FR3099295A1 - Formulation de resine photosensible pour la conversion de couleurs - Google Patents
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Abstract
Procédé de fabrication d’un dispositif de conversion spectrale (100) comprenant les étapes suivantes :a) fournir un substrat (10) comprenant une zone active (20) configurée pour émettre un premier rayonnement lumineux à une première longueur d’onde λ1,b) former une couche de résine (30) sur le substrat (10) en déposant une formulation comprenant :- des charges de conversion spectrale émettant un second rayonnement lumineux à une deuxième longueur d’onde λ2 par absorption du premier rayonnement lumineux λ1,- un photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,- des précurseurs polymériques,- un solvant,puis en évaporant le solvant,c) insoler la couche de résine (30) à la longueur d’onde d’absorption du photo-amorceur, à travers un masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la résine en regard des ouvertures du masque. Figure pour l’abrégé : f igure 3 .
Description
La présente invention se rapporte au domaine général de l’optoélectronique, et plus particulièrement, dans le domaine de la conversion de couleur, par exemple, pour la fabrication de pixels colorés.
L’invention concerne une formulation pour la fabrication d’un dispositif de conversion spectrale.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un dispositif de conversion spectrale.
L’invention concerne également un dispositif de conversion spectrale.
L’invention trouve des applications dans de nombreux domaines industriels, et notamment dans le domaine de l’affichage et de l’éclairage.
L’invention est particulièrement intéressante puisqu’elle permet de fabriquer des couches de conversion spectrale, comprenant par exemple des boîtes quantiques, présentant de bons rendements de conversion.
Classiquement, les écrans d’affichage en couleur (afficheur rouge-vert-bleu) comprennent :
- une structure d’émission comprenant une zone active, par exemple formée de diodes électroluminescentes (ou LED pour « light-emitting diode ») émettant un rayonnement lumineux, typiquement dans le bleu (405-490nm), et ayant une faible largeur spectrale,
- des couches de conversion spectrale comprenant des nanomatériaux quantiques comme des boîtes quantiques (QD pour « Quantum Dot » en langue anglaise), ou des nanoplaquettes (NPL),…) pour convertir l’émission bleue des LEDs en rayonnement rouge ou vert.
- une structure d’émission comprenant une zone active, par exemple formée de diodes électroluminescentes (ou LED pour « light-emitting diode ») émettant un rayonnement lumineux, typiquement dans le bleu (405-490nm), et ayant une faible largeur spectrale,
- des couches de conversion spectrale comprenant des nanomatériaux quantiques comme des boîtes quantiques (QD pour « Quantum Dot » en langue anglaise), ou des nanoplaquettes (NPL),…) pour convertir l’émission bleue des LEDs en rayonnement rouge ou vert.
Dans le domaine de l’éclairage, la superposition des rayonnements émis par les LEDs et par les couches de conversion spectrale crée une zone colorée, par exemple blanche. Dans le cadre de l’affichage, le rayonnement des LEDs est totalement absorbé par les couches de conversion et permet d’obtenir des zones différentes de couleur pure et saturée.
Classiquement, pour fabriquer un tel dispositif, on dépose une solution contenant une résine photosensible et les nanomatériaux quantiques au-dessus des LEDs. Après insolation de la résine, à travers un masque sous rayonnement ultra-violet, et développement de la résine, on obtient les zones de conversion spectrale.
Par exemple, dans le document CN 105388702, la zone de conversion spectrale est obtenue en déposant une formulation comprenant une résine photosensible, un photo-amorceur, un solvant et des boîtes quantiques (QD ou « quantum dots »). L’insolation de la résine est réalisée sous rayonnement ultraviolet à une longueur d’onde de 365 nm.
Dans le document dans le document US 2017/0255056 A1, une méthode de pixellisation par photolithographie est décrite. L’insolation est aussi réalisée par rayonnement UV.
Or, les QD absorbent de manière exponentielle le rayonnement en-dessous de leur longueur d’émission (figure 1). Ainsi, lors d’une insolation d’une résine photosensible contenant des QD, sous rayonnement UV, le rayonnement sera absorbé par ces dernières, ce qui pourra entraîner :
- une dégradation du rendement de conversion de ces QD (perte de rendement quantique) sous l’action du rayonnement ultraviolet car celui-ci doit être suffisamment puissant pour pouvoir insoler toute l’épaisseur de la résine, et/ou
- une dégradation des performances de la photolithographie du fait d’une plus faible profondeur de pénétration lié à l’absorption du rayonnement par les boîtes quantiques dans l’épaisseur de la couche à insoler, ce qui génère des problèmes de résolution et des possibles gradients de polymérisation ; l’adhésion de la résine sur le substrat peut également être affectée.
- une dégradation du rendement de conversion de ces QD (perte de rendement quantique) sous l’action du rayonnement ultraviolet car celui-ci doit être suffisamment puissant pour pouvoir insoler toute l’épaisseur de la résine, et/ou
- une dégradation des performances de la photolithographie du fait d’une plus faible profondeur de pénétration lié à l’absorption du rayonnement par les boîtes quantiques dans l’épaisseur de la couche à insoler, ce qui génère des problèmes de résolution et des possibles gradients de polymérisation ; l’adhésion de la résine sur le substrat peut également être affectée.
Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients de l’art antérieur, et en particulier de proposer un procédé permettant de fabriquer un dispositif de conversion spectrale présentant un rendement de conversion spectrale élevé tout en garantissant une résolution compatible avec les dimensions critiques des pixels nécessaires à l’affichage.
Pour cela, la présente invention propose un procédé de fabrication d’un dispositif de conversion spectrale comprenant au moins les étapes successives suivantes :
a) fournir un substrat comprenant une zone active configurée pour émettre un premier rayonnement lumineux à une première longueur d’onde λ1,
b) former une première résine sur la zone active du substrat en déposant une première formulation comprenant :
- des premières charges de conversion spectrale, aptes à émettre un second rayonnement lumineux à une deuxième longueur d’onde λ2par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1.
- un premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption λabs supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- des précurseurs polymériques de la première résine,
- un premier solvant,
puis en évaporant le premier solvant,
c) insoler la première résine à la longueur d’onde d’absorption du premier photo-amorceur, à travers un premier masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la première résine vis-à-vis d’un premier révélateur en regard des ouvertures du premier masque,
d) développer la première résine avec le premier révélateur.
a) fournir un substrat comprenant une zone active configurée pour émettre un premier rayonnement lumineux à une première longueur d’onde λ1,
b) former une première résine sur la zone active du substrat en déposant une première formulation comprenant :
- des premières charges de conversion spectrale, aptes à émettre un second rayonnement lumineux à une deuxième longueur d’onde λ2par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1.
- un premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption λabs supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- des précurseurs polymériques de la première résine,
- un premier solvant,
puis en évaporant le premier solvant,
c) insoler la première résine à la longueur d’onde d’absorption du premier photo-amorceur, à travers un premier masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la première résine vis-à-vis d’un premier révélateur en regard des ouvertures du premier masque,
d) développer la première résine avec le premier révélateur.
Dans le cas d’une résine à tonalité négative, la résine est densifiée en regard des ouvertures du masque (i.e. moins soluble dans le révélateur). La résine densifiée ne sera pas retirée lors de l’étape de développement (étape d).
Dans le cas d’une résine à tonalité positive, la résine, en regard des ouvertures du masque, est plus soluble dans le révélateur que les parties non exposées lors de l’étape d’insolation (étape c). Ces parties solubles sont retirées lors de l’étape de développement (étape d).
L’invention se distingue fondamentalement de l’art antérieur par la mise en œuvre d’une résine photosensible à l’aide d’un rayonnement dont la longueur d’onde est dissociée du spectre d’absorption des charges de conversion spectrale qu’elle contient. La longueur d’onde d’insolation est supérieure à la longueur d’absorption et d’émission des charges de conversion spectrale.
Dans le cas d’une résine à tonalité négative, les charges de conversion spectrale ne sont pas détériorées lors de l’étape d’insolation et elles présentent, à l’issue du procédé, un meilleur rendement quantique de conversion par rapport aux procédés de l’art antérieur.
De plus, des taux de charge plus importants peuvent être utilisés, ce qui conduit à des taux de conversion plus importants. Ceci est particulièrement avantageux dans des applications d’affichage.
Dans le cas d’une résine à tonalité positive, le procédé de l’invention permet une meilleure pénétration du rayonnement.
Avantageusement, la longueur d’onde d’absorption du premier photo-amorceur est supérieure à 500nm, et de préférence supérieure à 600nm, et encore plus préférentiellement supérieure à 650nm.
Avantageusement, les charges de conversion spectrale sont des boîtes quantiques et/ou des luminophores et/ou des nanoplaquettes en matériau semi-conducteur.
Selon une première variante avantageuse, le procédé comprend les étapes ultérieures suivantes :
e) former, sur la première résine, une deuxième résine en déposant une deuxième formulation comprenant :
- des deuxièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un troisième rayonnement lumineux à une troisième longueur d’onde λ3, par absorption du deuxième rayonnement lumineux à la deuxième longueur d’onde λ2,
- un deuxième premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la troisième longueur d’onde λ3,
- des deuxièmes précurseurs polymériques, et
- un deuxième solvant,
puis en évaporant le deuxième solvant,
f) insoler la deuxième résine à la longueur d’onde d’absorption du deuxième photo-amorceur, à travers un deuxième masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la deuxième résine vis-à-vis d’un deuxième révélateur en regard des ouvertures du deuxième masque,
g) développer la deuxième résine avec le deuxième révélateur.
e) former, sur la première résine, une deuxième résine en déposant une deuxième formulation comprenant :
- des deuxièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un troisième rayonnement lumineux à une troisième longueur d’onde λ3, par absorption du deuxième rayonnement lumineux à la deuxième longueur d’onde λ2,
- un deuxième premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la troisième longueur d’onde λ3,
- des deuxièmes précurseurs polymériques, et
- un deuxième solvant,
puis en évaporant le deuxième solvant,
f) insoler la deuxième résine à la longueur d’onde d’absorption du deuxième photo-amorceur, à travers un deuxième masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la deuxième résine vis-à-vis d’un deuxième révélateur en regard des ouvertures du deuxième masque,
g) développer la deuxième résine avec le deuxième révélateur.
Selon une autre variante avantageuse, le procédé comprend les étapes ultérieures suivantes :
e’) former, sur la zone active du substrat, une troisième résine en déposant une troisième formulation comprenant :
- des troisièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un quatrième rayonnement lumineux à une quatrième longueur d’onde λ4, par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
- un troisième photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la quatrième longueur d’onde λ4,
- des troisièmes précurseurs polymériques, et
- un troisième solvant,
puis en évaporant le troisième solvant,
f’) insoler la troisième résine à la longueur d’onde d’absorption du troisième photo-amorceur, à travers un troisième masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la troisième résine vis-à-vis d’un troisième révélateur en regard des ouvertures du troisième masque,
g’) développer la troisième résine avec le troisième révélateur.
e’) former, sur la zone active du substrat, une troisième résine en déposant une troisième formulation comprenant :
- des troisièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un quatrième rayonnement lumineux à une quatrième longueur d’onde λ4, par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
- un troisième photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la quatrième longueur d’onde λ4,
- des troisièmes précurseurs polymériques, et
- un troisième solvant,
puis en évaporant le troisième solvant,
f’) insoler la troisième résine à la longueur d’onde d’absorption du troisième photo-amorceur, à travers un troisième masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la troisième résine vis-à-vis d’un troisième révélateur en regard des ouvertures du troisième masque,
g’) développer la troisième résine avec le troisième révélateur.
L’invention concerne également une formulation pour la fabrication d’un dispositif de conversion spectrale comprenant :
- des premières charges de conversion spectrale, de préférence des boîtes quantiques et/ou des nanoplaquettes en matériau semi-conducteur, absorbant à une première longueur d’onde λ1et émettant à une deuxième longueur d’onde λ2,
- un premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- des premiers précurseurs polymériques, et
- un premier solvant.
- des premières charges de conversion spectrale, de préférence des boîtes quantiques et/ou des nanoplaquettes en matériau semi-conducteur, absorbant à une première longueur d’onde λ1et émettant à une deuxième longueur d’onde λ2,
- un premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- des premiers précurseurs polymériques, et
- un premier solvant.
Avantageusement, la longueur d’onde d’absorption du premier photo-amorceur est supérieure à 500nm, et de préférence supérieure à 600nm, et encore plus préférentiellement supérieure à 650nm.
L’invention concerne également un dispositif de conversion spectrale obtenu selon le procédé tel que défini précédemment, comprenant au moins un substrat, comprenant une zone active configurée pour émettre un premier rayonnement lumineux à une première longueur d’onde λ1, et une première résine recouvrant la zone active du substrat, la première résine comprenant :
- des premières charges de conversion spectrale, aptes à émettre un second rayonnement lumineux à une deuxième longueur d’onde λ2par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
- un premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- une première matrice polymérique.
- des premières charges de conversion spectrale, aptes à émettre un second rayonnement lumineux à une deuxième longueur d’onde λ2par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
- un premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- une première matrice polymérique.
Selon une première variante avantageuse, le dispositif comprend une deuxième résine, recouvrant la première résine, la deuxième résine comprenant :
- des deuxièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un troisième rayonnement lumineux à une troisième longueur d’onde λ3, par absorption du deuxième rayonnement lumineux à la deuxième longueur d’onde λ2,
- un deuxième photo-amorceur absorbant à une deuxième longueur d’onde d’absorption supérieure à la troisième longueur d’onde λ3,
- une deuxième matrice polymérique.
- des deuxièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un troisième rayonnement lumineux à une troisième longueur d’onde λ3, par absorption du deuxième rayonnement lumineux à la deuxième longueur d’onde λ2,
- un deuxième photo-amorceur absorbant à une deuxième longueur d’onde d’absorption supérieure à la troisième longueur d’onde λ3,
- une deuxième matrice polymérique.
Selon une seconde variante avantageuse, le dispositif comprend une troisième résine, recouvrant la zone active du substrat et adjacente à la première résine, la troisième résine comprenant :
- des troisièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un troisième rayonnement lumineux à une quatrième longueur d’onde λ4, par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
- un troisième photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la quatrième longueur d’onde λ4,
- une troisième matrice polymérique.
- des troisièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un troisième rayonnement lumineux à une quatrième longueur d’onde λ4, par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
- un troisième photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la quatrième longueur d’onde λ4,
- une troisième matrice polymérique.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront du complément de description qui suit.
Il va de soi que ce complément de description n’est donné qu’à titre d’illustration de l’objet de l’invention et ne doit en aucun cas être interprété comme une limitation de cet objet.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d’exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n’étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
En outre, dans la description ci-après, des termes qui dépendent de l'orientation, tels que « dessus », « dessous », etc. d’une structure s'appliquent en considérant que la structure est orientée de la façon illustrée sur les figures.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Par la suite, on décrit particulièrement un procédé de fabrication d’un dispositif de conversion spectrale mettant en œuvre une résine à tonalité négative. Cependant, le procédé peut être mis en œuvre avec une résine à tonalité positive.
On se réfère tout d’abord aux figures 2 et 3 qui représentent un dispositif de conversion spectrale 100, par exemple un afficheur rouge-vert-bleu 100, et plus particulièrement un pixel d’un afficheur rouge-vert-bleu.
Pour fabriquer un tel dispositif 100, le procédé comprend au moins les étapes successives suivantes :
a) fournir un substrat 10 comprenant une structure d’émission comprenant une zone active 20 configurée pour émettre un premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
b) former une première couche de résine 30 sur la zone active 20 du substrat 10 en déposant une première formulation de résine comprenant :
- des premières charges de conversion spectrale, aptes à émettre un second rayonnement lumineux à une deuxième longueur d’onde λ2par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1.
- un premier photo-amorceur permettant une tonalité négative de la résine absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la première longueur d’onde λ1, et de préférence supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- des premiers précurseurs polymériques de la première résine, compatibles avec le premier photo-amorceur,
- un premier solvant,
- éventuellement, des charges additionnelles comme des particules diffusantes (TiO2,…), et/ou des surfactants anioniques et/ou cationiques,
a) fournir un substrat 10 comprenant une structure d’émission comprenant une zone active 20 configurée pour émettre un premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
b) former une première couche de résine 30 sur la zone active 20 du substrat 10 en déposant une première formulation de résine comprenant :
- des premières charges de conversion spectrale, aptes à émettre un second rayonnement lumineux à une deuxième longueur d’onde λ2par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1.
- un premier photo-amorceur permettant une tonalité négative de la résine absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la première longueur d’onde λ1, et de préférence supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- des premiers précurseurs polymériques de la première résine, compatibles avec le premier photo-amorceur,
- un premier solvant,
- éventuellement, des charges additionnelles comme des particules diffusantes (TiO2,…), et/ou des surfactants anioniques et/ou cationiques,
puis en évaporant le premier solvant,
c) insoler la première couche de résine à la longueur d’onde d’absorption du premier photo-amorceur, à travers un premier masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on densifie la première résine en regard des ouvertures du premier masque,
d) développer la première couche de résine de manière à retirer la partie de la couche de résine non exposée (i.e. non densifiée) lors de l’insolation de l’étape c).
c) insoler la première couche de résine à la longueur d’onde d’absorption du premier photo-amorceur, à travers un premier masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on densifie la première résine en regard des ouvertures du premier masque,
d) développer la première couche de résine de manière à retirer la partie de la couche de résine non exposée (i.e. non densifiée) lors de l’insolation de l’étape c).
Le substrat fourni à l’étape a) est un substrat 10 comprenant au moins une structure d’émission comprenant au moins une zone active 20. Par zone active 20, on entend une zone, par exemple une couche mince, qui émet de la lumière, de préférence dans le bleu (environ 450nm). Il s’agit, par exemple, d’une couche de GaN, ou de InGaN. Alternativement, il peut s’agir d’un multi-couche, par exemple un multi-couche InGaN/GaN.
Le substrat est, de préférence, un substrat semi-conducteur dans lequel ont été préalablement formées des diodes électroluminescentes.
La formulation déposée à l’étape b) comprend des charges de conversion spectrale aussi appelées charge de conversion de couleur ou charges de conversion lumineuse.
Les charges de conversion spectrale de la formulation peuvent être des particules. Par particules, on entend des éléments de taille micrométrique ou nanométrique et de forme sphérique, cylindrique, ou ovoïde. Il peut également s’agir de nanoplaquettes, c’est-à-dire des objets en deux dimensions.
D’une manière générale, les charges de conversion spectrale ont une plus grande dimension inférieure à 1µm, et de préférence inférieure à 500nm.
Il peut s’agir de fluorophores organiques et/ou de luminophores et/ou de quantum dots et/ou de nanoplaquettes.
Selon un premier mode de réalisation avantageux, les charges de conversion spectrale peuvent être choisies parmi les luminophores, des matériaux inorganiques luminescents. Pour les phosphores du vert au jaune, il peut s’agir de SrSi2O2N2:Eu2+, β-SiAlON, Y3Al5O12:Ce3+, YAG :Ce; pour les phosphores
oranges et rouges, il peut s’agir de SrSi5N8:Eu2+, ou encore de nitrures tels que (Ba,Sr)2Si5N8: Eu2+, (Ca,Sr), AlSiN3: Eu2+, Sr[LiAlN4] : Eu2+, Sr[Mg3SiN4] : Eu2+, ou de sulfure
comme Sr1-xCaxS : Eu2+, ou encore de fluorure comme K2SiF6:Mn4+. Les phosphores ont une plus grande dimension allant de 10nm à 300nm, par exemple de l’ordre de 100nm.
oranges et rouges, il peut s’agir de SrSi5N8:Eu2+, ou encore de nitrures tels que (Ba,Sr)2Si5N8: Eu2+, (Ca,Sr), AlSiN3: Eu2+, Sr[LiAlN4] : Eu2+, Sr[Mg3SiN4] : Eu2+, ou de sulfure
comme Sr1-xCaxS : Eu2+, ou encore de fluorure comme K2SiF6:Mn4+. Les phosphores ont une plus grande dimension allant de 10nm à 300nm, par exemple de l’ordre de 100nm.
La couche de résine comprenant des phosphores peut avoir une épaisseur allant, par exemple, de 10µm à 100µm ou de 50µm à 100µm.
Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, les charges de conversion spectrale peuvent être des quantum dots. Les quantum dots sont des nanocristaux semi-conducteurs, également appelés boîtes quantiques. Ils peuvent émettre dans l'ultra-violet, le visible, le proche infrarouge et l'infrarouge. Certains quantum dots émettent, avantageusement, à une longueur d'onde très étroite (typiquement, la largeur à mi-hauteur du pic d'émission est de 30 nm). Les quantum dots ont une plus grande dimension allant de 2nm à 20nm, et de préférence de 1nm à 10nm. Ils sont de forme sensiblement sphérique. Les quantum dots peuvent être choisis parmi ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdZnSe, CdTe, PbS, InP, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, CuInGaSe2, CuSe, InSe, et GaSe. Un mélange de ces quantum dots peut être choisi. Comme leur absorption est élevée et leur émission est forte, il est possible de les utiliser en faible quantité contrairement aux fluorophores organiques, qui ont une intensité lumineuse plus faible.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, les charges de conversion spectrales sont des nanoplaquettes (ou nanofeuillets). Il s’agit de nanocristaux semi-conducteurs de forme bidimensionnelle. Ils ont une plus grande dimension allant de 50nm à 100nm et une épaisseur allant de 1nm à 20nm . Comme les quantum dots, ils peuvent émettre dans l'ultra-violet, le visible, le proche infrarouge et l'infrarouge à une longueur d’onde très étroite. Ils peuvent être en un même matériau que les quantum dots. Comme leur absorption est élevée et leur émission est forte, il est également possible de les utiliser en faible quantité.
La couche de résine comprenant des quantum dots et/ou des nanoplaquettes peut avoir une épaisseur allant, par exemple, de 5 à 10µm.
De préférence, les charges de conversion spectrale représentent de 5% à 50% volumique de la matière sèche.
La formulation comprend également un photo-amorceur, aussi appelé photo-initiateur ou amorceur de photopolymérisation. Il s’agit d’un composé photosensible, pouvant produire, par absorption d’un rayonnement lumineux, des espèces radicalaires ou ioniques, ce qui permet d’initier les réactions de polymérisation et/ou de réticulation de la résine.
Le photo-amorceur est choisi en fonction des charges de conversion spectrale.
On choisira un photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde supérieure à celles d’absorption des charges de conversion spectrale. A titre illustratif, la figure 4 représente les spectres d’absorption et de fluorescence d’une charge de conversion spectrale à base de CdSe. Pour ce type de charge, on choisira un photo-amorceur absorbant à une longueur supérieure à λ’ (i.e. supérieure à 550nm).
De préférence, le photo-amorceur absorbe également à une longueur d’onde supérieure à la longueur d’onde d’émission des charges de conversion spectrale. A titre illustratif, avec le même exemple de la figure 4, on choisira un photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde supérieure à λ’’ (supérieure à 580nm).
Lorsque la formulation comprend différents types de charges de conversion spectrale, le photo-amorceur absorbe à une longueur d’onde au moins supérieure aux différentes longueurs d’onde d’absorption des différentes charges de conversion, et de préférence, à une longueur d’onde supérieure aux différentes longueurs d’onde d’émission des différentes charges de conversion.
A titre illustratif, avec l’exemple de la figure 5, on choisira un photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde supérieure à λ’ (supérieure à 580nm) et de préférence supérieure à λ’’ (supérieure à 650nm).
Selon un mode de réalisation particulier, la formulation peut comprendre plusieurs photo-amorceurs. Chaque photo-amorceur répond aux critères optiques (absorption, émission) précédemment décrits.
D’une manière générale, on choisira un ou plusieurs photo-amorceurs absorbant à une longueur d’onde supérieure aux longueurs d’onde de l’ultra-violet (i.e. à une longueur d’onde supérieure à 380nm), et de préférence à une longueur d’onde supérieure à celle du bleu (i.e. à une longueur d’onde supérieure à 490nm).
Le ou les photo-amorceurs représentent de 1 à 3% massique de la matière sèche totale.
La formulation comprend en outre des précurseurs de polymère. Par précurseur de polymère ou précurseur polymérique, on entend des monomères et/ou des oligomères et/ou des pré-polymères menant à la formation d’une résine polymérique.
Avantageusement, les précurseurs polymériques représentent de 47% à 94% massique de la matière sèche.
Les précurseurs polymériques comprennent des groupements organofonctionnels pouvant réagir après activation du photo-amorceur. A titre illustratif, peuvent être cités les monomères et oligomères de type uréthane, (méth)acrylate, époxyde (ou époxy).
Le solvant de la formulation est, de préférence, organique.
A titre illustratif, le solvant peut être choisi parmi les alcools, les esters, les éthers, les cétones, seuls ou en mélange.
Parmi les alcools, on peut citer le méthanol, l'éthanol, le propanol, l'isopropanol et le butanol.
Parmi les éthers, on peut citer les éthers de glycol tel que le méthoxy-2-éthanol. Les esters usuels sont le dibutylmaléate, diméthyl-éthylmalonate, salycilate de méthyle, dioctyladipate, tartrate de butyle, lactate d'éthyle, lactate de n-butyle, lactate d'isopropyle.
Le rapport solvant / matière sèche va, de préférence, de 40% à 60% massique.
La formulation peut comprendre, en outre, des tensio-actifs. Le tensio-actif assure la dispersion des charges de conversion spectrale dans la solution. On choisira un tensio-actif qui ne modifie les propriétés optiques des charges de conversion spectrale.
Le tensio-actif est, de préférence, non ionique, c’est-à-dire qu’il n’est pas chargé.
Lors de l’étape b), la formulation précédemment décrite est déposée de manière à former une couche de résine.
De préférence, la formulation est déposée directement au-dessus de la zone active 20 du substrat 10.
La formulation peut être déposée par toute technique de dispense en voie liquide. A titre illustratif, il peut s’agir d’un dépôt par jet d’encre, par pulvérisation (« spray »), par trempage, par enduction (avec raclage « doctor blade », ou par dépôt à la tournette «spin coating »), par dépôt à travers une filière à fente (« slot die »), par revêtement au rouleau («roll coating ») ou par impression 3D.
A la fin de l’étape b), le solvant est évaporé. L’évaporation du solvant conduit à la formation d’une couche de résine solide, éventuellement, partiellement polymérisée.
Une étape de recuit est, avantageusement, réalisée après dépôt. Par exemple, elle peut être réalisée à température comprise entre 80 et 150°C pendant une durée comprise entre 30 et 120 secondes, pour favoriser l’évaporation du solvant, et, le durcissement de la couche de résine afin de renforcer sa tenue mécanique.
A titre d'exemple, l'épaisseur de la couche de résine obtenue est comprise entre 0,5 et 50 μm, par exemple de l'ordre de 5μm.
L’étape c) est une étape d’insolation au cours de laquelle une partie de la couche de résine photosensible est exposée à un rayonnement lumineux à travers un masque comprenant des ouvertures.
Les rayonnements lors de l’irradiation sont perpendiculaires au plan dans lequel s'étend le masque de manière à n'irradier que les zones de la résine situées en regard des ouvertures du masque.
Le rayonnement lumineux est à la longueur d’absorption du photo-amorceur. Le rayonnement lumineux est apte à activer le photo-amorceur, qui va modifier la structure chimique de la résine dans les régions de la couche exposées à ce rayonnement. En particulier, le photo-amorceur permet d’initier les réactions de polymérisation et/ou de faire réticuler la résine et donc d’obtenir un réseau polymérique fortement réticulé. A l’issue de cette étape, la couche de résine est densifiée en regard des ouvertures du masque.
La polymérisation peut être, par exemple, de type cationique ou radicalaire.
On choisira, avantageusement, une résine qui est transparente après irradiation.
La résine est une résine photosensible.
Avantageusement, il s’agit d’une résine dite négative, c’est-à-dire une résine pour laquelle les parties exposées à un rayonnement lumineux lors d'une étape d'insolation de la résine deviennent insolubles dans un révélateur appliqué sur la résine lors d'une étape ultérieure de développement, et pour lesquelles les parties non exposées au rayonnement lumineux sont solubles dans le révélateur. La résine photosensible est par exemple une résine à base de polyépoxydes, par exemple une résine choisie parmi la famille des résines négatives de type SU8, c'est-à-dire dont la molécule élémentaire comprend huit groupements polyépoxydes. A titre d'exemple, la résine photosensible est une résine du type désigné sous la dénomination commerciale SU8 1020PI par la société GERSELTEC ENGINEERING SOLUTIONS.
Selon un premier exemple de réalisation, pour des longueurs d’onde d’insolation de l’ordre de λ ~650nm, le substrat du masque est avantageusement en verre et le masquage est dessiné dans une couche de chrome.
Selon un autre exemple de réalisation, pour des longueurs d’onde d’insolation de l’ordre de λ ~1000nm, le substrat du masque est, avantageusement, un substrat en silicium et le masque est dessiné dans une couche en SiO2. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux en termes de coût et de facilité de réalisation.
Après l'étape d'insolation, le masque est retiré, et un recuit après exposition (aussi appelé recuit post exposition) peut être réalisé pour stabiliser la résine, par exemple à une température comprise entre 80°C et 150°C pendant une durée comprise entre 30 et 120 secondes.
Ultérieurement à l’étape d’insolation, lors de l’étape d), la résine est développée avec une solution dite de développement (aussi appelée bain développeur). L’étape de développement consiste à recouvrir la couche de résine insolée avec une solution dite de développement pour révéler dans la couche de résine le motif exposé à travers le masque lors de l'étape d'insolation. A l'issue de l'étape de développement, ne subsistent de la couche de résine que les régions non masquées (i.e. exposées au rayonnement) pendant l'étape d'insolation.
La solution de développement dépend de la résine. Il s’agit, par exemple, d’une solution de développement de type acide, base ou solvant. A titre illustratif, il peut s’agir d’une solution à base d'hydroxyde de tétraméthylammonium (TMAH), par exemple une solution désignée par la dénomination commerciale TMAH238 par la société MicroChemicals, ou encore l’acétate de 1-méthoxy-2-propyle (PGMEA).
La résine peut être recouverte par la solution de développement, par exemple, par dépôt à la tournette ou par trempage.
A titre d'exemple, lors de l'étape de développement, la couche de résine est trempée dans le bain développeur pendant 30 à 120 secondes jusqu'à obtenir des motifs nets dans la couche de résine, puis rincée à l'eau et séchée.
Une étape de recuit et/ou une étape d’encapsulation peut être réalisée après le développement de la résine.
Comme représenté sur les figures 2 et 3, sur la zone active 20 peut être disposée une ou plusieurs couches minces de conversion spectrale 30, 40, 50 de manière à fabriquer un dispositif de conversion spectrale 100 permettant de convertir un premier rayonnement lumineux λ1(bleu) de la zone active 20 du substrat 10 en un deuxième rayonnement lumineux λ2(vert) et en un troisième rayonnement lumineux λ3(rouge) de manière à former les trois sous-pixels rouge-vert-bleu d’un pixel.
De manière plus détaillée, selon un premier mode de réalisation préférentiel, représenté sur la figure 2, le dispositif de conversion spectrale 100 peut comprendre :
- une première couche de conversion 30, recouvrant localement, la zone active 20 du substrat 10, et permettant de convertir un premier rayonnement lumineux λ1(bleu) en un deuxième rayonnement lumineux λ2(vert),
- une deuxième couche de conversion 40, recouvrant localement la première couche de conversion 30, et permettant de convertir le deuxième rayonnement lumineux λ2(vert) en un troisième rayonnement lumineux λ3(rouge).
De manière plus détaillée, selon un deuxième mode de réalisation préférentiel, représenté sur la figure 3, le dispositif de conversion spectrale 100 peut comprendre :
- une première couche de conversion 30, recouvrant localement, la zone active 20 du substrat 10, et permettant de convertir un premier rayonnement lumineux λ1(bleu) en un deuxième rayonnement lumineux λ2(vert),
- une autre couche de conversion 50, recouvrant localement la zone active 20 du substrat 10, et adjacente à la première couche de conversion 30 (i.e. dans le même plan parallèle à la surface du substrat 10), et permettant de convertir le premier rayonnement lumineux λ1(bleu) en un quatrième rayonnement lumineux λ4(rouge).
- une première couche de conversion 30, recouvrant localement, la zone active 20 du substrat 10, et permettant de convertir un premier rayonnement lumineux λ1(bleu) en un deuxième rayonnement lumineux λ2(vert),
- une autre couche de conversion 50, recouvrant localement la zone active 20 du substrat 10, et adjacente à la première couche de conversion 30 (i.e. dans le même plan parallèle à la surface du substrat 10), et permettant de convertir le premier rayonnement lumineux λ1(bleu) en un quatrième rayonnement lumineux λ4(rouge).
Sur les figures 2 et 3, l’association des éléments 20, 30 et 40 ou 20, 30 et 50 forment un pixel coloré RVB.
Les couches minces de conversion spectrale 30 forment un sous-pixel, émettant dans le vert (environ 550nm).
Les couches minces de conversion spectrale 40 et 50 forment des sous-pixels émettant dans le rouge (environ 620nm).
A titre illustratif et non limitatif, pour des éléments de conversion convertissant la lumière bleue dans le rouge, on choisira, avantageusement, le photo-amorceur H-Nu 635 commercialisé par la société Spectra Group. Il absorbe autour de 500-660nm. Il peut être utilisé avec les résines de type SU8, de type acrylate ou encore de type époxy.
En association avec un photo-initiateur, on peut également utiliser des photo-colorants, tel que le photo-colorant absorbant à 1024nm, commercialisé par FewChemicals, sous la référence S2544.
Les formulations permettant d’obtenir les différentes couches de conversion peuvent, indépendamment les unes des autres, comprendre des précurseurs de polymères identiques ou différentes et/ou des solvants identiques ou différents.
Le dispositif peut également comprendre à la fois des couches de conversion spectrale à tonalité positive et des couches de conversion spectrale à tonalité négative. A titre illustratif et non limitatif, la couche de conversion spectrale 40 peut être obtenue à partir d’une résine positive et la couche de conversion spectrale 30 à partir d’une résine négative. L’étape d’insolation de la couche 40 à une longueur d’onde supérieure à celle d’émission des éléments de conversion spectrale de la couche 30 évite de détériorer ces derniers.
Exemples illustratifs et non limitatifs d’un mode de réalisation
:
Dans cet exemple, un afficheur rouge-vert-bleu 100 (ou RVB ou RGB pour « red, green, blue ») est fabriqué.
Le substrat 10 comprend une structure d’émission comprenant une matrice 20 de Led en GaN (émettant dans le bleu).
Une première formulation de résine est déposée sur le substrat par dépôt à la tournette. Après recuit, la première résine 20 est insolée à une longueur d’onde allant de 650nm à 1050nm.
Une solution de développement est ensuite déposée sur la résine 20 insolée par dépôt à la tournette. Après recuit, une étape d’encapsulation par un procédé de dépôt de couches atomiques (ou ALD pour « Atomic Layer Deposition ») peut être réalisée.
Une deuxième formulation de résine est déposée sur la première résine par dépôt à la tournette. Après recuit, la deuxième résine 30 est insolée à une longueur d’onde allant de 650nm à 1050nm.
Une solution de développement est ensuite déposée sur la deuxième résine insolée par dépôt à la tournette. Après recuit, une étape d’encapsulation par ALD peut être réalisée.
Finalement, une couche de protection mécanique, par exemple, en verre est déposée sur l’ensemble.
Claims (10)
- Procédé de fabrication d’un dispositif de conversion spectrale (100) comprenant au moins les étapes successives suivantes :
a) fournir un substrat (10) comprenant une zone active (20) configurée pour émettre un premier rayonnement lumineux à une première longueur d’onde λ1,
b) former une première résine (30) sur la zone active (20) du substrat (10) en déposant une première formulation comprenant :
- des premières charges de conversion spectrale, aptes à émettre un second rayonnement lumineux à une deuxième longueur d’onde λ2par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1.
- un premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- des précurseurs polymériques de la première résine,
- un premier solvant,
puis en évaporant le premier solvant,
c) insoler la première résine (30) à la longueur d’onde d’absorption du premier photo-amorceur, à travers un premier masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la première résine (30) vis-à-vis d’un premier révélateur en regard des ouvertures du premier masque,
d) développer la première résine (30) avec le premier révélateur. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d’onde d’absorption du premier photo-amorceur est supérieure à 500nm, et de préférence supérieure à 600nm, et encore plus préférentiellement supérieure à 650nm.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premières charges de conversion spectrale sont des boîtes quantiques et/ou des luminophores et/ou des nanoplaquettes en matériau semi-conducteur.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes ultérieures suivantes :
e) former, sur la première résine (30), une deuxième résine (40) en déposant une deuxième formulation comprenant :
- des deuxièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un troisième rayonnement lumineux à une troisième longueur d’onde λ3, par absorption du deuxième rayonnement lumineux à la deuxième longueur d’onde λ2,
- un deuxième photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la troisième longueur d’onde λ3,
- des deuxièmes précurseurs polymériques, et
- un deuxième solvant,
puis en évaporant le deuxième solvant,
f) insoler la deuxième résine (30) à la longueur d’onde d’absorption du deuxième photo-amorceur, à travers un deuxième masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la deuxième résine (30) vis-à-vis d’un deuxième révélateur en regard des ouvertures du deuxième masque,
g) développer la deuxième résine (30) avec le deuxième révélateur. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes ultérieures suivantes :
e’) former, sur la zone active (20) du substrat (10), une troisième résine (50) en déposant une troisième formulation comprenant :
- des troisièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un quatrième rayonnement lumineux à une quatrième longueur d’onde λ4, par absorption du premier rayonnement lumineux à la deuxième longueur d’onde λ1,
- un troisième photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la quatrième longueur d’onde λ4,
- des troisièmes précurseurs polymériques, et
- un troisième solvant,
puis en évaporant le troisième solvant,
f’) insoler la troisième résine (50) à la longueur d’onde d’absorption du troisième photo-amorceur, à travers un troisième masque comprenant des ouvertures, moyennant quoi on modifie la solubilité de la troisième résine (50) vis-à-vis d’un troisième révélateur en regard des ouvertures du troisième masque,
g’) développer la troisième résine (50) avec le troisième révélateur. - Formulation pour la fabrication d’un dispositif de conversion spectrale (100) comprenant :
- des premières charges de conversion spectrale, de préférence des boîtes quantiques et/ou des nanoplaquettes en matériau semi-conducteur, absorbant à une première longueur d’onde λ1et émettant à une deuxième longueur d’onde λ2,
- un premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- des premiers précurseurs polymériques, et
- un premier solvant. - Formulation selon la revendication 6, caractérisé en ce que la longueur d’onde d’absorption du premier photo-amorceur est supérieure à 500nm, et de préférence supérieure à 600nm, et encore plus préférentiellement supérieure à 650nm.
- Dispositif de conversion spectrale (100) obtenu selon le procédé tel que défini dans l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant au moins un substrat (10), comprenant une zone active (20) configurée pour émettre un premier rayonnement lumineux à une première longueur d’onde λ1, et une première résine (30) recouvrant la zone active (20) du substrat (10), la première résine (30) comprenant :
- des premières charges de conversion spectrale, aptes à émettre un second rayonnement lumineux à une deuxième longueur d’onde λ2par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
- un premier photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la deuxième longueur d’onde λ2,
- une première matrice polymérique. - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comprend une deuxième résine (40), recouvrant la première résine (30) et comprenant :
- des deuxièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un troisième rayonnement lumineux à une troisième longueur d’onde λ3, par absorption du deuxième rayonnement lumineux à la deuxième longueur d’onde λ2,
- un deuxième photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la troisième longueur d’onde λ3,
- une deuxième matrice polymérique. - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comprend une troisième résine (50), recouvrant la zone active (20) du substrat (10) et adjacente à la première résine (20), la troisième résine (50) comprenant :
- des troisièmes charges de conversion spectrale, configurées pour émettre un troisième rayonnement lumineux à une quatrième longueur d’onde λ4, par absorption du premier rayonnement lumineux à la première longueur d’onde λ1,
- un troisième photo-amorceur absorbant à une longueur d’onde d’absorption supérieure à la quatrième longueur d’onde λ4,
- une troisième matrice polymérique.
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