Brevet FR2859823A1 — publié le 20050318

L'invention concerne un panneau organique électroluminescent comprenant une couche électroluminescente intercalée entre une couche opaque d'électrodes et une couche d'extraction incorporant totalement des particules, comprenant également une couche transparente d'électrodes intercalée entre la couche électroluminescente et la couche d'extraction. Les particules sont noyées dans un matériau organique transparent, voire coloré, généralement isolant. Selon l'enseignement de l'art antérieur cité ci-après, les particules sont des microparticules qui sont destinées à améliorer le taux d'extraction de la 10 lumière émise par la couche électroluminescente. Le document WO03/061028 PHILIPS décrit un panneau de ce type où les microparticules ont un indice supérieur d'au moins 0,3 à l'indice du matériau organique qui les incorpore, une taille comprise entre 0,4 m et 10 m, et peuvent présenter une forme homogène sphérique; elles peuvent être formées de poudres céramiques ou d'oxyde de titane. La couche inférieure d'électrodes est explicitement opaque (voir 60) ; ces électrodes inférieures peuvent être par exemple en or ou en aluminium; rien n'indique dans ce document que la surface de la couche inférieure d'électrodes soit réfléchissante, d'autant que l'homme du métier sait qu'il est parfois avantageux d'intercaler entre cette couche d'électrodes et la couche électroluminescente une couche très fine empêchant la réflexion de la lumière, notamment pour améliorer le contraste du panneau en lumière ambiante. Selon ce document, les microparticules sont disposées de manière compacte dans la couche organique, la compacité élevée favorisant l'amélioration de l'extraction de lumière (42). Le document US5955837 PHILIPS (correspondant à WO98/17083) décrit également un panneau de ce type, notamment à la figure ID; les électrodes de la couche inférieure sont généralement réfléchissantes (colonne 4, ligne 61) ; la taille des microparticules est comprise entre 0,1 et 10 fois la longueur d'onde de la lumière émise par la couche électroluminescente, de préférence entre 0,1 m et 1 m; ces microparticules peuvent être de l'oxyde de titane ou du diamant; leur forme est de préférence sphérique; lorsqu'elles sont substantiellement sphériques, elles sont ordonnées de préférence de façon à former une monocouche dans la couche organique qui les incorpore. Si les microparticules sont des sphères de rayon r, si elles sont régulièrement espacées d'une distance d (entre leurs centres) dans la couche organique, le taux de couverture du lit de particules vaut alors 6 = it (r2/d2) et le taux d'ouverture ( OAR , Open Area Ratio en langue anglaise) est de 1-6. Le document US5955837 déjà cité enseigne qu'il est préférable que d = 2 r, ce qui correspond à = 0,78 et à OAR = 0,22; le document US5955837 enseigne donc d'utiliser un lit de particules très dense comme d'ailleurs le document WO03/061028. L'inconvénient d'un lit de particules très dense est qu'il détériore les 10 performances de contraste en lumière ambiante. D'autres documents de l'art antérieur décrivent l'utilisation de couches chargées en microparticules pour améliorer l'extraction de lumière: JP11-214158, mais le substrat est intercalé entre cette couche d'extraction et la couche émissive, ce qui implique une distance importante entre ces couches; par ailleurs, la couche émissive n'est pas organique; idem pour le document US2001-033135 (figure 3 du document) ; WO00/76008 (figure 3 du document), mais une couche semiréfléchissante 105 est intercalée entre cette couche 106 et la couche émissive 101; On peut également citer les documents JP11-329742, WO01/41225, et WO02/37580. Les différentes améliorations de l'extraction de lumière présentées dans ces documents présentent encore des limitations. Outre celui d'une amélioration supérieure d'extraction de lumière, un but 25 de l'invention est d'améliorer les performances de contraste en lumière ambiante. L'invention concerne donc un panneau du type précité caractérisé en ce qu'il comprend une surface réfléchissante qui est intercalée entre la couche opaque d'électrodes et cette couche électroluminescente. Cette surface réfléchissante est adaptée pour réfléchir la lumière émise par la couche électroluminescente au travers de cette couche et de la couche d'extraction; il n'y a évidemment aucune couche opaque entre cette surface réfléchissante et la couche électroluminescente. La couche d'extraction comprend une matrice transparente dans laquelle les particules sont totalement incorporées, c'est à dire entièrement noyées. L'ensemble de ces couches est évidemment supportées par un substrat; deux types de structures sont possibles: - une structure dite à émission vers le bas où la couche électroluminescente émet au travers du substrat; la couche transparente d'électrodes correspond alors à la première couche d'électrodes déposée, appelée couche inférieure; la couche opaque d'électrodes est alors la couche supérieure; - une structure dite à émission vers le haut où la couche électroluminescente émet, non pas au travers du substrat, mais au contraire à travers la couche supérieure d'électrodes, qui est alors transparente; la couche opaque d'électrodes correspond alors à la couche inférieure. De préférence, ladite surface réfléchissante est formée par l'interface de la couche opaque d'électrodes avec la couche électroluminescente ou toute autre couche intercalée entre cette couche opaque et cette couche électroluminescente. De préférence, les électrodes de la couche opaque sont alors métalliques. De préférence, la distance qui sépare la couche d'extraction de la couche électroluminescente est inférieure ou égale à 10 m. C'est dans ces conditions qu'on peut obtenir les meilleurs taux d'extraction de lumière; dans le cas de panneaux à émission vers le bas, la couche d'extraction est alors intercalée entre le substrat et la couche électroluminescente. De préférence, la taille moyenne des particules est supérieure ou égale à 1 m et la surface de ces particules est réfléchissante. Compte tenu de la taille élevée des particules, l'extraction de lumière se fait essentiellement par réflexion de lumière sur leur surface et non pas par diffusion comme dans l'art antérieur, ce qui permet d'éviter des problèmes de diffraction qui entraînent des problèmes chromatiques. Selon une variante, la surface réfléchissante des particules est métallique. De préférence: le coefficient de réflexion de la surface des particules est supérieur ou égal à 85% ; la densité de particules dans la couche d'extraction 5 est telle que le taux d'ouverture de cette couche est supérieur ou égal à 50% et inférieur ou égal à 85%. La taille importante des particules et leur surface à haut pouvoir réflectif permet d'obtenir un taux élevé d'extraction de lumière avec une densité de particules beaucoup plus faible que dans l'art antérieur, ou un taux d'ouverture beaucoup plus élevé ; un tel système d'extraction par réflexion permet d'obtenir des taux d'extraction beaucoup plus élevés que dans l'art antérieur, ce qui améliore sensiblement le rendement lumineux des panneaux électroluminescents. De préférence, les particules sont réparties dans ladite couche d'extraction en une seule couche. De préférence, les particules ont une forme sphérique ou quasi-sphérique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux figures annexées sur lesquelles: - la figure 1 décrit une coupe partielle d'un pixel d'un panneau selon un mode de réalisation de l'invention, et illustre l'extraction de lumière; la figure 2 illustre les performances de contraste en lumière ambiante du panneau selon le mode de réalisation de la figure 1; la figure 3 décrit une vue de dessus d'un pixel du panneau selon le mode de réalisation de la figure 1; - la figure 4 montre la variation du taux d'extraction de lumière en fonction du taux d'ouverture de la couche d'extraction, dans le cas de panneaux selon le mode de réalisation de la figure 1 qui diffèrent uniquement par la densité de particules dans la couche d'extraction; - la figure 5 illustre la directivité de l'émission du panneau selon le mode de réalisation de la figure 1, symétrique par rapport à la normale au panneau (0 ). Dans la suite du document, on utilise des références identiques pour les éléments qui assurent les mêmes fonctions. Le panneau selon l'invention comprend classiquement un réseau bidimensionnel de cellules électroluminescentes réparties sur un substrat, chaque cellule étant associée à un pixel ou un sous-pixel (cas des panneaux polychrome) des images à visualiser; la figure 1 représente, en coupe, une portion d'un pixel ou sous-pixel de ce panneau: sur un substrat 1, on a déposé une couche inférieure opaque d'électrodes 2, une couche organique électroluminescente 3, une couche supérieure d'électrodes transparentes 4 et une couche d'extraction 5; selon l'invention, la couche d'extraction 5 comprend une matrice 51 en matériau transparent qui incorpore des particules réfléchissantes 52, ici de forme sphérique, qui sont régulièrement espacées en une seule couche, comme l'illustre la figure 3, en vue de dessus du pixel ou sous-pixel de la figure 1; selon l'invention: - le coefficient de réflexion de la surface des particules est supérieur ou égal à 85% ; - la densité de particules dans la couche d'extraction 5 est telle que le taux d'ouverture de cette couche est supérieur ou égal à 50% et inférieur ou égal à 85%. Le taux d'ouverture ( OAR ", Open Area Ratio en langue anglaise) est défini par la valeur 1-6, où 6 est le taux de couverture du lit de particules qui vaut 6 = it (r21d2) dans le cas où la couche d'extraction ne comprend qu'une seule couche de particules régulièrement espacées comme sur la figure 3. Dans le cas de structures dites classiques, les électrodes de la couche inférieure sont des anodes et celles de la couche supérieure sont des cathodes; selon une autre variante de structure dite inversée, les électrodes de la couche supérieure sont des anodes et celles de la couche inférieure sont des cathodes. Le matériau du substrat peut être en verre minéral ou en polymère dans le cas de panneau souples. Selon une variante préférentielle, le substrat forme une matrice active, comprenant, derrière chaque pixel ou diode électroluminescente du panneau, un circuit de pixel comprenant généralement un modulateur de courant en série avec la diode électroluminescente et une mémoire de la donnée vidéo adressée au pixel, le plus souvent un condensateur de stockage, qui pilote ledit modulateur; ce circuit de pixel est généralement réalisé et intégré dans une couche de silicium déposée sur le substrat; la couche inférieure d'électrodes présente alors généralement plusieurs réseaux différents qui sont également intégrés à cette couche de silicium. La matériau conducteur de la couche inférieure d'électrodes 2 peut être par exemple en aluminium (cas de cathodes) ou en or (cas d'anodes) de manière à présenter, à l'interface avec la couche organique électroluminescente 3, une surface réfléchissante; selon l'invention, entre cette couche inférieure d'électrodes 2 et la couche électroluminescente 3, il n'y a donc pas de couche absorbante comme décrit par exemple dans le document WO03/094255 (référencée 36 dans ce document). La couche organique électroluminescente 3 se subdivise généralement en plusieurs sous-couches organiques: une sous-couche centrale à proprement parler électroluminescente, intercalée entre une sous-couche de transport d'électrons et une sous-couche de transport de trous, elles-mêmes intercalées entre une sous-couche d'injection d'électrons et une souscouche d'injection de trous; on trouve parfois également une sous-couche organique d'aplanissement. Le matériau conducteur de la couche supérieure est transparent ou semitransparent; dans le cas d'anodes, on peut prendre de l'ITO (Indium Tin Oxide en langue anglaise) ; dans le cas de cathodes, on peut prendre un semi-conducteur organique fortement dopé de type n, ou un mélange métalisolant comme décrit par exemple dans le document US6525466, ou une cathode composite telle que décrite dans le document US6639357 ou WO99/20081. La matrice transparente 51 de la couche d'extraction est en matériau organique; parmi les matériaux organiques, on peut utiliser par exemple des polyacrylates, des polymères fluorés, des parylènes ou des cyclotènes. Les particules de la couche d'extraction présentent une taille supérieure ou égale à 1 m mais inférieure à l'épaisseur de cette couche, de manière à y être totalement incorporées. Les particules présentent ici une taille homogène et une forme sphérique; elles sont réparties uniformément dans la couche d'extraction en une seule couche; sans se départir de l'invention, on peut utiliser des particules de forme elliptique voire aciculaire dont les tailles ne sont pas homogènes et qui sont réparties dans la couche d'extraction de manière moins homogène. Pour limiter avantageusement les phénomènes de diffusion par ces particules, il importe que leur taille moyenne soit supérieure à 1 m. Ces particules peuvent être en oxyde de titane ou tout autre matériau ayant un taux de réflexion supérieur à 85% ; selon une variante avantageuse, on emploiera des particules métalliques dont la surface est très réfléchissante, ou des particules isolantes, par exemple en verre minéral, dont la surface est métallisée. Du fait que les particules ont à la fois une taille supérieure aux longueurs d'onde de la lumière émise par la couche électroluminescente et une surface fortement réfléchissante, ces particules ne sont pas à proprement parler diffusantes, contrairement aux microparticules des couches d'extraction de l'art antérieur précédemment cité. La couche d'extraction est ensuite revêtue d'une couche transparente d'encapsulation (non représentée) adaptée pour protéger la couche électroluminescente des risques de dégradation par l'humidité ou l'oxygène de l'atmosphère; une telle couche d'encapsulation est connue en elle-même et ne sera pas décrite ici en détail; selon une variante décrite dans le document WO03/061028 déjà cité, la couche d'extraction sert de couche d'encapsulation ou fait partie de la couche d'encapsulation. En dehors de la réalisation de la couche d'extraction, la fabrication du panneau utilise des procédés connus en eux-mêmes qui ne seront pas décrits ici en détail. On va maintenant décrire un procédé possible de réalisation de la couche d'extraction. Après le dépôt de la couche opaque inférieure d'électrodes réfléchissantes sur le substrat, celui de la couche électroluminescente, et celui de la couche transparente supérieure d'électrodes, il est préférable d'appliquer une couche très fine transparente de protection, avant de commencer le dépôt de la couche d'extraction; cette couche de protection peut être en ITO, en silice, ou en polymère transparent. Le procédé de réalisation de la couche d'extraction comprend par exemple les étapes suivantes: dispersion, filtration, sérigraphie, séchage. L'étape de dispersion consiste à disperser finement les particules dans une matrice transparente à l'état liquide; une résiné acrylique d'indice de réfraction élevé peut être utilisée comme matrice, et une poudre calibrée d'oxyde de titane comme particules réfléchissantes; on ajoute un solvant alcoolique de manière à obtenir une viscosité suffisamment faible pour obtenir une bonne dispersion; le ratio de poids d'oxyde de titane par rapport au poids de résine peut varier entre 40% et 70% environ. L'étape de filtration de la dispersion ainsi obtenue permet d'éliminer les éventuels agglomérats d'oxyde de titane; les trous de filtre devraient avoir une dimension inférieure à 30 m. L'étape de sérigraphie permet l'application homogène de la dispersion filtrée sur la couche de protection du panneau; la couche de protection permet d'éviter la détérioration des composés de la couche électroluminescente par les solvants de la dispersion. La densité de fils du masque de sérigraphie est de préférence supérieure ou égale à 100 fils par millimètre. L'étape de séchage, typiquement à 70-80 C, permet l'élimination du solvant de la couche de dispersion qui a été appliquée. On obtient alors la couche d'extraction 5. Comme la couche d'extraction est directement appliquée sur la couche supérieure d'électrodes, ou avec seulement une couche très fine de protection intercalée, la distance qui sépare la couche d'extraction de la couche électroluminescente est inférieure ou égale à 10 m, ce qui est très favorable aux performances d'extraction. On va maintenant décrire le fonctionnement de la couche d'extraction de lumière selon l'invention. A partir de centres d'émission E, E' situés dans la couche électroluminescente 3 comme illustré à la figure 1, un rayon lumineux peut, par 30 exemple: - dans le cas du centre E, frapper la surface de l'une des particules sphériques réfléchissantes d'extraction 52, être réfléchi par cette surface en direction d'une autre particule, d'où il est à nouveau réfléchi en direction de l'extérieur du panneau; - dans le cas du centre E', frapper la surface de l'une des particules sphériques réfléchissantes d'extraction 52, être réfléchi par cette surface en direction de la couche opaque d'électrodes 2 au travers de la couche électroluminescente 3, être réfléchi par la surface réfléchissante de l'interface de la couche opaque d'électrodes 2 avec la couche électroluminescente 3, en direction de la même particule sphérique réfléchissante 52, d'où il est à nouveau réfléchi vers l'extérieur du panneau. D'autres chemins lumineux peuvent évidemment intervenir pour l'extraction. La figure 2 illustre l'avantage que la couche d'extraction de lumière selon l'invention apporte en matière de contraste en lumière ambiante: une partie importante des rayons lumineux provenant de l'extérieur du panneau sont absorbés par réflexions multiples dans l'épaisseur du panneau. Ainsi, malgré l'absence de couche opaque entre la surface réfléchissante de la couche inférieure d'électrodes et la couche électroluminescente comme on en trouve dans l'art antérieur, les performances de contraste en lumière ambiante sont élevées. Selon une variante, dans le cas précédemment décrit où les particules de la couche d'extraction présentent une surface réfléchissante métallique, le panneau comprend également une couche de polarisation circulaire de la lumière, déposée au dessus de la couche d'extraction, avec, éventuellement une ou plusieurs couches intermédiaire, par exemple d'encapsulation. Grâce à cette couche de polarisation, le contraste en lumière ambiante est encore amélioré. Dans le but d'optimiser le taux d'extraction de lumière en utilisant de la poudre calibrée d'oxyde de titane comme particules réfléchissantes, qui présentent un taux de réflexion de 85%, on a fait ensuite varier la densité de particules dans la couche d'extraction: la figure 4 montre la variation du taux d'extraction en fonction du taux d'ouverture (OAR) de la couche d'extraction: selon cette courbe, on voit que, pour un taux d'ouverture supérieur à 85% ou inférieur à 50%, le taux d'extraction de lumière chute fortement; selon l'invention, on adaptera de préférence la densité de particules dans la couche d'extraction 5 de façon à ce que le taux d'ouverture de cette couche soit supérieur ou égal à 50% et inférieur ou égal à 85%. On observe sur la figure 4 que le maximum de 30% de taux d'extraction, à comparer à la valeur classique de 17% en l'absence de couche d'extraction, est atteint pour un taux d'ouverture de 66%. La courbe en traits pleins de la figure 5 illustre la directivité de l'émission du panneau dans le cas d'un taux d'ouverture optimisé de 65% ; la courbe en pointillés, en forme de parabole, représente la directivité classique de l'émission en l'absence de couche d'extraction: en comparant les deux courbes, on voit que la couche d'extraction selon l'invention élargit avantageusement le domaine angulaire de maximum d'émission. L'invention vient d'être décrite dans le cadre d'un panneau à émission dite vers le haut, où c'est la couche supérieure d'électrodes qui est transparente l'invention s'applique également aux panneaux à émission dite vers le bas, où c'est la couche inférieure d'électrodes qui est transparente, où la lumière émise par la couche électroluminescente doit traverser le substrat pour quitter le panneau; néanmoins, cette configuration présente l'inconvénient par rapport à la précédente d'augmenter les interférences d'émission ( cross-talk en langue anglaise) entre les cellules voisines du panneau, à cause de l'épaisseur du substrat. L'invention s'applique à tout type de panneaux électroluminescents, qu'ils soient rigides ou flexibles, qu'ils soient destinés à la visualisation d'images ou à l'éclairage. REVENDICATIONS 1.- Panneau organique électroluminescent comprenant une couche électroluminescente (3) intercalée entre une couche opaque d'électrodes (2) et une couche d'extraction (5) incorporant totalement des particules (52), comprenant également une couche transparente d'électrodes (4) intercalée entre la couche électroluminescente (3) et la couche d'extraction (5), caractérisé en ce qu'il comprend une surface réfléchissante qui est intercalée entre la couche opaque d'électrodes (2) et cette couche électroluminescente (3). 2.- Panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite surface réfléchissante est formée par l'interface de la couche opaque d'électrodes (2) avec la couche électroluminescente (3) ou toute autre couche intercalée entre cette couche opaque (2) et cette couche électroluminescente (3). 3.- Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la distance qui sépare la couche d'extraction (5) de la couche électroluminescente (3) est inférieure ou égale à 10 m. 4.- Panneau selon la revendication 3 caractérisé en ce que la taille moyenne des particules (52) est supérieure ou égale à 1!lm et en ce que la surface de ces particules est réfléchissante. 5.- Panneau selon la revendication 4 caractérisé en ce que: le coefficient de réflexion de la surface des particules est supérieur ou égal à 85% ; la densité de particules dans la couche d'extraction 5 est telle que le taux d'ouverture de cette couche est supérieur ou égal à 50% et 30 inférieur ou égal à 85%. 6.- Panneau selon la revendication 5 caractérisé en ce que les particules (52) sont réparties dans ladite couche d'extraction (5) en une seule couche. 2859823 12 7.- Panneau selon l'une quelconque des revendications 5 à 6 caractérisé en ce que les particules (52) ont une forme sphérique ou quasi-sphérique.