Chapitre 4 : Phénomène de vieillissement des échantillons élaborés par voie sol-gel
B.3 Les dispositifs de visualisation
B.3.1 Les écrans à plasma
Les écrans à plasma, également appelés « panneaux à plasma » (PAP) sont des dispositifs de visualisation récents caractérisés par l’utilisation d’un plasma néon-xénon comme source d’excitation, à l’image des lampes sans mercure présentées au paragraphe B.2.5.a).
86 E. Mills, Light & Engineering 10, pp.5-10 (2002) « Global lighting energy savings potential »
C’est le besoin d’écrans de télévision toujours plus grands tout en gardant un faible encombrement qui a motivé le développement de cette technologie. Le principe de fonctionnement de ces écrans est similaire à celui présenté pour la lampe plane Planon® (page 26) mis à part que le mélange gazeux généralement utilisé présente la composition suivante : 90%Ne/10%Xe1,4,17,88. Le plasma produit un rayonnement dont le spectre d’émission est présenté à la figure 1-9.
Un écran à plasma de type alternatif est constitué de deux dalles de verre formant une enceinte au sein de laquelle est enfermé le mélange de gaz rares qui produit une décharge dans le domaine de l’ultraviolet du vide1,17. Les faces internes des dalles sont recouvertes d’un réseau d’électrodes, d’une couche diélectrique ainsi que d’une couche isolante de MgO permettant de protéger les électrodes du milieu gazeux (voir figure 1-23). Les deux dalles sont assemblées de manière à ce que les deux réseaux d’électrodes soient perpendiculaires tout en conservant un espace d’une centaine de microns d’épaisseur entre les dalles. Les points d’intersection des électrodes permettent de définir des cellules qui seront le siège de décharges plasma.
Figure 1-23 : Schéma de la structure d’un panneau à plasma
Une couche de matériaux luminescents déposés sur la face interne des dalles permet l’obtention de la couleur. Au sein de chaque cellule, le rayonnement VUV produit par le mélange gazeux excite la luminescence d’un luminophore émettant l’une des trois couleurs primaires (vert, rouge ou bleu). Ces cellules, aussi appelées « sous-pixels », sont regroupées par trois dans un pixel, de façon à obtenir une lumière dont les caractéristiques soient modulables comme l’illustre la figure 1-24. Toute la difficulté réside dans le contrôle précis du niveau de luminance de chaque cellule de plasma tout au long de la durée de vie de l'écran. En effet, une décharge électrique dans un gaz rare est un phénomène instable
qu'il faut ici maîtriser avec précision pour reproduire avec cohérence l'ensemble des valeurs d'une image. Outre la possibilité de réaliser des écrans de grande taille (jusqu’à 1,5 m), les PAP offrent l’avantage d’un grand angle de vision et d’une forte luminance1. En revanche, leur consommation électrique est élevée et leur fabrication est coûteuse du fait de la complexité du dispositif.
Figure 1-24 : Vue en coupe d’un pixel constitué de trois cellules contenant chacune un luminophore
émettant l’une des trois couleurs primaires. Spectres d’émission caractéristiques des rayonnements émis par ces luminophores après décharge dans le domaine de l’ultraviolet du vide (VUV)
Les luminophores utilisables dans ce type de dispositifs doivent répondre à quelques conditions parmi lesquelles5,18 :
•Une importante stabilité sous excitation VUV avec une durée de vie supérieure à 30000 heures5.
•Un rendement lumineux élevé de façon à mettre au point un dispositif efficace et à faible consommation énergétique.
•Un temps de déclin court afin d’éviter le phénomène de « traîne » ou de rémanence sur l’écran. Typiquement, ce temps de déclin doit être inférieur à 10 ms17 et même à 5 ms pour les écrans haute résolution5.
•Des coordonnées trichromatiques adaptées afin de couvrir la gamme de couleurs la plus
large possible ; pour le luminophore bleu par exemple, celles-ci doivent être telles que17: x<0.15 et y<0.06.
•Une morphologie des particules optimisée selon le mode de dépôt utilisé5. Généralement, une granulométrie fine et monodisperse est requise afin de garantir une résolution d’image homogène et de bonne qualité18.
Les luminophores les plus couramment utilisés dans les panneaux à plasma sont5,17 :
•Pour le rouge : Y2O3 :Eu3+, (Y,Gd)BO3 :Eu3+ ou Y(V,P)O4 :Eu3+
•Pour le vert : Zn2SiO4 :Mn, (Y,Gd)BO3 :Tb3+ ou BaAl12O19 :Mn
•Pour le bleu : BaMgAl10O17 :Eu2+ (BAM) BaMgAl12O23 :Eu2+
Ces matériaux présentent malheureusement des rendements lumineux insuffisants et sont sujets à un vieillissement prématuré qui conduit à une altération de la qualité de l’image17. Ces inconvénients sont amplifiés par le fait que les trois types de luminophores réagissent de façons différentes ce qui pose un problème supplémentaire de maintenance. En effet, tandis que le luminophore rouge possède un bon rendement lumineux et supporte bien le vieillissement sous décharge VUV, le luminophore bleu présente, quant à lui, un rendement sensible au procédé de fabrication des PAP. De plus, il vieillit beaucoup plus rapidement17,89 que les autres, induisant un phénomène de marquage. Ces désagréments engendrent un surcoût à la production et donc un prix de vente relativement élevé, alors que ces PAP ont une durée de vie limitée (de 5 à 10 ans).
Afin de commercialiser des écrans à plasma fiables et à des prix accessibles par le grand public, de nombreux travaux de recherche sont menés4,5,17,18 sur la synthèse de nouveaux matériaux90,91,92 ou l’amélioration des matériaux existants, notamment grâce au développement de nouvelles méthodes de synthèse93,94,95.
89 H.C. Lu, H.K. Chen, T.Y. Tseng, W.L. Kuo, M.S. Alam & B.M. Cheng, J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 144-147,pp.983-985 (2005) « Photoluminescence of phosphors for PDP with VUV excitation »
90 D.S. Xing, M.L. Gong, X.Q. Qiu, D.J. Yang & K.W. Cheah, Mater. Lett. 60, pp.3217-3220 (2006) « A bluish green barium aluminate phosphor for PDP application »
91 Z.H. Zhang, Y.H. Wang, Y. Hao & W.J. Liu, J. Alloys Compd., sous presse (2007) « Synthesis and VUV photoluminescence of green-emitting X2-Y2SiO5 :Tb3+ phosphor for PDP application »
92 D.S. Xing, K.W. Cheah, P.Y. Cheng, J. Xu, J.X. Shi & coll., Solid State Comm. 134, pp.809-813 (2005) « A novel blue magnesium strontium aluminate-based phosphor for PDP application »
93 L.E. Shea Rohwer and R.J. Walko, Handbook of luminescence, Display Materials and Devices Vol. 3, American Scientific Publishers, 2003, pp.157-209 « Synthesis and Characterization of Phosphors for Flat-Panel Displays »
94 J.G. Mahakhode, S.J. Dhoble, C.P. Joshi & S.V. Moharil, J. Alloys Compd., sous presse (2007) « Combustion synthesis of phosphors for plasma display panels »
95 C. Xiangzhong, Z. Weidong, Z. Xiying, X. Tian, L. Zhen & coll., J. Rare Earths 24, pp.719-723 (2006) « Synthesis of spherical (Y,Gd)BO3 :Eu3+ phosphor using W/O emulsion system »
Dans le cadre des travaux menés au cours de cette thèse sur des luminophores applicables dans une nouvelle génération de lampes propres, les matrices aluminates élaborées apparaissent aussi comme des luminophores intéressants pour une application dans les écrans à plasma du futur.