Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne les écrans émissifs, réflectifs ou transflectifs faisant partie de dispositifs électroniques d'affichage contenant un ou plusieurs polariseurs et intégrant un module photovoltaïque semi-transparent. Etat de la technique

Dans la présente invention, on appelle un dispositif d'affichage un dispositif électronique muni d'un écran qui permet d'afficher une image ou un message lumineux par un guidage adéquat de la lumière générée par ledit dispositif (écrans émissifs) et/ou de la lumière ambiante (écrans réflectifs et transflectifs).

La plupart de ces écrans sont des écrans à cristaux liquides ou électroluminescents qui contiennent généralement un ou deux polariseurs. Les deux critères de performance d'un polariseur sont d'une part de maximiser la transmittance d'une première composante polarisée linéaire de la lumière incidente et d'autre part de maximiser le coefficient d'extinction, c'est-à-dire le rapport de transmittance entre la première composante polarisée linéaire et la seconde composante polarisée linéaire (orthogonale à la première). Ainsi, un polariseur sera idéalement le plus performant s'il laisse passer toute la première composante polarisée linéaire de la lumière incidente et bloque (par absorption ou réflexion) l'intégralité de la seconde composante polarisée linéaire.

Les polariseurs standards les plus utilisés dans les dispositifs d'affichage sont des polariseurs organiques, qui transmettent environ 85% d'une première composante polarisée linéaire et absorbent plus de 99% de la seconde. Pour accroître l'efficacité et pour réduire l'épaisseur desdits polariseurs organiques, d'autres types de polariseurs inorganiques ont vu le jour, appelés couramment « wire-grid polarizers » en anglais ou WGP par acronyme. Constitués d'une multitude de bandes métalliques réfléchissantes séparées par des orifices dont les largeurs sont inférieures aux longueurs d'ondes de la lumière visible, les WGP se distinguent des polariseurs organiques en ce qu'ils réfléchissent la seconde composante polarisée linéaire, d'où leur dénomination de polariseurs semi-réfléchissants ou transflectifs. Seul leur coût reste un frein à leur utilisation, mais des procédés de fabrication à rouleaux (plus communément appelés « roll-to-roll » en anglais) tendent à faire baisser leur prix.

La combinaison d'un polariseur transflectif avec un module photovoltaïque pleine plaque placé en dessous dudit polariseur permet de remplacer un des polariseurs standards ainsi que le réflecteur arrière utilisé dans de tels écrans, tout en produisant de l'énergie électrique. Néanmoins, dans un tel système, 50% de la lumière ambiante est perdue dans le premier polariseur, les 50% restants étant soit réfléchis soit transmis par le second polariseur transflectif en fonction de l'état, clair ou sombre, du pixel. Ainsi, seule 25% de la lumière ambiante en moyenne est convertie en électricité par le module photovoltaïque. De plus, en fonction de l'image affichée par l'écran, l'intensité lumineuse reçue par le module photovoltaïque n'est pas uniforme sur toute sa surface, ce qui pose problème dans le cas où ledit module photovoltaïque est constitué de cellules connectées en série. En effet, si l'une des cellules est sous un éclairage inférieur à celui des autres cellules, la baisse de production électrique de cette cellule va affecter toutes les autres cellules, car le courant électrique va être réduit de la même manière dans toutes les cellules connectées en série.

Une autre approche, compatible avec tous les types d'écrans précités, consiste à structurer directement à l'échelle nanométrique un matériau photovoltaïque sous la forme de « wire-grid » afin qu'il joue le rôle de polariseur tout en générant de l'énergie électrique par conversion de la composante polarisée linéaire de la lumière non transmise (publication Journal of Optics A: Pure and Applied Optics, 2008, vol.10, p.44014 - University of Tokyo). La fabrication d'une telle structure nécessite cependant la maîtrise de la gravure à l'échelle nanométrique via des procédés complexes et coûteux donc difficilement industrialisables. De plus, il y a un nécessaire compromis à trouver entre l'efficacité de la polarisation et l'efficacité de la conversion photovoltaïque, en jouant en particulier sur l'épaisseur des nanostructures fabriquées. Les performances atteintes à ce jour sont très faibles, avec une efficacité de conversion de 0.2% et un coefficient d'extinction d'environ 5, ce qui prouve le concept mais reste inacceptable pour une intégration dans un écran.

Une variante consiste à réaliser le polariseur et l'absorbeur photovoltaïque à partir de la structuration anisotrope d'un même mélange de matériaux organiques (brevet WO2012142168 et publication Advanced Materials, 2011 , vol.23, p.4193 - University of California Los Angeles). Le principal avantage de cette variante est de récupérer intrinsèquement l'énergie lumineuse d'une des deux composantes polarisées linéaires de la lumière ambiante (celle qui est perdue par absorption dans les polariseurs organiques standards) pour générer de l'énergie électrique. Toutefois, pour être efficace, le matériau photovoltaïque organique absorbe au moins en partie le spectre de la lumière visible, ce qui donne un aspect coloré à ce module photovoltaïque polarisant et modifierait sensiblement la colorimétrie de l'écran dans lequel il serait intégré. Buts de l'invention

Le but principal de la présente invention est de proposer un module photovoltaïque polarisant apte à récupérer et utiliser l'énergie lumineuse de la composante polarisée linéaire absorbée par le polariseur pour la transformer en énergie électrique, tout en minimisant l'impact de l'intégration d'un tel module (polarisant et photovoltaïque) sur la qualité de l'image affichée par l'écran.

Un autre but de l'invention est de produire de l'énergie électrique indépendamment de l'état, clair ou sombre, des pixels. Objets de l'invention

L'objet de l'invention concerne un dispositif d'affichage, ainsi qu'un procédé de réalisation d'une partie du dispositif, ainsi qu'un appareil comportant un tel dispositif

Le dispositif d'affichage selon l'invention est pourvu d'un module photovoltaïque polarisant qui comporte au moins :

(a) une pluralité de polariseurs;

(b) une pluralité de pixels qui émettent ou transmettent une lumière appelée lumière de l'image ;

(c) une pluralité de zones actives photovoltaïques et une pluralité d'orifices, deux zones actives photovoltaïques voisines formant un orifice et lesdites zones actives photovoltaïques étant disposées entre les pixels et les polariseurs;

ledit dispositif étant caractérisé en ce que lesdits polariseurs sont semi-réfléchissants et sont constitués d'une ou plusieurs surfaces choisies parmi des surfaces planes, concaves ou convexes, et présentant des formes paraboliques, coniques, pyramidales, tétraédriques, demi-cylindriques ou cylindro-paraboliques, lesdits polariseurs étant agencés de manière à d'une part concentrer par réflexion une première composante polarisée linéaire (P1 ) de la lumière ambiante sur lesdites zones actives photovoltaïques et à d'autre part transmettre à travers le module photovoltaïque polarisant une deuxième composante polarisée linéaire (P2) de la lumière ambiante ou de la lumière de l'image. Lesdits polariseurs sont composés d'un réseau de bandes réfléchissantes dont les largeurs et les distances qui les séparent sont avantageusement inférieures à 400 nanomètres. Les bandes réfléchissantes sont généralement parallèles entre elles et métalliques, par exemple en argent, en aluminium ou en cuivre. Elles peuvent également être constituées de plusieurs couches de métaux déposées successivement les unes sur les autres.

On définit un concentrateur de lumière comme un concentrateur optique apte à collecter la lumière d'un faisceau lumineux ayant différents angles d'incidence dans une zone de l'espace dite « surface d'entrée » pour la guider vers une surface plus petite dite « surface de sortie », et correspondant généralement au sommet du concentrateur. Le taux de concentration du concentrateur de lumière est alors défini comme le rapport de la surface de sortie sur la surface d'entrée.

Dans la présente invention, les concentrateurs de lumière semi-réfléchissants permettent de guider par réflexions multiples une première composante polarisée linéaire (P1 ) de la lumière ambiante vers les zones actives photovoltaïques, de manière à produire de l'énergie électrique. Ainsi, les sommets des concentrateurs doivent être positionnés en regard des zones actives du module photovoltaïque de telle sorte que l'essentiel de ladite première composante polarisée linéaire de la lumière ambiante focalisée par lesdits concentrateurs soit dirigée vers les zones actives photovoltaïques.

La pluralité des zones actives photovoltaïques peuvent former une cellule photovoltaïque unique ou un ensemble de cellules connectées électriquement en série ou en parallèle pour former un module photovoltaïque. Il peut également s'agir de plusieurs cellules ou modules indépendants. De manière générique on appelle par la suite « module photovoltaïque » l'une quelconque de ces configurations. Lesdites zones actives photovoltaïques peuvent être actives sur une ou plusieurs faces et sont constituées d'un ou plusieurs matériaux actifs qui peuvent être inorganiques ou organiques, cristallins ou amorphes, opaques ou semi-transparents. Ces matériaux actifs sont avantageusement des couches minces à base de silicium amorphe ou microcristallin, de GaAs (arséniure de gallium), de CdTe (tellurure de cadmium), de CIGS (cuivre - indium - gallium - sélénium), de CZTS (cuivre - zinc - étain - sélénium) ou à base de polymères. Il peut s'agir de jonctions de type p-i-n ou p-n, ou encore de cellules tandem, i.e. comportant deux cellules superposées qui absorbent préférentiellement une partie différente du spectre lumineux. Elles peuvent être conçues pour convertir la lumière visible et/ou la lumière ultra-violette et/ou la lumière infrarouge en électricité. Selon un certain mode de réalisation du dispositif selon l'invention, lesdites zones actives photovoltaïques sont positionnées au voisinage du plan de concentration maximum desdits polariseurs. Cette configuration optimise la quantité de lumière ambiante dirigée sur les zones actives photovoltaïques, et permet ainsi de maximiser la production électrique du module. En pratique, la quantité de lumière concentrée sur les zones actives dépend notamment de l'angle d'incidence de la lumière ambiante à la surface des polariseurs, une partie de la lumière étant perdue par réflexion de la surface du concentrateur vers l'extérieur du dispositif. En effet, tous les concentrateurs ont un cône d'acceptance de la lumière incidente contraint, c'est-à-dire un angle d'incidence limite au-delà duquel la lumière incidente n'est plus focalisée mais renvoyée hors du système optique. Ce cône d'acceptance dépend de la forme des concentrateurs et est d'autant plus limité que le taux de concentration, c'est-à-dire le rapport de la surface du flux lumineux en entrée sur la surface du flux lumineux en sortie est important.

Selon un autre mode de réalisation, la pluralité de pixels sont séparés les uns des autres par une matrice interpixels et les zones actives photovoltaïques sont alignées avec ladite matrice interpixels de manière à réduire au maximum les phénomènes de Moiré, bien connus de l'homme du métier.

Selon une variante supplémentaire de réalisation du dispositif, les zones actives photovoltaïques et les polariseurs sont organisés en un réseau continu ou discontinu de motifs élémentaires, délimitant tous types de formes, en particulier des formes courbes, par exemple circulaires, des formes planes, par exemple polygonales, prismatiques ou hexagonales. Dans ce cas, on peut avantageusement choisir un pas du réseau de zones actives photovoltaïques qui soit adapté au pas de la matrice interpixels afin de réduire au maximum les phénomènes de Moiré.

Selon différents mode de réalisation, lesdits pixels peuvent être constitués de modulateurs électro-optiques, éventuellement associés à des filtres colorés, ou de matériaux électroluminescents. Les modulateurs électro-optiques permettent de faire varier la luminosité du pixel et les filtres colorés sont typiquement de couleurs rouge, vert et bleu (RGB) pour une technologie additive et cyan, magenta et jaune (CMJ) pour une technologie soustractive. La technologie RGB additive est couplée par exemple avec un modulateur à cristaux liquides dans des dispositifs d'affichage de type « Liquid Crystal Display », alors que la technologie CMJ soustractive est mise en œuvre dans les dispositifs utilisant des modulateurs de type dit « electrowetting ».

Selon différents mode de réalisation, la lumière de l'image correspond à une partie de la lumière ambiante réfléchie, totalement ou partiellement, dans le dispositif et/ou une partie de la lumière émise par le dispositif. Dans le cas d'un dispositif d'affichage de type « Liquid Crystal Display » (LCD) émissif, la lumière émise par le dispositif peut être générée par une ou plusieurs diodes électroluminescentes (LED), généralement blanches, situées directement en regard du dispositif objet de l'invention, ou .bien sur le côté d'un guide d'ondes transparent dans lequel la lumière est propagée. Dans le cas d'un dispositif d'affichage de type OLED, la lumière émise est générée par une pluralité de sources électroluminescentes organiques qui émettent préférentiellement dans une partie du spectre du visible.

Selon différents modes de réalisation, le dispositif d'affichage comporte en outre un ou plusieurs autres polariseurs et/ou une lame quart d'onde servant à polariser la lumière de l'image. Ces polariseurs, par exemple de type organique ou de type « wire grid », sont intégrés dans les dispositifs de type LCD ou OLED connus. Le module du dispositif d'affichage selon l'invention comprenant les polariseurs et les zones actives photovoltaïques peut être laminé par-dessus le dernier polariseur et/ou la lame quart d'onde dudit dispositif. Alternativement, il peut remplacer le dernier polariseur de manière à faire l'économie d'une surface polarisante et à réduire l'épaisseur dudit dispositif d'affichage. Dans un autre mode de réalisation particulier non représenté, le dispositif d'affichage comporte en outre une surface fonctionnelle, par exemple anti-reflet, anti-UV ou de détection tactile.

Le dispositif d'affichage selon l'invention peut être intégré dans un appareil électronique, fixe ou portable, rigide ou flexible, tel qu'une montre, un téléphone, une liseuse, une tablette, ou encore un ordinateur.

Selon un exemple de procédé de fabrication d'une partie du dispositif d'affichage selon l'invention composé des concentrateurs et des zones actives photovoltaïques, on procède de la manière suivante :

(a) on approvisionne un module photovoltaïque semi-transparent composé d'une pluralité de zones actives photovoltaïques et d'une pluralité d'orifices, lesdites zones actives photovoltaïques étant constituées d'une pluralité de couches minces déposées sur un substrat transparent ;

(b) on dépose une première couche de résine transparente puis on structure ladite résine de manière à former la géométrie des concentrateurs ;

(c) on dépose une couche conforme d'un matériau réfléchissant sur la face structurée de ladite résine ;

(d) on grave la couche réfléchissante sur toute sa surface sous la forme de bandes et au niveau des sommets des concentrateurs ;

(e) on dépose une seconde couche de résine transparente de planarisation. Le substrat transparent du module photovoltaïque semi-transparent est généralement constitué d'un matériau transparent solide, comme le verre ou encore un polymère de type PMMA, PET ou polycarbonate, et a un indice de réfraction proche de 1 .5. Avantageusement, l'indice de réfraction de la première couche de résine transparente est identique à celui du substrat transparent. Dans ce procédé de fabrication, la structuration de la première couche de résine transparente peut être réalisée sous irradiation UV, à l'aide de rouleaux ou de tampons textures qui impriment un réseau de formes sur un polymère liquide ou semi-liquide photosensible, ou par emboutissage d'un matériau transparent solide. L'étape de gravure de la couche réfléchissante peut être réalisée par un procédé de photolithographie ou par laser. L'indice de la seconde couche de résine doit être optimisé en fonction de celui de la première couche de résine de manière à limiter les réflexions totales aux interfaces, mais également en fonction de la forme des concentrateurs de manière à maximiser l'angle d'acceptance de la lumière incidente.

Figures

L'invention sera mieux comprise à l'aide de sa description détaillée, en relation avec les figures, dans lesquelles :

les figures 1 a et 1 b montrent schématiquement des vues en coupe transversale d'une partie du dispositif d'affichage selon l'invention et illustrent son fonctionnement ;

la figure 2 montre schématiquement en coupe transversale la structure d'un dispositif d'affichage de type LCD émissif selon l'invention ;

la figure 3 montre schématiquement en coupe transversale la structure d'un dispositif d'affichage de type LCD réflectif selon l'invention ;

la figure 3 montre schématiquement en coupe transversale la structure d'un dispositif d'affichage de type OLED selon l'invention.

Les figures ne sont pas à l'échelle, les épaisseurs relatives des composants du dispositif étant volontairement exagérées pour mieux faire apparaître sa structure.

Description détaillée

On se réfère aux figures 1 a et 1 b, qui représentent schématiquement des vues en coupe transversale d'une partie du dispositif d'affichage selon l'invention, appelé module photovoltaïque polarisant 18. Ledit module photovoltaïque polarisant 18 comporte une pluralité de zones actives photovoltaïques 1 , deux zones actives photovoltaïques voisines 1 ',1 " formant un orifice 2, ainsi qu'une pluralité de polariseurs 4 semi-réfléchissants et de forme parabolique. Généralement constitués d'un ensemble de bandes métalliques de tailles contrôlées, lesdits polariseurs 4 sont agencés à l'interface entre deux couches de matériaux transparents 7,8 qui ont idéalement des indices de réfraction identiques ou très proches afin de limiter les phénomènes de réflexion totale de la lumière traversant cette interface.

Comme représenté sur la figure 1 a, les polariseurs 4 réfléchissent une première composante polarisée linéaire 5' de la lumière ambiante 5 émise par des sources de lumière naturelles ou artificielles extérieures au dispositif (donc non polarisée avant d'atteindre le dispositif) et transmettent à travers le module photovoltaïque polarisant 18 une deuxième composante polarisée linéaire 5" orthogonale à la première. De par leur forme parabolique, les polariseurs 4 jouent le rôle de concentrateurs d'une partie de la lumière ambiante 5 par réflexions multiples de sa première composante polarisée linéaire 5'. Ils sont positionnés par rapport aux zones actives photovoltaïques 1 de manière que ladite première composante polarisée linéaire 5' de la lumière ambiante 5 soit dirigée par les concentrateurs de lumière 4 sur lesdites zones actives photovoltaïques 1.

La figure 1 b illustre le fonctionnement du module photovoltaïque polarisant 18 vis-à- vis de la lumière de l'image 6 émise par le dispositif d'affichage, généralement polarisée en sortie des dispositifs de type OLED et LCD émissifs ou réflectifs. On considère ici que les composants permettant l'affichage sont orientés de telle sorte que la lumière de l'image 6 corresponde à la deuxième composante polarisée linéaire P2. Dans le cas d'une interface parfaite, l'intégralité de la lumière polarisée de l'image 6 est transmise à travers les polariseurs semi-réfléchissants 4. En pratique, des phénomènes de pertes par réflexion ou par absorption ayant lieu successivement dans les couches 8,4,7 limitent la quantité de lumière transmise 6' à environ 90% de la quantité de lumière 6 en provenance de l'image. Par ailleurs, une partie de la lumière de l'image 6 est réfléchie ou absorbée en face arrière des zones actives photovoltaïques 1. Toutefois, à production électrique constante, la fraction surfacique desdites zones actives photovoltaïques 1 est réduite par rapport à un dispositif standard sans concentrateurs de lumière 4, ce qui permet d'augmenter la quantité totale de la lumière de l'image transmise 6'.

Le module photovoltaïque polarisant 18 peut être intégré dans un dispositif d'affichage soit en supplément des composants permettant l'affichage d'une image, soit en remplacement du dernier polariseur linéaire traversé par la lumière de l'image 6. Les cas d'usage décrits dans les figures 2 à 4 font référence à trois dispositifs différents d'affichage dans lesquels le module photovoltaïque polarisant 18 vient en remplacement du dernier polariseur linéaire habituellement intégré dans de tels dispositifs. La figure 2 schématise en coupe transversale la structure d'un dispositif d'affichage de type LCD émissif selon l'invention. Ledit dispositif est constitué entre autres d'un rétroéclairage 12 permettant de générer de la lumière via un éclairage à LED et d'un premier polariseur linéaire 11 qui polarise la lumière issue du rétroéclairage 12. Le plan de polarisation de la lumière peut être modifié par un modulateur électro-optique 10 (à cristaux liquides dans le cas présent) piloté au moyen de deux électrodes transparentes déposées sur des substrats de verre 9', 9". Les pixels 3 sont constitués en alternance de trois filtres colorés, typiquement de couleurs rouges, vertes et bleues et sont séparés par une matrice d'inter-pixels 13. Le module photovoltaïque polarisant 18 joue le rôle du polariseur supérieur. Afin de maximiser la transmission et de limiter au maximum les phénomènes de Moiré connus de l'homme du métier, on choisira un pas du réseau de zones actives photovoltaïques 1 en fonction du pas de la matrice d'inter-pixels 13.

La figure 3 schématise en coupe transversale la structure d'un dispositif d'affichage de type LCD réflectif selon l'invention. La composition d'un tel dispositif diffère de celui décrit à la figure 2 en ce que le rétroéclairage et le premier polariseur sont remplacés par un miroir 14. La lumière de l'image 6 correspond à la lumière ambiante réfléchie par le miroir 14 et qui traverse les pixels 3. Là encore, le polariseur disposé en standard au-dessus de l'électrode supérieure 9" d'un tel dispositif est remplacé par le module photovoltaïque polarisant 18.

Un exemple de réalisation concret est décrit par la suite. A partir d'un dispositif d'affichage contenant un réseau de pixels 3 de 150 μιη de large séparés les uns des autres par une distance interpixels 13 de 30 μιτι, on approvisionne un module photovoltaïque formé d'un réseau de bandes actives photovoltaïques 1 de 10 pm de large, séparées par des orifices de 20 pm. Le substrat transparent structuré 8 a un indice de réfraction proche de 1.5. Les polariseurs 4 ont la forme de paraboles tronquées avec une surface d'entrée large de 30 pm et une hauteur comprise entre 20 et 40 pm. Dans le cas où la résine transparente de planarisation 7 a un indice de réfraction proche de 1.5, l'angle d'acceptance de la lumière ambiante incidente à la surface dudit dispositif est de 60°. La figure 4 schématise en coupe transversale la structure d'un dispositif d'affichage de type OLED selon l'invention. Les pixels électroluminescents 3, typiquement composés par l'alternance de trois matériaux organiques différents qui émettent dans le bleu, le vert et le rouge, sont déposés sur une dalle électronique 17 de pilotage desdits pixels électroluminescents 3, puis encapsulés à l'aide d'un matériau transparent 16. La couche d'encapsulation 16 permet d'accroître la stabilité des matériaux utilisés dans la fabrication des pixels 3, en faisant notamment barrière à l'oxygène et à l'eau. La lumière de l'image 6 est directement émise par les pixels électroluminescents 3. Dans un tel dispositif, le polariseur supérieur est généralement associé à une lame quart d'onde 15 qui permet d'éliminer la réflexion de la lumière ambiante. Ce polariseur est remplacé par le module photovoltaïque selon l'invention.

Avantages de l'invention

Il résulte de ce qui précède que l'invention atteint les buts fixés. Elle décrit un dispositif d'affichage électronique comportant des polariseurs transfiectifs aptes à concentrer efficacement une première composante de la lumière ambiante sur un réseau de zones actives photovoltaïques, tout en étant transparent à la deuxième polarisation de la lumière de l'image au niveau des orifices du module photovoltaïque. Ainsi, l'énergie de la première composante de la lumière ambiante, habituellement perdue par absorption dans les dispositifs d'affichage standards, est convertie en énergie électrique.

De plus, le dispositif objet de l'invention a l'avantage de produire de l'énergie indépendamment de l'état, clair ou sombre, de l'image.

Enfin, la fraction surfacique de zones actives photovoltaïques peut être optimisée afin de limiter les réflexions de la lumière ambiante du module photovoltaïque polarisant vers l'utilisateur.

Liste des repères utilisés sur les figures

Zone active photovoltaïque 10 Modulateur électro-optique

Orifice. . . . 11 Premier polariseur

Pixel 12 Rétro-éclairage

Polariseur semi-réfléchissant 13 Inter-pixel

Lumière ambiante 14 Miroir

Lumière de l'image 15 Lame quart d'onde

Première couche de matériau diélectrique 16 Couche d'encapsulation

transparent

Deuxième couche de matériau diélectrique 17 Dalle électronique de pilotage transparent

Verre de protection et de pilotage du 18 Module photovoltaïque polarisant modulateur électro-optique