Brevet FR2781305A1 — publié le 20000121

DISPOSITIF D'AFFICHAGE A TRES FAIBLE CONSOMMATION Domaine technique et art antérieur L'invention concerne un dispositif d'affichage mettant en oeuvre un liquide apte à absorber de la lumière, ce liquide étant introduit entre deux parois. Un tel dispositif d'affichage peut s'appliquer à de nombreux domaines; il peut en particulier être matriciel. On connaît des dispositifs d'affichage mettant en oeuvre des cristaux liquides (L.C.D., "Liquid Crystal Display"), notamment des dispositifs réflectifs de type "Guest Host", c'est-à-dire à colorant dichroique. Dans ce type de dispositif on réalise une modulation du coefficient d'atténuation ou d'absorption E, en fonction d'un champ électrique appliqué. Par exemple, lorsque le champ est appliqué, le coefficient d'absorption aoN a une valeur inférieure au coefficient d'absorption UOFF en l'absence de champ. L'épaisseur de la couche de cristal liquide est constante. L'utilisation de cette propriété dans les cristaux liquides "Guest Host" ne peut être réalisée de façon uniforme dans toutes les directions. Il en résulte une réduction du contraste visuel lorsqu'on regarde l'afficheur avec certains angles d'incidence. On notera également que ces dispositifs ne présentent pas simultanément un fort contraste avec une forte transmission. Cela est dû au fait que le colorant utilisé doit être orienté par le cristal liquide, et que l'absorption est anisotrope (ccl>c ). L'efficacité du colorant est de ce fait réduite d'environ moitié. Exposé de l'invention Il se pose donc le problème de réaliser un nouveau type de dispositif d'affichage. En particulier, il se pose aussi le problème de réaliser un dispositif d'affichage permettant d'utiliser des colorants isotropes. L'invention a pour objet un dispositif d'affichage comportant des parois transparentes, ou réflectrices, dont une au moins est un film ou une couche ou une couche mince, et un liquide absorbant ou très absorbant compris entre les parois. Les parois délimitent un volume ou une zone dans lequel ou laquelle la couche de liquide est contenue ou emprisonnée. Des moyens sont en outre prévus pour faire varier l'épaisseur de la couche de liquide entre les deux parois ou pour faire varier la distance entre les deux parois ou pour faire varier le volume ou la zone dans lequel ou laquelle le liquide est contenu ou emprisonné. Le caractère absorbant ou très absorbant du liquide est relatif à une certaine gamme spectrale. Ce liquide peut être un colorant organique ou un pigment, par exemple des particules en solution dans un liquide telles que des particules d'anthraquinone et/ou d'azoiques dans une solution aqueuse. La variation de distance ou d'épaisseur ou de volume provoque une variation de l'absorption à travers la couche, donc de transmission ou de réflexion, mais le coefficient d'absorption du liquide reste constant. Le dispositif comporte au moins une zone centrale, dite zone d'affichage, et au moins une zone latérale, dite zone de réserve du liquide. De plus, il peut comporter en outre pour chaque zone latérale, des moyens pour déformer une partie de l'une des deux parois constituée d'un film flexible ou d'une couche mince déformable, de manière à accroître le volume disponible pour le liquide entre la paroi déformée et l'autre paroi. L'absorption optique est proportionnelle au produit de l'épaisseur par le coefficient d'absorption. Si l'épaisseur change l'absorption optique change, quel que soit l'angle d'observation. La variation d'épaisseur entre les parois peut être obtenue par application d'une force électromécanique sur l'une d'entre elles au moins. Les moyens d'actionnement des parois peuvent être par exemple électromagnétiques ou électrostatiques. Pour des raisons de conservation du volume de liquide, on pourra stocker celui-ci, lors de la diminution de la distance ou de l'épaisseur ou du volume entre les parois, dans une ou plusieurs zones de réserve latérales. Pour des questions de dynamique, on préfère des zones de stockage miniaturisées et rapprochées d'une zone d'affichage dite zone d'affichage. Un système de microventouses permet la création de telles microzones de stockage. Un tel système présente un effet d'hystérèse particulièrement intéressant pour l'application envisagée, et qui permet de séparer physiquement la partie "actionneur" de la partie "fluide". Le système de microventouses est, par ailleurs, associé à des moyens de commande, par exemple des électrodes. Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels: - Les figures lA et 1B illustrent le principe de fonctionnement d'un dispositif d'affichage selon l'invention, - les figures 2A et 2B représentent un mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 représente la distance entre les électrodes des moyens de commande d'un dispositif selon l'invention, en fonction de la tension appliquée entre ces électrodes, - les figures 4A à 4F représentent des étapes de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Un afficheur selon l'invention met en oeuvre une variation de volume ou d'épaisseur d'une couche, ou d'une poche, contenant un liquide 6 absorbant ou très absorbant (figure 1A). Une variation d'épaisseur provoque une variation d'absorption à travers la couche 6, donc de transmission ou de réflexion. Il peut y avoir par exemple double trajet optique après renvoi par un miroir situé sous la couche 4. La couche de liquide 6 est comprise entre des parois 2, 4, qui sont transparentes ou réflectrices suivant le mode de fonctionnement choisi. En mode transmissif, les deux parois sont transparentes, en mode réflectif, au moins l'une des parois est transparente et l'autre est réflectrice (c'est-à-dire associée soit directement, soit indirectement à une couche réflectrice). Au moins l'une de ces couches, ou parois, peut subir une translation par rapport à l'autre paroi. C'est par exemple un film flexible ou une couche mince. Sur la figure lA, les parois 2, 4 sont constituées d'un matériau transparent. Elles sont représentées à l'état de repos: l'épaisseur E qui les sépare est assez importante, et il y a donc une forte atténuation d'un rayon 8 qui traverse la paroi 2 et la couche de liquide 6. A l'état activé ("ON") l'épaisseur e de la couche de liquide est ramenée à une valeur plus faible et le faisceau 8 peut traverser le dispositif d'affichage en étant moins atténué. La loi qui régit l'absorption de la lumière est exponentielle. Si on désigne par a le coefficient d'atténuation, ou d'absorption, du matériau 6 et par x la distance à traverser par un faisceau lumineux, on a: e-ax I-ex ou log - = -aXx I log- -c'.x o I désigne l'intensité du faisceau par rapport à son intensité initiale Io. On voit que si 1 pm de colorant dense ne laisse passer que 10% de la lumière, 0,1 pm du même colorant laisseront passer environ 81% de la lumière: si I1 = 0,1 = e-ax, alors: log 0,l=-xx, soit a=-2,302. Io Donc: Io0,1 =e-0,2302 =81% IO0 La variation de l'épaisseur entre les parois 2, 4 peut être obtenue par application d'une force électromécanique sur l'une d'entre elles au moins. Les moyens d'activation peuvent être électromagnétique ou électrostatiques. On va décrire ci-dessous un principe de microventouses, qui permet la création de microzones de stockage autour de la zone d'affichage du dispositif d'affichage, chaque zone d'affichage correspondant à un point image. Un tel dispositif est représenté sur les figures 2A et 2B (respectivement: état "OFF" et état "ON") Ce dispositif comporte une première et une deuxième parois transparentes 2, 4. Dans d'autres applications l'une ou l'autre de ces parois peut être réflectrice. Selon un mode de réalisation, la paroi 2 est en verre ou en plastique et la paroi 4 est en plastique ou est constituée d'une couche minérale (par exemple: nitrure de silicium). Ce dispositif comporte en outre une première et une deuxième électrodes 10, 16 localisées contre la paroi 4. Il comporte également une troisième et une quatrième électrodes 12, 14 localisées respectivement au regard de chacune des électrodes 10, 16. Ces électrodes peuvent être par exemple en métal, par exemple en aluminium. Les électrodes 10, 16 sont situées chacune dans un compartiment 18, 19, qui peut être éventuellement maintenu à pression réduite (c'est-à-dire inférieure à la pression atmosphérique ou à 1 bar, par exemple de l'ordre de quelques millibars ou de 1 millibar). Les espaces 18, 19 sont séparés par un film espaceur transparent 20 qui peut avoir la même composition que le film ou la couche 4. En fait, les espaces 18, 19 peuvent être réalisés dans ce film 20. Un joint d'étanchéité 24 délimite chaque point image. Un tel joint est constitué par exemple d'une résine organique photosensible, telle que celles utilisées pour le masquage en microélectronique. Enfin, l'ensemble du dispositif repose sur un substrat 22 (en plastique ou en verre), qui peut être éventuellement un miroir dans un mode de fonctionnement réflectif du dispositif. Les électrodes 12, 14 étant intercalées entre le film 20 et le substrat 22. Lors de l'application d'une tension aux électrodes 10, 12 et 14, 16 la zone d'affichage 30 du dispositif d'affichage, qui constitue le point image (figure 2B) voit son épaisseur ramenée à une valeur faible, selon le principe de fonctionnement du dispositif expliqué ci-dessus en liaison avec les figures lA et lB. La figure 3 représente l'évolution de la distance d entre les électrodes 10, 12 (et 14, 16) en fonction de l'application d'une tension entre ces mêmes électrodes. L'échelle des tensions peut être divisée en trois zones A, B, C. Le dispositif est en mode "OFF" lorsque les électrodes 10 et 12 (respectivement 14 et 16) sont soumises à une tension dans la région A. Le dispositif est en mode de fonctionnement ("ON") lorsque les électrodes sont soumises à une tension contenue dans la région C. Le dispositif est en position "OFF" ou "ON" en mode mémorisation lorsque les électrodes sont soumises à une tension comprise dans la région B. Autrement dit, le dispositif n'a pas de modification d'état. Ainsi, la structure de l'invention présente un fonctionnement bistable. Dans le mode représenté sur la figure 2B, on voit que l'application d'une tension aux électrodes 10, 12, 14, 16 conduit à la déformation de la paroi 4 dans les zones sur lesquelles sont fixées les électrodes. Il en résulte la formation de zones 38, 40 de stockage du fluide 6. Ce dernier est donc attiré dans les parties latérales du dispositif d'affichage, d'o une diminution de l'épaisseur de la zone d'affichage 30. La zone désignée sur la figure 2B par la référence 32 devient donc une zone d'absorption faible, délimitée par deux zones 34, 36 de concentration du fluide. Ainsi, il est réalisé un système de déformation de la paroi 4, de type "ventouse" Selon un mode de réalisation particulier, le film, ou la paroi, 2 peut avoir une épaisseur comprise entre quelques pm et 100 pm, tandis que le film, ou la paroi 4, a une épaisseur comprise entre 1 pm et quelques centaines de nm. Le colorant, quant à lui, voit son épaisseur varier de environ 1 pm ("OFF") à environ 100 nm (état "ON"). Les électrodes 10, 12, 14, 16 peuvent avoir une épaisseur typique de l'ordre de 100 nm. Les espaces 18, 19 ont une épaisseur comprise entre quelques pm et quelques dizaines de pm. La zone 20 a une épaisseur égale à celle des espaces 18, 19 augmentée de la somme des épaisseurs des électrodes 10, 12 (ou 14, 16). Le substrat 22 peut avoir une épaisseur de l'ordre de 1 mm. Quant au joint 24, il peut avoir, typiquement, une largeur de 10 pm et une hauteur égale à l'épaisseur du liquide 6 dans l'état "OFF" du dispositif. Les tensions appliquées sont comprises entre quelques volts et quelques centaines de volts, par exemple 300 volts, selon la rigidité et la dimension des parois 2, 4. La surface occupée par les "microventouses" est de préférence la plus faible possible par rapport à la surface du point image, car la transmission est limitée par la surface de ces microventouses (la zone latérale est inférieure d'environ 1/5 à 1/3 par rapport à la zone d'affichage) Les figures 4A à 4F représentent un mode de fabrication d'un dispositif selon l'invention. Dans une première étape (figure 4A) on procède au dépôt et à la gravure de murs 50, 52 en silice. Au milieu de la zone gravée est déposée, et gravée, une couche de titane 54. Eventuellement, une couche isolante 56 peut être déposée par dessus la couche en titane, pour permettre d'éviter des courts-circuits. Dans une deuxième étape (figure 4B) on dépose une couche sacrificielle 58 en tungstène, par dessus l'électrode 54. Cette couche est ensuite gravée (figure 4C) de manière à pouvoir, ensuite, réaliser une seconde électrode 62 en titane, partiellement ou complètement intégrée (figure 4D). On dépose ensuite une membrane 64 en nitrure, d'épaisseur environ 500 nm. Les électrodes 54, 62 ont une épaisseur d'environ 100 nm en ménageant (par exemple, par gravure) une ou plusieurs zones d'accès à la couche 58 (ces zones sont de préférence en dehors des zones latérales). On procède ensuite au retrait du tungstène par gravure chimique en phase liquide puis rebouchage des zones d'accès par un dépôt sous vide, par exemple de silice. L'épaisseur finale E de la chambre 56 ainsi formée est d'environ quelques pm, et le diamètre de la chambre est compris entre quelques dizaines et quelques centaines de pm. On procède ainsi à la réalisation d'une "microventouse" dont le mode de fonctionnement a été donné ci-dessus en liaison avec la figures 2B. Une structure matricielle des zones d'affichage séparées par des zones latérales peut être réalisée de la même manière selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage comportant: - deux parois (2, 4) transparentes ou réflectrices, l'une au moins des parois étant constituée d'un film flexible ou d'une couche mince déformable, - un liquide (6) absorbant la lumière, compris entre ces deux parois, - des moyens (10, 12, 14, 16, 18, 19) pour faire varier la distance entre les deux parois. 2. Dispositif selon la revendication 1, le liquide comportant un colorant organique ou un pigment en solution. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, les moyens pour faire varier la distance entre les deux parois étant électromagnétiques. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, les moyens pour faire varier la distance entre les deux parois étant électrostatiques. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comportant au moins une zone centrale (30), dite zone d'affichage, et au moins une zone latérale (34, 36), dite zone de réserve du liquide. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre pour chaque zone latérale des moyens (10, 12, 14, 16, 18, 19) pour déformer une partie de l'une des deux parois constituée d'un film flexible ou d'une couche mince déformable, de manière à accroître le volume disponible pour le liquide entre la paroi déformée (4) et l'autre paroi (2). 7. Dispositif selon la revendication 6, les moyens pour déformer une partie de l'une des deux parois comportant au moins un ensemble constitué d'une première et d'une deuxième électrodes (10, 12, 14, 16), séparées par une distance d variable. 8. Dispositif selon la revendication 7, la première électrode (10, 16) étant liée mécaniquement à la paroi constituée d'un film flexible ou d'une couche mince déformable et étant située dans une chambre (18, 19) à l'intérieur de laquelle elle peut se déplacer. 9. Dispositif selon la revendication 8, la deuxième électrode (12, 14) étant située en regard de la première électrode, mais sous la chambre (18, 19) à l'intérieur de laquelle la première électrode (10, 16) peut se déplacer.