Brevet FR2754358A1 — publié le 19980410

AFFICHEUR A CRISTAL LIQUIDE ET PROCEDE D'AFFICHAGE CORRESPONDANT La présente invention concerne unl dispositif d'affichage ou afficheur à cristal liquide et plus particulièrement un afficheur à cristal liquide présentant un mode de commutation dans le plan avec des microlentilles sur un substrat et une couche de filtre de couleur permettant d'améliorer la transmission de la lumière de l'afficheur. Les afficheurs à cristal liquide (LCD) trouvent diverses applications dues aux avantages uniques que constituent un poids faible et une petite taille. Un afficheur à cristal liquide classique comprend deux substrats. Un premier substrat comprend des électrodes de pixel et un second pixel comprend des contre-électrodes. Les premiers et seconds substrats sont posés l'un face à l'autre, et on insère du cristal liquide entre les deux. Dans les LCD classiques, l'alignement du cristal liquide est vertical par rapport au plan du substrat, en fonction de la direction du champ électrique appliqué. Ceci provoque unl problème d'angle de vision étroit dans les LCD classiques. Un LCD présentant un mode de commutation dans le plan (IPS, acronyme de l'anglais: In-Plane Switching) a été développé pour permettre de surmonter ce problème. Dans un LCD avec un mode IPS, on forme l'électrode de pixel et la contre- électrode sur le premier substrat. Dans ce cas, la direction du champ électrique entre ces électrodes est parallèle au plan du substrat. En conséquence, l'alignement du cristal liquide est aussi parallèle au plan du substrat, ce qui permet d'obtenir un angle de vision large. La description détaillée d'un afficheur à cristal liquide à mode IPS suit. La figure 1 est un vue perspective montrant la structure d'un afficheur à cristal liquide classique, à mode IPS. Sur un premier substrat 10, sont formées des lignes de bus de grille 1 1 dans une direction transverse, et des lignes de bus de source 15 dans une direction longitudinale. Une électrode de pixel en forme de I 17 est reliée à une électrode de drain d'un transistor en couche mince 14, qui est en contact électrique avec une ligne de bus de source 15 et une ligne de bus de grille 11. Une contre- électrode 12, formée sur le premier substrat 10 présente une forme rectangulaire et entoure l'électrode de pixel 17, comme représenté sur la figure 1. En conséquence, la direction du champ électrique est parallèle au plan du substrat. La contre-électrode 12 et l'électrode de pixel 17 sont réalisées dans un métal tel que de l'aluminium ou du chrome, au lieu d'oxyde d'étain et d'indium (ITO), du fait qu'un tel métal présente en général une résistance électrique inférieure à celle de I'ITO, ce qui facilite la formation du champ électrique, bien que la taille des électrodes soit plus petite que celles des électrodes des LCD classiques. On forme un film d'alignement sur la surface du substrat. :\1470(\1A14730 DO(( - 7 octobre 1997 -1I/11 La figure 2 est une vue en coupe transversale du LCD classique le long de la ligne II-II de la figure 1, et montre les éléments de la figure classique. La contre électrode 12 est formée sur le premier substrat 10 et est recouverte d'un film d'isolation 13, en utilisant par exemple du nitrure de silicium. Ensuite, la ligne de bus de source et l'électrode de pixel 17 sont formées, et on forme finalement un film d'alignement 28. Un second substrat 20 présente une couche de filtre de couleur 23 comprenant des filtres de couleur rouge (R), vert (G) et bleu (B). Une matrice noire 21 est formée entre les filtres de couleur. Une couche de couverture 25 est formée sur la couche de filtre de couleur 23, de sorte à protéger le cristal liquide contre la contamination par la matrice noire 21. Ensuite, un film d'alignement 28, utilisant par exemple de la polyamide est formé, de sorte à structurer le cristal liquide. Dans cette conception d'un LCD classique en mode IPS, la lumière incidente provenant de la source de lumière disposée derrière le second substrat est bloquée lorsqu'elle atteint les parties du premier substrat non transmissive. Les parties du premier substrat non- transmissives comprennent les lignes de bus, les électrodes de pixel 17, et les contre-électrodes 12, comme représenté sur la figure 2. Le LCD classique présente une transmittance à la lumière réduite, du fait que la lumière ne peut passer qu'à travers les portions transmissives des premiers substrats, qui sont entourés par des portions non transmissives. Diverses formes de portions transmissives peuvent être obtenues, en fonction de la combinaison d'électrodes de pixel et de contre-électrodes sur le premier substrat. Toutefois, il est inévitable qu'un LCD classique à mode IPS présente une transmittance faible, du fait de la sturcture intrinsèque du LCD classique, avec des portions non transmissives. En outre, du fait que dans un LCD classique à mode IPS, les contreélectrodes sont formées sur le premier substrat le long des électrodes de pixel, le taux d'ouverture du LCD est faible, et est d'environ 30 à 40%. En conséquence. la luminosité d'écran est sensiblement réduite. Ceci pose un problème, lorsqu'il est nécessaire de disposer d'une puissance supplémentaire pour augmenter la luminosité de l'écran, et compenser la réduction de la luminosité. Mais, une telle puissance supplémentaire augmente le poids du LCD. Un objet de la présente invention est de fournir un afficheur à cristal liquide qui permet de pallier les problèmes mentionnés ci-dessus, et d'autres problèmes des LCD classiques. Un autre objet de la présente invention est de fournir des modifications des couches de recouvrement du second substrat, pour former des microlentilles qui réfractent la lumière incidente, pour la faire passer à travers les portions transmettant R:\14700\14730DOC -7 octobre 1997 2/11I la lumière du premier substrat, sans qu'elle soit bloquée par les portions ne transmettant pas la lumière du premier substrat. Le domaine d'application de la présente invention apparaîtra en outre de la description détaillée qui suit. Il est clair que cette description détaillée et les exemples spécifiques, bien qu'ils indiquent des modes de réalisation préférés de l'invention, ne sont donnés qu'à titre d'illustration, du fait que diverses variations et modifications restant dans l'esprit de l'invention apparaîtront clairement à l'homme du métier, à la lecture de cette description détaillée. En bref, la présente invention concerne un dispositif d'affichage à cristal liquide, comprenant un premier substrat présentant une portion transmettant la lumière, et une portion ne transmettant pas la lumière, avec des électrodes de pixel et des contre-électrodes, un second substrat, et un cristal liquide entre les premier et second substrats, le dispositif comprenant une couche de focalisation formée sur le second substrat, en face de la portion ne transmettant pas la lumière du second substrat, de sorte à focaliser une lumière traversant la couche de focalisation sur la portion transmettant la lumière du premier substrat. En outre, la présente invention concerne un procédé de fonctionnement d'un dispositif d'affichage à cristal liquide comprenant un premier substrat présentant une portion transmettant la lumière et une portion ne transmettant pas la lumière, qui présente des électrodes de pixel et des contre-électrodes, un second substrat et un cristal liquide entre les premier et second substrats, le procédé comprenant les étapes de génération d'une lumière en utilisant une source lumineuse disposée derrière le second substrat, et de focalisation de la lumière générée traversant le second substrat sur la portion transmettant la lumière du premier substrat. Selon un mode de réalisation, l'indice de réfraction de la couche de focalisation est supérieur ou égal à 1,4. Dans un mode de réalisation, la lumière peut être dirigée vers les portions ne transmettant pas la lumière du premier substrat est réfractée et traverse les portions transmettant la lumière du premier substrat. Le dispositif peut présenter un mode de commutation dans le plan. La couche de focalisation peut comprendre des microlentilles formées sur le second substrat. Les microlentilles peuvent être reliées l'une à l'autre. Selon un mode réalisation, le dispositif peut comprendre en outre une seconde couche d'alignement formée sur les micro-lentilles. L'indice de réfraction de la couche de focalisation peut être supérieur à celui de la seconde couche d'alignement. R:\1470(\14730 DOC - 7 oclobre 1997 -3/I I Dans ce cas, les microlentilles sont de préférence convexes, avec une convexité dirigée vers le premier substrat. L'indice de réfraction de la couche de focalisation peut être inférieur à celui de la seconde couche d'alignement. Dans ce cas, les microlentilles sont avantageusement concaves avec une concavité dirigée vers le premier substrat. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comprend en outre: une matrice noire, formée sur le second substrat; et une couche de filtre de couleur formée entre les microlentilles et le second substrat. Selon un autre mode de réalisation préféré, le dispositif comprend en outre: un film d'isolation formé sur les contre-électrodes et sous les électrodes de pixel; des lignes de bus de source formées sur le film d'isolation; et un premier film d'alignement, formé sur le film d'isolation. Le procédé peut aussi comprendre les étapes de: - génération d'une lumière en utilisant une source lumineuse disposée derrière le second substrat; et - focalisation de la lumière traversant le second substrat sur la portion transmettant la lumière du second substrat. Ladite étape de focalisation peut comprendre les étapes de: formation de microlentilles sur le second substrat; et formation d'une couche d'alignement sur les microlentilles. L'indice de réfraction des microlentilles peut être supérieur à celui de la couche d'alignement. Les microlentilles peuvent alors être convexes avec une convexité dirigée vers le premier substrat. L'indice de réfraction des microlentilles peut être inférieur à celui de la couche d'alignement. Les microlentilles peuvent alors être concaves avec une concavité dirigée vers le premier substrat. Ladite étape de focalisation peut comprendre les étapes de: - réfracter la lumière dirigée vers les portions ne transmettant pas la lumière du premier substrat, de sorte que la lumière réfractée traverse les portions transmettant la lumière du premier substrat. La présente invention sera invention sera mieux comprise à la lecture de la description donnée ci-dessous et des dessins joints, fournis à titre d'illustration seulement, et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective montrant la structure d'un LCD classique avec un mode commutation dans le plan; R:\14700\14730.DOC - 7 octobre 1997 -4/11 I - la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un LCD classique présentant un mode de commutation dans le plan, le long de la ligne II-II de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un exemple d'un LCD présentant un mode de commutation dans le plan selon un mode de réalisation de la présente invention; et - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un autre exemple d'un LCD avec un mode de commutation dans le plan, selon un mode de réalisation de la présente invention. En référence aux figures, la figure 3 montre une vue en coupe transversale d'un LCD avec un mode de commutation dans le plan selon un mode de réalisation de l'invention. Comme représenté sur la figure 3, une matrice noire 121 et une couche de filtre de couleur 123 comprenant une pluralité de filtres de couleur sont formés sur un second substrat transparent 120. Ensuite, une couche de recouvrement 125 (couche de focalisation) est formée sur la couche de filtre de couleur 123. A cet instant, la couche de recouvrement 125 est structurée, de sorte à former des microlentilles qui sont convexes, avec une convexité dirigée vers un premier substrat transparent 110. Les microlentilles formées par la couche de recouvrement 125 sont reliées les unes aux autres. Le centre de chacune des microlentilles est sensiblement aligné avec le milieu des portions transmettant la lumière du premier substrat 110. Un film d'alignement 128 utilisant, par exemple, du polyamide est formé sur la couche de recouvrement 125. Dans ce cas, l'indice de réfraction du matériau de la couche de recouvrement est choisie plus élevé que celui du film d'alignement 128. Par exemple, l'indice de réfraction du matériau de la couche de recouvrement peut être supérieur ou égal à 1,4. Ainsi, lorsqu'une source de lumière est disposée derrière le second substrat 120, la lumière incidente approchant les portions ne transmettant pas lumière du premier substrat est réfractée vers le milieu des portions transmettant la lumière, lorsque la lumière provenant des microlentilles traverse le film d'alignement 128. En conséquence, la lumière incidente n'est pas bloquée par les portions ne transmettant pas la lumière du premier substrat 110. Les portions ne transmettant pas la lumière comprennent les électrodes de pixel 117, les lignes de bus de source 115 et les contre-électrodes 112. Les contre-électrodes 112 sont formées sur le premier substrat 110 et sont recouvertes d'un film d'isolation 113 utilisant par exemple de nitrure de silicium. Ensuite, les lignes de source 115 et les électrodes de pixel 117 sont formées, et un film d'alignement 128' est formé par-dessus. R \14700\14731 DOC( - 7 octobre.997 -5/I 1 Lorsque la lumière avec un angle d'incidence 01 traverse l'interface entre deux matériaux présentant des indices de réfraction différents, l'angle de réfraction 02 de la lumière dépend des valeurs des indices de réfraction, comme cela résulte de la loi de Snell: n2/nl = sin01/sin02 n2 et ni étant les indices de réfraction des deux matériaux. Ainsi, 02 n2 > ni, et 02 > 01 lorsquen2 En conséquence, le transmittance du LCD est améliorée par une sélection correcte appropriée de n1 et n2, et en structurant des microlentilles sur la couche de recouvrement, ces microlentilles présentant une forme convexe ou concave selon les indices de réfraction. La lumière incidente est réfractée par les microlentilles et traversent des portions transmettant la lumière sans être bloquées par les portions ne transmettant pas la lumière du premier substrat. La figure 4 montre une vue en coupe transversale d'un autre exemple d'un LCD présentant un mode de commutation dans le plan, selon un mode de réalisation de l'invention. Sur le second substrat 120, on forme une couche de filtres de couleur 123 comprenant une pluralité de filtres de couleur. Ensuite, on forme une couche de recouvrement 225 (couche de focalisation) sur la couche de filtres de couleur 123. Dans ce cas, la couche de recouvrement 225 est structurée de sorte à former des micro-lentilles avec une concavité dirigée vers le premier substrat 110. Les microlentilles formées sur la couche de recouvrement 225 sont reliées les unes aux autres. Le centre de chacune des microlentilles correspond sensiblement au milieu des portions transmettant la lumière du premier substrat 110. On forme ensuite sur la couche de recouvrement 225 un film d'alignement 228. utilisant par exemple du polyamide. Dans ce cas, l'indice de réfraction de la couche de recouvrement 225 est choisie de sorte à être inférieure à celui du film d'alignement 228. Ainsi, lorsqu'une source lumineuse est disposée derrière le second substrat 120, la lumière incidente qui pénètre dans le film d'alignement en provenance de la couche de recouvrement 225 est réfractée vers le milieu des portions transmettant la lumière du premier substrat. En conséquence, la lumière incidente n'est pas bloquée par les portions ne transmettant pas la lumière du premier substrat 110, ce qui augmente la transmittance de l'afficheur cristallique. Comme décrit ci-dessus, les contre-électrodes 112 de la figure 4 sont formés sur le premier substrat 110 et sont recouvertes par un film d'isolation 113. comprenant par exemple du nitrure de silicium. Ensuite, des lignes de bus de source et des électrodes de pixel 117 sont formées par-dessus, et on forme finalement un film d'alignement 228'. R:\14700\14730.DOC - 7 octobre 1997 - 6/ 11 Une couche de focalisation autre que la couche de recouvrement 125, 225 peut être structurée, et on peut introduire une couche supplémentaire pour former des microlentilles. En outre, différentes méthodes permettent de structurer la couche de focalisation. Par exemple une partie de la couche de recouvrement 125, 225 correspondant à la fois aux portions transmettant la lumière et aux portions ne transmettant pas la lumière du premier substrat peut être structurée pour former des microlentilles, la partie de la couche de recouvrement 125, 225 correspondant aux portions ne transmettant pas la lumière peut être structurée pour présenter une forme convexe ou concave, ou encore seule la partie de la couche de recouvrement 125, 225 correspondant aux portions ne transmettant pas la lumière peut être structurée pour former des microlentilles. En conséquence, la présente invention augmente sensiblement la transmittance d'un afficheur à cristal liquide, en prévoyant une couche de focalisation ou des microlentilles formée(s) avec les couches de recouvrement (par exemple les couches 125 et 225) et pallient les problèmes des LCD classiques à mode de commutation dans le plan. Bien que l'invention ait été écrite en référence de modes de réalisation particuliers, il est évident que de nombreuses alternatives et variations apparaîtront à l'homme du métier, à la lumière de la description qui vient d'être faite. R:\1470]\1473.' D)OC - 7 octobre 1997 - 7/11I REVENDICATIONS 1.-Un dispositif d'affichage à cristal liquide comprenant un premier substrat (110) présentant une portion transmettant la lumière, et une portion ne transmettant pas la lumière, qui comprend des électrodes de pixel (117) et des contre-électrodes (112), un second substrat (120) et un cristal liquide entre les premier et second substrats, le dispositif comprenant: - une couche de focalisation (125, 225) formée sur le second substrat, en face des portions ne transmettant pas la lumière du premier substrat, de sorte à focaliser une lumière traversant la couche de focalisation vers les portions transmettant la lumière. 2.- Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la couche de focalisation est supérieur ou égal à 1,4. 3.- Le dispositif selon la revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la lumière dirigée vers les portions ne transmettant pas la lumière du premier substrat (110) est réfractée et traverse les portions transmettant la lumière du premier substrat. 4.- Le dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il présente un mode de commutation dans le plan. 5.- Le dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche de focalisation (125, 225) comprend des microlentilles formées sur le second substrat. 6.- Le dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les microlentilles sont reliées l'une à l'autre. 7.- Le dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une seconde couche d'alignement (128, 228) formée sur les micro-lentilles. 8.- Le dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la couche de focalisation est supérieur à celui de la seconde couche d'alignement. R:\14700\14730.DOC - 7 octobre 1997 - 8/11 9.- Un dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les microlentilles sont convexes, avec une convexité dirigée vers le premier substrat. 10.- Le dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la couche de focalisation est inférieur à celui de la seconde couche d'alignement. 11.- Le dispositif selon l'une des revendications 5 à 8 ou 10, caractérisé en ce que les microlentilles sont concaves avec une concavité dirigée vers le premier substrat. 12.- Le dispositif selon l'une revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une matrice noire, formée sur le second substrat; et une couche de filtre de couleur (123) formée entre les microlentilles et le second substrat (120). 13.- Le dispositif selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un film d'isolation (113) formé sur les contre-électrodes (112) et sous les électrodes de pixel (117); des lignes de bus de source (115) formées sur le film d'isolation; et un premier film d'alignement (128', 228') formé sur le film d'isolation. 14.- Un procédé de fonctionnement d'un dispositif d'affichage à cristal liquide, comprenant un premier substrat (110) présentant des portions transmettant la lumière, et des portions ne transmettant pas la lumière, avec des électrodes de pixel (117) et des contre-électrodes (112); un second substrat (120), et un cristal liquide entre les premier et second substrats, le procédé comprenant les étapes de: - génération d'une lumière en utilisant une source lumineuse disposée derrière le second substrat; et - focalisation de la lumière traversant le second substrat sur la portion transmettant la lumière du second substrat. 15.- Le procédé de la revendication 14, caractérisé en ce ladite étape de focalisation comprend les étapes de: formation de microlentilles (125, 225) sur le second substrat (120); et formation d'une couche d'alignement (128, 228) sur les microlentilles. X\14730.1)OC( - 7 octobre 1997 -9/l I1 16.- Le procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'indice de réfraction des microlentilles est supérieur à celui de la couche d'alignement. 17.- Le procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que les microlentilles sont convexes avec une convexité dirigée vers le premier substrat (110). 18.- Le procédé selon la revendication 15 à 17 caractérisé en ce que l'indice de réfraction des microlentilles est inférieur à celui de la couche d'alignement. 19.- Le procédé selon la revendication 15 à 17 caractérisé en ce que l'indice de réfraction des microlentilles est supérieur à celui de la couche d'alignement. 20.- Le procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que les microlentilles sont concaves avec une concavité dirigée vers le premier substrat (110). 21.- Le procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'indice de réfraction des microlentilles est supérieur à celui de la couche d'alignement. 22.- Le procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'indice de réfraction des microlentilles est inférieur à celui de la couche d'alignement. 23.- Le procédé l'une des revendications 14 à 22, caractérisé en ce que ladite étape de focalisation comprend les étapes de: - réfracter la lumière dirigée vers les portions ne transmettant pas la lumière. du premier substrat, de sorte que la lumière réfractée traverse les portions transmettant la lumière du premier substrat. 14700\14730.DOC-7 octobre 1997- 10/11