Brevet FR2796489A1 — publié le 20010119

L'invention concerne un dispositif d'affichage à émission de champ comprenant un film de nanotube en carbone sur des électrodes formant cathodes de telle sorte que le film émet des électrons sous l'influence d'un champ électrique présent entre les électrodes formant cathodes et des électrodes de grille. La figure 1, annexée à la présente demande, représente un tube cathodique plat classique. Des cathodes linéaires 3 en tungstène en tant que source d'électrons thermoioniques sont placées sur un substrat 1. Des électrodes de balayage 7 et des électrodes de transfert de données 5 sont formées chacune sur une face d'une plaque 6 de verre comportant des trous traversants 13 situés aux emplacements des pixels. Les électrodes, auxquelles sont appliquées des tensions prédéterminées, transmettent sélectivement les électrons émis par la cathode linéaire 3 de sorte que les électrons sont accélérés en direction d'un écran 11 et rencontrent des substances luminescentes 10 disposées sur la surface intérieure de l'écran. Ici l'utilisation de cathodes linéaires 3 limite les dimensions de l'écran 11 du dispositif d'affichage étant donné que les cathodes linéaires en tungstène dans un dispositif d'affichage de grande taille sont plus susceptibles de vibrer, et par conséquent l'émission d'électrons par ces cathodes devient irrégulière. En outre la chaleur produite par la cathode linéaire peut amener la plaque 6 formant grille à électrodes à se déformer, ce qui conduit à des images d'affichage instables. ce dispositif ne montre pas l'utilisation d'un nanotube en carbone en tant que source d'électrons. En réalité un simple remplacement de cathodes linéaires par un nanotube en carbone est impossible étant donné que les cathodes doivent être chauffées pour émettre des électrons, alors que le nanotube en carbone émet des électrons lorsqu'il est soumis à un champ électrique ayant une certaine amplitude. L'utilisation d'un nanotube en carbone ou analogue a été suggérée dans le brevet US N' 5 726 524 au nom de Debe. La figure 3a de ce brevet montre l'utilisation d'une microstructure configurée sur une électrode de ligne, de sorte que, lorsqu'une tension est appliquée entre l'électrode de ligne et l'électrode de colonne, des électrons sont émis par la cathode pour éventuellement rencontrer la couche de substance luminescente en-dessous des électrodes de colonne. Un inconvénient de cette structure réside dans le fait qu'un potentiel à haute tension ne peut pas être appliqué étant donné que l'on sait parfaitement que la différence entre les électrodes de transmission de signal ne dépasse pas 300 V au mieux. En d'autres termes, la différence de tension maximale est égale à 600 V. Cette exigence est la cause d'une faible luminosité et d'une courte durée de vie. Dans une autre structure de dispositif d'affichage à émission de champ représenté sur la figure 3b de ce document, on utilise des électrodes commandées et des cathodes à micro-pointes auxquelles des signaux de commutation sont appliqués, et des électrons émis sont accélérés en direction de l'écran pourvu d'une substance luminescente, au moyen d'une haute tension constante d'une valeur correspondant à un potentiel aussi élevé que 4 kV au niveau de l'anode. Cependant une telle structure de dispositif d'affichage à émission de champ requiert un processus compliqué de fabrication d'un film mince consistant à déposer de façon répétée un matériau sur un substrat et former par attaque chimique une configuration prédéterminée correspondant à des pixels de manière à faire croître des électrodes de commande et des cathodes sur le même substrat. Un but de la présente invention est de permettre la réalisation d'un dispositif d'affichage à émission de champ à grand écran de manière à obtenir une émission stable d'électrons sur la base d'une nouvelle structure de dispositif d'affichage à émission de champ d'un tel dispositif comprenant un nanotube en carbone en tant que source d'électrons. Un autre but de l'invention est de fournir un dispositif d'affichage à émission de champ à grand écran devant être réalisé sans la mise en oeuvre d'un processus compliqué de l'art antérieur, grâce à l'utilisation séparée d'une couche de cathode et d'une couche de grille. Ce problème est résolu à l'aide d'un dispositif d'affichage à émission de champ, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat de base, sur une surface duquel sont formées des électrodes formant cathodes et un film de nanotube en carbone, une plaque formant grille comportant des trous traversants et un ensemble d'électrodes de grille en forme de bandes parallèles les unes aux autres, la plaque formant grille étant située à distance du substrat de base. Selon une autre caractéristique de l'invention, le film de nanotube en carbone est formé sur la surface desdites électrodes formant cathodes. Selon une autre caractéristique de l'invention, le film de nanotube en carbone est entouré par l'électrode formant cathode. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte en outre des entretoises situées entre le substrat de base et la grille. Selon une autre caractéristique de l'invention, chacune desdites électrodes formant cathodes se présente sous la forme d'une bande. Selon une autre caractéristique de l'invention, la direction desdites électrodes formant cathodes en forme de bandes est perpendiculaire à la direction desdites électrodes de grille de telle sorte que les zones de croisement entre les électrodes formant cathodes et les électrodes de grille constituent des pixels dans ledit dispositif d'affichage à émission de champ. Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif comporte en outre des moyens résistifs situés entre chacune des électrodes formant cathodes et le film de nanotube en carbone. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1, dont il a déjà été fait mention, représente une structure de tube cathodique plat classique; - la figure 2 représente une coupe transversale d'un dispositif d'affichage à émission de champ selon une première forme de réalisation de la présente invention; - la figure 3 représente une vue éclatée d'un dispositif d'affichage à émission de champ selon une première forme de réalisation de la présente invention; - la figure 4 représente une vue éclatée d'un dispositif d'affichage à émission de champ selon une seconde forme de réalisation de la présente invention; - la figure 5 représente une vue éclatée d'un dispositif d'affichage à émission de champ conformément à une troisième forme de réalisation de la présente invention; et - la figure 6 représente une vue éclatée d'un dispositif d'affichage à émission de champ conformément à une quatrième forme de réalisation de la présente invention. Les figures 2 et 3 représentent une forme de réalisation de la présente invention dans un dispositif d'affichage à émission de champ. Le dispositif d'affichage à émission de champ selon l'invention est constitué par un substrat 41, une plaque formant grille 46 et un substrat formant écran 51. Une pluralité d'électrodes formant cathodes 42 en forme de bande 52 sont formées dans la direction Y sur la surface supérieure du substrat 41, et des matériaux 43 produisant une émission de champ sont déposés sur les électrodes formant cathodes 42 dans des positions de pixels. La plaque de grille 46 est définie ici comme une plaque qui est séparée physiquement de la plaque de base 41 de telle sorte que l'électrode de grille 45 située sur la face intérieure de cette plaque est distante de n'importe quelle partie du substrat de base 41 incluant n'importe quelle couche fixée sur la surface supérieure de ce substrat. Ceci diffère d'un dispositif d'affichage à émission de champ de l'art antérieur, dont les électrodes de commande sont solidaires du substrat, étant donné qu'elles sont déposées sur une couche isolante qui est également superposée aux électrodes formant cathodes. La plaque formant grille 46 possède une pluralité de trous traversants 52 situés aux emplacements qui correspondent aux pixels. Les trous traversants 52 peuvent être formés par photolithographie dans la plaque formant grille formée d'un verre photosensible. Sur la surface inférieure de la plaque sont formées une pluralité de premières électrodes de grille 45 en forme de bande dans la direction X, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction Y. Une pluralité de secondes électrodes de grille 47 sont formées facultativement sur la surface supérieure de la plaque 46 formant grille. Ici les secondes électrodes formées des deux côtés d'une rangée de trous traversants 52 agissent en formant un couple servant à dévier le trajet d'électrons sortant des trous traversants de manière que ces électrons rencontrent une structure de substance luminescente désirée 50 située sur la plaque formant écran 51. Les secondes électrodes 47 sont utiles pour l'obtention d'un affichage de haute résolution étant donné que la fabrication requiert un pas de répartition minimum des trous et par conséquent ne peut pas avoir un nombre suffisant de trous égal au nombre de pixels. Avec des électrodes de déviation, un faisceau d'électrons sortant d'un seul trou traversant peut être dévié sélectivement de manière à rencontrer l'une de plusieurs substances luminescentes, c'est-à-dire trois substances luminescentes. Des entretoises 49 sont disposées entre la plaque formant grille 46 et la plaque formant écran 51 pour maintenir un intervalle prédéterminé entre les deux plaques, à l'encontre de la pression atmosphérique. Un avantage de la présente invention réside dans la commodité de formation de cathodes 42 et d'un matériau 43 d'émission d'électrons sur la surface supérieure de ces cathodes. On se rappellera qu'il n'est pas nécessaire de former une couche isolante et d'appliquer une attaque chimique à des parties prédéterminées de cette couche pour former une structure d'émission d'électrons à micro-pointes comme cela est requis dans l'art antérieur. Le matériau, qui émet des électrons, est de préférence un nanotube en carbone. On peut voir que les électrodes formant cathodes peuvent être formées par simple application par impression d'un matériau métallique sur un substrat et d'un matériau d'émission d'électrons directement sur la surface de ce substrat. De la même manière on peut former des électrodes de grille, c'est-à-dire des électrodes de transmission de signaux de balayage, sur une surface d'une plaque formant grille au moyen d'un procédé d'impression. Les électrodes formant cathodes 42 et les électrodes de grille 45 peuvent fonctionner en tant qu'électrodes de transfert de données et électrodes de transfert de signaux de balayage respectivement dans un système de commande matricielle. Naturellement on peut utiliser d'autres procédés connus comme par exemple un dépôt en phase vapeur. La plaque 46 formant grille et la plaque de substrat 41 sont fabriquées de façon indépendante. Etant donné que dans la présente invention on utilise en outre un nanotube en carbone en tant que source d'émission d'électrons, le dispositif d'affichage à émission de champ selon l'invention est plus fiable et possède une luminosité plus uniforme que celle du tube cathode plat comportant des cathodes linéaires en tungstène, décrit précédemment. En fonctionnement, le signal de données et le signal de balayage sont appliqué respectivement aux électrodes formant cathodes 42 et aux électrodes de grille 45. Dans les positions des pixels, qui sont fondamentalement situés au niveau des intersections des électrodes, un champ électrique est produit dans le cas où il existe une différence de potentiel de tension entre les deux électrodes actives qui se croisent. En réponse à une différence de tension dépassant une certaine amplitude, le nanotube en carbone émet des électrons. Etant donné que la plaque 46 formant grille et la plaque de base 41 sont placées à proximité directe l'une de l'autre, à une distance de l'ordre de 30-200 Mm, un signal de basse tension peut être utilisé pour produire un champ électrique suffisant pour que des électrons soient émis par la couche du nanotube en carbone. Une telle distance peut être maintenue par des entretoises 44 formées au moyen d'un procédé connu d'impression. ces électrons traversent les trous traversants 52 formés dans la plaque formant grille 46 et sont accélérés par la tension d'anode appliquée entre la plaque formant grille et l'écran 51 pourvu d'une substance luminescente de manière à finalement rencontrer une couche de substance luminescente 50 déposée sur la surface inférieure de la plaque formant écran, ce qui conduit à une émission de lumière au niveau de pixels correspondants. Les secondes électrodes de grille 47 situées sur la surface supérieure de la plaque formant grille ont pour fonction de dévier les électrons, de sorte que les électrons atteignent des emplacements désirés de la substance luminescente. Bien que dans la description de cette forme de réalisation, on a indiqué que les signaux de données sont appliqués aux électrodes formant cathodes 42 et que les signaux de balayage sont appliqués aux électrodes 45 de grille, il apparaîtra à l'évidence au spécialiste de la technique qu'il est possible d'effectuer une permutation de ces dispositions moyennant des modifications secondaires et que par conséquent la description détaillée n'en sera pas donnée ici. D'autre part, pour obtenir une luminosité désirée il faut appliquer une différence de potentiel de tension plus élevée entre les électrodes 45 de grille et la plaque formant écran 51. Cette exigence requiert qu'il existe une distance plus importante entre la grille 46 et l'écran 51 qu'entre la grille 46 et le substrat 41. Des entretoises élancées 49 peuvent être prévues entre les plaques, au moyen d'une liaison anodique. Sinon on peut insérer des entretoises dans la plaque 46 formant grille, pour garantir la stabilité. La figure 4 représente une seconde forme de réalisation de la présente invention. Elle diffère de la première forme de réalisation en ce que les secondes électrodes de grille situées sur la surface de la grille se présentent sous la forme d'un film 67 recouvrant toute la surface à l'exception des trous traversants 52. Cette forme de réalisation convient pour l'affichage avec une faible résolution, qui ne nécessite pas une déviation des électrons. Dans cette forme de réalisation, les secondes électrodes assument une fonction d'accélération et de focalisation des faisceaux d'électrons. La figure 5 représente une troisième forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle il est plus facile d'imprimer le matériau émettant les électrons dans le substrat de base 41 étant donné qu'il se présente sous la forme d'un film 83 qui est disposé sur l'ensemble du substrat de base 41 qui est entouré par une électrode formant cathode 82 et par conséquent ne requiert pas un processus compliqué de structuration du matériau sous la forme d'une structure en bandes. Pour une commande matricielle, on peut appliquer des signaux de données et des signaux de balayage respectivement aux premières 45 et secondes 87 électrodes de grille, alors que la couche de cathode est maintenue au potentiel de masse. La figure 6 représente une quatrième forme de réalisation de la présente invention. La quantité d'électrons émis sous l'action d'un champ électrique dépend fortement de facteurs tels que la configuration de surface d'un matériau de cathode et de la distance aux électrodes d'extraction. Ainsi il est difficile d'obtenir une émission uniforme d'électrons à partir de l'ensemble des pixels. on sait que le fait de prévoir une résistance entre la cathode et le matériau émetteur facilite l'obtention d'une émission uniforme d'électrons. Chaque zone, sur laquelle est imprimé un nanotube en carbone 105, au niveau des emplacements de pixels est couplée à des électrodes formant cathodes 102 par l'intermédiaire de moyens résistifs 103, de sorte qu'une réduction de l'émission d'électrons à partir de ces pixels, qui sinon émettraient un plus grand nombre d'électrons que d'autres est supérieure à celle de pixels qui sinon réaliseraient une émission moins importante. Avec une résistance 103 disposée entre la cathode 102 et le nanotube en carbone 105, l'émission d'électrons au niveau des pixels devient maintenant uniforme entre tous les pixels. En d'autres termes les pixels possèdent une luminosité uniforme. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage à émission de champ, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat de base (41), sur une surface duquel sont formées des électrodes formant cathodes et un film de nanotube en carbone, une plaque formant grille (46) comportant des trous traversants (52) et un ensemble d'électrodes de grille (45) en forme de bandes parallèles les unes aux autres, la plaque formant grille étant située à distance du substrat de base (41). 2. Dispositif d'affichage à émission de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film de nanotube en carbone est formé sur la surface desdites électrodes formant cathodes. 3. Dispositif d'affichage à émission de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que le film de nanotube en carbone est entouré par l'électrode formant cathode (42). 4. Dispositif d'affichage à émission de champ selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des entretoises (44) situées entre le substrat de base (41) et la grille (46). 5. Dispositif d'affichage à émission de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites électrodes formant cathodes (42) se présente sous la forme d'une bande. 6. Dispositif d'affichage à émission de champ selon la revendication 5, caractérisé en ce que la direction desdites électrodes formant cathodes (42) en forme de bandes est perpendiculaire à la direction desdites électrodes de grille (45) de telle sorte que les zones de croisement entre les électrodes formant cathodes et les électrodes de grille constituent des pixels dans ledit dispositif d'affichage à émission de champ. 7. Dispositif à émission de champ selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens résistifs (103) situés entre chacune des électrodes formant cathodes (102) et le film de nanotube (105) en carbone.