Brevet FR2671218A1 — publié le 19920703

DISPOSITIF D'AFFICHAGE ELECTROLUMINESCENT A MEMOIRE ET A PLUSIEURS TEINTES DESCRIPTION La présente invention a pour objet un dispositif d'affichage électroluminescent à effet mémoire optique, permettant d'obtenir une échelle de teintes tout en gardant les avantages de L'effet mémoire. Elle trouve une application dans le domaine de l'optoéLectronique pour L'affichage d'images complexes ou de caractères alphanumériques dans une même gamme de couleur et plus particulièrement dans La gamme de gris. Un dispositif à mémoire optique locale présente un certain nombre d'avantages tels que ceux décrits dans le document FR-A-2 574 1972. Ce dispositif à mémoire Locale comporte une structure photoconductrice (PC) connectée en série avec une structure électroluminescente (EL), ces deux structures étant couplées optiquement. L'effet mémoire obtenu est appelé l'effet PC-EL. Ce type de dispositif PC-EL présente, par rapport à L'affichage électroluminescent classique, une réduction de la consommation électrique, une diminution des pointes de courant, la possibilité d'augmenter le nombre de points sans perte de contraste permettant ainsi une résolution plus élevée et/ou une taille d'écran plus grande. Dans les dispositifs PC-EL connus, l'affichage est du genre "tout ou rien", ce qui ne permet pas l'obtention de différents niveaux de gris. Le principe de fonctionnement de ces dispositifs est représenté sur la figure 1 qui donne une courbe d'hystérésis typique de la réponse luminance-tension d'un dispositif à mémoire PC-EL. Lorsque le dispositif est dans l'état éteint, correspondant à la luminance L2, le matériau photoconducteur est peu conducteur et il retient une partie importante de la tension V appliquée à l'ensemble. Si l'on augmente pendant un court instant La tension jusqu'à une valeur V2 telle que la tension présente aux bornes de la structure électroluminescence excède le seuil d'électroluminescente, le dispositif PC-EL bascule dans L'état allumé L1. Le matériau photoconducteur est alors éclairé par la structure électroluminescente et passe à l'état conducteur. La tension à ses bornes chute et il en résulte une augmentation de la tension disponible pour la structure électroluminescente. On revient alors à la tension Vo. Pour éteindre un dispositif PC-EL, il suffit de diminuer momentanément la tension totale jusqu'à une valeur V? inférieure à V2 puis de revenir à Vo. Grace à L'hystérésis de la caractéristique luminance-tension, l'application d'une tension VO, dite de maintien, intermédiaire entre V1 et V2, permet le maintien de l'état affiché ou éteint précédent. Bien que le dispositif d'affichage a effet PC-EL connu présente de nombreux avantages, ces dispositifs ne permettent pas l'affichage de plusieurs teintes et en particulier de plusieurs niveaux de gris. Comme dispositif d'affichage électroluminescent à plusieurs niveaux de gris connus, on peut citer celui décrit dans le document FR-A-2 580 848. Dans ce dispositif les différents niveaux de gris sont obtenus en utilisant, pour chaque point image, des électrodes de commande de la couche électroluminescente formées de bandes de différentes largeurs et différents matériaux électroluminescents. Ces dispositifs ne présentent pas d'effet mémoire intrinsèque et par conséquent ne présentent pas tous les avantages liés à une mémoire optique locale. L'invention a justement pour objet un dispositif d'affichage électroluminescent à effet mémoire permettant, de façon aisée, l'obtention d'un affichage à plusieurs teintes et en particulier de plusieurs niveaux de gris. L'invention a pour objet un dispositif d'affichage électroluminescent à effet mémoire comprenant sur un substrat isolant un empilement de couches actives comportant au moins une couche électroluminescente et au moins une couche photoconductrice, un premier et un second systèmes d'électrodes orthogonales disposés de part et d'autre de l'empilement, un élément d'image étant défini par le recouvrement d'une électrode du premier système et d'une électrode du second système, des moyens pour appliquer sur les électrodes des tensions de commande appropriées, caractérisé en ce que l'une au moins des couches de l'empilement présente une modulation de l'une de ses caractéristiques de façon à allumer successivement différentes parties de chaque élément d'image en fonction de la tension appliquée et obtenir ainsi un affichage à plusieurs teintes. Par plusieurs teintes, il faut entendre plusieurs nuances d'une meme couleur telles que pLusieurs gris, plusieurs verts, plusieurs rouges. L'empilement de couches peut avantageusement comprendre une couche supérieure et une couche inférieure de diélectrique, disposées de part et d'autre de la couche électroluminescente. Selon l'invention, la couche présentant la modulation de l'une de ses caractéristiques peut etre la couche électroluminescente, la couche photoconductrice ou encore l'une des couches diélectriques disposées de part et d'autre de la couche électroluminescente. La caractéristique modulée peut Entre La composition et l'épaisseur de l'une de ces couches ou encore le "dopage" de la couche électroluminescente (concentration d'ions luminophores). En outre, la modulation peut concerner une ou plusieurs couches actives du dispositif d'affichage. Les systèmes d'électrodes sont constitués chacun de bandes conductrices parallèles entre elles, Les bandes conductrices du premier système étant croisées par rapport aux bandes conductrices du second système. Suivant le type de fonctionnement utilisé, en réflexion ou en transmission, un ou deux des systèmes d'électrode doivent etre transparents. De manière à avoir un champ appliqué très inhomogène, ayant notamment pour résultat des allumages successifs de différentes parties de l'élément d'image, il est en outre possible de changer la forme des électrodes. On peut par exemple utiliser des électrodes formées de bandes de différentes largeurs, de sorte que les régions près des bandes fines, correspondant à un champ électrique plus élevé, s'allumeront avant les régions près des bandes plus larges. Il est aussi possible d'utiliser des électrodes ayant des parties pointues de sorte que l'effet "de pointe" donne des régions à champ plus élevées que d'autres. Selon l'invention, il est possible d'obtenir plus de deux états de Luminance stables et de créer ainsi une échelle de gris. En divisant l'élément d'image en autant de parties que désiré, il est possible d'obtenir autant de niveaux de gris qu'on le désire. Mieux encore, en produisant dans chaque élément d'image, un gradient de propriété de la couche active modulée, il est possible de faire varier les niveaux de gris d'une manière continue. Comme matériau photoconducteur utilisable dans l'invention, on peut citer le CdS Se ou le x 1-x silicium amorphe hydrogéne et carboné de formule a-Si C :H, avec x allant de O à 1. Ces materiaux ont 1-x x l'avantage de présenter un spectre optique de sensibilité ajustable. Leur composition peut donc etre adaptée selon le matériau électroluminescent choisi. En outre, ces matériaux peuvent étre utilisés lorsque la modulation concerne la composition de la couche photoconductrice. De préférence, on utilise du a-Si C :H avec 1-x x 0 Les matériaux électroluminescents utilisables dans l'invention peuvent etre des matériaux à large bande et à spectre déterminé comme par exemple le 2+ ZnS:Mn de bande d'émission relativement étroite et 2+ située dans le jaune et L'orange ; le CaS:Eu à 2+ dominance rouge ; le SrS:Eu à dominante allant du 3+ rouge à l'orange ; le CaS:Ce à dominance allant du 3+ vert à L'orange ; le SrS:Ce à dominance allant du bleu au vert. Ces matériaux sont en particulier utilisés lorsque la caractéristique modulée est l'épaisseur de l'une des couches actives de l'empilement ou lorsqu'eLle concerne La composition du matériau photoconducteur. Lorsque la modulation concerne la composition de la couche électroluminescente, on peut utiliser des matériaux électroluminescents à large bande pour Lesquels le spectre d'émission peut etre modifié comme 2+ par exemple Ca Sr S:Eu avec x allant de O à 1, La x 1-x dominante pour x=1 étant le rouge et pour x=O, 3+ l'orange ; Ca Sr S:Ce avec x allant de 1 à 8, x=1 x 1-x correspondant à une dominante verte et x=O à une dominante bleue. Il est aussi possible de mélanger deux activateurs Luminophores dans une éme matrice pour adapter la bande large d'émission du matériau électroluminescent ; le spectre obtenu est alors une combinaison des spectres élémentaires des deux activateurs ; comme exemples, on peut citer 2+ 3+ 2+ 3+ 3+ 3+ SrS:Eu ,Ce ; CaS:Eu ,Ce ; SrS:Ce ,Pr On peut aussi utiliser des matériaux à plusieurs bandes étroites ou raies comme par exemple 3+ ZnS:Sm à dominante rouge ; ZnS:Tb à une dominante 3+ verte et une dominante verte-bleue ; ZnS:Tm à dominante bleue et proche infrarouge (780 nm) ; 3+ SrS:Pr à deux dominantes, une dans le rouge, une dans le bleu-vert.On peut aussi utiliser des alliages tels 3+ 3+ 3+ que Zn Sr S:Tb ; Zn Ca S:Tb ; Sr Ca S:Tb x 1-x x 1-x x 1-x avec x allant de O à 1. La modulation peut par ailleurs concerner la teneur en ions luminophores de la couche électroluminescente. En jouant sur la nature des ions luminophores et sur leurs teneurs, on joue en fait sur la composition de la couche électroluminescente. Les couches diélectriques sont par exemple en SiO N avec Ocx xy concerne la composition de l'une des couches diélectriques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement la courbe luminance-tension d'un dispositif d'affichage PC-EL selon l'art antérieur, - la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif d'affichage conforme à l'invention, - la figure 3 donne la courbe luminancetension (L-V) du dispositif de la figure 2, - la figure 4 représente schématiquement un autre mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention, - la figure 5 donne la courbe luminancetension (L-V) du dispositif de la figure 4, - la figure 6 illustre Le procédé de fabrication de la modulation d'épaisseur de la couche diélectrique supérieure du dispositif de la figure 4, - la figure 7 donne la courbe luminancetension (L-V) d'un autre mode de réalisation du dispositif de l'invention, - la figure 8 représente schématiquement le mode de réalisation du dispositif de l'invention dont le fonctionnement est celui de la figure 7, et - la figure 9 illustre le procédé de fabrication de la modulation d'épaisseur de La couche diélectrique supérieure du dispositif de La figure 8. Sur la figure 2, on a représenté un premier mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention. Ce dispositif comprend un substrat de verre 10 sur lequel sont déposés dans l'ordre, un premier système d'électrodes constituées de bandes conductrices 12 parallèles entre elles, une première couche diélectrique 14, une couche électroluminescente 16, une seconde couche diélectrique 18, une couche photoconductrice 20 et un second système d'électrodes 22 constituées de bandes conductrices 22 parallèles entre elles et perpendiculaires aux bandes conductrices 12. Les électrodes 22 sont en général réfléchissantes et réalisées en aluminium ; elles sont disposées sur une couche photoconductrice en a-Si 1-x C :H avec x 0 xy O Le second système d'électrodes est constitué en un matériau transparent et en particulier en ITO (oxyde d'indium et d'étain). La couche électroluminescente 16 est du 2+ ZnS:Mn Un circuit électrique de commande 23 relié aux systèmes d'électrodes 12 et 22 permet l'application de tensions de commande appropriées et une lampe 25 placée en regard du substrat représente l'éclairement ambiant. Selon l'invention, la couche 16 dans ce mode de réalisation comporte une modulation d'épaisseur. En particulier pour chaque point image I, défini par le croisement d'une électrode 12 et d'une électrode 22, La couche 16 comporte deux épaisseurs el et e2 avec e1 La couche 16 présente une modulation en créneau, les parties en creux et les parties en surplomb étant par exemple de meme largeur. En particulier, l'épaisseur el est égale à 400 nm et l'épaisseur e2 est égale 800 nm. Du fait de la forme en créneau de la couche 16, Les couches supérieures 18 et 20, d'épaisseur constante, présentent aussi une forme en créneau. Ainsi, chaque point image est divisé en deux parties Il et I2 correspondant respectivement aux deux épaisseurs el et e2 de La couche électroluminescente 16, qui peuvent être commandées indépendamment. En effet, pour chaque élément d'image, l'application d'une tension croissante permet d'allumer successivement les deux parties I1 et I2 du point image. Ce système permet d'obtenir deux états allumés, ou deux niveaux de gris, et un état éteint, stable après adressage. Sur la figure 2, La partie hachurée 2 fois de la couche 16, à gauche de la figure, indique un point image à demi-allumé et la partie 2 fois hachurée de ta couche 16, à droite de la figure, représente un point image complètement allumé. Sur la figure 3, on a représenté la courbe luminance-tension (L-V) du dispositif de la figure 2. Pour une tension de maintien VO, l'élément d'image peut avoir les trois états de luminance L1 (éteint), L2 et L3 (allumés) avec L1 VO et retour à VO maintient l'élément dans L'état de luminance L2 car seule la partie Il de l'élément d'image a été excitée (V2 est la tension d'allumage du demi-point I1). Pour une tension d'adressage appliquée plus fort, d'intensité V3 > V2 pendant un court instant, les deux parties Il et I2 de l'élément d'affichage sont excitées et après retour à VO, la luminance d'équilibre L3 est plus élevée (V3 est la tension d'allumage de I1+I2). L'extinction est obtenue en appliquant une tension V1 Dans ce mode de réalisation on a fait varier la tension d'allumage pour obtenir deux niveaux de gris. Selon l'invention, il est aussi possible de faire varier la tension d'extinction du dispositif de l'invention et de moduler la luminance à l'état aLlumé pendant la phase d'extinction. Ceci est obtenu en utilisant le dispositif représenté sur la figure 4. Ce dispositif ne se distingue du dispositif de la figure 2 que par le fait que la couche électroluminescente 16a est ici d'épaisseur constante de 800 na environ et que c'est la couche isolante supérieure 18a qui comporte une modulation d'épaisseur. Ici, la couche 18a comporte une modulation en créneau et comporte donc au niveau de chaque point image I une épaisseur El et une épaisseur E2 avec E1 La partie I1 correspond à l'épaisseur El et la partie 12 correspond à l'épaisseur E2 de La couche diélectrique 18a. Sur la figure 5, on a représenté la courbe luminance-tension (L-V) du dispositif de la figure 4. Sur cette figure, les tensions satisfont aux conditions suivantes : V1 En partant de l'état allumé L3 (point totalement allumé), l'application pendant un court instant d'une tension V2 puis retour à VO permet le maintien de l'élément (partie Il) dans l'état de luminance L2 (demi-allumé) et l'application d'une tension V1 pendant un court instant puis retour à VO permet le maintien de l'élément dans L'état éteint L1. Sur ta figure 6, on a représenté la méthode d'obtention de- la couche 18a à modulation d'épaisseur de la figure 4. On effectue tout d'abord le dépôt, sur la couche électroluminescente 16a, de la couche 18a sur une épaisseur homogène égale à l'épaisseur maximum E2 puis on recouvre L'ensemble d'une couche de résine photosensible 24. Cette dernière est insolée aux endroits où l'épaisseur de la couche 18a doit être réduite, puis révélée. Une attaque chimique partielle 26 de la couche 18a permet de retirer une partie du matériau de la couche 18a, avec pour conséquence une diminution de l'épaisseur de cette couche aux endroits exposés. L'attaque chimique est effectuée jusqu'à obtention de L'épaisseur voulue El pour la couche 18a. Enfin, la couche de résine est totalement retirée. Le dépôt des couches supérieures se fait alors conformément à l'art antérieur. L'invention n'est pas limitée à l'obtention de deux niveaux de gris et en divisant l'élément d'image en plus de deux parties, il est possible d'obtenir autant de niveaux gris que désiré. Ceci est montré sur la figure 7, où la courbe d'hystérésis luminance-tension est telle que suivant la tension d'ecriture V2, V3 ou V4, etc., on obtient après retour à la tension de maintien VO, une luminance L2, L3, L4 qui croît avec l'impulsion de la tension d'écriture, ce qui est exactement compatible avec les standards généraux de l'affichage vidéo. L'application d'une tension V1 permet d'obtention de l'état éteint L1. Ici, les tensions satisfont aux conditions suivantes Y1 Ceci peut être réalisé en modulant continûment, comme représenté sur la figure 8, l'épaisseur de la couche isolante supérieure 18b. Dans ce mode de réalisation, L'épaisseur de la deuxième couche d'isolant 18b, varie continûment entre deux valeurs extrêmes il et i2 typiquement de 100nm à 300nm, pour chaque point image I. La méthode d'obtention d'une telle couche 18b est illustrée sur la figure 9. En particulier, la couche 18b est déposée par évaporation 28 à travers un masque mécanique 30 placé à une certaine distance (typiquement de 1mm) du substrat. Un dispositif similaire à celui de la figure 2, mais ou l'on module l'épaisseur de la couche photoconductrice 20 et non plus celle de la couche électroluminescente, aura le même coaportement que celui décrit à la figure 3. Cette couche 20 est une couche d'alliage de silicium et de carbone amorphe hydrogéné, a-Si C :H avec 0 1-x x La tension aux bornes de la couche photoconductrice obéit aux lois de la "conduction limitée par la charge d'espace" comme décrit dans l'article OPTOELECTRONICS-DEVICES and TECHNOLOGIES, "Electroluminescent memory display using amorphous silicon-carbon alloys" de I. SOLOMON et P. THIOULOUSE, pp. 295-316 de décembre 1989, voL. 4, n02. L'injection d'électrons dans la couche PC entraîne : - le piégeage d'une partie de ces électrons dans des états de la bande interdite (charge d'espace) ; - la création d'une barrière de potentiel s'opposant à une nouvelle injection ; - la nécessité de dépasser un seuil de tension pour pouvoir injecter de nouveaux électrons, cette tension de seuil correspond à la tension aux bornes de la couche PC dans un dispositif PC-EL en fonctionnement. Si la couche PC est exposée à la lumière, une partie des électrons piégés sont libérés par excitation optique, entraSnant un abaissement de la barrière de potentiel et une diminution de la tension aux bornes de la couche PC. Dans ces conditions : - la tension aux bornes de la couche PC dans l'obscurité, et par conséquent la tension d'allumage du dispositif PC-EL (à l'allumage, le dispositif est initialement dans l'état éteint) peut être modulée en modifiant l'épaisseur de la couche PC, la tension aux bornes de la couche PC croissant avec l'épaisseur ; - la tension aux bornes de la couche PC sous éclairement, et par conséquent la tension d'extinction du dispositif PC-EL peut être modulée en modifiant la teneur en carbone de la couche PC : en augmentant la teneur en carbone, on diminue la sensibilité de la couche à la lumière et on accrott la tension aux bornes de la couche PC sous éclairement. Ainsi, l'épaisseur de la couche PC joue principalement sur la tension aux bornes de la couche PC dans l'obscurité et peu sur sa tension sous éclairement. Par conséquent, en modulant l'épaisseur de la couche PC, on module la tension d'allumage V2 et pratiquement pas celle de la tension d'extinction V1. La méthode de réalisation de la modulation d'épaisseur décrite à la figure 6 reste valable pour la couche PC. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage électroluminescent à effet mémoire comprenant sur un substrat isolant (10) un empilement de couches actives comportant au moins une couche électroluminescente (16, 16a) et au moins une couche photoconductrice (20), un premier (12) et un second (22) systèmes d'électrodes orthogonales disposés de part et d'autre de L'empilement, un élément d'image (I) étant défini par le recouvrement d'une électrode du premier système et d'une électrode du second système, des moyens (23) pour appliquer sur les électrodes des tensions de commande appropriées, caractérisé en ce que l'une (16, 18a, 18b) au moins des couches de l'empilement présente une modulation de l'une de ses caractéristiques de façon à allumer successivement différentes parties (11, 12) de chaque élément d'image en fonction de La tension appliquée et obtenir ainsi un affichage à plusieurs teintes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caractéristique modulée est l'épaisseur ou la composition. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche électroluminescente est intercalée entre une couche inférieure (14) et une couche supérieure (18, 18a, 18b) de diélectrique. 4. Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche présentant une modulation de l'une de ses caractéristiques est la couche électroluminescente (16). 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que La couche présentant une modulation de l'une de ses caractéristiques est l'une des couches de diélectrique (18a, 18b). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérise en ce que la couche présentant une modulation de l'une de ses caractéristiques est la couche supérieure (18a, 18b) de diélectrique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la modulation de la caractéristique consiste en une variation progressive (18b) de ladite caractéristique, d'une face à l'autre de la couche modulée.