FR2836584A1 - Panneau electroluminescent dote d'elements d'extractions de lumiere - Google Patents

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Abstract

Chaque élément optique d'extraction de lumière (20, 30) comprend :- une interface d'entrée (21, 31) couplée optiquement avec la surface émissive des cellules ou celle du substrat du panneau, de manière à capter les rayons émis par ces cellules,- une interface de sortie (23, 33) de forme adaptée pour que les rayons émis par les cellules le traversent,- et, optionnellement, une surface réfléchissante (32) modifiant le trajet de ces rayons de manière à diminuer l'angle d'incidence avec cette interface de sortie.On améliore très sensiblement le rendement lumineux du panneau.

Description

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L'invention concerne un panneau d'éclairage ou de visualisation d'images comprenant une matrice mono-ou bi-dimensionnelle de cellules électroluminescentes organiques ( OLED ) dotée de moyens pour faciliter l'extraction de la lumière émise par ces cellules, qui en améliorent sensiblement le rendement lumineux.
Un tel panneau comprend généralement un substrat supportant une couche mince organique électroluminescente intercalée entre deux réseaux d'électrodes, l'un d'anodes, l'autre de cathodes, destinés à alimenter les cellules ; chaque cellule est positionnée dans une zone de recouvrement d'une anode et d'une cathode ; dans le cas de panneau à matrice passive, chaque réseau est généralement formé d'électrodes en bandes parallèles de largeur constante ; les électrodes du réseau d'anodes sont généralement perpendiculaires aux électrodes du réseau de cathodes ; pour les panneaux polychromatiques, notamment tri-chromatiques, la couche mince organique électroluminescente est généralement divisée en bandes alternées de couleurs d'émission différentes.
Dans le cas de panneaux à matrice active, le substrat intègre des composants électroniques pour le pilotage des cellules ; dans le cas de panneau à matrice passive, le substrat est généralement en en verre ou en matière plastique ; l'épaisseur du substrat est généralement comprise entre 300 am et 1500 pm, soit 500 à 100 fois supérieure à celle des cellules ; le côté ou le diamètre des cellules ou pixels est généralement compris entre 100 f. Lm et 300 um, soit 1 à 15 fois moins que l'épaisseur du substrat ; la couche d'électrodes intercalée entre le substrat et la couche électroluminescente est généralement appelée couche inférieure , car, dans les procédés classiques de fabrication, elle est appliquée avant la couche électroluminescente ; l'autre couche d'électrodes, appliquée après la couche électroluminescente, est appelée couche supérieure ; généralement, les bandes de la couche supérieure d'électrodes sont parallèles et centrées sur celles de la couche électroluminescente, qu'elles recouvrent au moins partiellement.
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Selon les cas, la lumière émise par le panneau doit traverser le substrat pour parvenir à l'observateur des images à visualiser (cas des panneaux à émission vers le bas ), ou ne doit pas traverser le substrat pour lui parvenir (cas des panneaux à émission vers le haut ).
Généralement, la lumière émise par le panneau doit traverser l'une des couches d'électrodes, soit la couche inférieure (cas des panneaux à émission vers le bas ), soit la couche supérieure (cas des panneaux à émission vers le haut ) ; l'autre couche est alors généralement réflective pour récupérer la lumière des cellules émise dans la direction opposée à celle de l'observateur placé face au panneau.
L'une des couches d'électrodes est donc généralement transparente, par exemple à base de ITO pour servir d'anode, l'autre étant alors de préférence métallique, absorbante voire réflective.
La différence importante d'indice entre la couche émettrice électroluminescente et l'air limite considérablement le taux d'extraction de la lumière ; en effet, tout rayon parvenant aux interfaces entre la couche émettrice et l'air sous une incidence supérieure à l'angle limite de réfraction (ou angle de réflexion totale) est totalement réfléchi au sein du panneau et généralement perdu.
L'invention a pour but de limiter cet inconvénient.
A cet effet, l'invention a pour objet un panneau d'éclairage ou de visualisation d'images comprenant une matrice mono-ou bi-dimensionnelle de cellules électroluminescentes organiques déposées sur un substrat et groupées au moins en lignes, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque cellule ou groupe de cellules, un élément optique d'extraction de lumière qui comprend lui-même : - une interface d'entrée couplée optiquement avec la surface émissive de ladite ou desdites cellules du groupe ou celle du substrat de manière à capter les rayons émis par ladite ou lesdites cellules, - une interface de sortie dont la forme présente une courbure adaptée pour que les rayons qui proviennent de cette interface d'entrée frappent ledit
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interface de sortie sous un angle d'incidence inférieur à l'angle limite de réfraction à cette interface de sortie de manière à le traverser, - et optionnellement une surface réfléchissante qui présente une courbure adaptée pour que les rayons qui la frappent en provenant de l'interface d'entrée soient renvoyés vers l'interface de sortie de manière à y présenter un angle d'incidence inférieur à l'angle limite de réfraction à cette interface de sortie de manière à la traverser.
En résumé, chaque élément optique d'extraction de lumière du panneau comprend : - une interface d'entrée couplée optiquement avec la surface émissive des cellules ou celle du substrat du panneau, de manière à capter les rayons émis par ces cellules, - une interface de sortie de forme adaptée pour que les rayons émis par les cellules le traversent, - et, optionnellement, une surface réfléchissante modifiant le trajet de ces rayons de manière à diminuer l'angle d'incidence avec cette interface de sortie.
Dans le cas de matrice bi-dimensionnelle de cellule, les cellules sont également groupées en colonnes ; on peut donc trouver un élément optique d'extraction par colonne.
De préférence, le couplage optique avec les cellules ou le substrat est assuré par une couche de colle présentant un indice de réfraction comparable avec celui du matériau des éléments optiques.
Le matériau des éléments optiques d'extraction est transparent ; on choisit par exemple un verre sodo-calcique classique d'indice 1,52, un
Figure img00030001

potyméthy ! méthacry ! ate d'indice 1, 49 ou un polyéthylèneglycol-téréphtalate d'indice 1,57 ; comme ce matériau présente un indice de réfraction supérieur à celui de l'air et plus proche de celui de la couche émettrice électroluminescente, les rayons émis par une cellule du panneau sont, après traversée de l'interface d'entrée d'un élément d'extraction, compris dans un angle solide supérieur à l'angle solide dans lequel ils se trouveraient après traversée d'une interface de forme identique, mais avec de l'air, ce qui signifie que cet élément optique capte une proportion du rayonnement émis par les cellules supérieur à celle qui parviendrait directement dans l'air par ces cellules en l'absence d'éléments
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optiques d'extraction ; ainsi, les éléments optiques augmentent très sensiblement le taux d'extraction de lumière.
L'élément optique est spécialement conçu, selon l'invention, pour que la quasi-totalité des rayons qui pénètrent par l'interface d'entrée ressortent par l'interface de sortie, - soit par modification de l'orientation de ces rayons, notamment par réflexion, pour qu'ils présentent une incidence inférieure à l'angle limite de réfraction à l'interface de sortie, notamment dans le cas où cet interface est plan et parallèle à la surface du substrat, - soit en adaptant la forme de l'interface de sortie, notamment en lui donnant une forme convexe, pour que l'angle d'incidence de ces rayons à cet interface soit inférieur à l'angle limite de réfraction à cette interface.
- soit en utilisant ces deux moyens simultanément.
La mise en oeuvre de ces moyens implique que, pour chaque élément optique d'extraction, la surface de son interface de sortie soit supérieure à celle de son interface d'entrée ; cette disposition permet d'augmenter la distance entre les bords des zones émissives de différentes cellules ou pixels, ce qui est particulièrement avantageux, notamment dans le cas de panneaux à matrice active ; ce point sera développé ultérieurement.
Grâce aux éléments optiques selon l'invention, on améliore très sensiblement le taux d'extraction de lumière des cellules et donc le rendement lumineux du panneau électroluminescent.
De préférence, pour chaque élément d'extraction, l'interface de sortie s'il n'y a pas de surface réfléchissante, ou, le cas échéant, ladite surface réfléchissante ne présente pas d'élément de surface plane ; les surface courbes non planes sont en effet les mieux adaptées pour obtenir le meilleur taux d'extraction de lumière ; dans le cas où les éléments d'extraction comportent des surfaces réfléchissantes, l'invention s'étend donc aux cas où les interfaces de sortie sont plans, conformément à la plupart des exemples donnés ci-après.
Selon une première famille de modes de réalisation de l'invention, de préférence, lesdits éléments forment un réseau de microlentilles convexes.
La forme de lentille convexe de l'interface de sortie est particulièrement bien adaptée pour que les rayons provenant de l'interface d'entrée forment
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avec cet interface un angle d'incidence plus faible que si cet interface était plan et parallèle au substrat du panneau ; en diminuant l'angle d'incidence à l'interface avec l'air, on augmente très sensiblement le taux d'extraction de lumière.
La surface de chaque microlentille est supérieure à la surface d'une zone émettrice ou d'un pixel du panneau.
On peut trouver une microlentille par cellule, auquel cas chaque microlentille présente deux plans de symétrie dont l'intersection est de préférence centrée sur une cellule, ou une microlentille pour une ligne ou une colonne de cellules, auquel cas chaque microlentille présente un plan de symétrie qui est de préférence centré sur une ligne ou une colonne de cellules.
Selon une deuxième famille de modes de réalisation de l'invention, les éléments d'extraction comportent une surface réfléchissante ; de préférence, cette surface présente une forme adaptée pour que tout rayon pénétrant par l'interface d'entrée d'un élément d'extraction en ressorte par l'interface de sortie ; cette condition s'énonce en anglais principe d' edge-ray , en référence, notamment, au chapitre 4, paragraphe 2 de l'ouvrage intitulé High Collection Nonimaging Optics , W. T. Welford & R. Winston, Academic Press, Inc 1989, p. 54 ; de préférence, la surface réfléchissante présente au moins un plan de symétrie et chacune des deux lignes d'intersection de cette surface avec un plan perpendiculaire à ce plan de symétrie forme une portion de parabole, comme illustré au chapitre 4, paragraphe 3 de cet ouvrage, notamment à la figure 4.3, où, à l'inverse de l'invention, une telle surface est utilisée comme concentrateur ; l'entrée du concentrateur décrit dans cet ouvrage devient l'interface de sortie de 1 élément d'extraction selon l'invenlton et la sortie du concentrateur devient l'interface d'entrée ; comme illus : ré au chapitre 4, paragraphe 5 du même ouvrage, chacune des deux lignes d'intersection forme une succesion de portions de paraboles ; de préférence, la position de l'axe et du foyer de la parabole de chaque ligne d'intersection, ainsi que l'épaisseur L de l'élément d'extraction sont choisis de manière à satisfaire les conditions énoncées au chapitre 4, paragraphe 3 de cet ouvrage,
Figure img00050001

notamment pages 56-57, de manière à satisfaire le principe d' edge-ray ; la y forme ; en récapitulant, de préférence, chacune des deux lignes d'intersection
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délimite la surface réfléchissante conformément à l'appellation anglaise Compound Parabolic Concentrator ou CPC telle qu elle est définie dans ce même ouvrage.
D'autres formes de surfaces réfléchissantes peuvent être utilisées sans se départir de l'invention, comme des formes coniques ou des formes paraboloides où les deux lignes d'intersections citées ci-dessus présenteraient le même axe.
La surface réfléchissante forme donc un réflecteur ; on peut trouver un réflecteur par cellule, auquel cas chaque réflecteur présente de préférence deux plans de symétrie, généralement perpendiculaires, dont l'intersection passe par le centre d'une cellule ; on peut trouver un réflecteur par lignes ou colonnes de cellules, auquel cas chaque réflecteur présente un seul plan de symétrie centré sur une ligne ou sur une colonne.
L'invention s'applique également aux cas où chaque élément d'extraction comporte à la fois une interface de sortie en forme de lentille et une surface réfléchissante ; de préférence, cette surface réfléchissante est alors de type CPC précédemment décrit ; des exemples de tels éléments sont donnés au chapitre 5, paragraphe 8 de l'ouvrage précédemment cité.
Selon une variante de l'invention, l'élément d'extraction sert également à collimater la lumière ; pour chaque élément d'extraction, l'interface de sortie et/ou, le cas échéant, la surface réfléchissante présentent alors une forme adaptée pour que les rayons qui sortent de l'interface de sortie soient dans un angle solide strictement inférieur à 2 n stéradians ; la forme de l'interface de sortie et/ou celle de la surface réfléchissante sont alors avantageusement adaptées pour que les rayons émis par le panneau soient resserés en direction d'une zone limitée de l'espace spécialement destinée aux observateurs des images à visualiser ; on améliore alors sensiblement le rendement du panneau sans surcoût.
De préférence, les éléments optiques d'extraction du panneau sont d'une seule pièce formant une couche d'extraction.
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Cette pièce rassemble alors l'ensemble des lentilles ou des réflecteurs paraboliques ou autres éléments d'extraction de lumière ; cette disposition est particulièrement avantageuse, parce qu'économique tant pour la fabrication des éléments d'extraction que pour son assemblage sur le panneau, puisque tous les éléments d'extraction se trouvent convenablement positionnés sur les différentes cellules du panneau en une seule opération ; en outre, la couche d'extraction peut alors être utilisée pour la protection des cellules du panneau, notamment contre t'act'on de l'eau et/ou de l'oxygène ambiants.
Dans le cas où les éléments d'extraction sont en matière plastique, on peut alors réaliser cette pièce unique d'une manière très économique par des méthodes classiques de transformation de matières plastiques, comme le moulage par pressage ou par injection.
Selon un mode de réalisation avantageux, c'est la couche d'extraction elle-même qui forme iedit substrat du panneau ; dans ce cas, c'est sur la couche d'extraction, côté interfaces d'entrée, que l'on vient déposer les différentes couches- notamment d'électrodes et de matériau électroluminescent, quel vont constituer la matrice bi-dimensionnelle de cellules du panneau ; la couche d'extraction est alors de préférence en verre.
De préférence, la matrice de cellules comprend une couche électroluminescente disposée entre deux couches de réseaux d'électrodes, une couche dite inférieure du côté du substrat et une couche dite supérieure de l'autre côté, chaque cellule étant positionnée dans une zone de recouvrement d'une électrode de la couche inférieure et d'une électrode de la couche supérieure ; un tel panneau peut comporter d'autres réseaux d'électrodes, notamment dans le cas de panneaux à matrice active.
L'électrode ou les électrodes de ladite couche supérieure étant transparentes ou serr-transparentes, les éléments d'extraction sont alors de préférence positionnés sur cette couche supérieure.
Les électrodes de ladite couche inférieure étant transparentes ou semitransparentes, les dits éléments d'extraction sont alors de préférence positionnés sur la face du substrat opposée à celle de cette couche inférieure.
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Selon une variante de l'invention, le substrat présente alors une structure fibreuse dont les fibres sont adaptées et orientées pour guider la lumière d'une face à l'autre dudit substrat.
L'interface d'entrée de chaque élément d'extraction peut donc recouvrir un groupe de cellules, notamment une ligne de cellules, ou par exemple une colonne de cellules si la matrice est bi-dimensionnelle ; dans ce cas, chaque élément d'extraction comporte de préférence un plan de symétrie centré sur ce groupe de cellules, ligne ou colonne.
De préférence, chaque cellule de ce groupe émet dans la même couleur primaire ; autrement dit, chaque groupe de cellules correspond alors à des cellules émettant dans la même couleur.
L'interface d'entrée de chaque élément d'extraction peut à l'inverse recouvrir une seule cellule ; dans ce cas, chaque élément d'extraction comporte de préférence deux plans de symétrie dont l'intersection passe par le centre de cette cellule ; dans le cas d'un panneau à matrice bi-dimensionnelle de cellules, les éléments d'extraction forment alors un réseau bi-dimensionnel.
Selon une variante de l'invention, la densité surfacique d'éléments d'extraction peut être supérieure à la densité surfacique de groupes de cellules ou de cellules du panneau.
Dans le cas de panneaux à matrice passive, les électrodes des réseaux se présentent de préférence sous forme de bandes conductrices parallèles de largeur constante ; de préférence, la couche électroluminescente est alors fractionnée en bandes parallèles émettant différentes couleurs primaires et disposées en alternance ; de préférence, chaque bande d'électrode de la couche supérieure est alors parallèle et centrée sur une bande de la couche électroluminescente.
A l'inverse, l'invention est particulièrement avantageuse dans le cas où le substrat du panneau forme une matrice active ; en effet, pour intégrer une matrice active aux panneaux électroluminescents, on est souvent contraint de limiter la surface d'émission électroluminescente propre à chaque cellule ; cette limitation n'est plus un inconvénient quand on utilise d'éléments d'extraction de lumière selon l invention.
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Enfin, l'invention s'applique tout particulièrement aux panneaux de visualisation d'images.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, et en référence aux figures annexées sur lesquelles : les figures 1 et 2 décrivent des panneaux électroluminescents à émission vers le bas , respectivement avec barrières et sans barrières, avant application d'une couche d'extraction de lumière selon l'invention ; les figures 3 et 4 décrivent des panneaux électroluminescents à émission vers le haut , respectivement avec barrières et sans barrières, avant application d'une couche d'extraction de lumière selon l'invention ;
Les figures 5 à 9 décrivent, en vue latérale ou coupe et vue de dos ou de face, des panneaux à émission vers le haut sans barrières avec, selon une première famille de modes de réalisation de l'invention, des éléments d'extraction de lumière en forme de micro-lentilles : cas générique pour la figure 5, cas de l'utilisation d'une plaque à gradient d'indice comme couche d'extraction pour la figure 6, cas de lentilles longitudinales disposées parallèlement aux lignes ou aux colonnes respectivement pour la figure 7 et 8, cas d'une couche d'extraction formée d'une matrice bidimensionnelle de lentilles pour la figure 9.
La figure 11 décrit, en coupe, un panneau électroluminescent à émission vers le bas sans barrières doté d'éléments d'extraction de lumière en forme de réflecteurs selon une deuxième famille de modes de réalisation de l'invention ;
Les figures 10,12 à 14 décrivent, en vue latérale ou coupe et vue de dos ou de face, des panneaux à émission vers le haut sans barrières avec, selon la deuxième famille de modes de réalisation, des éléments d'extraction de lumière en forme de réflecteurs : cas générique pour la figure 10, cas de réflecteurs longitudinaux
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disposés parallèlement aux lignes ou aux colonnes respectivement pour la figure 12 et 13, cas d'une couche d'extraction formée d'une matrice bidimensionnelle de réflecteurs pour la figure 14.
Les figures 15 et 16 décrivent des vues en coupe de panneaux électroluminescents à émission vers le bas selon l'invention, dont les substrats sont structurés en fibres servant de guides de lumière pour le traverser et qui sont dotés respectivement de réflecteurs et de microlentilles.
La figure 17 décrit une vue de dessus d'un panneau électroluminescent à matrice active, avant application d'une couche d'extraction de lumière selon l'invention.
Afin de simplifier la description et de faire apparaître les différences et avantages que présente l'invention par rapport à l'état antérieur de la technique, on utilise des références identiques pour les éléments qui assurent les mêmes fonctions.
Le panneau selon l'invention comprend donc : - une matrice bi-dimensionnelle de cellules électroluminescentes organiques déposées sur un substrat et groupées en lignes ou en colonnes, - des éléments d'extraction de lumière déposés sur chaque cellule ou lignes ou colonnes de cellules, formant une couche d'extraction.
On va d'abord décrire en référence aux figures 1 à 4 la fabrication du panneau, ici à matrice passive, en dehors de la couche d'extraction spécifique à 1 invention.
Différentes méthodes classiques peuvent être utilisées pour déposer sur un substrat successivement une couche inférieure d'électrodes en réseau, une couche électroluminescente comprenant en général des bandes alternées de couleurs d'émission différentes, et une couche supérieur d'électrodes en réseau : on peut utiliser par exemple la photolithographie, le dépôt sous vide avec masquage, le dépôt par centrifugation ( spin-coating en langue anglaise), et/ou l'impression par jet d'encre.
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Comme on l'a vu précédemment, on distingue deux types de panneaux : ceux, les plus courants, qui émettent la lumière vers le bas , c'est à dire au travers du substrat et donc de la couche inférieure d'électrodes et ceux qui émettent de la lumière vers le haut , c'est à dire au travers de la couche supérieure d'électrodes.
Pour chacun de ces types, on trouve classiquement deux types de structure possibles : une structure avec des barrières de séparation entre les bandes de la couche supérieure d'électrodes et celle de la couche électroluminescente, et une structure sans barrières de séparation ; cette dernière structure est généralement réalisée par des méthodes de dépôt avec masquage ( shadow mask en langue anglaise)
L'avantage des barrières de séparation est d'apporter une meilleur isolation électrique entre les lignes ou colonnes de cellules ; leur inconvénient est un surcoût.
Globalement, on rencontre donc quatre types de panneaux, qui vont être maintenant décrits séparément plus en détail.
Dans le cas d'un panneau à émission vers le bas doté de barrières et en référence à la figure 1, sur un substrat 100 formé par une plaque de verre, on dépose une couche inférieure transparente à base d'ITO ( Indium Tin Oxide en langue anglaise) que l'on grave ensuite pour former des bandes d'électrodes transparentes 101 ; dans le cas de matrice active, on graverait plutôt des rectangles d'électrodes transparentes ; on dépose ensuite une couche d'isolation électrique 102 ménageant des évidements ou épargnes, ici de forme rectangulaire, pour chaque cellule électroluminescente ; on réalise ensuite un réseau de barrières rectilignes de séparation 105, parallèles, orientées perpendiculairement aux électrodes 11 : = 1 de la couche inférieure, et disposées entre les épargnes ou évidements due, a couche d'isolation 102 ; des méthodes possibles de réalisation des barrières sont décrites dans le document US 5701055 (PIONEER) ; ces barrières sont en matériau isolant, de préférence identique à celui de la couche d'isolation 102 ; entre les barrières 105 et au sein de chaque épargne ou évidements dans la couche d'isolation 102, on dépose la couche organique électroluminescente formant des bandes 103, généralement structurée elle-même en plusieurs sous-couches comprenant notamment une
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sous-couche organique d'injection de trous, une sous-couche organique électroluminescente à proprement parier, et une sous-couche d'injection d'électrons ; pour le dépôt de ces sous-couches organiques, on procède par exemple sous vide ; pour obtenir des bandes alternées de différentes couleurs, on procède au dépôt de chaque couleur en masquant les zones inter-barrières correspondant aux autres couleurs ; au dessus des bandes électroluminescentes 103, on dépose ensuite des bandes d'électrodes 104, généralement opaques et de préférence réflective ; là aussi, ces bandes peuvent être structurées en plusieurs sous-couches, par exemple une souscouche à base de fluorure de lithium (LiF) et une sous-couche à base d'aluminium, qui apporte l'effet réflectif ; on obtient ainsi un panneau à émission vers le bas doté de barrières.
Dans le cas d'un panneau à émission vers le bas sans barrières et en référence à la figure 2, sur un substrat 100 formé par une plaque de verre, on dépose comme précédemment des bandes d'électrodes transparentes 101 ; à l'aide d'un masque ou d'un jeu de masques-un pour chaque couleur-on dépose des bandes de couche organique électroluminescente 103, de structure et de composition identiques à celles précédemment décrites ; ces bandes 103 sont parallèles, orientées perpendiculairement aux électrodes 101 de la couche inférieure, et disposées de manière à couvrir les zones rectangulaires des cellules ; au dessus des bandes électroluminescentes 103, à travers des masques présentant des ouvertures plus étroites, on dépose ensuite des bandes d'électrodes 104 identiques aux précédentes ; on obtient ainsi un panneau à émission vers le bas sans barrières.
Dans le cas d'un panneau à émission vers le haut doté de barrières et en référence à la figure 3, on procède comme dans le cas déjà décrit d'un panneau à émission vers le bas doté de barrières, en inversant la position des électrodes transparentes 101 qui appartiennent maintenant à la couche supérieure, et celle des électrodes opaques 104 qui appartiennent maintenant à la couche inférieure.
Dans le cas d'un panneau à émission vers le haut sans barrières et en référence à la figure 4, on procède comme dans le cas déjà décrit d'un panneau à émission vers le bas sans barrières, en inversant la position des
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électrodes transparentes 101 qui appartiennent maintenant à la couche supérieure, et celle des électrodes opaques 104 qui appartiennent maintenant à la couche inférieure.
D'autres procédés classiques d'obtention d'une matrice bi-dimensionnelle de cellules électroluminescentes organiques peuvent être utilisés sans se départir de l'invention, notamment dans le cas de matrices actives.
On va maintenant décrire, à titre d'exemple, deux grandes familles d'éléments d'extraction de lumière, spécifiques de l'invention, déposés sur chaque cellule ou lignes ou colonnes de cellules : - les éléments d'extraction de type microlentille 20, - les éléments d'extraction de type réflecteur parabolique 30.
La figure 5 décrit des éléments d'extraction en forme de microlentilles 20 déposés sur un panneau électroluminescent à émission vers le haut sans barrières tel que précédemment décrit en référence à la figure 4 ; chaque microlentille 20 comprend, au niveau de chaque cellule, ou de chaque ligne ou colonne de cellules du panneau : - une interface d'entrée 21 d'ouverture LE couplée optiquement avec la surface émissive de cette cellule ou des cellules de cette ligne ou de cette colonne, de manière à capter les rayons émis provenant de la couche électroluminescente 103 au travers des électrodes transparentes 101, - une interface de sortie 23 d'ouverture plus large Ls dont la forme présente une courbure adaptée pour que les rayons qui proviennent de l'interface d'entrée 21, comme celui représenté par une flèche en trait plein sur la figure, frappent cette interface de sortie 23 sous un angle d'incidence inférieur à l'angle limite de réfraction à cette interface de sortie 23, de manière à le traverser.
Grâce à un tel élément lenticulaire 20, on améliore considérablement l'extraction de la lumière émise par les cellules du panneau.
De préférence, l'ensemble des éléments d'extraction est d'un seul tenant et forme une couche d'extraction 200 ; cette couche d'extraction peut être en matériau polymère transparent, ce qui permet de la former économiquement
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par moulage par pressage ou par injection ; cette couche d'extraction peut également être en verre ; cette couche d'extraction peut être assemblée sur le panneau par collage ; la couche de colle intermédiaire-non représentée-sert alors de moyen de couplage optique avec le panneau.
La figure 6 représente une variante où la couche d'extraction 200' présente une épaisseur homogène et contient des zones de gradient d'indice 20'qui jouent le même rôle que les éléments optiques d'extraction précédemment décrits.
Les figures 7 à 9 présentent d'autres variantes concernant la forme des microlentilles des éléments d'extraction : - figure 7 B : chaque élément d'extraction 20L présente un plan de symétrie, sert pour une ligne de cellules du panneau de la figure 7 A, et est centré sur une ligne d'électrode transparente 101 de ce panneau ; - figure 8 B : chaque élément d'extraction 2OC présente un plan de symétrie, sert pour une colonne de cellules du panneau de la figure 8 A, et est centré sur une colonne d'électrode opaques 104 de ce panneau ; - figure 9 B : chaque élément d'extraction 20p présente un axe de symétrie centré sur une cellule du panneau au croisement d'une électrode transparente de ligne 101 et d'une électrode opaque de colonne 104 du panneau de la figure 9 A, et sert essentiellement pour cette cellule.
Ces modes de réalisation de l'invention où les éléments d'extraction ont la forme de microlentilles s'applique également aux panneaux électroluminescents à émission vers le bas sans barrières tel que précédemment décrits en référence à la figure 2 ; la couche d'extraction 200 est alors couplée optiquement avec la surface du substrat 100 ; à cause de l'épaisseur du substrat, qui est généralement comprise entre 0,3 à 1,5 mm et qui est supérieure voire très supérieure au côté ou au diamètre des cellules ou pixels, la quantité de lumière captée par la couche d'extraction est plus faible que dans les cas précédents d'émission vers le haut ; on évite cet inconvénient en utilisant la couche d'extraction 200 comme substrat, de préférence alors en utilisant une couche d'extraction à gradient d'indice 200'comme représenté à la figure 6.
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L'épaisseur des éléments d'extraction en forme de microlentilles ou de la couche d'extraction est un compromis entre le taux d'extraction de lumière, le niveau de concentration ou de collimation souhaité (voir infra), la rigidité mécanique et le niveau de protection que l'on souhaite que cette couche apporte au panneau.
La figure 10 décrit des éléments d'extraction en forme de réflecteurs paraboliques 30 de type CPC précédemment décrits, déposés sur un panneau électroluminescent sans barrières à émission vers le haut tel que précédemment décrit en référence à la figure 4.
Chaque réflecteur parabolique 30 comprend, au niveau de chaque cellule, ou de chaque ligne ou colonne de cellules du panneau : - une interface d'entrée 31 d'ouverture LE couplée optiquement avec la surface émissive de cette cellule I OR, IOG, 1 OB, ou des cellules de cette ligne ou de cette colonne, de manière à capter les rayons émis provenant de cette ou de ces cellules, - une surface réfléchissante 32 qui présente une courbure adaptée pour que les rayons qui la frappent en provenant de l'interface d'entrée 31 soient renvoyés vers une interface de sortie 33 de manière à y présenter un angle d'incidence inférieur à l'angle limite de réfraction à cette interface de sortie de manière à la traverser, - une interface de sortie 33 d'ouverture plus large Ls dont la forme est ici plane.
Les rayons qui proviennent de l'interface d'entrée 31, comme ceux représentés par des flèches en traits pleins sur la figure 10, frappent cette interface de sortie 33 sous un angle d'incidence inférieur à l'angle limite de réfraction à cette interface de sortie 33, de manière à le traverser.
De préférence, l'ensemble des éléments d'extraction est d'un seul tenant et forme une couche d'extraction 300 ; de préférence, cette couche d'extraction est en matériau polymère transparent et est formée par moulage par pressage ou par injection.
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De préférence, les surfaces réfléchissantes 32 sont formées par aluminisation des zones de la surface de cette couche qui doivent être réfléchissantes ; selon une variante, la réflexion est assurée par réflexion totale.
Le couplage optique aux niveaux des interfaces d'entrée est réalisée à l'aide d'une couche de colle transparente d'indice proche de celui du matériau ; mais, en enduisant de colle les interfaces d'entrée 33 de la couche d'extraction, on risque d'appliquer de la colle sur les surfaces réfléchissantes 32, ce qui serait particulièrement gênant si la réflexion était assurée par réflexion totale ; l'aluminisation des surfaces réfléchissantes 32 évite cet inconvénient.
Grâce à un tel élément réflecteur 30, on améliore considérablement l'extraction de la lumière émise par les cellules du panneau.
La figure 11 représente une variante où la couche d'extraction 300' comprenant des réflecteurs 30 identiques aux précédents est déposée sur un panneau électroluminescent sans barrières à émission vers le bas tel que précédemment décrit en référence à la figure 2 ; cette variante se différencie également en ce que la densité d'éléments d'extraction est beaucoup plus importante que précédemment : on y trouve en effet deux fois plus d'éléments d'extraction que de lignes de cellules ou de colonnes de cellules ou même de cellules ; cette variante se différencie aussi en ce qu'elle comporte un réseau d'éléments réflecteurs 28 disposés entre le substrat 100 et la couche d'extraction 300', entre les interfaces d'entrée 31 d'éléments d'extraction adjacents ; ce réseau d'éléments réflecteurs 28 permet d'améliorer encore le rendement d'extraction, comme l'indique le trajet des rayons lumineux représentés sur la figure.
Les figures 12 à 14 présentent d'autres variantes concernant la forme des réflecteurs des éléments d'extraction : - figure 12 B : chaque élément d'extraction 30L présente un plan de symétrie, sert pour une ligne de cellules du panneau de la figure 12 A, et est centré sur une ligne d'électrode transparente 101 de ce panneau ; - figure 13 B : chaque élément d'extraction 30c présente un plan de symétrie, sert pour une colonne de cellules du panneau de la figure 13 A, et est centré sur une colonne d'électrode opaques 104 de ce panneau ;
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- figure 14 B : chaque élément d'extraction 30p présente un axe de symétrie centré sur une cellule du panneau au croisement d'une électrode transparente de ligne 101 et d'une électrode opaque de colonne 104 du panneau de la figure 14 A, et sert essentiellement pour cette cellule.
Les deux grandes familles d'éléments d'extraction de lumière qui viennent d'être décrites sont, comme on l'a déjà vu, applicables aux panneaux d'extraction à émission par le bas , avec l'inconvénient déjà cité que la quantité de lumière captée par la couche d'extraction est alors plus faible que dans les cas précédents d'émission vers le haut , à cause de l'épaisseur du substrat ; un moyen d'éviter cet inconvénient est d'utiliser un substrat 100"en forme de plaque fibreuse dont les fibres 106 sont orthogonales aux faces principales de cette plaque et adaptées pour guider la lumière d'une face à l'autre de cette plaque selon le trajet optique le plus court possible.
Les figures 15 et 16 représentent deux variantes de ce mode de réalisation, respectivement dans le cas d'une couche d'extraction 300 formée de réflecteurs 30 et dans le cas d'une couche d'extraction 200 formée de microlentilles 20.
L'avantage à utiliser des couches d'extraction d'une seule pièce 200,300 avec ce type de substrat 100"et qu'elles apportent une très bonne étanchéité et une très bonne protection des cellules du panneau qui seraient insuffisamment protégées de l'eau et de l'oxygène par le substrat seul à cause de sa structure fibreuse qui le rend perméable à l'eau et à l'oxygène ; les matériaux organiques de la couche électroluminescente 103 sont en effet réputés se dégrader rapidement sous l'action de l'eau ou de l'oxygène.
De manière générale, la couche d'extraction selon l'invention, quand elle est d'une seule pièce, améliore sensiblement la protection des cellules vis à vis de l'oxygène ou de l'eau ambiants.
L'invention a été décrite en référence à des panneaux électroluminescents organiques sans barrières ; elle s'applique aussi à des panneaux dotés de barrières comme ceux des figures 1 et 3 précédemment décrits ; dans le cas de panneaux à émission vers le haut , la hauteur des barrières, généralement
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inférieure à 10 ! lm, n'est pas gênante pour l'application d'éléments d'extraction de lumière à réflecteurs, étant donnée la courbure des réflecteurs qui permet de rester éloigné des barrières.
Les deux grandes familles d'éléments d'extraction de lumière ont été décrites ci-dessus en se référant à des formes d'interface de sortie en microlentille pour la première famille et des formes de surface réfléchissante en parabole pour la seconde ; d'autres formes géométriques sont utilisables sans se départir de l'invention ; tant pour l'interface de sortie de la première famille que pour la surface réfléchissante de la deuxième famille, on préfère des surfaces courbes qui sont plus efficaces pour l'extraction, à l'opposé donc de surfaces présentant des zones planes.
Selon une variante générale de l'invention, les moyens d'extraction de lumière sont adaptés pour servir également à diminuer l'ouverture du conoscope d'émission de lumière du panneau de façon à le limiter à la zone de l'espace de l'avant du panneau qui est spécialement destinée aux observateurs des images à visualiser ; la géométrie des interfaces de sortie 23,33 des éléments d'extraction et/ou celle de leurs surfaces réfléchissantes 32 sont adaptées d'une manière connue en elle-même pour obtenir cet effet de concentration.
On voit qu'en utilisant des moyens d'extraction de lumière selon l'invention, chaque élément d'extraction apporte une ouverture de sortie Ls très supérieure à l'ouverture d'émission LE de la cellule correspondante ; le rapport Ls/LE est de préférence de l'ordre de 4 en l'absence d'effet de concentration et supérieur à 4 en présence d'effet de collimation ; grâce à l'invention, on peut réduire très sensiblement la surface réelle d'émission de la couche électroluminescente au niveau de chaque cellule sans perdre globalement de flux lumineux au niveau du panneau ; en effet, la diminution de surface réelle d'émission au niveau de chaque cellule est compensée par l'augmentation du taux d'extraction de lumière.
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La diminution de surface réelle d'émission au niveau de chaque cellule est particulièrement avantageuse dans le cas de panneaux à matrice active ; en effet, dans ce type de panneaux, un certain nombre de composants électroniques nécessaires au pilotage des cellules sont gravés et insérés dans le substrat du panneau, au niveau de chaque cellule ; or, ces composants peuvent être encombrants et conduire à limiter la surface réelle d'émission au niveau de chaque cellule ; cette limitation n'est plus gênante quand on utilise des moyens d'extraction de lumière selon l'invention.
La figure 17 illustre trois cellules adjacentes 10, 10, 10 d'un panneau électroluminescent à matrice active comprenant chacune une électrode de la couche inférieure connectée à un composant de mémoire 304, et l'électrode unique de la couche supérieure (non représentée) formée ici d'une pleine couche conductrice transparente ou semi-transparente ; alors que les électrodes de la couche inférieure doivent être séparées les unes des autres, on peut au contraire se contenter d'une seule électrode pour la couche supérieure ; la surface émissive de chaque cellule est ici définie par la zone de recouvrement de l'électrode de la couche inférieure avec l'électrode unique de la couche supérieure, et non pas, comme dans les cas précédemment décrits de matrices dites passives , par le croisement entre une électrode de la couche supérieure et une électrode de la couche inférieure ; la surface de l'électrode de la couche inférieure de chaque cellule du panneau à matrice active peut être avantageusement choisie de manière à correspondre à celle de l'interface d'entrée des éléments d'extraction selon l'invention.
L'invention est particulièrement avantageuse dans le cas où l'on réalise la matrice bidimensionnelle de cellules par des méthodes de dépôt avec masquage ou par impression à jet d encre, notamment la couche électroluminescente et la couche supérieure d'électrodes ; en effet, comme on peut, grâce à l'invention, diminuer la surface d'émission des cellules, on peut augmenter la distance séparant les électrodes et donc la largeur des motifs des masques utilisés pour le dépôt des différentes couches ou sous-couches du panneau ; de tels masques à motifs plus larges sont beaucoup plus faciles à positionner ; de ce fait, l'invention est particulièrement avantageuse dans le cas
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de panneaux sans barrières pour la fabrication desquels on utilise généralement des méthodes de masquage ou des méthodes d'impression à jet d'encre.

Claims (17)

  1. REVENDICATIONS 1. - Panneau d'éclairage ou de visualisation d'images comprenant une matrice mono-ou bi-dimensionnelle de cellules électroluminescentes organiques déposées sur un substrat (100) et groupées au moins en lignes, caractérisé en ce qu'il comprend, pour chaque cellule ou groupe de cellules, un élément optique d'extraction de lumière (20,30) qui comprend luimême : - une interface d'entrée (21,31) couplée optiquement avec la surface émissive de ladite ou desdites cellules du groupe ou celle du substrat de manière à capter les rayons émis par ladite ou lesdites cellules, - une interface de sortie (23,33) dont la forme présente une courbure adaptée pour que les rayons qui proviennent de cette interface d'entrée (21,31) frappent ledit interface de sortie (23,33) sous un angle d'incidence inférieur à l'angle limite de réfraction à cette interface de sortie de manière à le traverser, - et optionnellement une surface réfléchissante (32) qui présente une courbure adaptée pour que les rayons qui la frappent en provenant de l'interface d'entrée soient renvoyés vers l'interface de sortie (23,33) de manière à y présenter un angle d'incidence inférieur à l'angle limite de réfraction à cette interface de sortie de manière à la traverser.
  2. 2. - Panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce que, pour chaque élément d'extraction (20,30), ladite interface de sortie (23,33) s'il n'y a pas de surface réfléchissante, ou, le cas échéant, ladite surface réfléchissante (32) ne présente pas d'élément de surface plane.
  3. 3. - Panneau selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits éléments (20) forment un réseau de microlentilles convexes.
  4. 4.-Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le cas où lesdits éléments d'extraction (30) comportent une surface réfléchissante, cette surface présente une forme
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    adaptée pour que tout rayon pénétrant par l'interface d'entrée d'un élément d'extraction en ressorte par l'interface de sortie.
  5. 5. - Panneau selon la revendication 4 caractérisé en ce que ladite surface réfléchissante de chaque élément d'ectraction présente au moins un plan de symétrie et en ce que chacune des deux lignes d'intersection de cette surface avec un plan perpendiculaire à ce plan de symétrie forme une portion de parabole ou une succesion de portions de paraboles.
  6. 6. - Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour chaque élément d'extraction, ladite interface de sortie ou, le cas échéant, ladite surface réfléchissante présentent une forme adaptée pour que les rayons qui sortent de l'interface de sortie soient dans un angle solide strictement inférieur à 2 1t stéradians.
  7. 7. - Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits éléments optiques (20,30) d'extraction du panneau sont d'une seule pièce formant une couche d'extraction (200,300).
  8. 8. - Panneau selon la revendication 7 caractérisé en ce que la couche d'extraction forme ledit substrat.
  9. 9. - Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite matrice de cellules comprend une couche électroluminescente disposée entre deux couches de réseaux d'électrodes, une couche dite inférieure du côté du substrat et une couche dite supérieure de l'autre côté, chaque cellule étant positionnée dans une zone de recouvrement d'une électrode de la couche inférieure et d'une électrode de la couche supérieure.
  10. 10. - Panneau selon la revendication 9 caractérisé en ce que, l'électrode ou les électrodes de ladite couche supérieure étant transparentes ou semi-
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    transparentes, les dits éléments d'extraction sont positionnés sur cette couche supérieure.
  11. 11. - Panneau selon la revendication 9 caractérisé en ce que, les électrodes de ladite couche inférieure étant transparentes ou semitransparentes, les dits éléments d'extraction sont positionnés sur la face du substrat opposée à celle de cette couche inférieure.
  12. 12. - Panneau selon la revendication 11 caractérisé en ce que ledit substrat (100") présente une structure fibreuse dont les fibres (106) sont adaptées et orientées pour guider la lumière d'une face à l'autre dudit substrat.
  13. 13. - Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que, l'interface d'entrée (21,31) de chaque élément d'extraction (20,30) recouvrant un groupe de cellules, chaque élément d'extraction (20,30) comporte un plan de symétrie centré sur ce groupe de cellules.
  14. 14. - Panneau selon la revendication 13 caractérisé en ce que chaque cellule dudit groupe émet dans la même couleur primaire.
  15. 15. - Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que, l'interface d'entrée (21,31) de chaque élément d'extraction (20,30) recouvrant une seule cellule, chaque élément d'extraction (20,30) comporte deux plans de symétrie dont l'intersection passe par le centre de cette cellule.
  16. 16.- panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que son substrat forme une matrice active.
  17. 17. - Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes caracténsé en ce qu'il s agit d'un panneau de visualisation damages.
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