Brevet FR2971345A1 — publié le 20120810

AFFICHEUR SEQUENTIEL COULEUR A ECLAIRAGE PAR DIODES ELECTROLUMINESCENTES ORGANIQUES L'invention concerne les écrans d'affichage à cristaux liquides (écrans LCD) fonctionnant en transmission, c'est-à-dire dans laquelle une source d'éclairage arrière est placée derrière une matrice de pixels à cristal liquide, l'oeil observant l'image par l'avant de la matrice. L'invention s'applique en particulier aux écrans de très petite dimension utilisés par exemple dans des lunettes ou casques dans lesquels l'oeil de l'observateur est placé très près de la matrice. Pour ces applications embarquées, la question de la consommation d'énergie de l'écran, et donc de la source de lumière, est très importante et on cherche à la réduire le plus 1 o possible. Une des manières de limiter la consommation dans les écrans d'affichage couleur consiste en premier lieu à utiliser un mode de fonctionnement dit "séquentiel couleur", dans lequel la matrice de pixels est 15 une matrice monochrome (sans filtres de couleur sur les pixels individuels) et la source de lumière comprend trois sources de couleurs différentes allumées l'une après l'autre au cours d'un tiers de trame chacune ; pendant qu'une source est allumée, l'information appliquée à chacun des pixels de la matrice correspond à la proportion de la couleur considérée qui doit être 20 restituée par le pixel ; puis on allume une source d'une autre couleur et on remplace l'information appliquée aux pixels par une information différente correspondant à la nouvelle couleur. L'oeil intègre le changement rapide d'image qui résulte de ces changements d'information et de couleur d'éclairage. Il n'y a plus besoin de placer un filtre coloré devant chaque pixel 25 pour former des groupes de trois points de couleur dont la combinaison forme un point d'image coloré. On gagne sur le rendement lumineux qui était détérioré par ces filtres. Les trois sources de lumière sont réunies dans un boîte à lumière placée derrière la matrice et elles sont allumées séquentiellement. Le plus 30 souvent, la boîte à lumière comporte des sources placées sur le côté de la boîte et un panneau réflecteur-diffuseur placé derrière la matrice, qui renvoie la lumière vers la matrice. Pour de très petits afficheurs, les sources peuvent être constituées chacune par une seule diode électroluminescente (LED) émettant dans la couleur désirée lorsque c'est son tour d'émettre. L'homogénéité de l'éclairage de l'ensemble de la matrice par une seule LED provient entièrement des qualités de diffusion du panneau réflecteur-diffuseur. On pourrait imaginer de remplacer la LED unique et le panneau réflecteur-diffuseur par un réseau de LEDs disposées les unes à côté des autres derrière la matrice pour former un plan lumineux éclairant directement l'arrière de la matrice, mais cette solution est complexe. Un diffuseur est de toutes façons nécessaire pour uniformiser le plan lumineux car on en peut pas diminuer indéfiniment le pas des LEDs pour donner l'illusion d'un éclairage uniforme. En particulier, on ne sait pas faire par des technologies monolithiques un réseau très denses de LEDs émettant dans plusieurs couleurs différentes car la technologie dépend de la couleur de sorte que des technologies différentes devraient être mises en oeuvre dans le même substrat. Un but de l'invention est de réaliser un afficheur avec une boîte à 20 lumière adaptée notamment aux écrans de petite dimension (quelques centimètres de côté), et pouvant être fabriquée à faible coût. Selon l'invention on propose un afficheur comportant une matrice de pixels à cristal liquide monochrome et fonctionnant en mode séquentiel couleur, l'afficheur comportant plusieurs sources d'éclairage arrière 25 correspondant chacune à une couleur respective, caractérisé en ce que les sources sont formées dans un même plan parallèle au plan de la matrice et comprennent chacune une série de zones émissives régulièrement réparties, intercalées entre les zones émissives des autres sources et occupant sensiblement tout l'espace laissé libre par les zones des autres sources, les 30 zones émissives d'une série étant formées par une couche organique d'une diode électroluminescente organique (OLED) émettant dans la couleur respective correspondant à la série considérée, les zones étant superposées à une électrode respective, permettant une commande d'émission indépendante globale pour chacune des séries. De préférence, l'électrode est une électrode transparente, située par rapport à la couche émissive du côté de la matrice à cristal liquide. Une contre-électrode générale réfléchissante, par exemple en aluminium, est située de l'autre côté de la couche organique. Les zones émissives sont de préférence des bandes parallèles étroites régulièrement réparties, les électrodes étant constituées en forme de peignes interdigités, les doigts d'un peigne donné recouvrant les bandes de la série correspondant à une couleur respective. Les zones émissives juxtaposées de couleurs différentes occupent sensiblement la totalité de la surface plane située derrière la matrice. Ce ne sont donc pas des zones ponctuelles séparées de leurs voisines de couleurs différentes. Les zones voisines ne se recouvrent pas ou pratiquement pas pour ne pas risquer de mélanger les couleurs émises lors de l'activation d'une électrode correspondant à une couleur. Il y a de préférence trois séries de bandes émissives correspondant à trois couleurs primaires, les bandes étant réparties avec un pas à peu près égal à trois fois leur largeur. Les électrodes sont alors constituées dans deux couches conductrices superposées : une première couche conductrice comprenant les électrodes interdigitées correspondant à la première et à la deuxième séries de zones, et une deuxième couche conductrice comprenant l'électrode correspondant à la troisième série de zones et isolée par une couche électriquement isolante de la première couche là où l'électrode de la troisième série croise les électrodes de la première ou a deuxième série. L'afficheur peut dans des cas exceptionnels (affichage bicolore) ne comporter que deux sources de couleurs différentes constituées en deux séries de bandes parallèles étroites juxtaposées ; les électrodes sont alors constituées en forme de peignes interdigités, les doigts d'un peigne donné recouvrant les bandes de la série correspondant à une couleur respective ; les électrodes correspondant aux deux séries de zones sont dans ce cas formées dans une seule couche conductrice gravée selon le motif des peignes interdigités. Quel que soit le nombre de couleurs de la boîte à lumière, les zones émissives sont de préférence distribuées avec un pas inférieur à la moitié de la distance séparant les bandes émissives du cristal liquide de la matrice, afin d'assurer une bonne uniformité d'éclairement de la matrice par chacune des couleurs. Un pas égal à un tiers de cette distance est une bonne valeur. Par exemple, pour trois couleurs, les bandes peuvent avoir une largeur inférieure à 100 micromètres et être espacées de 300 micromètres, pour une distance d'environ 1 à 2 millimètres entre la couche organique émissive et le cristal liquide. La largeur des bandes est de préférence compatible avec les procédés de dépôt classiques par évaporation à travers un masque, et une largeur d'environ 100 micromètres convient. Un film polariseur est en principe interposé entre la boîte à lumière et la matrice à cristal liquide si la matrice n'en est pas déjà pourvue. Différentes autres couches favorisant la transmission directionnelle de lumière vers l'avant de la matrice peuvent être interposées entre les diodes organiques électroluminescentes et la matrice à cristaux liquides, en particulier un ou des films d'augmentation de luminance (films à prismes), une lame quart d'onde ; ou des combinaisons de ces couches. Le film polariseur peut être de type réflectif. La transparence naturelle des diodes électroluminescentes organiques favorise très avantageusement les possibilités de renvoyer vers l'arrière puis vers l'avant avec l'orientation et/ou la polarisation désirée la lumière qui n'a pas la polarisation ou l'orientation désirée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux 25 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente la structure générale de l'afficheur à cristal liquide ; - la figure 2 représente la structure de la couche organique organisée en bandes parallèles ; 30 - la figure 3 représente la structure des électrodes transparentes permettant de commander séparément les séries de bandes correspondant à chacune des couleurs primaires ; - la figure 4 représente une structure d'afficheur avec des films d'amélioration de la luminance interposés entre la couche émissive et la 35 matrice ; - la figure 5 représente une structure d'afficheur avec d'autres films interposés entre la couche émissive et la matrice. Sur la figure 1, on a représenté la structure générale de l'afficheur avec sa matrice à cristal liquide monochrome. La matrice 10 de pixels est formée par exemple entre une plaque transparente inférieure 20 (par exemple en verre) et une plaque transparente supérieure 30 (par exemple en verre également). Le détail de cette matrice, des pixels, des connexions permettant de la faire fonctionner, n'est pas représenté. Dans cet exemple, l'afficheur est un petit afficheur de quelques centimètres de côté, voire même quelques millimètres de côté, fabriqué selon des techniques d'intégration collective (technologie LCOS notamment). Si on considère l'orientation du dessin sur la figure 1, l'afficheur est destiné à être observé par-dessous, c'est-à-dire par le côté de la plaque inférieure 20. Une boîte à lumière, qui peut également être fabriquée par des technologies d'intégration collective, est collée sur la face supérieure de l'afficheur, donc sur la face supérieure de la plaque 30. Des films sur lesquels on reviendra plus loin peuvent être interposés entre la boîte à lumière et la plaque 30. Un film polariseur 35 sera prévu entre la plaque 30 et la boîte à lumière, étant donné que la matrice de pixels doit en général être éclairée par une lumière polarisée (sauf si la matrice contient déjà un polariseur en amont de la couche à cristal liquide 10). La boîte à lumière selon l'invention est constituée à partir d'une couche organique émissive, pouvant émettre plusieurs couleurs. La technologie est la technologie OLED dans laquelle l'émission de lumière est assurée par des diodes électroluminescentes organiques composées de fines couches de matériaux, parmi lesquelles au moins une couche organique (très peu épaisse : moins d'un micromètre d'épaisseur) ayant des propriétés de fluorescence, entre deux électrodes qu'on appellera anode et cathode. L'une des électrodes est réfléchissante, et l'autre est transparente. Lorsque la différence de potentiel est suffisante, un courant passe entre les électrodes et les recombinaisons de paires électrons-trous dans le matériau génèrent une émission lumineuse. Les différences de potentiel permettant cette émission sont de quelques volts. Dans l'exemple simple représenté à la figure 1, la boîte à lumière est formée sur un substrat transparent 40, par exemple en verre, dont la face inférieure est collée sur la plaque 30 de l'afficheur (avec interposition éventuelle d'un film polariseur 35). Des électrodes conductrices transparentes, de préférence en oxyde d'indium étain (ITO) sont déposées sur la plaque 40. Elles sont formées dans une couche d'ITO 42 et configurées de manière à pouvoir être commandées individuellement. Il y a en pratique trois électrodes électriquement indépendantes les unes des autres, et pour faire ces trois électrodes on peut avoir besoin de deux couches différentes d'ITO isolées électriquement l'une de l'autre. On reviendra plus loin sur la configuration des électrodes et sur la manière de les isoler les unes des autres. Au-dessus des électrodes transparentes est formée la structure organique émissive proprement dite, capable d'émettre trois couleurs. Cette structure est représentée à la figure 1 sous forme d'une couche unique 44 divisée en zones correspondant aux différentes couleurs. Les couleurs émises sont de préférence les trois couleurs primaires rouge, vert bleu, désignées par R,V,B sur la figure 1. Le matériau émissif proprement dit de la structure multicouche qui compose I'OLED est différent selon la couleur à émettre. La couche 44 est classiquement une couche multiple permettant l'effet émissif sous l'action d'un champ électrique ; le champ électrique est produit par une différence de potentiel (inférieure à 10 volts) entre les électrodes encadrant cette couche. L'émission se produit sur toute la surface de couche recouverte par l'électrode. Enfin, au-dessus de la couche organique émissive 44, est déposée une couche de matériau conducteur réfléchissant 46, de préférence de l'aluminium. Cette couche 46 est uniforme et constitue une contre-électrode commune en regard des différentes électrodes de la couche d'ITO. La figure 2 représente en vue de dessus la structure de la couche organique émissive 44. La couche comporte des séries de zones qui sont ici des bandes allongées juxtaposées occupant toute la surface d'un plan situé derrière la matrice de pixels de manière que la matrice soit uniformément éclairée sur toute sa surface. Chaque série correspond à une couleur respective et on a indiqué ces couleurs par les lettres R,V,B sur la figure 2 comme sur la figure 1. Les bandes de couleurs différentes sont alternées régulièrement pour répartir aussi uniformément que possible chacune des couleurs sur toute la surface de la matrice. Dans l'exemple représenté, les couleurs sont réparties en bandes étroites ayant une largeur de préférence inférieure à 100 micromètres. Le pas des bandes est constant et approximativement égal à trois fois la largeur des bandes, soit environ 300 micromètres au plus pour des bandes de 100 micromètres de large. La largeur doit être la plus faible possible pour favoriser l'uniformité de l'éclairement mais suffisante quand même pour 1 o permettre un dépôt par une technologie ordinaire telle qu'une évaporation à travers un masque. Les bandes R,V,B sont constituées dans un seul niveau général de couche 44 comme on le voit sur la figure 1. Elles sont déposées 15 successivement et remplissent toute la surface du plan. Si l'épaisseur cumulée de la plaque transparente 40 (supportant la couche émissive) et de la plaque arrière 30 de la matrice à cristal liquide est au moins deux fois, et de préférence trois ou quatre fois supérieure au pas des bandes d'une même couleur, on peut considérer que l'éclairement de la 20 matrice par les bandes d'une couleur est presque uniforme. L'uniformité est d'autant meilleure que le rapport entre cette épaisseur et le pas des bandes est plus élevé. En effet, les couches émissives peuvent être considérées comme lambertiennes ; elles émettent pratiquement dans toutes les directions (y compris vers l'arrière, la lumière arrière étant renvoyée vers 25 l'avant par l'électrode réfléchissante 46 en raison de la nature essentiellement transparente des structures formant la diode OLED). Avec une distance d'environ 1 millimètre, l'uniformité d'éclairement est très bonne avec un pas de bandes de 300 micromètres. Cette distance de 1 mm peut facilement être obtenue compte-tenu de l'épaisseur des 30 plaques transparentes 30 et 40. La figure 3 représente une vue de dessous d'un exemple de constitution des électrodes qui permettent d'engendrer une émission lumineuse. Une électrode respective est superposée à chacune des séries 35 de bandes correspondant à une couleur respective. La première électrode EV correspond à la couleur verte V et elle forme un premier peigne dont les doigts sont superposés à toutes les bandes V de la couche organique émissive 44 et occupent à peu près toute la surface de ces bandes. La deuxième électrode EB correspond à la couleur bleue et forme un deuxième peigne interdigité dont les doigts sont adjacents aux doigts de l'électrode EV mais n'occupent pas tout l'espace laissé libre par ces derniers puisqu'il faut encore réserver une place pour la troisième électrode. Ces deux premières électrodes peuvent être formées par une seule couche conductrice gravée chimiquement ou par laser. Les deux électrodes sont complètement séparées électriquement l'une de l'autre pour permettre une commande individuelle. La troisième électrode ER est représentée par commodité à côté de la structure, sur la droite de la figure 3, mais sa place est en superposition avec la série de bandes émissives rouges (R). Elle est formée dans une deuxième couche conductrice pour pouvoir relier électriquement entre elles toutes les bandes correspondant à la troisième couleur primaire sans court-circuit avec les deux premières électrodes. La deuxième couche conductrice est isolée de la première aux endroits (représentés par des rectangles pointillés) où la troisième électrode croise des parties de la première ou la deuxième électrode. Le dos du peigne d'électrodes ER pourrait être complètement superposé au dos du peigne EB et dans ce cas, il faudrait isoler les deux couches conductrices le long de tout le dos du peigne. Dans le fonctionnement en séquentiel couleur, on appliquera successivement aux électrodes EV, EB, ER une tension provoquant l'émission lumineuse, ceci pendant un tiers de trame pour chaque électrode, et on appliquera en même temps aux pixels de la matrice le motif de signaux correspondant à la composante de couleur respective dans l'image à réaliser. On peut utiliser avantageusement le fait que les diodes OLED sont de nature essentiellement transparente à la lumière pour prévoir des moyens de récupération de la lumière émise dans une direction qui ne serait pas orientée vers la matrice à cristal liquide ou émise avec une polarisation qui ne serait pas celle que laisse passer le film polariseur 35. Dans un exemple représenté à la figure 4, on interpose entre la 35 plaque supérieure 30 de la matrice de pixels et la plaque transparente de la boîte à lumière non seulement un film polariseur 35 mais aussi un ou deux films d'augmentation de brillance (en anglais : "brightness enhancement film" BEF). Ces films sont des films transparents dont la surface est plane du côté de l'entrée de la lumière (du côté des bandes émissives) mais prismatique du côté de sortie de la lumière. Ils laissent passer la lumière orientée sensiblement perpendiculairement au plan et ils renvoient la lumière vers l'arrière si l'orientation s'écarte notablement de la normale au plan. Ils ont donc pour rôle de favoriser la transmission de lumière dans une direction privilégiée. Dans cet exemple, le film polariseur 35 est de préférence un polariseur réflectif qui a la propriété de réfléchir vers l'amont environ 950/0 de la lumière polarisée dans une direction et de laisser passer environ 850/0 de la lumière polarisée dans l'autre direction. La lumière réfléchie par le polariseur est renvoyée à travers les couches émissives, puis elle se réfléchit sur l'électrode d'aluminium 46 et repasse à travers les couches émissives ; dans ce trajet une nouvelle fraction peut passer à travers le polariseur réflectif mais la lumière non transmise continue à être recyclée à travers les couches émissives et sur l'électrode arrière réfléchissante. Les films d'augmentation de brillance peuvent être des films dont les prismes sont formés selon des lignes parallèles horizontales ou verticales. Dans cet exemple, on superpose deux films 31 et 33 orientés l'un verticalement, l'autre horizontalement. La figure 5 représente un autre exemple dans lequel on associe le polariseur réflectif 35 à une lame quart d'onde 37. Le polariseur laisse passer une première polarisation et réfléchit l'autre ; la lame quart d'onde transforme la polarisation linéaire de la lumière réfléchie par le polariseur en une polarisation circulaire droite ou gauche qui, après réflexion sur la contre-électrode métallique devient une polarisation circulaire inversée (gauche ou droite) ; la lumière retraverse alors la lame quart d'onde et sa polarisation redevient linéaire mais orthogonale à la première ; elle peut passer à travers le polariseur. Dans toutes ces réalisations on ne prévoit pas de diffuseur entre la source émissive et la matrice, l'uniformité de l'éclairement de la matrice résultant directement du pas étroit des bandes émissives (par rapport à la distance entre la couche organique et le cristal liquide). La présence de films d'augmentation de brillance améliore l'uniformité de l'éclairement sans que ces films aient une fonction principale de diffuseurs. L'afficheur selon l'invention peut avantageusement se substituer à des afficheurs AMOLED c'est-à-dire des afficheurs à matrice active sans source d'éclairage arrière, dont les pixels sont constitués par des OLEDs, et ceci tout particulièrement dans le cas d'afficheurs de très petites dimensions (microafficheurs ou en anglais microdisplays). En effet, dans ces matrices AMOLED on ne sait pas déposer séparément sur les pixels des couches organiques de couleurs différentes, à cause de la très faible dimension des pixels (5 à 15 micromètres de côté). Il faut donc déposer une couche mixte émettant de la lumière blanche et ensuite assembler la matrice de pixels avec une matrice de filtres colorés. Outre le problème de la perte de luminance due aux filtres colorés, on a un problème de précision d'assemblage (à mieux qu'un micromètre près) de la matrice de pixels avec la matrice de filtres colorés. Dans l'afficheur selon l'invention, il n'y a pas ce problème. La source d'éclairage arrière n'a pas besoin d'être positionnée à mieux que 100 20 micromètres près à l'arrière de la matrice. Un autre point important est le fait que l'équilibrage des couleurs est beaucoup plus facile (équilibrage pour obtenir le blanc) dans l'afficheur selon l'invention. L'équilibre des couleurs repose sur la réponse luminance-courant des diodes électroluminescentes. Or les réponses sont différentes 25 selon les couleurs et ne sont pas linéaires. Dans une matrice AMOLED on ne peut pas obtenir le même blanc à faible luminance et à forte luminance. En pratique, pour une matrice donnée recevant une information d'image colorée standard, on constate que le blanc à faible luminance est fortement teinté de rouge, alors que le blanc à forte luminance est fortement teinté de bleu. 30 Dans l'afficheur selon l'invention, les diodes OLED sont alimentées à courant constant, les courants étant choisis pour que le mélange de couleurs produise une émission bien blanche (à haute luminance). Ce blanc à haute luminance sera atténué par la matrice en fonction de l'image à projeter, sans modification de l'équilibre des couleurs. 35 REVENDICATIONS1. Afficheur à matrice de pixels à cristal liquide monochrome fonctionnant en mode séquentiel couleur et comportant plusieurs sources d'éclairage arrière correspondant chacune à une couleur respective, caractérisé en ce que les sources sont formées dans un même plan parallèle au plan de la matrice et comprennent chacune une série de zones émissives régulièrement réparties (R,V,B), intercalées entre les zones émissives des autres sources et occupant sensiblement tout l'espace laissé libre par les zones des autres sources, les zones émissives étant formées par la couche organique (44) d'une diode électroluminescente organique émettant dans la 1 o couleur respective correspondant à la série considérée et étant superposées à une électrode respective (ER, EV, EB) permettant une commande d'émission indépendante pour chacune des séries. 2. Afficheur selon la revendication 1, caractérisé en ce les 15 zones émissives comportent des bandes parallèles étroites régulièrement réparties, les électrodes étant constituées en forme de peignes interdigités, les doigts d'un peigne donné recouvrant les bandes de la série correspondant à une couleur respective. 20 3. Afficheur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte trois séries de bandes émissives correspondant à trois couleurs primaires, les bandes étant réparties avec un pas égal à sensiblement trois fois leur largeur. 25 4. Afficheur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les électrodes sont constituées dans deux couches conductrices, une première couche conductrice comprenant les électrodes interdigitées (EV, EB) correspondant à la première et à la deuxième séries de zones et une deuxième couche conductrice comprenant l'électrode (ER) correspondant à 30 la troisième série de zones et étant isolée par une couche électriquement isolante de la première couche là où l'électrode de la troisième série croise les électrodes de la première ou a deuxième série. 5. Afficheur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte seulement deux sources de couleurs différentes, en ce que les zones émissives comportent des bandes parallèles étroites régulièrement réparties, les électrodes étant constituées en forme de peignes interdigités, les doigts d'un peigne donné recouvrant les bandes de la série correspondant à une couleur respective, et en ce que les électrodes correspondant aux deux séries de zones sont formées dans une seule couche conductrice. 6. Afficheur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les bandes émissives sont distribuées avec un pas inférieur à la moitié de la distance séparant les bandes du cristal liquide de la matrice. 7. Afficheur selon la revendication 6, caractérisé en ce que les bandes émissives ont une largeur inférieure à 100 micromètres. 8. Afficheur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un film polariseur transmissif (35) est interposé entre les diodes organiques électroluminescentes et la matrice à cristaux liquides. 9. Afficheur selon la revendication 8, caractérisé en ce que le film polariseur est un film polariseur réflectif. 10. Afficheur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une lame quart d'onde est interposée entre les diodes organiques électroluminescentes et le polariseur réflectif. 11. Afficheur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'au moins un film d'augmentation de luminance à prismes (31, 33) est interposé entre les diodes organiques électroluminescentes et la matrice à cristaux liquides.35