EP0384829A1 - Ecran plat d'affichage polychrome électroluminescent à effet mémoire - Google Patents

Ecran plat d'affichage polychrome électroluminescent à effet mémoire Download PDF

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EP0384829A1
EP0384829A1 EP90400462A EP90400462A EP0384829A1 EP 0384829 A1 EP0384829 A1 EP 0384829A1 EP 90400462 A EP90400462 A EP 90400462A EP 90400462 A EP90400462 A EP 90400462A EP 0384829 A1 EP0384829 A1 EP 0384829A1
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EP
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flat screen
filters
layer
electroluminescent
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    • G09G2360/147—Detecting light within display terminals, e.g. using a single or a plurality of photosensors the light originating from the display screen the originated light output being determined for each pixel
    • G09G2360/148—Detecting light within display terminals, e.g. using a single or a plurality of photosensors the light originating from the display screen the originated light output being determined for each pixel the light being detected by light detection means within each pixel

Definitions

  • the present invention relates to a flat screen polychrome electroluminescent memory effect usable in the field of optoelectronics for the color display of complex images or for the color display of alphanumeric characters.
  • a display device is said to have a memory effect if its electro-optical characteristic (luminance-voltage curve) exhibits hysteresis. For the same voltage located inside the hysteresis loop, the device can thus have two stable states: off or on.
  • a memory effect display to display a still image, it is sufficient to apply simultaneously and continuously to the entire screen a so-called maintenance voltage.
  • the latter can be a sinusoidal signal or in the form of slots for example, but above all, the form and frequency of this maintenance signal can be chosen independently of the complexity of the screen, in particular the number of lines of dots. display. There is therefore in principle no limit to the complexity of a memory effect display screen.
  • bistable plasma screens with alternating excitation of 1200x1200 image points (pixels).
  • ACTFEL thin-film electroluminescence display with capacitive coupling
  • PC-EL memory effect the principle of which is as follows.
  • the photoconductive material When the device is in the off state, the photoconductive material is not very conductive and retains a significant part of the voltage V applied to the assembly. If one increases V to a value Von such that the voltage present at the terminals of the electroluminescent structure exceeds the electroluminescence threshold, the PC-EL device switches to the on state. The photoconductive material is then illuminated by the electroluminescent structure and goes into the conductive state. The voltage across its terminals drops and this results in an increase in the voltage available for the electroluminescent structure. To switch off a PC-EL device, it suffices to decrease the total voltage V to a value Voff lower than Von: this gives a luminance-voltage characteristic comprising a hysteresis.
  • FIG. 1 This structure is shown diagrammatically in FIG. 1. It comprises a glass substrate 10 on which are deposited an electrode 12, a first dielectric layer 14, an electroluminescent layer 16, a second dielectric layer 18, a photoconductive layer 20, a third layer dielectric 21 and finally an electrode 22.
  • the electrodes 12 and 22 are connected to an alternating voltage source 24.
  • the layers PC and EL are thin layers, the thickness of which is of the order of a micrometer.
  • Such a structure is simple to produce because it does not require additional etching steps. Furthermore, the current-voltage behavior of the thin layer photoconductor in the dark is highly non-linear and reproducible. The beneficial consequences are that the electrical ignition of the device is always easy, that the hysteresis depends only slightly on the excitation frequency and that the reproducibility of the hysteresis margin from one manufacturing to another is guaranteed. .
  • the first solution explored intensively for obtaining polychrome screens consists in developing an electroluminescent phosphor with emission spectrum covering at least red, green and blue and called “white” phosphor, and in combining it with a mosaic of colored filters. to achieve the emission of red pixels, green or blue, in a manner analogous to the liquid crystal polychrome screens.
  • This solution is described in particular in the article by C. Brunel and N. Duruy, Opto, No. 43, March-April 1988, pp. 30-35, "Color in electroluminescent flat screens"
  • the luminance obtained for such polychrome screens is an order of magnitude lower than the levels required for applications, due to the performance insufficient white phosphorus.
  • the second solution consists in using a first substrate comprising EL layers which is made transparent or semi-transparent by an appropriate choice of rear electrodes.
  • a second so-called “inverted” substrate is associated, equipped with layers E1 and transparent rear electrodes.
  • the first structure is monochrome or bichrome, and the second structure is monochrome and is complementary to the first.
  • a two-color or three-color display device is thus obtained.
  • This solution is described in the article by Brunel and Duruy above and in the article by Christopher N. King et al., "Full-color 320x240 TFEL display panel", p. 14-17, Eurodisplay, London 15-17 September 1987.
  • This structure is relatively complex.
  • the luminance is low for the envisaged applications and the electric voltages and currents used are relatively high.
  • the subject of the invention is therefore a flat polychrome electroluminescent display screen with memory effect, in particular making it possible to remedy these drawbacks.
  • the flat polychrome display screen comprises, on an insulating substrate defining one of the faces of the screen, a single electroluminescent layer and at least one photoconductive layer, these layers being stacked one on the other. , the assembly of these two layers being interposed between a first system of transparent electrodes and a second system of electrodes, connected to electrical means for exciting certain zones of the light-emitting layer, and is characterized in that the light-emitting layer is consisting of a white phosphor and in that at least two series of colored filters are interposed between the light-emitting layer and the observer.
  • white phosphorus is meant an electroluminescent material emitting at least in blue, red and green.
  • the polychrome screen of the invention thanks to the association of white phosphorus and one or more photoconductive layers, has a high luminance.
  • the PC-EL memory effect makes it possible to increase the excitation frequency of white phosphorus, regardless of the complexity of the screen, for example from 60 Hz to 1 kHz.
  • the screen of the invention is then compatible with all the applications envisaged.
  • the filters of the invention have not only the known role of "coloring" the emission of each pixel but also the advantage of significantly reducing the light intensity of the ambient lighting incident on the PC layer and therefore of avoiding 'accidental lighting of some pixels normally off; the hysteresis is then practically insensitive to any ambient lighting.
  • the most commonly used photoconductive materials for PC-EL structures are CdS x Se 1-x , a-Si 1-x C x : H with x between 0 and 1, CdS, CdSe and a-Si: H.
  • the use of a photoconductive structure with a broad sensitivity spectrum is preferred in order to ensure maximum overlap of this sensitivity spectrum with the emission spectrum of white phosphorus, it is possible to use a single photoconductive material with narrow sensitivity spectrum.
  • the photoconductive material must be chosen so that its sensitivity spectrum is located in the range of wavelengths where the light emitting emission is most intense, compared to ambient lighting.
  • Adjustable spectrum photoconductive materials such as CdS x Se 1-x and a-Si 1-x C x : H are quite suitable in this case.
  • This material is preferably deposited by the low-power plasma-assisted chemical vapor deposition (PECVD) technique (around 0.1 W / cm2).
  • PECVD low-power plasma-assisted chemical vapor deposition
  • a-Si 1-x C x : H is used with 0 ⁇ x ⁇ 1 and for example 0 ⁇ x ⁇ 0.5.
  • a characteristic of the photoconductivity spectrum of this material is the energy E04 (in eV) for which the absorption coefficient is equal to 104cm ⁇ 1.
  • the sensitivity of the photoconductive material also drops because the radiation is absorbed in all the first layers of the photoconductive layer and photoconduction, sought in the direction normal to the plane of the layers (electrical excitation is prevented because the core of the photoconductive material is not exposed to excitation radiation.
  • the photosensitivity spectrum resulting from a-Si 1-x C x : H, for a layer with a thickness of 1 micrometer, is a wide peak whose width at mid-height is approximately 50 nanometers and whose maximum is E04.
  • the width at half height corresponds to the distance separating the low and high cutoff thresholds from the PC material.
  • the white phosphors which can be used in the invention are those given in the article by Shosaku Tanaka cited above and in the article by Yoshio Abe "Multi-color electroluminescent devices utilizing SrS: Pr, Ce phosphor layers and color filters" to be published in the "Proceedings of the 4th International Workshop on Electroluminescence, Tottori 1988".
  • the following two white phosphors are used because of their increased performance: SrS: Ce, K, Eu and SrS: Pr, Ce.
  • the color filters which can be used in the invention must have their transmission spectrum and their coloring spectrum adapted to the emission spectrum of the white phosphorus chosen to obtain the purest red, green and blue components possible.
  • the colored filters can be interference filters. These filters make it possible to obtain low pass, high pass and band pass spectra with arbitrary cut-off wavelengths. In addition, they exhibit a sudden spectral transition from the state passing to the blocking state as well as a great chemical and thermal stability. On the other hand, these filters are often expensive. Also, when possible, colored glasses or organic filters are used instead.
  • Organic filters are in particular those used for polychrome liquid crystal screens such as layers of polymer (or gelatin) loaded with dyes or organic pigments; polyimide layers with dyes; organic pigments or dyes evaporated under vacuum: perylene (red), lead phthalocyanine (blue), phthalocyanine copper (green), quinacridone (magenta), isoindolinone (yellow); electroplated pigments.
  • all known electrode systems for display can be used.
  • one of the electrode systems can consist of point electrodes and the other system consists of a common electrode.
  • the electrode systems each consist of conductive strips parallel to each other, the conductive strips of the first system being crossed relative to the conductive strips of the second system.
  • the device of the invention can operate in reflection or in transmission.
  • one or two of the electrode systems may be transparent.
  • the device according to the invention comprises a first electrode system consisting of conductive strips 30, parallel to each other. These conductive strips 30 are generally reflective and made of aluminum. These electrodes 30 are arranged on a photoconductive layer 32 in a-Si 1-x C x : H, with 0 ⁇ x ⁇ 1, 1 micrometer thick covering an electroluminescent structure consisting of a single emitting layer 34, as shown in the Figure 2, or associated with one or more dielectric layers, as shown in Figure 1 or in document FR-A-2 574 972.
  • the electroluminescent material is in particular one of those mentioned above; its thickness is between 0.5 and 2 micrometers (typically 0.7 m).
  • the dielectric layers 14, 18, 21 possibly associated with the material El can be made of one of the materials chosen from Si3N4, SiO2, SiO x N y , Ta2O5 and have a thickness of 200 nm.
  • the second system of electrodes 36 consisting of conductive strips parallel to each other and made of a transparent ITO material for example, the electrodes 36 being arranged pependicularly to the electrodes 30.
  • the second electrode system 36 is supported by an insulating substrate 38 generally made of glass, provided on its internal face with three series 40, 41, 42 of colored filters respectively red, green and blue.
  • the observation of the display is made by the rear face of the device, that is to say on the side of the substrate 38.
  • the ambient lighting strikes the device on the side of the substrate (white lamp 43 for example) .
  • the filters 40, 41, 42 of the device of the invention allow filtering of the light intensity of the ambient lighting (lamp 43 for example) while coloring the electroluminescent emission of layer 34.
  • These filters are for example in the form of strips parallel to each other and to one of the electrode systems 30 or 36, the red filters 40, green 41 and blue 42 being alternated.
  • the device according to the invention functions essentially like the polychrome devices of the prior art and in particular by using peripheral control circuits 45 of the type of those used in flat liquid crystal screens; these circuits deliver appropriate alternating signals and are connected to electrodes 36 and 30; the oscillation frequency of the control signals is 1 kHz for example, the 0-peak amplitude is 150 to 300 volts (typically 130 volts).
  • the emission spectrum 44 of ambient light and the emission spectrum 46 of a white phosphorus are shown.
  • the transmission spectrum of the filters R (red), green V and blue B is shown.
  • PC broadband photoconductive material
  • the red R, green V and blue B transmission spectra of the color filters are contained in the emission spectrum of white phosphorus.
  • the high cut-off frequencies ⁇ B of the blue filter have been symbolized above which the light (ambient + that emitted by white phosphorus) is filtered and below which the light is transmitted; the low cut-off frequency ⁇ V1 of the green filter below which the light is blocked; the high cut-off frequency ⁇ V2 of the green filter above which the light is blocked and the low cut-off frequency ⁇ R of the red filter below which the light is blocked.
  • These cut-off wavelengths correspond to 50% of the transmitted light intensity.
  • the photoconductive material can be a photoconductive material with a broad sensitivity spectrum (FIG. 3c) which allows maximum overlap with the emission spectrum of white phosphorus. This corresponds to a low cut-off wavelength of the photoconductor ⁇ 1 close to that of white phosphorus ⁇ 2 and to a high cut-off wavelength ⁇ 3 of the photoconductor close to that of white phosphorus ⁇ 4. ⁇ 04 corresponds to the maximum sensitivity wavelength of the photoconductive material.
  • FOG. 3c broad sensitivity spectrum
  • the photoconductive material can also be a material with a narrow sensitivity spectrum (FIG. 3d), this spectrum then being located in a region where the light intensity of the electroluminescent emission is higher than that of ambient light; the PC spectrum can be located in blue as symbolized by curve 48 or in deep red, as symbolized by curve 50.
  • the wavelengths of low and high cutoffs and maximum sensitivity are respectively ⁇ ′1, ⁇ ′04, ⁇ ′2 and ⁇ ⁇ 1, ⁇ ⁇ 04, ⁇ ⁇ 2 for curves 48 and 50.
  • ⁇ ′2 is chosen less than ⁇ B and conversely ⁇ ⁇ 1 is chosen to be greater than ⁇ R.
  • the different layers constituting the display screen of the invention can be arranged in different ways as it appears in Figures 4 and 5.
  • the only requirement is that the filters 40, 41, 42 are arranged between the observer and the electroluminescent layer 34.
  • the filters and electrodes 36 it is possible to reverse the position of the filters and electrodes 36 relative to Figure 2; the colored filters are placed between the second series of electrodes 36 and the electroluminescent structure 34.
  • the filters can be deposited by electrodeposition; they then take the form of strips parallel to the electrodes 36. In order to better see this arrangement, the directions of the electrodes 30 and 36 of FIG. 4 have been reversed with respect to FIG. 2.
  • the corresponding screen is subject to parallax effects unless the substrate is thin, that is to say of the order of 0.1 mm.
  • the two electrode systems it is also possible, as shown in FIG. 5, to reverse the location of the two electrode systems.
  • the observation is made from the front of the display screen.
  • the filters can be deposited by electrodeposition.
  • the electroluminescent material is a-Si 1-x C x : H, with 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • the photoconductive material a-Si 1-x C x : H of 1 ⁇ m thickness has a wavelength of maximum sensitivity ⁇ ′04 ⁇ 480 nm (that is to say ⁇ B ) which corresponds to E′04 ⁇ 2.58 eV and therefore at a methane concentration C ⁇ 0.85 and therefore at x ⁇ 0.22.
  • the electroluminescent material is SrS: Ce, K, Eu or SrS: Pr, Ce with a thickness of 1 ⁇ m.
  • Example 2 It differs from Example 1 by the use of a photoconductive material having a narrow sensitivity spectrum located in deep red.
  • This material a-Si 1-x C x : H has a wavelength of maximum sensitivity ⁇ ⁇ 04> 625 nm, that is to say> ⁇ R , which corresponds to E ⁇ 04 ⁇ 2.0 eV and therefore at a concentration C ⁇ 0.30 and at x ⁇ 0.03.
  • the colored filters based on gelatin or on polymer conventionally used are to be discarded since these filters are deposited before the electroluminescent and photoconductive materials, during the manufacture of the screen , and therefore that they undergo restrictive thermal cycles, typically from 150 to 200 ° C; these filters only support temperatures ⁇ 100 ° C.

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Abstract

Cet écran comporte sur un substrat isolant (38), une seule couche électroluminescente (34) et au moins une couche photoconductrice (32) empilées l'une sur l'autre, l'ensemble de ces deux couches étant intercalé entre un premier (36) système d'électrodes transparentes et un second (30) système d'électrodes, connectés à des moyens électriques (45) pour exciter certaines zones de la couche électroluminescente, caractérisé en ce que la couche électroluminescente (34) est constituée d'un phosphore blanc et en ce qu'au moins deux séries de filtres colorés (40-42) sont interposées entre la couche électroluminescente (34) et l'observateur.

Description

  • La présente invention a pour objet un écran plat d'affichage polychrome électroluminescent à effet mémoire utilisable dans le domaine de l'optoélectronique pour l'affichage en couleur d'images complexes ou pour l'affichage en couleur de caractères alphanumériques.
  • On dit qu'un dispositif d'affichage est à effet mémoire si sa caractéristique électro-optique (courbe luminance-tension) présente une hystérésis. Pour une même tension située à l'intérieur de la boucle d'hystérésis, le dispositif peut ainsi avoir deux états stables : éteint ou allumé.
  • Les avantages d'un affichage à effet mémoire sont appréciables : pour afficher une image fixe, il suffit d'appliquer simultanément et continûment à tout l'écran une tension dite d'entretien. Cette dernière peut être un signal sinusoïdal ou en forme de créneaux par exemple, mais surtout, la forme et la fréquence de ce signal d'entretien peuvent être choisies indépendamment de la complexité de l'écran, notamment du nombre de lignes de points d'affichage. Il n'y a donc en principe pas de limite à la complexité d'un écran d'affichage à effet mémoire. Ainsi, on trouve sur le marché des écrans à plasma bistable et à excitation alternative de 1200x1200 points image (pixels).
  • Par ailleurs, la technologie de l'affichage par électroluminescence en couches minces et à couplage capacitif (en abrégé ACTFEL) est maintenant parvenue à maturité dans l'industrie. On peut doter ces dispositifs d'un effet mémoire dit inhérent mais au prix d'une dégradation sensible des performances électro-optiques. Une méthode plus attrayante consiste à connecter une structure photoconductrice (PC) en série avec une structure électroluminescente (EL) et à coupler optiquement ces deux structures.
  • On peut ainsi produire un effet mémoire de type extrinsèque que l'on appelle effet mémoire PC-EL dont le principe est le suivant. Quand le dispositif est dans l'état éteint, le matériau photoconducteur est peu conducteur et retient une partie importante de la tension V appliquée à l'ensemble. Si l'on augmente V jusqu'à une valeur Von telle que la tension présente aux bornes de la structure électroluminescente excède le seuil d'électroluminescence, le dispositif PC-EL bascule dans l'état allumé. Le matériau photoconducteur est alors éclairé par la structure électroluminescente et passe à l'état conducteur. La tension à ses bornes chute et il en résulte une augmentation de la tension disponible pour la structure électroluminescente. Pour éteindre un dispositif PC-EL, il suffit de diminuer la tension totale V jusqu'à une valeur Voff inférieure à Von : on obtient ainsi une caractéristique luminance-tension comportant une hystérésis.
  • Une structure PC-EL monochrome a été décrite récemment dans le document FR-A-2 574 972 et dans l'article de l'inventeur intitulé "Monolithic Thin-Film Photoconductor-ACEL Structure with Extrinsic Memory by Optical Coupling" et publié dans IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED-33, no 8, d'août 1986, pages 1149-1153.
  • Cette structure est représentée schématiquement sur la figure 1. Elle comprend un substrat de verre 10 sur lequel sont déposées une électrode 12, une premiè­re couche diélectrique 14, une couche électroluminescente 16, une seconde couche diélectrique 18, une couche photo­conductrice 20, une troisième couche diélectrique 21 et enfin une électrode 22. Les électrodes 12 et 22 sont reliées à une source de tension alternative 24. Dans cette réalisation, les couches PC et EL sont des couches minces, dont l'épaisseur est de l'ordre du micromètre.
  • Une telle structure est simple à réaliser car elle ne nécessite pas d'étapes de gravure supplémen­taires. Par ailleurs, le comportement courant-tension du photoconducteur en couche mince dans l'obscurité est fortement non-linéaire et reproductible. Les consé­quences bénéfiques en sont que l'allumage électrique du dispositif est toujours aisé, que l'hystérésis ne dépend que faiblement de la fréquence d'excitation et que la reproductibilité de la marge d'hystérésis d'une fabrication à l'autre est garantie.
  • Malheureusement cette structure électrolumines­cente ne permet qu'un affichage monochrome et il n'existe pas actuellement de dispositifs d'affichage polychrome utilisant l'effet PC-EL.
  • En effet, les dispositifs électroluminescents à affichage polychrome connus sont de deux types.
  • La première solution explorée intensivement pour l'obtention d'écrans polychromes consiste à dévelop­per un phosphore électroluminescent à spectre d'émission couvrant au moins les rouge, vert et bleu et appelé phosphore "blanc', et à le combiner à une mosaïque de filtres colorés pour réaliser les pixels d'émission rouge, verte ou bleue, d'une manière analogue aux écrans polychromes à cristaux liquides. Cette solution est décrite en particulier dans l'article de C. Brunel et N. Duruy, Opto, no 43, mars-avril 1988, p. 30-35, "La couleur dans les écrans plats électroluminescents". Cependant, la luminance obtenue pour de tels écrans polychromes est inférieure d'un ordre de grandeur aux niveaux requis pour les applications, du fait des perfor­mances insuffisantes des phosphores blancs.
  • Des exemples de phosphores blancs ainsi que leurs performances insuffisantes sont donnés dans l'article SID 88 Digest, p. 293-296 de Shosaku Tanaka et al., "Bright white-light electroluminescent devices with new phosphor thin films based on SrS".
  • La seconde solution consiste à utiliser un premier substrat comportant des couches EL qui est rendu transparent ou semi-transparent par un choix approprié d'électrodes arrières. A cette structure, on associe un second substrat dit "retourné" équipé de couches El et d'électrodes arrières transparentes. La première structure est monochrome ou bichrome, et la seconde structure est monochrome et est complémentaire de la première. On obtient ainsi un dispositif d'affichage bichrome ou trichrome. Cette solution est décrite dans l'article de Brunel et Duruy ci-dessus et dans l'article de Christopher N. King et al., "Full-color 320x240 TFEL display panel", p. 14-17, Eurodisplay, Londres 15-17 septembre 1987.
  • Cette structure est relativement complexe. En outre, la luminance est faible pour les applications envisagées et les tensions et courants électriques utilisés sont relativement élevés.
  • Par ailleurs, l'utilisation d'un dispositif d'affichage monochrome du type PC-EL sous un éclairement ambiant intense peut entraîner une dégradation sensible de l'hystérésis PC-EL. En effet, l'éclairement par une source externe intense de la couche photoconductrice peut provoquer une diminution de la tension aux bornes de cette dernière et donc un abaissement de la tension d'allumage. En pratique, cela conduit à un allumage accidentel de certains pixels normalement éteints.
  • L'invention a donc pour objet un écran plat d'affichage polychrome électroluminescent à effet mémoire permettant notamment de remédier à ces inconvénients.
  • L'écran plat d'affichage polychrome selon l'invention comprend sur un substrat isolant définissant l'une des faces de l'écran, une seule couche électrolumi­nescente et au moins une couche photoconductrice, ces couches étant empilées l'une sur l'autre, l'ensemble de ces deux couches étant intercalé entre un premier système d'électrodes transparentes et un second système d'électrodes, connectés à des moyens électriques pour exciter certaines zones de la couche électroluminescente, et se caractérise en ce que la couche électroluminescente est constituée d'un phosphore blanc et en ce qu'au moins deux séries de filtres colorés sont interposées entre la couche électroluminescente et l'observateur.
  • Par phosphore blanc, il faut comprendre un matériau électroluminescent émettant au moins dans le bleu, le rouge et le vert.
  • L'écran polychrome de l'invention, grâce à l'association du phosphore blanc et d'une ou plusieurs couches photoconductrices, présente une haute luminance. L'effet mémoire PC-EL permet en effet d'augmenter la fréquence d'excitation du phosphore blanc, indépendamment de la complexité de l'écran, par exemple de 60 Hz à 1 kHz. Avec les phosphores blancs de l'état de l'art (voir article ci-dessus de Shosaku Tanaka), on peut alors atteindre 120 Cd/m² pour la luminance du blanc après filtrage (1 kHz), au lieu de 9 Cd/m² à 60 Hz pour une structure sans couche PC et comportant un phosphore blanc et des filtres colorés (voir article de Brunel et Duruy). L'écran de l'invention est alors compatible avec toutes les applications envisagées.
  • Par ailleurs, pour chaque pixel, seule une faible partie de l'énergie rayonnée par la couche électroluminescente est utilisée pour l'affichage du fait du filtrage (<30%) mais tout le spectre d'émission EL et toute l'énergie émise est exploitable pour l'effet PC-EL. Aussi, est-il préférable de choisir une couche PC à spectre de sensibilité large pour renforcer au maximum l'effet PC-EL.
  • Les filtres de l'invention ont non seulement le rôle connu de "colorer" l'émission de chaque pixel mais aussi l'avantage de réduire sensiblement l'intensité lumineuse de l'éclairage ambiant incident sur la couche PC et donc d'éviter l'allumage accidentel de certains pixels normalement éteints ; l'hystérésis est alors pratiquement insensible à tout éclairement ambiant.
  • Les matériaux photoconducteurs les plus utili­sés pour les structures PC-EL sont CdSxSe1-x, a-Si1-xCx:H avec x compris entre 0 et 1, CdS, CdSe et a-Si:H.
  • Ces matériaux présentent des spectres de sensi­bilité étroits. Aussi, l'association ou l'empilement de deux (ou plus) matériaux photoconducteurs de composi­tion différente permet d'obtenir une structure photocon­ductrice à large spectre de sensibilité.
  • Bien que l'utilisation d'une structure photoconductrice à spectre de sensibilité large soit préférée afin d'assurer un recouvrement maximal de ce spectre de sensibilité avec le spectre d'émission du phosphore blanc, il est possible d'utiliser un unique matériau photoconducteur à spectre de sensibilité étroit. Dans ce cas, le matériau photoconducteur doit être choisi de façon à ce que son spectre de sensibilité soit situé dans la gamme de longueurs d'onde où l'émission électro­luminescente est la plus intense, comparée à l'éclairage ambiant.
  • Les matériaux photoconducteurs à spectre ajustable tels que CdSxSe1-x et a-Si1-xCx:H sont tout à fait appropriés dans ce cas.
  • Pour de plus amples renseignements sur la fabrication et sur les propriétés du silicium amorphe hydrogéné et carboné, on peut se référer au document FR-A-2 105 777 déposé au nom de l'inventeur.
  • Ce matériau est déposé de préférence par la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), basse puissance (de l'ordre de 0,1 W/cm²). Pour de plus amples détails sur la méthode de dépôt du a-Si1-xCx:H, on peut se référer à l'article de M.P. Schmidt et al., Philosophical Magazine B, 1985, vol. 51, no 6, p. 581-589, "Influence of carbon incorporation in amorphous hydrogenated silicon".
  • Pour de plus amples détails sur les spectres de sensibilité des matériaux CdSxSe1-x, on peut se réfé­rer au document de Robert et al., Journal of Applied Physics, vol. 48, no 7, Juillet 1977, p. 3162-3164, "II-VI solid-solution films by spray pyrolysis".
  • De préférence, on utilise du a-Si1-xCx:H avec 0≦x≦1 et par exemple 0≦x≦0,5. En effet, ce matériau photoconducteur présente un certain nombre d'avantages. En particulier, il présente une chute de sensibilité du côté des grandes longueurs d'onde (c'est-à-dire du côté des faibles énergies) correspondant à une baisse d'absorption optique (bande interdite optique). (On rappelle que (nm)=1240/E(eV)).
  • Une caractéristique du spectre de photoconductivité de ce matériau est l'énergie E₀₄ (en eV) pour laquelle le coefficient d'absorption vaut 10⁴cm⁻¹. Cette énergie E₀₄ peut être ajustée en jouant sur la teneur x en carbone, c'est-à-dire, sur la teneur C en méthane dans le mélange gazeux méthane-silane utilisé pour la fabrication de ce matériau photoconducteur, autrement dit C= [CH₄]/[CH₄+SiH₄].
  • Du côté des courtes longueurs d'onde (énergies élevées), la sensibilité du matériau photoconducteur chute aussi car le rayonnement est absorbé dans toutes les premières couches de la couche photoconductrice et la photoconduction, recherchée dans la direction normale au plan des couches (excitation électrique trans­versale), est empêchée car le coeur du matériau photoconducteur n'est pas exposé au rayonnement d'excitation.
  • Le spectre de photosensibilité résultant du a-Si1-xCx:H, pour une couche d'épaisseur d'1 micromètre, est un pic large dont la largeur à mi-hauteur est de 50 nanomètres environ et dont le maximum est à E₀₄. La largeur à mi-hauteur correspond à la distance séparant les seuils de coupure bas et haut du matériau PC.
  • Les phosphores blancs utilisables dans l'inven­tion sont ceux donnés dans l'article de Shosaku Tanaka cité précédemment et dans l'article de Yoshio Abe "Mul­ti-color electroluminescent devices utilizing SrS:Pr,Ce phosphor layers and color filters" à paraître dans les "Proceedings of the 4th International Workshop on Electroluminescence, Tottori 1988".
  • De préférence, on utilise les deux phosphores blancs suivant du fait de leurs performances accrues :
    SrS:Ce,K,Eu et SrS:Pr,Ce.
  • Les filtres colorés utilisables dans l'inven­tion doivent avoir leur spectre de transmission et leur spectre de coloration adaptés au spectre d'émission du phosphore blanc choisi pour obtenir les composantes rouge, verte et bleue les plus pures possibles.
  • Les filtres colorés peuvent être des filtres interférentiels. Ces filtres permettent d'obtenir des spectres passe bas, passe haut et passe bande avec des longueurs d'onde de coupure quelconques. En outre, ils présentent une transition spectrale brutale de l'état passant à l'état bloquant ainsi qu'une grande stabilité chimique et thermique. En revanche, ces filtres sont souvent coûteux. Aussi, lorsque cela est possible, on utilise plutôt des verres colorés ou des filtres organi­ques.
  • Les filtres organiques sont en particulier ceux utilisés pour les écrans polychromes à cristaux liquides tels que les couches de polymère (ou gélatine) chargé avec des colorants ou des pigments organiques ; les couches de polyimide avec colorants ; les pigments ou colorants organiques évaporés sous vide : pérylène (rouge), phtalocyanine de plomb (bleu), phtalocyanine de cuivre (vert), quinacridone (magenta), isoindolinone (jaune) ; les pigments électrodéposés.
  • Conformément à l'invention, tous les systèmes d'électrodes connus pour l'affichage peuvent être utili­sés. En particulier, l'un des systèmes d'électrodes peut être constitué d'électrodes point et l'autre système constitué d'une électrode commune. De façon avantageuse, les systèmes d'électrodes sont constitués chacun de bandes conductrices parallèles entre elles, les bandes conductrices du premier système étant croisées par rap­port aux bandes conductrices du second système.
  • En outre, le dispositif de l'invention peut fonctionner en réflexion ou en transmission. Suivant le type de fonctionnement utilisé, un ou deux des systè­mes d'électrodes peuvent être transparents.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures 2 à 5 annexées, la figure 1 ayant déjà été décrite.
    • La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif d'affichage conforme à l'invention.
    • La figure 3 donne l'allure des spectres de sensibilité et d'émission que doivent posséder respectivement les couches photoconductrice et électroluminescente ainsi que le spectre de transmission des filtres du dispositif de la figure 2.
    • Les figures 4 et 5 représentent des variantes de réalisation du dispositif conforme à l'invention.
  • Sur la figure 2, le dispositif conforme à l'invention comporte un premier système d'électrodes constitué de bandes conductrices 30, parallèles entre elles. Ces bandes conductrices 30 sont en général réflé­chissantes et réalisées en aluminium. Ces électrodes 30 sont disposées sur une couche photoconductrice 32 en a-Si1-xCx:H, avec 0≦x≦1, de 1 micromètre d'épaisseur recouvrant une structure électroluminescente constituée d'une seule couche émettrice 34, comme représenté sur la figure 2, ou associée à une ou plusieurs couches diélectriques, comme représenté sur la figure 1 ou dans le document FR-A-2 574 972.
  • Le matériau électroluminescent est en particu­lier l'un de ceux cités précédemment ; son épaisseur est comprise entre 0,5 et 2 micromètres (typiquement 0,7 m). Les couches diélectriques 14, 18, 21 éventuel­lement associés au matériau El peuvent être réalisées en l'un des matériaux choisis parmi Si₃N₄, SiO₂, SiOxNy, Ta₂O₅ et avoir une épaisseur de 200 nm.
  • En vue d'une simplification des dessins et de la description correspondante, la suite du texte ne portera que sur une couche électroluminescente 34 seule.
  • Sur la couche électroluminescente 34, on trouve le second système d'électrodes 36 constitué de bandes conductrices parallèles entre elles et constituées en un matériau transparent ITO par exemple, les électro­des 36 étant disposées pependiculairement aux électrodes 30.
  • Le second système d'électrodes 36 est supporté par un substrat isolant 38 généralement en verre, pourvu sur sa face interne de trois séries 40, 41, 42 de filtres colorés respectivement rouges, verts et bleus. L'observa­tion de l'affichage se fait par la face arrière du dispo­sitif, c'est-à-dire du côté du substrat 38. De même, l'éclairage ambiant frappe le dispositif du côté du substrat (lampe blanche 43 par exemple).
  • Les filtres 40, 41, 42 du dispositif de l'invention permettent un filtrage de l'intensité lumineuse de l'éclairage ambiant (lampe 43 par exemple) tout en colorant l'émission électroluminescente de la couche 34.
  • Ces filtres se présentent par exemple sous la forme de bandes parallèles entre elles et à l'un des systèmes d'électrodes 30 ou 36, les filtres rouges 40, verts 41 et bleus 42 étant alternés.
  • Le dispositif conforme à l'invention fonctionne essentiellement comme les dispositifs polychromes de l'art antérieur et en particulier en utilisant des circuits périphériques de commande 45 du genre de ceux utilisés dans les écrans plats à cristaux liquides ; ces circuits délivrent des signaux alternatifs appropriés et sont connectés aux électrodes 36 et 30 ; la fréquence d'oscillation des signaux de commande est de 1 kHz par exemple, l'amplitude 0-crête est de 150 à 300 volts (typiquement de 130 volts).
  • Sur la partie a de la figure 3, on a représenté le spectre 44 d'émission de la lumière ambiante et le spectre d'émission 46 d'un phosphore blanc. Sur la partie b de la figure 3, on a représenté le spectre de transmis­sion des filtres (F) colorés rouges R, verts V et bleus B. Sur la partie c de la figure 3, on a représenté le spectre de sensibilité d'un matériau photoconducteur (PC) à large bande et sur la partie d, le spectre de sensibilité d'un matériau photoconducteur à spectre étroit.
  • Ces spectres donnent les variations de l'inten­sité lumineuse I en fonction de la longueur d'onde, l'intensité lumineuse étant donnée en unité arbitraire et la longueur d'onde en nanomètre.
  • Conformément à l'invention, les spectres de transmission rouges R, verts V et bleus B des filtres colorés sont contenus dans le spectre d'émission du phosphore blanc.
  • Sur la figure 3b, on a symbolisé les fréquences de coupure haute λB du filtre bleu au-dessus de laquelle la lumière (ambiante + celle émise par le phosphore blanc) est filtrée et au-dessous de laquelle la lumière est transmise ; la fréquence de coupure basse λV1 du filtre vert au-dessous de laquelle la lumière est bloquée ; la fréquence de coupure haute λV2 du filtre vert au-dessus de laquelle la lumière est bloquée et la fréquence de coupure basse λR du filtre rouge au-dessous de laquelle la lumière est bloquée. Ces longueurs d'onde de coupure correspondent à 50% de l'intensité lumineuse transmise.
  • L'utilisation de filtres colorés à spectres de transmission distincts avec une faible zone de recou­vrement, c'est-à-dire correspondant à λB<λV1<λV2<λR, permet de filtrer une partie de la lumière ambiante rendant ainsi l'hystérésis de la courbe luminance-tension de la structure PC-El pratiquement insensible à l'éclairement ambiant.
  • Le matériau photoconducteur peut être un maté­riau photoconducteur à spectre de sensibilité large (figure 3c) ce qui permet un recouvrement maximal avec le spectre d'émission du phosphore blanc. Ceci correspond à une longueur d'onde de coupure basse du photoconducteur λ₁ proche de celle λ₂ du phosphore blanc et à une lon­gueur d'onde de coupure haute λ₃ du photoconducteur proche de celle λ₄ du phosphore blanc. λ₀₄ correspond à la longueur d'onde de sensibilité maximale du matériau photoconducteur.
  • Le matériau photoconducteur peut aussi être un matériau à spectre de sensibilité étroit (figure 3d), ce spectre étant alors situé dans une région où l'intensité lumineuse de l'émission électroluminescente est plus élevée que celle de la lumière ambiante ; le spectre PC peut être situé dans le bleu comme symbolisé par la courbe 48 ou bien dans le rouge profond, comme symbolisé par la courbe 50. Les longueurs d'onde de coupure basses et hautes et de sensibilité maximale sont respectivement λ′₁, λ′₀₄, λ′₂ et λ˝₁, λ˝₀₄, λ˝₂ pour les courbes 48 et 50. En particulier, λ′₂ est choisi inférieur à λB et inversement λ˝₁ est choisi supérieur à λR.
  • Les différentes couches constituant l'écran d'affichage de l'invention peuvent être agencées de différentes façons comme cela apparaît sur les figures 4 et 5. La seule exigence est que les filtres 40, 41, 42 soient disposés entre l'observateur et la couche électroluminescente 34.
  • Aussi, comme représenté sur la figure 4, il est possible d'inverser la position des filtres et des électrodes 36 par rapport à la figure 2 ; les filtres colorés se trouvent placés entre la seconde série d'élec­trodes 36 et la structure électroluminescente 34. Dans ce mode de réalisation, les filtres peuvent être déposés par électrodéposition ; ils se présentent alors sous forme de bandes parallèles aux électrodes 36. Afin de mieux voir cette disposition, les directions des électro­des 30 et 36 de la figure 4 ont été interverties par rapport à la figure 2.
  • Par rapport au mode de réalisation de la figure 2, il est aussi possible d'inverser la position du substrat en verre 38 avec les filtres. Toutefois, l'écran correspondant est sujet à des effets de parallaxe sauf si le substrat est mince, c'est-à-dire de l'ordre de 0,1 mm.
  • Il est aussi possible, comme représenté sur la figure 5 d'inverser l'emplacement des deux systèmes d'électrodes. Dans ce cas, l'observation se fait par la face avant de l'écran d'affichage. Dans ce mode de réalisation, on trouve, de haut en bas, les filtres colorés 40, 41, 42, les électrodes transparentes 36, la structure électroluminescente 34, une première couche photoconductrice 32a et une seconde couche photoconductrice 32b, les électrodes réfléchissantes 30 et enfin le substrat en verre 38. Là encore, les filtres peuvent être déposés par électrodéposition.
  • L'utilisation des deux couches photoconductrices 32a, 32b permet l'obtention d'une structure photoconductrice à large bande de sensibilité. Bien entendu cet empilement de couches PC peut être utilisé dans les autres modes de réalisation des figures 2 et 4.
  • Pour une observation par la face avant, il est aussi possible, d'inverser les dispositions des filtres colorés 40, 41, 42 et des électrodes 36.
  • Il est aussi possible de n'utiliser que deux séries de filtres colorés, verts et rouges par exemple. On obtient ainsi un écran bichrome et non un écran trichrome.
  • On donne ci-après différents exemples de réali­sation de l'écran conforme à l'invention. Dans ces exem­ples, le matériau électroluminescent est du a-Si1-xCx:H, avec 0≦x≦1.
    • Exemple 1
  • Dans cet exemple, on utilise une seule couche de matériau photoconducteur ayant un spectre de sensibi­lité étroite (figure 3d, courbe 48), situé dans le bleu.
  • Les filtres colorés sont des filtres interférentiels ; le filtre bleu a une longueur d'onde de coupure haute λB=500 nm, le filtre rouge a une longueur d'onde de coupure basse λR=600 nm et le filtre vert des longueurs d'onde de coupure basse λV1 et haute λV2 respectivement de 500 et 600 nm.
  • Le matériau photoconducteur a-Si1-xCx:H de 1 µm d'épaisseur a une longueur d'onde de sensibilité maximale λ′₀₄<480 nm (c'est-à-dire <λB) ce qui correspond à E′₀₄≧2,58 eV et par conséquent à une concentration C en méthane≧0,85 et donc à x≧0,22.
  • Le matériau électroluminescent est du SrS:Ce,K,Eu ou du SrS:Pr,Ce avec une épaisseur de 1 µm.
    • Exemple 2
  • Il se différencie de l'exemple 1 par l'utilisa­tion d'un matériau photoconducteur ayant un spectre de sensibilité étroit situé dans le rouge profond.
  • Ce matériau a-Si1-xCx:H a une longueur d'onde de sensibilité maximale λ˝₀₄>625 nm, c'est-à-dire >λR, ce qui correspond à E˝₀₄≦2,0 eV et par conséquent à une concentration C≦0,30 et à x≦0,03.
    • Exemple 3
  • Dans cet exemple, on utilise une structure photoconductrice composée de deux couches PC superposées et de composition différentes (figure 5), entraînant ainsi une structure PC à large spectre de sensibilité (figure 3c).
  • Le premier matériau photoconducteur (32a) a une longueur d'onde λ₀₄₁ de 600 nm, ce qui correspond à E₀₄₁=2,07 eV et donc à C=0,40 et x=0,04.
  • Le second matériau photoconducteur (32b) a une longueur d'onde λ₀₄₂ de 500 nm, ce qui correspond à E₀₄₂=2,48 eV et donc à C=0,80 et x=0,20.
  • Dans les modes de réalisation représentés sur les figures 2 et 4, les filtres colorés à base de gélatine ou de polymère classiquement utilisés sont à écarter étant donné que ces filtres sont déposés avant les matériaux électroluminescent et photoconducteur, lors de la fabrication de l'écran, et donc qu'ils subis­sent des cycles thermiques contraignants, typiquement de 150 à 200°C ; ces filtres ne supportent que des tempé­ratures <100°C.

Claims (12)

1. Ecran plat d'affichage polychrome électro­luminescent comportant sur un substrat isolant (38) définissant l'une des faces de l'écran, une seule couche électroluminescente (16, 34) et au moins une couche photoconductrice (20, 32, 32a, 32b), ces couches étant empilées l'une sur l'autre, l'ensemble de ces deux cou­ches étant intercalé entre un premier système d'électro­des transparentes et un second système d'électrodes, connectés à des moyens électriques (45) pour exciter certaines zones de la couche électroluminescente, caractérisé en ce que la couche électroluminescente (34) est constituée d'un phosphore blanc et en ce qu'au moins deux séries de filtres colorés (40-42) sont interposées entre la couche électroluminescente (34) et l'observateur.
2. Ecran plat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filtres colorés (40-42) sont disposés entre le substrat isolant (38) et le premier système d'électrodes (36) en regard dudit substrat, le substrat étant alors transparent.
3. Ecran plat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filtres (40-42) sont disposés sur le premier système d'électrodes (36) (figure 5) et constituent l'autre face de l'écran.
4. Ecran plat selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche électro­luminescente (16) est intercalée entre une première (14) et une seconde (18) couches de diélectrique.
5. Ecran plat selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une couche de diélectrique (21) est prévue entre la couche PC (20) et le système d'électrodes en regard (30).
6. Ecran plat selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 5, caractérisé en ce que les systèmes d'électrodes (30, 36) sont constitués chacun de bandes conductrices parallèles entre elles, les bandes conductrices du premier système étant croisées par rapport aux bandes conductrices du second système.
7. Ecran plat selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend trois séries de filtres, respectivement bleues, rouges et vertes, formées de bandes parallèles aux bandes conductrices du premier (36) ou second (30) systèmes d'électrodes.
8. Ecran plat selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche photo­conductrice (32a, 32b, 32) est en silicium amorphe hydrogéné carboné de formule a-Si1-xCx:H avec 0≦x≦1.
9. Ecran plat selon l'une quelconque des reven­dications 1 à 8, caractérisé en ce que le phosphore blanc est choisi parmi SrS:Ce,K,Eu et SrS:Pr,Ce.
10. Ecran plat selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs couches (32a, 32b) photoconductrices empilées.
11. Ecran plat selon la revendication 1, caractérisé en ce que les filtres (40-42) sont électrodéposés sur le premier système d'électrodes (36).
12. Ecran plat selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le second système d'électrodes (30) est réfléchissant.
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