Brevet FR2516681A1 — publié le 19830520

Dispositif optique ' fluorescence d'excim're Jomaine echnicue -e do-ai:e de i'invention est celui des dispositifs f' i C rge c -ui trans o; rent l'information en Emission de lumièere visiile. Art antérie=ur Dans le domaine des dispositifs d'affich ge utili- sa' Ln milieu Émetteur gazeux, tel que des ampoules à néon, des afficheurs l sept segments,des tubes indica- teurs rnumériques et des panneaux indicateurs à plasma, le mélange gazeux standard prédominant a été habituellement au néon, souvent additionné ce faibles quantités d'autres gaz rares tels que le xénon ou l'argon, qui améliorent les caractéristiques électriques par l'effet Penning Ces - 1 nelanges e mettent dans a rgion de l'orange/rouge du spectre optique, vers l'extrémité inférieure de la r&ponse de l'oeil moyen- L'homme de l'art a longtemps cherché un gaz ou un mélange gazeux qui émet dans la région du vert ou du bleu du spectre, dans laquelle l'oeil, surtout s'il s'est accommodé à l'obscurité, est plus sensible. Les mélanges les plus réussis recherchés jusqu'à présent sont ceux décrits dans un article de G F Watson, Journal of Physics E 8, 981 ( 1975) Une variante utilise un mélange gazeux qui émt dans l'ultraviolet, le rayon ultraviolet étant converti en lumière visible à l'aide d'une substan- ce lumineuse revêtue sur un coté du verre renfermant le mélange gazeux Cette variante présente l'inconvénient que la substance lumineuse a tendance à réduire la réso- lution du dispositif d'affichage, parce que la lumière 3 c émise par la su;starnce lumineuse s'étend sur une surface plus large que la drcharge actuelle dans le mélange ga- zeux Une autre variante est révélée dans un article de 0 Sahni danrs le SID International Symposium Digest of Technr icsl Papers 1980, d'kvril 1980, qui décrit un m&lan- ge gazeux de nercure exigeant un contr 8 le de la tempéra- ture La nécessité d'un contrôle de la température limite considérallement les app lications pratiques. l Dans la technique du laser, i'mission dans la partie _ 7 eue/verte du spectre a été produite par l'excirnmre d-S lasers utilisant des mélanges gazeux sous haute pression de l'ordre de plusieurs atmosphères et une décharge à densité électronique elevée d'au moins 1014 électrons oar centimètre cutique Un exemple typique est celui dcrit+ -r G Marowsky et al dans le Journal of Chemical Physics , 1153 -( 1981). Découverte de l'invention L'invention concerne un dispositif d' affichage op- tique utilisant une décharge électrique à travers un mi- lieu gazeux, dans lequel des espèces excitées ou ionisées produites-à partir des constituants du'gaz du milieu réa- gissent sous l'action de la décharge pour former une molé- cule excim ère émettant un rayon fluorescent dans la ré- gion du visible ou ultraviolette du spectre électromagné- tique. Breve description des dessins la 'igure 1 illustre une vue éclatée d'une réalisa- tion de l'invention; la F'igure 2 illustre la variation avec la longueur d'onde d'une réalisation de l'invention à différentes pressions; la Figure 3 illustre la variation avec la pression de l'amplitude de l'impulsion et de la brillance relative de deux m&langes gazeux différents; et la Figure 4 illustre une autre réalisation de l'in- vention. Meilleur moyen pour réaliser l'invention Dans l'art antérieur des dispositifs d'affichage op- tique, le milieu émetteur le plus populaire a été le néon, qui est utilisé souvent avec de faibles additions de gaz rares tels que le xénon ou l'argon, et qui émet dans la rb- gion de l'orange/rouge du spectre visible L'émission du néon se trouve dans la plage de réponse d'un oeil accom- modé A la lumière, mais est faiblement aperçu par un oeil accommode à l'obscurité Les hommes de l'art ont longtemps cherché des m&langes qui émettraient brillamment dans la region du visible du spectre pres de la région du bleu/ vert dans laquelle un oeil humain accommodé à l'otscuri- t& est plus sensible La technique antérieure n'a pas per- mise d'atteindre un degré de brillance raisonnable dans la région spectrale dbsir 6 e,sauf au prix d'introduction de caractéristiques indésirables. Les dispositifs d'affichage optique employés com- mercialement utilisent des pressions de fonctionnement au-dessous ou raisonnablement prochede la pression atmos- phérique, de sorte qu'un renforcement excessif de grands panneaux de verre n'est pas n&cessaire; et utilisent seu- lement des quantités modérées de tension et de courant de sorte qu'une fourniture d'énergie onéreuse n'est pas exi- gée Ces conditions sont considérablement différentes des conditions opératoires des excimères de lasers caract&ri- ses par de hautes pressions et des densités de courant &lectronique très &levées. On a trouvé qu'il est possible de produire des mo- lécules excimères ( pour l'objet de ce brevet, le terme excimère signifiera un complexe moléculaire excité homo- nucléaire et héteronucleaire à' la fois) dans un mélange gazeux avec un rendement raisonnable en utilisant une pression, des tensions et courants appropri&s aux pan- neaux de plasma conventionnels, rendant ainsi un dispo- sitif d'affichage optique utilisant un tel mélange pra- tique au point de vue commercial Dans une réalisation particulière, dans laquelle l'excimère Xe C 12 * est l'ex- cimère émetteur, l'excimère est formé par la séquence de réaction suivante: e + Xe Xe* ( 3 P 2) + e Xe + C 12 + Xe C 11 + Cl X-Cl + Xe + M + Xe 2 cl + M Xe 2 Cl' V 2 Xe + Cl + hpv 450-550: *, 4 dans laquelle M est Ne ou tout autre gaz tampon adéquat. On a trouvé que sur une gamme large de conditions de décharge telles que celles des dispositifs d'affichage optiques typiques, la molécule précurseuse Xe C 11 est for- mée avec un grand rendement ( dans la plage de dix à trente pourcent), le rendement étant le plus élevé pour une température électronique moyenne de deux à I q%uatre électron-Volts environ On a en outre trouv& que- le rendement de formation de l'excimre triatomique Xe 2 Cl ft est suffisamment élevé, de sorte qu'une brillance com- parable à celle de l'art antérieur pour les mélanges Pen- ning contenant du' n&on peut être atteinte aux pressions k de l'ordre de la pression atmosphérique. Un mélange d'exeimères est testé dans un appareil illustré partiellement sous forme d'ale vue éclatée dans la Figure 1, dans lequel des plaques de verre 110 et 112 supportent les électrodes X et Y 123 et 121, dont les in- tersections localisent les décharges électriques émet- tant de la lumière Les électrodes sont isolées du mé- lange gazeux par des fetrilles di&lectriques 130 et 132, formées illustratirement par un diélectrique en verre de 0 025 millimètres revgtu d'une couche &metteuse d' électrons dioxyde de magnésium de 2 oo nanomètres Les deux feuilles diélectriques soht séparées de 0 1 milli- mètre par un obturateur d'espace 140 et le gaz 150 occu- pe l'espace entre elles Des impulsions à amplitude con- tr 8 lable, d'une durée de 250 nanosecondes et d'une vites- se-de répétition de 100 kilohertz ont'été appliquées aux extrémités exposées des électrodes 121 et 123 Un coupla- ge capacitif à travers le verre et les revêtements d'loxy- de de -magnsium a produit des décherges A l'int 4 rieur du gaz o les &lectrods se -roisent. L'émission 4 e la dkcharge était observ&e à l'aide d'un photomètre a filtre OIE, dont la réponse s'approche de la réponse de l' oeil humain afin de mesurer la brillance relative en fonction de la pression et de la tension Le spectre de lémission de la décharge était analysé en uti- lisê un monochrcmètre â balayage avec une réponse d'un rhotomultiplicateur S-5 Le mélange gazeux illustratif comprenant nominalement 2 u de xenon, 1; de chlore, le restant de néon, a donné les résultats de test mon- très dans les figures 2 et 3. La figure 2 illustre le signal spectral mesuré du mélange d excimeres a deux pressions différentes. La frigrre 2 A illustre le signal a une pression de 0 100 tar, montrant les caractéristiques du pic 212 de Xe Cl' et du pic 214 de la transition la plus forte dans le vi- sitle dans le mélange de Penning néon-xénon, mais pré- sentant seulement une très faible intensité dans la ré- gion 216 caractéristique à Xe 2 Cl La Figure 2 B illus- tre le signal du mkme mélange à une pression de 0 667 bar, présentant en plus du pic 222 de Xe Cl et du pic 224 du néon, un pic 226 de Xe 2 Cl* dominant la sortie du spectre Il convient de noter que l' espèce exci- mère est excité avec un tel grand rendement que la raie de néon 224 est relativement insignifiante En effet, la couleur caractéristique du néon n'est pas visible pour l'oeil nu. La Figure 3 À illustre la variation de l'amplitude de l'impulsion avec la pression dans la réalisation de la Figure 1, qui produit une décharge ayant une largeur d'environ un millimètre et la Figure 3 B miontre la bril- lance relative de deux m&langes gazeux, le mélange gazeux d'excimères et le mélange de Penning néon-xénon de l'art antérieur La décharge était observée à travers un fil- tre CI; et les unités sont arbitraires On peut voir que l'amplitude de l'impulsion est substantiellement similai- re pour les deux mélanges gazeux, de sorte que le mélange d'excimères illustratif peut être utilisé avec des alimenta- tions d'énergie conventionnelles appropriées aux disposi- tifs d'affichage optique de l'art antérieur et dans des conditions opératoires similaires Dans la Figure 3 B, le mélange d'excimères illustratif d 4 passe en brillance le 251668 1 I -élange Penning a unl pression; au-dessud e 267 Dar. i'n r suppose que la colre me criilance continue à monter m après C,667 tar, tienque des difficultés puissent surgir I en maintenant la largeur de La discharge à moins d'un mil- limètre aux pressions élevées -our les applications ne Ij nécessitant pas une largeur de décharge inférieure à 1 mii- limètre, la réalisation préférée peut avoir une pression supérieure à 0,667 bar. La Figure 4 illustre une autre réalisation de l'in- | 1 N 10 vention, sur laquelle un tube d'affichage de caractères à sept segments 400 est présenté dans la Figure 4 A, avec une |I anode semitransparente 402 à travers laquelle les sept j segments de cathode 404 sont visibles La Figure 4 B pré- Ij sente le tube d'affichage vu de coté, l'intérieur du boi- tier 410 étanche aux gaz étant rempli avec le mélange ga- j 4 zeux d'excimères 420 et contenant les cathodes 404, dont Ij les fils entrent dans le boitier 410 à travers les passa- I 4 gez ue l'alimentation 406 Les cathodes sont commandées I 4 par des circuits logiques pour afficheurs conventionnels IS 2 C -on illustrés, fournissant les impulsions de tension d' t 4 excitation: nécessaires. 4 'Le mélange gazeux peuttre tout m&lange de gaz ré- agissant sous l'influence d'une décharge électrique pour former un excimère émettant une radiation dans une gamme spectrale désirée En plus de Xe 2 Cl, des excimères ad&- j quats émettant dans la région du visible sont Xe O, Kr O, Ar C, Xe 2 Pr et Xe F D'autres excimères émettant une radia- {t tion dans l'ultraviolet et pouvant ainsi être utilisés avec une substance luminescente sont Ar 2, Kr 2, Xe 2, Ar F, Kr F, Xe F, Ar Cl, Kr Cl et Xe Cl Les composés ayant le rendement le plus élevé pour la production d'une radiation i 4 sont protablement des combinaisons d'au moins un atome d' un élément de la colonne zéro du tableau périodique ( tel que l'argon, le krypton et le xénon) et au moins un ato- me d'un élément de la septième colonne ( tel que le chlo- re ou le fluor). Le rôle du néon dans les réections de la réalisa- tion illustrée -:eut Ztre remuli par tout autre gaz tam- Pon adéquat Le rôl De de c 1 eut aussi t-re rempli par les com Dosés c Gntenant du chl, re tels que:HCI, CC ou les 'Hydrocarbures =zlorés qui se dissocient sous l'iniflu- ence d'une d&charge 'iectrique Dans le cas de Ilexcimère Xe F, le donneur de fluor peut être F 2 ou l F 3 Toute au- tre décharge électrique telle qu les courants alterna- tif, continu ou Mi peut eêtre utilisée. 1 E VE'I - 1) 1 CA T I C li S l ll 8 Dispositi ú 'affici age cotique comprenant: une enceinte étanche aux gaz, dont une partie est optiquement transmissible dans la région du visible du spectre électromagnétique, de sorte que le rayon- nement d'affichage optique peut être émis à partir dudit dispositif; un n&lange gazeux prédéterminé comprenant au tj moins un gaz contenu dans ladite enceinte étanche aux gaz; et plusieurs électrodes disposées de telle manière I O 10 qu'une partie du rayonnement produit à l'intérieur de la- dite enceinte étanche aux gaz sensible à une décharge électrique passant entre au moins deux desdites électro- des traverse ladite partie optiquement transmissible de la- dite enceinte étanche aux gaz; caractérisé par - un moyen pour faire passer une décharge électri- que entre au moins deux desdites électrodes de telle ma- nière que les atomes d'au moins une sorte de gaz réagis- sent sous l'influence de ladite décharge électrique pour former des excimères qui émettent un rayonnement électro- magnétique après désexcitation dissociative. 2 Dispositif d'affichage optique selon la re- vendication 1, caractérisé en;ce que lesdits excimères Émettent un rayonnement à affichage optique dans le visi- ble. 3 Dispositif d'affichage optique selon la re- vendication 1, caractérisé en ce que lesdits excim 4 res émettent un rayonnement intermédiaire dans l'ultraviolet du spectre électromagnétique et ledit dispositif d'affi- chage comprenant en outre un composé phosphoré pour ab- sorber une partie dudit rayonnement intermédiaire et émettant un rayonnement à affichage optique dans la ré- gion du visible du spectre électromagnétique. 4 Dispositif d'affichage optique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins un gaz réagit pour former des excimères com- prenant au moins un atome d'un élément de la colonne zfr du tableau:, riodique et au micins un atome d'un Cl-'mrnt de la serti(%m Ie colonne du tab,-leau périodique. Di-so 0,itif d'affichage optique selon la re- vendication 4, caraciérisq en ce que ledit excirnère fait crarri e du roure ccn;rsti tuie par Xe ni, Xecl et Xe F. Djs-Osjtjf d'affichage optique selon l'une cuelcrriali dps revendications 2 ou 3, caractérisé en ce 3 ue les r'olécules dudit excimère comprennent au moins un atome d'un élément de la colonne zéro du tableau pério- dique et au mioins un atome d'oxygène. 7 Disoositif d'affichage optique selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu' au m'oins une de cette Dluralité d'électrodes est dis- uosée à l'intérieur de ladite enceinte étanche aux gaz.