Brevet FR2279183A1 — publié le 19760213

La présente invention a pour objet un dispositif d'affichage a cristaux liquides. Elle trouve une application en optoélectronique et notamment dans l'affichage de caractères alphanumériques. On connaît de nombreux dispositifs d'affichage de caractères alphanumériques qui utilisent les cristaux liquides. Certains font appel au phénomène de diffusion dynamique de la lumière (en terminologie anglo-saxonne "dynamic scattering mode"), d'autres tirent parti du phénomène d'orientation collective des molécules d'un cristal liquide, sous l'action d'un champ électrique. Le dispositif de la présente invention appartient à la seconde catégorie. Dans cette catégorie, entrent en particulier des dispositifs dans lesquels le cristal liquide utilisé appartient a la famille des cristaux nématiques et présente une structure en hélice (en terminologie anglo-saxonne "twisted nematic"). L'effet utilisé, dans ce genre de dispositif, est le débobinage de la structure en hélice sous l'influence d'un champ électrique, qui rend le film de cristal liquide homéotrope. La cellule contenant le film de cristal liquide est généralement placée entre polariseur et analyseur parallèles, lors d'un fonctionnement en transmission (conduisant à un affichage blanc sur fond noir) ou entre polariseurs croisés pour un fonctionnement en réflexion (affichage noir sur fond blanc). De tels dispositifs présentent les inconvénients suivants : l'affichage du caractère désiré se ramène a lrobser vation d'une structure homéotrope entre polariseur et analyseur croisés (si le dispositif fonctionne en réflexion), ce qui conduit à un faible angle de vue, qui dépend d'ailleurs de l'épaisseur du cristal liquide. De plus, et comme on le verra de façon plus précise par la suite, dans de telles cellules, la structure en hélice n'est jamais parfaitement débobinée par le champ électrique, de sorte que le contraste obtenu est généralement médiocre. De plus, pour cette dernière raison, ces cellules d'affichage de l'art antérieur sont mal adaptées à une commande par multiplexage. La présente invention a justement pour objet un dispositif d'affichage qui ne présente pas ces inconvénients, notamment en ce qu'il conduit à un angle de vue sensiblement plus grand que pour les dispositifs de l'art antérieur, en ce qu'il permet d'obtenir un bon contraste d'affichage, et enfin, en ce qu'il est mieux adapté au multipiexage A cette fin, l'invention propose un dispositif qui est encore basé sur l'exlstence de deux structures possibles, l'une en hélice et l'autre homéotrope, mals dans lequel la struc ture en hélice est obtenue sous excitation électrique, et non en l'absence d'excitation comme dans les dispositifs de l'art antérieur, la structure homéotrope étant obtenue corrélativement en l'absence d'excitation. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif d'affichage de caractères, du genre de ceux qui comprennent - une cellule à cristal liquide constituée par un film de cristal liquide intercalé entre une première paroi transparente recouverte par un premier système d'électrodes transparentes et une deuxième paroi recouverte d'un second système d'électrodes, les formes desdites électrodes permettant de composer lesdits caractères à afficher, lesdites électrodes ayant subi un traitement de surface qui leur donne la propriété d'orienter l'axe longitudinal des molécules du cristal liquide selon respectivement deux directions distinctes, notamment perpendiculaires, lorsque lesdites molécules ont leur axe longitudinal parallèle au plan desdites électrodes, - des moyens pour appliquer entre les électrodes de chaque système qui composent le caractère à afficher une différence de potentiel et soumettre ainsi le cristal liquide à un champ électrique d'excitation, - un système analVseur-polariseur encadrant ladite cellule, et qui est caractérisé en ce que le cristal liquide utilisé possède, lorsqu'il est soumis audit champ électrique d'excitation, une anisotropie diélectrique négative et en ce qu'il est prévu des moyens qui, en l'absence dudlt champ électrique d'excitation appliqué au cristal liquide, orientent l'axe longitudinal des molécules de celui-ci perpendiculairement auxdites électrodes. De préférence, les moyens pour orienter, en l'absence du champ d'excitation, l'axe longitudinal des molécules du cristal liquide perpendiculairement auxdites électrodes, sont constitués par un produit tenso-actif mélangé audit cristal liquide ou déposé sur les électrodes en couches mono ou multimoléculaires. Mais, selon une autre disposition, ces moyens consistent en une source de tension à une fréquence appropriée correspondant à une anisotropie diélectrique positive du cristal liquide. De préférence encore, le cristal liquide utilisé appartient à la famille des cristaux liquides nématiques ou cholestériques. De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement un dispositif d'affichage selon l'art antérieur, - la figure 2 représente le dispositif d'affichage selon l'invention et montre schématiquement l'orientation des molécules de cristal liquide en l'absence de champ électrique d'excitation, - la figure 3 représente le dispositif d'affichage selon l'invention et montre schématiquement l'orientation des molécules du cristal liquide en présence d'un champ électrique d'excitation, - la figure 4 iilustre une variante du dispositif de l'invention travalllant en réflexion, - la figure 5 représente une courbe qui illustre la correspondance entre l'angle de rotation subi par les molécules d'un film de cristal liquide et la variation d'indice concomitante. La figure 1 représente schématiquement un dispositif d'affichage selon l'art antérieur, qui se rapproche de celui de l'invention Ce dispositif comprend une cellule 10 constituée par un film 12 de cristal liquide intercalé entre une première paroi transparente 14 recouverte par un premier système d'électrodes 16 transparentes et une deuxième paroi 18 transparente recouverte d'un second système d'électrodes 20 transparentes les formes desdites électrodes, non représentées en détail, permettent de composer les caractères à afficher ; ces électrodes ont subi un traitement de surface qui leur donne la propriété d'orienter l'axe longitudinal des molécules du cristal liquide 12 selon respectivement deux directions distinctes D1 et D2, qui font entre elles un angle déterminé,de 90C de préférence. La cellule 10 est placée entre un analyseur 22 et un polariseur 24 dont les directions 22' et 24' sont parallèles Des moyens 26 sont prévus pour appliquer entre les électrodes 16 et 20 une différence de potentiel qui provoque au sein du cristal liquide i2 l'apparition d'un champ électrique d'excitation. En i'absence d'excitation électrique, les molécules du cristal liquide 12 ont leur axe longitudinal orienté dans la direction Dl au voisinage de l'électrode 16 et dans la direction D2 au voisinage de l'électrode 20 Au sein du cristal liquide, l'orientation de l'axe des molécules passe progressivement de la direction Dl à la direction D2, ce qui donne naissance à la structure en hélice dont il a été question plus haut. Lorsqu'un champ électrique est appliqué au film 12, l'axe longitudinal des molécules du cristal s'aligne sur ce champ électrique, car, dans tous les dispositifs de ce genre utilisés dans l'art antérieur, l'anisotropie diélectrique du cristal liquide est toujours positive. Par anisotropie diélectrique, on entend ceci : les molécules de cristaux liquides présentent un moment dipolaire permanent dont la direction par rapport aux axes de la molécule dépend du type de molécules. Lorsque la constante diélectrique e//, mesurée parallèlement au grand axe de ia molécule, l'emporte sur la constante mesurée parallèlement au petit axe de ia molécule, la quantité s - 61 est positive et l'on dit que l'anisotropie diélectri- que est positive. L'anisotropie d'un cristal liquide est donc donnée en grandeur et en signe par la différence E// - l. Pour les cristaux liquides utilisés dans les dispositifs de l'art antérieur du genre de celui qui est représenté sur la figure 1, i'anisotropie est toujours positive, de sorte que c'est l'axe longitudinal des molécules qui a tendance à se placer parallèlement au champ électrique appliqué, ce qui a pour effet d'orienter lesdites molécules perpendiculairement aux électrodes. Ainsi, l'application d'un champ électrique au cristal liquide débobine la structure en héiice. En i'absence d'excitation, l'observateur 30 ne reçoit aucune lumière, à cause de la présence de la structure en hélice dans la cellule 10. L'application d'un champ électrique entraîne la disparition de la structure en hélice et permet une transmission de la lumière. L'affichage s'effectue donc sous la forme d'un caractère brillant sur fond noir Pour plus de détail sur un tel dispositif d'affichage, on pourra consulter par exemple le brevet d'invention nO BF 2 117 358 délivré le 26 Juin 1972 pour "Cellule optique". Un tel dispositif présente les inconvénients déjà soulignés : faible angle de vue, contraste médiocre, difficulté de multiplexage. Le dispositif de l'invention remédie à ces inconvénients. Il est représenté schématiquement sur les figures 2, 3 et 4. La figure 2 représente le dispositif d'affichage de l'invention en l'absence de champ électrique d'excitation. Ce dispositif comprend une cellule 32 à cristal liquide, qui est constituée par un film de cristal liquide 34 intercalé entre une première paroi transparente 36 recouverte d'un premier système d'électrodes 38 transparentes et une deuxième paroi 40 transparente recouverte d'un second système d'électrodes 42 également transparentes. Les formes desdites électrodes permettent de composer lesdites caractères à afficher (matrice de plots indépendants, segments, ou familles de barres croisées. Les électrodes 38 et 42 ont subi un traitement de surface qui leur donne la propriété d'orienter l'axe longitudinal des molécules du cristal liquide selon deux directions D1 et D2 distinctes et notamment perpendiculaires. Ce traitement de surface peut être de tout type connu ; il peut consister en un frottement, en un dépôt oblique d'un corps tel que l'oxyde de silicium S1O, en un trempage dans un corps tensoactif etc ... La cellule 32 est placée entre un analyseur 44 et un polariseur 46 qui sont, par exemple, parallèles. Des moyens 48 sont prévus pour appliquer, par l'intermédiaire d'un interrupteur 50, entre certaines des électrodes 38 et 42 qui composent le caractère à afficher, une différence de potentiel et pour soumettre ainsi le cristal liquide 34 à un champ électrique d'excitation. L'obsenvateur 52 se place de telle sorte que le dispositif d'affichage soit entre lui et une source lumineuse 54, ce qui correspond à un fonctisnnement en transmission. L'origrnairté d dispositif de la figure 2 par rapport à celui de la-figure 1, tient au fait que le cristal liquide 34 utilisé possède, lorsqu'il est soumis au champ électrique d'exci tation, provenant de la source 48, une anisotropie diélectrique négative et en ce qu'il est prévu des moyens qui, en l'absence dudit champ électrique d'excitation appliqué au cristal liquide, orientent l'axe longitudinal des molécules de celui-ci perpendiculairement auxdites électrodes. Ces moyens peuvent être de natures diverses. Dans un mode de réalisation prévllégié, ils consistent en un produit tenso-actif par exemple une versamide, ia lécithine etc. .; qui est mélangé au cristal liquide 34 et qui donne aux molécules de celui-ci une orientation perpendiculaire aux électrodes 38 et 42. Cette orientation est représentée schématiquement sur la figure 2 par les traits perpendiculaires aux faces de la cellule. Dans d'autres modes de réalisation préférés, ils consistent en des couches déposées sur les électrodes, de corps tensoactifs, de couches monomoiecuiaires ou trimoléculaires d'or thophénanthroline, ou de corps smectiques ou analogues en phase solide (voir à ce suet le brevet français n EN 72 il503 du 31 mars 1972 au nom du demandeur pour : "Procédé d'orientation collective des molécules d'un cristal liquide et cellule à cristaux liquides mettant en oeuvre ce procède"3. Selon un autre mode de réalisation, on peut appliquer aux électrodes 38 et 42 une différence de potentiel telle que le champ électrique qui en résulte ait une fréquence correspondant à une anisotropie diélectrique positive pour le cristal liquide. Cette condition n'est pas contradictoire avec celle qui a été indiquée plus haut, à savoir l'existence d'une anisotropie diélectrique négative pour le champ d'excitation. On sait en effet que certains cristaux liquides ont la particularité de présenter une anisotropie qui s'annule en changeant de signe pour une certaine vaieur de la fréquence du champ électrique qui leur est appliquée.On pourra consulter à ce sujet, par exemple, l'article publié dans la revue "Physícs Letters", volume 39A, nc 5, le 5 Juin 1972 et intitulé 'Relaxation of the dielectric constant and electrohydrodynamic instabilities in a liquid crystal".Pour l'application de ce phénomène à l'affichage par cellules à cristaux liquides, on pourra consulter la demande de brevet français déposée par le demandeur le 24 Mai i973 sous le nc EN 7318951 et intitulée "Procédé d'orientation collective des molécules d'un cristal liquide par un champ électrique et dispositifs correspondants, Dans cette variante de l'invention, les moyens pour orienter l'axe longitudinal des molécules du cristal liquide perpendiculairement aux parois comprennent un générateur de tension 56 de fréquence appropriée et telle que l'anisotropie du cristal utilisé soit positive, et un interrupteur 58. Le cristal liquide peut être, par exemple, un mélange de MBBA (p-métoxybenzilldène-p-n-butylan1lines et de ABABN alkoxy- benzilidène-amino-benzonltrile). I1 convient de noter que tous les moyens cités d'orientation des molécules parallèlement aux électrodes ne sont pas compatibles avec tous les moyens cités d'orientation des molécules perpendiculairement aux électrodes ; c'est ainsi que l'emploi simultané de deux corps tensoactifs pour ces deux fonctions ne conduit pas à un fonctionnement correct du dispositif. Quel que soit le moyen prévu pour orienter, en l'absence du champ électrique qui sert à l'affichage, l'axe longitudinal des molécules perpendiculairement aux électrodes et obtenir ainsi une structure homéotrope, on voit que la situation est inversée par rapport à celle des dispositifs de l'art antérieur, puisque dans ces derniers, en l'absence d'excitation électrique, le cristal liquide ne présente pas une structure homéotrope mais la structure en hélice. En ce qui concerne maintenant l'orientation des molécules en présence d'un champ électrique d'excitation, destiné à provoquer l'affichage d'un caractère, elle est illustrée sur la figure 3. Les éléments sont les mêmes que sur la figure 2 et portent, pour simplifier, les mêmes références. En présence d'une excitation électrique, l'interrupteur 50 est fermé et, Si les moyens pour orienter perpendiculairement aux électrodes les molécules sont constitués par un générateur 56 de fréquence judicieuse, l'interrupteur 58 est ouvert. Comme le cristal liquide 34 a une anisotropie diélectrique négative pour le champ électrique d'excitation appliqué par les moyens 48, l'axe longitudinal des molécules du cristal liquide s'aligne paraidlement aux électrodes 38 et 42 La propriété qu'ont ces électrodes de pouvoir orienter 1-'axe longitudinal des molécules de cristal liquide selon deux directions perpendicu- laires Dl et D2, entraîne alors l'apparition d'une structure en hélice, dans les seules parties où le champ électrique d'excitation est appliqué C'est ce qui est représenté avec plus de détail dans la pairie supérieure de la figure 3. Les zones du film non soumises au champ électrique dsexcltatlon conservent leur structure homéotrope. Le dispositif de la figure 2 et de la figure 3 fonctionne également si le générateur 56 applique en permanence le champ électrique d'orientation. On constate donc encore que la situation est inversée par rapport aux dispositifs de l'art antérieur, puisque c'est en présence de l'excitation électrique destinée à l'affichage d'un caractère, qu'apparaît la structure en hélice. Les figures 2 et 3 representent le dispositif de l'invention dans une variante qui fonctionne en transmission. I1 est aisé de transposer ce dispositif dans une variante qui travaille en réflexion. C'est ce qui est représenté sur la figure 4. La cellule 60 est intercalée dans ce cas entre un analyseur 62 et un polariseur 64 d'axes parallèles et il est prévu, derrière le polariseur 64, une surface 66 blanche ou colorée qui diffuse la lumière. L'observateur 68 se place du même côté de la source 70 par rapport au dispositif d'affichage. Le caractère affiché apparaît alors noir sur fond blanc ou coloré. Pour mieux comprendre les avantages de l'invention, on donne maintenant un exemple numérique dans le cas où le cristal liquide utilisé appartient à la famille des cristaux nématiques et est constitué par le MBBA, dont la molécule présente un moment dipolaire perpendiculaire au grand axe dans les conditions habituelles. Pour ie MBBA, l'indice optique peut varier entre les deux valeurs extrêmes nO - 1,545 et ne = 1,725. Pour une tension appliquée aux électrodes qui est égale à trois fois la tension de seuil cqui est la tension utilisée généralement dans les dispositifs de multiplexage classique) et par exemple, de l'ordre de 12 V, on obtient un indice de 1,7. La rotation des molécules qui résulte de l'application de ce champ est alors de 690,71. L'application d'une telle tension ne permet donc pas d'obtenir rigoureusement la rotation théorique complète de 90G de l'orientation des molécules. Dans l'exemple pris, il s'en faut de 200,28. Dans le cas des cellules de l'art antérieur, cette différence se tradult par le fait que la structure en hélice n'est pas totalement débobinée et que l'orientation homéotrope vers laquelle on souhaite tendre n'est pas parfaitement obtenue. I1 en résulte qu'il est difficile d'obtenir un bon contraste et un angle de vue important. Au contraire, dans le cas du dispositif de l'invention, la présence du corps tenso-actif (ou des moyens électriques équivalents) donne une bonne orientation homéotrope au film de cristal liquide, ce qui conduit à un bon angle de vue, toujours entre polariseur et analyseur parallèles. Si l'orientation des molécules induite par le champ électrique appliqué n'est pas exactement celle qu'on souhaite obtenir et si l'écart entre les orientations théorique et pratique est de l'ordre de celui qu'on a calculé plus haut (200,28), cette imperfection est sans importance sur l'angle de vue ou le contraste, dans le cas de l'invention, comme on peut le constater en étudiant les variations de l'angle 6 de rotation subie par la molécule en fonction de la variation d'indice An du film de cristal liquide. Cette dépendance est illustrée par la courbe de la figure 5 où la rotation 6 est portée en ordonnées et la variation d'indice An figure en abscisses au facteur L/ près où L est l'épaisseur du film de cristal liquide et A la longueur d'onde de fonctionnement. La forme de cette courbe montre clairement que même si la rotation des molécules n'est pas complète, An ne sera pas très éloigné de la valeur maximale Anmax et la rotation â sera toujours très proche de 90". On peut même se permettre un écart dans la rotation allant jusqu a AnmaX/2 tout en conservant une rotation des molécules voisine de 90, donc un contraste et un angle ite vue qbi restent excellents. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'affichage de caractères, du genre de ceux qui comprennent - une cellule à cristal liquide constituée par un film de cristal liquide intercalé entre une première paroi transparente recouverte par un premier système d'électrodes transparentes et une deuxième paroi recouverte d'un second système d'électrodes, les formes desdites électrodes permettant de composer lesdits caractères à afficher, lesdites électrodes ayant subi un traitement de surface qui leur donne la propriété d'orienter l'axe longitudinal des molécules du cristal liquide selon respectivement deux directions distinctes, notamment perpendiculaires, lorsque lesdites molécules ont leur axe longitudinal parallèle au plan desdites électrodes, - des moyens pour appliquer entre les électrodes de chaque système qui composent le caractère à afficher une différence de potentiel, et soumettre ainsi le cristal liquide à un champ électrique d'excitation, - un système analyseur-polariseur encadrant ladite cellule, caractérisé en ce que le cristal liquide utilisé possède, lorsqu'il est soumis audit champ électrique dtexcitation une anisotropie diélectrique négative et en ce qu'il est prévu des moyens qui, en l'absence dudit champ électrique d'excitation appliqué au cristal liquide, orientent l'axe longitudinal des molécules de celui-ci perpendiculairement auxdites électrodes. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour orienter, en l'absence du champ d'excitation, le grand axe des molécules du cristal liquide perpendiculairement auxdites électrodes, sont constitués par un produit tenso-actif mélangé audit cristal liquide. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour orienter, en l'absence du champ d'excitation, le grand axe des molécules perpendiculairement auxdites électrodes sont constituées par des couches déposées sur les électrodes. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour orienter, en l'absence du champ d'excitation, le grand axe des molécules du cristal liquide perpen diculairement auxdites électrodes, sont constitués par une source de tension alternative de fréquence telle que le cristal liquide utilisé ait, à cette fréquence, une anisotropie diélectrique positive. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'analyseur et le polariseur sont parallèles, l'affichage du caractère apparaissant alors en noir sur fond éclairé. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur est disposé à l'arrière de la cellule par rapport à l'observateur et en ce que derrière ledit polariseur est disposée une couche diffusant la lumiere, le dispositif travaillant alors en réflexion. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal liquide utilisé appartient à la famille des cristaux liquides nématiques. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cristal liquide utilisé appartient à la famille des cristaux liquides cholestériques.