Brevet FR2881844A1 — publié le 20060811

STRUCTURE DIFFUSANTE A PROPRIETES D'ABSORPTION DANS L'ULTRAVIOLET La présente invention concerne une structure diffusante destinée à homogénéiser une source lumineuse, et présentant également des propriétés d'absorption dans l'ultraviolet, en particulier sur la plage de 250 à 400 nm. L'invention sera plus particulièrement décrite en référence à une structure diffusante utilisée pour homogénéiser la lumière émise depuis un système de rétro-éclairage. Un système de rétro-éclairage qui consiste en une source de lumière ou back-light est par exemple utilisée comme source de rétro-éclairage pour des écrans à cristaux liquides, dénommés encore écrans LCD. II apparaît que la lumière ainsi émise par le système de rétro-éclairage n'est pas suffisamment homogène et présente des contrastes trop importants. Des moyens diffusants associés au système de rétro-éclairage sont donc nécessaires pour homogénéiser la lumière. L'invention peut être également utilisée lorsqu'il s'agit d'homogénéiser la lumière provenant de lampes planes architecturales utilisées par exemple sur des plafonds, des sols, ou des murs. II peut encore s'agir de lampes planes à usage urbain telles que des lampes pour panneaux publicitaires ou encore des lampes pouvant constituer des étagères ou des fonds de vitrines d'exposition. Ces lampes planes peuvent encore trouver des applications dans d'autres domaines tels que par exemple l'industrie automobile; il est en effet envisageable de réaliser des toits pour automobile dont au moins une partie comporte une telle lampe pour se substituer notamment à l'éclairage actuellement connu d'un habitacle automobile. Il est encore possible de réaliser le rétro-éclairage ou backlighting des tableaux de bord des véhicules automobiles. Une solution satisfaisante du point de vue de l'homogénéité consiste à recouvrir la face avant du système de rétro-éclairage d'une plaque de plastique tel qu'un polycarbonate ou un polymère acrylique (PMMA par exemple) contenant des charges minérales dans la masse, la plaque présentant par exemple une épaisseur de 2 mm. Mais ce matériau plastique étant sensible à la chaleur, le plastique vieillit mal et le dégagement de chaleur conduit généralement à une déformation structurelle des moyens diffusants en plastique, ce qui se concrétise par une hétérogénéité de la luminance de l'image projetée au niveau de l'écran LCD par exemple. Par ailleurs, il est parfois utile selon l'utilisation qui est faite du système de rétro-éclairage d'associer aux moyens diffusants et du côté observateur, un ou plusieurs filtres optiques tels qu'un dispositif pour rediriger la lumière en sortie des moyens diffusants du type film BEF , et/ou un polariseur réflectif du type DBEF permettant de transmettre une polarisation de la lumière et de réfléchir la polarisation orthogonale. La ou les sources de lumière utilisées dans le système de rétro-éclairage sont par exemple des lampes ou des tubes à décharge communément appelés CCFL pour Cold Cathode Fluorescent Lamp , HCFL pour Hot Cathode Fluorescent Lamp , DBDFL pour Dielectric Barrier Discharge Fluorescent Lamp , ou encore des lampes du type LED pour Light Emitting Diodes . Or, le rayonnement ultraviolet, en particulier sur la plage de 20longueurs d'onde 250 à 400 nm, produit par de telles sources de lumière atteint ces filtres optiques, ce qui au cours du temps, finit par les endommager. Pour couper la transmission de ce rayonnement ultraviolet, il est connu de donner à la plaque diffusante en matière plastique la fonction de filtre dans l'ultraviolet. Néanmoins, ces moyens diffusants en matière plastique finissent par jaunir au cours du temps ce qui dénature la lumière finale émise. Une autre solution a été proposée dans la demande internationale PCT/FR04/001717 qui consiste à utiliser une structure diffusante comprenant un substrat en verre aux propriétés adaptées à la diffusion, en particulier tel que celui décrit dans la demande de brevet internationale publiée sous le numéro WO 01/90787, et auquel est associé un film en matière plastique filtrant l'ultraviolet. Ainsi, la structure diffusante comporte un substrat en verre sur lequel est déposée une couche diffusante, et un film en matière plastique tel que du PVB qui peut absorber les longueurs d'onde dans la gamme des ultraviolets et qui est rendue solidaire du substrat en verre, à l'opposé de la couche diffusante. La couche diffusante dans ce document est constituée de particules dispersées dans un liant, lesdites particules présentant un diamètre moyen compris entre 0,3 et 2 microns, et constituées de nitrures, de carbures ou d'oxydes choisis par exemple parmi les oxydes de silice, d'alumine, de zircone, de titane, de cérium, ou d'un mélange d'au moins deux de ces oxydes. Bien que cette solution d'associer à une structure diffusante verrière un film filtrant l'ultraviolet soit très satisfaisante sur le plan de la qualité optique, ainsi que sur le plan de la durabilité de l'ensemble, elle nécessite un procédé d'assemblage supplémentaire du film filtrant à la structure diffusante, ce qui engendre des moyens supplémentaires de mise en oeuvre et des coûts de fabrication accrus. L'invention a donc pour but de fournir une structure diffusante qui assure la coupure du rayonnement ultraviolet, en particulier sur la plage de longueurs d'onde de 250 à 400 nm, tout en étant suffisamment transparente à la lumière visible, et dont la fabrication n'engendre pas des complexités de mise en oeuvre et des coûts d'obtention et d'utilisation élevés. Selon l'invention, la structure diffusante, et absorbante dans le rayonnement ultraviolet comporte un substrat en verre et une couche diffusante qui comprend des particules diffusantes dispersées dans un liant, et est caractérisée en ce que la couche diffusante comprend des particules absorbant le rayonnement ultraviolet dans le domaine de 250 à 400 nm, lesdites particules absorbantes étant constituées par des oxydes aux propriétés d'absorption du rayonnement ultraviolet. On entend par particules diffusantes, des particules dont la nature du matériau et leur volume permettent de laisser passer les longueurs d'onde du domaine visible tout en assurant une diffusion de la lumière. Selon une caractéristique, les particules absorbant le rayonnement ultraviolet sont choisis parmi l'un ou le mélange d'oxydes suivants: oxyde de titane, oxyde de vanadium, oxyde de cérium, oxyde de zinc, oxyde de manganèse. Avantageusement, les particules absorbantes présentent un diamètre moyen d'au plus 2 pm. Selon une autre caractéristique, la structure présente un rapport de transmission du rayonnement à 365 nm et à 450 nm T365 inférieur a 60 %, et/ou un T450 rapport de transmission du rayonnement à 315 nm et à 450 nm T315 inférieur à T450 %. Les particules diffusantes présentent avantageusement un diamètre moyen compris entre 0,3 et 2 pm et sont constituées de particules minérales telles que des oxydes., des nitrures, des carbures. Le liant est choisi parmi les liants minéraux, tels que les silicates de potassium, les silicates de sodium, les silicates de lithium, les phosphates d'aluminium, et les frittes de verre. Selon un mode de réalisation de la couche diffusante et absorbant le rayonnement de 250 à 400 nm, la couche comporte de la fritte de verre en tant que liant, de l'alumine en tant que particules diffusantes, et de l'oxyde de titane en tant que particules absorbantes dans des proportions de 1 à 8 % en poids du mélange, les particules absorbantes présentant un diamètre moyen d'au plus 0,1 pm. Enfin, l'invention est relative à l'utilisation d'une structure diffusante en regard d'une source lumineuse pour diffuser la lumière émise depuis cette source lumineuse, la structure diffusante comportant un substrat verrier et une couche diffusante formée à partir de particules diffusantes dispersées dans un liant, caractérisée en ce que la couche diffusante constitue également des moyens d'absorption d'un rayonnement de longueur d'onde appartenant à la plage de 250 à 400 nm. Dans une telle utilisation, la structure diffusante présente les caractéristiques telles que décrites ci-dessus en regard d'une structure selon l'invention, diffusante et absorbant le rayonnement ultraviolet. En particulier, la couche diffusante comporte des particules absorbant le rayonnement ultraviolet dans le domaine de 250 à 400 nm et constituées par des oxydes aux propriétés d'absorption du rayonnement ultraviolet. La structure diffusante de l'invention sera avantageusement utilisée dans un système de rétro-éclairage pouvant être agencé dans un écran de visualisation de type LCD ou dans une lampe plane, ou bien encore dans un dispositif de projection. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la suite de la description en regard des dessins annexés sur lesquels: É La figure 1 illustre un système de rétro-éclairage selon l'invention; É La figure 2 illustre des courbes comparatives de transmission pour le rayonnement ultraviolet d'un système de rétro-éclairage. Par souci de clarté, les dimensions ne sont pas respectées entre les différents éléments. La figure 1 illustre un système de rétro-éclairage 1 destiné par exemple à être utilisé dans un écran LCD. Le système 1 comporte une enceinte 10 comprenant un illuminant ou des sources de lumière 11, et une structure diffusante en verre 20 qui est associée à l'enceinte 10. L'enceinte 10, d'épaisseur environ 10 mm, comporte une partie inférieure 12 dans laquelle sont agencées les sources de lumière 11 et une partie supérieure opposée 13 qui est ouverte et depuis laquelle se propage la lumière émise des sources 11. La partie inférieure 12 présente un fond 14 contre lequel sont disposés des réflecteurs 15 destinés à réfléchir d'une part, une partie de la lumière émise par les sources 11 qui était dirigée vers la partie inférieure 12, et d'autre part, une partie de la lumière qui n'a pas été transmise au travers du substrat diffusant mais réfléchie par le substrat en verre et rétro-diffusée par la couche diffusante. Les sources de lumière 11 sont par exemple des tubes à décharge du type CCFL pour Cold Cathode Fluorescent Lamp . La structure diffusante 20 est rapportée sur la partie supérieure 13 et maintenue solidaire par des moyens de fixation mécanique non illustrés tels que des moyens de clipsage coopérant avec l'enceinte et la structure, ou bien maintenue posée par des moyens d'engagement mutuel non illustrés tels qu'une gorge prévue sur la périphérie de la surface de la structure coopérant avec une nervure périphérique de l'enceinte. La structure diffusante 20 comporte un substrat en verre 21 d'une épaisseur de 2 mm par exemple, et une couche diffusante 22, d'épaisseur entre 3 et 20 m et disposée sur une face du substrat en verre, en regard ou à l'opposé de la partie supérieure 13 de l'enceinte. Le substrat 21 de support de la couche est en verre transparent. Ce verre peut avantageusement être extra-clair, c'est-à-dire présenter une faible absorption de la lumière de sorte que sa transmission lumineuse TL sous illuminant D65 soit au moins égale à 90,5% pour une épaisseur de verre de 3 mm. Un tel exemple est le verre DIAMANT de la société SAINT-GOBAIN ou le verre B270 de la société SCHOTT. La couche diffusante 22 comprend un liant et des particules diffusantes, particules dont la nature du matériau et leur volume permettent de laisser passer les longueurs d'onde du domaine visible tout en diffusant la lumière. Les particules diffusantes sont de préférence des particules minérales telles que des oxydes, des nitrures ou des carbures. Parmi les oxydes, le choix peut être orienté sur la silice, l'alumine, le zircone, le titane, le cérium, ou le mélange d'au moins deux de ces oxydes. Elles présentent un diamètre moyen compris entre 0,3 et 2 pm. Le liant est choisi parmi les liants minéraux, tels que les silicates de potassium, les silicates de sodium, les silicates de lithium et les phosphates d'aluminium, les frittes de verre. Pour assurer la fonction absorbante dans l'ultraviolet, en particulier sur la plage de 250 à 400 nm, sont comprises dans la couche diffusante 22 des particules d'oxyde aux propriétés d'absorption du rayonnement ultraviolet, telles que de l'oxyde de titane, de vanadium, de cérium, de zinc, de manganèse ou d'un mélange de ces oxydes. Ces particules absorbantes présentent un diamètre d'au plus 2 pm. Les particules absorbantes peuvent constituer également tout ou partie des particules diffusantes lorsque celles-ci sont des oxydes; ainsi, elles jouent à la fois le rôle de particules absorbantes et de particules diffusantes. On adapte les proportions du liant ainsi que des particules diffusantes et absorbantes en fonction de la transmission lumineuse et du pouvoir diffusant souhaités et des performances à atteindre pour la coupure dans l'ultraviolet. L'indice des particules diffusantes et des particules absorbantes est avantageusement supérieur à 1,7 et celui du liant est de préférence inférieur à 1,6. La couche 22 diffusante et absorbante dans l'ultraviolet est déposée par toute technique connue de l'homme de l'art, telle que par sérigraphie, par enduction d'une peinture, par dip-coating , par spin-coating , par pulvérisation, ou encore par flow-coating . On donne ci-après trois exemples d'une couche diffusante, et absorbante dans l'ultraviolet selon l'invention, qui présente une fois déposée sur le substrat verrier une épaisseur de 4 pm, le substrat verrier présentant une épaisseur de 2 mm et dont la composition correspond au verre B270 de la société SCHOTT. Chaque exemple est formé d'un mélange de liant (produit VN821BJ commercialisé par la société FERRO), de particules diffusantes (alumine type CRI commercialisée par BAIKOWSKI) et de particules absorbantes (particules de TiO2 de 30nm de diamètre commercialisées par ROSSOW). Dans le tableau I ci-après sont fournis pour chacun des exemples (référencés Ex,, Ex2, Ex3) les pourcentages en poids des composants du mélange formant la couche déposée. Tableau I Ex, Ex2 Ex3 Liant 49% 48% 46% Particules 50% 50% 50% diffusantes Particules 1 % 2% 4% absorbantes Le substrat en verre 21 est ainsi utilisé comme support pour la couche diffusante 22 afin de constituer la structure 20 diffusante et absorbante dans l'ultraviolet qui est associée à l'enceinte 10 pour former le système de rétro-éclairage 1. Des mesures ont été faites sur l'absorption du rayonnement ultraviolet sur la plage de 200 à 400 nm de la structure diffusante 20 lorsque celle- ci est traversée par l'éclairage fournie par le système 1 constitué de tubes CCFL, aucun dispositif optique n'étant associé à la structure diffusante. En particulier sur la plage de 315 à 400 nm, on a constaté l'augmentation de la performance d'absorption de la couche 22 en fonction de l'augmentation des particules absorbantes pour les exemples Ex, à Ex3, tout en comparant cette absorption pour une structure diffusante sans particules absorbantes. L'exemple comparatif noté Exc est formé par 50% du liant et 50% de particules diffusantes en alumine des exemples ci- dessus; il n'assure pas du tout la fonction d'absorption du rayonnement sur cette plage de longueurs d'onde. Le tableau Il ci-dessous résume ces mesures en donnant la transmission moyenne du rayonnement sur la plage de 315 à 400 nm, les mesures ayant été faites avec un détecteur placé perpendiculairement à la surface de la structure, en particulier avec un photo-radiomètre de type "Delta OHM- HD 9021/UVA". Tableau Il Exc 100 % Ex, 63 % Ex2 46 % Ex3 33 % Sur la figure 2, sont illustrées des courbes de transmission du rayonnement ultraviolet des exemples Ex,, Ex2, Ex3 et de l'exemple comparatif Exc. On remarque clairement qu'entre 270 et 400 nm, la structure diffusante sans particules absorbant l'ultraviolet (Exc) laisse passer de manière significative le rayonnement ultraviolet avec une transmission de 20% dès 300 nm alors que les structures diffusantes avec des particules absorbantes (Ex, à Ex3) ne laissent pas passer le rayonnement à 300 nm, et que la transmission pour l'exemple comparatif Exc atteint 50% dès 340 nm alors que les autres exemples Ex, à Ex3 ne présentent pour cette longueur d'onde de 340 nm, une transmission qui n'atteint même pas 20% pour Ex,, et même pas 10% pour Ex2 et Ex3. Enfin, il a été mis en évidence que l'ajout de particules absorbantes ne dégrade pas la transmission dans le domaine du visible. En particulier, la luminance de l'éclairage provenant de l'enceinte et traversant la structure diffusante avec particules absorbantes (exemples Ex, à Ex3) présente une luminance qui est certes sensiblement affaiblie par rapport à celle d'une structure diffusante sans particules absorbantes (exemple Exc), mais lorsque la structure diffusante est associée à un dispositif optique, ce qui est généralement le cas dans l'utilisation qui est faite du système de rétro-éclairage 1, la luminance n'est quasiment pas affectée par la présence de particules absorbantes. Le tableau III ci-dessous fournit ainsi les performances obtenues quant à la luminance rnoyenne pour les systèmes de rétro-éclairage intégrant les structures diffusantes des exemples Ex, à Ex3 et de l'exemple Exc avec et sans dispositif optique. La mesure de la luminance a été faite perpendiculairement à la surface de la structure diffusante au moyen d'un luminance-mètre de type "Minolta LS-110". Tableau III Performance de la luminance Performance de la sans dispositif optique luminance avec dispositif optique Exc 100 % 100 % Ex, 98 % 99 % Ex2 96 % 98,5 % Ex3 95 % 97,5 % A noter enfin que le substrat en verre 21 peut servir de support pour le dépôt de revêtements à couches fonctionnelles tels qu'un revêtement d'isolement électromagnétique que peut d'ailleurs constituer la couche diffusante 22 comme décrit dans la demande de brevet français FR 02/08289, un revêtement à fonction bas-émissive, à fonction anti-statique, anti-buée, anti-salissures, ou encore à fonction d'augmentation de la luminance. Cette dernière fonction peut effectivement être souhaitée pour une application du substrat diffusant à un écran LCD. REVENDICATIONS 1. Structure (20) diffusante et absorbante dans le rayonnement ultraviolet comportant un substrat en verre (21) et une couche diffusante (22), la couche diffusante comprenant des particules diffusantes dispersées dans un liant, caractérisée en ce que la couche diffusante (22) comprend des particules absorbant le rayonnement ultraviolet dans le domaine de 250 à 400 nm, lesdites particules absorbantes étant constituées par des oxydes aux propriétés d'absorption du rayonnement ultraviolet. 2. Structure diffusante selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules absorbantes sont choisies parmi l'un ou le mélange d'oxydes suivants: oxyde de titane, oxyde de vanadium, oxyde de cérium, oxyde de zinc, oxyde de manganèse. 3. Structure diffusante selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que 15 les particules absorbantes présentent un diamètre moyen d'au plus 2 pm. 4. Structure diffusante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente un rapport de transmission du rayonnement à 365 nm et à 450 nm T365 inférieur à 60 %. T450 5. Structure diffusante selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes, caractérisée en ce qu'elle présente un rapport de transmission du rayonnement à 315 nm et à 450 nm T315 inférieur à 30 %. T45o 6. Structure diffusante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les particules diffusantes présentent un diamètre moyen compris entre 0,3 et 2 pm et sont constituées de particules 25 minérales telles que des oxydes, des nitrures, des carbures. 7. Structure diffusante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le liant est choisi parmi les liants minéraux, tels que les silicates de potassium, les silicates de sodium, les silicates de lithium, les phosphates d'aluminium, et les frittes de verre. 8. Structure diffusante selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la couche (22) comporte de la fritte de verre en tant que liant, de l'alumine en tant que particules diffusantes, et de l'oxyde de titane en tant que particules absorbantes dans des proportions de 1 à 8 % en poids du mélange, les particules absorbantes présentant un diamètre moyen d'au plus 0,1 pm. 9. Utilisation d'une structure diffusante selon l'une des revendications 1 à 8, la structure diffusante étant en regard d'une source lumineuse pour diffuser la lumière émise depuis cette source lumineuse, et comportant un substrat verrier et une couche diffusante formée à partir de particules diffusantes dispersées dans un liant, caractérisée en ce que la couche diffusante constitue également des moyens d'absorption d'un rayonnement de longueur d'onde appartenant à la plage de 250 à 400 nm. 10. Utilisation selon la revendication 9, caractérisée en ce que la couche diffusante comporte des particules absorbant le rayonnement ultraviolet dans le domaine de 250 à 400 nm et constituées par des oxydes aux propriétés d'absorption du rayonnement ultraviolet. 11. Utilisation d'une structure diffusante selon l'une quelconque des revendications précédentes pour réaliser un système de rétro-éclairage. 12. Utilisation selon la revendication 11 pour laquelle le système de rétro-éclairage est agencé dans un écran de visualisation de type LCD, dans une lampe plane ou dans un dispositif de projection.