Brevet FR2607995A1 — publié le 19880610

- 1 - Eléments d'éclairage éLectroluminescents. La présente invention concerne des éléments d'éclairage électroluminescents continus et semblables à un film. De nombreuses substances fluorescentes émettent de la lumière lorsqu'elles rencontrent un champ électrique, selon un effet connu sous le nom d'éLectroluminescence (EL). L'électroluminescence est émise par suite d'une interaction entre la substance et le champ électrique, et n'est pas due à des effets secondaires tels qu'un changement chimique ou un éclairage ultraviolet. Selon la nature du voltage externe agissant sur la substance fluorescente (courant alternatif ou courant continu), l'effet est dû à deux phénomènes physiques différents. Avec du courant alternatif, la substance fluorescente est isolée des électrodes externes par des couches diélectriques, ce qui entraîne une luminescence interne occasionnée par la capacité de couplage entre la substance et le champ électrique externe. D'autre part, avec du courant continu, la luminescence s'effectue dans la substance fluorescente suite à une injection de charges libres, provenant du passage du courant continu à travers la substance fluorescente. Pour chacun de ces modes: - courant alternatif et courant continu -,il peut y avoir deux sortes de composants: des composants à couche mince et des composants à couche épaisse. Les composants à couches minces sont fabriqués par des procédés tels que l'évaporation, la pulvérisation, ou le dépôt de vapeur chimique. En raison de la fragilité de ces couches minces, elles sont appliquées sur des substrats de verre. De ce fait, ces types de composants électro- luminescents à couche mince sont non flexibles. Pour les composants à couche mince, la substance fluorescente la plus utilisée est ZnS en tant que base et Mn (à des concentrations de moins de 1 %) en tant qu'activa- teur. Alors que ces substances se sont révélées être les plus efficaces et que les composants électroluminescents les 2 - utilisant ont le temps de vie le plus long, d'autres substances fluorescentes sont également utilisées, principalement dans le but d'obtenir des lumières de différentes couleurs. D'autre part, les composants à couche épaisse sont basés sur des substances fluorescentes pulvérulantes dans une matrice en verre polyméride ou à bas point de fusion. Ces composants qui sont bien moins chers à produire que des composants à couche mince, ont un taux de conversion bien inférieur à celui des composants à couche mince (environ 1 Lm/W par rapport à 7 Lm/W). Leur luminosité est bien inférieure (10-30 pieds-Lambert par rapport à quelques milliers de pieds-Lambert) et leur durée de fonctionnement est bien plus courte (1000-3000 heures contre 10 heures). Ils sont également affectés de manière considérable par des températures plus élevées. Les deux composants ci-dessus ont toutefois un inconvénient très important: ils sont excessivement sensibles aux conditions de l'environnement, et tout particulièrement à l'humidité. En raison de l'important champ électrique présent entre les électrodes, les molécules d'eau présentes seront soumises à une électrolyse et, de ce fait, l'oxygène et l'hydrogène produits vont entraîner la décomposition du ZnS et accélérer de manière notable la baisse de la performance électroluminescente. Les molécules d'eau peuvent atteindre la substance fluorescente de deux manières: 1,) Lors d'une étape de fabrication défectueuse, si de la vapeur d'eau parvient à s'infiltrer dans la couche de substance fluorescente, et, 2,) en cas de scellement défecteux ou endommagé du composant, ce qui L'expose aux conditions ambiantes. C'est donc l'importance même d'un scellement parfait qui constitue l'obstacle le plus sérieux pour une application plus large des composants d'éclairage électroluminescents, car, pour cette raison, ces composants ne peuvent être fabriqués que dans des formes et mesures prédéterminées et fixées, et une fois élaborés, ils ne -3- peuvent plus être raccourcis, découpés, percés, rivés, ou usinés de quelque manière que ce soit, car ces opérations qui détruiraient partiellement le scellement, seraient également à l'origine d'une auto-destruction et décomposition progressive de l'ensemble du composant. L'un des objectifs de la présente invention est d'apporter une solution aux inconvénients et. désavantages mentionnés ci-dessus et de fournir des composants d'éclairage électroluminescents qui pourraient être fabriqués en bandes semblables à un film, de longueur illimitée et d'une largeur qui sera seulement déterminée par les installations de fabrication disponibles. De ces bandes éLectroluminescentes, des pièces de toutes tailles et formes pourront être coupées et, en conséquence, percées, découpées et rivées pour des assemblages, tout en ayant uniquement les bords résultant de la découpe affectés par l'humidité, mais avec des dommages limités à ces parties locales et ne pouvant s'étendre. Elles peuvent ainsi être articulées, pliées et tordues et prendre toutes les formes souhaitées. Ceci est rendu possible par la présente invention, grâce à l'apport d'un élément d'éclairage électroluminescent continu et semblable à un film comprenant: - un ensemble d'unités séparées, constituées chacune d'une ou de plusieurs pièces discrètes ou discontinues d'une substance fluorescente, chaque unité étant entièrement encapsulée dans une cellule consistant en un diélectrique, cellule qui est au moins en partie insérée dans une substance de scellement. - deux électrodes dont l'une est au moins en partie transmettrice de lumière et entre lesquelles se trouvent lesdites cellules diélectriques contenant lesdites unités de substance fluorescente encapsulées et ladite substance de scellement, chacune desdites cellules contenant de la substance fluorescente étant ainsi isolée de manière substantielle des cellules adjacentes. L'invention va à présent être décrite en rapport avec certaines applications représentatives et en se référant aux dessins annexés pour en permettre une meilleure -2607995 - 4 - compréhension. En ce qui concerne Le report aux dessins, il convient de souLigner que Les modes d'exécution avantageux repré- sentés, le sont seuLement pour exemples et dans le but d'une discussion ilLustrée des applications représentatives de L'invention en question, ces modes d'exécution étant présen- tés pour montrer ce qui est considéré être la description La plus utile et La plus facile à comprendre, des principes et des aspects conceptuels de L'invention. De ce fait, il n'est nulLement question de montrer les détails structurels de l'invention de manière plus expLicite que celle nécessaire à la compréhension fondamentale de celle-ci; en effet, la description faite par les dessins rendent plus apparentes aux personnes informées, les diverses applications qui peuvent être faites de l'invention. Sur les dessins: La figure 1 est une vue schématique et en coupe transversale d'un élément électroluminescent à couche mince selon l'état de la technique. La figure 2 est une vue identique, d'un élement à couche épaisse, également suivant l'état de la technique. La figure 3 est une vue schématique et en coupe transversale de l'élément électroluminescent à couche mince selon l'invention. La figure 4 est une vue similaire d'une première mise en oeuvre d'un élément éLectroluminescent à couche épaisse. La figure 5 est une illustration d'une variante d'exécution du dispositif illustré à la figure 4. La figure 6 montre un autre mode d'exécution, avec utilisation de la méthode de la grille. La figure 7 est une variante d'exécution du dispositif illustré à la figure 6, pour laquelle la couche d'indium - oxyde stannique a été remplacée par un polymère conducteur. La figure 8 est une élaboration plus poussée du mode d'exécution selon la figure 4. En se référant maintenant aux dessins, on peut voir sur la figure 1, un schéma transversal de l'élément éLectroluminescent à couche fine selon l'état de la technique qui se compose des couches suivantes, du haut vers Le bas: une couche d'aluminium 2, servant de première électrode, une première couche diélectrique 4, la couche-de substance fLuorescente 6, formée de ZnS comme base et de Mn comme activateur, une deuxième couche diélectrique 4, une deuxième électrode transparente 8, faite généralement d'indium-oxyde stannique et un substrat de verre rigide 10. On peut voir que La couche de substance fluorescente 6 est continue. Pour cette raison, comme nous l'avons déjà indiqué, lorsque l'élément est sectionné, ou lorsque le bord du scellement (non représenté) est endommagé, rien ne peut empêcher les molécules d'eau de se frayer un chemin à l'intérieur de l'élément et d'y causer un dommage irréparable. Le substrat rigide 10 est nécessaire pour empêcher tout effort de courbure sur la couche très mince (environ 0.6 micromètres) de substance fluorescente. De tels efforts pourraient, en effet, entraîner des microfissures qui auraient pour conséquences des troubles ou un amorçage d'arc entre les couches diélectriques 4, en raison de l'importance de la force du champ (jusqu'à 2 MV CM-1). Les éléments de ce type ne peuvent donc être utilisés que pour des composants d'éclairage plat. Les indications de dimensions portées sur la droite de la figure et sur les figures suivantes, doivent être uniquement interprétées en tant qu'ordres de grandeur donné à titre d'exemples, et celà principalement pour illustrer l'épaisseur relative des diverses couches. La figure 2 représente un schéma transversal d'un élément électroluminescent à couche épaisse selon l'état de la technique. On peut voir à nouveau, du haut vers le bas, une couche d'aluminium 2 servant de première électrode, un liant diélectrique 12 entourant des particules 14 de la substance fluorescente (ZnS: CuS), un liant 16, la seconde électrode transparente 8 (en indium-oxyde stannique) et un substrat en matière plastique 18. Les éléments selon l'état de la technique sont complètement enfermés dans des films - 6 peu perméables à l'eau, qui ne sont pas représentés. Les problèmes limitant sérieusement les applications de ces composants selon L'état de La technique ont été exposés précédemment. La figure 3 représente un élément d'écLairage électroluminescent à couche fine seLon L'invention. On peut voir une feuille flexible en aluminium 2 constituant L'électrode de fond et qui, lors de La fabrication, sert de support sur lequeL sont déposées les couches de base 20, constituées d'un film diélectrique dont le rôle est de porter, en tant que couche supplémentaire, une unité de substance fluorescente sous la forme d'un film 6. Dans une étape suivante de fabrication, la base diélectrique 20 ainsi que le film de substance fluorescente 6 sont pourvus d'une couche de revêtement 22 formée également d'un film diélectrique. Ainsi les deux couches de film diélectrique 20 et 22 forment une cellule diélectrique 24, dans laquelle le film de substance fluorescente 6 est totalement encapsulé, et ou chaque cellule est isolée des cellules adjacentes. La taille moyenne de ces cellules peut varier entre 1 et 2 mm. Les cellules 24 sont insérées dans un scellement polyméride 26 sur lequel on applique une électrode transparente 8, constituée, par exemple, d'indium-oxyde stannique. L'électrode transparente est elle-même protégée par une couche supplémentaire 28, réalisée en un polymère transparent. Les cellules 24 contenant la substance fluorescente étant isolées les unes des autres et ayant une dimension relativement réduite, on pourra apprécier que, contrairement aux éléments électroluminescents selon l'état de la technique qui devraient être fabriqués à une taille précise et scellés à la fabrication, les éLéments électro- luminescents suivant l'invention, peuvent être coupés à la dimension désirée à partir de rouleaux et peuvent être estampés, percés, rivés, etc. , sans pour autant mettre en danger l'intégrité et l'entière capacité de fonctionnement de l'élément, car de telles opérations ne feront qu'exposer aux effets destructeurs de l'humidité, les cellules, -7- négligeabLes en nombre et en superficie, qui se trouveront directement sur la surface découpée ou percée, etc.. En raison de la petite taille des cellules 24, il est également possible de plier l'éLément à des rayons aussi petits que quelques centimètres. Les procédés par lesquels les différentes couches de ces éléments à couche fine peuvent être appliqués, sont bien connus, principalement par la production de composants monolithiques, et peuvent inclure l'évaporation, la pulvérisation, le dépôt de vapeur chimique, et autres. Les autres modes d'exécution de la présente invention concernent des composants à couche épaisse et sont exposés ci-après. Les éléments électroluminescents à couche épaisse dont le terme, dans le contexte présent, fait référence à des éléments électroluminescents dont les substances fluorescentes se trouvent sous la forme de grains ou particules distinctes plutot que sous la forme d'un film uniforme, peuvent être fabriqués de deux façons: a) la méthode d'impression; b) la méthode de la grille. La figure 4 est une vue à caractère schématique et en coupe transversale, d'un élément électroluminescent obtenu par impression. Les différentes couches se succèdent à partir d'une face du film en aluminium 2 qui sert d'électrode de fond et sur lequel sont imprimés: le scellement polyméride peu perméable à l'eau 26, puis les cellules 30 contenant les grains ou particules de substance fluorescente 14 insérées dans un liant constant hautement diélectrique et de courant de fuite bas 12, puis un liant 16 et une électrode transparente en indium-oxyde stannique 8. Pour finir, on applique à cette structure un film polyméride de basse perméabilité 18. De même, les couches peuvent être construites à partir du film polyméride 18. Les nervures à la surface du film en aluminium 2 (qui sont également reproduites dans la couche de scellement polyméride 26) sont dues au fait que lors du processus d'impression, le film 2 est soutenu par une couche de presse en caoutchouc 8 - relativement souple qui s'affaisse quelque peu lors des fortes pressions. On peut voir que pour les éléments électro- Luminescents produits par la méthode d'impression, les ceLLules 30 sont séparées Les unes des autres par L'introduction entre elles, de couches de scellement polymérides 26. Une variante de l'éLément illustré à la figure 4 est représentée à la figure 5. Afin de simplifier les liaisons électriques à l'électrode transparente 8, une fine grille de contact métallique 32 est introduite entre le scellement polyméride-26, en remplissant, de cette manière, les interstices réservés entre les groupes de cellules 30; la liaison entre la grille 32 et l'électrode transparente 8 s'effectue par un liant conducteur en époxy 34, disposé localement. La méthode de la grille est illustrée par le schéma transversal de la figure 6. Suivant cette méthode, les cellules 30 sont séparées l'une de l'autre par les éléments d'une structure semblable à une grille 36 et qui peut être faite soit d'un polymère soit d'un métal, cette grille remplissant la fonction du scellement polyméride 26 dont elle est l'équivalent. L'une des méthodes pour produire une grille polyméride est de munir un film polyméride de rangées de petites rainures; ces rangées successives de rainures sont décalées latéralement les unes par rapport aux autres de la moitié du "pas" des rangées. Le film est ensuite serré sur ses bords et soumis à un processus de retrécissement par lequel Les rainures vont s'ouvrir et produire un effet similaire à celui bien connu de grille de "métal déployé". Une autre méthode pour produire une grille polyméride, est de prendre un filet tissé fait de fibres polymérides unifilaires et de le traiter par pression chaude jusqu'à ce que les fibres "chaine" et "trame" deviennent plates et coplanaires. D'autre part, les grilles métalliques sont faites selon le procédé bien connu de photolithographie. Avant -9- d'être utilisées, elles sont isolées électriquement par un bain dans un polymère d'isolement. La griLLe 36, qu'elle soit polyméride ou métallique, représentée à La figure 6, est remplie de particules ou petites parcelles de substance fluorescente 14 qui sont insérées dans un polymère à faible courant d'excitation et à haut coefficient diélectrique 12, et qui a également un facteur de faible perméabilité à la vapeur d'eau. La face inférieure de la grille 36 remplie de substance fluorescente est soudée à l'électrode en aluminium 2, grâce à une couche de liant 16, alors que sa face supérieure est scellée hermétiquement par une couche de polymère transparente et hautement imperméable à la vapeur d'eau 38 qui, elle-même, est soudée à la mince électrode en indium-acide stannique déposée sur le substrat de plastique 18 via le liant transparent 16. Pour cette application, il est également possible d'introduire la grille de contact 32, mentionnée en rapport avec la figure 5. Dans ce cas, un liant conducteur devra être utilisé, de la même manière que pour l'application de la figure 5. La figure 7 illustre un autre exemple de mise en oeuvre de l'élément d'éclairage électroluminescent, selon lequel la couche d'indium-oxyde stannique a été supprimée. En incluant la couche polyméride précédente 38, la structure de cet élément est identique à celle de la figure 6; la couche d'indium-oxyde stannique a été remplacée par une couche de polymère conducteur transparent 40 qui est à la fois moins cher et plus facile à appliquer que la couche d'indium-oxyde stannique. Afin d'améliorer la conductivité moyenne dans l'espace de ce polymère, ainsi que l'accessibilité au contact électrique, on ajoute à cette couche une grille métallique 42 dont les ouvertures sont plus grandes que les ouvertures de la grille 36. L'ensemble de la structure est monté sur un substrat en matière plastique 18, à l'aide d'un liant transparent 16. La grille de contact 42 et le polymère conducteur 40 peuvent également être directement appliqués sur le substrat - 10 - 18 par impression. La figure 8 illustre une autre version, plus élaborée, de l'élément représenté à la figure 4, et qui comporte trois couches supplémentaires, dont la plus importante est une couche déshydratante 44 qui se compose de matières comme des polymères absorbant l'eau (nylon ou polyacétate) ou d'un mélange d'un minéral absorbant l'eau et d'un polymère. Le rôle de cette couche est d'absorber les restes de vapeur d'eau issus du processus de fabrication, qui pourraient rester dans la structure cellulaire de la source lumineuse, ainsi que d'absorber la vapeur d'eau qui pourrait pénétrer à travers les couches transparentes externes du polymère, et d'empêcher ainsi la vapeur d'atteindre les particules de substance fluorescente 14. L'addition d'une telle couche permet de prolonger le temps de fonctionnement de la source lumineuse d'environ 50 %. Le scellement polyméride 26 qui sépare les cellules 30 dans lesquelles sont insérées les particules 14, est également effectif entre les unités déshydratantes et empêche l'humidité d'avancer le long de la couche absorbante entre les cellules distinctes 30. Afin d'améliorer la luminosité de la source lumineuse qui, en raison de la présence de la couche déshydratante dans le champ électrique, risque de baisser, de la poudre d'indium-oxyde stannique, une matière transparente et conductrice, peut être ajoutée au polymère déshydratant et agir ainsi sur la substance fluorescente. Il est également possible d'appliquer une couche d'une épaisseur de 1 micromètre d'une matière transparente et conductrice à base d'indiumoxyde stannique sur la couche déshydratante 44, et qui sera donc interposée entre cette dernière et les cellules contenant les particules de substance fluorescente. L'effet de ce film transparent et conducteur est identique à celui d'une addition d'indium-oxyde stannique, soit, une augmentation de la source lumineuse. Il est également ajouté une première couche 46, a laquelle on a ajouté une matière à haut coefficient - 11 - diélectrique ainsi qu'à haut facteur de réflexion dans la zone de lumière visible. Une amélioration supplémentaire est constituée par la prévision d'une couche externe 48 qui consiste en un polymère transparent à la Lumière visible, mais opaque aux radiations ultra-violettes. Les couches supplémentaires décrites ci-dessus sont valables pour tous les éléments à couche épaisse, aussi bien de la version imprimée que de la version à grille. Alors que la géométrie des cellules 30 représentée sur les dessins est optionnelle, L'utilisation la plus efficace d'un élément électroluminescent donné serait obtenue par une configuration hexagonale. Il sera évident pour toute personne experte dans ce domaine, que l'invention ne se limite pas aux exemples d'exécution précédemment décrits, et qu'elle peut être utilisée sous d'autres formes spécifiques, tout en conservant néanmoins les attributs essentiels exposés ci-dessus. Les applications en question ne doivent donc en tout point de vue qu'être considérées comme illustratives et non restrictives; la portée de l'invention se retrouve dans les revendications qui suivent, bien plus que dans la description qui vient d'être effectuée, et tous les changements relatifs et équivalents aux revendications doivent de ce fait en faire partie intégrante. - 12 - R E V E N D I C A T I 0 N S 1. - Elément d'éclairage électroluminescent continu et semblable à un film, caractérisé par Le fait qu'il comprend: - un ensemble d'unités séparées (24, 30), chaque unité étant composée d'une ou de plusieurs pièces discrètes ou discontinues d'une substance fluorescente (6, 14) et étant entièrement encapsulée dans une cellule composée d'un diélectrique (20-21, 12), cellule qui est au moins en partie insérée dans une substance ou structure de scellement (26, 36). - deux électrodes (2, 8) dont l'une (8) d'entre elLes est au moins en partie transmettrice de lumière; entre ces électrodes se trouvent lesdites cellules diélectriques contenant lesdites unités de substance fluorescente encapsulées, ainsi que ladite substance de scellement; chacune desdites cellules contenant de la substance fluorescente étant ainsi isolée de manière substantielle des cellules adjacentes. 2. - Elément d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un revêtement polyméride externe (18, 28), transmetteur de lumière, pour ladite électrode transmettrice de lumière. 3. - Elément d'éclairage suivant la revendication 1, comprenant ladite substance de scellement (26), caractérisé en ce que cette dernière est constituée par un polymère à faible perméabilité de vapeur d'eau. 4. - Elément d'éclairage suivant la revendication 1, comprenant ladite pièce discrète de substance fluorescente (6), caractérisé en ce que cette dernière se présente sous la forme d'un film pouvant être déposé. - 13 - 5. - Elément d'éclairage selon La revendication 1, comprenant Ladite pièce discrète de substance fluorescente (14), caractérisé en ce que cette dernière se présente sous la forme d'au moins une particule ou grain de substance fluorescente. 6. - Elément d'éclairage suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également une grille métallique (32) accessible de l'extérieur dudit élément pour connexion électrique et disposée en contact électrique avec ladite électrode transmettrice de lumière (8). 7. - Elément d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites cellules (30) sont latéralement enfermées dans des interstices d'une structure semblable à une grille (36). 8. - Elément d'éclairage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite électrode transmettrice de lumière (8) est formée d'indium-acide stannique. 9. - Elément d'éclairage suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite électrode transmettrice de lumière (8) est réalisée en un polymère conducteur d'électricité. 10. - Elément d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également une couche déshydratante (44) interposée entre lesdites cellules (30) et ladite électrode en partie au moins transmettrice de lumière (8). 11. - Elément d'éclairage suivant La revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également une première couche (46) interposée entre celle (2) desdites électrodes qui ne transmet pas la lumière, cette couche (46) ayant un haut coefficient diélectrique ainsi qu'un haut facteur de réflexion dans la zone de lumière visible. - 14 - 12. - Elément d'éclairage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'iL comprend également une couche externe (48) constituée d'un polymère transparent à la lumière visible, mais opaque aux radiations ultra-violettes.