Brevet FR2600451A1 — publié le 19871224

D1SPOSITIF D'AFFICHAGE EN COULEUR UTILISANT UNE CELLULE A CRISTAL LIQUIDE ET UN ECRAN TRICHROME FLUORESCENT A CRISTAL LIQUIDE ET UN ECRAN TRICHROME FLUORESCENT La présente invention a pour objet un dispositif d'affichage en couleur à cristal liquide. Un écran à cristal liquide permettant La restitution des couleurs est généralement constitué d'un film de cristal liquide (nématique en hélice avec ou sans colorant dichroique) et de filtres colorés de type passe-bande, c'est-à-dire absorbant toutes les radiations sauf la couleur désirée. L'écran est eclairé sur sa face arrière par une lampe fluorescente "blanche", c'est-à-dire émettant sur un large spectre incluant les primaires rouge, vert et bleu (en abrégé, par la suite RVB). De tels dispositifs ont été utilisés dans maints prototypes et ont même été commercialisés sous la forme de récepteurs de télévision de poche. La réalisation des filtres colorés utilisés dans ces écrans fait appel à des technologies de photolithographie. On peut soit photograver directement des substances colorées (par pigments ou colorants dissous), soit utiliser un photorésist supplémentaire en permettant la teinture sélective de films organiques. L'inconvénient majeur de ce genre de dispositif est son faible rendement lumineux. On compte que, dans la pratique, le rendement lumineux n'excède pas 7% (blanc transmis/blanc émis). Par ailleurs un tel dispositif, fonctionne exclusivement en transmission. Sans l'éclairage arrière, les mosa;ques de filtres apparaissent gris foncé et l'écran est inutilisable. La faiblesse du rendement lumineux des filtres colorés peut s'expliquer aisément. La puissance lumineuse transmise ne peut en effet théoriquement dépasser 33% de la puissance lumineuse incidente, comme on le comprendra mieux en consultant la figure 1 annexée. Sur cette figure est rerésentée une cellule 10 comprenant un film de cristal liquide 12 inséré entre deu parois 14 et 16. Un écran 18 est formé de triades de filtres colorés centrés sur les primaires R, V, B. L'ensemble est éclairé par une lampe 20 comprenant une enveloppe 22 recouverte intérieurement d'une poudre fluorescente 24. Un miroir 26 peut éventuellement être placé à l'arrière de la lampe. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. La lampe 20, qui est par exemple une lampe à vapeur de mercure, émet un rayonnement ultraviolet qui vient frapper la couche fluorescente, laquelle émet une lumière blanche Soit Po la puissace ultraviolette émise dans un volume correspondant à La surface d'une triade RVB. A l'extérieur de la lampe, on trouve une puissance lumineuse P1, le rapport P1/PO étant lié au rendement de fluorescence de la lampe. Chaque élément R, V ou B de la triade reçoit une puissance égale à un tiers de PI. Chaque filtre laisse passer environ un tiers du spectre visible, de sorte qu'après la cellule, l'observateur reçoit P1/9 pour chaque couleur, ce qui conduit à une puissance P1/3 pour la triade entière. Le rendement global est donc de 1/3(P1/PO). En réalité, du fait de l'émission du tube vers l'arrière (lumière perdue), de l'adjonction de polariseurs (pour les nématiques en hélice) le rendement global tombe a moins de 10X. Il est en pratique proche de 7%. Du fait de ce mauvais rendement lumineux global, les écrans à cristaux liquides en couleur consomment à peu près autant d'énergie qu'un tube à rayons cathodiques de taille analogue, ce qui réduit considérablement leur intérêt. L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient. A cette fin, elle préconise le remplacement des filtres passifs de l'art antérieur par des substances fluorescentes ou, si l'on veut, des luminophores, lesquels reçoivent directement le rayonnement ultraviolet émis par la lampe et le convertissent en rayonnement rouge, vert ou bleu par fluorescence. Dans ces conditions, la lampe ne contient plus de substance fluorescente sur sa paroi intérieure, puisque le phénomène de fluorescence est report dans la cellule même. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif d'affichage en couleur comprenant une cellule d'affichage constituée d'un film de cristal liquide à colorant dichroïque intercalé entre deux plaques munies d'électrodes transparentes, et une lampe éclairant la cellule, ce dispositif étant caractérisé par le fait que l'une des plaques porte en outre un écran trichrome constitué de triades fluorescentes dans tois couleurs primaires, la lampe émettant un rayonnement ultraviolet dirigé sur ces triades. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparattront mieux à la lumière de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1, déjà décrite, montre un dispositif selon l'art antérieur, - la figure 2 illustre l'origine de l'augmentation du rendement lumineux selon l'invention, - la figure 3 illustre la structure d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 4 montre des exemples de réalisation de triades de luminophores. Sur la figure 2, on retrouve les éléments déjà représentés sur la figure 1, à cette différence près que l'écran 18 de la figure 1 qui était formé de filtres colorés est remplacé par un écran fluorescent 30 composé de triades de luminophores RVB, et que la lampe ultraviolette 20 ne contient plus de couche fluorescente (24 sur la figure 1). la lumière ultraviolette émise par la décharge luminescente est donc transmise directement à l'extérieur avec la puissance Po. Chaque luminophore reçoit un tiers de cette puissance et réémet une puissance P1/3. La puissance correspondante à une triade complète est donc égale à P1. Le rendement lumineux est donc devenu P1/PO au lieu de 1/3(P1/PO) dans l'art antérieur. Il est donc triplé. En outre, le rayonnement ultraviolet provenant de la lampe et qui est dirigé vers l'arrière, seréfléchit sur le miroir 26 et peut retraverser la lampe, ce qui tétait pas le cas dans l'art antérieur où la couche fluorescente 24 le bloquait. Naturellement, les calculs qui précèdent ne sont qu'une estimation théorique et il faudrait, pour être complet, tenir compte des réflexions aux interfaces, des rendements réels de conversion ultraviolet-visible, des spectres réels des filtres colorés et des luminophores, etc... Néanmoins, on voit que, par principe, le rendement lumineux est fortement amélioré par l'utilisation de luminophores fluorescents disposés à l'intérieur de la cellule à cristaux liquides. Un autre avantage majeur du dispositif tient au fait que, en l'absence de rayonnement ultraviolet, les substances fluorescentes apparaissent en blanc-diffusant, grâce à l'utilisation de cristaux liquides dichro;ques. Cet aspect blanc sera visible et utilisable pour l'affichage, sous éclairage ambiant naturel. Le dispositif peut alors servir pour l'affichage d'images en noir et blanc (teintes de gris possibles). Enfin, la mise en oeuvre de ces substances fluorescentes (luminophores) peut bénéficier de la technologie du tube à rayons cathodiques en couleur. En effet, dans un tel tube aussi, les "phosphores" sont photogravés successivement à travers un masque ("shadow-mask"), de façon à réaliser des triades R-V-B. Il suffit donc de remplacer ces phosphores (sensibles aux électrons) par des luminophores (sensibles aux ultraviolets) pour obtenir des mosaïques fluorescentes pour écran à cristaux liquides. La figure 3 montre, en coupe, un mode de réalisation du dispositif de l'invention. La cellule 10 comprend un film de cristal liquide 12 intercalé entre deux plaques 14 et 16 revêtues, la première, d'électrodes 17 (en forme de points, ou de segments ou de colonnes, ou de transistors à couches minces, etc...), la seconde, d'un écran trichrome 30 lui-même recouvert d'électrooes 31. Des cales d'épaisseur 33 assurent le parallélisme des plaques et la fermeture de la cellule. Les électrodes 17 et 31 sont commandes par un circuit 34, selon les techniques habituelles (par lignes, par colonnes, etc...). Cette commande rend opaque ou transparente la couche de cristal Liquide située en regard de chaque élément de Latriade. La lampe 20 éclaire la face arrière 16. Si les tensions appliquées aux électrodes sont telles que la cellule est transparente en regard d'un luminophore rouge, l'observateur placé en 36 apercevra un point rouge. Si la zone en regard d'une triade entière est transparente, cette triade apparaStra blanche. On peut noter qu'on ne peut utiliser seuls les cristaux liquides nématiques en hélice car, dans ce cas, la cellule doit être transparente et non dépolarisante. Or, les luminophores sont opaques aux visibles et diffusants. La figure 4 montre deux exemples de triades. Sur la partie a les luminophores sont des cercles tangents. Sur la patie b, ce sont des carrés juxtaposés. On va décrire maintenant un exemple de procédé de fabrication d'une cellule conforme à l'invention. Ce procédé comprend les opérations suivantes : 1) nettoyage des plaques avant 14 et arrière 16 ; 2) opérations sur la plaque avant 14 a) on réalise un système d'électrodes de commande : s'il s'agit d'un afficheur dédié, on photograve des électrodes transparentes en oxyde d'étain et d'indium (ITO) selon les motifs désirés (segments ou autre dessin);; s'il s'agit d'un écran matriciel, compte tenu du fait que les cristaux liquides dichroiques ne peuvent être commandés par multiplexage, on réalise une matrice active de commande (matrice de transistors à couches minces), b) la plaque avant est achevée par un traitement de surface approprié à l'utilisation des cristaux liquides dichroiques ;; 3) opération sur la plaque arrière 16 - dans le cas d'un écran tri chrome, on réalise successivement des points R, V, B (ou des plaques pour les écrans dédiés) comme suit a) enduction de la plaque à l'aide d'une résine photosensible (ou d'une autre substance photosensible organique, par exemple en polyimide) dans laquelle on a introduit une poudre 3+ fluorescente (par exemple le luminophore r O (Eu ) pour l'émission rouge) finement broyée. Ce produit a une viscosité et une homogénéité suffisante pour être étalée en couche uniforme à l'aide d'une tournette rapide (épaisseur de l'ordre du micron). b) Après séchage, le film est exposé aux ultraviolets pour réticuler et durcir le photorésist (ou un matériau équivalent). Après révélation et rinçage, il ne reste plus, sur le substrat, que les plots correspondant à la lumière désirée. On réitère cette opération autant de fois qu'il y a de couleurs à obtenir. c) une variante consiste à répandre uniformément le produit et à le sécher. On vient ensuite le recouvrir d'un photorésist qui, après révélation, servira de protection lors du rinçage. Là encore, on répète autant de fois l'opération qu'il y a de couleurs. d) On dépose ensuite un film transparent d'oxyde d'étain et d'indium sur les mosaïques de luminophores. Dans l'afficheur dédié, ce film sera gravé selon le dessin désiré. Dans l'écran à matrice activé, il reste entier. e) Comme pour la plaque avant, on réalise ensuite un traitement de surface pour l'orientation correcte des cristaux liquides. 4) opération sur la cellule On termine l'écran de façon conventionnelle par scellement des deux plaques, remplissage par le cristal liquide, mise en place, si besoin est, d'un polariseur en face avant et installation de l'éclairage ultraviolet en face arrière. Après cette description, on voit qu'en utilisant, dans un écran plat à cristaux liquides, à la place des filtres colorés passifs, des luminophores fluorescents, on peut 1) augmenter notablement le rendement lumineux des écrans couleurs, 2) utiliser l'écran en mode couleur (avec éclairage ultraviolet) ou en mode noir et blanc (sans ultraviolet). REVENDICATION Dispositif d'affichage en couleur comprenant une cellule d'affichage (10) constituée d'un film de cristal liquide (12) à colorant dichro;que intercale entre deux plaques (14, 16) munies d'électrodes transparentes (17, 31), et une lampe (20) éclairant la cellule, caractérisé par le fait que l'une des plaques (16) porte en outre un écran trichrome (30) constitué de triades fluorescentes dans trois couleurs primaires (R, V, B), la lampe (20) émettant un rayonnement ultraviolet dirigé sur ces triades.