Brevet FR2512239A1 — publié le 19830304

A DISPOSITIF DE VISUALISATION A COMMANDE ELECTRIQUE La présente invention se rapporte à un écran à accès matriciel qui permet de représenter une figure en la décomposant en un ensemble de points ou éléments dont l'aspect varie en fonction de signaux de commande appliqués à des électrodes délimitant ces éléments Cet écran utilise un matériau dont les propriétés optiques peuvent être modulées électri- quement Les signaux de commande sont appliqués aux électrodes via des résistances non linéaires jouant le rôle d'éléments de commutation. Le principe de l'écran plat est la décomposition de l'écran en M éléments identiques, généralement carrés ou rectangulaires Ces éléments peuvent être adressés individuellement La définition de l'écran est fonction du nombre de points susceptibles de recevoir une information Chaque point doit donc être soumis à un champ électrique Ceci est facilement conce- vable pour un écran formé de quelques dizaines de points Pour des écrans à forte définition (supérieure à 1,5 104 points) l'accès direct, avec un fil, à chaque élément devient pratiquement impossible Pour cette raison on a imaginé un affichage de type matriciel facilement réalisable Chaque élément de -l'écran est alors défini par l'intersection de deux réseaux de conducteurs orthogonaux appelés lignes et colonnes: le nombre de con- nexions passe de M N à M+N Pour un écran à forte résolution le gain en connexions est considérable. L'adressage d'un élément de l'écran au moyen de tensions de com- mande appliquées à la ligne et à la colonne qui le concernent n'a pas besoin d'être maintenu si l'on adopte une technique de multiplexage te Miporel permettant par récurrence de rafraîchir l'état de l'écran Cette technique se fonde sur un effet de persistance qui peut être physiologique ou disponible au sein de l'élément de l'écran Dans le cas de dispositifs d'affichage à cristaux liquides, on peut assimiler la cellule élémentaire à un condensateur dont la constante de temps est suffisante pour maintenir la charge entre deux adressages transitoires successifs Pour appliquer la tension de com- mande en un temps bref, on monte en série avec la cellule capacitive une résistance non linéaire, c'est-à-dire un élément du type varistance qui est 12239 pratiquement isolant en deçà d'un seuil de tension et qui devient de plus en plus conducteur au-delà de ce seuil Une façon commode de réaliser collectivement les éléments varistances consiste à utiliser comme substrat un bloc de matériau varistance qui occupe la même étendue que l'écran. Cette façon de procéder aboutit à créer aux bornes de chaque élément varistance une capacité parasite nuisible au bon fonctionnement de l'écran. En vue de pallier cet inconvénient, l'invention prévoit d'usiner le substrat en matériau varistance de façon à ne laisser subsister que des îlots formant les résistances non-linéaires Pour restituer la planéité du substrat, les dépressions entourant les îlots sont comblées avec un matériau diélec- trique de permittivité sensiblement inférieure à celle du matériau varis- tance. L'invention a pour objet un dispositif de visualisation à écran destiné à visualiser des images par commande électrique de cellules d'affichage élémentaire formées à la surface d'un substrat réalisé dans un matériau dont la résistance est une fonction décroissante de la tension appliquée; chaque cellule comportant un matériau dont les propriétés optiques varient en fonction d'un champ électrique créé par deux électrodes formant conden- sateur; chaque cellule étant reliée à des connexions électriques par un élément varistance correspondant à une portion dudit substrat, caractérisé en ce que la face dudit substrat en regard desdites cellules comporte des évidements qui délimitent des îlots; lesdits évidement étant comblés par un matériau diélectrique de permittivité inférieure à celle dudit substrat; chaque îlot étant affecté à Pintégration dudit élément résistif. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe d'une cellule élémentaire suivant Part antérieur, la figure 2 est un schéma électrique équivalent, la figure 3 est une vue en coupe d'une partie de l'écran selon l'invention, la figure 4 est une vue de dessus d'une partie de l'écran, la figure 5 est une vue partielle en coupe d'un écran conçu avec une structure transversale. 12239 Sur la figure 1 on a représenté une vue en coupe d'une cellule élémentaire suivant l'art antérieur Un substrat 2 en matériau résistif du type varistance est recouvert d'un isolant 3 supportant une électrode 6 La lame 5 surplombe le substrat 2 auquel elle est rattachée par des entretoises non représentées; cette lame est transparente et supporte une électrode 4. Entre les électrodes 4 et 6 est enserrée une couche de cristal liquide 1. Cette cellule représente un élément d'un écran à accès matriciel par exemple Les tensions de commande de la couche de cristal liquide 1 sont amenées par l'intermédiaire de connexions de lignes et de colonnes Lorsque les lignes et les colonnes relient entre elles plusieurs cellules, la commande d'une cellule crée un champ électrique de commutation mais d'autres cellules à ne pas commuter peuvent être le siège de champs électriques indésirables parasites. En effet pour qu'un point de l'écran (ij) déterminé par la ligne i et par la colonne j soit soumis à un champ électrique Eij la ligne i doit être au potentiel Vi et la colonne j au potentiel Vj A cause de ces potentiels présents sur la ligne i et sur la colonne j, d'autres points du matériau électro-optique peuvent être le siège de champs électriques inférieurs donnant naissance à des états non désirés Pour remédier à ce défaut, il faut que chaque élément de l'écran ne réagisse qu'à partir d'une certaine tension de seuil A cet effet il est connu d'utiliser comme élément de commutation une varistance mise en série avec chaque point à exciter. Suivant ce principe chaque point de l'écran est mis en série avec une varistance (VOR) Cette dernière est une céramique dont la conductivité varie fortement au-delà d'une tension de seuil Vs La réponse théorique d'une telle association dépend alors principalement de cette tension de seuil Vs: pour V pour V > Vs, l'impédance de la varistance chute et l'élément électro- optique reçoit un courant de charge ou de décharge Quand la tension V redevient inférieure à Vs, l'impédance de la varistance est de nouveau élevée par rapport à celle du cristal liquide et la capacité constituée par la cellule se décharge lentement avec une constante de temps T proportion- nelle à cette capacité et à la résistance de fuite du système Il suffit donc de rafraîchir un tel affichage en un temps inférieur à ce temps de stockage par une nouvelle impulsion de tension telle que V>Vs En fixant Vs à une valeur très supérieure au seuil du matériau électro-optique, on peut obtenir des temps de réponse plus courts et donc des taux de multiplexage N élevés N = T t avec: T = temps écoulé entre deux rafraîchissements de charge et t temps de charge déterminé par le produit R C dans la phase de fonctionnement avec dépassement du seuil Vs. Dans ce type d'affichage la céramique varistance est utilisée comme substrat Deux types de structure sont réalisables: une structure dite transversale dans laquelle le courant de varistance traverse l'épaisseur du substrat Son principal inconvénient est de nécessiter une faible épaisseur des substrats si lon veut que la tension de seuil Vs soit raisonnablement basse (typiquement 20 à 70 V pour 0,1 mm). une structure dite longitudinale dans laquelle le courant de varis- tance circule parallèlement à la surface du substrat Cette structure permet d'utiliser des substrats plus épais mais nécessite des prises de contact de faibles dimensions difficiles à réaliser à travers des isolants de forte épaisseur. Dans le cas de la figure 1, il s'agit dune structure longitudinale o l'effet varistance estobtenu en surface L'électrode 6 est par exemple carrée ou rectangulaire et délimite la cellule L'électrode 4 fait partie d'une des colonnes du réseau matriciel Les électrodes 4 et 6 sont placées en face l'une de l'autre Les lignes 7 sont situées sur le substrat 2 qui assure la liaison électrique entre les lignes et les électrodes 6. Ces structures posent de nombreux problèmes de réalisation liés à la forte constante diélectrique de la céramique varistance constituant le substrat 2: l'ordre de grandeur de E apparent va de 100 r à 100 c O à S étant la permittivité du vide Il faut appliquer la tension sur la varistance sans exciter l'élément électro-optique La figure 2 est un schéma électrique équivalent de la cellule décrite ci-dessus Rv représente la résistance de 12239 l'élément varistances assurant la liaison entre une ligne 7 et une électrode 6. Cxl est la capacité du condensateur formé par la couche de cristal liquide enserrée entre les électrodes 4 et 6 On voit que lorsque l'on applique une tension Vc aux bornes de la cellule et que l'élément varistance n'est pas conducteur, le cristal liquide est soumis à une tension parasite V=c Cp xr Dans un fonctionnement en impulsions il faut donc réduire la capacité parasite Cp de la varistance par rapport à celle Cxl de l'élément électro-optique Un moyen de diminuer la partie de Cp due entre autre au voisinage des électrodes 6 et 7 est de choisir une couche d'isolant 3 assez épaisse Pour cela il faut utiliser des épaisseurs d'isolant importantes (supérieures à 25 microns) ce qui rend difficile la prise de contact de faible surface On constate qu'une partie importante de la capacité Cp est due au couplage électrostatique avec un milieu de forte constante diélectrique La surface active de varistance étant faible par rapport à la surface de l'écran, un moyen efficace de diminuer la capacité Cp est de susbstituer aux volumes de forte permittivité qui environnent la varistance des volumes de matériau isolant de faible constante diélectrique, compatible avec le matériau électro-optique utilisé. Sur la ligne 3, à titre d'exemple non limitatif, on a représenté une vue partielle en coupe d'un écran comprenant une couche de matériau électro- optique 18 commandée par une varistance 19 On a choisi d'utiliser dans la présente invention une couche de cristal liquide comme matériau électro- optique. Il est connu d'appliquer un champ électrique à un cristal liquide pour modifier l'orientation de ses molécules afin de moduler la lumière incidente. Les matériaux mésomorphes sont faits de molécules longiformes orientables en présence d'une paroi solide, suivant une direction commune qui peut être soit parallèle soit perpendiculaire au plan de la paroi La direction de cette orientation dépend des natures respectives du matériau cristal liquide et de la paroi L'orientation des longues molécules du cristal liquide est en outre grandement facilitée par l'introduction de traces de surfactants appropriés dans le matériau mésomorphe, ainsi que par un traitement préalable des parois en contact avec le film (frottis de la paroi, évaporation sous incidence rasante d'un film d'oxyde de silicium) Suivant l'effet désiré, on utilisera un matériau mésomorphe présentant l'une ou l'autre des 3 phases suivantes: smectique, nématique et cholestérique Il est avantageux dc utiliser pour ce type d'écran un mélange nématique-cholestérique qui présente un léger effet mémoire, dans lequel on peut disperser des parti- cules formant un pigment dichroîque de façon à obtenir un effet modulateur basé sur la sélection dichroique. Sur la figure 3, la couche de cristal liquide 18 est enserrée dans l'espace laissé libre entre la lame transparente 20 (en verre par exemple) d'une part et le substrat en varistance 19 supportant une couche fisolant 23 d'autre part Cet espace d'une dizaine de microns est défini par des cales d'épaisseur non représentées Dans cette réalisation, la couche de cristal liquide est par exemple transparente à l'état de repos Poiur commander l'orientation des molécules du cristal liquide 18 on peut utiliser soit un champ électrique pour obtenir un effet de biréfringence soit ut couant de conduction pour obtenir un effet de diffusion dynamique. Il est également du domaine de l'invention d'utiliser une couche de cristal liquide constituée par un mélange nématique-cholestérique présen- tant un état diffusant au repos et de la rendre transparente par l'application d'un champ électrique qui oriente ses molécules dans la direction du champ. La varistance peut-être constituée par un agglomérat de poudre d'oxyde de zinc (Zn O) qui contient des particules d'oxyde de bismuth Bi 2 03) et d'oxyde de manganèse (Mn O 2) afin d'améliorer les caractéristiques de la varistance Les varistances présentent la propriété d'avo'r une résistane non-linéaire et fortement dépendante de la tension à laquelle elles sont soumises Le substrat 19 est choisi parmi les matériaux dont la carac- téristique I = f(V) présente un coude particulièrement prononcé autour dk'une tension de seuil Vs. Sur la figure 3, chaque élément de l'écran est défini par une électrode 13 dont les dimensions sont de l'ordre du millimètre Cette électrode qui doit être réfléchissante est réalisée en aluminium Une coudche disolant 23 de 1 à 2 microns d'épaisseur isole du substrat en varistance 19 la couche de cristal liquide 18 et les électrodes 13 Les électrodes sont placées suivant des rangées parallèles entre elles Chaque rangée cd'électrodes est ee-nbne parallèle à une connexion de ligne 22 servant à amener les tensions 12239 nécessaires à l'adressage matriciel Les connexions de colonnes 21 sont transparentes et sont constituées par un dépôt d'oxyde d'étain ou d'indium, ou d'un mélange de ces deux oxydes Ces colonnes sont placées orthogona- lement par rapport aux rangées d'électrodes 13, chaque colonne recouvrant toutes les électrodes des rangées qu'elle croise Les tensions de commande destinées aux électrodes 13 sont amenées par l'intermédiaire de lignes 22 d'environ 50 microns de largeur La largeur de ces lignes doit être faible par rapport aux dimensions des électrodes 13 En effet en recevant toute la tension d'adressage dont une partie seulement sera transférée aux électrodes 13, les lignes 22 sont capables d'exciter l'élément électrooptique 18 La taille réduite de ces lignes peut rendre cet effet négligeable Il entre aussi dans le cadre de l'invention, pour remédier à ce problème, de recouvrir les lignes 22 d'un isolant ou de les rendre non réfléchissantes. La liaison entre les lignes 22 et les électrodes 13 se fait par l'intermédiaire du substrat en varistance 19, à travers la couche isolante 23 qui peut être un photopolymère Pour chaque électrode une liaison avec la varistance 19 a été réalisée en perçant la couche isolante 23 par un trou 9 dans lequel un plot Il sert à assurer le contact électrique entre l'électrode 13 et la varistance 19 Un trou 10 et un plot de contact 12 sont aménagés pour assurer la liaison entre les lignes 22 et la varistance 19 Les plots de liaison 11 et 12 sont placés le plus près possible l'un de l'autre de façon à diminuer la tension de seuil Vs de la varistance Dans les précédentes réalisations, du fait de la forte constante diélectrique du matériau vari- stance, on utilisait des épaisseurs importantes pour l'isolant 23 (supérieures à 25 microns) afin d'éliminer certaines capacités parasités Avec de telles épaisseurs il était difficile de percer l'isolant 3 de trous 10 et 9 de faibles diamètres afin d'obtenir des contacts de faible surface. L'invention a aussi pour objet un écran o chaque électrode 13 est adressée individuellement et o les colonnes 21 sont remplacées par une électrode unique. Afin d'éliminer les zones non actives de la varistance et de réduire les capacités parasites introduites au système par la varistance du fait de sa forte constante diélectrique, la face intérieure du substrat 19 présente des zones en saillie 14 de surface réduite séparées par des cuvettes 15 Ces cuvettes sont réalisées par photogravure à l'aide d'un acide ou d'une base ou par tout autre procédé, par exemple mécanique, puis sont remplies à laide d'un isolant 24 tel qu'une résine ou un émail à faible coefficient diélectrique et pouvant être éventuellement sérigraphie En cas de nécessité on peut être amené à rectifier la face supérieure du substrat pour permettre des dépôts d'isolants et d'électrodes en couche mince On n'a plus alors de problème d'isolants épais et de contacts de faible surface à travers cet isolant On peut aussi réaliser la structure supérieure en couche mince ou épaisse selon la résolution de l'écran requise. La figure 4 est une vue de dessus d'une partie de l'écran en supposant enlevé la lame 20 et la couche de cristal liquide 18 On voit sur cette figure que les zones 14 présentent une surface réduite par rapport au reste du substrat 19. Pour augmenter le temps de stockage T de l'information dans l'élément électro-optique on peut introduire une capacité de stockage en parallèle sur l'élément de visualisation A cet effet on dispose entre l'isolant 24 et la couche isolante 23 et en vis-à-vis de chaque électrode 13 une deuxième électrode 8 Les deux électrodes 13 et 8 séparées par la couche isolante 23 forment donc un condensateur Les figures 3 et 4 montrent comment sont disposées les électrodes 8 Pour augmenter la capacité de chaque élément de la couche de cristal liquide on branche en parallèle sur chaque élément la capacité ainsi formée L'électrode 13 est une électrode commune Les électrodes 8 sont reliées aux colonnes qui leur font face par lintermédiaire du conducteur 16 Chaque conducteur 16 est relié extérieurement à la colonne de même rang. L'écran décrit ci-dessus est réalisé selon une structure longitudinale, mais on pourrait concevoir aussi bien une structure transversale Les lignes seraient alors disposées sur la face externe du substrat en varistance La figure 5 est une vue partielle en coupe d'un écran conçu avec une structure transversale Les lignes 25 sont déposées dans des logements 17 réalisés sur la face externe du substrat 19 L'isolant 24 ayant une constante diélectrique très faible, les lignes de champ créées par l'application d'une tension aux bornes d'un élément de l'écran se referment suivant un trajet pratiquement parallèle à la direction d'alignement des lignes 25 et des plots de contact 11. Puisque les zones actives du substrat ont été fortement réduites, il n'est plus nécessaire avec cette structure de disposer d'un substrat de faible épaisseur. Les caissons diélectriques 24 contribuent largement à réduire la capacité parasite Cp. La conception d'un écran selon l'invention élimine le problème des contacts de faible surface à travers un isolant épais Elle permet de réaliser facilement une capacité de stockage pour chaque élément de l'écran et de réduire la capacité parasite de la varistance par rapport à celle de l'élément électro-optique. REVENDICATIONS 1 Dispositif de visualisation à écran destiné à visualiser des images par commande électrique de cellules d'affichage élémentaire formées à la surface d'un substrat ( 19) réalisé dans un matériau dont la résistance est une fonction décroissante de la tension appliquée, chaque cellule comportant un matériau ( 18) dont les propriétés optiques varient en fonction d'un champ électrique créé par deux électrodes ( 13,21) formant condensateur, chaque cellule étant reliée à des connexions électriques ( 22) par un élément varistance correspondant à une portion dudit substrat, caractérisé en ce que la face dudit substrat en regard desdites cellules comporte des évidements ( 15) qui délimitent des lots ( 14); lesdits évidements étant comblés par un matériau diélectrique ( 24) de permittivité inférieure à celle dudit substrat, chaque îlot ( 14) étant affecté à l'intégration dudit élément résistif. 2 Dispositif de visualisation à écran selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les tensions délivrant le champ électrique aux cellules sont distribuées par-un réseau matriciel de lignes ( 22) et de colonnes ( 21). 3 Dispositif de visualisation à écran selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le matériau ( 18) est un cristal liquide. 4 Dispositif de visualisation à écran selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le cristal liquide est un mélange nématiquecholestérique. 5 Dispositif de visualisation à écran selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le cristal liquide comprend un pigment dichroqque. 6 Dispositif de visualisation à écran selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'un traitement d'au moins une surface en contact avec ladite couche est réalisé pour favoriser une orientation préférentielle des molécules formant le cristal liquide. 7 Dispositif de visualisation à écran selon lune quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que des secondes électrodes ( 8) sont placées sur Pisolant ( 4) vis-à-vis desdites électrodes ( 13), l'isolant ( 23) étant enserré entre lesdites électrodes ( 8,13), les électrodes ( 8) correspondant à une même colonne ( 21) étant reliées extérieurement par une bande conduc- trice 16 à ladite colonne.