Brevet FR2133987A1 — publié le 19721201

La présente invention concerne une cellule photoélectrique d'affichage, avec une phase cristal liquide n^matique, comprise entre deux électrodes parallèles et dont la transparence en lumière polarisée est variable, sur certaines plages spectrales au moins, en fonction de la tension appliquées aux électrodes en regard. Une phase cristal liquide nêmatique sera appelée cristal liquide par la suite. Il est connu que les cristaux liquides, et notamment les liquides à phases nématiques, disposés sous forme d'une couche mince entre des électrodes, présentent des propriétés optiques différentes sous des tensions différentes, quand ils sont observés en réflexion ou en transmission. Ce phénomène est déjà utilisé pour la fabrication de modulateurs de lumière et d'éléments d'affichage. C'est ainsi que des cellules ont déjà été décrites, dont le cristal liquide se trouve dans un état plus ou moins désordonné en l'absence de tension électrique et passe dans l'état de diffusion dynamique lors de l'application d'une tension électrique. On constate optiquement que les parties du cristal liquide se trouvant dans le champ électrique deviennent plus claires lors de l'application d'une tension électrique. Des tensions inférieures à 50 V environ suffisent pour produire ce phénomène, qui peut généralement être obtenu sous une tension continue aussi bien qu'alternative. Il semble toutefois que la durée de vie de telles cellules soit nettement supérieure en' fonctionnement sous tension alternative. Le contraste obtenu avec les cellules connues entre les deux états optiques est certes suffisant, mais son augmentation permettrait une application plus généralisée de telles cellules. I Il a déjà été proposé par ailleurs de réaliser un écran matriciel avec une telle cellule à cristal liquide, ce qui n'offre aucune difficulté en principe. Le phénomène de luminosité secondaire est toutefois gênant, comme dans le cas de tous les écrans matriciels : outre le point attaqué, tous les points de la ligne et de la colonne correspondantes deviennent lumineux, même si leur intensité est plus faible. Ce phénomène secondaire gênant peut être supprimé par la disposition en amont d'éléments non-linéaires, mais cette solution exige un appareillage plus important. L'invention a pour objet une nouvelle cellule d'affichage du type précité, nettement améliorée, notamment en ce qui concerne le contraste entre les deux états optiques, et se prêtant particulièrement bien à l'emploi dans un écran matriciel. 72 14070 2 2133987 Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la phase cristal liquide est disposée dans la cellule de façon que son axe optique principal soit perpendiculaire aux électrodes (état à phases orientées) en l'absence de tension et dévie par rapport à la normale aux électrodes (état à phases inclinées) lors de l'application d'une faible tension électrique, de préférence inférieure à 1 V et notamment inférieure à 10 V, et la phase cristal liquide ne passe dans l'état de diffusion dynamique qu'après un accroissement de la tension. L'invention assure une augmentation notable du contraste maximal passible de la cellule et une non-linéarité particulièrement élevée de la caractéristique de fonctionnement K ■ f(U,u)), avec K ■ contraste, U M tension aux bornes de la cellule et œ ■ fréquence de fonctionnement. Grâce à la non-linéarité élevée de leur caractéristique, les cellules selon l'invention se prêtent particulièrement bien à la réalisation d'écrans matriciels, car le phénomène de diaphonie appelé "effet croisé" est réduit de façon suffisante en pratique sans aucune disposition externe supplémentaire. Dans la cellule d'affichage selon l'invention, la phase cristal liquide présente, en l'absence de tension, un état ordonné tel que le 3 2 degré d'ordre S = 1 - sin 0 est maximal et l'axe principal moyen des molécules de l'édifice (correspondant sensiblement à l'axe optique principal) est perpendiculaire aux électrodes (état à "phases orientées1). Selon la caractéristique essentielle de l'invention, l'application aux électrodes de la cellule d'une faible tension électrique continue ou alternative, de préférence inférieure à 20 V et notamment inférieure à 10 V, fait varier l'angle entre l'axe principal et la normale à la surface des électrodes (état à "phases inclinées"). Cette variation angulaire entre les positions des phases décrites est extrêmement sensible à la tension. Ce pivotement des phases permet, de la façon décrite en détail ultérieurement, de réaliser une double commande lumineuse efficace, d'une part par rotation du plan de polarisation de la lumière incidente et d'autre part par variation de l'absorption spectrale de colorants pléo-chroîques. Le domaine de la diffusion dynamique connue est atteint pour une tension plus élevée aux bornes de la cellule, selon la fréquence de fonctionnement. Selon une autre caractéristique de l'invention, on utilise des 72 14070 3 2133987 cellules de grande surface à phases orientées, avec une épaisseur de couche comprise entre quelques D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de 10 réalisation préférentielle et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente le schéma d'une cellule selon l'invention; la figure 2 représente la caractéristique d'une cellule selon l'invention; la figure 3 représente un dispositif d'affichage selon l'invention et la figure 4 est une élévation suivant la flèche de la figure 3. 15 . La phase cristal liquide 4 est disposée entre deux plaques la et 1b transparentes, isolantes et dont les surfaces en regard sont recouvertes d'une couche conductrice transparente 2a et 2b, de façon que l'axe principal de l'édifice moléculaire forme sensiblement un angle 0=0° avec la normale aux surfaces en l'absence de tension. La distance entre 20 les plaques est fixée par des cales 3. L'application d'une tension U entre les électrodes 2a et 2b fait pivoter l'axe principal de l'édifice moléculaire d'un angle 0 déterminé par rapport à la normale aux surfaces, car l'axe moléculaire et le moment de dip31e des cristaux liquides néma-tiques ne présente généralement pas la même direction. 25 L'ordonnée K sur la figure 2 peut être une grandeur optique carac- I téristique, telle que le contraste de luminosité ou de couleur. Le contraste entre des niçois croisés est représenté en ordonnée sur la figure 2 et la tension U aux bornes de la cellule en abscisse. Aucun phénomène notable n'est décelé quand la tension U croît jusqu'à la ten-30 sion de seuil useui^. Une transition rapide apparaît quand U > ^seu£j_ et le phénomène de basculement est terminé à la tension de saturation U . Le domaine situé entre U et U est extrêmement petit, de sat seuil sat l'ordre de 1 V. Un nouvel accroissement de la tension aboutit finalement dans le domaine de la diffusion dynamique (partie de la courbe décrois-35 santé), c'est-à-dire que l'état ordonné de la cellule disparaît. Le plateau (domaine à contraste K sensiblement constant) dépend de la conductibilité de la cellule et/ou de la fréquence de la tension alternative 72 14070 4 2133987 appliquée. L'expérience montre que la dimension de ce domaine croît avec la fréquence, de sorte qu'une largeur de plateau suffisante peut être trouvée pour toute conductibilité de la cellule. La non-linéarité élevée de la caractéristique sur la plage de tension entre U et U permet S6U11 Seiu 5 de trouver facilement une tension de fonctionnement U_ appropriée de la cellule, de façon que soit inférieure à useu:Q5 ce qui est particu lièrement important pour la cellule d'écran matriciel. Le principe de basculement de phases orientées selon l'invention est applicable de multiples façons à la modulation de la lumière, comme 10 précédemment indiqué. L'obtention d'effets techniquement utilisables exige dans tous les cas une grande activité optique des cristaux liquides biréfringents. Le mécanisme sur lequel repose l'invention est décrit ci-dessous à l'aide de quelques exemples. Tous les exemples d'application présentent une caractéristique 15 commune, l'irradiation simple (ou double en cas de réflexion sur la surface postérieure 5 du substrat la, qui peut être réfléchissante) de la cellule à cristal liquide par une lumière polarisée monochromatique ou blanche. Par suite de l'orientation selon l'invention des phases cristal liquide nématiques, l'axe optique principal est parallèle à la 20 direction d'incidence de la lumière parallèle, en l'absence de tension appliquée à la cellule. Deux cas sont distingués ci-dessous, à savoir l'utilisation de cristaux liquides avec ou sans addition de colorants pléochroïques. Dans le premier cas (cristal liquide sans addition de colorants), 25 la disposition de la cellule entre des niçois croisés arrête la lumière en l'absence de tension et la laisse passer quand une tension est appliquée, par suite de la rotation du plan de polarisation par pivotement de phase (cf. figure 2). Le contraste peut présenter des valeurs très élevées. Une inversion du phénomène est concevable en principe, quand 30 le polariseur 6 et l'analyseur 7 sont disposés parallèlement. Des posi tions intermédiaires sont également possibles. En cas d'addition de colorants pléochroïques à des cristaux liquides nématiques, le pivotement des molécules de la matrice nématique en fonction de la tension permet d'obtenir me orientation forcée importante 35 des colorants et par suite une transmission spectrale variable de la cellule. Il est possible d'obtenir dans ce cas divers effets de couleur lors de la commutation, selon la position de l'analyseur 7. En l'absence 72 14070 5 2133987 d'analyseur, on obtient simplement une translation spectrale du domaine d'absorption. Avec l'analyseur, et selon sa position et en fonction des caractéristiques spectrales du colorant pléochrolCque, on obtient de multiples couleurs par mélange soustractif de couleurs de polarisation 5 et de couleurs d'absorption. On obtient un dispositif particulièrement avantageux selon l'invention quand la lumière sensiblement parallèle tombe sur un verre dépoli 8, après avoir traversé le polariseur 6, la cellule et le cas échéant l'analyseur 7, car l'angle d'observation possible du dispositif est alors 10 augmenté. Il est alors possible de lire aussi des éléments de graade s urface. La production de cellules d'affichage selon l'invention s'effectue de préférence comme suit : le cristal liquide est disposé entre deux plaques isolantes, que des cales maintiennent à la distance voulue d'en-15 viron 10 à 100 p.. Les électrodes sont de préférence des couches d'oxyde stannique (SnÛ2), déposées sur des plaques isolantes, en verre de préférence. Il est particulièrement avantageux, avant l'assemblage de la cellule, de soumettre les plaques de recouvrement portant déjà les couches d'oxyde stannique à un traitement thermique à une température supérieure 20 à 250°C, la température étant utilement portée juste au-dessous du point de ramollissement des plaques de verre. Après l'assemblage mécanique de la cellule, le cristal liquide est introduit par une ouverture des plaques de recouvrement, qui est ensuite obturée. L'expérience montre qu'il est particulièrement utile d'utiliser un cristal liquide contenant 25 une très faible quantité d'eau. La teneur en eau doit être inférieure à 0,5 %, et notamment inférieure à 0,1 %. Une grande pureté du cristal • I liquide favorise en outre l'orientation des phases. Il convient, dans la mesure du possible, de ne pas mettre le cristal liquide en contact avec des substances dont les surfaces limites 30 présentent des groupes polaires terminaux. Il convient en outre d'éviter l'emploi de matières plastiques à proximité du cristal liquide. Il est très avantageux d'encapsuler la cellule d'affichage à l'aide d'un verre de soudure. Cette opération impose la réalisation des cales 3 en verre, céramique ou métal. 35 La figure 3 représente un dispositif d'affichage selon l'invention,, sous forme d'un tableau matriciel. Les deux plaques de recouvrement 1 et la en verre sont maintenues à la distance désirée par des cales 3. 72 14070 6 2133987 Les surfaces en regard des plaques de verre 1 et la portent des conducteurs parallèles 2 et 2a en oxyde stannique (SnC^). Les deux plaques de recouvrement 1 et la sont disposées de façon que les conducteurs de la plaque 1 soient perpendiculaires aux conducteurs parallèles de la plaque la. Le cristal liquide 4 est disposé entre ces deux plaques de recouvrement (figure 4). L'application d'une tension électrique à un conducteur de chaque plaque, comme le montre la figure 3, fait passer le cristal liquide, dans le domaine du point d'intersection des deux conducteurs, de l'état à phases orientées dans l'état à phases inclinées, quand la tension appliquée correspond sensiblement à la tension selon figure 2. Les éléments de la ligne et de la colonne considérées, contenant le point d'intersection sélecté, ne subissent aucune déviation, car la tension Ug^ leur est appliquée est inférieure à Ugeu^. Il est ainsi possible de réaliser des écrans matriciels avec des cristaux liquides, sans mesure supplémentaire en vue de la réduction de l'effet croisé. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. 72 14070 7 2133987 Revendications 1. Cellule photoélectrique d'affichage avec une phase cristal liquide nématique, comprise entre deux électrodes parallèles et dont la transparence en lumière polarisée est variable, sur certaines plages spec- 5 traies au moins, en fonction de la tension appliquée aux électrodes en regard, ladite cellule étant caractérisée en ce que la phase cristal liquide est disposée dans la cellule de façon que son axe optique principal soit perpendiculaire aux électrodes (état à phases orientées) en l'absence de tension et dévie par rapport à la perpendiculaire aux 10 électrodes (état à phases inclinées) lors de l'application d'une faible tension électrique, de préférence inférieure à 20 V et notamment inférieure à 10 V, et la phase cristal liquide ne passe dans l'état de diffusion dynamique qu'après un accroissement de la tension. 2. Cellule photoélectrique d'affichage selon revendication 1, carac-15 térisée par l'emploi d'une phase cristal liquide dont la teneur en eau est inférieure à 0,5 %, et notamment inférieure à 0,1 %. 3. Cellule photoélectrique d'affichage selon une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'une électrode au moins est constituée par de l'oxyde stannique, déposé sur un isolant, du verre notamment, et 20 ayant subi avant la mise en place de la phase cristal liquide un traite ment à température élevée, supérieure à 250°C notamment, et de préférence juste au-dessous du point de transformation du verre. 4. Cellule photoélectrique d'affichage selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'une des électrodes en regard au 25 moins est constituée par plusieurs électrodes sélectables séparément. • 5. Cellule photoélectrique d'affichage selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les deux électrodes en regard sont constituées par des conducteurs parallèles, sélectables séparément et disposés perpendiculairement (matrice). 30 6. Cellule photoélectrique d'affichage selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée par son utilisation de façon à ne fonctionner pour l'affichage qu'alternativement dans l'état à phases orientées et dans l'état à phases inclinées. 7. Cellule photoélectrique d'affichage selon revendication 6, caracté-35 risée par son utilisation en écran matriciel. 8. Cellule photoélectrique d'affichage selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la phase cristal liquide contient 72 14070 8 2133987 au moins un colorant pléochroTque. 9. Cellule photoélectrique d'affichage selon une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée par sa disposition entre un polariseur et un analyseur pour l'observation en transmission. 5 10. Cellule photoélectrique d'affichage selon une quelconque des reven dications 1 à 9, caractérisée par l'observation en transmission à travers un verre dépoli. 11. Cellule photoélectrique d'affichage selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée par la fermeture étanche de la cellule à 10 l'aide d'un verre de soudure, dans la mesure au moins où il existe un contact entre la phase cristal liquide et la masse d'étanchélté.