Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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DISPOSITIF A CRISTAUX LIQUIDES COMPRENANT DES MOYENS
D'ANCRAGE SIJR AU MOINS UNE PLAQUE
DE CONPINEMENT DONNANT UNE ORIENTATION DEGENEREE
La présente invention concerne le domaine des dispositifs
d'affichage à cristaux liquides.
La présente invention est le résultat d'une collaboration entre le
CNRS, I'Université de Paris-Sud et l'lnstitut Curie.
ETAT DE LA TECHNIQUE
ll est bien connu de l'homme de l'art que les molécules des
nématiques et des cristaux liquides en général au contact avec une surface
limitrophe s'orientent suivant une ou plusieurs directions, grâce à
l'interaction avec le substrat.
Par exemple, sur une surface solide frottée dans une direction, les
molécules mesogenes s'orientent généralement dans une direction proche
de la direction du frottement. Cette orientation, dite monostable, est
caractérisée par une seule direction "facile" pour le nématique, déhnie
habituellement par les angles ~0 et pO (voir figure 1): I'angle zénithal ~0,
entre l'axe facile f et la normale z au substrat; et l'angle azimutal ~0 entre
I'axe facile f et une direction fixe choisie dans le plan du substrat.
L'axe facile f correspond à un minimum de l'energie d'interaction du
nématique avec la phase limitrophe.
En appliquant un champ extérieur on peut réorienter le nématique
sur la surface. L'énergie de surface augmente et cette énergie
supplémentaire, due à la déviation du directeur de surface nS par rapport à
l'axe facile f, est appelée énergie d'ancrage W et elle est une fonction des
angles ~ et ~ qui définissent ns:
W= W(~,(p)
Dans le cas d'ancrage monostable, I'énergie d'ancrage W a un seul
minimum, qui correspond à un seul axe facile (généralement, on ne fait pas
la différence entre la direction nS et la direction opposee-nS, parce que la
phase nématique est non-polaire). Un grand nombre de traitements (voir
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[1]) donnent cet ancrage simple, qui est très largement utilisé dans les
dispositifs d'affichage à cristaux liquides.
Il existe pourtant des ancrages avec plusieurs minimums d'énergie
W et donc avec plusieurs directions faciles. Par exemple, sur des couches
5 de SiO évaporées sous vide dans certaines conditions, I'orientation des
nématiques est bistable, avec deux directions faciles f1 et f2 (voir figure 2)
définies par ~02 =~301 et (Po2 = -(~01- Plusieurs dispositifs ont été proposés et
réalisés, utilisant les ancrages bistables des nématiques. Voir documents
[2-~].
Une autre classe d'ancrages bien connu sont les ancrages
dégénérés. Dans ce cas, il existe tout un continuum de directions faciles,
qui correspondent au même angle zenithal ~0 et à un angle azimutal
arbitraire. L'énergie d'ancrage dans ce cas est une fonction seulement de
et ne dépend pas de ~:
W=W(~)
On peut dire dans ce cas que l'ancrage azimutal n'existe pas ou
qu'il est infiniment mou.
Suivant la valeur de ~0 on peut distinguer l'ancrage dégénéré
planaire t~o-= 90~), avec nS parallèle à la surface, ou l'ancrage conique
20 dégénéré (0<~0<90~), avec nS qui peut tourner sur un cône d'ouverture 2~o
(voir figure 3). Un autre cas particulier correspond à ~0=0 (ancrage
homéotrope), qui donne en effet un ancrage monostable, avec les
molécules perpendiculaires à la surface ((p n'est pas défini quand ~=0).
Les ancrages dégénérés sont typiques sur une interface plane entre
25 le nématique et une phase isotrope. En effet, rien n'impose dans ce cas une
direction azimutale et par symétrie le minimum d'énergie d'ancrage est
réalisé pour tous les angles p possibles (0<~<360~).
Expérimentalement, I'ancrage dégénéré a été souvent observé sur
les surfaces libres des gouttes nématiques ou sur les interfaces nématique -
30 liquide. Ce type d'ancrage a été étudié du point de vue académique, maisn'a trouvé pour l'instant aucune application, en raison de sa nature instable:
I'interface liquide-liquide ou liquide-gaz est très facile à déformer, elle crée
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facilement des défauts et il est difficile d'appliquer un champ électrique à
travers cette interface.
On trouvera des exposés sur l'état de l'art relatif aux ancrages
dégénérés dans le document [6].
BASE DE L'INVENTION
Il résulte des études conduites par les inventeurs qu'en principe, un
ancrage dégénéré peut être obtenu sur toutes les surfaces solides
isotropes, par exemple verres minéraux ou organiques, mais qu'en réalité,
cet ancrage est rarement observé, parce que deux phénomènes principaux
1 0 interviennent.
Le premier de ces phénomenes identifié par les inventeurs
correspond à une adsorption des molécules mésogènes sur la surface.
Au premier contact entre le nématique et le substrat, par exemple
pendant le remplissage de la cellule, aucune direction azimutale n'est
imposée et l'orientation des molécules est définie par le hasard ou par
l'écoulement. L'orientation initiale est donc habituellement très inhomogène,
avec ~=aO et (p arbitraire, mais avec ~ dépendant de la position sur le
substrat. Très rapidement, les molécules nématiques en contact direct avec
la surface sont adsorbées sur le substrat. Ainsi leur ordre et leurs
20 orientations sont mémorisés sur la surface et imposés aux molécules
nématiques qui restent dans le volume à proximité du substrat. Bien que
théoriquement l'adsorption soit un processus réversible, en pratique les
temps caractéristiques pour la désorption à température ambiante sont très
longs (des jours ou même des années). L'orientation de l'échantillon reste
25 donc mal définie, inhomogène et fortement ancrée sur le substrat.
Le second de ces phénomènes identifie par les inventeurs
correspond à une orientation du substrat par le nématique.
En effet, dans le cas des substrats relativement mous, par exemple
des couches polymères, un second phénomène peut se produire. Même si
30 I'adsorption est faible, I'interaction du substrat avec le nématique peut le
rendre anisotrope, par exemple par orientation locale des chaînes
polymères. Encore une fois on obtient une mémorisation sur le substrat de
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I'état initial mal défini et inhomogène, accompagnée aussi par une énergie
d'ancrage azimutal qui détruit l'ancrage dégénéré.
Suite à ces deux phénomènes de mémoire orientationnelle,
I'ancrage dégénéré sùr des surfaces solides semble difficile à produire et à
5 utiliser. Pour cette raison, I'ancrage dégénéré n'a trouvé pour l'instant
aucune application.
La présente invention a maintenant pour but de perfectionner les
dispositifs à cristaux liquides pour permettre l'exploitation d'un ancrage
dégénéré ou presque dégénéré.
Plus précisément la présente invention a pour but de proposer de
nouveaux moyens permettant d'obtenir des ancrages dégénérés, ou
presque dégénérés, et sans mémoire des cristaux liquides sur des substrats
solides et permettant l'utilisation de ces ancrages dans des dispositifs
d'affichage.
Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention grâce
à un dispositif d'affichage à cristaux liquides comprenant un matériau cristal
liquide pris en sandwich entre deux plaques de confinement, caractérisé par
le fait que l'une au moins des plaques est munie d'un traitement qui définit
un ancrage azimutal dégénéré, sans mémoire orientationnelle azimutale.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, le
traitement est un traitement de passivation de la surface de l'une au moins
des plaques par inhibition des sites d'adsorption sur cette surface.
Il peut s'agir d'un traitement opérant par saturation des sites
d'adsorption.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente
invention, le traitement comporte un revêtement comprenant un polymère
comportant des chaînes fluides ou très mobiles, ou encore autolubrifiant,
c'est-à-dire sans site capable d'adsorber le cristal liquide.
DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention
apparaîtront à la lecture de la description détaillee qui va suivre, et en
regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur
lesquels:
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- la figure 1 représente l'orientation azimutale de direction "facile" du
directeur nématique par rapport à une plaque de confinement et l'orientation
zénithale de la direction facile par rapport à la normaie à celle-ci,
- la figure 2 représente l'orientation de deux directions faciles dans le cas
5 d'un ancrage bistable,
- la figure 3 schématise le cas d'un ancrage conique,
- la figure 4 représente l'énergie de l'ancrage zénithal pour un alignement
planaire monostable,
- la figure 5 représente l'énergie de l'ancrage zénithal pour un ancrage
10 bistable symétrique ou pour un ancrage conique dégénéré,
- la figure 6 représente la texture du cristal liquide au cours de six étapes
successives d'un processus de commutation,
- la figure 7 représente la texture du cristal liquide au cours de quatre
étapes successives d'un processus de commutation conforme à une autre
15 variante de la présente invention,
- la figure 8 représente quatre étapes successives d'un autre processus
conforme à la presente invention sans cassure de l'ancrage;
- la figure 9 représente la réponse optique entre polariseurs croisés d'une
cellule conforme à la présente invention,
20 - la hgure 10 représente deux textures plates susceptibles d'être obtenues
avec un ancrage planaire sur une contre-lame,
- la figure 11 représente les seuils d'inscription en fonction de la durée des
impulsions de commande, mesurés sur une cellule comportant un
traitement en polyisoprene,
25 - la figure 12 représente les seuils d'inscription en fonction de la duree des
impulsions de commande, mesurés sur une cellule comportant un
traitement en polystyrène,
- la figure 13 représente le temps d'effacement spontané d'une cellule en
fonction du carré de l'épaisseur de la cellule concernée,
30 - la figure 14 représente différentes courbes illustrant la réponse optique
d'une cellule conforme à la présente invention pour des impulsions
électriques de commande d'une durée fixe et d'amplitudes différentes,
. , . ~
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- la figure 15 représente le signal optique en fonction du temps pour des
impulsions de rafraîchissement de fréquence de répétition hxe et pour
différentes amplitudes de ces impulsions,
- la figure 16 représente l'intensité lumineuse moyenne en fonction de la
5 tension rms,
- la figure 17 illustre une variante selon laquelle les deux électrodes sont
disposées sur une même plaque,
- la figure 18 représente l'angle (p(z) pour deux afficheurs, I'un conforme à
l'invention, I'autre classique,
10 - la figure 19 illustre la torsion dans une cellule chiralisée,
- la figure 20 représente la réponse optique d'une cellule à champ
horizontal,
- la figure 21 représente un dispositif à nématique chiralisé ou
cholestérique,
15 - la figure 22 représente la réponse optique de ce dispositif,
- la figure 23 représente la réponse optique pour un dispositif similaire
possédant une épaisseur et un pas différent, et
- la figure 24 représente la réponse optique d'une cellule à long pas.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
20 1 - caractéristiques de l'invention relatives à la passivation du substrat par
saturation des sites d'adsorption avec des surfactants.
Comme indiqué précédemment, selon une première approche de la
présente invention, la mémoire indésirable de la surface d'une plaque de
confinement est supprimée grâce à une couche mince d'un surfactant
25 approprié sur le substrat. Le rôle du surfactant est d'occuper les sites
d'adsorption disponibles sur la surface et de cette façon de "passiver" le
substrat, rendant impossible l'adsorption du cristal liquide lui-même.
Ce matériau de passivation peut être formé de tout surfactant qui
reagit fortement avec la surface de la plaque de confinement et qui
30 s'adsorbe facilement sur elle, de préférence d'une façon définitive. De
préférence, ce surfactant est en plus adapté pour ne pas intéragir fortement
avec le cristal liquide, par exemple ne pas s'orienter facilement par les
interactions anisotropes avec les molécules mésogènes.
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Une fois recouverte par les molécules du surfactant la surface de la
plaque de confinement devient inerte: elle n'adsorbe plus les molécules du
cristal liquide, et de plus elle ne devient pas anisotrope sous leur action.
Pour un substrat rigide et plat, par exemple verre minéral, une
couche monomoléculaire du surfactant est suffisante pour saturer tous les
sites d'adsorption disponibles et passiver la surface. Pour un substrat
fortement rugueux et poreux, par exemple une couche de SiO évaporée, le
film de surfactant est de préférence plus épais pour assurer la passivation.
Pour des substrats mous, par exemples des polymères, le matériau de
10 passivation est avantageusement formé d'une couche plus épaisse pour
écranter fortement l'interaction substrat - cristal liquide et pour éviter de
cette façon l'orientation du polymère et l'hystéresis qui en résulte.
Pour réaliser la passivation de substrats différents par saturation
des sites d'adsorption, les inventeurs ont testé notamment plusieurs
15 surfactants appartenant à la famille des silanes organofonctionnels,
comportant des groupes chlorosilane (Si-CI), silanol (Si-OH), Ou
alkoxysilane (Si-CnH2nOH). Pour s'accrocher sur la surface ces produits
présentent la propriété de s'adsorber facilement sur le verre ou sur d'autres
substrats et après un traitement thermique de réagir chimiquement avec la
20 surface et entre eux. La couche de surfactant obtenue de cette façon est
très solide et impénétrable pour les molécules mésogènes.
Le groupe organofonctionnel est choisi de façon à minimiser
l'interaction entre le surfactant et la molécule mésogène, pour éviter les
phénomènes de mémoire et d'hystérésis.
L'invention n'est cependant pas limitée à la famille des silanes
organofonctionnels.
Elle s'étend à tout composé équivalent, c'est à dire tout composé
apte à remplir les deux fonctions précitées: a) s'ancrer sur le substrat, b)
mais sans interagir avec le matériau cristal liquide, par exemple aux
30 complexes de chrome. On trouvera dans le document [7] des exemples de
complexes de chrome aptes à définir un ancrage homéotrope.
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Les résultats expérimentaux ont démontré que la plupart des
silanes testés diminuent la mémoire des substrats sur lesquels ils sont
déposés.
Des résultats très interessants et reproductibles ont notamment été
5 obtenus avec le produit 3-Glyceryloxypropyl Trimethoxysilane (GLYMO). Ce
produit a été déposé en couches fines (de 20~ à 1000~) sur les substrats à
partir d'une solution en isopropanol (de 0,01% à 0,5%). Les couches ont été
cuites pendant une heure à 120~C ou 200~C pour les rendre insolubles
dans le cristal liquide. Pour tester l'ancrage les inventeurs ont utilisé le
10 nématique pentylcyanobiphenyl (5CB) à température ambiante. Les cellules
de test étaient construites en utilisant deux lames différentes: la plaque
testée, traitée en surfactant, et une lame "standard" avec ancrage fort et
monostable (SiO évaporé).
Sur tous les substrats isotropes utilisés (verre, verre flotté, Oxyde
15 double d'lndium et d'Etain) les inventeurs ont observé que le dépôt d'une
couche de GLYMO plus épaisse qu'environ 100~ conduit à un ancrage
planaire (~0 ~ 90~) dégénéré sans aucune mémoire orientationnelle:
I'orientation du nématique dans la cellule test est uniforme, définie par la
lame standard, et sous l'action d'un champ électrique ou magnétique
20 externe cette orientation change d'une façon uniforme et sans mémoire.
L'énergie d'ancrage azimutale sur les substrats munis d'une couche de
passivation plus épaisse que 1 ooA est strictement égale à zéro. Les
couches plus hnes que 100A donnent une énergie d'ancrage azimutale très
faible, un ancrage moins uniforme et des résultats moins reproductibles.
Les inventeurs ont testé aussi l'action des couches de passivation
du produit GLYMO sur des substrats anisotropes. Les substrats testés
étaient des lames de verre avec des électrodes transparentes d'lTO et une
couche fine (5 à 1000A) de SiO, évaporée dans le vide sous angle rasant
(75~). Sans couche de passivation l'orientation du nématique 5CB sur ces
substrats est suivant les conditions d'évaporation, planaire monostable,
bistable inclinee et monostable inclinée. Dans tous les cas, les substrats
montrent une très forte mémoire de l'orientation initiale du nématique, due à
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la forte adsorption des molécules mésogènes sur la couche poreuse et
polaire de SiO.
Après l'application d'une couche fine (> 20A) de passivation, la
mémoire orientationnelle disparaît presque complètement. Sur tous les
5 substrats l'alignement du 5CB sur les couches de passivation est planaire
(sans pretilt) monostable, dans une direction perpendiculaire au plan
d'évaporation. L'énergie de l'ancrage azimutal est très forte pour les
couches les plus fines, avec une longueur d'extrapolation L<40A. Cette
énergie d'ancrage faiblit progressivement quand l'épaisseur d du film
10 GLYMO augmente et pour d > 200A, L diverge et l'ancrage devient planaire
degénéré.
Selon une caractéristique avantageuse de la présente invention,
I'épaisseur de la couche de passivation est de préférence comprise entre 20
A et 500 A.
Des résultats similaires ont été obtenus en passivant avec une
couche de GLYMO des substrats de verre ou d'lTO, rendus anisotropes par
frottement. Sans passivation, ces substrats alignent le 5CB d'une façon
planaire monostable, avec un ancrage azimutal fort et une mémoire de
surface très importante. En déposant une couche de GLYMO sur les
substrats, les inventeurs ont observé une disparition complète de la
mémoire et un affaiblissement de la force d'ancrage. A nouveau, I'énergie
d'ancrage diminue progressivement quand d augmente et à d ~ 200A elle
s'annule complètement: I'ancrage devient planaire dégénéré, avec une
mémoire négligeable.
Des résultats similaires ont également été obtenus avec un
frottement unidirectionnel de la couche de GLYMO déposée préalablement
sur un substrat isotrope.
Ces résultats confirment que la mémoire orientationnelle d'une
plaque de confinement peut être supprimée par un traitement de surfactant
approprie, qui sature les sites d'adsorption disponibles sur le substrat. Deux
objectifs différents sont atteints par ce traitement
, . . . . . ..
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a) diminuer fortement ou supprimer complètement la mémoire de surface
sur des substrats isotropes. Les ancrages planaires ou coniques dégénérés
qui en résultent sont très homogènes, faciles à utiliser et sans hystérésis
orientationnel.
b) sur des substrats anisotropes ce traitement permet aussi de modifier la
force d'ancrage azimutale. Ainsi la force des ancrages monostables ou
bistables peut être diminuée, les rendant presque dégénérés, avec un seuil
de cassure de l'ancrage azimutal très bas.
Selon une autre variante conforme à la présente invention, le
traitement de passivation peut être formé du dépôt d'un revêtement
suffisamment épais pour interdire l'accès aux sites d'adsorption formés sur
le substrat, par les molécules de cristal liquide, sans que pour autant le
revêtement ne sature chacun de ces sites.
Il - Caractéristiques de l'invention relatives à la "lubrification" de l'ancra~eazimutal sur les surfaces par des couches polvmères avec des chaînes
fluides ou très mobiles
La présente invention propose également pour éviter l'hystérésis de
surface, d'appliquer sur le substrat une couche liquide ou vitreuse isotrope,
dont les molécules peuvent non seulement inhiber les sites d'adsorption sur
le substrat comme indiqué précédemment, mais en outre peuvent
facilement se réorienter ou se déformer de sorte que la plaque de
confinement ainsi traitée perde toute la mémoire de l'orientation précédente.
Cette couche joue le rôle d'un lubrifiant orientationnel: elle permet à
l'orientation du directeur nématique nS sur la surface de glisser sur le
substrat sans aucune friction, ni hystérésis. Il faut noter que dans ce cas il
n'est pas gênant que les molécules mésogènes s'adsorbent sur la couche
lubrifiante: quand on applique un couple sur nS, les molécules adsorbées
vont facilement se réorienter sans desorption, grâce à la déformation et à la
réorientation des molécules "molles" de la couche lubrifiante.
Un tel produit "lubrifiant d'ancrage" peut être formé de polymères
qui sont en phase liquide en température ambiante (ou plus précisément,
dans tout le domaine de stabilité thermique de la phase mésogène utilisée).
Dans ce cas, il est nécessaire de greffer la couche lubrifiante sur le substrat
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pour accrocher fortement ses molécules et éviter leur solution ou diffusion
dans le cristal liquide. Les couches ainsi préparées sont à la fois très
stables du point de vue macroscopique et très mobiles au niveau
moléculaire. Alternativement, il est aussi possible d'utiliser comme
5 lubrifiants d'ancrage des polymères solides, dans leur état vitreux, à
condition que leurs chaînes soient assez mobiles et leur viscosité soit
modérée. Cette condition est facile à satisfaire si le polymère est proche de
son point de fusion à la température ambiante.
Les inventeurs ont notamment testé plusieurs polymères liquides de
10 la famille des siloxanes et des polymères vitreux, avec une température de
fusion proche de l'ambiante (par exemple le polyisoprene et le
polybutadiene). Ces produits présentent une grande mobilité de leurs
chaînes. Deux nématiques à température ambiante ont été utilisés dans
cette étude: le 5CB et le melange nématique MLC 6012 (Merck). Tous les
15 produits, déposés en couches fines sur les substrats, ont donné des
ancrages dégénérés des deux nématiques étudiés et sans aucune mémoire
orientationnelle.
Nous allons décrire un résultat typique, obtenu avec le polymère
polyisoprene qui est vitreux à l'ambiante. Une hne couche uniforme (<
20 300A) est déposée à la tournette à partir d'une solution (0.3 à 3%) en
cyclohexane. La couche est utilisée sans aucun traitement thermique pour
éviter le passage du polymère en phase liquide, qui détruirait l'uniformité du
film. A long terme (des jours) les inventeurs ont observé des phénomènes
de transport du polyisoprene de la lame étudiée vers la lame standard,
2~ utilisée dans les cellules de test. Pour cette raison, les inventeurs ont utilisé
des lames standards dont l'ancrage n'est pas sensible à la migration lente
des molécules du polyisoprene des couches de polyimide frotté, qui
donnent un ancrage fort monostable, planaire ou incliné.
Les couches polyisoprene déposées sur des substrats isotropes
30 (verre ordinaire, verre flotté, électrode transparente d'lTO sur verre)
donnent une excellente orientation dégénérée des nématiques étudiés.
Aucune mémoire de l'ancrage n'a été détectée dans les cellules de test:
I'orientation de l'axe facile sur le polyisoprene reste toujours dans le même
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plan, que sur la lame standard. Sous l'action des champs extérieurs, I'axe
facile sur la lame étudiée se réoriente d'une façon uniforme sans hysterésis
et sans aucune énergie d'ancrage azimutal.
Quand les couches de polyisoprene sont déposées sur des
5 substrats anisotropes (verre ou ITO frotté, SiO évaporé), qui donnent
d'habitude un fort ancrage monostable, I'énergie d'ancrage azimutale
diminue. En changeant l'épaisseur de la couche déposée, les inventeurs ont
observé une transition progressive entre l'ancrage fort monostable du
substrat et l'ancrage degénéré typique pour la couche polyisoprene. Ceci
10 s'accompagne aussi d'une complète disparition de la mémoire
orientationnelle.
Finalement, I'angle zénithal ~0 de l'ancrage dégénéré sur le
polyisoprene dépend de la nature du substrat et du nématique. Pour le
mélange nématique MLC 6012 (Merck), I'ancrage est toujours planaire
15 dégénéré (~0 = 90~). Pour le 5CB, I'ancrage est planaire dégénéré pour
polyisoprène déposé sur SiO évaporé, tandis qu'il est conique dégénéré (~0
proche de 55~, I'angle "magique") si le film de polyisoprène est déposé
directement sur le verre.
Des résultats très similaires ont été obtenus par greffage sur les
20 substrats du polystyrène terminé par un groupe chlorosilane, qui était
synthétisé spécialement pour cette étude. Le polystyrène utilisé pour
modifier les surfaces (appelé par la suite PS fonctionnel) a été synthétisé
par voie anionique selon une méthode classique, de façon à obtenir des
chaînes de polymère terminées à une seule extrémité par SiCI3. La masse
25 moléculaire du PS fonctionnel est typiquement de 40 OOOg/mol mais peut
être variée de 1 000 à 1 o6 g/mol.
Pour greffer le polymère, on prépare d'abord une solution de PS
fonctionnel dans du toluène anhydre, à une fraction volumique de l'ordre de
5%. Les surfaces à greffer sont nettoyées dans un courant d'oxygène, sous
30 UV. La solution de PS fonctionnel est déposée sur ces surfaces propres à la
tournette. Après évaporation du toluène, les surfaces recouvertes de PS
fonctionnel sont mises à l'étuve sous vide, pendant 24 heures typiquement,
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à une température de 160~C. L'excès de polymère fonctionnel est ensuite
enlevé par dissolution à froid dans du toluène, éventuellement avec l'aide
d'ultrasons. La quantité de PS greffé est mesurée par ellipsométrie.
Le greffage du polystyrène sur des substrats isotropes (verre ou
ITO) résulte en un ancrage conique dégénéré du nématique 5CB, sans
aucune mémoire, très homogène et reproductible. En plus, le traitement par
polystyrène greffé est très stable dans le temps: les molécules greffees ne
se dissolvent pas dans le cristal liquide et restent accrochées sur la surface
même après des traitements mécaniques, par exemple après un frottement
unidirectionnel sur tissu.
Le greffage du polystyrène sur des substrats anisotropes (verre ou
ITO frotté, SiO évaporé) diminue l'énergie d'ancrage azimutal et supprime la
mémoire d'ancrage. En variant l'anisotropie initiale du substrat ou la densité
du greffage, les inventeurs ont observé une variation continue de l'énergie
d'ancrage azimutal entre la valeur forte habituelle pour les substrats non
traités et l'ancrage typique degénéré de la couche greffée. De cette façon
les inventeurs ont réussi à obtenir des ancrages presque dégénérés très
reproductibles. Des résultats similaires ont été obtenus aussi par frottement
mécanique de la couche de polystyrène déjà greffée.
Selon une variante de réalisation, on peut utiliser un matériau
autolubrifiant, c'est-à-dire sans site capable d'adsorber le cristal liquide,
sans pour autant comporter des chaînes fluides ou mobiles pour réaliser le
revêtement de la plaque de confinement ou réaliser cette plaque elle-même
directement sans aucun revêtement. Cette disposition convient
particulièrement lorsque l'une des plaques n'a pas d'électrode. On décrira
par la suite un exemple d'une telle disposition.
MISE EN OEUVRE DE L'INVENTION
La plupart des dispositifs d'affichage nématiques utilisent seulement
des effets de volume. Dans ces afficheurs les changements de texture se
réalisent par des déformations continues dans le volume et sans aucune
réorientation sur les surfaces. Par leur nature même, ces dispositifs
demandent des ancrages forts monostables pour leur fonctionnement.
. _
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Récemment, des afficheurs nématiques utilisant une cassure de
l'ancrage sur les surfaces ont été proposés et réalisés. Voir documents [2-
5], [8], [9]. Dans ces dispositifs, I'orientation du cristal liquide sur la surface
change brutalement au cours du fonctionnement de l'afficheur, permettant
ainsi de transformer la texture volumique et de commuter entre deux
textures bistables (i.e. des textures qui restent stables pour des temps longs
sans l'application de champs externes). Les avantages principaux de ces
dispositifs sont leur bistabilité et leur rapidité de commutation. Pourtant les
afficheurs nématiques à bistabilité de surface présentent aussi certains
inconvénients: leurs ancrages sont plus difficiles à réaliser et à contrôler.
L'afficheur proposé dans les documents [2-5] requiert des ancrages
assez complexes: les deux états utilisés se distinguent à la fois par leur
angle azimutal et zénithal (angle de pretilt). Pour l'instant ces ancrages
restent difficiles à réaliser.
Le dispositif proposé dans les documents [8] et [9] utilise des
ancrages plus simples (monostables). Mais pour diminuer la durée et la
tension des impulsions de commande, il exige des énergies d'ancrage
zénithal modérées ou faibles, dont les technologies de production ne sont
pas encore bien maîtrisées.
Les inventeurs proposent maintenant de nouveaux moyens
permettant de produire des ancrages dégénérés (i.e. sans énergie
d'ancrage azimutale, ni de mémoire de surface) ou presque dégénérés (i.e.
avec une faible énergie d'ancrage azimutale et sans mémoire de surface).
Ces ancrages sont faciles à produire et à contrôler avec des champs
électriques extérieurs. Leur force d'ancrage zénithal est modéree ou même
faible, et pour cette raison ils peuvent être utilisés dans les dispositifs
d'affichage.
La commande de commutation des afficheurs d'ancrage dégénéré
peut se faire par une cassure de l'ancrage dégénéré puis une commande
de l'ancrage cassé. Une autre solution est l'application d'un couple azimutal
qui fait tourner l'ancrage dégénéré.
I.- Dispositifs avec commutation par cassure de l'ancraqe déqénéré ou
presque déqénéré.
... ~ . ~, . . . . .
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1-1 ) Cassure de l'ancrage dégénéré.
Pour comprendre la cassure de surface dans le cas d'un ancrage
degénéré, nous allons d'abord rappeler le cas le plus simple de la cassure
d'un ancrage monostable. Sur la figure 4 est présentée l'énergie de
5 I'ancrage zénithal, qui correspond à un alignement planaire monostable. En
absence de champ extérieur, le directeur ns sur la surface s'oriente suivant
le minimum de W(~), qui correspond a ~ = + 90~ (ces deux directions sont
physiquement équivalentes, pour cette raison on considère l'ancrage
comme monostable).
Sous champ électrique E, les molécules dans le volume s'orientent
le long du champ (en supposant que l'anisotropie diélectrique du cristal
liquide ~E est positive). Un couple est exercé sur nS: le nématique se
réoriente sur la surface sous l'action du champ. En général, plus fort est le
couple extérieur, plus la nouvelle orientation de nS se rapproche de la
15 direction du champ, sans jamais l'atteindre (parce que le couple de rappel
dû à l'ancrage de surface s'y oppose). Une exception importante à cette
règle est le cas où le champ E est orienté dans la direction qui correspond à
un maximum de l'énergie de surface (la direction ~ = 0 sur la figure 4). Dans
cette direction le couple de rappel, dû à l'ancrage, s'annule et ne peut pas
20 s'opposer au champ E: nS devient donc parallèle à E quand le champ est
assez fort, supérieur à une valeur seuil Ec.
Si on coupe maintenant le champ, la surface se trouve à ~ = 0 dans
un équilibre instable et peut revenir dans l'une ou l'autre des positions
d'équilibre stable (~ = + 90~). Le choix de cette position se fait par hasard,
25 dû aux fluctuations, ou peut être induit par un faible effet de commande
exercé sur la cellule.
En pratique, la seule direction sur laquelle il est facile d'appliquer un
fort champ E est la normale aux plaques. La cassure d'ancrage déjà décrite
est donc possible, par symétrie, seulement pour des ancrages planaires, ou
30 pour d'autres ancrages symétriques par rapport à ~ = 0.
L'énergie zénithale d'un tel ancrage, I'ancrage bistable symétrique,
est présentée sur la figure 5. Cet ancrage peut être cassé par un champ
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normal à la cellule dans deux directions différentes: ~ = 0, si ~>0; ~=+90~,
si ~<0. La même figure 5 peut é~alement etre interprétée comme la partie
zénithale d'un ancrage dégénéré, qui par définition a une énergie azimutale
nulle (les deux branches ~>0 et ~<0 correspondent dans ce cas au meme
angle zénithal ~ et à deux angles azimutaux qui diffèrent de 180~). Pour cet
ancrage conique dégénéré restent valables les memes conclusions, que
pour l'ancrage conique bistable: il casse à ~=0 ou à ~=90~ (et ~ arbitraire).
Dans le cadre de l'invention on peut considérer les ancrages
symétriques bistables comme des ancrages très proches de l'ancrage
10 dégénéré: I'énergie de l'ancrage dégénéré W(~) a une symétrie cylindrique
et elle est une fonction de ~ seulement; si on superpose à cette énergie
une faible énergie azimutale W(p((p), symétrique par rapport à ,D=0, on
obtient l'ancrage symétrique bistable. L'ancrage obtenu par cette
superposition est appelé "ancrage presque dégénéré" dans le cadre de la
15 présente demande de brevet.
Un cas particulier de l'ancrage presque dégénéré est obtenu si on
part d'un ancrage planaire dégénéré (~0=90~): c'est un ancrage planaire
avec une très faible énergie azimutale.
Dans le cas des ancrages dégénérés (ou presque dégénérés)
20 I'énergie azimutale de l'ancrage est nulle (ou très faible), mais l'énergie
zénithale est arbitraire et peut etre forte. En pratique, ces ancrages sont
moins anisotropes que les ancrages monostables et leur ancrage zenithal
est d'habitude modéré ou faible.
1-2) Commande de l'ancrage cassé.
Différents moyens peuvent etre utilisés pour assurer la commande
de l'ancrage cassé.
Selon un mode de réalisation préférentiel cette commande est
assurée par un écoulement hydrodynamique de surface. Une telle
commande par effet hydrodynamique de surface peut etre conforme aux
30 dispositions décrites dans les documents [8] et [9] auxquels on se reportera
utilement pour une bonne compréhension de la présente invention.
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Nous allons d'abord considérer la cellule présentée sur la figure 6a.
La plaque 1 a un ancrage classique monostable et fort, de préférence avec
un pretilt (~01<9~~). La lame 2 a un ancrage conique ou planaire dégénéré
(~02~0.(P02 arbitraire) conforme à la présente invention. L'énergie élastique
5 de volume se minimise pour la texture plane avec (P2=180~, présentée sur la
figure 6a.
Si on applique un champ électrique Ec~>E>Ec2 perpendiculaire aux
plaques 1 et 2, I'ancrage sur la lame 2 à ancrage dégénéré casse et on
obtient la texture pratiquement homéotrope de la hgure 6b. Ec~ et Ec2
10 correspondent aux seuils de cassure respectivement sur les deux plaques.
Si on coupe brusquement le champ E, la lame 2 se trouve dans un
équilibre instable, sans aucun couple appliqué sur elle. La lame 1, par
contre, est en déséquilibre et un fort couple de rappel, dû à l'ancrage, agit
sur les molécules à sa proximité, les obligeant à revenir vers leur orientation
15 initiale. Ce retour crée un écoulement de masse, qui diffuse rapidement
dans la cellule jusqu'à la lame 2 (figure 6c). Par l'interaction avec cet
écoulement, les molécules sur la lame 2 partent dans la direction opposée à
leur orientation initiale ((P2=0. hgure 6c).
Dès que ~0, le couple de rappel dû à l'ancrage zenithal de la lame
20 2 réapparaît et accélère la relaxation de la lame 2 vers l'état ~2=~20. ~p2=~(figure 6d). Cette texture (figure 6d), réalisée rapidement (quelques dizaines
de microsecondes) après la fin de l'impulsion de commande, est différente
de la texture initiale - I'afficheur est inscrit.
La texture inscrite conforme à la figure 6d, pourtant, n'est pas
25 stable si ~ et ~2 sont suffisamment grands, car elle présente une énergie
élastique de flexion importante. Spontanément après quelques
millisecondes, elle relaxe vers une texture en hélice conique en volume
sans changer les ancrages en surface (fig 6e). Cette torsion en volume
applique un couple azimutal sur l'ancrage dégénéré de la plaque 2 qui fait
30 tourner le directeur sur le cône d'ancrage (fig 6f) et finalement le fait revenir
à la position d'équilibre (p = 180~ en déroulant l'hélice conique (fig 6a). Le
.....
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mouvement sur le cône est ralenti par la viscosité de surface et dure
quelques dizaines de millisecondes.
En revanche, la texture de la figure 6d peut être stable si ~1 et ~2
sont faibles. Le dispositif résultant présente ainsi des propriétés bistables.
On obtient donc un afficheur monostable, qui peut être inscrit avec
des impulsions très courtes (I~<10,us) et qui s'efface spontanément dans un
temps beaucoup plus long (~e >10ms). En plus, selon l'application, le peut
être ajusté dans des larges limites par modification des ancrages et de
l'épaisseur de la cellule.
Bien entendu d'autres processus peuvent être utilisés pour assurer
la commande de l'ancrage cassé.
Si nécessaire, I'afficheur de la figure 6 peut être transformé en
afficheur bistable. D'une part, si l'angle moyen de l'inclinaison des
molécules (~1+~32)l2 est inférieur à une valeur critique ~c, I'état fléchi (figure
6d) est stable. En effet, pour passer de l'état fléchi à l'état uniforme incliné(figure 6a) d'énergie minimum, la texture doit passer par l'état tordu de 180~
(figure 6e). Cet état intermédiaire forme une barrière qui stabilise l'état fléchi
tant que (~1 +a2)/2<~c. L'angle critique ~c varie d'environ 45~ pour les
composés dont l'énergie de torsion est très faible, à 90~ (état fléchi toujours
stable) pour les composés dont les énergies élastiques de flexion et de
torsion sont égales.
D'autre part, il suffit de remplacer l'ancrage sur la lame 2 par un
ancrage presque dégénéré. Dans ce cas seulement les positions (p2=~ et
(P2=180~ sur le cône ~2=~20 sont stables et une faible barrière due à
I'ancrage azimutal W~ les sépare. La texture 6d se transforme alors en une
texture conique tordue, qui reste stable si la barrière d'ancrage W~p est plus
grande que l'énergie volumique de torsion. On obtient donc un afficheur
bistable. Pour effacer la texture tordue il suffit d'appliquer une nouvelle
impulsion et de couper cette fois progressivement le champ. L'interaction
hydrodynamique est maintenant absente et une faible interaction elastique
de volume favorise le retour dans l'état "uniforme" de la figure 6a: I'afficheurest effacé.
.
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Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de
réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toute variante
conforme à son esprit.
En particulier dans le cadre de la présente invention, on peut
5 envisager:
- une commande de l'ancrage cassé par un effet hydrodynamique de
volume,
- une commande de l'ancrage cassé par la superposition de deux effets
hydrodynamiques - de volume et de surface,
10 - une commutation sans cassure complète de la surface par rotation du
directeur sur le cône de l'ancrage dégénéré.
Selon encore une autre variante, on peut envisager de casser
l'ancrage sur les deux plaques (Dans le cas d'un cristal liquide d'anisotropie
diélectrique positive, on obtient alors sous champ un etat uniforme
15 homéotrope, respectivement planaire pour un anisotropie négative). Sans
contrôle complémentaire après suppression du champ, I'état final peut être
aléatoire. Mais si cela est souhaité, on peut contrôler l'état final de la
structure avec une commande complémentaire, telle qu'un champ
electrique ou un écoulement d'orientation adéquate, par exemple horizontal.
20 1.2 a) Commande de l'ancrage cassé par un effet hydrodynamique de
volume.
L'effet hydrodynamique précédemment décrit (fig 6c) est créé par le
retour rapide des molécules sur la lame 1 vers leur orientation initiale, sous
l'action du couple d'ancrage sur cette surface. Si l'ancrage sur la lame 1 est
25 très fort, pendant l'impulsion de commande, les molécules près de cette
surface ne changent pas leur orientation et on obtient la texture de la figure
7b: la texture est homéotrope partout, sauf dans une mince couche
volumique au voisinage de la lame 1. Après la coupure du champ les
molécules sur la surface 1 ne se réorientent pas et donc, il n'y a pas un effet
30 hydrodynamique de surface. Néanmoins, la relaxation de la couche
volumique fortement déformée vers une texture plus homogène, crée un
écouiement hydrodynamique de volume (figure 7c), connu comme effet
"blackflo~' (voir document [10]). Cet écoulement diffuse vers la lame 2 et
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commande l'ancrage cassé sur cette lame, exactement de la même façon
gue dans le cas d'un effet hydrodynamique de surface.
On obtient alors un état équivalent à celui illustré sur les figures 6d
et 7d, c'est à dire soit un état stable si ~, et ~2 sont faibles, soit un état qui
5 évolue vers les états illustrés sur les figures 7e et 7f.
Sur la figure 7 on a illustré un ancrage planaire sur la lame 1.
Cependant en variante cet ancrage sur la lame 1 pourrait être oblique.
1.2 b) Commande de l'ancrage cassé par la superposition de d eux effets
hydrodynamiques - de volume et de surface.
Finalement, les écoulements créés par les deux effets
hydrodynamiques, de surface et de volume, sont dans la même direction et
donc ils s'ajoutent: en pratique, la surface cassée est commandée par la
superposition des deux effets.
1.2 c) Commutation sans cassure complete de la surface par rotation du
15 directeur sur le cone de l'ancrage dégénéré.
La commutation décrite sur la figure 6 nécessite une cassure
complète de l'ancrage zénithal: sous champ électrique E > Ec2, les
molécules au voisinage de la lame 2 sont alignées exactement parallèles à
sa norma!e. Pourtant, les ancrages dégénérés sont très anisotropes: le
20 seuil de cassure Ec2 de l'ancrage zénithal est fini, mais l'ancrage azimuthalest infiniment mou et le seuil de cassure correspondant est strictement zéro
(ou très bas pour les ancrages presque dégénérés). Cette anisotropie
permet de commuter facilement de la texture illustrée sur la figure 6a vers
la texture illustrée sur la figure 6d sans passer par la normale à la plaque,
25 mais en tournant autour d'elle sur le cône de l'ancrage dégénéré, ou sur un
cône plus proche de la normale (figure 8). Sous champ électrique plus bas
que le seuil de cassure (E < Ec2) les molécules sur la lame 2 restent à un
angle fini par rapport à la normale (figure 8b). A la coupure du champ,
I'écoulement hydrodynamique créé par l'autre lame et la couche volumique
30 déformee, entrainent le directeur vers (p = 0. Les molécules tournent
maintenant (figure 8c) autour de la normale (à gauche ou à droite par
hasard), en restant presque au même angle zénithal ~32- Sous l'action
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superposée de l'écoulement et de l'ancrage zénithal (qui les tire vers ~32 =
~20) le système relaxe vers la texture (8d), identique à celle des figures 6d
et 7d. Pour un ancrage dégénéré, seul un faible couple de torsion élastique
s'oppose à la commutation. Pour un ancrage presque dégenéré, un faible
5 couple d'ancrage azimuthal s'y ajoute. Dans les deux cas pourtant, la
commutation est beaucoup plus efficace que dans le cas de cassure
complète de l'ancrage zénithal.
1.3 - RESULTATS EXPERIMENTAUX
Pour étudier le fonctionnement du dispositif proposé, les inventeurs
10 ont réalisé plusieurs cellules avec des ancrages dégénérés ou presque
dégénérés.
Un premier type de cellules utilise une lame recouverte avec une
fine couche de GLYMO (avec une épaisseur de l'ordre de 100A) sur une
électrode transparente d'lTO, qui donne un ancrage planaire dégénéré du
15 nématique 5CB. Le GLYMO est greffé chimiquement sur la surface et est
réticulé pour former une couche stable et insoluble dans le cristal liquide.
L'autre lame dans la cellule est toujours traitée par évaporation de SiO
(82~, 105 nm, ancrage fort, monostable, incliné à a1o de l'ordre de 55~).
L'épaisseur des cellules était comprise entre 1,um et 4~m.
Après le remplissage, les cellules montrent toujours une texture
plane, sans aucune torsion. Après l'application des impulsions électriques
courtes, les inventeurs ont observé une commutation vers une texture
tordue de 180~. Cette texture est transitoire et spontanément se transforme
à nouveau dans la texture initiale, après un temps d'effacement le. Ce
temps est de l'ordre de 10 à 100 ms et il est proportionnel au carré de
l'epaisseur de la cellule.
~'énergie d'ancrage zénithal pour ces cellules est relativement forte,
comparable à celle obtenue avec du SiO évaporé monostable. Ec est de
l'ordre de 10Vl,um pour I = 1 ms. La figure 9 est l'enregistrement de la
transmission optique de la cellule entre polariseurs croisés suite à
l'application d'une impulsion de commande 30. On a rajouté sur la figure 9
les correspondances avec les états expliqués en regard de la figure 6. On
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notera que le maximum de transmission est obtenu pour l'état 6e. Sur cette
cellule, dont la réponse optique n'est pas optimisée, Jes inventeurs ont
mesuré un contraste meilleur que 100:1.
Une autre série de cellules typiques a été réalisée avec des lames 2
5 couvertes par du polyisoprene qui donnent pour le 5CB un ancrage conique
dégénéré. Comme contre-lames 1, les inventeurs ont utilisé des plaques de
verre avec des électrodes transparentes, couvertes soit par du polyimide
frotté (ancrage fort planaire, monostable), soit par SiO évaporé (82~, 105
nm, ancrage fort, monostable, incliné à environ 55~).
Au remplissage, tous les échantillons montrent des textures planes,
avec le directeur dans le plan défini par l'ancrage monostable sur la contre-
lame 1. Dans le cas de contre-lame 1 traitée par SiO (ancrage incliné), une
seule texture inclinée, presque uniforme, est obseNée, similaire à la texture
de la figure 6a. Dans le cas d'une contre-lame 1 planaire (polyimide frotté),
15 les deux textures plates schématisées sur la figure 10, coexistent, séparées
par des défauts.
En appliquant de courtes impulsions électriques, les inventeurs ont
observé une transition des cellules dans l'état "inscrit", tordue à 180~. Les
seuils d'inscription Ec(l) mesurés pour ces cellules sont présentés sur la
20 figure 11. Le seuil statique de cassure de surface est très bas pour le
polyisoprene (Ec de l'ordre de 1,5V/lum, un ordre de grandeur plus faible
que le polyimide). Du point de vue pratique cette propriété est très
importante: le dispositif peut être commandé avec de faibles tensions,
même pour des impulsions courtes (U = 26V pour I de l'ordre de 10,us et
25 une cellule de 2,um). Malgré sa faible valeur, I'énergie d'ancrage est très
uniforme sur la surface de la cellule, ceci résulte en pratique en un seuil
d'inscription tres bien défini et constant sur de grandes surfaces.
Sur la figure 12 est présenté le seuil de cassure de l'ancrage du
5CB en fonction de la durée de l'impulsion pour un traitement de
30 polystyrène greffé sur 1' ITO. Pour ce revêtement aussi le seuil est
raisonnablement bas (E~3volV,um pour ~ = 1ms) et très bien reproductible.
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Le même seuil a été obtenu aussi pour les ancrages presque dégénérés
obtenus par frottement mécanique de la couche de polystyrène greffée.
Le temps le est une caractéristique importante de l'afficheur
monostable (qui s'efface spontanément) et il doit être ajusté selon la
5 fréquence de rafraîchissement. Ce temps dépend de plusieurs paramètres:
épaisseur de la cellule, géométrie des ancrages, durée et tension de
l'impulsion de commande.
Sur la figure 13 ~e est présenté en fonction du carré de l'épaisseur
de la cellule "d" pour des échantillons différents, contenant le nématique
10 5CB. La lame d'ancrage degénéré 2 est toujours couverte par du
polyisoprene (ancrage conique dégénéré sans aucune mémoire). Deux
types de contre-lames 1 ont été utilisées: ancrage planaire monostable sur
polyimide frotté (courbe a) et ancrage incliné monostable sur SiO évaporé
(courbe b). La dépendance de le en d2 est bien connue de l'homme de l'art
15 : elle peut être déduite de la condition d'équilibre entre le couple élastique
de torsion de volume qui oblige le directeur à tourner sur le cône d'ancrage,
et le couple visqueux qui s'y oppose. On observe aussi que le est plus long
pour un ancrage oblique sur la contre-lame: ces cellules ont un angle
moyen ~ plus petit et donc les energies de leur texture fléchie (figure 6d) et
20 tordue (figure 6e) sont très proches. Le couple élastique de torsion devient
petit et le temps de relaxation le se rallonge.
Sur la figure 14 est présentée la réponse optique d'une cellule
(5CB, lame 2 polyisoprene, contre-lame 1 SiO oblique, épaisseur 2,3 ~m)
pour des impulsions de commande d'une durée fixe (I = 50 ,us) et
25 différentes tensions. Plus précisément sur la figure 14 on a représenté 4
courbes a, b, c et d qui correspondent respectivement à quatre tensions de
commande de 13,4 V, 13,5 V, 14 V et 15V. On voit sur la figure 14 que, au
dessous d'un seuil bien défini Uc de l'ordre de 13,4 volts, on n'observe
aucune transmission. A U > Uc la transmission augmente avec la tension
30 appliquée pendant l'impulsion de commande. A U supérieur ou égal à US -
15 V, I'intensité de la transmission sature a sa valeur maximale et ne
change plus. Cette dépendance, decouverte par les inventeurs, peut
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s'expliquer de la façon suivante: à forte tension (U > US) I'ancrage sur la
lame polyisoprene est cassé complètement et, à la fin de l'impulsion la
commande hydrodynamique est très effficace, imposant un retour rapide du
directeur vers la position ~ = ~0, (p = 0~ (figure 6d) aidé par l'ancrage
5 zénithal. La texture fléchie ainsi réalisée est plane et la transmission optique
est faible. Pour l'instant, aucun couple azimutal n'est appliqué à la texture etl'ancrage ne glisse pas. Comme déjà expliqué, la texture (figure 6d) est
instable et elle se transforme dans la texture tordue de la figure 6e, qui tire
sur la surface 2 et oblige l'ancrage à glisser, conduisant en passant par la
10 texture de la figure 6f à la texture finale de la figure 6a. Pendant les
transformations consécutives de la texture de la figure 6d vers la texture de
la hgure 6a, la texture est tordue et l'intensité transmise est forte.
Quand la tension de commande est faible (U de l'ordre de Uc),
I'ancrage zénithal de la lame 2 n'est pas complètement cassé et, à la fin de
15 I'impulsion le directeur tourne autour de la normale sur un cône de faible
ouverture ~32 < ~320. Cette fois, I'effet hydrodynamique et l'ancrage zénithal
tirent les molécules dans deux directions différentes: respectivement vers
le demi-plan ~ = 0~ et vers le cône d'ancrage ~32 = ~320 A la fin de
l'écoulement, on n'obtient pas la texture plane de la figure 6d, mais une
20 texture tordue, selon la hgure 6f. Rapidement cette texture se détord et
donne la texture initiale de la figure 6a. En plus, toutes les textures
intermédiaires sont proches de l'homéotrope et donc la transmission
correspondante entre polariseurs croisés est faible.
Ce modèle explique le comportement des courbes l(t) sur la figure
25 14, notamment la croissance du temps de relaxation et de l'intensité
maximale avec la tension. Des courbes similaires ont été obtenues et
expliquées par les inventeurs, avec une tension de commande fixe (U = 25
volts) et duree I variable: pour I - 14 ,us la réponse optique est nulle; à 14
IJS < I <16 ,us l'intensité transmise croît progressivement, à I supérieur ou
30 égal à 16 ,us le signal optique sature et ne dépend plus de ~. La
dépendance de l'intensité transmise après l'impulsion de I et U est très
importante du point de vue pratique: elle permet d'utiliser l'afficheur
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proposé dans un mode de fonctionnement "teintes de gris", très important
pour l'affichage en couleur. Il s'agit de la possibilité de changer la luminosité
du pixel en changeant la tension ou la durée de la courte impulsion de
commande.
Ainsi pour définir des teintes de gris, on peut appliquer des
impulsions proches du seuil de cassure, par exemple sous forme
d'impulsions de durée fixe et d'amplitude comprise entre Uc et Uc-20% ou
d'impulsions d'amplitude fixe et de durée comprise entre ~c et Ic-20% (Tc
représentant la durée d'impulsion requise pour casser l'ancrage pour une
amplitude donnée, voir par exemple figures 11 et 12).
La grande fidélité des seuils Uc et lc et la montée rapide de la
luminosité pour un faible changement des paramètres (U ou ~) rendent
possible un taux élevé de multiplexage de l'afficheur, en conservant les
teintes de gris. Par exemple, on peut inscrire l'affficheur ligne par ligne avec15 une tension Uligne = (Uc + Us)12 sur la ligne active et (Uc - Us)/2 < Ucol <
(Us - Uc)12 sur les colonnes. De cette façon7 la tension résultante dans les
pixels sur la ligne active varie entre Uc et Us. L'intensité de la lumière
transmise peut donc varier entre zéro et la valeur maximale. La tension sur
les lignes- non adressées reste inférieure à la tension de l'instabilité de
20 Fredericks [10].
Pour éviter un papillotement de l'image on peut utiliser une période
de rafraîchissements de l'image inférieure au temps d'effacement le.
La figure 15 donne le signal optique en fonction du temps pour des
impulsions de rafraîchissement de fréquence de répétition fixe et différentes
25 amplitudes de ces impulsions. Dans ce cas les inventeurs ont montré que le
dispositif fonctionne dans le mode rms: le signal optique moyen est fonction
de la moyenne du carré de la tension appliquée.
La figure 16 indique l'intensité lumineuse moyenne en fonction de la
tension rms (racine carrée de la moyenne du carré de la tension). On peut
30 voir que le seuil de tension est abrupt. Le rapport M entre la tension
donnant une intensité lumineuse de 90% et celle donnant 10% est proche
~ , .. . .
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de 1,025. Ceci permet de réaliser un écran dont le nombre de lignes est
donné par la formule de Alt et Pleshko ~11]:
N = [(~- +1)/(~- ~ = 1600
soit un écran de 1600 lignes.
Finalement, les inventeurs ont aussi étudié les ancrages presque
dégénérés, obtenus par superposition d'un ancrage dégénéré conique ou
planaire (couche de polyisoprene, polystyrène ou GLYM0) avec un faible
alignement monostable (frottement de la lame avant ou après le dépôt de la
couche d'ancrage dégénéré, dépôt de cette couche sur SiO évaporé ou une
10 autre surface anisotropique équivalente). Comme déjà expliqué, ces
ancrages sont des ancrages symétriques, bistables, avec une très faible
énergie d'ancrage azimutal.
Selon encore une autre variante, I'anisotropie peut être induite
grâce à une irradiation à l'aide d'un faisceau de lumière polarisée
15 ultraviolette ou visible.
Après l'application des signaux de commande, les ancrages
presque dégénérés cassent et la cellule s'inscrit, donnant la texture illustrée
sur la figure 6e. Les seuils de cassure sont les mêmes que pour les
ancrages- dégénérés correspondants. La texture inscrite ne s'efface
20 pourtant pas spontanément par glissement de l'ancrage, et reste stable à
l'échelle des secondes. A temps plus longs, la cellule s'efface par
mouvement des défauts.
Le cas échéant cet effacement spontané peut être supprimé en
ajoutant un dopant chiral au matériau cristal liquide, comme proposé dans
25 le document [9], dans un autre contexte pour l'ancrage monostable.
En bref, I'afficheur proposé dans le cadre de la presente invention,
présente les caractéristiques suivantes:
- ancrages simples à produire,
- inscription très rapide ( I < 1 0~1S pour U de l'ordre de 26 V),
30 - effacement spontané après un temps le ajustable, de l'ordre de 20 à 100
ms, i. e. comparable au taux de rafraîchissement de l'image vidéo,
. _ , . . . . .
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- teintes de gris (environ 7 à 8 teintes de gris binaires pour la cellule non-
optimisée),
- possibiiité d'obtenir une bistabilité.
On peut aussi envisager le cas où le seuil de cassure zénithal Ec2
5 de l'ancrage dégénéré est superieur au seuil de cassure zenithal Ec1 de
l'ancrage zénithal classique. Pour un champ E tel que Ec2>E>Ec1, la plaque
d'ancrage dégénéré devient la plaque maître, c'est-à-dire qu'elle va créer
l'écoulement hydrodynamique de volume et de surface qui donne l'état
fléchi dans le cas de l'inscription ou l'interaction élastique qui crée l'état
10 uniforme de la figure 6a dans le cas de l'effacement.
On peut également envisager le cas d'un traitement supprimant
toute mémoire orientationnelle azimutale sur les deux plaques.
De plus on peut envisager dans le cadre de la présente invention
d'utiliser soit un cristal liquide d'anisotropie diélectrique positive, soit un
15 cristal liquide d'anisotropie diélectrique négative.
Il.- Dispositifs utilisant un couple azimutal pour tourner l'ancraqe déqénéré.
Dans les dispositifs que nous avons decrits jusqu'à présent, le
champ appliqué est normal aux lames et le fort couple électrique casse
l'ancrage zenithal de la lame d'ancrage azimutal dégénéré. Après
20 I'impulsion de commande une nouvelle texture de volume est réalisée, qui
dans le cas du monostable revient vers la texture initiale par rotation
azimutale des molécules sur la lame d'ancrage dégénérée. Nous allons
maintenant décrire d'autres dispositifs, où un couple azimutal appliqué dans
la cellule produit une rotation azimutale. Aucune cassure d'ancrage ne se
25 réalise dans ce cas: I'ancrage azimuthal dégénéré se réoriente librement
sous un tel couple et la texture de la cellule change d'une façon progressive
et réversible puisque par définition le seuil de cassure de l'ancrage
azimuthal dégénéré est zéro. Néanmoins, ces nouveaux dispositifs se
distinguent des afficheurs traditionnels par le fait que, pendant leur
30 commutation, I'orientation du directeur tourne sur la lame d'ancrage
dégénéré: à la place de l'ancrage fort traditionnel ils utilisent un ancrage
azimuthal "infiniment faible".
11.1 - Afficheur à ancragedégénéré en champ horizontal.
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a) Géométrie du dispositif
Dans ce cas, les deux électrodes sont disposées sur une même
lame, par exemple la lame 1 sur la figure 17; elles sont parallèles à l'axe y
et distantes de L. Le champ électrique est dans le plan de la cellule
5 parallèle à l'axe x. Sur la lame 2 il n'y a pas d'électrodes et son ancrage est
conique ou planaire dégénéré, sans mémoire orientationnelle. Sur la lame
1, I'ancrage est traditionnel, monostable, planaire ou incliné avec un angle
azimuthal (p1 par rapport à l'axe x (fig. 17). La distance entre les lames est
d. Sans champ, la texture plane de la figure 17a est réalisée: partout dans
10 la cellule les molécules sont parallèles à un plan vertical, défini par (p(z)=(p1.
Cette texture est imposee uniquement par l'ancrage sur la lame 1 et par
l'élasticité de distorsion du nématique, parce qu'il n'y a aucun couple
azimuthal de surface sur la lame 2.
Quand une tension U est appliquée entre les deux électrodes, le
15 champ électrique (E = U/L) oriente le directeur n(z) parallèlement (si a~ > o)~
ou perpendiculairement (si a~ < o) à l'axe x. Sur la lame 1 I'ancrage
azimutal est fort et le directeur ne tourne pas ((p(0) = ~1). Sur la plaque 2
I'ancrage azimuthal est libre et la condition de bord est donnée par d p/dz I
Z=d = 0. Eri général on obtient sous champ une texture tordue, présentée sur
20 fig. 17b, avec une orientation p2 des molécules sur la lame dégénérée,
dépendant du champ. Cette variation de l'orientation du nématique sur la
lame 2 avec le champ distingue le dispositif proposé des autres afficheurs
déjà connus, qui utilisaient aussi des champs de commande horizontaux
mais, dont l'ancrage sur la lame 2 est fort et monostable (homéotrope
25 [documents 12 et 13], planaire ou incliné [voir références citées dans
document 14]). L'homme de l'art sait que les afficheurs à champ horizontal
sont beaucoup plus difficiles à réaliser et donc plus chers que les dispositifs
à champ vertical (normal aux lames); ils nécessitent des tensions de
commande L/d>>1 fois plus fortes, la disposition des électrodes dans le
30 pixel est compliquée, une matrice active est obligatoire pour le multiplexage.
Pourtant, les afficheurs à champ horizontal ont aussi un grand avantage:
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leur angle de vue est très grand, grâce au fait que dans tous ieurs états le
directeur reste parallèle aux lames.
b) Comparaison entre le dispositif proposé et les afficheurs en champ
horizontal et ancrages traditionnels.
Pour comprendre les avantages du dispositif proposé, il faut
comparer la variation de l'angle ~(z) au travers de la cellule (fig. 18) pour
deux afficheurs très semblables: le dispositif proposé de la fig. 17a et le
même type d'afficheur, mais avec un ancrage fort monostable sur la lame 2,
qui impose (p(d) = (P2 = (p1 Sans champ (U=0), les deux afficheurs
10 présentent une texture uniforme avec (p(z) = ~1(fig. 18, courbe a). Pour
simplifier, nous supposons ici (p1 = 90~ et ~ > 0, sans bien sûr nous limiter
à ce cas. Jusqu'à une certaine valeur-seuil de la tension Us le couple de
surface, dû à l'ancrage, domine le couple électrique de volume et la texture
reste uniforme. Pour l'ancrage traditionnel monostable le seuil est déhni par
15 U's = LU2/d, où U2 est te seuil de Frederiksz en géométrie de torsion
[document 10], environ 0,5V pour le 5CB. Pour notre dispositif à ancrage
conique sur la lame 2, le seuil est deux fois plus faible U"s = LU2/2d, grâce
à la condition d'ancrage libre sur la lame 2. Au-dessus du seuil le couple
électrique-devient sufhsamment fort pour distordre la texture. Dans le cas
20 d'ancrage traditionnel sur les deux lames, (p(z) varie dans le volume (fig. 18,
courbe b), mais reste inchangé sur les deux surfaces. Dans le cas
d'ancrage azimuthal degénéré sur la lame 2 les molécules tournent aussi
sur cette surface (fig. 18, courbe c). La torsion de la texture dans ce cas est
beaucoup plus forte.
Pour observer les transformations de texture on place la cellule
entre polariseurs croisés, dont un est parallèle au directeur sur la lame 1.
Dans le cas des deux afficheurs, si U<Us, leur cellule est une lame
biréfringente dont l'axe lent est parallèle à la polarisation de la lumière
incidente, la transmission de ces afficheurs (cellule plus polariseurs) est
nulle: I'afficheur est dans son état noir.
Pour l'afficheur connu, à ancrage fort sur les deux lames, si U>Us~
mais proche de Us la torsion dans la cellule correspond à la figure 18
. . ,
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courbe b, la condition Mauguin est satisfaite (d(p/dz<<~n/~). Alors la
polarisation de la lumière suit la direction des molécules, les torsions en
haut et en bas annulent leurs effets, I'afficheur reste noir. Pour des tensions
plus élevées la torsion de la cellule devient forte, la condition de Mauguin
5 n'est plus satisfaite près des surfaces; la lumière à la sortie de la cellule est
fortement elliptique. La transmission augmente rapidement avec la tension
mais d'une façon différente pour les différentes couleurs.
Dans le cas d'ancrage dégénéré, si U>Us mais proche de Usl la
cellule reste dans le régime guide d'onde et joue le rôle d'un rotateur de
polarisation: après avoir traversé la cellule, la polarisation de la lumière a
tourné d'un angle (P2-(:P1, le même (ou presque) pour toutes les longueurs
d'onde. La transmission augmente donc très régulièrement avec la tension
dès le dépassement du seuil et la lumière transmise reste blanche.
Tout cela reste vrai aussi dans le cas général ~1 < 90~ pour
I'ancrage dégénéré, mais dans ce cas il n'existe pas un seuil net Us et la
torsion de la texture augmente progressivement avec U. Ainsi, les teintes de
gris sont étendues sur une plus grande plage de tensions et sont donc plus
faciles à contrôler mais le contraste baisse légèrement, parce que la torsion
totale dar~s ~a cellule (p1 - (p2 devient plus petite que 90~. Pour éviter cet
inconvénient il suffit de chiraliser le nématique en le transformant en un
cholestérique de long pas 2,um < P < 10~m. La torsion dans une cellule
chiralisée est présentée schématiquement sur la fig. 19, courbe a, sans
champ, courbes b, c et d en champ croissant.
c) Avantages de l'afficheur proposé
Certains des avantages du dispositif de la fig. 17 par rapport
aux autres afficheurs en champ horizontal deviennent évidents à partir de la
discussion précédente. L'ancrage dégénére sur la lame 2 permet de baisser
la tension de commande U d'un facteur deux, ou d'utiliser des rapports L/d
deux fois plus grands à U fixe et donc de doubler la dimension des pixels.
La lumière transmise est blanche, sans aucune dispersion des couleurs.
Bien sûr, I'angle de vue est grand, comme dans tous les autres afficheurs
en champ horizontal. L'ancrage dégénéré donne aussi une grande liberté
. .
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de choix des paramètres géométriques de la cellule pour optimiser son
comportement. Par exemple, on peut optimiser l'optique de la cellule en
chiralisant le nématique et en choisissant indépendamment les orientations
(p1 et (p2 sur les deux lames par rapport au champ E. Il est possible aussi de
5 commander le dispositif par la polarité du champ: les deux surfaces étant
différentes, on peut créer une densité du dipôle de volume ou de surface
dans la cellule (par exemple flexoélectrique [document 13], ordoélectrique
[document 15]). Cette polarisation se couple avec la polarité du champ et
suivant son signe la texture est tordue à gauche ou à droite, minimisant
I'énergie due à ce couplage linéaire en E. Cet effet peut être important
quand E I n ou quand le champ est faible, parce que dans ces deux cas
l'effet linéaire est plus fort que l'effet diélectrique (quadratique en E).
d) Résultats expérimentaux
Les inventeurs ont réalisé plusieurs cellules à champ horizontal
entre une lame 1 d'ancrage fort planaire (évaporation oblique de SiO) et une
lame 2 d'ancrage conique dégénéré (polystyrène greffe). Les deux
électrodes transparentes d'lTO étaient disposées sur la lame 2 et séparées
de 100 ,um. La durée des impulsions de commande a été choisie de 40 ms,
compatible avec la durée de l'image vidéo.
Sur la fig. 20a est presentée la réponse optique d'une telle cellule (d
= 2,0 ,um, (p1 =70~, nématique 5CB pur) au champ de commande variable E
= U/L. Pour comparaison, sur la fig. 20b sont présentés les résultats
obtenus avec une cellule semblable, mais avec ancrage planaire
monostable sur la lame 2. Dans les deux cas le contraste est très bon
(~200) et l'angle de vue est large. Dans le cas d'ancrage monostable (fig.
20b) la lumière transmise est plus colorée et les champs de commande sont
environ deux fois plus élevés, comme prévu.
11.2 - Afficheur à ancrage azimutal dégénéré en champ "vertical".
Comme nous l'avons déjà expliqué, I'intérêt des dispositifs utilisant
des champs horizontaux est leur grand angle de vue. Par contre, I'avantage
des afficheurs à champ "vertical" (perpendiculaire aux lames, obtenus entre
deux électrodes transparentes déposées sur les deux lames) est leur
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simplicité et leur faible tension de commande. Nous allons maintenant
démontrer qu'en utilisant des ancrages coniques il est possible de combiner
les avantages des deux types d'afficheurs.
a) Géométrie du dispositif
Dans ce cas (fig. 21), les deux électrodes sont déposées
respectivement sur les deux lames 1 et 2. Le champ électrique E = U/d est
parallèle à la normale des lames. L'ancrage sur la lame 1 est monostable
(planaire ou oblique). Sur la lame 2 I'ancrage est planaire ou conique
dégénéré, sans mémoire. Le cristal liquide entre les lames est un
10 nématique chiralisé ou un cholestérique d'un pas P relativement large par
rapport à la longueur d'onde de la lumière visible. L'ancrage dégénéré
conique ou planaire sur la lame 2 distingue le dispositif proposé des
dispositifs d'ancrage monostable homéotrope déjà proposés dans les
documents [16] et ~17].
L'homme de l'art sait que sans contrainte extérieure, imposée par
un champ ou par les bords, le cholestérique s'enroule en hélice. Si l'axe de
l'hélice est parallèle à z, les molécules sont perpendiculaires à cet axe (~ =
90~) et (p = ~p (z) = qOz, où qs = 2~/P est le vecteur d'onde de la torsion
cholestérique spontanée. Les conditions d'ancrage de la cellule de la figure
21 obligent une texture hélicoïdale, dont l'axe de l'hélice est perpendiculaire
aux lames. Cependant, les alignements sur les lames et le champ électrique
appliqué, imposent un angle zénithal ~ = ~(z), en général différent de 90~.
Un couplage apparaît maintenant entre ~(z) et d(p(z)/dz dû à l'anisotropie
des constantes élastiques du nématique(K~_K3 > K2). En supposant que
25 K~= K3 = K ~ K2, et dans le cas d'ancrage azimuthal libre sur une des lames
nous avons la relation:
d~ qo
1 + j ~ cos~
K,
relation dans laquelle
K, = constante élastique de la déformation en éventail du cristal liquide,
30 K2 = constante élastique de la torsion,
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K3 = constante élastique de la flexion.
Il existe alors un couplage entre les distorsions zénithale et
azimutale. Si la texture est proche du planaire (~ - 90~, hg. 21a) on revient à
d(p/dz = qO. Si la texture est proche de l'homéotrope (~ << 90~) on obtient
5 une baisse de la torsion d(p/dz = qOK2/K.
Dans le dispositif proposé par les inventeurs le couplage entre p et
~3 joue le rôle d'un "convertisseur" de couple. Il transforme les couples
zénithaux, créés directement par le champ vertical, en couples azimutaux.
Ainsi, grâce à l'ancrage azimutal libre sur la lame 2, I'angle (p2 change sous
10 I'action du champ (fig. 21b, nous supposons sur cette figure ~E > 0). Entre
polariseurs croisés on obtient un changement de l'intensité transmise. Si P
et ~n sont grands, la texture est presque planaire, on travaille en régime de
guide d'onde et à la sortie de la cellule la polarisation est plus ou moins
tournée, selon le champ appliqué. Ce régime est facilement réalisable avec
15 des ancrages obliques sur les deux lames et ~E < O (~3 < 90~ sans champ,
~_90~ sous champ). Si P est petit eVou la texture est proche de
l'homéotrope (~ << 90~), le régime de guide d'onde est perturbé et à la
sortie de !a cellule la lumière est plus ou moins elliptique, selon le champ.
Ce regime est facilement réalisé avec des ancrages planaires (ou proches
20 du planaire) sur les deux lames et ~E > 0 (texture presque homéotrope sous
champ).
b) Avantages du dispositif proposé
Le dispositif proposé présente de nombreux avantages par rapport
aux dispositifs basés sur des ancrages traditionnels. Par rapport aux
25 afficheurs en champ horizontal ces avantages sont:
~ simplicité de réalisation,
~ possibilité de faire des pixels de taille et de forme arbitraire,
~ faibles tensions de commande, possibilité d'opérer en régime
passif (sans matrice active),
~ bonne colorimétrie dans le cas d'operation en guide d'onde.
Par rapport aux afficheurs en champ vertical et ancrage traditionnel
ces avantages sont:
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~ grand angle de vue,
~ bonne colorimétrie en cas de guide d'onde
~ possibilité de forts changements de texture et donc de ~p, sans
apparition de défaut (ces variations peuvent être ainsi très rapides et
5 réversibles).
b) Résultats expérimentaux
Pour démontrer les performances du dispositif proposé en champ
vertical les inventeurs ont réalisé plusieurs cellules entre deux lames de
verre, avec des électrodes transparentes d'lTO sur les surfaces intérieures
des lames. Dans tous les cas l'ancrage est traditionnel et monostable sur la
lame 1 et conique ou planaire dégénéré sur la lame 2. Le nématique 5CB
est chiralisé pour obtenir une torsion spontanée, d'un pas P très supérieur à
la longueur d'onde.
Sur la figure 22 est présentée la réponse optique d'une telle cellule
à une impulsion électrique de durée I = 40 ms (compatible avec la
fréquence vidéo) et de tension U entre 1,0 et 3,0 V. L'ancrage est oblique
monostable (SiO) sur la lame 1 et conique dégénéré (polystyrène greffé) sur
la lame 2. L'épaisseur de la cellule est d = 4,0 ,um et le pas cholesterique
est P _ 5,0 ,um. La torsion dans la cellule varie entre ~270~ sans champ et
-160~ sous fort champ. Cette forte torsion assure un large angle de vue,
comparable aux afficheurs supertwistés. Les temps de réponse sont
compatibles avec la fréquence de l'image vidéo et le contraste (non
optimisé) est d'environ 20.
Sur la figure 23 est présentée la réponse optique pour une autre
cellule, avec les mêmes ancrages, mais avec d = 2,9 ,um et P _ 2,6 ,um.
Grâce à l'épaisseur plus fine, les temps de relaxation sont plus rapides sur
cette cellule, permettant des rafraîchissements de l'image plus fréquents
(par exemple 16,6 ms pour le standard NTSC). Le contraste de cette cellule
est très bon, d'environ 140.
Dans ces deux cellules, le pas de l'hélice n'est pas assez grand
pour satisfaire la condition de Mauguin ~nP~>~. Le régime de guide d'onde
est donc perturbé et la dispersion des couleurs n'est pas complètement
,
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évitée. Aussi, les inventeurs ont observés dans ces cellules à forte torsion
totale des modulations de la texture, déjà observées pour des cellules
hybrides [document 17]. Ces modulations continues, sans ligne de défaut,
sont dues à l'ancrage conique sur la lame 2 et pour de faibles épaisseurs (d
5 ~ P) ils remplacent les vrais défauts ("fingerprints") observés dans les
cholestériques sous ancrages monostables. Les temps de réponse dans
notre cas ne sont pas influencés par les modulations de texture il n'y a
aucun hystérésis, parce qu'il n'y a pas de création ni de transport de
défauts.
Les modulations sont observées dans l'état sans champ, qui est
l'état clair pour l'afficheur proposé, et elles ne dégradent pas le contraste.
Sur la figure 24 nous présentons la réponse optique d'une cellule à
long pas (P ~ 13 ,um), qui travaille dans le régime de guide d'onde et qui a
une meilleure colorimétrie. Cette cellule a une épaisseur d ~ 3,7 ,um,
15 ancrage planaire monostable (SiO) sur la lame 1 et ancrage planaire
dé~énéré (traitement par Glymo) sur la lame 2. La torsion totale de cette
cellule est petite et il n'y a pas de modulation de la texture.
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