deux demi murs. 12/ Afficheur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdites lames avant et arrière sont une lame porteuse (4) et une lames portée (2), la lame portée étant plus mince que la lame porteuse et étant portée par cette lame porteuse par l'intermédiaire desdits plots (8). 13/ Procédé de fabrication d'un afficheur bidimensionnel à couche fluide commandée électriquement, ce procédé comportant les étapes suivantes: dépôt d'électrodes (24, 22) sur une lame avant transparente (2) et sur une lame arrière (4), - fixation de ces deux lames face à face de manière à laisser entre leurs faces "internes" en regard un intervalle micrométrique constant (26), - dép8t d'un cordon de scellement (28, 14) joignant ces deux lames le long du bord d'une "zone intérieure" pour former une enceinte étanche entre les lames, cette zone intérieure comportant lesdites électrodes, - remplissage de cette enceinte par un fluide présentant une caracté- ristique optique commandable électriquement, - et connexion desdites électrodes (22, 24) à des circuits de commande (18) propre à fournir des signaux "d'affichage" pour commander ladite caractéristique optique, caractérisé par le fait que ladite étape de fixation des deux lames (2, 4) face à face comporte elle même les étapes suivantes: - dépôt sur chacun desdites faces internes de demi plots métalliques adhérents (9, 11) répartis dans ladite zone intérieure de manière que chaque demi plot déposé sur une lame (2) vienne en face d'un demi plot déposé sur l'autre lame (4), - 13 - - dép8t d'une couche de liaison (13) sur les sommets des demi plots (9, 11) d'au moins une desdites lames, - mise en place des deux lames (2, 4) avec contact entre les sommets des demi plots (9, 11) se faisant face, et réalisation d'une liaison entre les demi plots (9, 11) en contact, par l'intermédiaire de ladite coeuche de liaison (13), de manière à former des plots (8, 10) joignant les deux lames. 14/ Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que ladite couche de liaison (13) est conductrice, - certains desdits plots étant des "plots conneeteurs" (10) pour transmettre les signaux d'affichage de l'une desdites lames qui est une lame "porteuse" (4) à l'autre de ces lames qui est une lame "portée" (2), - ladite étape de connexion des électrodes (24) aux circuits de commande comportant elle même une étape de connexion d'un demi plot (11) de chaque plot connecteur (10) à un circuit de commande (18) sur la lame porteuse (4), l'autre demi plot (9) du même plot connecteur (10) étant déposé sur une électrode (24) sur la lame portée (2). / Proedé selon la revendication 13, oaractérPisé par le fait que ladite étape de formation d'un cordon de scellement comporte elle même les étapes suivantes: - dépôt d'un demi mur métallique (114a, 14b) sur chacune desdites faces internes en même temps que le dép$t desdits demi plots (9, 11), - dép8t d'une couche de soudure (14e) sur au moins un demi mur (14a, 14b) en même temps que sur les demi plots (9, 11), - et réalisation d'une soudure entre ces demi murs (14a, 14b) en même temps qu'entre ces demi plots (99 11). 16/ Procédé selon la revendication 13, caractérisé par le fait que lesdites étapes de dépôt d'électrodes (22), de connexion de ces élec- trodes, et de dépôt de demi plots métalliques adhérents (9), comportent des étapes communes de dép8t avee gravures sélectives, à savoir: - dépôt d'une couche conductrice de base mince (19) pour former à la fois lesdites électrodes (22), une première couche desdits demi plots (11), et une première couche de pistes de connexion (12), - et dép8t électrolytique d'une couche métallique principale (20) sur la couche de base pour former à la fois la eouche principale des demi plots (11) et celle des pistes (12).