Brevet FR3027149A1 — publié le 20160415

- 1 - Le domaine technique de l'invention est un écran enroulable et découpable, pour l'éclairage et l'affichage, qui produit de la lumière par émission de champ dans des tubes cathodiques dont l'enceinte et la source d'électrons sont en nanotubes de carbone. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, avantages, caractéristiques de 5 celle-ci apparaîtront plus clairement, grâce aux schémas en annexe qui illustrent des préférences de réalisation données à titre non limitatif. L'échelle des composants n'est pas proportionnelle dans les schémas. La figure 1 « Matrice de pixels composés de nanotubes cathodiques », montre la disposition des pixels RVB, et représente les nanotubes cathodiques dans un pixel. 10 La figure 2 « Nanotubes cathodiques du pixel », montre la composition d'un nanotube cathodique, avec l'enceinte formée par les feuillets de CNT isolants, et la source d'électrons constituée de CNT en fagot. La figure 3 « Composants de l'écran », montre une coupe de la superposition fonctionnelle des éléments. 15 L'état de la technique antérieure se concentre essentiellement sur les écrans à émission de champ et sur les écrans souples. Des écrans à émission de champ (FED) ont été développés par Pixtech jusqu'en 1999, et par Sony jusqu'en 2009. Dans les écrans FED, les pixels émettent de la lumière quand leur photophore est activé par l'émission électronique de cathodes à effet de champ, en micro-pointes métalliques. Chaque pixel a sa 20 propre source d'électrons, ce qui n'est pas le cas des écrans à tube cathodique (CRT). L'émission d'électrons est activée par différence de potentiel à l'intersection des lignes d'adressage hautes et basses. On obtient ainsi un écran plat et sans balayage, qui a la très bonne qualité d'image des CRT, avec une meilleure efficacité énergétique, et dont l'angle de vision est plus ouvert que celui des écrans à cristaux liquides (LCD). Cependant, en 25 raison notamment de problèmes d'interférence entre les sources d'émissions électroniques, la technologie FED à base de micropointes a été abandonnée par Pixtech. La technologie NED (nano émissive display) développée par Motorola, dispose un treillis de nanotubes émissifs perpendiculairement à un substrat en verre. Elle est en cours de développement. Les FED ne sont pas adaptés aux écran souples, car l'écran doit être sous vide pour 30 permettre l'émission électronique, et par conséquent il est rigide. Cependant ces technologies sont prometteuses : l'illumination est suffisante pour voir en plein jour, et la qualité chromatique de la lumière est nettement supérieure à celles des autres technologies d'écran. Les diodes électroluminescentes organiques (OLED) permettent de développer des 35 écrans minces et flexibles. Le premier brevet a été déposé en 1987 par la société Kodak, et 3027149 - 2 - la première application commerciale est apparue en 1997. Un composant OLED superpose plusieurs couches de matériaux organiques entre une cathode et une anode transparente en oxyde d'indium-étain (ITO). Les couches minces organiques sont formées d'une couche de transport de trous (HTL), d'une couche d'émission (EML) et d'une couche de transport d'électrons (ETL). Sous tension, les électrons et les trous sont injectés dans la couche EML, où ils se combinent pour former des excitons qui provoquent l'électroluminescence. Les luminophores sont principalement dérivés du PPV « poly[p-phénylène vinylènel » et du « poly[fluorène] ». La fabrication OLED ne nécessite pas de dépôt sous vide, et les molécules actives sont posées sur le substrat par imprimante. La technologie des FOLED (Flexible Organic Light-Emitting Diode), en cours de développement pourrait permettre de fabriquer des écrans enroulables. La technologie des AMOLED (Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode), déploie une matrice active à diodes électroluminescentes organiques. Cependant, les OLED sont fragiles et se dégradent vite. Ils ne sont utilisés que sur des produits de petite taille et à durée de vie courte ou moyenne (téléphone, tablette, appareil photo). La qualité chromatique de l'image est inférieure à celle des FED. Les LED (Light-Emitting Diode), sont des diodes électroluminescentes optoélectroniques qui émettent de la lumière lorsqu'elles sont parcourues par un courant électrique. Les LED sont utilisées dans les écrans LCD en rétro-éclairage. L'association de trois LED, rouge, verte et bleue (RVB), produit une lumière blanche. La balance des couleurs est réglée indépendamment de la dalle LCD. Il est envisagé de placer une LED RVB à chaque point de l'écran, ce qui remplacerait l'écran LCD. Cependant, le rendement lumineux des LED est affecté par la température, ce qui implique un système de dissipation thermique pour les modèles de forte puissance. Les plus petites LED sont trop grosses pour composer des écrans de petite taille. Les écrans à base de LED sont épais et rigides. Un écran souple à émission de champ (FED) a été étudié par la société iNanov en 2002, suivant les brevets de l'auteur de la présente invention. Le principe repose sur de petits tubes cathodiques placés à chaque pixel, et disposés dans un substrat souple. Les sources d'électrons sont en nanotubes de carbone (CNT). Chaque pixel à sa propre source. Elle est confinée dans une capsule de verre sous vide, surmontée d'un photophore. On a ainsi réalisé et fait fonctionner un tube cathodique de 2mm de diamètre. Mais la taille du pixel est difficilement réductible, car la capsule de verre sous vide limite la miniaturisation. La technique conviendrait à des écrans de très grands formats qui se voient de loin, mais pas à ceux des téléphones et des tablettes. L'écran est flexible, mais il n'est pas enroulable. En grande taille, il est lourd. 3027149 - 3 - La présente invention franchit un cap technologique. Elle permet l'émission d'électrons dans un substrat mince et souple, grâce à des tubes cathodiques dont l'enceinte et la source d'électrons sont réalisées avec des nanotubes de carbone. L'invention est de la famille FED, mais elle s'affranchit des limites. En effet, c'est le confinement sous vide d'un 5 écran FED qui nécessite qu'il soit étanche et rigide. De même, c'est la capsule sous vide de l'écran iNanov qui implique de gros pixels. À la question « pourquoi une capsule en verre ? », oh conclut que c'est pour tenir le vide. Et « pourquoi le vide ? », parce que l'émission d'électrons ne peut se faire que dans le vide. Or, il en est tout autrement à l'échelle nanométrique. Pour comprendre la différence entre une capsule de 2mm et une 10 autre de 2 nm (nanomètre), on calcule le rapport entre la surface et le volume de chacune, et on les compare. On constate que ce rapport n'est pas constant, et qu'il est beaucoup plus élevé dans la nano-capsule. En effet, le volume d'une capsule se réduit plus vite que sa surface lorsque le rayon diminue. Dans la nano-capsule, le volume est 1 million de fois plus petit relativement à sa surface, que dans la grande. Ce qui implique des réactions 15 différentes lors de l'émission d'électrons. Ce phénomène a été décrit dans « On Growth and Form » de D'Arcy Thompson, en 1961. Il constitue l'une des bases de la morphogenèse. Par conséquent, la question du vide ne se pose pas dans la nano-capsule comme elle s'impose dans la capsule de 2mm. Dans la présente invention, chaque source d'émission est confinée dans une 20 enceinte, afin d'empêcher les interférences. L'enceinte est formée par des nanotubes de carbone (CNT) multifeuillets, non conducteurs par chiralité. Au centre de l'enceinte, la source d'électrons est composée de CNT en fagot. L'ensemble constitue un nanotube cathodique (fig.2). Il y a une pluralité de tubes cathodiques dans chaque point lumineux (pixel) de l'écran. 25 Dans cette invention, l'écran est composée de pixels régulièrement espacés et isolés les uns des autres. Trois pixels, respectivement rouge, vert et bleu (RVB), disposés de préférence en trèfle, forment un point coloré RVB (fig.1). Le plateau des tubes cathodiques d'un pixel est au contact d'un film souple d'alimentation (-). Les photophores qui recouvrent les pixels sont imprimés sur un film conducteur (+), souple et transparent. 30 Une différence de potentiel entre les couches d'alimentation hautes et basses, active les sources d'électrons. Le dessous de l'écran est un film isolant (fig.3). L'écran est mince, souple et enroulable. Dans le but d'adresser uniformément l'écran sans perte de puissance dans un format de grande taille (cinéma, architecture), et afin de pouvoir découper l'écran sans 35 sectionner les lignes et les colonnes d'adressage, les pixels sont adressés et régulés 3027149 - 4 - individuellement par voie hertzienne. Chaque pixel a un identifiant unique, enregistré sur un microcircuit. Le dispositif d'adressage est placé au pied du pixel, entre le plateau des tubes cathodiques et le film d'alimentation-basse. La réception du signal hertzien s'opère avec un oscillateur. Un interrupteur connecte le film d'alimentation basse (-) au plateau des sources 5 d'électrons (fig.3). Pour l'éclairage, l'écran émet une lumière blanche (RVB), modulable en teinte et en intensité avec un boîtier de commande sans fil. L'écran se colle comme une toile au plafond d'une maison et l'éclaire. En plaçant une caméra sur le toit, le ciel passe au plafond. Des films, posés sur l'une ou l'autre face de l'écran, apportent des fonctions 10 complémentaires. La technologie de ces films est citée comme exemple d'extension fonctionnelle. L'écran devient tactile avec la pose d'un film, capacitif ou résistif. Un film photovoltaïque transparent, par exemple à base de cellule solaire organique, produit l'alimentation. Un film à base de lithium ion polymère ou de nanofils à super condensation par exemple, stocke l'électricité produite. 15 L'écran peut être autonome en énergie et fonctionner nuit et jour. L'invention permet des applications utiles dans les domaines de l'éclairage et de l'affichage : urbanisme, architecture, signalétique, cinéma, télévision, ordinateur, tablette, téléphone. Sa luminosité, sa minceur et sa souplesse, autorisent des applications inédites. Le processus industriel suivant est décrit comme l'un de ceux qui sont possibles. 20 Les nanotubes de carbone sont fabriqués dans un réacteur du type plasma PECVD, sur un plateau catalytique en métal de la taille d'un pixel. Les pixels sont produits en série et déposés entre des films en rouleau (roll to roll). Les pixels peuvent être disposés dans le désordre de leur identifiant, car la correspondance entre l'identifiant du pixel et la position du point lumineux s'opère ensuite par un étalonnage optique et s'enregistre dans la carte 25 mémoire de l'écran. 1- Fabrication des nanotubes de carbone sur un plateau de la taille d'un pixel. 2- Assemblage du plateau au dispositif d'adressage, ce qui forme un pixel. 3- Pose des pixels à espace régulier sur le film d'alimentation (-). 4- Déroulé sur les pixels, du film conducteur (+) transparent où sont imprimés les 30 photophores. 5- Déroulé à la surface de l'écran, d'un film isolant, souple et transparent, ainsi que d'un film isolant, souple et compressible, au dos de l'écran. 6- Découpe de l'écran en différents formats. 7- Étalonnage des pixels dans le format. REVENDICATIONS1) Écran à émission de champ pour l'éclairage et l'affichage, caractérisé en ce que les sources d'électrons sont en nanotubes de carbone (CNT) et confinées dans des enceintes en CNT (fig.2). 2) Écran à émission de champ pour l'éclairage et l'affichage, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal pour l'affichage des points lumineux (pixels) est transmis par voie hertzienne, et réceptionné grâce à un dispositif individuel par pixel, comprenant l'identifiant, un oscillateur et un interrupteur (fig.3). 3) Écran à émission de champ pour l'éclairage et l'affichage, selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'assemblage industriel des pixels peut se faire dans le désordre de leur identifiant, grâce à un étalonnage qui enregistre la correspondance entre le point lumineux et l'identifiant du pixel. 4) Écran à émission de champ pour l'éclairage et l'affichage, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il peut être produit en grand format (architecture, cinéma), et en petits formats (ordinateur, tablette, téléphone). 5) Écran à émission de champ pour l'éclairage et l'affichage, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il peut être recouvert de films aux fonctions complémentaires, comme la tactilité ou la production et le stockage d'électricité (fig.3).