Les écrans à plasma L

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De la physique à la technologie
Les écrans à plasma
Dans les écrans à plasma, chaque élément d’image est constitué d’une cellule dont les dimensions
sont de l’ordre de quelques centaines de microns, et contenant un mélange de gaz rares.
Le passage d’un courant dans le volume gazeux d’une cellule conduit à la formation d’un plasma
froid dont les électrons énergétiques excitent les atomes de gaz rares sur des niveaux émetteurs
de photons ultraviolets. Ces photons UV sont convertis en photons visibles dans les trois couleurs
fondamentales par des luminophores disposés sur les parois des cellules. Les écrans à plasma
représentent la technologie la plus prometteuse pour la télévision murale de grandes dimensions.
Bien que la production de ces écrans ait déjà démarré au Japon, des progrès restent à faire pour
améliorer les performances de ces systèmes. Nous montrons ici l’apport de la modélisation du
plasma à la compréhension des phénomènes de transport des particules chargées et des photons
dans ces systèmes et à leur optimisation.
es plasmas créés par décharge
électrique dans un gaz sont
des plasmas froids, dont le
degré d’ionisation (proportion d’atomes ou molécules ionisés) est typiquement inférieur à 10–4 et les températures de l’ordre de l’eV
(1 eVz10 000 K). C’est le cas par
exemple des plasmas d’arc électrique. Si la densité de courant traversant le milieu gazeux est suffisamment faible, le plasma peut être très
éloigné de l’équilibre thermodynamique, avec en général des « températures » électroniques très supérieures
à celles des ions et des neutres (la
fonction de distribution en énergie
des électrons n’est plus maxwellienne dans ces conditions, et la
« température » électronique est en
fait définie à partir de l’énergie
moyenne des électrons). La possibilité de découpler l’énergie électronique de la température du gaz et de
moduler la forme de la fonction de
distribution électronique en jouant
sur les paramètres de la décharge
(tension, mode d’excitation continu,
haute fréquence, confinement magnétique, pression, géométrie des élec-
L
– Centre de physique des plasmas et leurs
applications de Toulouse, ESA 5002 CNRS,
Université Toulouse 3, Bât. 3R2, 118 route
de Narbonne, 31062 Toulouse Cedex.
trodes) est à la base des applications
des plasmas de décharge hors équilibre. Une des applications récentes les
plus importantes de ces plasmas est
le traitement de surface, en particulier en micro-électronique (gravure et
dépôt de couches minces). Dans cette
application, c’est la propriété du
plasma froid de permettre la création
d’un milieu réactif par excitation et
dissociation du gaz initial par impact
électronique, tout en maintenant le
milieu gazeux à basse température,
qui est utilisée.
LES ÉCRANS À PLASMA ET
LEURS CONCURRENTS
Avec les écrans à plasma, on retrouve l’une des toutes premières applications des plasmas froids, à savoir l’utilisation du plasma en tant
que source de photons, comme dans
les lampes à décharge ou les lasers à
gaz. L’idée d’utiliser des décharges
électriques hors d’équilibre de petites dimensions comme éléments
d’images d’un écran de visualisation
est ancienne. Les premières images
monochromes d’écrans à plasma ont
été obtenues dans les années 70. Ce
n’est cependant qu’au début des
années 90, grâce à des progrès importants sur les matériaux utilisés,
l’électronique de commande, et le
rendement lumineux du plasma, que
les écrans à plasma se sont imposés
comme la technologie la plus prometteuse pour la télévision murale de
grande dimension (dans la gamme de
diagonales d’écran de 1 m à 1,5 m).
Les écrans à tube cathodique
dominent actuellement largement les
applications de type télévision. Malgré leurs performances excellentes et
leurs coûts réduits, la taille et le
poids de ces écrans les rendent très
peu pratiques pour des diagonales
d’écrans supérieures à 80 cm.
Les écrans à cristaux liquides sont
très bien adaptés au marché des ordinateurs portables où les limites sur le
poids et la consommation sont drastiques. Cependant, l’application des
cristaux liquides aux écrans plats
semble être actuellement limitée à
des diagonales inférieures à 50 cm en
raison notamment de la difficulté à
réaliser, sur de grandes surfaces, les
réseaux de transistors en couches
minces nécessaires à la commande
électrique des pixels.
Par ailleurs, l’angle de vue relativement faible des écrans à cristaux
liquides constitue encore une limitation importante de cette technologie.
D’autres technologies à écrans
platstellesquecellesdesécransélectroluminescents et des écrans à émission
de champ semblent également prometteuses mais leur faisabilité dans la
gamme de 1 m à 1,5 de diagonale n’a
pas encore été prouvée. Au-delà de
97
1,5 m de diagonale, on retrouve la
technologie à cristaux liquides, mais
cette fois pour des systèmes de projection.
L’épaisseur d’un écran à plasma
de 1 m de diagonale avec son électronique de commande est d’environ
10 cm, pour un poids inférieur à
20 kg, contre 100 cm et 150 kg respectivement pour un écran à tube
cathodique. Leur angle de vue est supérieur à 160°, ils présentent un
excellent contraste et peuvent atteindre 16 millions de couleurs. La rapidité des processus de transport de
particules chargées gouvernant le
plasma de décharge électrique permet
des vitesses d’adressage suffisantes
pour la télévision. Enfin, la fabrication d’écrans de grande taille pose
beaucoup moins de problèmes que
celle des écrans à cristaux liquides.
Figure 1 - Coupe d’un écran à plasma alternatif matriciel. Chaque cellule de décharge est à l’intersection d’une électrode ligne et d’une électrode colonne. Les dimensions transverses d’une celle sont
entre 200 µm et 1 mm, suivant la taille de l’écran et sa résolution. La hauteur de l’espace gazeux entre les surfaces diaélectriques est de l’ordre de 100 µm. L’épaisseur de la couche d’émail est d’environ 20 µm, celle de MgO est inférieure 1 µm.
PRINCIPES DES ÉCRANS À PLASMA
Un écran à plasma est constitué
de deux dalles de verres parallèles
placées à environ 100 µm l’une de
l’autre (figures 1 et 2). L’intervalle
entre les deux dalles est rempli d’un
mélange de gaz rares (néon ou hélium avec 5 à 10 % de xénon) à une
pression de l’ordre de 500 torr
(1 torr = 133 Pa). Des réseaux d’électrodes parallèles sont déposés sur les
surfaces des dalles de verre en vis-àvis. Dans un écran de type matriciel
les réseaux d’électrodes des deux
dalles sont perpendiculaires. On peut,
en appliquant une tension suffisamment élevée (supérieure à la tension
de claquage du gaz) entre une ligne
et une colonne, faire passer un courant dans le milieu gazeux, et créer
ainsi, à leur intersection, un plasma
de décharge électrique. La désexcitation spontanée ou induite des atomes
de gaz rares excités par les électrons
énergétiques du plasma conduit à
l’émission de photons dont la longueur d’onde dépend de la nature du
gaz. Dans les écrans à plasma couleur, on cherche à favoriser l’émission du plasma dans l’ultraviolet, de
façon à obtenir, après interaction des
photons UV avec des luminophores,
98
Figure 2 - Coupe d’une cellule d’écran à plasma alternatif matriciel (AC-M) et coplanaire (AC-C) dans
un plan parallèle aux barrières diélectriques (perpendiculaire à celui de la figure 1). La décharge s’effectue entre les électrodes notées X et Y.
des photons visibles dans les trois
couleurs fondamentales. C’est généralement le xénon qui est utilisé pour
l’émission de photons UV. Le niveau
3
résonnant Xe( P1) du xénon émet
des photons à 147 nm. Dans les
conditions de pression assez élevée
des écrans à plasma, les collisions à
trois corps entre l’état résonnant ou
3
l’état excité métastable Xe( P2) et
des atomes de xénon et de néon entraînent également la formation
d’états moléculaires excités du xénon
(excimères) qui émettent dans un
continuum de longueur d’ondes
autour de 173 nm (cf. figure 3). Le
néon ou l’hélium sont utilisés comme
gaz tampons, uniquement pour abaisser la tension de claquage, qui est
trop élevée dans le xénon pur.
Dans la plupart des écrans à
plasma actuels, les réseaux d’électrodes sont recouverts d’une couche diélectrique d’émail. Le rôle de cette
couche isolante est double : d’une
part, la capacité qui lui est associée
permet de limiter le courant simplement, sans avoir à placer une résistance en série avec chaque cellule ;
d’autre part, elle permet un adressage
simple des cellules, basé sur un effet
mémoire dû aux charges stockées sur
De la physique à la technologie
Figure 3 - Spectre UV typique d’un plasma de
décharge luminescente à haute pression dans le
xénon.
les surfaces diélectriques (cf. encadré 1). En fait, la présence de cette
couche capacitive au-dessus des électrodes impose un fonctionnement en
régime alternatif. On distingue deux
catégories d’écrans à plasma alternatifs : les écrans matriciels, AC-M, et
les écrans coplanaires, AC-C (cf. figures 1 et 2). La couche isolante audessus des électrodes a environ
20 µm d’épaisseur, et est recouverte
d’une couche protectrice diélectrique
de MgO de moins de un micron.
Cette couche protectrice, qui est
bombardée par les ions de xénon et
de néon du plasma, doit également
avoir un coefficient d’émission électronique secondaire (nombre d’électrons émis par ion incident) élevé.
Elle joue un rôle fondamental dans
un écran plasma car, d’une part, la
durée de vie de l’écran est directement liée à sa stabilité et à sa résistance à la pulvérisation par impact
ionique, et, d’autre part, son coefficient d’émission électronique secondaire élevé doit permettre un
fonctionnement à basse tension d’entretien. Le MgO est considéré actuellement comme le matériau idéal en
raison de sa stabilité et de son coefficient d’émission secondaire élevé,
de l’ordre de 0,3-0,5 pour des ions de
néon.
Comme décrit dans l’encadré 1,
l’état allumé d’une cellule d’écran
plasma alternatif est le résultat d’une
succession de décharges électriques
impulsionnelles. Pendant l’impulsion
de courant qui dure de 10 à 100 ns,
les électrons excitent et ionisent le
milieu. La décharge cesse rapidement
car la couche diélectrique recouvrant
les électrodes se charge, ce qui entraîne une chute de la tension au sein
du gaz. Les atomes excités libèrent
progressivement leur énergie en
émettant des photons pendant un
temps plus long, de l’ordre de 1 ou
2 µs après l’impulsion de courant. A
chaque changement de signe de la
tension appliquée entre les électrodes, une nouvelle décharge impulsionnelle est activée.
Une cellule d’écran plasma fonctionne dans un régime de décharge
luminescente caractérisé par un degré
d’ionisation (nombre d’électrons par
particule lourde) faible, inférieur à
10–5, et des énergies moyennes électroniques inférieures à quelques eV.
Les tensions d’amorçage sont typiquement comprises entre 250 et
300 V, et les tensions d’entretien entre 150 et 200 V. La densité de courant maximale dans une cellule
atteint 10 A/cm2, et les densités de
particules chargées dans le plasma
restent inférieures à quelque
14
− 3
10 cm . La tension de claquage
dépend du produit de la pression par
la distance interélectrode. Les valeurs
optimales de ce produit pour un
écran plasma sont de 5 à 10 torr.cm.
Au-delà, la tension d’amorçage
devient trop grande (également, la
décharge peut devenir instable et filamentaire) et, pour des valeurs inférieures, la marge de l’écran (cf.
encadré 2) diminue.
LA COURSE AU RENDEMENT
Les écrans plasma ont actuellement un rendement lumineux limité,
de l’ordre de 1 lm/W, ce qui signifie
que seulement 0,5 % de l’énergie
électrique dissipée dans une cellule
est convertie en lumière visible utile.
Ce chiffre est 2 à 3 fois plus faible
que celui caractérisant les tubes à
rayons cathodiques.
L’augmentation de l’efficacité
lumineuse est donc un thème prioritaire de recherche. Plusieurs facteurs
affectent l’efficacité lumineuse : 1) le
rendement UV de la décharge (éner-
gie émise sous forme de photons UV
rapportée à l’énergie électrique dissipée dans le plasma) ; 2) l’efficacité
de collection des photons UV par les
luminophores ; 3) le rendement de
conversion des photons UV en photons visibles par les luminophores ;
4) l’efficacité de collection des photons visibles. Le rendement de la
décharge est évalué par les modèles à
environ 10 %, pour un mélange
Xe-Ne (10 %-90 %). Le rendement
de conversion des luminophores est
estimé à 20 %. Puisque le rendement
global est de 0,5 %, on peut estimer
l’efficacité de collection géométrique
des photons UV et visibles à 25 %
(beaucoup de photons sont perdus
vers la face arrière de l’écran).
L’étude de matériaux luminophores plus efficaces, et l’optimisation de
la géométrie de la cellule pour mieux
collecter les photons sont donc des
axes de recherches importants. L’efficacité de la production de photons
UV par le plasma doit également être
améliorée. Elle est conditionnée principalement par le mélange de gaz et
sa pression, et par la géométrie des
électrodes et de la cellule. Ces paramètres sont cependant soumis à des
contraintes : 1) faible tension de
fonctionnement pour simplifier
l’électronique de commande ; 2) mélange de gaz stable, uniforme et non
réactif ; 3) durée d’une impulsion de
décharge courte pour permettre un
adressage télévision ; 4) pulvérisation de la surface de MgO par bombardement ionique minimisée (durée
de vie) ; 5) structure des cellules
simple pour que le coût de fabrication reste modéré.
La contrainte 2) impose l’utilisation de gaz rares. Le xénon est un
gaz émetteur d’UV efficace, mais sa
tension d’amorçage est élevée car les
ions de xénon sont peu efficaces pour
l’émission secondaire. L’utilisation
d’un mélange de xénon et de néon
permet de réduire la tension d’amorçage. La figure 4 montre que le choix
du mélange de gaz résulte d’un compromis entre rendement lumineux
élevé et tension d’amorçage
faible.
99
Encadré 1
ALLUMAGE, ENTRETIEN ET EFFACEMENT
D’UN ÉLÉMENT D’IMAGE D’UN ÉCRAN PLASMA
ALTERNATIF
Une tension alternative rectangulaire, la tension d’entretien,
est appliquée en permanence entre l’ensemble des lignes et
l’ensemble des colonnes à l’écran. L’amplitude de la tension
d’entretien est inférieure à la tension d’amorçage des cellules.
Sa fréquence est de l’ordre de 100 kHz. Pour faire passer la
cellule de l’état éteint à l’état allumé, une brève surtension est
appliquée entre ses électrodes de telle sorte que la tension aux
bornes de la cellule dépasse la tension d’amorçage. Il en
résulte une décharge électrique et la formation d’un plasma
dans la cellule. Le courant qui traverse la cellule devenue
conductrice charge les couches diélectriques positivement et
négativement du côté cathodique et anodique respectivement.
La tension due aux charges déposées sur les diélectriques
s’oppose à la tension aux bornes des électrodes. La tension
vue par le milieu gazeux (tension entre les surfaces
diélectriques) chute et s’annule, et la décharge s’éteint. A
l’alternance suivante de la tension d’entretien une décharge
s’amorce à nouveau car la tension due aux charges sur les
diélectriques s’ajoute maintenant à la tension aux bornes des
électrodes. Cette décharge est à nouveau stoppée par
l’accumulation de charges sur les couches diélectriques. On
voit sur la figure ci-contre que, dans l’état allumé, une surface
diélectrique porte successivement les charges + Q, – Q, + Q...
à la fin de chaque demi-période de la tension d’entretien.
Puisque la tension aux bornes du gaz est nulle après chaque
impulsion de courant, la charge Q est liée à la tension
d’entretien Vs par Q = Ceq Vs, où Ceq est la capacité
équivalente des deux couches diélectriques. On peut en
déduire que la décharge correspondant à l’impulsion
d’allumage de la cellule doit déposer la charge + Q sur l’une
des deux surfaces diélectriques (– Q sur l’autre) tandis que les
décharges d’entretien qui suivent transfèrent respectivement
– 2 Q, + 2 Q, etc. (+ 2 Q, – 2 Q,... sur l’autre surface). La
cellule reste dans l’état allumé grâce à cet « effet mémoire »
lié aux charges déposées par l’impulsion d’écriture (ou
d’allumage) et qui passent d’un diélectrique à l’autre à
chaque impulsion de courant. Pour faire passer une cellule de
l’état allumé à l’état éteint, il faut annuler la charge de
mémoire. Cela peut se faire simplement en appliquant entre
les électrodes de la cellule une tension plus petite que Vs et
ajustée de façon à ne transférer que + Q et – Q sur les
surfaces diélectriques.
Puisque la charge transférée par chaque impulsion de courant
est fixée par la capacité des couches diélectriques et par
l’amplitude de la tension d’entretien, on ne peut pas moduler
100
le courant de décharge ni l’intensité de l’émission lumineuse
d’une cellule. Les demi-teintes sont donc obtenues en
adressant plusieurs fois les cellules pendant une période
image. On obtient ainsi 256 niveaux de gris en adressant les
cellules 8 fois par période image. L’image est donc codée sur
24 bits par pixel trichrome (8 bits par couleur).
Enfin, la tension d’entretien d’un écran doit être choisie dans
un intervalle bien défini, la marge, dont la valeur maximale
est liée à la tension d’amorçage, et la tension minimale à la
tension de décharge luminescente (cf. encadré 2). Si la tension
d’entretien est au-dessus de la borne supérieure de la marge,
on ne peut pas effacer les cellules, si elle est plus petite que la
borne inférieure, on ne peut pas maintenir l’état allumé. Il est
fondamental de rechercher des conditions de fonctionnement
où la marge est grande, pour éviter que des cellules qui ne
seraient pas parfaitement identiques aient des marges
disjointes.
Tension appliquée et courant de décharge au cours d’un cycle « allumage – entretien – effacement » pour une cellule d’écran plasma alternatif matriciel. La charge des diélectriques avant et après chaque
impulsion de courant est représentée schématiquement. La tension rectangulaire d’entretien (les temps de montée sont en fait de l’ordre de
200 ns) est appliquée en permanence entre les lignes et les colonnes.
Les paliers de la tension d’entretien sont utilisés pour exciter les
cellules.
De la physique à la technologie
Figure 4 - a) Rendement lumineux mesuré et calculé d’une cellule d’écran matriciel, en fonction du
pourcentage de xénon dans le néon, pour une pression totale de 560 torr et une distance de 100 µm
entre surfaces diélectriques ; le modèle ne simulant pas la conversion photons UV – photons visibles,
les résultats sont normalisés par rapport au rendement expérimental à 10 % de xénon. b) Tensions d’entretien minimale Vs, min et maximale Vs, max (définissant la marge) mesurées et calculées d’une cellule
d’écran plasma alternatif matriciel en fonction du pourcentage de xénon. Les valeurs élevées des tensions de fonctionnement dans le xénon pur imposent un fonctionnement à faible concentration de
xénon (inférieur à 10 %), ce qui diminue le rendement.
La modélisation du plasma de
décharge est indispensable pour
comprendre la synergie des phénomènes physiques mis en jeu et
rechercher les conditions optimales
de fonctionnement.
LA MODÉLISATION : UN OUTIL DE
DIAGNOSTIC INDISPENSABLE
Les plasmas froids sont décrits à
l’aide d’équations de transport pour
les particules chargées couplées aux
équations de champ. Une représentation fluide, particulaire, ou hybride
des phénomènes de transport est utilisée suivant les cas. Dans un écran à
plasma, le milieu est suffisamment
collisionnel pour qu’une approche
fluide soit raisonnable. Dans un modèle fluide, les phénomènes de transport électronique et ionique sont décrits à l’aide de grandeurs moyennes
(densité, vitesse moyenne et énergie
moyenne) et il est nécessaire de faire
des hypothèses sur la distribution
énergétique des particules. Dans une
cellule d’écran à plasma, la fonction
de distribution électronique n’est pas
maxwellienne et ne peut pas toujours
être simplement définie par une température ou une énergie moyenne. On
utilise alors des modèles hybrides
dans lesquels la queue de la fonction
de distribution électronique (correspondant aux électrons énergétiques
susceptibles d’exciter et d’ioniser les
atomes du gaz) est décrite de façon
particulaire tandis que les électrons
froids sont traités comme un fluide.
Dans la description particulaire, on
simule les trajectoires d’un nombre
représentatif d’électrons qui évoluent
dans l’espace des phases sous l’effet
du champ et des collisions. Les collisions sont considérées comme des
événements stochastiques et traitées
par simulation Monte Carlo.
A ce modèle électrique du plasma
est adjoint un modèle décrivant la
cinétique des espèces excitées et le
transport des photons. Dans les
conditions d’une cellule d’écran
plasma, le modèle cinétique peut être
traité séparément, les taux de production d’espèces excitées par impact
électronique étant tirés du modèle de
transport électronique. La présence
des atomes excités affecte relativement peu la fonction de distribution
électronique et l’ionisation du milieu
(en d’autres termes, les collisions
entre électrons et atomes excités peuvent être négligées en première
approximation). Cela est dû à la relativement faible puissance dissipée
dans une cellule d’écran plasma. Le
modèle cinétique fournit les taux de
production de photons par le plasma.
Les photons émis par l’état résonnant
Xe(5P1) peuvent être absorbés par un
autre atome de xénon, puis réémis, et
cela plusieurs fois avant d’atteindre
les surfaces de la cellule. Le transport
de ces photons « emprisonnés » ne
peut pas être décrit par un simple
mécanisme de diffusion car la distance d’absorption dépend fortement
de la fréquence du photon (la raie de
résonance a une largeur finie). On
utilise donc une simulation Monte
Carlo pour décrire le transport des
photons résonnants. Les photons
émis par les états excimères du
xénon ne sont pas réabsorbés par le
milieu et leur transport peut donc être
décrit très simplement.
Le modèle physique global fournit
donc, à partir de la donnée des conditions de fonctionnement de la cellule
et des tensions appliquées, une description détaillée de la formation et
de l’extinction du plasma, et permet
de calculer les flux de photons vers
les différentes surfaces de la cellule.
La figure 5 illustre le modèle électrique du plasma dans le cas d’une
cellule coplanaire en régime d’entretien. Le modèle permet en particulier
de déterminer les régions dans lesquelles l’excitation du xénon (et donc
la production de photons UV) est
plus intense. On voit sur cette figure
que les états excités du xénon sont
produits dans la zone de fort champ
électrique au-dessus de la cathode
(gaine ionique), mais également, et
en quantité non négligeable, dans la
zone de champ électrique modéré audessus de l’anode. La production
d’états excités est en fait beaucoup
plus efficace dans cette région à
champ faible. En effet, dans la gaine
ionique au-dessus de la cathode les
électrons sont trop énergétiques et
transfèrent une partie non négligeable de leur énergie au néon, dont les
énergies d’excitation et d’ionisation
sont supérieures à celles du xénon.
De plus, la région de la gaine cathodique est peu efficace pour la production d’UV car une partie importante
de l’énergie totale y est dissipée par
les ions lors de collisions avec les
neutres ou avec les surfaces diélectriques (environ 50 % de l’énergie
101
Encadré 2
AMORÇAGE ET BISTABILITÉ
D’UNE DÉCHARGE ÉLECTRIQUE
L’amorçage d’une décharge électrique dans un gaz (ou le
claquage du gaz) est la transition de l’état isolant vers un état
conducteur du milieu. Après application d’une tension, les
quelques électrons libres présents dans le gaz sont accélérés
et peuvent atteindre (si le rapport entre le champ électrique et
la densité de gaz est suffısamment élevé) des énergies
suffısantes pour exciter et ioniser les atomes du gaz ; les seuils
d’énergie pour l’excitation et l’ionisation des gaz rares sont
typiquement entre 10 et 20 eV. Cela conduit à la formation
d’avalanches électroniques. Les ions positifs résultant de
l’ionisation du gaz sont accélérés vers la cathode et peuvent
en extraire des électrons secondaires. L’amorçage se produit
quand chaque électron atteignant l’anode est remplacé, en
moyenne, par un électron secondaire émis par la cathode sous
l’effet du bombardement ionique (ou des photons). La
décharge électrique est dans ce cas auto-entretenue. La
tension d’amorçage dépend du produit de la pression par la
distance interélectrode, du mélange de gaz et du matériau de
cathode.
Si le courant est limité à l’aide d’une résistance extérieure, la
décharge peut fonctionner dans un régime à bas courant
(régime de Townsend) dans lequel la distorsion du champ
électrique géométrique due à la charge d’espace électronique
et ionique est négligeable. Dans ce régime, la densité
électronique dans l’espace interélectrode est faible devant la
densité ionique, car les électrons sont beaucoup plus mobiles
que les ions. Quand le courant est augmenté progressivement,
en diminuant la résistance du circuit extérieur, l’accumulation
d’ions positifs entre les électrodes commence à entraîner une
distorsion du champ électrique. Cette distorsion change le
bilan énergétique électronique et tend généralement à
augmenter l’énergie électronique et la multiplication par
avalanches. Elle conduit à une décroissance de la tension aux
bornes des électrodes. Quand le champ de charge d’espace dû
aux ions devient du même ordre que le champ appliqué, les
électrons ne peuvent plus diffuser librement dans le gaz et il
se forme, du côté anodique, une zone quasi neutre, le plasma,
dans laquelle les électrons et les ions diffusent ensemble. Le
champ électrique dans la région quasi neutre chute, et le
potentiel se redistribue dans la région comprise entre la
cathode et le plasma (la « gaine »). Le plasma s’étend et la
gaine cathodique se contracte jusqu’à ce que la condition
d’auto-entretien soit à nouveau satisfaite. Ce nouveau régime
dans lequel la distribution du champ est fortement perturbée
102
par la présence d’un plasma est le régime de décharge
luminescente. Cette nouvelle configuration du champ est plus
effıcace du point de vue du bilan énergétique électronique et
permet de fonctionner à une tension plus basse que la tension
de claquage, comme l’indique la figure ci-dessous. La tension
minimum de fonctionnement, qui est appelée tension
d’extinction dans un panneau à plasma à courant continu
dépend du gaz et du matériau de cathode avec des valeurs
typiques de l’ordre de 150 à 300 V.
Le fait que la décharge puisse opérer à une tension inférieure
à celle requise pour l’amorçage est fondamental dans
l’application aux écrans à plasma. L’existence de cette
bistabilité naturelle des décharges combinée à l’effet mémoire
décrit dans l’encadré 1 rend possible l’adressage de cellules
spécifiques d’un réseau sans changer l’état (éteint ou allumé)
des autres cellules. En d’autres termes, on peut envisager, en
appliquant la même différence de potentiel entre les lignes et
les colonnes d’un réseau, entretenir certaines cellules dans un
état éteint.
Caractéristique courant-tension d’une décharge électrique. Le fonctionnement bistable d’une cellule est possible parce que la tension
requise pour amorcer la décharge est supérieure à la tension de fonctionnement en régime de décharge luminescente (caractéristique à
pente négative entre deux régimes stables).
De la physique à la technologie
Figure 5 - Courbes équipotentielles (lignes) et puissances électronique dissipée dans l’excitation du xénon dans une cellule d’écran alternatif à électrodes coplanaires, à quatre instants d’une impulsion d’entretien (mélange Xe-Ne 10%-90%, à une pression totale de 500 torr). Les unités de l’échelle de couleurs
sont respectivement 1.8, 5.5, 7.9, 3.8 104 W/cm-3, aux instants 133, 150, 157, et 166 ns. Les lignes équipotentielles mettent en évidence l’effet des charges de mémoire déposées sur les diélectriques par l’impulsion précédente : bien que la tension d’entretien apppliquée soit de 170 V, la différence de potentiel
maximale entre deux points situés sur les diélectriques, au-dessus des électrodes, est de l’ordre de 300 V.
La déformation des équipotentielles au cours du temps est liée à la formation à l’expansion du plasma :
le champ électrique décroît et les équipotentielles s’écartent dans le plasma qui est un milieu conducteur. L’expansion du plasma comprime la zone de champ élevé vers la cathode. L’excitation du milieu se
produit à l’interface entre la zone de champ élevé (gaine ionique) et le plasma, et également au-dessus
de l’anode. Le plasma « glisse » le long de la surface, au-dessus de l’anode, car la charge de la surface
par les électrons induit une chute du potentiel local et un « glissement » des électrons le long de la surface, vers des régions à potentiel plus élevé. Le champ électrique associé à cette chute de potentiel le long
de la surface, est responsable de l’excitation du milieu dans cette région. L’émission infrarouge de la décharge a été enregistrée à l’aide d’une caméra ultrarapide par l’équipe du Professeur Uchiike à l’Université d’Hiroshima ; ces mesures confirment qualitativement les calculs.
totale est dissipée de façon « inutile », par les ions).
L’exemple ci-dessus montre comment la modélisation permet d’identifier les conditions pour lesquelles
l’énergie électronique est dissipée le
plus souvent possible. Elle est également utilisée comme outil d’aide à la
conception, pour rechercher les
configurations d’électrodes ou les
mélanges de gaz qui optimisent le
rendement UV de la décharge.
PERSPECTIVES
Bien que les principales idées et
concepts actuels sur les écrans plats à
plasma aient été définis à l’Université
d’Illinois dans les années 60-70, la
recherche sur ce thème a été menée
surtout par des équipes industrielles.
La faisabilité d’écrans plasma de
grande taille, de performances et de
qualité d’image compétitives n’a été
démontrée que dans les années 90.
Au moment où les compagnies Japonaises et Coréennes ont annoncé des
plans d’investissement importants
pour la production d’écrans plats à
plasma, il apparaît que cette technologie est en mesure de conquérir une
part importante du marché de la télévision dans les 5 à 10 années à venir.
Un effort de recherche important est
cependant encore nécessaire pour atteindre et dépasser les performances
des tubes à rayons cathodiques. Les
modèles physiques contribuent de façon essentielle à cet effort mais des
études expérimentales systématiques
des propriétés du plasma à l’aide des
méthodes de diagnostic électriques
ou spectroscopiques font cruellement
défaut. Des recherches de base sur
les matériaux (couche émissive, interaction plasma-surface, luminophores) sont également indispensables.
POUR EN SAVOIR PLUS
Weber (L.F.), in Flat Panel Displays
and CRTs, edited by L.E. Tannas Jr.
Van Rostrand Reinbold, New York,
1985, Vol. 322.
Deschamps (J.), Doyeux (H.), Physics
World, pp. 39-43, juin 1997.
Doyeux (H.), Barret (G.), Science et
Technique, Le Vide n° 281, pp. 1-15,
juillet 1996.
Bœuf (J.P.) et Doyeux (H.), Europhys.
News, pp. 46-49, mars-avril 1996.
Bœuf (J.P.), Punset (C.), Hirech (A.)
et Doyeux (H.), à paraître, Journal de
physique, 1998.
Article proposé par : Jean-Pierre Bœuf, tél. 05 61 55 68 60, e-mail : jpb@cpa01.upstlse.fr, Cédric Punset et Leanne Pitchford.
Cet article est le résultat d’un travail d’équipe auquel participent Guillaume Auday,
Henri Brunet, Jacques Galy, Philippe Guillot, pour la partie expérimentale au CPAT,
ainsi que Henri Doyeux à Thomson Tubes Electroniques (Moirans). Ph. Belenguer,
A. Hirech, et J. Meunier ont également contribué à la modélisation.
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