Brevet FR2730333A1 — publié le 19960809

DISPOSITIF D'AFFICHAGE PAR EMISSION DE RAYONNEMENT La présente invention concerne un dispositif d'affichage par émission de rayonnement, comprenant un ensemble étanche contenant un gaz ionisable, une couche fluorescente sur une partie de l'ensemble agencée pour convertir le rayonnement émis dans l'ensemble en rayonnement visible, au moins une première électrode agencée pour servir d'anode et au moins une seconde électrode agencée pour servir de cathode. Des panneaux d'affichage à plasma peuvent donner un affichage de couleurs avec une haute résolution et être relativement compacts. Cependant, les panneaux d'affichage à plasma actuels sont relativement inefficaces, avec des rendements lumineux inférieurs à 1 ImN/W, ce qui est considérablement moins que celui d'un tube à rayons cathodiques de 4 ImN/W environ. De plus les dispositifs d'affichage à plasma nécessitent des tensions d'excitation élevées, qui ne peuvent être produites que par des électronique de commande coûteuses. Les dispositifs à plasma actuels fonctionnent de la façcon suivante. La haute tension entre la cathode et l'anode produit une zone de chute cathodique à l'avant de la cathode grâce à laquelle les ions du plasma sont accélérés vers la cathode. Les ions heurtent la surface de la cathode et leur énergie se dissipe sous forme de chaleur et de production d'électrons secondaires, dont le rendement est proportionnel à la fonction de travail du métal de la cathode. Les électrons secondaires sont entraînés à travers le plasma gazeux en provoquant des collisions ionisantes avec les atomes de gaz et en entretenant de ce fait le plasma gazeux. Les électrons secondaires excitent également les atomes neutres à des états de résonance, le mélange gazeux étant choisi pour contenir des sortes de gaz ayant des niveaux de résonance dans le domaine du spectre allant du violet à l'ultraviolet (VUV) de sorte que, quand les atomes retombent à leur état neutre, ils perdent leur énergie en rayonnement dans le domaine VUV. Les substances luminophores du dispositif d'affichage convertissent la lumière VUV en lumière visible grâce au mécanisme de photoluminescence. Le bombardement ionique de la cathode métallique nécessaire pour entretenir une décharge luminescente ne génère pas d'électrons secondaires de manière efficace. Le rendement d'une surface de travail de sortie réduite typique est inférieur à 10%. De plus, quand l'émission secondaire est utilisée pour générer des porteurs de charge dans une petite cellule, le nombre de porteurs diminue rapidement à cause des pertes de diffusion élevées vers les cloisons de la cellule. Des propositions ont aussi été faites pour des dispositifs d'affichages plans comprenant une matrice d'émetteurs de champ, de tels émetteurs appartenant à la classe des structures de film mince comportant des points, des bords ou des discontinuités microscopiques, qui provoquent une émission d'électrons libres à température ambiante quand une barrière ou une électrode à proximité immédiate est chargée à une tension positive, généralement comprise entre 10 à 100 V. Les électrons émis sont alors accélérés à travers une couche de substance luminophore, o ils provoquent une cathodoluminescence, c'est-à-dire le même mécanisme de production de lumière que dans un tube à rayons cathodiques. Cependant, les substances luminophores ont un rendement relativement faible (environ 1%) aux faibles tensions de cathodoluminescence, d'environ 400 volts, utilisées jusqu'ici. Au cours d'essais destinés à augmenter le rendement en augmentant la tension à l'anode à des valeurs du kilovolt, des problèmes ont été rencontrés pour fabriquer des dispositifs d'affichage capables de fonctionner sous de telles tensions. Un objet de la présente invention est donc de fournir un dispositif d'affichage par émission de rayonnement amélioré. Le dispositif d'affichage par émission de rayonnement selon la présente invention du genre indiqué en préambule est caractérisé en ce que la cathode comporte une source émetteur de champ qui provoque l'ionisation du gaz dans l'ensemble et la production d'un rayonnement. De préférence, la source émetteur de champ comporte plusieurs cônes, qui peuvent être en silicium. Le dispositif d'affichage peut comprendre une couche gâchette adjacente à la source émetteur de champ. Alternativement, la source émetteur de champ peut être obtenue par une matière ayant une affinité électronique négative, telle que le diamant. De préférence, I'ensemble comprend plusieurs cellules, une cathode et une anode étant exposées à l'intérieur de chaque cellule de sorte que le gaz peut être ionisé dans chaque cellule. De préférence, les cellules sont séparées les unes des autres par des cloisons et des barrières orthogonales aux cloisons, ces cloisons et ces barrières étant opaques au rayonnement de sorte que le rayonnement produit dans une cellule ne peut pratiquement pas entrer dans une cellule adjacente. Les cellules différentes peuvent avoir des couches fluorescentes qui ont une fluorescence de couleurs différentes, telles que le rouge, le vert et le bleu. De préférence, I'ensemble comporte une plaque supérieure et une plaque inférieure, la cathode étant ménagée sur la plaque inférieure, et la plaque supérieure étant transparente au rayonnement visible et réfléchissant le rayonnement UV et VUV. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 représente une vue en plan d'une partie du dispositif d'affichage; - la figure 2 est une vue en coupe transversale selon la ligne 11-11, du dispositif d'affichage à une plus grande échelle; - la figure 3 est une vue en coupe transversale, selon la ligne 111-111 de la figure 1, d'un ensemble émetteur de champ de dispositif d'affichage - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un autre mode de réalisation de l'ensemble émetteur de champ; - la figure 5 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation du dispositif d'affichage; - la figure 6 représente une vue en coupe transversale selon la ligne Vl- Vl de la figure 5; - la figure 7 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation du dispositif d'affichage, et - la figure 8 est une vue en coupe transversale selon la ligne VIII-VIII de la figure 7. En référence aux figures 1 à 3, le dispositif d'affichage se compose d'un ensemble comportant une plaque supérieure 10 réalisée en une matière diélectrique, telle que le verre, qui est transparente à la lumière dans la partie visible du spectre. La plaque 10 a une épaisseur d'environ 1 mm. Une plaque inférieure 11, réalisée de préférence dans la même matière, ou dans une matière ayant une dilatation thermique similaire, s'étend parallèlement à la plaque supérieure 10. La plaque supérieure 10 est maintenue au-dessus de la plaque inférieure 11 par des parois périphériques 12, qui peuvent être formées par attaque à l'acide de la plaque inférieure. Ces parois 12 ont généralement une hauteur de 100 pm environ mais peuvent être plus petites. Elles sont soudées à la face inférieure de la plaque supérieure 10 pour former un ensemble clos. A l'intérieur de l'ensemble, la plaque supérieure 10 est supportée par des cloisons parallèles 13 placées à égale distance les unes des autres au travers du dispositif d'affichage pour le diviser en colonnes parallèles. Les cloisons 13 ne s'étendent pas complètement au travers du dispositif d'affichage mais sont séparées des parois périphériques 12 le long d'un côté par un étroit canal 14 qui permet la communication du gaz entre les différentes colonnes. Le dispositif d'affichage est également divisé en lignes parallèles par un nombre de barrières parallèles 15, perpendiculaires aux cloisons 13. Les barrières 15 sont plus basses que les cloisons 13 de sorte qu'il existe un petit espace entre le haut des barrières et la face inférieure de la plaque supérieure 10, comme le montre la figure 2. Ceci permet au gaz de circuler le long des colonnes du dispositif d'affichage. Les cloisons 13 et les io barrières 15 divisent la cellule en pixels ou cellules individuelles 2, d'environ 0.3 mrm2 chacune. La face inférieure de la plaque supérieure 10 est recouverte d'une couche diélectrique 16 qui réfléchit le rayonnement dans la partie UV et VUV du spectre mais qui est transparente à la lumière visible du bleu au rouge. De préférence, les cloisons 13 et les barrières 15 sont recouvertes d'une couche d'aluminium 17, qui réfléchit le rayonnement dans la partie UV et visible du spectre, de sorte que le rayonnement généré dans une cellule 2 n'est pas transmis aux cellules adjacentes. Les cloisons 13 et les barrières 15 peuvent également être rendues opaques au rayonnement par d'autres moyens. Une couche fluorescente 18 de substance luminophore est déposée sur la couche 17. Cette couche fluorescente 18 est réalisée en l'une des trois substance luminophores différentes qui émettent un rayonnement dans les parties rouge, bleue ou verte du spectre, les cellules 2 étant disposées le long de chaque ligne et de chaque colonne selon l'ordre rouge, bleu, vert. La couche fluorescente 18 se prolonge sur la face inférieure de la plaque supérieure 10 et sur la face supérieure de la plaque inférieure 11 dans les zones des plaques non occupées par les électrodes 20 et 21 du dispositif d'affichage. Les électrodes supérieures 20 sont des anodes obtenues par des pistes conductrices parallèles s'étendant de manière centrée sur la longueur de chaque colonne sur la face inférieure de la plaque supérieure 10. Chaque piste anodique 20 est de préférence formée par une couche de matière conductrice, telle que l'oxyde d'étain, I'oxyde indium-étain ou l'aluminium, assez mince pour être transparente au rayonnement visible. Les électrodes inférieures 21, représentées plus en détail sur la figure 3, sont des pistes cathodiques ménagées sur la surface supérieure de la plaque inférieure 11 et s'étendant orthogonalement par rapport aux pistes anodiques 20. Chaque piste cathodique est une mince couche émetteur de champ comprenant une bande 22 de silicium ou de métal, tel que le molybdène, pourvue de cônes verticaux 23. Les cônes sont formés par dépôt, attaque à l'acide, usinage ou toute autre technique similaire, et ont généralement une hauteur de 1-2 pm environ. Une couche gâchette 24 est disposée de manière adjacente aux cônes 23 et est séparée de la couche de silicium 22 par une couche isolante 25. Cette couche gâchette n'est pas toujours nécessaire, par exemple comme dans le cas o il y a un espace clos entre l'anode et la cathode. Les cônes 23 émergent et sont mis à découvert par des ouvertures 26 ménagées dans la couche gâchette 24. Ils peuvent être laissés en molybdène nu ou être recouverts d'une seconde matière permettant d'augmenter l'émission ou d'autres propriétés, telle qu'une couche de diamant polycristallin semi- conductrice ou une couche de diamant amorphe 27. Les sommets des cônes 23 agissent comme des formations microscopiques pour l'émission d'électrons libres. La couche de diamant présente une affinité électronique négative et un travail de sortie inférieur à celui de la matière du cône, ce qui augmente le pouvoir émissif des cônes. Une variante de structure émetteur de champ est représentée par la figure 4. Dans cette structure, le substrat 22' se compose d'une couche d'électrode métallique 23' et d'une couche semi-conductrice de diamant 27'. La surface de l'émetteur de champ est lisse, la propriété d'émission de champ étant obtenue uniquement par la nature émetteur de champ du diamant. D'autres matières ayant une affinité électronique négative peuvent également être utilisées. Dans ce cas, il n'y a pas de couche gâchette. Les pistes anodiques 20 et cathodiques 21 sont reliées à une unité d'adresse et de commande 30 traditionnelle. Comme les pistes anodiques 20 et cathodiques 21 sont ménagées à l'intérieur de chaque cellule, une tension peut être appliquée à n'importe quelle cellule 2 en alimentant en énergie la combinaison appropriée d'anode et de cathode. Le dispositif d'affichage et ses cellules 2 sont remplis avec un gaz inerte tel que le xénon ou un mélange de gaz tel que argon-xénon, néon-xénon, néon- argon-xénon. Le xénon génère des explosions intenses de rayonnement de 157 nm (c'est-à-dire dans le domaine VUV) quand il est excité dans une décharge de gaz. Une tension relativement basse comprise entre 30 et 100 V est appliquée à la cellule 2 choisie, qui fonctionne comme un dispositif à décharge de Townsend. La matrice émetteur de champ génère des électrons primaires, qui excitent le gaz par collision dans un plasma faiblement ionisé. Des atomes neutres sont ensuite excités par les particules du plasma pour émettre des rayons VUV. Les photons VUV entrent en collision avec la couche de substance luminophore 18 entraînant sa fluorescence à des longueurs d'ondes visibles, dans les parties du spectre rouge, verte ou bleue. Le mécanisme par lequel le rayonnement visible est généré est donc complètement différent de celui des dispositifs d'affichage antérieurs qui utilisent des émetteurs de champ o l'énergie des électrons générés est utilisée pour donner une cathodoluminescence par collision directe des électrons avec une couche de substance luminophore. La couche réfléchissante 16 sur la plaque supérieure 10, et la couche d'aluminium 17 sur les cloisons 13 et les barrières 15 aident à retenir le rayonnement VUV à l'intérieur des cellules 2 afin d'augmenter la probabilité de conversion photoluminescente dans la couche de substance luminophore 18. La face inférieure de la plaque inférieure 11 peut également comporter une couche réfléchissante 19 qui réfléchit à la fois le rayonnement VUV et visible qui monte dans la cellule superposée 2. Les configurations des cellules représentées dans les diagrammes ne sont pas nécessairement optima pour le rendement de couplage le plus élevé entre le rayonnement VUV et le revêtement de substance luminophore. D'autres configurations, qui tirent avantage de l'initiation du plasma émetteur de champ et de la structure à l'intérieur de la cavité de la cellule peuvent être déterminées empiriquement pour augmenter le rendement total de la conversion lumineuse des cellules. Le dispositif d'affichage selon la présente invention ne nécessite qu'une faible tension d'initiation et ne requiert donc que des circuits conducteurs de faible tension, qui peuvent être de coût inférieur, plus compacts, plus légers et avec une dissipation de chaleur plus faible que dans les dispositifs d'affichage à plasma traditionnels. Le dispositif d'affichage peut utiliser un gaz ou des mélanges de gaz optimisés pour une production d'UV élevée, tels que ceux comprenant du xénon. Comme le dispositif d'affichage peut fonctionner sous une pression relativement élevée (comprise entre 250-500 torr) par rapport aux dispositifs d'affichage à décharge traditionnels, ceci simplifie sa construction en ce qu'il n'est pas nécessaire d'aménager une structure et des soudures étanches capables de résister à un vide poussé. Le rendement du dispositif d'affichage pour convertir l'énergie électrique en énergie visible peut être très grand. De plus, il n'y a pas de retard dans le réchauffement comme dans les dispositifs à cathode froide traditionnels, et de ce fait le dispositif d'affichage est pratiquement instantané, et donc approprié à l'affichage d'images changeant rapidement. De nombreuses autres réalisations de dispositifs d'affichage sont possibles, telles que celle représentée par les figures 5 et 6. Dans ce dispositif, la plaque supérieure 110 comporte deux électrodes 120 et 120', qui sont des électrodes à courant alternatif l'une d'elles étant une anode et l'autre une cathode. Une cathode émetteur de champ 121 sur la plaque inférieure 111 est adjacente à une électrode gâchette 122. L'émetteur de champ commandé préionise le gaz pour permettre aux électrodes d'enflammer un plasma à une tension d'amorce plus faible que celle qui serait exigée autrement. Les électrodes pourraient être commandées à une tension juste au-dessous de ce qui est suffisant pour amorcer un plasma, de sorte que le plasma est produit quand l'émetteur de champ est alimenté en énergie. L'émetteur de champ commandé pourrait être également utilisé pour maintenir des densités de courant plus élevées dans une cellule à plasma, pour des pixels plus brillants ou une échelle de gris. Dans les réalisations des figures 7 et 8, deux électrodes émetteur de champ 221 et 221' sont montées sur la plaque supérieure 210 et sont commandées comme des électrodes à courant alternatif, I'une agissant comme une anode et l'autre agissant comme une cathode émetteur de champ. La présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit mais s'étend à toute modification et variante évidente pour l'homme du métier. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage par émission de rayonnement comprenant un ensemble étanche contenant un gaz ionisable, une couche fluorescente sur une partie de l'ensemble agencée pour convertir le rayonnement émis dans l'ensemble en rayonnement visible, au moins une première électrode agencée pour servir d'anode et au moins une seconde électrode agencée pour servir de cathode, caractérisé en ce que la cathode (21) comporte une source émetteur de champ (23, 27') qui provoque l'ionisation du gaz dans l'ensemble et la production d'un rayonnement. 2. Dispositif d'affichage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source émetteur de champ comporte plusieurs cônes (23). 3. Dispositif d'affichage selon la revendication 2, caractérisé en ce que les cônes (23) sont en silicium. 4. Dispositif d'affichage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une couche gâchette (24) adjacente à la source émetteur de champ (23). 5. Dispositif d'affichage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source émetteur de champ est obtenue par une matière (27, 27') ayant une affinité électronique négative. 6. Dispositif d'affichage selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite matière est du diamant. 7. Dispositif d'affichage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble comprend plusieurs cellules (2), et en ce qu'une cathode et une anode sont exposées à l'intérieur de chaque cellule de sorte que le gaz peut être ionisé dans chaque cellule. 8. Dispositif d'affichage selon la revendication 7, caractérisé en ce que les cellules (2) sont séparées les unes des autres par des cloisons (13) et des barrières (15) orthogonales aux cloisons, et en ce que les cloisons et les barrières sont opaques au rayonnement de sorte que le rayonnement produit dans une cellule (2) ne peut pratiquement pas entrer dans une cellule adjacente. 9. Dispositif d'affichage selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que des cellules (2) différentes comportent des couches fluorescentes (18) qui ont io une fluorescence de couleur différente. 10. Dispositif d'affichage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble comporte une plaque supérieure (10) et une plaque inférieure (11), en ce que la cathode (21) est ménagée sur la plaque inférieure, et en ce que la plaque supérieure est transparente au rayonnement visible et réfléchit le rayonnement UV et VUV.