Brevet FR2937180A1 — publié le 20100416

TUBE ELECTRONIQUE A CATHODE FROIDE, SON PROCEDE DE FABRICATION ET SON UTILISATION POUR ECRAN D'AFFICHAGE 5 La présente invention concerne, de façon générale, le domaine des tubes électroniques à cathode froide. L'invention concerne notamment un procédé de 10 fabrication d'une capsule cathodoluminescente comprenant au moins une enveloppe apte à être fermée, étanche et mise sous vide, une cathode froide émettrice d'électrons par effet de champ, une anode et une grille de commande, l'enveloppe étant au moins formée d'une première paroi 15 interne recevant les électrons. Les grands panneaux d'affichage publicitaire classique (de 3 mètres et plus) composés d'une matrice de tubes cathodiques (ou CRT) sont lourds, épais et 20 nécessitent de fonctionner à de très fortes tensions, et ceux à base de LED (ou diode électroluminescente), bien que performants en terme de qualité d'image, présentent l'inconvénient de nécessiter tout un ensemble d'éléments de contrôle et de refroidissement imposants et couteux. 25 Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer notamment une capsule cathodoluminescente ainsi que son procédé de fabrication exempt de l'une au moins des limitations précédemment évoquées, permettent 30 de réaliser des panneaux de visualisation de grande dimension (par exemple de plus de 3 mètres de côtés). L'invention vise notamment à réduire la taille des tubes électroniques, ainsi que leur échauffement, et à 35 proposer un procédé de fabrication non complexe adapté. L'invention propose notamment une capsule cathodoluminescente pouvant fonctionner à de basse tension (par exemple entre 5 et 7kV), utilisant de préférence une source froide, présentant de préférence des dimensions millimétriques, ainsi qu'une optimisation de la qualité de l'image. Par exemple, chaque capsule peut constituer un pixel d'un panneau de visualisation qui pourra être constitué de centaines de milliers de ces capsules, permettant d'obtenir une image vidéo de grande qualité. Pris individuellement, les capsules peuvent également s'appliquer aux systèmes d'éclairage ou de rétro-éclairage. Ces objectifs, ainsi que d'autres, sont atteints par l'invention qui a pour objet un procédé de fabrication d'une capsule cathodoluminescente comprenant au moins une enveloppe, une cathode froide émettrice d'électrons par effet de champ, une anode et une grille de commande, l'enveloppe étant au moins formée d'une première paroi interne apte à recevoir les électrons et disposée face à la cathode. Le procédé comprend au moins les étapes de : - dépôt d'une couche luminophore et d'une couche réfléchissante au moins sur la première paroi interne, la couche luminophore étant entre la première paroi interne et la couche réfléchissante ; - dépôt d'une couche conductrice sur au moins une partie d'une deuxième paroi interne adjacente à la première paroi interne, la couche conductrice étant au moins en contact avec la couche luminophore ; - réalisation d'une embase portant au moins l'anode, à la cathode et à la grille de commande, l'embase étant en 35 outre muni d'un tube ouvert ; - assemblage de l'embase avec l'enveloppe pour fermer et former la capsule, l'anode étant mise en contact avec la couche conductrice et la couche luminophore étant placée en regard de la cathode ; - mise sous vide de la capsule via le tube de l'embase ; et - scellement de la capsule par fermeture du tube de l'embase. Selon un mode de réalisation, l'enveloppe et l'embase peuvent être en verre, et la réalisation de l'embase peut comprendre au moins les étapes de : - pressage et fusion de verre autour de trois conducteurs métalliques ; et - soudage de l'anode, de la cathode et de la grille de commande sur respectivement le premier, le deuxième et 15 le troisième conducteurs métalliques. Par exemple, l'étape d'assemblage comprend au moins des étapes de : - chauffage jusqu'à fusion d'une partie du verre de 20 l'embase et d'une partie du verre de l'enveloppe ; - positionnement et mise en contact des parties en fusion du verre de l'embase et du verre de l'enveloppe ; - rotation de l'embase et de l'enveloppe pour mélanger les deux parties en fusion ; 25 - refroidissement de l'ensemble pour assurer le scellement de l'embase avec l'enveloppe de manière étanche, par exemple avec un traitement de stabilisation. 30 De préférence, la mise sous vide de la capsule consiste à faire un vide secondaire. Avantageusement, le scellement du tube de l'embase est réalisé par fonte de l'extrémité extérieure du tube 35 de l'embase sur quelques millimètres de long pour boucher le tube. L'invention a également pour objet une capsule cathodoluminescente constituée d'au moins une enveloppe, d'une cathode froide émettrice d'électrons par effet de champ, d'une anode et d'une grille de commande, l'enveloppe étant au moins formée d'une première paroi interne apte à recevoir des électrons émis par la cathode froide. La capsule comprend en outre : - une couche luminophore et une couche réfléchissante sur la première paroi interne, la couche luminophore étant intercalée entre la première paroi interne et la couche réfléchissante, la cathode étant placée de préférence face à la couche réfléchissante ; - une couche conductrice sur au moins une partie d'une deuxième paroi interne adjacente à la première paroi, assurant au moins une liaison électrique entre l'anode, la couche luminophore et la couche réfléchissante ; - une embase comprenant au moins des premier, deuxième et troisième conducteurs métalliques soudés respectivement à l'anode, la cathode et la grille de commande ; et - la cathode est formée d'au moins un nanotube de carbone et est une cathode froide de dimension nanométrique. La cathode froide est par exemple formée d'au moins un nanotube de carbone, ou de fibres de carbone, ou un film de carbone sous forme cristalline. De préférence, la grille de commande intègre un 30 getter permettant avantageusement de maintenir le vide dans la capsule. Selon un mode de réalisation, la deuxième paroi interne de l'enveloppe peut être tubulaire, d'épaisseur 35 au plus égale à 1 millimètre, de diamètre et de longueur compris entre 1 millimètre et 10 millimètres. L'invention a également pour objet un dispositif d'affichage comprenant au moins une pluralité d'éléments individuels d'affichage répartis en matrice sur un substrat, et un ensemble de moyens de contrôle de ces éléments individuels d'affichage, chaque élément individuel d'affichage étant une capsule cathodoluminescente telle que décrite ci-dessus. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation préféré de l'invention, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1 présente une coupe schématique d'une capsule cathodoluminescente selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; et - la figure 2 présente les principales étapes d'un procédé de fabrication selon un mode de réalisation 20 particulier de l'invention. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, la capsule 1 cathodoluminescente (ou tube électronique à cathode froide ou microtube), figure 1, 25 comprend notamment une enveloppe 10 scellée avec une embase 80, une cathode 20 (ou source) froide émettrice d'électrons par effet de champ, une anode 30 et une grille 40 de commande (ou électrode de commande). La cathode 20 froide peut être constituée de 30 nanotubes de carbone et peut présenter une structure telle que divulguée dans la demande FR 2 857 379. La cathode peut également être une pointe de métal, par exemple nickel ou tantale ou Kovar, sur laquelle poussent des nanotubes de carbone (ou CNT). 35 La grille 40 de commande, de préférence en pièce métallique et par exemple de forme annulaire ou en treillis, permet de contrôler l'émission d'électrons en contrôlant le champ électrique au voisinage de la cathode 20. De préférence, la grille est positionnée de façon symétrique par rapport à l'axe de la cathode. L'enveloppe 10 (ou ampoule) est par exemple en verre transparente, telle que les verres utilisés classiquement pour les tubes cathodiques, de forme tubulaire présentant par exemple un diamètre D de 8 millimètres, une longueur L de 8 millimètres, et une épaisseur e de 1 millimètre. L'enveloppe 10, de préférence ouverte, est par exemple formée d'une première paroi interne 101 destinées à recevoir les électrons émis par la cathode 20 froide. L'embase 80, de préférence en verre, comprend par exemple des premier, deuxième et troisième conducteurs métalliques soudés respectivement à l'anode, à la cathode et à la grille de commande. La capsule peut en outre comprendre : - une couche luminophore 50, matériau émettant de la lumière lorsqu'il reçoit des électrons d'énergie suffisante (par exemple du phosphore), sur la première paroi interne 101, la cathode étant placée en regard de la couche luminophore 50 ; - une couche réfléchissante 60 (par exemple d'aluminium ou d'argent) déposée telle que la couche luminophore 50 se trouve intercalée entre ladite première paroi interne 101 et cette couche réfléchissante 60, cette couche réfléchissante ayant l'avantage d'intensifier la lumière émise par les phosphores ; et - une couche conductrice 70 (par exemple du graphite ou du carbone) sur une deuxième paroi interne 102 adjacente à la première paroi interne 101, assurant au moins le contact entre l'anode 30 et la couche luminophore 50. De préférence, les couches luminophore 50 et 35 réfléchissante 60 sont déposées sur toute la surface de la première paroi interne 101. Cette capsule peut ainsi émettre une lumière constante de couleur rouge, verte ou bleue par excitation de phosphores à l'aide de faisceaux d'électrons générés par un émetteur à base de nanotube de carbone. Cette capsule 1 cathodoluminescente peut être réalisée selon un procédé de fabrication particulier, comprenant notamment les étapes suivantes (figure 2) . A : dépôt d'une couche luminophore 50 et d'une couche réfléchissante 60 au moins sur la première paroi interne 101, la couche luminophore 50 étant intercalée entre la première paroi interne 101 et la couche réfléchissante 60. Il est par exemple possible de déposer la couche de phosphore en utilisant les méthodes utilisées dans la fabrication des écrans cathodiques classiques. B : dépôt d'une couche conductrice 70 sur une deuxième paroi interne 102 adjacente à la première paroi interne 101, cette couche conductrice 70 étant au moins en contact avec la couche luminophore 50 ; L'enveloppe ainsi réalisée peut être nettoyée et stockée proprement jusqu'à l'assemblage finale. C : réalisation d'une embase 80 servant notamment à assurer le passage des différentes tensions de fonctionnement. L'embase 80 comprend au moins des premier, deuxième et troisième conducteurs métalliques 21, 31, 41 soudés respectivement à l'anode 30, à la cathode 20 et à la grille 40 de commande. De préférence, l'embase 80 est obtenue par pressage et fusion de verre autour des conducteurs métalliques dont la composition permet un scellement verre-métal. L'embase 80 est en outre munie d'une ouverture sur laquelle est soudé un tube 90 (de préférence également en verre) ouvert permettant d'effectuer la mise sous vide de la capsule. Toutes les électrodes (cathode 20, anode 30 et grille 40 de commande) sont soudées de préférence par laser sur les connecteurs de l'embase 80 afin de maintenir une position déterminée entre elles. De préférence, la position du connecteur de la cathode est décalée par rapport à la position du tube 90 de l'embase. D : assemblage de l'embase 80 avec l'enveloppe 10 pour former la capsule 1, l'anode 30 étant mise en contact avec la couche conductrice 70 et la cathode 20 étant placée en regard de la couche luminophore 50. Par exemple, une partie du verre de l'embase 80 et une partie du verre de l'enveloppe sont chauffées jusqu'à fusion. Ces parties en fusion sont ensuite positionnées et mise en contact, puis une rotation de l'embase et de l'enveloppe permet de mélanger ces deux parties en fusion. L'ensemble est refroidi pour assurer le scellement de l'embase avec l'enveloppe de manière étanche. L'assemblage doit en outre assurer une exacte position de l'émetteur en face des phosphores. E : la capsule est ensuite mise sur une pompe à vide via le tube 90 de l'embase 80. La mise sous vide peut consister à faire un vide secondaire (par exemple de l'ordre de 10-8 torr). F : Lorsque le vide secondaire est atteint, l'opération de scellement (ou fermeture) de la capsule est menée. Cette opération consiste par exemple à faire fondre une extrémité du tube 90 sur quelques millimètres de long qui en se rétractant se bouchera et maintiendra la capsule sous vide. La grille 40 de commande peut intégrer un getter actif. Ce getter (ou dégazeur) est une substance permettant de maintenir le vide à bon niveau en absorbant les gaz résiduels qui seraient restées dans la capsule après scellement du tube 90 de l'embase. Le getter permet d'autre part un maintien du niveau de vide tel qu'après l'opération de scellement. Une opération consistant à vérifier le bon fonctionnement de la capsule peut ensuite être menée. Pendant cette opération toutes les caractéristiques de performance et les principaux points de fonctionnement de la capsule pourront être ajustés. Ainsi réalisées, des capsules cathodoluminescentes pourront être utilisées dans la réalisation d'un dispositif d'affichage. De préférence, ce dispositif d'affichage comprend une pluralité de ces capsules cathodoluminescentes réparties en matrice sur un substrat, chaque capsule représentant de préférence un élément individuel d'affichage (ou pixel). Le substrat peut en outre comprendre un ensemble de moyens de contrôle de ces capsules. L'association de trois différentes capsules des trois couleurs rouge, vert et bleu, permettra de générer une image couleur et de réaliser un panneau de visualisation de grande dimension (par exemple de plus de 3 mètres) présentant une image vidéo de grande qualité. Dans le cas où l'écran présente une taille supérieure à 5,8 mètres par exemple, il aura une définition de type VGA (acronyme anglo-saxon de Video Graphics Array), vu à une distance suffisante pour la résolution visuelle soit très grande devant la taille des capsules. Le substrat pourra être un polymère flexible pour assurer au panneau une grande souplesse d'utilisation. Ces capsules pourront être utilisées dans la réalisation de panneau d'affichage publicitaire, grand écran de cinéma, information sportive et aéroportuaire. La taille de chaque capsule peut être optimisée pour garantir un assemblage matriciel optimum des points lumineux ou une balance des blancs (ou gamut) correcte, avec par exemple une taille plus grande pour les capsules émettant la lumière verte. De préférence, les phosphores sont conçus pour travailler à de basses tensions (de préférence moins de 10 kV). L'alimentation de la capsule pourra se faire à l'aide d'une tension de 2 à 5 kV pour fournir un courant d'au moins 100pA pour exciter les luminophores. Les caractéristiques électroniques de cette capsule peuvent par exemple être : - tension d'anode : 2 à 5 kV - densité d'émission : 1 A/cm' (pour une émission à partir d'une cathode froide à nanotube de carbone) Le faisceau ainsi généré permet de fournir par les phosphores une intensité lumineuse supérieure à 500 cd/m'. Avantageusement, le faisceau d'électrons émis de la cathode vers la paroi fait un angle a compris de préférence entre 10 et 20 degrés, par exemple 15 degrés. 25 Ces caractéristiques peuvent également permettre de dimensionner la cathode, la grille de commande, ainsi que les distances entre la cathode, la grille de commande et la couche de phosphore. 30 Avantageusement, les dimensions de la capsule peuvent être les suivantes : - diamètre d du tube 90 de l'embase : 3mm Par exemple, les épaisseurs des couches luminophore, réfléchissante et conductrice 50, 60, 70 sont respectivement de 0,2mm, 0,2 mm et 0,3 mm. Le getter est par exemple réalisé à base de métal baryum poreux et peut être soudé par laser sur une des parois de la grille 40 dans l'ombre du passage du faisceau d'électron. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une capsule (1) cathodoluminescente comprenant au moins une enveloppe (10), une cathode (20) froide émettrice d'électrons par effet de champ, une anode (30) et une grille (40) de commande, l'enveloppe étant au moins formée d'une première paroi interne (101) apte à recevoir les électrons et disposée face à la cathode (20), caractérisé en ce qu'il comprend au moins les étapes de . - dépôt (A) d'une couche luminophore (50) et d'une couche réfléchissante (60) au moins sur la première paroi interne (101), la couche luminophore (50) étant entre la première paroi (101) et la couche réfléchissante (60) ; - dépôt (B) d'une couche conductrice (70) sur au moins une partie d'une deuxième paroi interne (102) adjacente à la première paroi, la couche conductrice étant au moins en contact avec la couche luminophore ; - réalisation (C) d'une embase (80) portant au moins l'anode (30), à la cathode (20) et à la grille (40) de commande, l'embase étant en outre muni d'un tube (90) ouvert ; - assemblage (D) de l'embase (80) avec l'enveloppe (10) pour fermer et former la capsule, l'anode (30) étant mise en contact avec la couche conductrice (70) et la couche luminophore (50) étant placée en regard de la cathode (20) ; - mise sous vide (E) de la capsule via le tube (90) de l'embase ; et - scellement (F) de la capsule par fermeture du tube (90) de l'embase. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enveloppe (10) et l'embase (80) sont en verre, eten ce que la réalisation (C) de l'embase comprend au moins les étapes de : - pressage et fusion de verre autour de trois conducteurs métalliques ; et - soudage de l'anode, de la cathode et de la grille de commande sur respectivement le premier, le deuxième et le troisième conducteurs métalliques. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé 10 en ce que l'étape d'assemblage (D) comprend au moins des étapes de : - chauffage jusqu'à fusion d'une partie du verre de l'embase et d'une partie du verre de l'enveloppe ; - positionnement et mise en contact des parties en 15 fusion du verre de l'embase et du verre de l'enveloppe ; - rotation de l'embase et de l'enveloppe pour mélanger les deux parties en fusion ; - refroidissement de l'ensemble pour assurer le scellement de l'embase avec l'enveloppe de manière 20 étanche. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mise sous vide (E) de la capsule consiste à faire un vide secondaire. 25 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le scellement (F) du tube de l'embase est réalisé par fonte de l'extrémité extérieure du tube de l'embase sur quelques millimètres de long 30 pour boucher le tube. 6. Capsule (1) cathodoluminescente comprenant au moins une enveloppe (10), une cathode (20) froide émettrice d'électrons par effet de champ, une anode (30) et une 35 grille (40) de commande, l'enveloppe étant au moins formée d'une première paroi interne (101) apte àrecevoir les électrons émis par la cathode froide, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre : - une couche luminophore (50) et une couche réfléchissante (60) sur la première paroi interne (101), la couche luminophore étant intercalée entre la première paroi interne et la couche réfléchissante, la cathode étant placée face à la couche réfléchissante ; - une couche conductrice (70) sur au moins une partie d'une deuxième paroi interne (102) adjacente à la première paroi, et assurant au moins une liaison électrique entre l'anode, la couche luminophore et la couche réfléchissante ; - une embase (80) comprenant au moins des premier, deuxième et troisième conducteurs métalliques (21, 31, 41) soudés respectivement à l'anode, la cathode et la grille de commande. 7. Capsule selon la revendication 6, caractérisée en ce que la cathode (20) froide est formée par au moins un nanotube de carbone, ou des fibres de carbone ou un film de carbone sous forme cristalline. 8. Capsule selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que la grille (40) de commande intègre un getter. 25 9. Capsule selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que la deuxième paroi interne (102) de l'enveloppe (10) est tubulaire d'épaisseur au plus égale à 1 millimètre, de diamètre et de longueur 30 compris entre 1 millimètre et 10 millimètres. 10. Dispositif d'affichage comprenant au moins une pluralité d'éléments individuels d'affichage répartis en matrice sur un substrat, et un ensemble de moyens de 35 contrôle de ces éléments individuels d'affichage,caractérisé en ce que chaque élément individuel d'affichage est une capsule (1) cathodoluminescente selon l'une des revendications 6 à 9.