Les dispositifs d’affichage émissifs Jean-Marc Frigerio Institut des NanoSciences de Paris Université Paris VI - CNRS

Plan Introduction Des écrans pour la vision humaine Les différentes technologies d’affichage émissifs La cathodoluminescence La photoluminescence L’électroluminescence Conclusion

Introduction Le 1er dispositif d’affichage électronique : l’oscilloscope Oscilloscope de Braun (1897) Karl Ferdinand Braun (1850-1918) Invente l’oscilloscope en 1897 Prix Nobel de Physique 1909 avec Marconi Telefunken SE-III - 180 lignes (1934)

Des écrans pour la vision humaine La trichromie La synthèse additive La fusion optique La fréquence de rafraîchissement Le contraste

La trichromie La possibilité de simuler toutes les impressions colorées avec trois sources primaires a été découvert par Maxwell en 1850 L’observateur perçoit la même impression colorée de la source test et du mélange de trois sources rouge, vert et bleu

Rendu incomplet des couleurs en trichromie Intensité relative des primaires RVB pour les rayonnements monochromatiques Sensibilité relative des différents cônes de la rétine

Différents systèmes RVB Système RVB CIE (1931) 546 nm Système NTSC Normes FCC 700 nm Système SECAM Normes UER 436 nm

La synthèse additive Tous les dispositifs d’affichage émissifs sont basés sur le principe de la synthèse additive : Le choix des trois primaires va déterminer la zone de l’espace des couleurs que l’on pourra reproduire

La fusion optique L’œil à un pouvoir de séparation limité : 1’ d’arc soit 0,3mm à 1m, des points plus petits sont confondus et leurs couleurs sont « additionnées » Georges Seurat – Le cirque 1890 Mise en œuvre par les impressionnistes en particulier Seurat et Signac Fréquence angulaire (cycles/degré)

La fréquence de rafraîchissement CFF : Critical Flicker Frequency (fréquence limite de perception d’une variation de la luminosité) Cette perception dépend beaucoup de la luminosité Elle est très faible dès que l’on sort de la vision fovéale. Elle dépend fortement de la longueur d’onde à faible luminosité (on est beaucoup plus sensible au bleu qu’au rouge dans la pénombre)

Le contraste de luminosité Un contraste de 20:1 est largement suffisant à condition que le noir soit uniforme. L’adaptation locale des cônes permet la présence de lumière parasite sur une partie de l’écran à condition qu’elle soit fixe. En ambiance lumineuse élevée, il vaut mieux privilégier la qualité des noirs (faible lumière renvoyée par l’écran) que la luminosité intrinsèque.

Le contraste des écrans Le contraste intrinsèque (ou dans le noir) Diffusion latérale du pixel Lumière diffusée puis guidée dans la dalle Taux d’extinction des polariseurs (LCD) Rémanence des phosphores Couramment 500:1 Le contraste en présence de lumière ambiante Réflexion spéculaire de la dalle Réflexion diffuse de la lumière qui pénètre dans l’écran Minimum acceptable 10:1 Nécessite 200cd/m² en intérieur, 1500 à 2000 cd/m² en extérieur

Écrans émissifs/non émissifs Deux possibilités d’obtenir des écrans lumineux : Émission des 3 primaires nécessaires à obtenir du blanc et modulation de leurs intensités relatives pour obtenir les différentes couleurs.  Écrans émissifs Filtrage d’une source blanche avec des filtres correspondants aux 3 primaires (R, V, B) dont on module la transmission avec des cristaux liquides (LCD) ou la réflexion avec des micro-miroirs (DLP)  Écrans non émissifs (La source blanche est obtenue par l’une des technologies des écrans émissifs)

Différentes technologies de visualisation Projection réelle ou virtuelle Vue directe CRT LCD DMD CRT Écrans Plats (tubes) (cristaux liquides) (micro-miroirs) (tubes) EMISSIFS NON EMISSIFS Plasmas Micro-pointes Électroluminescents Diodes LCD (PDP) (FED) (ELD) (LED-OLED) Cristaux liquides

Luminophore : matériau luminescent : émetteur de lumière UV Visible IR 380 nm 555 nm 750 nm Luminescence ( terme générique ) Fluorescence Phosphorescence Absorption Emission f e Décroissance rapide Intensité I = Io exp(-t/) Indépendant de la température e f Absorption Emission m kT E Décroissance lente 1/  m = A0 exp(-E/kT)  m : durée de vie de l ’état métastable Dépend de la température

Les luminophores pour les écrans émissifs Les matériaux luminophores sont des semi-conducteurs dopés avec des terres rares (Er, Tb, Eu, Ce, Mn) qui conduiront à des transitions internes à l’ion ou avec des couples d’impuretés accepteur-donneur (Al, Cu, Ag). Ces luminophores se désexcitent en émettant un photon dans le domaine du visible par fluorescence (t < 25ms) Différentes technologies d’écrans suivant la méthode employée pour exciter les luminophores : Électronique : électrons accélérés sous vide -> CRT, Micro-Pointes (FED) Photonique : conversion d’UV vers le visible -> Plasmas (PDP) Électrique : Excitation par un courant -> Electroluminescence EL, OLED

Cathodoluminescence Générations d’électrons Emission de lumière par des luminophores sous «excitation cathodique» Electrons énergétiques électrons portés à une certaine énergie sous l’action d’un champ électrique électrons accélérés sous vide Bombardement des luminophores par les électrons énergétiques Émission de lumière visible par désexcitation radiative Générations d’électrons Émission thermo-ionique (Cathode Ray Tube CRT) Émission par effet de champ (Field Emission Display FED)

Génération d’électrons : émission thermo-ionique Filaments de différents types, formes et matériaux CRT : 10 keV  40 keV (Haute définition) VFD : (Vacuum Field Display) 50 eV

Affichage d’une image 2 jeux de bobines autour du tube créent un champ magnétique déviant les électrons Balayage ligne par ligne Télévisions : 50Hz, Entrelacé 100Hz Moniteurs: 60-80Hz Temps moyen d’excitation du pixel 0,15 µs Principe de balayage d’une trame

Émission d’électrons par effet de champ Principe : intensification du champ électrique par effet de pointe jusqu’à arrachage des électrons Avantage : chaque pixel est un « CRT » individuel, épaisseur réduite à 1ou 2 cm Inconvénient : électrons de plus faible énergie ~ 1 KeV 1999 PixTech, Inc. 12.1-inch Field Emission Display (FED) pour l’U.S. Army

Principe de fonctionnement d’un écran FED Pas de filament, cathode « froide »; rendement supérieur FED: 300 eV  8 keV

Principe de fabrication d’un écran FED Principe de fabrication des émetteurs

Ecrans FED: émetteurs en nano-tubes de carbone (CNTs) CNTs préparés par PECVD triode, tension de la grille: a = 0 V c = +200 V d = + 300 V Possibilité de contrôler la densité de CNTs et la densité de courant

Interactions des ē énergétiques avec les grains du luminophore Les électrons pénètrent dans le matériau et perdent leur énergie lors de collisions successives avec les ions du réseau en générant: Rayons X Paires e--trous dont certaines donnent lieux à des recombinaisons radiatives Phonons e- secondaires internes dont certains ressortiront du grain Pénétration du faisceau d’électrons dans le grain de luminophore en fonction de l’énergie des e-. Interaction des électrons avec le matériau Effet de charge dans les isolants

Conditions de fonctionnement des différents systèmes TV TVHD PTV Projection FED Tension 25 kV 30 kV 35-40 kV 300eV – 5 à 8 kV Densité de courant 1 µA/cm2 3 - 5 µA/cm2 20 – 100 µA/cm2 10 – 200 µA/cm2 10-20 mA/cm2 pour 3kV (Nanotubes de Carbone) Durée d’excitation du pixel (RGB) 150 ns 20 – 40 ns 30 µs

Luminophores pour la cathodoluminescence Coordonnées CIE 1931 NTSC TV TVHD PTV FED x Rouge y 0.625 0.340 0.67 0.33 0.62 Y2O2S:Eu 0.35 0.64 Y2O3:Eu Vert y 0.280 0.595 0.21 0.71 0.297 ZnS:Cu,Al 0.597 0.368 Y3Al5O12:Tb 0.539 0.333 Gd2O2S:Tb 0.556 Bleu y 0.155 0.07 0.14 0.08 0.15 ZnS:Ag,Al Y2SiO5:Ce 0.09 Cu+, Ag+, Al3+: métaux , donneur-accepteur Eu3+, Tb3+, Ce3+ : terres rares, transitions internes

Avantages/inconvénients de la cathodoluminescence forte luminance et bon rendement lumineux, surtout avec des électrons de forte énergie grande dynamique de luminance bonne saturation des couleurs primaires temps de réponse court contrôle aisé du flux d’électrons pour les niveaux de gris Contrainte: enceinte à vide Inconvénients : Encombrement du tube pour les CRT nécessite l’utilisation de tensions élevées mauvaises coordonnées chromatiques des primaires

Avenir de la cathodoluminescence Les écrans à tubes (CRT) sont amenés à disparaître (en 2004 ils ne représentent plus que 45% du marché des écrans) Les écrans à effet de champ (FED) Fort rendement lumineux (comparable aux CRT) Excellent angle de vue et contraste. Problème du vide de l’enceinte et donc du poids Limité pour l’instant à des petites tailles Réalisation technologique encore difficile donc onéreuse Un avenir peut-être avec les nanotubes de carbone

La photoluminescence (Écrans Plasmas) 1966 – Inventé par Donald Bitzer et Gene Slottow de l’Université de l’Illinois 1980 – Première production industrielle limitée à des écrans monochromes 1993 – Fujitsu lance le premier écran couleur à plasma (PDP) 2004 – Écrans plasmas 52’ et 60’ (130 ou 150 cm de diagonale)

Principe de la photo-luminescence Émission UV du mélange Xe-Ne Décharge dans un mélange gazeux Xe-Ne ou Ne-Ar créant un plasma émettant des UV (145-180nm) Les phosphores excités par les UV réémettent dans le visible. Chaque sous-pixel est une cellule individuelle (bleu, vert, rouge)

Réalisation d’un écran à plasma Image des barrières entre pixels Les sous-pixels sont organisés par rangées Le positionnement des deux dalles est critique (~ 25µm) Les dalles doivent résister à la pression atmosphérique (Ar-Xe ~ 200 millibars) ce qui implique une épaisseur de l’ordre de 20mm et un poids de 35-40kg pour un écran de 42’ (105cm de diagonale) Le plasma reste en permanence amorcé  noirs peu profonds, consommation importante

Phosphores pour la photoluminescence Rouge Vert Bleu

Rendement des écrans à plasma Énergie Initiale 100% 6% Énergie des photons UV 6% 40% photons UV excitant la surface du luminophore 2,5% 25% 0,6% conversion UV-visible 40% photons visibles efficaces 0.25% Consommation de l’ordre de 400W pour un 42’ !

Diminution de l’efficacité lumineuse Bernard Moine LPCML, Villeurbanne Origine : Effet des UV, bombardement ionique  création de piéges Nécessité de comprendre les mécanismes de vieillissement et de chercher des luminophores plus résistants

Avantages/inconvénients de la photoluminescence Très bon angle de vue et forte luminance Possibilité d’obtenir des très grandes tailles (42’ et même 60’) Facilement adaptable à la haute définition Inconvénients : Faible rendement lumineux  forte consommation électrique Contraste un peu faible à cause de la luminance résiduelle Technologie chère et processus de fabrication complexes Problème de la stabilité des luminophores au cours du temps. Poids élevé

L’électroluminescence 1983 – écran monochrome jaune ZnS:Mn 1993 – écran multicouleur vert-jaune-rouge (filtrage) 2004 – écran 17’ couleur (iFire) Structure d’un écran plat EL

Structure d’un écran électroluminescent Deux structures possibles :

Processus physiques de l’ électroluminescence (Zns:Mn) Les différents processus physiques Émission d’électrons par effet tunnel à partir de l’interface isolant-semiconducteur. Accélérations des électrons dans la couche de ZnS. Excitation par impact des ions Mn2+ par des électrons suffisamment énergétiques. Désexcitation radiative ou non radiative des centres excités (Mn2+)*. Piégeage des électrons à l’interface opposée isolant – semiconducteur. Multiplication d’électrons par ionisation du ZnS

Contraintes pour l’électroluminescence Contraintes optiques Réseau hôte : transparent à une émission dans le domaine visible  largeur de la bande interdite > 3 eV Centre luminescent : * section efficace d’excitation par impact importante * stable en présence d’un champ électrique de l’ordre de 106 V/cm. * rayon ionique compatible pour une substitution * dopant iso-électronique Seules les émissions correspondant à des transitions internes à un ion seront efficaces ions à considérer : Mn2+, Ln2+, Ln3+ Les émissions de Eu2+ et Ce3+ correspondent à des transitions permises 5d  4f  influence du champ cristallin local sur les orbitales 5d   Cu+, Pb2+ dans CaS et SrS. Spectres d’émission, coordonnées chromatiques et temps de déclin de l’émission compatibles avec la visualisation trichrome et la cadence vidéo.

Contraintes pour l’électroluminescence Contraintes électriques Objectif : un grand nombre d’électrons transportés à travers le semi-conducteur et accélérés, par un champ électrique de l’ordre de 1 à 2 MV/cm, jusqu’à des énergies optiques de 2 à 3 eV afin d’exciter par impact les centres luminescents.   Isolants : Grande constante diélectrique statique et fort champ de claquage er maximal et épaisseur minimale pour limiter la chute de tension Supporter un champ électrique de 1 MV/cm sans claquage : être un très bon isolant pour E < 1 MV/cm. Niveaux donneurs (volume et surtout interfaces isolant – semi-conducteur) à des profondeurs de l’ordre de 0.8 à 1 eV transport de charges en champ fort :   Interaction électron-phonon = cause principale du refroidissement des électrons.   Énergies des phonons optiques plus faibles dans les sulfures comparés aux oxydes

Contraintes pour l’électroluminescence Contraintes de mise en forme Déposition du luminophore sous forme de couche mince :  stœchiométrie excellente.  meilleure cristallinité possible.  dopage uniforme.  bonne adhérence sur la couche précédente. La qualité de la couche mince sera déterminante pour :  les processus radiatifs : diffusion limitée d’énergie entre centres luminescents.  compétition entre désexcitation radiative/non-radiative  les processus de transport et d’accélération des électrons. Traitement thermique nécessaire  600 – 650°C = traitement maîtrisé  > 700°C = problèmes importants.

Possibilité d’obtenir 2 primaires avec une même source Émission présentant une bande large Luminophores à électrons d Simplification technologique de réalisation de l’écran. Nécessite une très grande luminance 40% de vert, 18% de rouge Élargissement de la bande par modification de la matrice hôte

Spectre d’émission de différents luminophores Spectre d’émission de ZnS:Tb Spectre d’émission de SrS:Ce SrS:Cu Spectres d’émission « blanc »

Coordonnées chromatiques Performances des différents luminophores Luminophores Coordonnées chromatiques x y Rendement lm/W Luminance cd/m2 @ 60Hz Jaune Zns:Mn Bande large l = 575 –585 nm 0.50 3.5 400 Rouge Zns:Mn + filtre 0.65 0.35 0.8 70 Vert ZnS:TbOF Srs:Ce + filtre 0.30 0.47 0.26 0.60 0.53 0.63 1.0 0.5 100 160 85 Bleu CaGa2S4:Ce SrS:Ce,Ag + filtre SrS:Cu,Ag 0.15 0.10 0.17 0.19 0.27 0.16 0.02 0.20 10 28 Blanc SrS:Ce:/ZnS:Mn SrS:Cu/ZnS:Mn 0.46 0.44 0.43 470 240

Autres solutions pour la trichromie Utilisation de deux luminophores plus des filtres Trichromie par conversion du bleu

Ecran électroluminescent trichrome (iFire) (Ba, Mg)Al2S4:Eu Bleu : (Ba, Mg)Al2S4:Eu Vert : ZnS:Tb Rouge : ZnS:Mn (filtré) X. Wu,iFire Technology Inc. Canada, EURODISPLAY 2002

Avantages/Inconvénients de l’électroluminescence inorganique * temps de réponse de l’émission lumineuse < 1 ms  pas de traînage de l’image * robustesse : écran tout solide * grand angle de vue  160° * excellente résolution du pixel : jusqu’à 1 µm * tenue à la température en fonctionnement excellent (-40°C à +85°C) limites proviennent de l’électronique de commande * très bon contraste (fond noir) * stabilité dans le temps excellent 10% de décroissance sur 20 000 heures Point faibles * nécessité d’un recuit thermique élevé (650-700°C) * Complexité de l’électronique de commande * Tensions de commande  180 V pour les lignes,  40 V pour les colonnes * structure capacitive dont on peut limiter les inconvénients * puissance consommée de l’ordre de 300 mW/cm2 (mais 90% dans les circuits de commande) * seulement 10% de la lumière émise sort par la face avant il faut piéger le reste

L’électroluminescence organique Comment une OLED émet de la lumière Électrons et trous forment des excitons (paire électron-trou) Une partie des excitons rayonnent

Modification du spectre d’émission

Primaires disponibles en électroluminescence organique Effet du dopage sur la luminescence de Alq3 D’après Dow Chemicals

L’électroluminescence organique Avantages Matériaux organiques compatible avec la technologie silicium Très forte luminance (100 000 cd/m²) Forte efficacité lumineuse (~ 30 lm/W) Taille de la zone émissive du µm2 au cm2 Fabrication facile (dépôt des couches par jet d’encre) Fonctionne en basse tension (3 à 10 Volts) Coût de production très faible Inconvénients Durée de vie faible Se dégrade en présence de O2 , H2O Nécessite des filtres colorés

Utilisation des OLED pour la vision virtuelle Microdisplay OLED Vision virtuelle Optique pour Microdisplay Vision de l’image en surimpression sur l’environnement

Efficacité lumineuse des différentes technologies émissives Méthode d’excitation des phosphores Technologie d’affichage Efficacité lumineuse (lm/W) pour du blanc Limite théorique 220 Spectre solaire sur terre 100 Photoluminescence : Néons 60 Cathodoluminescence à 30 kV 30 CRT avec 50% TOD à 30 kV 3 FED avec 50% TOD à 8 kV 6 - 7 PTV (CRT en projection) 2 - 3 PDP avec 50% TOD 0,8 LCD TV ~ 3 LED Inorganique 9 - 10 OLED/PLED 3 - 5 Electroluminescence ELD 1 – 2 TOD : Transmission optique de la dalle

Conclusion CRT : Disparition dans les 20 ans qui viennent. Prédominance des technologies à cristaux liquides (LCD) Les luminophores seront essentiellement utilisés à fabriquer de la lumière blanche Écrans informatiques. LCD FED ou ELD pour les applications embarquées Télévision LCD pour les petites tailles (en constante progression 42’ actuellement) Plasmas au dessus de 100cm de diagonale (disponible 61’ = 156cm) Plus grande taille concurrence de la projection (LCD, DLP) Applications nomades LCD, OLED pour les téléphones portables Technologies réflectives pour les très basses consommations

Dernière Nouvelle : 7 mars 2005 Samsung présente un 82’ LCD . 6,22 millions de pixels résolution de 1920x1080 au format 16:9 Rapport de contraste de 1200:1 luminosité de 600cd/m². Dimension HT : 1,875m x 1,08m x 4,5cm.