FR2574972A1

FR2574972A1 - Dispositif d'affichage a effet memoire comprenant des couches electroluminescente et photoconductrice superposees

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Publication number: FR2574972A1
Application number: FR8419353A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-12-18
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1986-06-20
Also published as: EP0209535A1; FR2574972B1; JPS62501180A; EP0209535B1; US4808880A; WO1986003871A1; DE3576422D1; JPH0665160B2

Abstract

DISPOSITIF D'AFFICHAGE ELECTROLUMINESCENT A EFFET MEMOIRE. SELON L'INVENTION, LA COUCHE ELECTROLUMINESCENTE 44 EST SURMONTEE D'UNE COUCHE PHOTOCONDUCTRICE 46. L'ENSEMBLE EST INTERCALE ENTRE DEUX SYSTEMES D'ELECTRODES 42, 48 RELIEES A UNE SOURCE DE TENSION 50. APPLICATION A LA REALISATION D'ECRANS D'AFFICHAGE.

Description

DISPOSITIF D'AFFICHAGE A EFFET MEMOIRE COMPRENANT

DES COUCHES ELECTROLUMINESCENTE ET PHOTOCONDUCTRICE

SUPERPOSEES

La présente invention a pour objet un dispo-

sitif d'affichage à effet mémoire comprenant des cou-

ches électroluminescente et photoconductrice superpo-

sées. L'intérêt de combiner les propriétés des

corps électroluminescents et des corps photoconduc-

teurs-a été aperçu depuis Longtemps. Il réside dans La possibilité d'obtenir un effet mémoire qui peut être expliqué schématiquement de la manière suivante. Un dispositif d'affichage comprend essentiellement une couche électroluminescente ou un empilement de couches comprenant une couche électroluminescente intercalée

entre deux systèmes d'électrodes, lesquelles sont con-

nectées à des circuits d'adressage. Une couche photo-

conductrice peut être utilisée de manière à établir, sous l'effet d'une excitation optique, une conduction électrique entre certaines de ces électrodes. Cette conduction entraîne l'établissement de potentiels

électriques appropriés et l'apparition d'une excita-

tion de la couche électroluminescente, laquelle émet alors un rayonnement. Celui-ci est utilisé en premier lieu pour l'affichage des informations, mais il permet

en outre d'entretenir la conduction de la couche pho-

toconductrice, même après cessation de -L'adressage optique. Il y a donc auto-entretien ou, si l'on veut,

effet mémoire.

Dans un article intitulé "The use of photo-

conductive CdS:Cu-Cl films in a laser-addressed elec-

troluminescent display screen" publié dans la revue "Thin Solid Films" 41 (1977) 151-160, G. OLIVE-et aI

ont décrit un tel dispositif dont on a reproduit sché-

matiquement la structure sur la figure 1 annexée. Sur un support isolant et transparent 10 sont déposées des électrodes opaques (Au) 12 et 14, une couche 16 de

matériau photoconducteur, et. une électrode transpa-

rente 18 reLiée à l'éLectrode 12. Un matériau photo-

conducteur 20 recouvre l'électrode 18. Une électrode transparente 22 est reliée aux électrodes 12 et 18 et

une électrode opaque (AL) 24 est disposée dans le ma-

tériau électroluminescent, de sorte que celui-ci se trouve intercalé entre, d'une part, cette électrode 24 et, d'autre part, les deux électrodes 18 et 22. Un laser 26 est capable d'émettre un faisceau lumineux 28 qui frappe le matériau photoconducteur 16 dans la zone

située entre les électrodes 12 et 14.

Le fonctionnement de ce dispositif est Le

suivant. Au repos, une tension alternative est appli-

quée sur l'électrode 24 et sur l'électrode 14, mais le laser 26 est à l'arrêt. Le matériau photoconducteur 16 n'étant pas excité optiquement, il se comporte comme un isolant. Les électrodes 14 et 12 sont donc isolées électriquement l'une de l'autre et le potentiel de

l'électrode 12 est flottant, ainsi que celui des élec-

trodes 18 et 22. Le matériau électroluminescent n'est

pas excité et il n'émet donc aucune lumière.

La commande de l'excitation s'effectue op-

tiquement par le laser 26. Celui-ci émet un faisceau

28 qui frappe Le photoconducteur 16 entre les électro-

des 12 et 14 rendant cette zone électriquement conduc-

trice. Les deux électrodes 12 et 14 se trouvent alors reliées par un canal conducteur (marqué symboliquement par la flèche 36) et le potentiel des électrodes 12, 18 et 22 s'établit à la valeur fixée par le potentiel appliqué à l'électrode 14. Une différence de potentiel apparaît alors entre l'électrode 24, d'une part, et les électrodes 18 et 22, d'autre part. Ceci provoque L'apparition d'un champ électrique et l'excitation du matériau électroluminescent. Le rayonnement 30 émis par le matériau électroluminescent vers l'avant du dispositif permet l'affichage d'information pour un observateur disposé en 32. Quant à la partie arrière 34 du rayonnement émis, elle vient exciter le photo- conducteur et entretenir sa photoconduction. Dès lors, le laser 26 peut être mis au repos sans que cesse

l'électroluminescence. On obtient ainsi un effet mé-

moire. L'affichage cesse dès lors qu'on supprime l'ex-

citation électrique.

Un dispositif analogue a été décrit par A.H.

KITAI et ai dans un article intitulé "Hysteretic Thin-Film EL Devices Utilizing Optical Coupling of EL Output to a Series Photoconductor" et publié dans la

revue SID 84 DIGEST, 255-256.

Si ces dispositifs donnent satisfaction à

certains égards, il faut reconnaître qu'ils sont ce-

pendant assez difficiles à réaliser tant leur com-

plexité est grande. L'invention a justement pour but

de simplifier la technologie relative à cette techni-

que, en proposant un dispositif d'affichage beaucoup

plus simple que ceux de l'art antérieur.

Dans cet esprit, l'inventeur à observé que la complexité des dispositifs de l'art antérieur était en grande partie due au fait que la photoconduction était mise en oeuvre de manière longitudinale, ou si l'on veut, dans le plan des couches. C'est ce qui est souligné dans la figure 1 par la flèche 36. Il en résulte qu'il faut deux systèmes d'électrodes: les unes (comme 14) qui sont des électrodes d'adressage, et les autres, comme 18 et 22 qui sont des électrodes d'excitation. Ces électrodes ne sont d'ailleurs pas de

tailles identiques, puisque leurs fonctions sont dif-

férentes, les premières étant beaucoup plus étroites que les secondes, ce qui pose des problèmes de masques et d'alignement. Par ailleurs, dans le dispositif de

G. Olive et ai, la structure électroluminescente pro-

prement dite 20 se compose de deux couches électrolu-

minescentes similaires séparées d'une électrode 24 jouant un rôle d'écran optique, ceci pour isoler

l'éLément photoconducteur de la lumière ambiante inci-

dente sur le dispositif du côté de l'observateur. Ce principe nécessite un ensemble d'électrodes sur quatre

niveaux distincts, imposant de multiples étapes sup-

plémentaires de masquage, gravure et dépôt dans le

procédé de fabrication.

La présente invention rompt avec cette tech-

-nique compliquée grâce à une disposition selon laquel-

le la conduction établie par le photoconducteur est transversale (et non plus longitudinale) ou si l'on veut, perpendiculaire aux plans des couches. Dès lors,

la structure du dispositif devient d'une grande sim-

plicité comme on le comprendra mieux par la suite. Il

suffit en effet de recouvrir la couche électrolumines-

cente ou l'empilement de couches classique d'une cou-

che photoconductrice, sans avoir à modifier la struc-

ture des systèmes d'électrodes ou à ajouter des élec-

trodes de commande. Le procédé de fabrication n'impli-

que donc aucune photogravure supplémentaire par rap-

port aux opérations que l'on rencontre dans La-réali-

sation de dispositifs électroluminescents ordinaires

sans effet mémoire.

De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif d'affichage électroluminescent qui est du genre de ceux qui comprennent de manière

connue, sur un support isolant, une couche électrolu-

minescente ou un empilement de couches comprenant une

couche électroluminescente intercalée entre deux sys-

tèmes d'électrodes, celles-ci étant connectées à une source de tension électrique permettant l'excitation de certaines zones de la couche électroluminescente,

ce dispositif comprenant en outre une couche photocon-

ductrice apte à établir, sous l'effet d'une excitation optique, une conduction électrique permettant d'éta- blir des potentiels sur les électrodes entrainant une

émission de lumière de la part de La couche électrolu-

minescente, cette lumière entretenant alors la photo-

conduction et conférant ainsi au dispositif un effet

mémoire. Selon l'invention, ce dispositif est caracté-

risé par le fait que les couches électroluminescente et photoconductrice sont empilées l'une sur l'autre, l'ensemble de ces deux couches étant intercalé entre

les deux systèmes d'électrodes, la conduction électri-

que introduite par la couche photoconductrice s'effec-

tuant entre une électrode d'un des systèmes et une

électrode en regard de l'autre système, dans une di-

rection perpendiculaire au plan de la couche photocon-

ductrice. L'invention peut être utilisée avec tout type de matériau électroluminescent. On sait, à cet

égard, qu'on distingue les matériaux en poudre, histo-

riquement les premiers à avoir été utilisés et les

matériaux en couches minces. Ces deux matériaux peu-

vent être utilisés dans l'invention. Ils peuvent être

excités soit en alternatif, soit en continu.

Les systèmes d'électrodes peuvent être de divers types selon l'application envisagée. Dans le cas d'un écran d'affichage matriciel, les systèmes

d'électrodes sont constitués par deux familles de ban-

des conductrices, les bandes d'un des systèmes étant croisées par rapport aux bandes de l'autre système. Le volume délimité par chaque intersection entre une électrode d'un système et une électrode de l'autre constitue un élément d'image. Une image peut alors être affichée sur un tel écran matriciel en excitant un certain nombre de ces étéments d'image. Une méthode bien connue d'affichage pour écran matriciel est la technique "une ligne à La fois" par laquelle on excite ou adresse les lignes (un des deux systèmes d'électro-

des) l'une après l'autre séquentiellement, les colon-

nes (L'autre système d'électrodes) sont adressées si-

multanément dans le même temps.

Dans une telle variante, l'excitation opti-

que qui rend le matériau photoconducteur est obtenue par la lumière émise par La couche électroluminescente elle-même sous l'effet d'une excitation électrique excédant momentanément un certain seuil, L'adressage

du dispositif étant ainsi tout électrique.

Mais selon une autre variante, Le dispositif

peut comprendre un dispositif d'adressage optique spé-

cifique apte à provoquer la conduction de certaines

zones de la couche photoconductrice.

Ce dispositif optique peut être un laser, un

crayon optique ou tout autre source de lumière.

Selon une autre variante encore, te moyen d'adressage pourra être un faisceau d'électrons. Le dispositif en question sera proche de celui décrit dans l'article intitulé "Of an Electron-Beam-Switched

Thin-Film ZnS:Mn Electroluminescent Faceplate" pu-

blié par 0. SAHNI et aL dans "IEEE Transactions on Electron Devices", vol ED 28, n 10, Juin 81, page 708. Le moyen d'adressage consiste alors en un seul élément électroluminescent recouvrant toute la surface arrière (côté canon à électrons) de la face avant d'un tube cathodique et alimenté indépendamment

du canon. L'apport de l'invention réside dans l'addi-

tion d'une couche photoconductrice de même surface

que la ou les couches électroluminescentes et interca-

lée entre ces dernières et l'électrode arrière en Al.

En outre, l'élément électroluminescent n'aura pas de mémoire inhérente et pourra être à base de poudre ou

de couches minces et excité en alternatif ou en conti-

nu. Quant au matériau photoconducteur, son spectre d'absorption doit être adapté au spectre

d'émission de l'élément électroluminescent pour assu-

rer à celui-Là une sensibilité maximale à cette émis-

sion électroluminescente, il peut être constitué par les corps déjà utilisés dans ce genre de dispositifs: CdS, CdSe, ou CdS-CdSe, ou encore CdS: Cu,Cl. Ainsi, avec le CdS-CdSe, l'inventeur a pu obtenir des temps de commutation de l'ordre de la milliseconde avec adressage électrique, A. H. KITAI et aI ont rapporté un temps de commutation électrique de 20 ms. Mais, selon l'invention, on peut utiliser aussi un autre corps, dont la photoconductivité a déjà été reconnue mais qui

n'a jamais été utilisé dans les dispositifs électrolu-

minescents à mémoire, probablement pour cette raison que cette photoconductivité est très inférieure à

- celle des corps précédents, ce qui le rendait inutili-

sable dans les dispositifs de l'art antérieur, pour

lesquels la conduction est dans le plan des couches.

Il s'agit du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H).

L'intérêt de ce matériau tient dans sa rapidité de

réponse et son aptitude à résister aux champs électri-

ques élevés, comme l'ont montré les études intensives menées sur le matériau pour la réalisation de cellules solaires et celle de transistors en couche mince. Les travaux récents de l'inventeur montrent qu'on pourrait

descendre le temps de commutation à 0,1 ms. Cette ré-

duction du temps de commutation est très importante car elle signifie que, pour un écran d'affichage à - 250 lignes excitées séquentiellement, il faudra

250 x 0,1 = 25 ms pour adresser un écran, ce qui de-

vient compatible avec les cadences des systèmes video, ce qui n'était pas le cas avec les dispositifs de

l'art antérieur.

L'entretien de l'état allumé pour un point d'affichage commuté doit être réalisé d'une alternance

à l'autre de la tension d'entretien. Il peut être ob-

tenu de deux manières non exclusives l'une de l'autre.

Si le temps de déclin du centre dopant émetteur de

lumière est suffisamment lent pour permettre un recou-

vrement des impulsions lumineuses d'une alternance à

l'autre de la tension d'entretien, la couche photocon-

ductrice sera encore soumise à la queue de luminescen-

ce de l'impression lumineuse précédente à la nouvelle alternance ou impulsion électrique et le dispositif restera dans l'état allumé. Si le temps de déclin du centre émetteur est trop court ou la fréquence de la

tension d'entretien trop basse, il faudra alors choi-

sir un matériau photoconducteur ayant un temps de ré-

ponse suffisamment lent pour permettre l'entretien de

l'état allumé du dispositif. -

On voit donc que, en choisissant le matériau

photoconducteur et les conditions de réalisation adap-

tées, on pourra réaliser des dispositifs à temps de

commutation rapide permettant de fonctionner à la ca-

dence video sur un grand nombre de lignes ou au con-

traire, des dispositifs fonctionnant à basse fréquence

d'entretien et donc d'une consommation électrique fai-

ble. Un autre matériau pourrait aussi être utilisé

avantageusement, c'est le monoxyde de zinc (ZnO).

De toute façon, les caractéristiques de

l'invention apparaîtront mieux après la description

qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre

explicatif et nullement limitatif. Cette description

se réfère à des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente un dispositif selon l'art antérieur, - la figure 2 représente, en coupe le long d'une électrode ligne, un dispositif de l'invention dans un mode de réalisation o l'adressage est tout électrique, - la figure 3 est un schéma qui montre l'équivalent électrique d'un point d'affichage,

- la figure 4 est une courbe montrant com-

ment la luminance d'un point d'affichage change en fonction de la tension électrique appliquée,

- la figure 5 montre un autre mode de réaLi-

sation o l'adressage est optique, - la figure 6 représente, en coupe le long d'une électrode ligne un dispositif de l'invention

dans un mode de réalisation inversé par rapport à ce-

lui de la figure 2,

- la figure 7 montre trois variantes de réa-

lisation d'un empilement couche électroluminescente-

couches diélectriques-couche photoconductrice.

Sur celles des figures qui représentent le dispositif de l'invention en coupe transversale, les couches ne sont pas dessinées à l'échelle et ceci pour plus de clarté. Il suffit d'indiquer que la couche photoconductrice possède généralement une épaisseur de l'ordre du micron et la couche électroluminescente ou l'empilement de couches une épaisseur totale de l'ordre du micron. Quant aux électrodes, elles sont classiquement réalisées par dépôt de couche d'oxyde

d'indium-étain ("ITO") de 0,2 micron d'épaisseur ty-

piquement. Le substrat isolant peut être du verre, par exemple un verre 7059 de la marque Corning ou un verre

ordinaire "soda-lime".

Le dispositif représenté sur la figure 2 comprend un substrat transparent 40, des électrodes transparentes en ligne 42 (la coupe représentée est supposée être effectuée le long d'une de ces lignes),

une couche électroluminescente 44, une couche photo-

conductrice 46 et des électrodes en colonnes 48. La couche électroluminescente peut être remplacée par un

empilement de couches comprenant une couche électrolu-

minescente. Les autres couches peuvent être des cou-

ches diélectriques pour une structure étlectrolumines-

cente du type couches minces à excitation alternative

ou une couche résistive de protection pour une struc-

ture en couches minces à excitation unidirectionnelle.

Ces couches peuvent être soit des couches minces, soit

à base de poudres conformément aux diverses technolo-

gies existantes de réalisation de structures électrolu-

minescentes. Les systèmes d'électrodes en lignes et en colonnes sont reliés en permanence à un générateur de tension alternative 50. Par ailleurs, les électrodes en lignes 42 sont reliées à un circuit d'adressage

ligne 52L et les électrodes en colonnes 48 à un cir-

cuit d'adressage colonne 52C. L'observation s'effec-

tue de préférence à travers le substrat 42, en 53.

Le fonctionnement de ce dispositif peut être expliqué à l'aide des figures 3 et 4. Sur la première, on voit le schéma électrique équivalent d'un point

d'affichage, c'est-à-dire du volume parallélépipédi-

que compris entre une électrode ligne et une électrode

colonne. La couche photoconductrice 46 est électrique-

ment équivalente à une résistance variable R46 et à une capacité fixe C46. La couche électroluminescente 44 équivaut à une résistance variable R44 et à une capacité fixe C44. Une capacité supplémentaire C44'

représente la contribution d'une ou de plusieurs cou-

ches diélectriques généralement déposées sur et/ou avant la couche électroluminescente (comme on le verra

plus loin à propos de la figure 7). -

Le graphique de la figure 4 montre la varia-

tion de la luminance L émise par un point d'affichage 1 1

en fonction de la tension V appliquée entre les élec-

trodes qui encadrent ce point. La luminescence n'appa-

ra;t pas tant que cette tension n'a pas atteint une valeur V1 qui correspond à un certain seuil de champ électrique nécessaire pour l'obtention du phénomène d'électroluminescence. A partir de cette valeur, le point excité émet de la lumière. La partie arrière du rayonnement lumineux émis par la couche 44 frappe le

photoconducteur 46 qui, d'isolant qu'il était (résis-

tance R46 forte), devient conducteur (résistance R46

faible). La quasi-totalité de la tension est alors ap-

pliquée à la couche électroluminescente 44 et le champ

électrique appliqué à cette couche augmente brusque-

ment. La tension peut donc être réduite sans que cesse l'électroluminescence. Celle-ci ne disparaîtra que lorsque le champ sera retombé sous la valeur de seuil, ce qui correspond à une tension V2 inférieure à V1. Si la tension appliquée aux électrodes est égale à une valeur V3 comprise entre V1 et V2, l'affichage sera maintenu. C'est le générateur 50 qui délivre cette tension V3 appliquée en-permanence aux électrodes. Le

rôle des circuits d'adressage 52L et 52C est d'appor-

ter, pendant un temps court, au point que l'on veut exciter, un surcroît de tension, d'amplitude égale à V1-V3. Pour éteindre un point luminescent, il suffit

d'appliquer une impulsion d'effacement qui ramène pen-

dant un court instant, la tension en-dessous de V2.

Le générateur 50 peut être un générateur de tension sinusoldale. Mais des générateurs de signaux

rectangulaires ou d'impulsions conviennent également.

Le dispositif qui vient d'être décrit pré-

sente la particularité d'être à adressage uniquement électrique. Mais des dispositifs à adressage optique entrent aussi dans le cadre de l'invention. Un tel dispositif est représenté sur la figure 5. Tel que représenté, il comprend toujours un substrat 40, des

électrodes en lignes 42, une couche électrolumines-

cente 44, une couche photoconductrice 46, des électro-

des en colonnes 48 et un générateur 50, mais le moyen d'adressage est ici constitué par un laser 54 et un

dispositif de déflexion 56. Ce dernier peut être réa-

lisé à l'aide d'un miroir galvanométrique ou un fais-

ceau de fibres. Le moyen d'adressage optique peut aussi être un crayon optique. Le faisceau lumineux 58

peut être dirigé sur l'un quelconque des points d'af-

fichage définis par le recouvrement de deux électrodes des systèmes 42 et 48. L'excitation optique d'un des points rend conductrice la couche 46 dans cette zone, ce qui provoque la chute de la résistance équivalente R46. La tension de la source 50 étant toujours égale à V3, le matériau électroluminescent est excité par un

champ dont la valeur excède le seuil d'électrolumines-

cence, ce qui provoque l'émission du rayonnement. Pour

tous les autres points, la tension V3 sera insuffisan-

te pour provoquer l'étectroluminescence. L'image to-

tale étant affichée, on pourra supprimer celle-ci en

ouvrant un interrupteur 51, ce qui fait cesser l'exci-

tation d'entretien.

Le dispositif représenté figure 6 est analo-

gue à celui de la figure 2 à ceci près que la couche

électroluminescente ou l'empilement de couches com-

portant une couche électroluminescente 44 est située

sur la couche photoconductrice 46 et que les électro-

des en colonnes 48 sont transparentes obligatoirement.

* L'observation s'effectue de préférence à travers les

électrodes 48 en "53b". Une telle structure peut s'im-

poser si, par exemple, les conditions dans lesquelles la couche photoconductrice est déposée sont de nature à dégrader les caractéristiques de la ou des couches composant l'élément électroluminescent, il est alors

préférable de déposer ces dernières en second.

La figure 7 a pour but de montrer que, dans

la pratique, les couches électroluminescente et photo-

conductrice peuvent être associées à des couches dié-

lectriques de la même manière que dans une structure électroluminescente complète du type couches minces à

excitation alternative. En a la couche électrolumines-

cente 61 est encadrée par des couches diélectriques 62 et 63, la couche photoconductrice 64 étant déposée sur la couche diélectrique supérieure 63. Ces couches ont des indices de réfraction sensiblement différents en pratique, provoquant des effets importants de guidage

optique. On peut préciser ces effets sur un cas con-

cret. La couche électroluminescente 61 peut être du ZnS d'indice nz=2,3 environ. Les couches diélectriques

62 et 63 peuvent être du Y203 d'indice nD=1,9 environ.

La couche photoconductrice 64 peut être du a-Si:H d'indice 3,4 environ. L'indice du substrat de verre et

des électrodes transparentes est typiquement de 1,5.

L'application de la loi de la réfraction-(conservation du produit n.sine d'un milieu à un autre) nous donne les résultats suivants. Si Dz est le flux lumineux émis à l'intérieur du ZnS et L La luminance mesurée

dans l'air normalement au plan du substrat côté obser-

vateur, on calcule que: L(Cd/m2 çz(Lux) x (1) nZ Si PC est l'éclairement de la couche PC induit par l'émission cZ du ZnS, on a:

-

n. - nD

CDPC 2 (1 + = 2 2(

nz nZ La seule quantité aisément mesurable est L, on déduit de (1) et (2) :

2 2 I

qpc(lux) TEL(Cd/m)x(nZ+ nZ - 2 Vnz-n) (nz- F'nz)- (3) Dans le cas précis envisagé, on obtient: pc(Lux) 7,8 UL(Cd/m2) (4)

Dans une structure du type de celLe de L'in-

vention et en supposant une absorption complète de La Lumière incidente sur la couche photoconductrice par cette dernière, L aura une valeur typique de 300 Cd/m2

à une fréquence d'excitation de 1 kHz pour du ZnS:Mn.

L'éclairement DPC reçu par La couche photoconductrice sera donc de t 7. 300 Lux d'après (4). L'écLairement ambiant typique d'un poste de travail en intérieur est de 400 Lux-environ, ce qui est nettement inférieur à PC, L'écran optique -décrit dans L'articte de

G. OLIVE et aI cité plus haut et source de complica-

tions technologiques n'est donc plus nécessaire avec

le dispositif de L'invention. Ceci est dû à L'exceL-

Lent couplage optique entre La couche éLectroLumines-

cente et La couche photoconductrice et aussi au flux lumineux intense émis dans le ZnS:Mn en couche mince

- par opposition au ZnS en poudre par exempLe. Le cou-

plage optique entre couche éLectroluminescente et cou-

che photoconductrice peut encore être améLioré en

choisissant des diélectriques à haut indice de réfrac-

tion comme par exemple le Ta205 (n!=2,1) ou les maté-

2 5 -

riaux ferro-éLectriques comme PbTiO3 (n 2,?). Si L'on

revient à La figure 7b, en b, -les couches éLectrolumi-

nescente 61 et photoconductrice 64 sont au contact L'une de l'autre mais l'ensembLe est protégé par une

couche diélectrique inférieure 62 et une couche dié-

lectrique supérieure 65.

Dans ce cas, le couplage optique entre cou-

che électroluminescente et couche photoconductrice est maximal: l'intégralité du flux rayonné par la

couche électroluminescente et non extrait de la struc-

ture dans l'air est récupéré par la couche photocon- ductrice. On calcule que:

PC 2 (1 +

nZ et

nz + n-

^PC L (Cd/m2) x (6) PC (lux)f (C/ 1' z z Dans l'exemple d'une couche électroluminescente-en ZnS et de couches diélectriques en Y203, on obtient: bpc ( 19 x L (Cd/m2)(7) C (lux)

Une luminance L de 300 Cd/m2 donne un éclai-

rement DPC de la couche photoconductrice de 18000 lux environ. L'utilisation d'un tel dispositif sans écran optique et en extérieur (éclairement inférieur à

10.000 Lux) devient alors possible.

En c, le dispositif représenté est obtenu à partir du dispositif présenté en b en intercalant une couche diélectrique supplémentaire 65. Ce type de structure comporte plusieurs avantages. Tout d'abord, il est connu que des diélectriques multicouches ont des propriétés électriques et de protection sous fort champ supérieures à celles d'une couche diélectrique

simple. Par ailleurs, on sait que les propriétés élec-

triques de la structure électroluminescente-tension de seuil, raideur de seuil- sont très sensibles à la nature et à la qualité des interfaces entre la couche électroluminescente proprement dite et les couches voisines. On choisira le diélectrique de la couche 65 de manière àoptimiser son interface avec la couche

éLectroluminescente. On pourra de plus choisir un dié-

lectrique à haut indice de réfraction pour se rappro-

cher autant que possible du couplage optique optimal

défini en (6) suivant le principe bien connu des cou-

ches anti-reflet. Un autre moyen original et plus sim-

ple à réaliser pour obtenir le couplage optique maxi-

mal est de déposer une couche 65 assez mince pour per-

mettre ce couplage par ondes évanescentes. Ainsi, à

une onde lumineuse émise dans la couche éLectrolumi-

nescente et ayant un angle d'incidence avec L'interfa-

ce entre la couche éLectroluminescente et la couche 65 supérieur à l'angle critique défini par la loi de la réfraction, on associe une onde évanescente dans la couche 65 dont la fonction d'onde est caractérisée par:

2 2

= e-k(neff - n)x, avec k = --, o k est le nombre d'ondes, X la longueur d'onde d'émission, n l'indice de la couche 65 et neff l'indice effectif de la cavité formée par la couche électroluminescente et les couches 65 et 62: neff nZ. L'axe des x est normal au plan des couches

et a pour origine l'interface entre la couche électro-

luminescente et la couche 65. Pour une couche électro-

luminescente en ZnS et une couche 65 en Y203, on cal-

cule: x " Ao e l avec l = 500 A. Si donc l'on choisit une couche 65 en Y203

d'épaisseur 500 A environ, une fraction -2 de la puis-

e2 sance Lumineuse incidente sur l'interface entre La

couche électroLuminescente et la couche 65 est trans-

mise à chaque réflexion à la couche -photoconductrice.

On a ainsi un transfert quasi intégral de L'onde Lumi-

neuse de La couche électroLuminescente à la couche

photoconductrice après quelques réflexions, ceci mal-

gré l'indice relativement bas de la couche 65 en Y203.

On retrouve donc enfin de compte Le couplage optique

optimal calcuLé en (7).

Après cette description, on comprend que le

dispositif de l'invention offre de nombreux avantages dans le domaine de l'affichage, en pLus de celui de la

simplicité, déjà souligné. Il permet, en effet, de ti-

rer un meilleur parti de l'effet mémoire que l'on ren-

contre dans certains dispositifs électroluminescents.

On sait, en effet, que certains matériaux électrolumi-

nescents contenant du manganèse, présentent un effet

mémoire (indépendamment de la présence de tout maté-

riau photoconducteur). Cet effet a été décrit dans un article intitulé "Character Display using Thin-Film EL Panel with Inherent Memory" publié par CHUJI SUZUKI et al dans SID 76 DIGEST, p.50-51. Mais cet effet mémoire est beaucoup plus difficile à maîtriser que celui qui est mis en Deuvre dans la présente invention, et cela pour les raisons suivantes:

1. Dans les dispositifs antérieurs à mémoire inhéren-

te, la largeur de la courbe d'hystérésis n'est pas facilement ajustée. En outre, l'effet d'hystérésis disparaît progressivement après un fonctionnement - prolongé. Dans le cas de la cellule de l'invention,

le photoconducteur est seul responsable de L'hysté-

résis (cf courbe de la figure 6) de sorte que ses propriétés peuvent être optimisées séparément de la

couche électroluminescente.

2.L'effet mémoire inhérent n'est obtenu qu'aux fortes concentrations de manganèse (supérieures à 1% en

poids typiquement). Mais ces concentrations sont si-

tuées au-delà de la valeur-optimale pour laquelle le rendement d'éLectroluminescence est le plus grand; ce rendement tombe alors au tiers ou même jusqu'au

dixième de sa valeur maximale. La combinaison maté-

riau électroluminescent-matériau photoconducteur

selon l'invention, en séparant les fonctions lumi-

nescence et mémorisation, permet d'adopter pour le

manganèse l'optimum de concentration en ce qui con-

cerne le rendement de luminescence. Un gain d'un or-

dre de grandeur est ainsi possible sur la luminance

du dispositif.

3. Avec l'invention, l'effet mémoire peut être obtenu même si le dopant de la couche électroluminescente n'est pas le manganèse; ainsi d'autres couleurs que Le jaune (qui correspond à Mn) sont possibles. On sait que l'effet mémoire permet d'exciter L'élément électroluminescent avec une tension d'entretien de

fréquence nettement supérieure à la fréquence de ra-

fraîchissement d'un écran électroluminescent sans mémoire: classiquement 1 kHz à comparer à 100 Hz pour le deuxième cas. Ce gain d'un ordre de grandeur en fréquence et donc en luminance sera d'autant plus apprécié que les rendements électroluminescents des corps émettant dans d'autres couleurs que le jaune

sont beaucoup plus faibles.

4. Pour des raisons qui ne sont pas encore parfaite-

ment élucidées, certaines technologies ne permet-

tent pas d'obtenir un effet mémoire propre à l-a cou-

che électroluminescente. Ainsi, il n'a jamais été rapporté à la connaissance de l'inventeur d'effet mémoire inhérent au ZnS:Mn quand celui-ci est déposé par évaporation par effet Joule, par pulvérisation cathodique ou encore par la méthode "Atomic Layer

Epitaxy" développée par LOHJA (FinLande).L'inven-

tion permet de pallier cet inconvénient en apportant

un moyen spécifique d'introduction de cet effet.

Par rapport aux dispositifs utilisant un ma-

tériau photoconducteur (comme le dispositif de la fi- gure 1 par exemple) l'invention offre encore quatre avantages qui sont les suivants:

1. L'interaction électroluminescence-photo-

conductivité mise en oeuvre dans la présente invention est beaucoup plus forte que dans l'art antérieur. Si l'on se reporte au dispositif de la figure 1, on voit

que cette interaction est amoindrie par deux circons-

tances:

a) - une électrode 18 sépare la couche électrolu-

minescente 20 et la couche photoconductrice 16;

b) - seule une zone de faible étendue du photo-

conducteur intervient dans le mécanisme de conduction. Au contraire, dans l'invention, et comme on

le voit bien sur la figure 2, les matériaux électro-

luminescent et photoconducteur sont mis au contact direct l'un de l'autre; par ailleurs, l'interaction

s'effectue sur toute la largeur d'un point d'affi-

chage. On peut dire alors que cette interaction est

de caractère microscopique en ce sens qu'elle inter-

vient non plus entre une zone de faible étendue (zone située entre les électrodes 12 et 14 pour le

dispositif de la figure 1) et la couche électrolumi-

nescente sur toute la surface du point d'affichage (par l'intermédiaire de l'électrode 18) mais entre

une multitude de volumes élémentaires photoconduc-

teurs et une multitude de volumes élémentaires élec-

troluminescents. L'intérêt de cette dernière propriété est notamment de permettre l'obtention d'une échelle de

niveaux de gris. Dans les dispositifs de l'art anté-

rieur, l'affichage est-du genre "tout ou rien", puis-

que la totalité de la tension d'adressage est reportée

sur la totalité du point d'affichage ( par l'intermé-

diaire des électrodes 18 et 22). Dans l'invention, au contraire, la luminance telle qu'elle est perçue par l'observateur, donc à l'échelle macroscopique, est la

somme-ou l'intégration de la contribution d'une multi-

tude de volumes élémentaires photoconducteur-électro-

luminescent. Chaque volume ou domaine élémentaire,

d'une taille de l'ordre du micron, est en fait un élé-

ment bistable caractérisé par sa tension d'allumage v1

et sa tension d'extinction v2 propres. Ainsi, en aug-

mentant la tension plus ou moins au-dessus de V1 (fi-

gure 4), on déclenchera un nombre plus ou moins impor-

tant de bistables élémentaires. On obtient donc un

fonctionnement "multistable" à l'échelle macroscopi-

que, permettant l'obtention d'une échelle de niveaux de gris. Si l'on se reporte à la courbe de la figure 4,

cela signifie qu'au lieu de travailler dans les condi-

tions correspondant au point M, on peut travailler dans les conditions d'un point M' o la luminance est moindre. 2. Il faut ajouter un-deuxième avantage au crédit de l'invention. Si le matériau photoconducteur

utilisé est suffisamment résistant aux champs électri-

ques élevés, on dépose une couche photoconductrice 46 plus mince, par exemple inférieure à 1 micron, et un

couplage capacitif important a lieu entre les électro-

des (couplage représenté par le condensateur C46 sur

la figure 3). Ce couplage permet un allumage du dispo-

sitif même dans l'obscurité totale, là o la résisti-

vité du photoconducteur est très élevée. La valeur d'une telle capacité dépend essentiellement de l'épaisseur de la couche photoconductrice et de la

permittivité du matériau. Or, ces grandeurs sont par-

faitement uniformes sur toute la surface d'un disposi-

tif et reproductibles d'un dispositif à l'autre. Au contraire, dans un dispositif de l'art antérieur comme celui de la figure 1, il est beaucoup plus difficile d'assurer l'uniformité sur une grande surface et la reproductibilité de la résistivité du photoconducteur dans l'obscurité; dans ce cas, il existe une très grande dispersion dans les tensions de commande. C'est la raison pour laquelle on a recours le plus souvent à un moyen d'adressage optique (laser 26 de la figure

1). Dans l'invention, au contraire, un écran à adres-

sage tout électrique est parfaitement fiable.

L'élément photoconducteur peut avoir un comportement de photorésistance en ce sens que, à un niveau d'éclairement donné, il se comportera comme une

résistance - R 46 de la figure 3 - et que sa résistan-

ce R 46 dépendra du niveau d'éclairement uniquement et pas de la tension aux bornes. Il est reconnu qu'il est difficile d'assurer une- excellente reproductibilité

de la résistivité d'un photoconducteur dans l'obscuri-

té, Les mécanismes sous-jacents étant en général mal connus et des impuretés non désirées et de nature mal

connue pouvant par exemple modifier cette résistivité.

Sans couplage capacitif ajouté à la résistance R 46 de l'élément photoconducteur, l'allumage du dispositif dans l'obscurité sera très difficile, la tension V1 d'allumage devra être très élevée dans certains cas, cette tension se retrouvant intégralement aux bornes de l'élément électroluminescent après déclenchement

de ce dernier, elle pourra même entraîner la destruc-

tion de celui-ci. La tension V1 sera aussi très sensi-

ble aux éclairements parasites comme l'éclairage am-

biant.

Une solution originale proposée dans l'in-

vention est d'utiliser un photoconducteur ayant un 257497t comportement de photodiode. Un tel comportement peut être réalisé en adaptant le procédé de réalisation et

appliquant. des champs élevés au photoconducteur. Ain-

si, un matériau en a-Si:H de type N ±1-N+ (I: intrin-

sèque) et testé par l'inventeur a montré des proprié- tés similaires à celles de la figure 2, la tension d'avalanche (v1) étant d'environ 20 V pour 2 ipm

d'épaisseur de la couche photoconductrice et corres-

pond à un champ de l'ordre de 10 V/cm. Cette valeur

de champ est caractéristique du matériau et est repro-

ductible d'un échantillon à l'autre. Un dispositif

électroluminescent-photoconducteur intégrant un éle-

ment photoconducteur de type photodiode peut être schématisé comme sur la figure 3, mais avec un élément photoconducteur équivalent à 2 diodes têtebêche de caractéristiques variables suivant l'éclairement,

dans le cas - non restrictif - o l'élément électrolu-

minescent est du type à excitation alternative. La

largeur de l'hystérésis V1-V2 (figure 4) est au maxi-

mum égale à v1 et elle est reproductible. La conduc-

tion du photoconducteur en v1 est liée à des mécanis-

mes du type effet avalanche, qui ne sont pas directe-

ment reliés à la photoconductivité du matériau. La

tension v1 n'est donc pas sensible à de faibles ni-

veaux d'éclairement. En pratique, la tension à mainte-

nir aux bornes du photoconducteur avant déclenchement du dispositif est de l'ordre de 20 à 50 V, on ne peut

donc réaliser des champs de l'ordre de 105 V/cm néces-

saires à l'effet photodiode qu'en transverse, un dis--

positif du type de celui décrit dans l'article de

G. OLIVE et al cité plus haut nécessiterait des espa-

ces interélectrodes (36 de la figure 1) trop étroit

(2-5 pm) pour être réalisables. Par ailleurs, les cou-

ches de protection électrique de l'élément électrolu-

minescent comme les couches diélectriques pour le type

électromuminescent à couches minces à excitation al-

ternative et comme la couche résistive pour le type éLectroluminescent à excitation unidirectionnelle protégeront efficacement la couche photoconductrice elle-même. Ainsi, on peut considérer en première approximation que pour obtenir le courant nécessaire à

l'allumage de l'élément éLectroluminescent, si le dis-

positif n'est pas allumé, il faudra appliquer une ten-

sion v1 aux bornes de l'élément photoconducteur; si le dispositif est déjà allumé, une tension v2 plus

faible suffira. On montre ainsi que la largeur d'hys-

térésis V1-V2 est égale à V1-V2 et que l'élément pho-

toconducteur est protégé par l'élément électrolumi-

nescent, ce dernier agissant en limiteur de courant, cette protection étant répartie sur toute la surface

du photoconducteur dans le cas de l'invention.

3. Dans un dispositif à une ou plusieurs électrodes de chaque côté (42 et 48) adressé par un moyen optique (laser ou crayon optique) ou par un

faisceau électronique (tube cathodique), la résolu-

tion de l'affichage sera uniquement limitée par la

taille de l'impact du faisceau lumineux en électroni-

que sur le dispositif et non plus par la résolution du système d'électrodes 42 et 48 comme c'est le cas dans

les dispositifs antérieurs (G. OLIVE) ou dans un dis-

positif de l'invention adressé électriquement unique-

ment. On pourra donc atteindre des résolutions et com-

plexités d'affichage très élevées (jusqu'à 107-108 éléments) sans recourir à des masquages et/ou des

gravures particulières.

4. Un dernier avantage au crédit de l'inven-

tion est que la couche photoconductrice est déposée uniformément sur toute la surface de l'afficheur et

absorbe la majeure partie de la lumière ambiante inci-

dente, elle empêche donc la réflexion de cette derniè-

Z4 re sur le réseau d'électrodes 48 généralement opaques

et métalliques. Elle contribue ainsi à renforcer nota-

blement le contraste du dispositif de l'invention sui-

vant le principe de la "couche noire" bien connu en électroluminescence couches minces. Dans les disposi- tifs de l'art antérieur, tels que celui de G. OLIVE et ai, le contraste est réduit pour deux raisons, tout d'abord le matériau électroluminescent est à base de poudre donc très diffusant, ensuite le dispositif est

constitué de plusieurs réseaux d'électrodes métalli-

ques 12 et 24 non masqués par la couche photoconduc-

trice et qui réfléchiront donc la lumière ambiante in-

cidente.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'affichage électroluminescent à effet mémoire comprenant, sur un support isolant (40), une couche électroluminescente (44) ou un empilement de couches comprenant une couche électroluminescente intercalée entre deux systèmes d'électrodes (42, 48), celles-ci étant connectées à une source de tension électrique (50) permettant L'excitation de certaines zones de la couche électroluminescente, ce dispositif comprenant en outre une couche photoconductrice (46) apte à établir, sous l'effet d'une excitation optique, une conduction électrique entraînant l'apparition de potentiels sur les électrodes provoquant une émission de lumière de la part de la couche électroluminescente

(44), cette lumière entretenant alors la photoconduc-

tion et conférant ainsi au dispositif un effet mémoi-

re, ce dispositif étant caractérisé par le fait que

les couches électroluminescente (44) et photoconduc-

trice (46) sont empiLées l'une sur l'autre, l'ensemble de ces deux couches étant intercalé entre les deux

systèmes d'électrodes (42, 48), La conduction électri-

que introduite par la couche photoconductrice s'effec-

tuant alors dans une zone située entre une électrode d'un des systèmes (42) et une électrode en regard de

l'autre système (48), dans une direction perpendicu-

laire au plan des couches (44, 46).

2. Dispositif selon La revendication 1, ca-

ractérisé par le fait que la couche électrolumines-

cente est du type à couches minces à excitation alter-

native, et comprend un empilement d'une couche mince

électroluminescente et de couches minces diélectri-

ques, la couche photoconductrice étant insérée entre cet empilement et un des deux systèmes d'électrodes

(42, 48) ou à L'intérieur de l'empilement.

3. Dispositif selon la revendication 1, ca-

ractérisé par le fait que la couche électrolumines-

cente est du type à couches minces à excitation conti-

nue et comprend une couche mince électroluminescente

ou un empilement comprenant une couche mince électro-

luminescente et une couche mince de protection élec-

trique répartie.

4. Dispositif selon la revendication 1, ca-

ractérisé par le fait que la couche étectrolumines-

cente est à base de poudre.

5. Dispositif selon la revendication 1, ca-

ractérisé par le fait que les systèmes d'électrodes

sont constitués par deux familles de bandes conductri-

ces (42, 48), les bandes d'un des systèmes étant croi-

sées par rapport aux bandes de l'autre système (écran

dit matriciel).

6. Dispositif selon La revendication 5, ca-

ractérisé par le fait que l'excitation optique qui

rend le matériau photoconducteur initialement conduc-

teur est obtenue par la lumière émise par la couche

éLectroluminescente elle-même sous l'effet d'une ex-

citation électrique suffisante appliquée aux deux sys-

tèmes d'électrodes, l'adressage du dispositif étant

ainsi tout électrique (52C, 52L).

7. Dispositif selon la revendication 1, ca-

ractérisé par le fait qu'il comprend en outre un dis-

positif d'adressage optique spécifique (54) apte à

provoquer la conduction de certaines zones de la cou-

che photoconductrice.

8. Dispositif selon la revendication 7, ca-

ractérisé par le fait que le dispositif d'adressage

optique est un Laser (54) associé à un moyen de dé-

flexion (56).

9. Dispositif selon la revendication 7, ca-

ractérisé par le fait que le dispositif d'adressage

est un crayon optique.

10. Dispositif selon la revendication 1,

caractérisé par e fait que e moyen d'adressage élec-

caractérisé par te fait que Le moyen d'adressage étec-

trique est le faisceau électronique d'un tube à rayons cathodiques.

11. Dispositif selon L'une quelconque des

revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le

matériau photoconducteur est à base de CdS ou de CdSe

ou de CdS-CdSe.

12. Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le

matériau photoconducteur est en silicium amorphe hy-

drogéné.

13. Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le

photoconducteur est du monoxyde de zinc (ZnO).