Brevet FR2822282A1 — publié le 20020920

ECRAN PLAT A VALVES DE-LUMIERE La présente invention a pour but un nouvel écran plat à valves de lumière. Elle trouve une application notamment dans les écrans de télévision, d'ordinateur, de téléphone portable, de projection ou tout produit qui utilise un écran de visualisation. Les valves à cristaux liquides sont très utilisées pour les écrans plat, en mode transmissif, ou en mode réflectif. Elles présentent trois difficultés majeures : La première est leur temps de réaction qui est relativement long. De ce fait, dès qu'il faut visualiser des images du type vidéo, l'adressage de l'écran impose l'utilisation de transistors en couches minces, ce qui constitue le second handicape. Enfin, la lumière doit passer au travers d'un polariseur et d'un analyseur, ce qui réduit considérablement leur rendement lumineux. Depuis longtemps, on a essayé d'obstruer la lumière par des dispositifs électrostatiques. Les brevets 5,405, 40, et 5,393, 710 proposent d'utiliser des petits éléments qui sous des forces électrostatiques se déplacent et obstruent une fenêtre. Cette solution fonctionne mal, car les forces électrostatiques plaquent les éléments mobiles sur les électrodes, et freinent donc leur déplacement. D'autres idées utilisant des particules solides immergées dans un liquide, et se déplaçant sous l'effet des charges électrostatiques ont été proposées, comme par exemple la publication présentée à la conférence SID de 1998 papier 44, 3L"A printed and rollable Bistable Electronic Display."Toute solution utilisant des liquides sont limitées par le temps de réponse de la cellule. Une autre solution utilisant des micro-rubans que l'on déforme sous l'effet de forces électrostatiques ont été proposées au SID 98 sous le titre"Grating Light Valve". Le temps de réponse des micro-ruban est très court, de l'ordre de quelques nanosecondes. Lorsque les microrubans sont déformés, ils forment un réseau de diffraction de la lumière. Cette solution réflective, est difficilement applicable pour faire des écrans de grande taille. Il en est de même de la solution proposée par Texas Instrument, dite (DMD) comme "Digital Micromirror Device"en terminologie anglo saxone, qui utilise des micro miroirs que l'on incline par des forces électrostatiques. Si ces technologies donnent satisfaction à certains égards aucune d'entre elle ne permet de faire toutes les tailles d'écrans comprises entre quelques millimètres de diagonale pour des pupilles de projection, et plus d'un mètre de diagonale pour des écrans de visualisation difficilement accessibles aux matrices actives comme les LCD, en mode transmissif, ou en mode réflectif, soit à cause de la complexité des dispositifs, ou de leurs caractéristiques comme les DMD par exemple qui sont obligatoirement fabriqués sur une tranche de silicium, et qui ne fonctionnent qu'en mode réflectif. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients, en proposant un écran plat, formé de valves de lumière, ayant un temps de réaction très court, qui n'utilise pas de matrice active, qui peuvent fonctionner en mode transmissif, ou en mode réflectif, et qui peuvent couvrir une large gamme dimensionnelle. A cette fin, l'invention propose un écran plat qui utilise des valves de lumière constituées par des volets qui tournent d'un angle pouvant atteindre 90sous l'effet de forces électrostatiques, afin soit d'obstruer ou de réfléchir la lumière lorsqu'ils sont plaqués sur la surface transparente constituant le plan de l'écran, soit de laisser passer la lumière, lorsque leur plan est perpendiculaire à celui de l'écran. Afin de tourner rapidement, les volets sont très souples et très légers. Ils n'ont aucune rigidité naturelle qui leur permettrait de bien plaquer sur la surface de l'écran, mais grâce à des forces électrostatiques, les volets épousent la surface sur laquelle ils sont plaqués. Les forces électrostatiques sont générées par les potentiels appliqués à deux électrodes, en combinaison avec la polarité des volets. La première électrode étant située sur le plan transparent de l'écran, la seconde étant située dans un plan perpendiculaire. Cette dernière électrode, commande deux volets simultanément situés de part et d'autre de cette électrode. Afin de minimiser les effets de viscosité gazeuse, les volets peuvent être dans un environnement gazeux, de pression inférieure à la pression atmosphérique. L'organisation matricielle des volets et les tensions utilisées selon l'invention, permettent d'ouvrir certains pixels, et en même temps de refermer certains autres. La structure de l'écran selon l'invention, permet de faire les niveaux de gris, soit par une modulation de la surface des pixels, soit par un adressage temporel, soit par une combinaison des deux moyens. De façon précise, l'invention a pour objet un écran plat transmissif ou réflectif, constitué de valves de lumière comprenant des volets rotatifs, qui sont soit plaqués par des forces électrostatiques sur un plan transparent de l'écran, soit plaqués par des forces électrostatiques sur une électrode perpendiculaire au plan de l'écran. Les volets pouvant tourner d'un angle inférieur ou égal à 90 . Un pixel de l'écran est constitué de plusieurs cellules, chacune d'elle comprenant une électrode perpendiculaire, et deux volets situés de part et d'autre de cette électrode ainsi que deux électrodes dans le plan de l'écran, situées symétriquement par rapport à l'électrode perpendiculaire. La rotation des volets peut se faire en un temps de l'ordre de une à quelques microsecondes. Pour ce faire, les volets sont réalisés en un matériau léger comme de l'aluminium ou du titane par exemple, ont une épaisseur comprise entre 300AO et quelques milliers d'Ao,, et peuvent avantageusement être tenus par des bandes de torsion, connues de l'homme de l'art. Les forces élastiques générées par la rotation des volets, sont très faibles, et pratiquement négligeables devant les forces électrostatiques de commande. La dynamique de mouvement des volets, n'utilise donc pas les forces de rappel élastiques des volets. Afin d'éviter les effets de viscosité gazeuse, les volets peuvent selon l'invention être dans un environnement de gaz raréfié, sous une pression comprise entre la pression atmosphérique et 1/1000sème de la pression atmosphérique. Pour ce faire, un second substrat transparent recouvre le haut des électrodes perpendiculaires. Un cordon périphérique deux substrats transparents, entre lesquels on pratique une dépression. En mode transmissif, on utilise une source de lumière. La lumière est soit obstruée par les volets lorsqu'ils sont situés dans le plan du substrat transparent, soit traverse les deux substrats lorsque les volets sont plaqués contre les flancs de l'électrode perpendiculaire. En mode réflectif, les volets renvoient la lumière ambiante au travers d'un filtre coloré, ou d'une couche colorée directement déposée sur les volets, lorsqu'ils sont dans le plan du substrat transparent, soit, laissent passer la lumière ambiante qui sera absorbée par une couche noire et non réfléchissante déposée sur la surface du second substrat lorsqu'ils sont plaqués contre l'électrode perpendiculaire. Les volets présentent une très faible rigidité, mais couvrent parfaitement la surface transparente qu'ils doivent obstruer, ou réfléchissent la lumière au travers de cette surface, grâce aux forces électrostatiques qui les plaquent contre cette surface. Il en est de même lorsque les volets sont plaqués sur les électrodes perpendiculaires. Selon une structure optimisée de l'invention, les volets sont connectés à des couches conductrices qui forment des colonnes, les électrodes situées dans le plan de l'écran, de part et d'autre des électrodes perpendiculaires sont réalisées en matériau conducteur transparent, comme l'ITO (indium tin oxyde en langage anglo-saxon), ces électrodes formant les lignes. Les électrodes perpendiculaires sont en métal, et forment un second ensemble de lignes. Les volets sont tenus en position fermée ou ouverte, par une différence de potentiel entre les électrodes fixes (lignes ITO ou électrodes perpendiculaires) et le volet conducteur. Lorsque l'on commande la rotation d'un volet, on annule cette différence de potentiel, ce qui annule les forces de maintien, et on applique une différence de potentiel suffisante entre le volet et l'électrode opposée pour le faire tourner. Les tensions de maintien sont beaucoup plus petites que celles requises pour la rotation. Grâce à une combinaison de tensions optimisée selon l'invention, on peut ouvrir des volets de pixels sur une ligne et refermer en même temps des volets d'autres pixels situés sur une autre ligne. Pour obtenir les niveaux de gris, on peut avec l'écran selon l'invention, soit ouvrir une partie des volets d'un même pixel, réalisant ainsi les niveaux de gris par une surface ouverte plus ou moins grande, soit refermer les volets après un temps d'ouverture plus ou moins long, soit une combinaison des deux moyens. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention, apparaîtront mieux après la description qui suit, donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés, sur lesquels : ---La figure 1 montre la coupe d'une cellule élémentaire selon l'invention. ---La figure 2 montre la coupe d'un écran transmissif, avec des cellules montrant différentes positions des volets. ---La figure 3 montre la coupe d'un écran en mode réflectif ---a figure 4 montre une structure de valve à rotation rapide ---La figure 5 montre un exemple d'interconnexions ---La figure 6 montre le schéma d'un volet ---La figure 7 montre les angles de vue de l'écran. La figure 1 montre la coupe d'une cellule élémentaire. Sur un substrat transparent (100) qui peut être du verre ou une feuille de plastique transparent, on trouve une électrode métallique (102) perpendiculaire au plan (100). Sa largeur est comprise entre 0, 3pm et quelques microns, et sa hauteur de 1 um à 10um. Les flancs de cette électrode sont recouverts d'une couche diélectrique. De chaque coté de l'électrode (102), on trouve symétriquement une paire d'électrodes transparentes (104) et (105) sur le plan (100). Ces électrodes sont faites en un matériau transparent et conducteur, comme de l'oxyde d'étain par exemple. Elles sont recouvertes d'une couche isolante. On trouve les volets (103) situés également symétriquement par rapport à l'électrode (102), dont l'articulation est située proche de l'angle entre l'électrode perpendiculaire (102), et le substrat (100). Ces volets sont réalisés en couche mince d'un matériau léger, comme de l'aluminium ou du titane par exemple. L'ensemble est recouvert d'un second substrat (101) également transparent, qui s'appuie sur le haut des électrodes (102). Les substrats (100) et (101) sont assemblés à la périphérie de l'écran par une résine d'assemblage par exemple. Afin de ne pas freiner la rotation des volets, on pratique un vide partiel dans le volume (106) compris entre les substrats (100) et (101). Ce vide peut être compris la pression atmosphérique et 1/1000"m'de la pression atmosphérique. La figure 2 montre un ensemble de cellules. Nous montrons les deux états stables des volets : les volets (103a) qui sont ouverts, permettant à la lumière de traverser les deux substrats (100) et (101), et les volets (103b) qui sont fermés, obstruant le passage de la lumière. La cellule élémentaire de valve de lumière, comprend donc une électrode perpendiculaire (102), deux volets symétriques rotatifs (103), et deux électrodes coplanaires (104) et (105) qui sont reliées entre elles. Un pixel est constitué de plusieurs de ces cellules élémentaires. La figure 3 montre la coupe d'une cellule d'un écran en mode réflectif. Sur le substrat (101) qui peut dans ce cas être opaque, on trouve une couche noire (302) antiréflexive. Sur le plan (100) on trouve un filtre coloré (301). Ce filtre coloré peut également se trouver directement sur la surface des volets (103). Lorsque les volets sont fermés, ils réfléchissent la lumière ambiante qui se colore au travers des filtres colorés. Lorsque les volets sont ouverts, alors la lumière ambiante pénètre dans la cellule, et se trouve absorbée par la couche (302). La cellule apparaît alors comme un point noir. La figure 4 montre la coupe d'une structure permettant une rotation très rapide des volets. On a ajouté aux structures décrites précédemment, une base de section triangulaire (400) sous les électrodes (105) et (104) qui permet de rehausser les volets en position fermée. Le chemin à parcourir par les volets est réduit à un angle de rotation inférieur à 90 , par exemple 60'ce qui permet un temps d'ouverture plus rapide, sans affecter d'une façon significative le rendement lumineux de la structure. La base (400) est constituée d'une matière transparente que l'on peut avantageusement mouler sur le substrat (100). La figure 5 montre en vue de face une organisation matricielle de l'écran. Les colonnes (Cl à Cn) sont reliées aux volets (103). Les électrodes perpendiculaires (102) forment un premier réseau de lignes (Ll à Lm). Les électrodes (104) et (105) sont reliées entre elles par groupe, pour former un second réseau de lignes (11 à lm) Il existe plusieurs combinaisons pour adresser l'écran. Nous en proposons une à titre d'exemple. On suppose que tous les volets sont fermés. On applique une tension de quelques dizaines de volts, disons 20 volts sur l'ensemble des colonnes (Cl à Cn), 15 volts sur l'ensemble des lignes (11 à lm), et enfin 0 volts sur l'ensemble des lignes (Ll à Lm). En position fermée, la différence de potentiel de 5 volts entre les colonnes et les lignes (11 à lm), fournit une force de plaquage des volets sur les électrodes (105) et (104) bien plus importante que la force d'attraction des volets par les électrodes perpendiculaires (Ll à Lm). Les volets restent donc plaqués sur les électrodes (105) et (104). Si sur une colonne que l'on veut adresser, on monte la tension à 25V, et sur une des lignes (11 à lm) on monte la tension également à 25volts, la différence de potentiel entre les électrodes (104), (105), et les volets (103) étant égale à zéro, les volets qui sont à un potentiel de 25 volts seront attirés par les électrodes perpendiculaires (lignes Ll à Lm) qui sont à un potentiel nul. Le choix de l'ouverture d'un pixel, s'effectue donc par un adressage des colonnes (Cl à Cn), et un balayage des lignes (11 à lm). Une fois les volets ouverts, la tension sur les colonnes donc sur les volets, redescend à 20 volts, la tension sur les électrodes perpendiculaires étant de 0 volts, les volets sont bien maintenus ouverts par une différence de tension de 20 volts. Pendant un temps trame, on ouvre les volets à des temps variables, afin de réaliser les niveaux de gris. On referme ensuite les volets ligne par ligne, tout en continuant d'ouvrir d'autre volets. Pour ce faire, on applique à la ligne que l'on veut refermer, comprise entre (Ll et Lm) une tension à deux niveaux, 20 volts et 25 volts, sous la forme de deux paliers. Comme la tension sur les colonnes est toujours comprise entre 20 et 25 volts, car on continue d'adresser de nouveaux pixels pour les ouvrir, il y aura toujours un moment, où la différence de tension qui maintenait les volets ouverts entre les électrodes perpendiculaires (Ll à Lm), et les volets, sera nulle. A cet instant, il n'y aura plus de force de tenue des volets en position ouverte sur cette ligne. Il est également possible d'appliquer une seule tension comprise entre 20 et 25 volts, soit 22,5 volts par exemple. On applique alors sur les électrodes coplanaires de la même ligne, parmi les lignes (11 à lm), une tension de zéro volts, ce qui attirera les volets pour les refermer. Ainsi, selon l'invention, la combinaison des tensions sur les volets, sur les électrodes perpendiculaires, et sur les électrodes transparentes, permet d'ouvrir en permanence des pixels, et en même temps de refermer d'autres pixels. Une autre façon de réaliser les niveaux de gris, consiste à ouvrir un certain nombre de cellules d'un même pixel, proportionnellement au niveau de gris que l'on veut obtenir. La figure 6 montre une vue en plan d'un volet (103). La longueur (L) du volet peut être égale à la largeur d'un pixel monochrome, et sa largeur (h) légèrement inférieure à la hauteur de l'électrode perpendiculaire. A titre d'exemple, pour un pixel de dimension 200um par 600um, la longueur (L) peut être égale à la largeur du pixel, c'est à dire 200un, et la largeur (h), peut être égale à 5pm. Si l'épaisseur de l'électrode perpendiculaire est de 3um, alors la largeur de la cellule élémentaire est de 13um, et il y aurait 46 cellules par pixel. On considère selon l'invention, que la largeur (h) peut être comprise entre lum, et 15um, et la longueur (L) comprise entre 5pm et 400um, en fonction des différents types d'écrans que l'on veut réaliser. L'extrémité de la barre de torsion (601) est reliée à une colonne comprise entre (Cl à Cn), et l'autre barre de torsion (602), est tenue sur la couche isolante déposée au dessus des électrodes transparentes. La figure 7 montre un positionnement avantageux des cellules. Si le plan de l'écran (100) est mis verticalement, les électrodes perpendiculaires (102) sont situées dans des plans horizontaux, ce qui fait que l'angle de vue (H) situé dans un plan horizontal, est plus grand que l'angle de vue (V) dans un plan vertical, car ce dernier est limité par l'angle d'ouverture entre les électrodes perpendiculaires. Un mode de réalisation de l'écran selon l'invention, consiste à partir d'un substrat transparent (100) revêtu ou non de la base (400) de section triangulaire, de déposer une couche d'ITO, puis de la graver pour obtenir les électrodes (104) et (105), selon les méthodes connues de l'homme de l'art. On isole ensuite ces électrodes par une couche fine de Si02 par exemple. On dépose sur la couche de Si02, une couche conductrice que l'on grave pour obtenir les colonnes (Cl à Cn). On dépose une couche sacrificielle dans laquelle on grave deux fenêtres, la première débouchant sur la couche conductrice formant les colonnes, la seconde débouchant sur la couche de Si02. On dépose une couche fine d'aluminium par exemple qui formera les volets. On grave cette couche fine selon les formes et dimensions de volets. On dépose une couche conductrice que l'on grave pour former les électrodes perpendiculaires. On dépose une couche isolantes qui après gravure ne restera que sur les flancs des électrodes perpendiculaires. On élimine la couche sacrificielle qui libère les volets. On rapporte par collage à l'aide d'une résine sur le pourtour de l'écran, le second substrat (101). REVENDICATIONS 1. Ecran plat par transmission ou réflexion, caractérisé en ce qu'il est constitué de cellules élémentaires construites sur un substrat transparent (100), comprenant une électrode conductrice perpendiculaire (102), deux électrodes conductrices et transparentes (104) et (105) situées symétriquement par rapport à l'électrode perpendiculaire, et dans le plan du substrat transparent (100), deux volets rotatifs situés symétriquement par rapport à l'électrode perpendiculaire (102) pouvant tourner d'un angle inférieur ou égal à 900 pour venir plaquer par le moyen de forces électrostatiques soit sur le plan transparent (100) soit sur les flancs de l'électrode (102). 2. Ecran plat par transmission ou réflexion, selon la revendication 1 caractérisé en ce que sous les électrodes (105) et (104), se trouve une base de section triangulaire en matière transparente, supportant les électrodes (105) et (104), afin de réduire l'angle de rotation des volets. 3. Ecran plat par transmission, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un second substrat transparent (101) recouvre l'ensemble des cellules élémentaires, en prenant appui sur le haut des électrodes perpendiculaires (102), afin de permettre à la lumière issue d'une source de lumière, de traverser les deux substrats (100) et (101) lorsque les volets plaquent contre les flancs de l'électrode perpendiculaire (102), ou obstruent la lumière lorsque les volets plaquent sur le plan des électrodes (105) et (104). 4. Ecran plat par réflexion, selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le second substrat (101) est revêtu sur sa surface en contact avec les électrodes perpendiculaires (102) d'une couche noire non réfléchissante, et qu'un filtre coloré soit disposé sur le plan (100), sous les électrodes transparentes (104) et (105), ou sur la face des volets (103) qui est en regard des électrodes transparentes (104) et (105), afin que la lumière ambiante soit réfléchie par les volets au travers des filtres colorés, lorsque les volets sont en contact avec le plan des électrodes (105) et (104), ou que la lumière soit absorbée par la couche noire non réfléchissante lorsque les volets plaquent contre les flancs de l'électrode perpendiculaire (102). 5. Ecran plat par transmission ou réflexion, selon la revendication 1 à 4, caractérisé en ce que la rotation des volets (103) à l'ouverture, à partir de leur position dans le plan des électrodes (105) et (104) pour les amener à les faire plaquer sur les flancs de l'électrode perpendiculaire (102) s'effectue en appliquant une tension de quelques dizaines de volts, également sur les volets et sur les électrodes transparentes conductrices (104) et (105), et en appliquant une tension nulle ou proche de zéro sur l'électrode perpendiculaire (102) 6. Ecran plat par transmission ou réflexion, selon la revendication 1 à 5, caractérisé en ce que la rotation des volets (103) à partir de leur position ouverte lorsqu'ils plaquent sur les flancs de l'électrode perpendiculaire (102) pour les amener par rotation en position fermée, sur le plan des électrodes (105) et (104) s'effectue en appliquant des tensions sur les électrodes perpendiculaires (102) égales à celles des volets (103) ces tensions étant celles utilisées pour l'adressage des pixels à l'ouverture sur les colonnes (Cl à Cn), et en appliquant une tension nulle ou proche de zéro sur les électrodes (104) et (105), formant les lignes (Il à lm), cette combinaison de tension permettant de fermer certaines lignes, tout en continuant à ouvrir des pixels situés sur d'autres lignes. 7. Ecran plat par transmission ou réflexion, selon la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que les volets sont réalisés en un matériau léger, que leur épaisseur est comprise entre 500A'et quelques milliers d'A , que leur largeur (h) est comprise entre lum et 15um, et inférieure à la hauteur de l'électrode perpendiculaire (102), que leur longueur (L) est comprise entre 5um et 400um. 8. Ecran plat par transmission ou par réflexion, selon la revendication 7, caractérisé en ce que les volets étant très souples, ils ne recouvrent les surfaces sur lesquelles ils. sont maintenus que par le moyen des forces électrostatiques, les forces élastiques étant négligeables. 9. Ecran de visualisation par transmission ou par réflexion, selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le volume situé entre les deux substrats (100) et (101) soit maintenu à une pression comprise entre la pression atmosphérique, et un millième de la pression atmosphérique. 10. Ecran de visualisation par transmission ou par réflexion, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les électrodes perpendiculaires (102) soient situées dans un plan horizontal, lorsque le plan (100) est situé dans un plan vertical, afin que l'angle de vue (H) soit situé dans le plan horizontal.