Brevet FR2289931A1 — publié le 19760528

L'invention se rapporte aux procèdes d'alignement de cristaux liquides et à leur- application aux cellules de visualisation du type "nématique en hélice". 'On sait que dans les cellules de visualisation, un film.de cristal liquide èst logé- entre les surfaces planes et parallèles de deux électrodes transparentes. Lorsqu'il s'agit d'un cristal Liquide en phase mésomorphique de type nématique ou smectique, on peut donner aux molécules allongées du liquide des orientations parallèles aux plans des électrodes, dans le cas de l'alignement dit "planaire".Dans ie cas de la structure en hélice, qui est un cas pariculier de l'alignement planaire, les axes des molécules demeurent perpendiculaires à une direction commune, moins, pour un observateur regardant dans cette direction, apparaissent comme régulièrement décalées'dans un sens déterminé. Cette structure confère au cristal liquide un pouvoir rotatoire facile à observer en lumière polarisée. Ce pouvoir rotatoire disparaît lorsqu'on applique à la structure un champ électrique, lequel, dans le cas de cristaux liquides à anisotropie diélectrique positive, doit être orienté suivant la perpendiculaire commune aux axes des molécules. Dans tout ce qui suit, on appellera surface interne des élec trodes- '-la face de la lame de verre recouverte d'une couche conductrice transpareflte'(en:oxyde d'étain par exemple) destinée à être mise en contact avec le liquide cristallin lors du montage de la cellule. I1 existe divers procédés permettant de donner aux molécules du cristal liquide une orientation plus ou moins durable, parallèle aux électrodes. On citera notamment. - le frottement préalable dé la surface interne de l'électrode de manière à créer des rayures parallèles à une direction commune ; pour améliorer la stabilité on doit utiliser un abrasif (particules de'diamant avec-un liant), lequel laisse des-traces susceptibles de détruire partiellement, au cours du nettoyage des électrodes par ultra-sons, la couche conductrice de la lame de-verre. - le dépôt par évaporation sous vide d'une couche mince d'oxyde de silicium (Si O) en respectant un angle d1incidence trèsfaible ; cette deuxième méthode, outre qu'elle nécessite un appareillage coûteux, difficile à utiliser industriellement, ne donne pas une orientation très stable des molécules de cristal liquide. L'invention remèdie aux inconvénients des méthodes ci-dessus en ayant recours à des polymères organiques possèdant des groupements fonctionnels capables d'induire une orientation parallèle des molécules du cristal liquide. Pour pouvoir être utilisables ces polymères doivent être simultanément insolubles dans le liquide cristallin et parfaitement mouillants par rapport à celui-ci. Le procédé d'alignement de cristaux liquides suivant l'invention comprend les étapes suivantes a - Dépôt, sur la face interne d'au moins une électrode, d'une couche de polymère organique satisfaisant aux conditions précitées - b - Traitement mécanique de la couche ayant pour but de donner aux molécules du polymère une orientation parallèle au plan de l'élec- trode ; o - Montage et finition du dispositif à cristal liquide. I1 est caractérisé en ce que ledit traitement mécanique consiste à faire glisser sur ladite couche un patin coulissant à frottement doux et exerçant une pression constante sur ladite couche, le mouvement ayant lieu en ligne droite et dans un sens prédéterminé. Avant de donner des exemples de réalisation de l'invention, on rappelle ci-après le principe de méthodes connues pour déposer une couche de polymère sur un substrat. 1 - Dépôt par décharge électrique en phase gazeuse. Dans cette méthode, on crée un plasma de vapeur de monomère à très basse pression dans un appareil possédant deux plaques métalliques entre lesquelles est appliquée la différencie de potentiel électrique de décharge. Les ions du plasma se déposent de façon préférentielle sur l'une des plaques : on monte sur cette plaque l'électrode de la cellule à traiter. Dans ces conditions, la couche déposée comporte des molécules à longue chatne (polymère formé "in situa) dont l'axe est perpendiculaire à la surface de l'électrode. Cette méthode de dépôt est notamment décrite dans la demande de brevet français déposée par la demanderesse le 19 Octobre 1973, sous le N0 73. 37 360, relative à un "Dispositif à cristal liquide nématique à ancrage homéotrope, et procédé de fabrication de ce dispositif". Dans le cas de la présente invention, l'orientation des molécules de la couche est modifiée au cours de l'étape "b", de façon à obtenir finalement un alignement parallèle au plan de 1lélec trode. 2 - Dépôt par effet thermique en phase gazeuse. Dans cette méthode, on dirige un flux de vapeur de monomère sur un substrat placé dans un four maintenu à température constante. Le courant de vapeur doit être "laminaire", c'est-à-dire présenter une vitesse uniforme et une incidence constante par rapport à la surface du substrat. Le monomère se polymérise par effet thermique au contacts du substrat. Cette méthode de dépôt est décrite dans la demande de brevet français déposée par la demanderesse le 28 Décembre 1973, sous le N 73. 46 955, relative à un "Dispositif à cristal liquide à ancrage planaire et procédé de fabrication dudit dispositif11. Dans le cas du brevet précité, l'incidence du flux de vapeur est rasante. Dans le cas de la présente invention, l'incidence peut être différente puisqu'au cours de l'étape "b", l'orientation des molécules sera modifiée de façon à être rendue parallèle au plan de l'électrode. 3 - Dépôt par transfert d'un film mince homogène sur le substrat, suivi d'une polymérisation par la chaleur. On sait former à la surface d'un liquide, par exemple sur l'eau d'une cuve, une couche mince et homogène (d'une épaisseur de 5 à 50 angströms) d'un monomère insoluble dans le liquide ou d'un prépolymère (polymère de degré moindre de polymérisation). On sait transférer une telle couche sur les deux grandes faces d'un substrat prd- alablement immergé sous la couche. On effectue à cet effet le "tirage" du substrat à vitesse très lente (10-2 cJsec) à travers la couche en entratnant celle-ci (mouillante par rapport au substrat).On utilise à cet effet un appareillage mécanique comportant un système de piston à descente lente et régulière (grace à un amortisseur à liquide visqueux) appelé "dash-pot" dans la littérature anglo-saxonne. Dans un tel appareillage, le substrat demeure en réalité fixe, et la cuve descend lentement, réalisant l'équivalence du tirage par le haut. Pour assurer le transfert d'une couche d'épaisseur homogène, l'appareillage- doit être complèté par un système dit de "barrière flottante" assurant une pression latérale constante sur la couche à la surface de l'eau et empêchant l'extension de celle-ci pendant le "tirage". Après transfert, le film, c'est-à-dire la couche de monomère ou de prépolymère est polymèrisée par action de la chaleur par traitement dans un four. 4 - Dépôt par tirage d'un substrat plongé dans une solution de prépolymère. Cette méthode, analogue à la précédente, exigeant également un appareillage du type "dash-pot", permet la réalisation de couches épaisses (quelques milliers d'angstroms). Elle est suivie d'une polymérisation par l'action de la chaleur, augmentant le degré de polymérisation de la couche déposée sur le substrat. Les polymères cités dans les exemples ci-après peuvent être déposés par au moins une des méthodes ci-dessus. Ils présentent une nature chimique qui favorise le "couchage" des molécules, c'est-àdire leur alignement parallèlement à la surface de dépôt. On réalise cette opération d'alignement en frottant une ou plusieurs fois (en principe l'effet de couchage est obtenu par un seul aller du patin), dans une direction prédéterminée, la couche à traiter avec un patin recouvert soit de papier dit de qualité optique" (utilisé pour le nettoyage des verres d'optique) soit de tissu très doux. Par ailleurs les polymères cités sont insolubles dans le cristal liquide, ce qui est assuré pratiquement dès que la polymérisation dépasse un certain degré : le nombre due molécules de monomère associés en moyenne dans les channes du polymère est par exemple supérieur à 100. Enfin les polymères cités demeurent transparents, quel que soit leur degré de polymérisation. Premier exemple Le monomère est le paraxylylène, dont le polymère utilisable est vendu sous le nom commercial de "parylène". On utilise la deuxième méthode de dépôt (polymérisation en phase gazeuse par effet thermique). L'épaisseur de la couche peut atteindre plusieurs microns. Le couchage des molécules est effectué par un patin exerçant une pression d'environ 50 g/cm2. Des résultats excellents sont obtenus avec le cristal liquide suivant : le 4-pentyl-4'-cyanobiphényl. On obtient une cellule du type "nématique en hélice" en effectuant deux dépôts (un sur chaque électrode) et en alignant les molécules dans deux directions perpendiculaires. Deuxième exemple Le monomère est le méthylméthacrylate, polymérisé par la première méthode indiquée (décharge en phase gazeuse). L'épaisseur de la couche atteint 500 angstrdms. D'excellents résultats sont obtenus en utilisant la meme méthode de couchage des molécules et le meome cristal liquide que dans le premier exemple. Des cellules du type "en hélice" sont réalisables de la meme manière. Troisième exemple Le monomère est le méthylsiloxane, déposé par la troisième méthode (transfert sur le substrat par tirage d'un film). La polymérisation est effectuée par traitement thermique à 100bC pendant une heure. Une épaisseur de 50 angstroms a été obtenue par cette méthode. Les résultats obtenus sont excellents en utilisant les traitements et le cristalliquide cités dans le premier exemple. Quatrième exemple On utilise une solution de polystyrène dans du divinylbenzène et l'on dépose le polymère en utilisant la méthode n" 4. L'épaisseur atteint quelques milliers d'angstrâms. Les résultatsssont excellents en utilisant les traitements et le cristal liquide cités dans le premier exemple. Outre les avantages déjà signalés, l'invention permet de simplifier la fabrication des structures nématiques en hélice, car lorsqu'on enserre une goutte de cristal liquide entre deux électrodes orientées dans des directions perpendiculaires on obtient im médiatement et de façon durable, la disposition en hélice caractéristique de ce type de cellule. REVENDICATIONS 1. Procédé d'alignement de cristaux liquides comprenant les étapes suivantes a) Dépôt, sur au moins une face d'une électrode destinée à constituer, avec une autre électrode, une cellule à cristal liquide, d'une couche de polymère organique susceptible d'induire une orientation parallèle des molécules du cristal liquide ; b) Traitement mécanique de la couche ayant pour but de donner aux molécules du polymère une orientation parallèle au plan de l'électrode ayant reçu ledit dépôt ; c) Montage et finition de la cellule à cristal liquide ; ledit procédé étant caractérisé en ce qu a l'étape (b) on fait glisser sur ladite couche un patin coulissant à frottement doux et exerçant une pression constante sur ladite couche, le mouvement ayant lieu en ligne droite et dans un sens prédéterminé. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polymère organique est obtenu par polymérisation d'un monomère appartenant au groupe des corps ci-après - paraxylylène - méthylméthacrylate ; - méthylsiloxane. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polymère organique est un copolymère de styrène et de divinylbenzène. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pression constante est de quelques dizaines de g/cm2, et que la translation dudit patin est de l'ordre de quelques centimètres. 5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en oe que ledit polymère organique est formé à partir de monomère en phase vapeur au sein de laquelle on provoque une décharge électrique. 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit polymère organique est formé en dirigeant un flux de vapeur de monomère sur ladite électrode placée dans un four. 7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dépôt provient du transfert sur ladite électrode d'une couche de monomère formée à là surface d'un liquide, ladite couche étant ensuite polymérisée par traitement thermique. 8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dépôt provient d'une couche obtenue en plongeant ladite électrode dans une solution de prépolymère, ladite couche étant ensuite polymérisée par traitement thermique. 9. Dispositif à cristal liquide, caractérisé en ce qu'il a été aligné par un procédé suivant l'une des revendications 1 à 8. 10. Cellule de visualisation à cristal liquide nématique en hélice, caractérisée en ce qu'elle a été obtenue par un procédé suivant l'une des revendications 1 à 8.