EP2380236B1

EP2380236B1 - Ecran plat avec antenne integree

Info

Publication number: EP2380236B1
Application number: EP09801236.2A
Authority: EP
Inventors: Christophe Prat; Lionel Rudant
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2029-12-18
Also published as: JP5539392B2; US20120019419A1; KR101630241B1; US8922434B2; FR2940872A1; JP2012514926A; KR20110103452A; EP2380236A1; FR2940872B1; WO2010079268A1

Description

L'invention porte sur un écran plat, du type à matrice active, comportant une antenne intégrée. L'invention porte également sur un appareil électronique portable, tel qu'un téléphone portable, comportant un tel écran.
Le marché des appareils portables, ou « nomades », communicants, tels que les téléphones portables, les ordinateurs palmaires, etc. est en expansion continue. Ces appareils nécessitent des antennes pour pouvoir se connecter à des réseaux de communications (GSM, UMTS, etc.), utiliser des liaisons sans-fils à courte portée (Wifi, Bluetooth, etc.) ou des systèmes de navigation et positionnement par satellite (GPS, Galileo, etc.). Parfois un seul appareil doit comporter plusieurs antennes, fonctionnant à des fréquences différentes.
L'utilisation d'antennes de type traditionnel, réalisées en tant qu'éléments discrets et assemblées aux autres composants, s'avère peu satisfaisante du point de vue de la compacité de l'appareil et du coût de fabrication. Par conséquent, différentes solutions ont été développées pour intégrer des antennes dans d'autres composants.
Dans les appareils modernes, l'écran - à cristaux liquides (LCD) ou à diodes électroluminescentes organiques (OLED : organic light-emitting diodes) - tend à occuper la plus grande surface possible, généralement au détriment du clavier qui est parfois purement et simplement supprimé pour être remplacé par un écran tactile. Il a donc été envisagé d'intégrer des antennes émettrices et/ou réceptrices à des écrans plats.
Le document US2004189625 divulgue une antenne réalisée par un matériau conducteur intégrée dans un écran à pixels. Les documents US 6,973,709 et US 6,825,811 décrivent des antennes formées par un motif réalisé en matériau conducteur transparent (ITO : oxyde d'indium et étain) déposé sur l'écran. On parle d'antennes imprimées sur l'écran (POD : printed-on-display).
Le document US 7,242,353 décrit une antenne intégrée non directement à un écran, mais à un support mécanique enserrant ce dernier.
Ces solutions ne sont pas entièrement satisfaisantes d'un point de vue économique, car une ou plusieurs étapes technologiques supplémentaires doivent être prévues pour la fabrication de l'antenne.
Le document US 7,336,270 décrit une antenne RFID réalisée sur le substrat d'un écran à cristaux liquides, à côté de l'écran proprement dit, et connectée à une puce électronique montée sur le même substrat. Cette antenne est réalisée en même temps qu'un élément conducteur de l'écran, sans besoin d'une étape technologique supplémentaire. Cependant, il faut prévoir sur le substrat la place pour la puce et l'antenne à côté de l'écran, ce qui va à l'encontre des exigences de miniaturisation des appareils et a également une influence négative sur leur coût. Mais surtout, l'antenne considérée n'est qu'une antenne RFID fonctionnant en champs proche.
L'invention vise à résoudre les inconvénients précités de l'art antérieur en procurant un écran pourvu d'une antenne intégrée dont la fabrication ne nécessite pas - ou très peu - d'étapes technologiques additionnelles, et permet de plus une utilisation optimale de l'espace disponible. Par « antenne » on entend une antenne rayonnante, opérant en champ lointain, en émission et/ou en réception.
Conformément à l'invention, ce but peut être atteint par un écran plat comportant une matrice active de pixels, une électrode commune auxdites pixels et une bande conductrice connectée à ladite électrode commune et entourant au moins partiellement ladite matrice active, caractérisé en ce qu'au moins une fente formant une antenne est pratiquée dans ladite bande conductrice. La bande conductrice peut former un anneau entourant au moins une partie de ladite matrice active (c'est là le cas le plus courant dans l'art antérieur), mais elle peut également présenter une forme ouverte, par exemple en L ou en U.
La bande conductrice, généralement annulaire, entourant la matrice active et son électrode commune est normalement prévue dans les écrans plats à matrice active afin d'uniformiser le potentiel de ladite électrode commune (généralement, la cathode). Par conséquent, la mise en oeuvre de l'invention n'augmente pas les dimensions du dispositif. En outre, l'antenne à fente peut être réalisée simultanément à la fabrication par dépôt de la bande conductrice, grâce à un masque photolithographique opportun. Le surcoût engendré est donc pratiquement nul.
Selon des modes de réalisation particuliers de l'invention :

L'antenne peut être formée par une fente débouchant sur un bord de ladite bande, par une fente non débouchant ou par une fente annulaire entourant la matrice active de pixels.
Ladite bande conductrice peut être réalisée par dépôt sur un substrat de l'écran et présenter une épaisseur comprise entre 50 nm et 2 µm (de préférence entre 100 nm et 1 µm) et/ou une largeur comprise entre 50 µm et 10 mm (de préférence entre 100 µm et 2 mm). Cette largeur peut être constante ou variable le long de la bande. On choisira avantageusement de réaliser la fente dans la partie la plus large de la bande
Ladite fente peut être dimensionnée de manière à présenter au moins une résonance à une fréquence comprise entre 100 MHz et 10 GHz.

Un autre objet de l'invention est un appareil portable comportant : un tel écran plat ; une carte électronique comportant un plan de masse parallèle audit écran plat et connecté électriquement avec la bande conductrice de ce dernier ; des moyens de génération et/ou de détection de signaux électriques à radiofréquence ; et un port d'excitation de l'antenne à fente intégrée dans l'écran plat, connecté auxdits moyens de génération et/ou de détection de signaux électriques à radiofréquence.
Avantageusement, l'antenne à fente peut être dimensionnée de manière à présenter une résonance et être au moins approximativement adaptée en impédance au port d'excitation à une fréquence des signaux électriques générés ou détectés par lesdits moyens.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple et qui représentent, respectivement :

la figure 1, une vue éclatée d'un écran plat à diodes électroluminescentes organiques connu de l'art antérieur ;
la figure 2, d'une manière schématique, une vue en élévation d'un écran plat selon l'invention, dans lequel une antenne à fente est intégrée ;
les figures 3a, 3b, 3c, 3d et 3e, différentes géométries d'une antenne à fente pouvant être intégrée à un écran du type de la figure 1 ;
les figures 4a, 4b et 4c, des graphiques permettant d'apprécier les performances d'une antenne intégrée à un écran plat selon l'invention.

La figure 1 montre qu'un écran plat E à matrice active de type OLED comporte en général un substrat transparent S, typiquement réalisé en verre, sur lequel est déposée une matrice M d'électrodes (anodes) A transparentes, connectées de manière individuelle à des lignes d'alimentation électrique (non représentées) par l'intermédiaire de transistors à film mince T. Une couche de polymère semiconducteur électroluminescent formant les OLED est déposée sur les anodes A. Une anode A et l'OLED correspondant forment un pixel, ou plus précisément un sous-pixel (un pixel complet étant constitué par trois pixels de couleurs différentes : bleu, vert et rouge). Une couche métallique C, disposée au-dessus de cette couche de polymère, forme une cathode commune à tous les pixels.
La cathode commune C présente une épaisseur très faible, de l'ordre de 1 µm, face à des dimensions latérales (largeur, longueur) de quelques centimètres. Pour éviter que la résistance relativement importante qui en résulte induise des chutes de tension non négligeables d'un point à l'autre de la cathode, et donc un potentiel électrique inhomogène qui pourrait interférer avec le bon fonctionnement de la matrice de transistors, il est connu de prévoir une bande conductrice en forme d'anneau plus épaisse à la périphérie de la cathode et en contact électrique avec ce dernier. Un tel anneau - indiqué par la référence R sur les figures 2 et 3a - 3e, peut présenter typiquement une épaisseur comprise entre 50 nm et 2 µm, et de préférence entre 100 nm et 1 µm et une largeur comprise entre 50 µm et 10 mm et de préférence entre 100 µm et 2 mm. La conductivité de l'anneau R est suffisante pour le maintenir à un potentiel sensiblement homogène, et pour homogénéiser ainsi le potentiel de la cathode commune C. Cet anneau peut être réalisé en aluminium ou en argent ou en cuivre ou encore en molybdène par exemple. Comme évoqué plus haut, l'anneau R pourrait être remplacé par une bande conductrice de forme « ouverte », par exemple en U ou en L, s'étendant sur une partie seulement de la périphérie de la cathode.
De préférence, comme dans le cas de la figure, l'anneau R ne déborde pas de la surface de l'écran E pour minimiser les dimensions de ce dernier.
L'idée à la base de l'invention consiste à utiliser une fente ou rainure pratiquée dans l'anneau R en tant qu'antenne. Le principe de l'antenne à fente, en soi, est connu de l'art antérieur : voir en particulier le chapitre 7, lignes 441 - 481 de l'ouvrage de R. Garg, P. Bhartia, I. Bahl & A. Ittipiboon, « Microstrip Antenna Design Handbook », 2001 Artech House.
La figure 2 montre un écran à matrice active E comportant un anneau conducteur R dans lequel est pratiquée une fente F débouchant sur un bord de l'anneau. Un port P permet l'excitation de la fente par un signal à radiofréquence ou, inversement, l'extraction d'un signal électrique induit dans la fente par un champ électromagnétique externe à radiofréquence ; le paragraphe 7.3 de l'ouvrage précité décrit des ports d'excitation d'une antenne à fente basés sur le principe du guide d'onde coplanaire.
Le signal électromagnétique injecté dans la fente F par le port P, ou capté par ladite fente, n'influence pas le fonctionnement des transistors de l'écran E car sa fréquence est bien au-delà de la fréquence de coupure de ces dispositifs. En effet, typiquement les protocoles de communication sans fils pour appareils nomades comportent l'utilisation de fréquences supérieures à 500 MHz, et pouvant atteindre les 5 - 6 GHz (par exemple, le standard GSM fonctionne à 900 MHz, le standard GPS à 1,5GHz, le standard UMTS à 2 GHz et le standard Wifi à 2,4 et 5 GHz).
Un plan de masse PM s'étend parallèlement à l'écran E à une distance de quelques millimètres de ce dernier : un tel plan de masse est généralement prévu dans les cartes électroniques de l'appareillage équipé de l'écran selon l'invention. Une connexion CM relie l'anneau R à ce plan de masse.
La fente débouchant (antenne de type « notch », ou « encoche ») des figures 2 et 3a ne constitue qu'un mode de réalisation possible de l'invention. En variante, la fente peut être non-débouchant et rectiligne (figure 3b), non-débouchant et en forme de L (figure 3c), en forme de L et débouchant à une extrémité (non représentée), voire en forme d'anneau (figure 3d). Il est également possible de réaliser plusieurs antennes à fente distinctes (F₁, F₂) pour opérer à des fréquences multiples, ou pour réaliser des systèmes à diversité d'antennes (figure 3e).
En général, la fente débouchant de la figure 3a constitue le mode de réalisation préféré de l'invention, en raison de ses petites dimensions : en effet, sa longueur n'est que de λ/4, au lieu de λ/2 pour le cas d'une fente non débouchant, λ étant la longueur d'onde associée à la fréquence de résonance de la fente.
La fente en anneau de la figure 3d constitue un mode de réalisation relativement contraignant, car les dimensions de l'anneau déterminent la fréquence de résonance de l'antenne. En outre, il faut prévoir un « pont » conducteur pour relier entre elles les deux parties de l'anneau R, séparées par la fente.
Les figures 4a - 4c montent les résultats d'une simulation basée sur le dispositif de la figure 2. Les caractéristiques de la structure simulée sont les suivantes :

substrat en verre pyrex de 1 mm d'épaisseur, avec |ε_r|=4,82 et tanδ=0,0054 et de dimensions 30 x 50 mm ;
anneau conducteur en aluminium de largeur 2 mm, d'épaisseur 1 µm, de forme rectangulaire et de dimensions 22 x 42 mm ;
plan de masse supposé infini, à 5 mm de la cathode C ;
cathode C en aluminium, 1 µm d'épaisseur ;
fente débouchant sur un côté long de l'anneau, de forme rectangulaire, largeur 0,5 mm ; longueur 3cm
port P à 50 Ω.

Le graphique de la figure 4a montre l'impédance Z (courbe ReZ : partie réelle ; courbe ImZ : partie imaginaire) de la fente en fonction de la fréquence f, exprimée en GHz. On observe deux résonances, une aux alentours de 2,3 GHz et une autre à 2,75 GHz environ. Le premier pic de résonance permet de réaliser une quasi-adaptation d'impédance (à 50 Ω) entre la fente et le port P à une fréquence f_m≅2,3 GHz. Le graphique du module du paramètre S₁₁ (coefficient de réflexion en tension à l'entrée), reproduit sur la figure 2b, confirme ce résultat : on observe une valeur minimale de |S₁₁| de -25 dB et une bande B₁₀ à -10 dB d'une largeur d'environ 25 MHz centrée autour de f_m.
La valeur de f_m ne dépend pas uniquement de la géométrie de la fente F, mais également de son environnement, et en particulier des propriétés diélectriques du substrat S et de la distance à laquelle est situé le plan de masse PM.
La résistivité de l'anneau R et surtout les pertes diélectriques dans le substrat en verre limitent l'efficacité de rayonnement R_eff de l'antenne, comme représenté sur la figure 4c. La structure n'ayant pas été optimisée, cette efficacité est minimale à la fréquence f_m; même dans ces conditions, cependant, elle est compatible avec les spécifications de la plupart des applications de communications sans-fils.
L'invention a été décrite en référence à un type particulier d'écran OLED, mais cela ne constitue nullement une limitation. En effet, l'invention peut s'appliquer également à des écrans à cristaux liquides (LCD), ainsi qu'à des écrans OLED ou LCD de structure différente, utilisant un substrat opaque et une électrode commune C (qui peut être une cathode, comme dans l'exemple, ou une anode) transparente.

Claims

Ecran plat (E) comportant une matrice active de pixels (M), une électrode (C) commune auxdites pixels et une bande conductrice (R) connectée électriquement à ladite électrode commune et entourant au moins partiellement ladite matrice active, caractérisé en ce qu'au moins une fente (F) formant une antenne est pratiquée dans ladite bande conductrice.
Ecran plat selon la revendication 1, dans lequel ladite bande conductrice forme un anneau entourant au moins une partie de ladite matrice active.
Ecran plat selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite antenne est formée par une fente débouchant sur un bord de ladite bande conductrice.
Ecran plat selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel ladite antenne est formée par une fente non débouchant.
Ecran plat selon la revendication 2 dans lequel ladite antenne est formée par une fente annulaire entourant la matrice active de pixels.
Ecran plat selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite bande conductrice est réalisée par dépôt sur un substrat (S) de l'écran.
Ecran plat selon la revendication 6, dans lequel ladite bande conductrice présente une épaisseur comprise entre 50 nm et 2 µm, et de préférence entre 100 nm et 1 µm.
Ecran plat selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite bande conductrice présente une largeur comprise entre 50 µm et 10 mm et de préférence entre 100 µm et 2 mm.
Ecran plat selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite fente est dimensionnée de manière à présenter au moins une résonance à une fréquence comprise entre 100 MHz et 10 GHz.
Appareil portable comportant :
- un écran plat (E) selon l'une des revendications précédentes ;

- une carte électronique comportant un plan de masse (PM) parallèle audit écran plat et connecté électriquement avec la bande conductrice de ce dernier ;

- des moyens de génération et/ou de détection de signaux électriques à radiofréquence ; et

- un port (P) d'excitation de l'antenne à fente intégrée dans l'écran plat, connecté auxdits moyens de génération et/ou de détection de signaux électriques à radiofréquence.
Appareil portable selon la revendication 10, dans lequel l'antenne à fente est dimensionnée de manière à présenter une résonance et être au moins approximativement adaptée en impédance au port d'excitation à une fréquence (f_m) des signaux électriques générés ou détectés par lesdits moyens.