WO2003073525A1 - Panneau électroluminescent dote d'éléments d'extraction de lumière - Google Patents

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WO2003073525A1 PCT/FR2003/000278 FR0300278W WO03073525A1 WO 2003073525 A1 WO2003073525 A1 WO 2003073525A1 FR 0300278 W FR0300278 W FR 0300278W WO 03073525 A1 WO03073525 A1 WO 03073525A1
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Definitions

  • the invention relates to a lighting or image display panel comprising a one- or two-dimensional matrix of organic electroluminescent cells ("OLED") provided with means to facilitate the extraction of the light emitted by these cells, which significantly improve the light output.
  • OLED organic electroluminescent cells
  • Such a panel generally comprises a substrate supporting a thin organic light-emitting layer interposed between two networks of electrodes, one of anodes, the other of cathodes, intended to supply the cells; each cell is positioned in an overlap area of an anode and a cathode; in the case of a passive matrix panel, each network is generally formed by electrodes in parallel strips of constant width; the electrodes of the anode network are generally perpendicular to the electrodes of the cathode network; for polychromatic, in particular tri-chromatic, panels the organic electroluminescent thin layer is generally divided into alternating bands of different emission colors.
  • the substrate incorporates electronic components for driving the cells; in the case of a passive matrix panel, the substrate is generally made of glass or plastic; the thickness of the substrate is generally between 300 ⁇ m and 1500 ⁇ m, ie 500 to 100 times greater than that of the cells; the side or the diameter of the cells or pixels is generally between 100 ⁇ m and 300 ⁇ m, ie 1 to 15 times less than the thickness of the substrate; the layer of electrodes interposed between the substrate and the light-emitting layer is generally called “lower layer” because, in conventional manufacturing processes, it is applied before the light-emitting layer; the other layer of electrodes, applied after the electroluminescent layer, is called “upper layer”; generally, the strips of the upper layer of electrodes are parallel and centered on those of the electroluminescent layer, which they cover at least partially.
  • the light emitted by the panel must pass through the substrate to reach the observer of the images to be viewed (case of emission panels “downwards"), or must not pass through the substrate to reach it (case of "upward” emission panels).
  • the light emitted by the panel must pass through one of the electrode layers, either the lower layer (in the case of “down” emission panels) or the upper layer (in the case of "upward” emission panels »), Before exiting through the exit face of the panel where it enters the air towards the observer; the other layer is then generally reflective to recover the light from the cells emitted in the direction opposite to that of the observer and to redirect it towards the outside of the panel via the exit face of the panel.
  • One of the electrode layers is therefore generally transparent, for example based on “ITO” to serve as an anode, the other then preferably being metallic, absorbent or even reflective.
  • the light extraction systems described in these documents are based on the refraction of the light at the exit of the cells, more precisely on the shape of the exit face of the panel which has a curvature adapted so that the rays which come from the cells reach this face under an incidence lower than the limiting angle of refraction so as to cross it.
  • An object of the invention is, in particular, to propose another extraction solution based no longer on the refraction of the rays coming from the cells, but essentially on their reflection.
  • the invention relates to a lighting or image display panel comprising a one- or two-dimensional matrix of organic electroluminescent cells deposited on a substrate and grouped at least in lines, characterized in that it comprises, for each cell or group of cells, an optical light extraction element which itself comprises:
  • an input interface optically coupled with the emissive surface of said group cell or cells or that of the substrate so as to capture the rays emitted by said cell or cells
  • an intermediate reflecting surface which has a curvature adapted so that the rays which strike it from the input interface are returned to the output interface so as to present there an angle of incidence less than the limiting angle of refraction at this output interface so as to cross it.
  • each optical element for extracting light from the panel comprises: an input interface optically coupled with the emissive surface of the cells or that of the substrate of the panel, so as to capture the rays emitted by these cells, - a shaped output interface adapted so that the rays emitted by the cells pass through it,
  • a reflecting surface modifying the path of these rays so as to decrease the angle of incidence with this output interface.
  • the cells are also grouped in columns; one can therefore find one optical extraction element per column.
  • the optical coupling with the cells or the substrate is ensured by a layer of adhesive having a refractive index comparable to that of the material of the optical elements.
  • the material of the optical extraction elements is transparent; for example, a conventional soda-lime glass of index 1.52, a polymethylmethacrylate of index 1.49 or a polyethylene glycol-terephthalate of index 1.57 is chosen; as this material has a refractive index higher than that of air and closer to that of the light-emitting emitting layer, the rays emitted by a cell of the panel are, after crossing the input interface of an element d extraction, included in a solid angle greater than the solid angle in which they would be after crossing an interface of identical shape, but with air, which means that this optical element captures a proportion of the radiation emitted by cells larger than that which would enter the air directly through these cells in the absence of optical extraction elements; thus, the optical elements very significantly increase the rate of light extraction.
  • the optical element is specially designed, according to the invention, so that almost all of the rays which penetrate through the input interface exit through the output interface,
  • these elements form a network of convex microlenses.
  • the convex lens shape of the output interface is particularly well suited so that the rays coming from the input interface form with this interface a lower angle of incidence than if this interface were plane and parallel to the substrate of the panel. ; by reducing the angle of incidence at the interface with air, the rate of light extraction is very significantly increased.
  • each microlens is greater than the area of an emitting area or a pixel of the panel.
  • each microlens has two planes of symmetry whose intersection is preferably centered on a cell, or a microlens for a row or column of cells, in which case each microlens has a plan of symmetry which is preferably centered on a row or column of cells.
  • the subject of the invention is a lighting or image display panel as defined in the claims below, where the elements extraction include a reflective surface; this reflecting surface has a shape adapted so that any ray entering through the input interface of an extraction element comes out of it through the output interface of this element.
  • the shape of the output interface of each optical extraction element can be planar or curved; this shape has a curvature adapted so that the rays which come from the input interface, directly or via one or more reflections on the reflecting surface, strike this output interface at an angle of incidence less than the limit angle of refraction at this output interface so as to cross it.
  • this surface preferably has a shape adapted so that any ray penetrating through the input interface of an element d extraction comes out through the output interface; this condition is stated in English as the “edge-ray” principle, with reference, in particular, to chapter 4, paragraph 2 of the book entitled “High Collection Nonimaging Optics”, WT Welford & R.
  • the reflecting surface has at least one plane of symmetry and each of the two lines of intersection of this surface with a plane perpendicular to this plane of symmetry forms a portion of a parabola, as illustrated in chapter 4, paragraph 3 of this work , in particular in Figure 4.3, where, unlike the invention, such a surface is used as a concentrator; the inlet of the concentrator described in this book becomes the outlet interface of the extraction element according to the invention and the outlet of the concentrator becomes the inlet interface; as illustrated in chapter 4, paragraph 5 of the same work, each of the two lines of intersection forms a succession of portions of parabolas; preferably, the position of the axis and the focal point of the parabola of each line of intersection, as well as the thickness L of the extraction element are chosen so as to satisfy the conditions set out in chapter 4, paragraph 3 of this work, in particular pages 56-57, so as to satisfy the principle of "edge-ray"; by summarizing, preferably, each of the
  • optical reflection extraction elements Thanks to the optical reflection extraction elements according to the invention, a very high proportion of the light emitted by the cells can be extracted and panels with high light output are obtained.
  • the reflecting surface therefore forms a reflector; one reflector can be found per cell, in which case each reflector preferably has two planes of symmetry, generally perpendicular, the intersection of which passes through the center of a cell; one can find a reflector by rows or columns of cells, in which case each reflector has a single plane of symmetry centered on a row or on a column.
  • each extraction element comprises both a lens-shaped output interface and a reflective surface; preferably, this reflecting surface is then of the “CPC” type previously described; examples of such elements are given in chapter 5, paragraph 8 of the work cited above.
  • the extraction element also serves to collimate the light; for each extraction element, the exit interface and / or, where appropriate, the reflecting surface then have a shape adapted so that the rays which exit from the exit interface are in a solid angle strictly less than 2 ⁇ steradians; the shape of the output interface and / or that of the reflecting surface are then advantageously adapted so that the rays emitted by the panel are tightened towards a limited area of the space specially intended for observers of the images to be viewed; the performance of the panel is then appreciably improved at no additional cost.
  • the optical extraction elements of the panel are in one piece forming an extraction layer.
  • This part then brings together all the lenses or parabolic reflectors or other light extraction elements; this arrangement is particularly advantageous, because it is economical both for the manufacture of the extraction elements and for its assembly on the panel, since all the extraction elements are suitably positioned on the various cells of the panel in a single operation; in addition, the extraction layer can then be used to protect the cells of the panel, in particular against the action of ambient water and / or oxygen.
  • the cell matrix generally comprises an electroluminescent layer disposed between two layers of electrode networks, a so-called “lower” layer on the side of the substrate and a so-called “upper” layer on the other side, each cell being positioned in an area of covering an electrode of the lower layer and an electrode of the upper layer; such a panel may include other electrode networks, in particular in the case of active matrix panels.
  • the extraction elements are then positioned above this upper layer; preferably, the extraction elements, according to the first or second family of embodiments, are in one piece, form an extraction layer, and also form an encapsulation layer which is sealed with the substrate so as to prevent the penetration of gases, such as oxygen or water vapor, into the cells and so as to prevent any risk of degradation of the electroluminescent layer by these gases; the space thus encapsulated can comprise adsorbing or drying agents, capable of adsorbing these gases.
  • this desiccant is then placed in cavities which are formed in the thickness of the extraction layer, which are open towards the inside of the panel in the direction of the electroluminescent layer, and which are arranged between the elements of extraction so that the adsorbing agent does not obstruct the passage of light.
  • the electrodes of the lower layer are transparent or semi-transparent, there is then a so-called “back-emitting” panel; the extraction elements are then positioned on the face of the substrate opposite to that of this lower layer.
  • the extraction layer itself which forms the substrate of the panel; for the manufacture of the panel, it is then on the extraction layer, on the input interface side, that the various layers, in particular of electrodes and electroluminescent material, are deposited, which will constitute the two-dimensional matrix panel cells; the extraction layer is then preferably made of glass.
  • the substrate has a fibrous structure whose fibers are adapted and oriented to guide the light from one face to the other of said substrate.
  • each extraction element can cover a group of cells, in particular a row of cells, or for example a column of cells if the matrix is two-dimensional; in this case, each extraction element preferably comprises a plane of symmetry centered on this group of cells, row or column.
  • each cell of this group emits in the same primary color; in other words, each group of cells then corresponds to cells emitting in the same color.
  • each extraction element can cover a single cell; in this case, each extraction element preferably comprises two planes of symmetry whose intersection passes through the center of this cell; in the case of a panel with a two-dimensional matrix of cells, the extraction elements then form a two-dimensional network.
  • the surface density of extraction elements can be greater than the surface density of groups of cells or cells of the panel.
  • the electrodes of the networks are preferably in the form of parallel conductive strips of constant width; preferably, the electroluminescent layer is then divided into parallel bands emitting different primary colors and arranged alternately; preferably, each electrode strip of the upper layer is then parallel and centered on a strip of the electroluminescent layer.
  • the invention is particularly advantageous in the case where the substrate of the panel forms an active matrix; in fact, in order to integrate an active matrix into the electroluminescent panels, it is often necessary to limit the electroluminescent emission surface specific to each cell; this limitation is no longer a disadvantage when using light extraction elements according to the invention.
  • the invention applies very particularly to image display panels.
  • FIGS. 1 and 2 describe electroluminescent panels with “downward” emission , respectively with barriers and without barriers, before application of a light extraction layer according to the invention
  • FIGS. 3 and 4 describe electroluminescent panels with “upward” emission, respectively with barriers and without barriers, before application of a light extraction layer according to the invention
  • Figures 5 to 9 describe, in side or sectional view and back or front view, emission panels "upwards" without barriers with, according to a first family of embodiments where the light extraction elements are in the form of microlenses: generic case for FIG. 5, case of the use of a gradient index plate as an extraction layer for FIG. 6, case of longitudinal lenses arranged parallel to the rows or to the columns respectively for FIG. 7 and 8, case of an extraction layer formed by a two-dimensional matrix of lenses for FIG. 9.
  • FIG. 11 describes, in section, a barrier-free “down” emission electroluminescent panel provided with light extraction elements in the form of reflectors according to a second family of embodiments of light extraction elements;
  • Figures 10, 12 to 14 describe, in side or sectional view and back or front view, emission panels "up” without barriers with, according to the second family of embodiments, extraction elements of light in the form of reflectors: generic case for FIG. 10, case of longitudinal reflectors arranged parallel to the rows or columns respectively for FIG. 12 and 13, case of an extraction layer formed by a two-dimensional matrix of reflectors for the Figure 14.
  • FIG. 15 and 16 describe sectional views of "down" emission electroluminescent panels, whose substrates are structured in fibers serving as light guides to pass through it and which are provided with reflectors and microlenses respectively .
  • - Figure 17 describes a top view of an electroluminescent panel with an active matrix, before application of a light extraction layer.
  • the panel according to the invention therefore comprises:
  • the advantage of the separation barriers is to provide better electrical insulation between the rows or columns of cells; their disadvantage is an additional cost.
  • Tin Oxide "in English) which is then etched to form transparent electrode strips 101; in the case of an active matrix, one would rather engrave rectangles of transparent electrodes; an electrical insulation layer 102 is then deposited, providing recesses or spares, here of rectangular shape, for each electroluminescent cell; there is then produced a network of rectilinear separation barriers 105, parallel, oriented perpendicular to the electrodes 101 of the lower layer, and arranged between the spares or recesses of the insulation layer 102; possible methods of making the barriers are described in document US 5701055 (PIONEER); these barriers are made of insulating material, preferably identical to that of the insulation layer 102; between the barriers 105 and within each savings or recesses in the insulation layer 102, the organic electroluminescent layer is deposited forming strips 103, generally structured itself in several sublayers comprising in particular an organic sublayer of hole injection, an organic electroluminescent sublayer proper, and an electron injection sublayer; for the deposition of these organic sublayers, the
  • strips of transparent electrodes 101 are deposited as before; using a mask or set of masks - one for each color - we depositing strips of organic electroluminescent layer 103, of structure and composition identical to those previously described; these strips 103 are parallel, oriented perpendicular to the electrodes 101 of the lower layer, and arranged so as to cover the rectangular areas of the cells; above the light-emitting strips 103, through masks having narrower openings, strips of electrodes 104 are then deposited identical to the previous ones; a “down” emission panel is thus obtained without barriers.
  • FIG. 5 describes extraction elements in the form of microlenses 20 deposited on an electroluminescent panel with “upward” emission without barriers as previously described with reference to FIG. 4; each microlens 20 comprises, at the level of each cell, or of each row or column of cells of the panel:
  • an outlet interface 23 with a wider opening L s the shape of which has a curvature adapted so that the rays which come from the inlet interface 21, such as that represented by an arrow in solid lines in the figure, strike this output interface 23 at an angle of incidence less than the limiting angle of refraction at this output interface 23, so as to pass through it.
  • the extraction of the light emitted by the cells of the panel is considerably improved.
  • all of the extraction elements are in one piece and form an extraction layer 200; this extraction layer may be made of transparent polymer material, which makes it possible to form it economically by pressing or injection molding; this extraction layer can also be made of glass; this extraction layer can be assembled on the panel by gluing; the intermediate adhesive layer - not shown - then serves as an optical coupling means with the panel.
  • FIG. 6 shows a variant in which the extraction layer 200 ′ has a homogeneous thickness and contains gradient index zones 20 ′ which play the same role as the extraction optical elements previously described.
  • FIGS. 7 to 9 show other variants concerning the shape of the microlenses of the extraction elements:
  • each extraction element 20 L has a plane of symmetry, serves for a line of cells of the panel of Figure 7 A, and is centered on a transparent electrode line 101 of this panel;
  • each extraction element 20 c has a plane of symmetry, is used for a column of cells of the panel of Figure 8 A, and is centered on an opaque electrode column 104 of this panel;
  • FIG. 9 B each extraction element 20 P has an axis of symmetry centered on a cell of the panel at the intersection of a transparent line electrode 101 and an opaque column electrode 104 of the panel of FIG. 9 A, and basically serves for this cell.
  • the extraction layer 200 is then optically coupled with the surface of the substrate 100; because of the thickness of the substrate, which is generally between 0.3 to 1.5 mm and which is greater or even much greater than the side or the diameter of the cells or pixels, the amount of light captured by the extraction layer is lower than in the previous cases of “upward” emission; this disadvantage is avoided by using the extraction layer 200 as a substrate, preferably then by using an extraction layer with a gradient of index 200 ′ as shown in FIG. 6.
  • the thickness of the extraction elements in the form of microlenses or of the extraction layer is a compromise between the rate of light extraction, the desired level of concentration or collimation (see below), the mechanical rigidity and the level of protection that it is desired that this layer provides to the panel.
  • FIG. 10 describes extraction elements in the form of parabolic reflectors 30 of the “CPC” type previously described, deposited on an electroluminescent panel without emission barriers “upwards” as previously described with reference to FIG. 4.
  • Each parabolic reflector 30 comprises, at the level of each cell, or of each row or column of cells of the panel:
  • extraction elements are in one piece and form an extraction layer 300; preferably, this extraction layer is made of transparent polymer material and is formed by pressing or injection molding.
  • the reflective surfaces 32 are formed by aluminizing the areas of the surface of this layer which must be reflective; according to a variant, the reflection is ensured by total reflection.
  • the optical coupling at the levels of the input interfaces is carried out using a layer of transparent adhesive of index close to that of the material; but, by coating with glue the input interfaces 33 of the extraction layer, there is a risk of applying glue to the reflective surfaces 32, which would be particularly troublesome if the reflection was ensured by total reflection; aluminizing the reflecting surfaces 32 avoids this drawback. Thanks to such a reflective element 30, the extraction of the light emitted by the cells of the panel is considerably improved.
  • FIG. 11 represents a variant where the extraction layer 300 ′ comprising reflectors 30 identical to the previous ones is deposited on an electroluminescent panel without emission barriers “downwards” as previously described with reference to FIG. 2; this variant also differs in that the density of extraction elements is much higher than previously: there are indeed twice as many extraction elements as there are rows of cells or columns of cells or even cells; this variant also differs in that it comprises a network of reflective elements 28 disposed between the substrate 100 and the extraction layer 300 ′, between the input interfaces 31 of adjacent extraction elements; this network of reflective elements 28 makes it possible to further improve the extraction efficiency, as indicated by the path of the light rays shown in the figure.
  • Figures 12 to 14 present other variants concerning the shape of the reflectors of the extraction elements:
  • each extraction element 30 L has a plane of symmetry, is used for a line of cells of the panel of Figure 12 A, and is centered on a transparent electrode line 101 of this panel;
  • each extraction element 30 c has a plane of symmetry, is used for a column of cells of the panel of Figure 13 A, and is centered on an opaque electrode column 104 of this panel;
  • FIG. 14 B each extraction element 30 P has an axis of symmetry centered on a cell of the panel at the intersection of a transparent line electrode 101 and an opaque column electrode 104 of the panel of FIG. 14 A, and basically serves for this cell.
  • FIGS. 15 and 16 represent two variants of this embodiment, respectively in the case of an extraction layer 300 formed of reflectors 30 and in the case of an extraction layer 200 formed of microlenses 20.
  • the advantage of using one-piece extraction layers 200, 300 with this type of substrate 100 "and that they provide very good sealing and very good protection of the panel cells which would be insufficiently protected from the water and oxygen by the substrate alone because of its fibrous structure which makes it permeable to water and oxygen; the organic materials of the electroluminescent layer 103 are in fact reputed to degrade rapidly under the action of water or oxygen.
  • the extraction layer when it is in one piece, can advantageously serve as an encapsulation layer to significantly improve the protection of the cells against ambient oxygen or water; this advantage is particularly notable in the case of "upward emission" panels, that the extraction elements belong to the first and / or to the second family of embodiments.
  • the invention has been described with reference to organic electroluminescent panels without barriers; it also applies to panels with barriers like those of Figures 1 and 3 previously described; in the case of "upward" emission panels, the height of the barriers, generally less than 10 ⁇ m, is not a problem for the application of light extraction elements with reflectors, given the curvature of the reflectors which keeps you away from barriers.
  • the light extraction means are adapted to also serve to reduce the opening of the light-emitting conoscope of the panel so as to limit it to the area of the space of the front of the panel which is specially intended for observers of the images to be viewed; the geometry of the output interfaces 23, 33 of extraction elements and / or that of their reflecting surfaces 32 are adapted in a manner known per se to obtain this concentration effect.
  • each extraction element provides an outlet opening L s much greater than the emission opening L E of the corresponding cell; the L S / L E ratio is preferably of the order of 4 in the absence of a concentration effect and greater than 4 in the presence of a collimation effect; thanks to the invention, the actual emission surface of the electroluminescent layer can be reduced very significantly at the level of each cell without losing overall light flux at the level of the panel; in fact, the decrease in actual emission surface area at the level of each cell is compensated by the increase in the rate of light extraction.
  • the reduction in actual emission area at the level of each cell is particularly advantageous in the case of active matrix panels; in fact, in this type of panel, a certain number of electronic components necessary for driving the cells are etched and inserted into the substrate of the panel, at the level of each cell; however, these components can be bulky and lead to limiting the actual emission surface at the level of each cell; this limitation is no longer a problem when using light extraction means according to the invention.
  • FIG. 17 illustrates three adjacent cells 10 R , 10 G , 10 B of an active matrix electroluminescent panel each comprising an electrode of the lower layer connected to a memory component 304, and the single electrode of the upper layer (not shown) formed here of a full transparent or semi-transparent conductive layer; whereas the electrodes of the lower layer must be separated from each other, one can on the contrary be satisfied with a single electrode for the upper layer; the emissive surface of each cell is here defined by the overlap area of the electrode of the lower layer with the single electrode of the upper layer, and not, as in the previously described cases of so-called "passive" matrices, by the crossing between an electrode of the upper layer and an electrode of the lower layer; the surface of the electrode of the lower layer of each cell of the active matrix panel can be advantageously chosen so as to correspond to that of the input interface of the extraction elements according to the invention.
  • the invention is particularly advantageous in the case where the two-dimensional matrix of cells is produced by deposition methods with masking or by ink jet printing, in particular the light-emitting layer and the upper layer of electrodes; in fact, as it is possible, thanks to the invention, to decrease the emitting surface of the cells, it is possible to increase the distance separating the electrodes and therefore the width of the patterns of the masks used for the deposition of the different layers or sublayers of the sign ; such masks with larger patterns are much easier to position; therefore, the invention is particularly advantageous in the case of barrier-free panels for the manufacture of which masking methods or inkjet printing methods are generally used.
  • the invention also applies to the case of electroluminescent panels whose cells are provided with photoluminescent converter elements, as described for example in the document US51216214; in such panels, the electroluminescent layers of all the cells emit in the same color, for example blue; in red and green cells, there is, above the electroluminescent layer, a photoluminescent element emitting respectively in red and green, under excitation by blue; according to a variant, an optical filtering layer can be added, in particular for blue.

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Abstract

Chaque élément optique d'extraction de lumiíre (20, 30) comprend : - une interface d'entrée (21, 31) couplée optiquement avec la surface émissive des cellules ou celle du substrat du panneau, de maniíre 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 maniíre à diminuer l'angle d'incidence avec cette interface de sortie. On améliore trís sensiblement le rendement lumineux du panneau.

Description

PANNEAU ELECTROLUMINESCENT DOTE D'ELEMENTS D'EXTRACTION DE LUMIERE.
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 μm et 1500 μm, soit 500 à 100 fois supérieure à celle des cellules ; le côté ou le diamètre des cellules ou pixels est généralement compris entre 100 μm et 300 μm, 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. 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 »), avant de sortir par la face de sortie du panneau où elle pénètre dans l'air en direction de l'observateur ; l'autre couche est alors généralement réflective pour récupérer la lumière des cellules émise dans la direction opposée à celle de l'observateur et pour la rediriger vers l'extérieur du panneau via la face de sortie du 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.
Afin de limiter ces pertes, les documents JP10-223367, WO01/33598 équivalent à US2002-0118271 , et JP11-354271 enseigne d'appliquer sur la face de sortie de panneaux de type « OLED » des réseaux de lentilles qui servent d'extracteur de lumière :
- soit une lentille sphérique par cellule, soit une lentille cylindrique par rangée de cellules ;
- soit une multitude de micro-lentilles par cellules ;
Les systèmes d'extraction de lumière décrits dans ces documents sont basés sur la réfraction de la lumière à la sortie des cellules, plus précisément sur la forme de la face de sortie du panneau qui présente une courbure adaptée pour que les rayons qui proviennent des cellules parviennent sur cette face sous une incidence inférieure à l'angle limite de réfraction de manière à le traverser.
D'autres documents comme US6091384 et US6229160 proposent des systèmes d'extration de lumière appliqué aux panneaux électroluminescents, de type « LED » ou « OLED ».
Un but de l'invention est, notamment, de proposer une autre solution d'extraction basée non plus sur la réfraction des rayons provenant des cellules, mais essentiellement sur leur réflexion.
L'invention concerne 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 emissive 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 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 intermédiaire 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 emissive 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 polyméthylméthacrylate 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 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 œuvre 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.
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 présentent 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 d'éléments d'extraction, ces 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 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.
L'invention a pour objet un panneau d'éclairage ou de visualisation d'images tel que défini dans les revendications ci-après, où les éléments d'extraction comprennent une surface réfléchissante ; cette surface réfléchissante 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 de cet élément. La forme de l'interface de sortie de chaque élément optique d'extraction peut être plane ou courbe ; cette forme présente une courbure adaptée pour que les rayons qui proviennent de l'interface d'entrée, directement ou via une ou plusieurs réflexions sur la surface réfléchissante, frappent cet 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.
Selon cette deuxième famille de modes de réalisation d'éléments d'extraction où les éléments d'extraction comportent une surface réfléchissante, cette surface présente de préférence 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, Académie 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 l'élément d'extraction selon l'invention et la sortie du concentrateur devient l'interface d'entrée ; comme illustré 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, notamment pages 56-57, de manière à satisfaire le principe d'« edge-ray » ; en récapitulant, de préférence, chacune des deux lignes d'intersection délimite la surface réfléchissante conformément à l'appellation anglaise « Compound Parabolic Concentrator » ou « CPC » telle qu'elle est définie dans ce même ouvrage.
Grâce aux éléments optiques d'extraction par réflexion selon l'invention, on peut extraire une très forte proportion de la lumière émise par les cellules et on obtient des panneaux à rendement lumineux élevé.
D'autres formes de surfaces réfléchissantes peuvent être utilisées sans se départir de l'invention, comme des formes coniques ou des formes paraboloïdes 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, 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 π 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.
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 l'action 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. La matrice de cellules comprend généralement 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.
Lorsque l'électrode ou les électrodes de la couche supérieure sont transparentes ou semi-transparentes, on a alors un panneau dit « à émission vers le haut » (« top-emitting » en langue angalise) ; les éléments d'extraction sont alors positionnés au dessus de cette couche supérieure ; de préférence, les éléments d'extraction, selon la première ou la deuxième famille de modes de réalisation, sont d'une seule pièce, forme une couche d'extraction, et forme aussi une couche d'encapsulation qui est scellée avec le substrat de manière à empêcher la pénétration de gaz, comme l'oxygène ou la vapeur d'eau, au sein des cellules et de manière à prévenir tout risque de dégradation de la couche électroluminescente par ces gaz ; l'espace ainsi encapsulé peut comprendre des agents adsorbants ou dessicants, aptes à adsorber ces gaz. De préférence, cet agent dessicant est alors disposé dans des cavités qui sont pratiquées dans l'épaisseur de la couche d'extraction, qui sont ouvertes vers l'intérieur du panneau en direction de la couche électroluminescente, et qui sont disposées entre les éléments d'extraction de manière à ce que l'agent adsorbant ne gêne pas le passage de la lumière.
Lorsque les électrodes de la couche inférieure sont transparentes ou semi-transparentes, on a alors un panneau dit « à émission vers le bas » (« back-emitting » en langue angalise) ; les éléments d'extraction sont alors positionnés sur la face du substrat opposée à celle de cette couche inférieure.
De préférence, c'est alors la couche d'extraction elle-même qui forme le substrat du panneau ; pour la fabrication du panneau, c'est alors sur la couche d'extraction, côté interfaces d'entrée, que l'on vient déposer les différentes couches, notamment d'électrodes et de matériau électroluminescent, qui vont constituer la matrice bi-dimensionnelle de cellules du panneau ; la couche d'extraction est alors de préférence en verre.
Selon une variante de l'invention, le substrat présente 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 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.
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 où les éléments d'extraction de lumière sont en forme de microlentilles : 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 d'éléments d'extraction de lumière ; 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 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 », 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.
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 l'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.
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 101 de la couche inférieure, et disposées entre les épargnes ou évidements de la 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 sous-couche organique d'injection de trous, une sous-couche organique électroluminescente à proprement parler, 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 sous- couche 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 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 qui sont déposés sur chaque cellule ou lignes ou colonnes de cellules :
- des éléments d'extraction de type microlentille 20,
- des 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 emissive 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 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 20c 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 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.
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 emissive de cette cellule 10R, 10G, 10B, 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.
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 ; - 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, quand elle est d'une seule pièce, peut avantageusement servir de couche d'encapsulation pour améliorer sensiblement la protection des cellules vis à vis de l'oxygène ou de l'eau ambiants ; cet avantage est particulièrement notable dans le cas de panneaux à « émission vers le haut », que les éléments d'extraction appartiennent à la première et/ou à la deuxième famille de modes de réalisation.
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 inférieure à 10 μm, 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 ; 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 tels que précédemment décrits, 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.
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 10R, 10G, 10B 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 emissive 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 de panneaux sans barrières pour la fabrication desquels on utilise généralement des méthodes de masquage ou des méthodes d'impression à jet d'encre.
L'invention s'applique également aux cas de panneaux électroluminescents dont les cellules sont dotées d'éléments convertisseurs photoluminescents, tels que décrits par exemple dans le document US51216214 ; dans de tels panneaux, les couches électroluminescentes de toutes les cellules émettent dans la même couleur, par exemple le bleu ; dans les cellules rouges et vertes, on dispose, au dessus de la couche électroluminescente, un élément photoluminescent émettant respectivement dans le rouge et le vert, sous excitation par le bleu ; selon une variante, une couche de filtrage optique peut être ajoutée, notamment pour le bleu. Dans la fabrication des panneaux de ce type, il est alors avantageux de réaliser les éléments photoluminescents sur les éléments ou la couche d'extraction ; à cet effet, on peut réaliser des cavités au niveau des interfaces d'entrée des éléments d'extraction et déposer du matériau photoluminescent dans ces cavités ; on colle ensuite, comme précédemment décrit, les éléments ou la couche d'extraction sur le panneau électroluminescent de base.

Claims

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 lui-même :
- une interface d'entrée (21 , 31) couplée optiquement avec la surface emissive 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),
- et une surface réfléchissante intermédiaire (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.- Panneau selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite surface réfléchissante (32) ne présente pas d'élément de surface plane.
3.- Panneau selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite surface réfléchissante de chaque élément d'extraction 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.
4.- Panneau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour chaque élément d'extraction, ladite surface réfléchissante, et, optionnellement, ladite interface de sortie présentent une forme adaptée pour que les rayons qui sortent de l'interface de sortie soient dans un angle solide strictement inférieur à 2 π stéradians.
5.- 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).
6.- Panneau selon la revendication 5 caractérisé en ce que la couche d'extraction forme ledit substrat.
7.- Panneau selon la revendication 5 caractérisé en ce que la couche d'extraction forme une couche d'encapsulation.
8.- 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.
9.- Panneau selon la revendication 8 caractérisé en ce que, l'électrode ou les électrodes de ladite couche supérieure étant transparentes ou semi- transparentes, les dits éléments d'extraction sont positionnés sur cette couche supérieure.
10.- Panneau selon la revendication 8 caractérisé en ce que, les électrodes de ladite couche inférieure étant transparentes ou semi- transparentes, les dits éléments d'extraction sont positionnés sur la face du substrat opposée à celle de cette couche inférieure.
11.- Panneau selon la revendication 10 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.
12.- Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 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.
13.- Panneau selon la revendication 12 caractérisé en ce que chaque cellule dudit groupe émet dans la même couleur primaire.
14.- Panneau selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 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.
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